非小細胞肺癌患者大腦皮層變化及臨床相關因素的初步研究*

吳川， 陳功， 董立， 羅麗萍， 高明權， 吳自飛， 方曾怡， 王衛(wèi)東

610054 成都,電子科技大學 醫(yī)學院(吳川、羅麗萍、高明權、吳自飛、王衛(wèi)東)；611731 成都,電子科技大學 生命科學與技術學院(陳功、董立)；646000 四川 瀘州,西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院 腫瘤科(方曾怡)；610041 成都,四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心，電子科技大學醫(yī)學院 放療中心,放射腫瘤學四川省重點實驗室(吳川、王衛(wèi)東)

肺癌在全球腫瘤發(fā)病率及致死率排行中穩(wěn)居首位，分別占癌癥總發(fā)病人口的11.6%和18.4%[1]，其中非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC) 占所有肺癌患者的85%[2]，并且發(fā)病率逐年增高，已成為世界上死亡率最高的腫瘤[3]。隨著抗腫瘤治療藥物及技術的發(fā)展，肺癌群體5年生存率從2011年的15.6%提高到了2019年的19.4%[4]。肺癌患者生存期的延長意味著臨床上對肺癌患者的關注不僅僅在于滿足延長生存時間，更重要的是要改善其生活質量。多年來的傳統(tǒng)觀念多注重對腫瘤病灶的控制和患者生存期的延長，往往忽略了患者認知變化對生存質量的影響。研究表明，有17%～34%的癌癥患者長期存在認知障礙[5]，即使輕微的認知功能障礙也會嚴重擾亂患者和家屬的日常生活。鑒于以上數(shù)據(jù)，癌癥患者認知功能變化的生物學機制和神經(jīng)解剖學基礎值得進一步深入探討。目前為止，我們所知道的大部分神經(jīng)解剖學結果都來自于對乳腺癌患者的MRI研究[6-8]，對NSCLC患者潛在的腦結構或功能改變知之甚少。因此，NSCLC患者大腦皮質改變情況仍有待研究。本研究觀察了NSCLC患者的大腦皮層變化及臨床相關影響因素，希望為肺癌患者腦健康維護奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究對象

納入2018年7月至2019年3月就診于四川省腫瘤醫(yī)院的非顱內轉移NSCLC患者(患者組)，同時納入年齡、性別相匹配的四川省腫瘤醫(yī)院體檢中心進行體檢的健康成年人為正常組，整理收集基本信息，包括：性別、年齡、生活習慣(煙酒史)、基礎疾病(高血壓、糖尿病、心血管疾病、精神疾病病史)。

患者組納入標準：1)病理活檢證實為NSCLC(鱗癌/腺癌)，不合并其他惡性腫瘤；2)影像學檢查提示無嚴重腦血管疾病、無腦轉移征象；3)無神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病病史；4)MRI掃描層數(shù)為192層；5)使用3.0T SIEMENS-Avanto MRI機進行的薄層掃描；6)右利手。正常組納入標準：1)四川省腫瘤醫(yī)院腫瘤篩查中心檢查提示無惡性腫瘤；2)既往無惡性腫瘤病史；3)無神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病病史；4)MRI掃描層數(shù)為192層；5)使用3.0T SIEMENS-Avanto MRI機進行的薄層掃描；6)右利手。排除標準：1)有神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病病史；2)有顱內轉移、顱內浸潤、原發(fā)腦腫瘤、抑郁、焦慮及嚴重腦血管病變；3)高血壓、糖尿病病史[9-11]；4)MRI掃描層數(shù)<192層；5)左利手。NSCLC分期按美國腫瘤分期系統(tǒng)聯(lián)合委員會(American Joint Committee on Cancer,AJCC)第8版分期。

患者組共納入87例，正常組共納入39例。將未接受任何治療的患者分為治療前組，共45例，接受臨床相關治療的患者分為治療后組，共42例，收集患者組顱腦增強MRI、臨床治療方案及血液分析(包括粒細胞數(shù)、淋巴細胞數(shù)、血紅蛋白濃度、血小板濃度)，血脂指標(膽固醇濃度、甘油三脂濃度)和腫瘤標志物[癌胚抗原、神經(jīng)元特異性烯醇化酶(neuron-specific enolase,NSE)]等臨床參數(shù)。

