譚智霖,謝琦*,廖炎輝,王雅杰,杜磊,陳惠嫻
輕度認知障礙(mild cognitive impairment,MCI)作為阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)的前期階段,其3年內進展為AD的概率可高達50%[1]。對MCI 階段的患者及時給予干預措施,可有一定概率逆轉其進展為AD的過程并恢復其認知功能。然而目前臨床上仍缺乏活體檢測MCI的客觀生物標志物,這也是早期診斷MCI 患者的難點。額葉占據了人腦中1/3 的體積,是人類大腦中最重要的腦區之一。額葉與多個腦區之間擁有豐富的神經網絡連接,并與記憶形成及抽象能力等密切相關。當患者額葉發生病理改變時,其認知狀態及功能會發生改變。氫質子磁共振波譜(1H-magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)是目前僅有的可從活體層面觀察大腦中神經元生化及遞質改變的影像技術。目前額葉用于診斷MCI患者的特異性仍尚未明確,既往研究所選定的感興趣區域亦多為腦葉灰質區。然而,有研究表明與白質病變相關的軸突損傷及少突膠質細胞增生等病理改變亦與AD病理機制有一定的相關性[2]。本文旨在利用1H-MRS檢測MCI患者早期雙側額葉白質區域內潛在的代謝物水平變化,以及對其與認知狀態相關性進行探索。
本研究屬于前瞻性研究,已經廣州市第一人民醫院倫理委員會論證批準(批件號:K-2019-166-01)。所有受試者均已被充分告知檢查內容并自愿簽署知情同意書。
2019 年1 月至2020 年12 月社區招募志愿者360名,并經過篩選共納入174名志愿者。入組標準:18~79 歲、受教育年限≥7 年、漢族、無明顯視力及聽力損害。排除標準:明顯的左利手及雙利手、既往存在顱內占位或顱腦手術史、可能引起認知受損的各類系統疾病、存在認知能力下降的主訴及磁共振掃描禁忌證。經過神經心理量表測試評估后分為正常對照組(normal control,NC)及MCI組。
MCI 組共74 名,男34 名,女40 名,年齡22~79(55.76±10.95)歲,受教育年限(10.94±2.84)年。NC 組共100 名,男61 名,女39 名,年齡18~72(40.04±12.65)歲,受教育年限(14.98±3.36)年。根據WHO對于年齡的劃分標準[3],將MCI組及NC組受試者各自劃分為青年組(≤44歲)、中年組(45~59歲)及老年組(≥60歲)3個亞組。各亞組之間一般資料比較見表1。
表1 各亞組間性別、年齡、受教育年限比較()Tab.1 Comparison of gender,age,and years of schoolingbetween each subgroups()
表1 各亞組間性別、年齡、受教育年限比較()Tab.1 Comparison of gender,age,and years of schoolingbetween each subgroups()
注:MCI:輕度認知障礙;NC:正常對照組;MMSE:簡易精神狀態檢查表;P<0.05表示差異有統計學意義。
1.2.1神經心理量表測試
由兩名經過培訓的研究者對受試者認知狀態進行整體評估,使用的量表包括中文版本Folstein簡易精神狀態檢查表(mini-mental state examination,MMSE)、郭起浩等編制的華山版聽覺詞匯記憶測驗(Auditory Verbal Learning Test,AVLT)、Partington等研制的連線測試(Shape Trails Test,STT)、Wilma等研制的動物詞語流暢性測試(Animal Fluency Test,AFT)、Harold等研制的Boston命名試驗(Boston Naming Test,BNT)及Robert 等編制功能活動問卷(Functional Activities Questionnaire,FAQ)。
1.2.2診斷標準
MCI 診斷標準采取Jak/Bondi 制定的診斷標準[4],當受試者在至少同一個認知域的兩個指標受損(測試分數低于同齡標準數值一個標準差)、3個認知域均有一項測試得分受損(測試分數低于同齡標準數值一個標準差)或FAQ≥9 分,則納入MCI 組。3 個認知域評估包括記憶(AVLT 長延時及再認)、執行(STT-A、STT-B)及語言功能(AFT、BNT)。NC 組納入標準為受試者沒有認知能力下降的主訴及擔憂,并且量表評估提示無客觀認知功能障礙,MMSE評分>24分。
1.2.31H-MRS數據采集及分析