1.2 研究方法

所有顱腦MRI影像學數(shù)據(jù)均為四川省腫瘤醫(yī)院MRI室采集，采用3.0T SIEMENS-Avanto MRI機對患者組及正常組進行薄層掃描，采取結構像3D加權MRI圖像,其參數(shù)設置為：重復時間(repetition time，TR)=1 160 ms，回波時間(echo time，TE)=4.24 ms，反轉時間(inversion time，TI)=600 ms，視野(field of view，F(xiàn)OV)=256 mm×256 mm，翻轉角度(flip angle，F(xiàn)A)=15°，data matrix=256×256，voxel size=1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，整個腦區(qū)由192層橫斷平面組成。獲取MRI影像后行如下處理：使用Freesurfer軟件進行皮層表面重建和形態(tài)學參數(shù)測量。具體步驟如下：1)將個體的T1加權圖像配準到Talairach標準空間上;2)在標準空間中標準化圖像的灰度值，提高圖像對比度，減少分割誤差;3)去除顱骨等非腦組織;4)根據(jù)圖像的對比度等多個信息，標定大腦的白質區(qū)域，并且可以根據(jù)標準空間中腦橋和胼胝體的位置，去除小腦以及腦干并將大腦分成左右兩個半球;5)分別將左右半球進行曲面的三角網(wǎng)格參數(shù)化。用兩個三角形代表灰質和白質交界面的體素，可以得到灰質和白質交界面的初步三角網(wǎng)格曲面，但是體素水平上仍需要進行平滑處理。軟膜表面指的是從灰質和白質交界面向外擴展到灰質與腦脊液的交界面。類似第3)步的處理方式對軟膜曲面進行變形，至此得到軟膜曲面和白質曲面用頂點來表述;6)計算每個頂點的皮層厚度等參數(shù);7)使用Destrieux Atlas模板劃分腦區(qū)，計算每個腦區(qū)的皮層厚度、體積、表面積、曲率、腦溝深等指標(圖1)。

圖1 大腦皮層處理流程

1.3 統(tǒng)計學分析

利用Freesurfer中的QDEC交互統(tǒng)計，對腦區(qū)的厚度、體積、表面積、曲率、腦溝深度進行組間對比。組間差異通過在P<0.05(雙側)處的蒙特卡洛檢驗進行校正。年齡使用單因素方差分析，性別、吸煙、飲酒、病理類型、分期采用卡方檢驗或Fisher精確檢驗分析，雙樣本T檢驗分析正常組、治療前組、治療后組的皮層平均厚度、體積、表面積、曲率及腦溝深度。以性別、年齡、吸煙、喝酒狀況作為控制變量，對患者組臨床參數(shù)與變化腦區(qū)厚度、體積、表面積、曲率、腦溝深度進行相關性分析。同時以性別、年齡、吸煙、飲酒狀況作為控制變量，計算偏相關系數(shù)，將患者組臨床參數(shù)(血常規(guī)、血脂、腫瘤標志物等指標)與變化腦區(qū)行相關性分析。

2 結 果

2.1 患者組和正常組基本信息

正常組39例，男20例，女19例，平均年齡(48.90±11.9)歲，年齡范圍21～81歲；治療前組共觀察了45例NSCLC患者，男28例，女17例，平均年齡(57.04±8.1)歲，年齡范圍36～70歲；臨床分期：Ⅰ期3例，Ⅱ期7例，Ⅲ期20例，Ⅳ期15例；病理類型：鱗癌28例，腺癌17例；治療后組42例，男30例，女12例；平均年齡(59.93±10.1)歲，年齡范圍40～79歲；臨床分期：Ⅰ期4例，Ⅱ期6例，Ⅲ期16例，Ⅳ期16例；病理類型：鱗癌28例，腺癌14例；治療方式：手術22例；化療39例，均為以鉑類為基礎的兩藥聯(lián)合化療；接受放射治療的患者13例，所有患者均采用三維適形調強放射治療；靶向治療15例。各組年齡、性別、飲酒和AJCC臨床分期差異無統(tǒng)計學意義。吸煙差異有統(tǒng)計學意義(表1)。

表1 人口信息統(tǒng)計表

2.2 各組腦區(qū)皮層平均厚度、體積、表面積、曲率、腦溝深度變化

腦區(qū)皮層平均厚度：治療后組與治療前組、正常組的皮層平均厚度雙樣本T檢驗，經(jīng)過蒙特卡洛校正后(P=0.05,校正值)，左右腦半球皮層共呈現(xiàn)6個明顯簇顯示，顯著增厚腦區(qū)為雙側中央前回、頂葉上回及額上回(具體腦區(qū)如圖2所示，對應的變化腦區(qū)如表2所示)。治療前組對比正常組的腦區(qū)皮層平均厚度差異無統(tǒng)計學意義。

圖2 腦區(qū)厚度變化圖

表2 皮層厚度變化腦區(qū)列表

腦區(qū)皮層體積：正常組、治療前組、治療后組的皮層體積雙樣本T檢驗結果顯示，變化腦區(qū)主要在右側大腦半球，具體變化區(qū)域包括右側中央后回、中央前回及頂葉上回(表3)。治療前組與正常組對比顯示中央后回及頂葉上回部位腦皮質體積萎縮，治療后組與治療前組對比中央后回、中央前回及頂葉上回的腦區(qū)皮質體積增加，治療后組與正常組對比腦區(qū)變化不明顯，差異無統(tǒng)計學意義(圖3)。

表3 皮層體積變化腦區(qū)列表

圖3 大腦皮層體積變化圖

正常組、治療前組、治療后組腦區(qū)皮層表面積、曲率、腦溝深度的雙樣本T檢驗差異無統(tǒng)計學意義(表4)。

2.3 治療前后、病理類型、分期對腦區(qū)特征的影響

治療前組患者僅大腦皮層體積有變化，治療后組的患者大腦皮層體積及厚度均變化明顯，因此，癌癥本身及臨床治療主要影響大腦皮層厚度及體積，對表面積、曲率及腦溝深度未見明顯影響。病理類型、臨床分期與本研究變化腦區(qū)無相關性(表4)。

表4 治療前后、病理類型、分期與腦區(qū)特征影響

2.4 患者組血常規(guī)、血脂等臨床參數(shù)與變化腦區(qū)相關性分析結果

以性別、年齡、吸煙、飲酒作為控制變量，計算偏相關系數(shù)，分析患者組臨床參數(shù)與變化腦區(qū)的相關性。結果顯示：患者組左側島回平均厚度與血小板數(shù)呈負相關(r=-0.25，P=0.022)(圖4)。中央前后回、頂葉上回及額上回等主要變化腦區(qū)與臨床參數(shù)未見明顯相關性。

圖4 血小板與左側島回平均厚度相關性分析圖

3 討 論

本研究旨在利用解剖學、大腦皮層結構、臨床參數(shù)等信息，建立NSCLC患者的大腦皮層變化模型。本研究基于大腦皮層表面形態(tài)學測量(surface-based morphometry,SBM)分析結果顯示NSCLC患者在治療前后均出現(xiàn)了大腦皮層結構的改變，且變化腦區(qū)主要集中在中央前后回及頂葉上回。在接受臨床治療前的NSCLC患者中央后回及頂葉上回的體積縮小，接受臨床治療后的肺癌患者腦區(qū)體積增加，并恢復至正常狀態(tài)。對于厚度改變而言，治療后組與治療前組、正常組相比，治療后組雙側中央前回、頂葉上回及額上回皮層均增厚。偏相關分析結果顯示左側島回平均厚度與血小板數(shù)呈負相關。本研究中病理類型、臨床分期與腦區(qū)厚度及體積變化無明顯相關性。

癌癥相關性認知功能損害(cancer-related cognitive impairment，CRCI)[12]是指癌癥導致患者腦部功能結構受損而出現(xiàn)的認知功能障礙。本研究結果顯示治療前中央后回及頂葉上回的體積縮小，這與肺癌患者在接受治療前的頂葉會出現(xiàn)低代謝區(qū)[13]、白質普遍減少[14]等研究結果一致。進一步證實了癌癥本身可導致大腦皮質體積萎縮[15-16]，為研究及探索CRCI機制提供理論及影像學基礎。同時研究結果顯示NSCLC患者在接受臨床治療后中央后回及頂葉上回體積恢復至正常水平，說明臨床治療可減輕癌癥對大腦皮層的影響。目前CRCI的病理生理機制已有相關研究，比如與腫瘤相關巨噬細胞釋放促炎細胞因子改變了腫瘤周圍微環(huán)境有關[17]，大腦中較高水平的促炎細胞因子對神經(jīng)是有毒性的，可誘發(fā)人類神經(jīng)退行性疾病[18]；非中樞神經(jīng)系統(tǒng)癌細胞釋放的外泌體可在局部發(fā)揮作用，調節(jié)細胞機制，直接影響腦活動和認知功能，同時能夠激活癌細胞腦轉移，損害血腦屏障的完整性；此外，外泌體還可通過免疫細胞的外周免疫攻擊觸發(fā)大腦的應激反應[19]，外泌體含量及其釋放的變化可引起大腦解剖結構的改變[20]。肺癌患者通過臨床治療中的手術、化療、放療及靶向治療，殺傷并抑制腫瘤細胞生長，減少了促炎細胞因子及外泌體的釋放，從而減輕了癌癥本身對大腦皮層的改變，因此本研究結果顯示治療后的NSCLC患者大腦皮層體積恢復至與正常組無明顯差異。