受試者完成神經心理量表測試后1 h內進行1H-MRS檢查。所用儀器為德國Siemens Skyra 3.0 T MRI 儀及32 通道頭部相控陣線圈。掃描序列包括橫軸位T2WI 及T2-FLAIR、矢狀位3D-T1WI 及單體素點解析波譜(point-resolved spectroscopy,PRESS)序列。1H-MRS序列參數:TR/TE=1500 m/35 ms,翻轉角=90°,信號平均次數=256,感興趣區體積=10 mm3,自動抑水及體素內勻場(若勻場失敗,則行手動勻場),采集時間6 min 32 s。感興趣區域為雙側額葉白質區域,采用3D-T1WI 圖像多平面重建(multi-planner reformation,MPR)冠狀、矢狀及橫斷位三方位圖像以進行定位,定位時最大限度避開周圍腦脊液及灰質的干擾。
應用LCModel軟件進行波譜數據處理,并對以下代謝物進行分析:N-乙酰天門冬氨酸+N-乙酰天門冬氨酸谷氨酸(N-acetylaspartate+N-acetylaspartylglutamate,NAA+NAAG)、膽堿復合物(Glycerophosphocholine+Phosphocholine,GPC+Pch)、肌醇(Inositol,Ins)、谷氨酸+谷氨酰胺(Glutamate+Glutamine,Glu+Gln)。各代謝物相對濃度為各主要代謝物與肌酸+磷酸肌酸(total creatine,Cr+PCr)的比值,均由軟件自動計算得出。當表征波譜質量的代謝物濃度的標準偏差<20%時,該相對濃度的數值納入統計分析。
應用SPSS 25.0 行統計學分析。計數資料使用χ2檢驗。計量數據采用()表示。對各年齡對應亞組間代謝物相對濃度差異進行對比,根據資料是否符合正態分布選擇相應統計學方法。其中青年組及中年組組間一般資料差異具有統計學意義,因此采用協方差分析以校正混雜因素的影響;老年組組間一般資料差異無統計學意義,采用獨立樣本t檢驗進行組間對比。如資料不符合正態分布則采用非參數曼-惠特尼U檢驗。采用Pearson及Spearman相關分析法對MCI 組代謝物相對濃度與神經心理量表評分進行相關性分析。P<0.05為差異有統計學意義。
在老年組(≥60 歲)中,MCI 組左側額葉白質Glu+Gln相對濃度較NC組增加,組間差異具有統計學意義(P=0.007)。其余各亞組間雙側額葉代謝物相對濃度差異均無統計學意義(P均>0.05),見表2。
表2 各亞組間代謝物相對濃度對比()Tab.2 Comparison of relative concentrations of metabolites between each subgroups()
表2 各亞組間代謝物相對濃度對比()Tab.2 Comparison of relative concentrations of metabolites between each subgroups()
注:MCI:輕度認知障礙;NC:正常對照組;NAA+NAAG:N-乙酰天門冬氨酸+N-乙酰天門冬氨酸谷氨酸;GPC+Pch:膽堿復合物;Ins:肌醇;Glu+Gln:谷氨酸+谷氨酰胺;*:與NC組比較,差異有統計學意義(P<0.05)。
利用LCModel 進行分析后,針對MCI 組全體受試者各項神經心理學量表評分與各代謝物相對濃度進行相關性分析,結果顯示AVLT 長延時記憶與右側額葉白質NAA+NAAG (r=-0.241,P=0.039)呈負相關;AVLT 再認測試與右側額葉白質NAA+NAAG (r=-0.342,P=0.003)呈負相關;STT-A 測試耗時與左側額葉白質NAA+NAAG (r=-0.235,P=0.044)呈負相關,與右側額葉白質Ins (r=0.379,P=0.001)呈正相關;STT-B 測試耗時與右側額葉白質Ins (r=0.398,P=0.001)呈正相關。
在1H-MRS 波譜中,同一原子核可因其所處的化學環境及結構的不同而出現不同的共振頻率,這一特性被稱為化學位移[5]。1H-MRS 技術的應用,可在活體層面無創性并定量地檢測相應腦區代謝物的變化。目前MCI 患者的診斷主要依靠神經心理量表測試,但是量表評估受到了包括評定者對量表的熟悉程度、被試者的受教育程度、情緒及配合程度等多種混雜因素的影響。1H-MRS 可以直接反映腦內神經元的生化代謝改變,操作亦更加簡便,具有一定臨床應用價值。
近年來,與MCI相關的1H-MRS研究主要關注雙側海馬、后扣帶回及顳頂葉等區域[6]。有研究學者利用正電子發射斷層成像發現大腦中β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)沉積具有一定的順序,并提出Aβ 最早可沉積于額葉中[7]。此外,當額葉白質出現缺血性腦白質高信號時,會引起與執行控制有關的前額葉-皮質下環路的功能紊亂[8]。因此額葉白質的病理改變可在一定程度上影響患者記憶執行功能。對于此感興趣區域的研究將有助于尋找具備更早期發現MCI患者能力的生物標志物。