本研究中基線信息顯示患者組與正常組吸煙情況存在統(tǒng)計學差異，所以在計算腦區(qū)皮層變化時，將吸煙作為協(xié)變量，避免了吸煙對數(shù)據(jù)結果的影響。對于厚度改變而言，治療后組與治療前組、正常組相比，治療后組雙側中央前回、頂葉上回及額上回皮層均增厚，說明臨床治療有助于改善大腦結構及功能。頂葉的功能包括軀體感覺、語言、計算、自我運動知覺和視覺空間意識[21]，右頂葉受損可導致空間關系的障礙，如書寫過程中對詞距、行距的把握等。中央前回與額上回[22]毗鄰，二者主管運動及工作記憶、注意力。中央前回與額上回皮質厚度的增加有助于改善治療后癌癥患者的運動能力、記憶力及注意功能。一項關于乳腺癌患者的隨訪研究結果顯示在標準輔助治療后，少數(shù)患者認知功能測量結果發(fā)生變化，但大多數(shù)人不受影響，甚至隨著時間的推移有所改善[23]，同時腦功能鏈接隨時間推移也會逐漸恢復[24]。對于NSCLC而言，也有研究表明接受治療后4～6個月NSCLC患者的主觀認知功能恢復，對注意力的客觀測量也有改善[25]。同時有研究結果顯示NSCLC患者出現(xiàn)化療后認知功能障礙的現(xiàn)象是暫時的[26-27]，結束治療后肺癌患者的大腦結構及認知功能[28]可以得到恢復及改善[29-30],本研究治療后的NSCLC患者均已結束治療超過4個月，雖然缺乏認知功能恢復的客觀評定，但影像學結果證實治療后NSCLC患者大腦結構變化得到了改善。

目前肺癌大腦皮層的研究主要集中在大腦皮層厚度及體積變化[14,31]，這與本研究結果顯示大腦皮層的形態(tài)學變化主要為厚度和體積的結果一致。雖然在本研究厚度變化結果中，島回厚度增加并不顯著，但偏相關分析中顯示島回的厚度與血小板存在負相關，左側島回皮層厚度越厚，血小板越低。島葉屬于邊緣系統(tǒng)，由多個島回構成，有研究結果顯示島葉具有參與情感、執(zhí)行注意任務等功能，島葉形態(tài)及功能的變化參與抑郁癥的發(fā)生發(fā)展過程[32]，島葉皮層增厚有助于緩解抑郁癥狀[33]。NSCLC患者臨床治療結束后情緒可能得到改善，大腦結構發(fā)生改變，因此島回結構可能出現(xiàn)變化。同時，血小板降低可能的原因有兩個，其一，血小板與惡性腫瘤關系密切，腫瘤細胞可激發(fā)并活化血小板，同時血小板可促進腫瘤細胞轉移[34]，肺癌患者接受臨床治療后，抑制了腫瘤細胞的生長、轉移，腫瘤細胞活化血小板能力降低，使血小板數(shù)目減少；其二，放化療可導致患者骨髓抑制，骨髓造血受抑制導致白細胞、中性粒細胞及血小板數(shù)目減少。但本文治療后左側島回皮層厚度增加與血小板數(shù)目降低呈負相關的具體原因及機制仍需進一步研究。

本研究為回顧性研究，選擇偏差是不可避免的，研究結果需要有大量前瞻性隊列研究來驗證。此外，本研究病例數(shù)偏少，缺乏認知功能評價，后續(xù)將設置自身前后對照組，采集治療前、治療中、治療后肺癌患者顱腦MRI及功能MRI影像，以及進行生活質量評估量表、蒙特利爾評估量表等行為學量表測試，進一步探討肺癌患者顱腦MRI影像學改變及其與認知功能的關系。

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