對NC 組及MCI 組代謝物相對濃度進行對比,結果發現老年組中MCI 亞組左側額葉白質Glu+Gln 相對濃度較NC 亞組增高,差異具有統計學意義。過往研究指出,MCI 患者中海馬及后扣帶回谷氨酸鹽復合物濃度可出現下降[9-11]。本研究結果與這一結論并不一致。Glu 參與神經元之間的信息傳遞、大腦發育及記憶形成等過程[12],以發揮其興奮性神經遞質的作用。但另一方面Glu在神經突觸間隙的異常蓄積,可引起Ca2+的大量內流并造成神經毒性[13]。因此,Glu在MCI 相關的神經元損傷中扮演著重要的角色。筆者推測本研究老年受試者MCI 亞組Glu+Gln 相對濃度增加的原因可能包括:(1)在MCI 患者腦白質組織中可存在神經元突觸的減少、髓鞘的脫失等病理改變[14]。在神經元傳遞功能受損的前提下,Glu 水平的增加可能為機體代償性改變,以維持中樞神經系統功能的發揮。(2)內源性Aβ 的異常蓄積可增加神經突觸的興奮性及Glu 的釋放,從而使相應腦區Glu 水平增加,并造成相應腦區神經元網絡興奮性異常增高[15-16]。(3)在正常生理狀態下,神經元及神經膠質細胞之間存在Glu-Gln 循環以維持Glu 水平的穩定。這一循環的破壞導致Glu 在神經系統的清除受阻,Glu 異常積累進一步過度刺激谷氨酸受體并發揮神經毒性作用,形成“惡性循環”。因此本研究中相關結果提示左側額葉白質Glu-Gln 相對濃度的增加可能是早期反映額葉神經元功能改變的指標,并且1H-MRS有望作為診斷MCI患者的技術補充。此外,這一病理變化發生于左側額葉,推測可能由于大腦結構及功能的偏側化所致。右利手人群主要由左側大腦半球承擔邏輯分析、數字處理等功能任務。另外,左側大腦半球葡萄糖代謝及其血流量亦較對側增加[17]。筆者推測左側額葉可能優先于右側而發生相應病理改變。
在本研究中,盡管MCI 組受試者雙側額葉白質NAA+NAAG、Ins 及GPC+PCh 相對濃度尚未出現明顯下降,但相關性分析結果提示右側額葉白質NAA+NAAG相對濃度與AVLT 長延時記憶及AVLT 再認測試分數呈負相關,左側額葉白質NAA+NAAG 相對濃度與反映執行功能的STT-A測試所需時間呈負相關。此外,雙側額葉白質Ins 相對濃度與連線測試完成時間呈正相關。
NAA 存在于大多數的神經元中,其水平的變化可在一定程度上反映了相應腦區神經元數量、完整性及線粒體功能情況[18-19]。NAAG 由NAA 和Glu 作為原料并合成于神經元中,可抑制谷氨酸神經毒性效應從而發揮內源性神經保護作用。Ins 僅在神經膠質細胞中合成,常被認為是神經膠質細胞的重要標志物。過往文獻報道在MCI 及AD 患者多個腦區中可觀察到NAA 水平下降[20],并且Ins 水平增加可與AD 相關病理學改變相關[21]。NAA+NAAG 及Ins 相對濃度與量表評分相關性的形成,可能由于在認知下降的病理過程中,相應腦區出現神經元損傷及膠質細胞異常激活,神經元功能出現障礙,從而導致NAA+NAAG 及Ins 相對濃度發生改變并出現認知功能受損。筆者推測NAA+NAAG 與Ins 水平變化可在一定程度上反映額葉腦區神經元功能狀態,并可能對MCI患者認知狀態評估具有臨床意義。
Cr 是反映大腦能量儲存的標志物,在大腦中Cr含量保持相對的穩定狀態[22]。本研究中采用Cr+PCr作為內參,從而計算其余代謝物相對濃度變化。膽堿復合物(Cho)由GPC 及PCh 所組成,可作為反映神經元及膠質細胞細胞膜完整性的重要代謝物,其水平變化通常與細胞膜完整性破壞等病理情況相關。在本研究中,各年齡亞組間GPC+PCh相對濃度差異無統計學意義,并且未發現GPC+PCh相對濃度與神經心理學量表評分之間存在相關性,推測可能由于感興趣區域的選擇及雙側額葉在MCI 早期尚未出現明顯細胞膜破壞所致。
本研究也存在一定的局限性:(1)本研究中納入統計的受試者數量較少,并且未能對受試者進行長時間隨訪。(2)本研究中使用單體素PRESS 序列進行1H-MRS 數據采集,因此未能對雙側額葉皮層數據進行采集;數據采集時所選取的ROI 范圍較小,因此信噪比亦受到一定影響。(3)ROI 定位時可能存在一定的選擇偏倚。
綜上所述,左側額葉白質Glu-Gln相對濃度的增加有望作為MCI患者額葉神經元改變的指標,且額葉白質NAA+NAAG 及Ins 水平的變化有可能對MCI 患者認知狀態評估具有臨床意義。1H-MRS 將有助于早期識別MCI患者大腦神經元代謝改變,并為臨床診斷提供一定的參考依據。
作者利益沖突聲明:全體作者均聲明無利益沖突。