乳腺癌患者新輔助化療后靜息態腦功能活動變化的短期縱向研究

胡譯心，于峰，張久權*，唐玉，鄧永春，余宏，譚勇，劉代洪

作者單位：1.重慶大學附屬腫瘤醫院影像科，重慶 400030；2.重慶大學附屬腫瘤醫院乳腺腫瘤中心，重慶 400030

根據國際癌癥研究機構GLOBOCAN 2020 年癌癥統計數據，乳腺癌是女性發病率第一的癌癥[1]。化療是乳腺癌患者重要的治療的手段，但是有8.1%～75%的患者可出現與化療相關的認知功能障礙[2]，這嚴重影響乳腺癌患者的生活質量[3]。因此，闡明化療相關認知障礙的神經機制對其早期診斷和治療至關重要。有研究認為與化療后高水平的促炎細胞因子和氧化應激有關[4]，也有研究認為與化療藥物所致DNA損傷、神經遞質水平異常等有關[5-6]；目前，關于化療所致認知功能障礙的機制仍待研究。

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)檢查能探測細微的腦功能異常，是許多認知功能障礙疾病不可替代的檢查工具。基于血氧水平依賴的功能磁共振成像(blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)是fMRI最常用的技術。低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)被廣泛應用于表征神經元自發活動的程度，具有較高的重測信度[7-8]。此外，功能連接(functional connectivity，FC)分析可以探索腦同步性功能活動[9-11]。在一項接受化療的16 名老年乳腺癌患者的研究中，發現化療結束后1個月雙側胼胝體下回和右側扣帶回前部的ALFF增加[8]。另外，有研究發現頂內溝與運動前皮質、楔葉和殼核以及后扣帶皮質與左側楔前葉的FC在化療后1個月下降[12]。

既往神經心理學研究提示，癌癥患者在病程的各個階段都存在認知功能障礙，而主觀性抱怨多在化療結束后1個月報告[13]，大多神經影像學研究的時間點也選擇在化療結束后1個月。然而，相對于單用內分泌治療，乳腺癌患者在同時接受化療和內分泌治療后3個月內即可發生急劇的認知功能下降[14]。因此，化療導致的早期腦功能改變特點尚待研究。本研究以完成新輔助化療(neoadjuvant chemotherapy，NAC)第1周期的乳腺癌患者為研究對象，采用ALFF 和FC 方法探討化療對腦功能活動的短期影響，為化療相關認知障礙的早期評估提供神經影像學依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性縱向研究，通過重慶大學附屬腫瘤醫院倫理委員會批準(批準號：czls20200215-A)。所有受試者均簽署書面知情同意。2021 年1 月至2021 年6 月期間，在重慶大學腫瘤醫院共招募擬行NAC 治療的女性乳腺癌患者36 例。納入標準如下：(1)年齡20～70 歲，臨床診斷為Ⅰ～Ⅲ期乳腺癌患者并計劃術前行NAC；(2)右利手。排除標準：(1)腦器質性病變(腦轉移瘤、外傷、腦卒中等)；(2)有神經或精神疾病病史(重度抑郁癥、癡呆、多發性硬化癥、精神分裂癥、癲癇等)；(3)體內有金屬植入物等MR 檢查禁忌證。

乳腺癌患者在NAC 前(timepoint 0，TP0)進行基線評估，包括腦rs-fMRI 掃描和神經心理測試。NAC第1 個周期(timepoint 1，TP1)后進行一次相同的腦rs-fMRI 掃描和神經心理測試，具體時間為行第2 周期NAC 前3 天內。本研究通過自我報告問卷獲得所有受試者的人口統計學信息，包括年齡、受教育程度、體質量指數(body mass index，BMI)、血壓和月經狀況；另外，通過病歷獲取受試者的疾病分期和化療方案。

1.2 神經心理測試

以固定的順序評估受試者的整體認知水平和主要的認知子域。整體認知水平通過中文版癌癥治療功能評估-認知功能量表(Functional Assessment of Cancer Therapy-Cognitive Function，FACT-Cog)(Version 3)評估，包括知覺的認知障礙(perceived cognitive impairments，PCI)、其他人評價(comments from others，OTH)、知 覺 的 認 知 能 力(perceived cognitive abilities，PCA)、生活質量的影響(impact on quality of life，QOL)四個方面。此外，注意、執行功能和精神運動速度通過連線測試(trail making test，TMT；Part A)進行評估[15]；工作記憶通過數字廣度測試(digital span test，DST；包括順背和倒背)進行評估[16]；語義記憶通過詞語分類流暢性測試(verbal fluency test，VFT)進行評估[16]。采用焦慮自評量表(Self-Rating Anxiety Scale, SAS)和抑郁自評量表(Self-Rating Depression Scale，SDS)分別對焦慮和抑郁情緒進行評定，并將測試評分按照手冊規定的程序標準換算成量表得分。

1.3 磁共振數據采集

使用Prisma 3.0 T 磁共振掃描儀(Magnetom Prisma；Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)進行影像學數據采集，搭配64通道頭頸線圈。在掃描過程中，要求所有受試者保持清醒、閉目狀態，不考慮特定問題，并使用海綿耳塞以減輕掃描儀噪聲的影響。rs-fMRI 數據掃描使用平面回波(echo-planar imaging，EPI)序列，掃描參數TR=3000 ms，TE=30 ms，翻轉角=70°，FOV=240×240 mm2，掃描層數=36，平面矩陣=80×80，體素=3×3×3 mm3。采集240個時間點，掃描時間為8 min 8 s。高分辨率3D T1WI結構像采用磁化預備快速采集梯度回波(magnetization-prepared rapid acquisition gradientecho，MPRAGE) 序列，掃描參數：TR=2100 ms，TE=2.26 ms，翻轉角=8°，FOV=256×256 mm2，掃描層數=192，平面矩陣=256×256，體 素=1×1×1 mm3。總 掃 描 時 間 為4 min 53 s。

1.4 圖像處理

功能圖像的預處理采用靜息態功能數據處理助手(Data Processing ＆ Analysis for Brain Imaging，DPABI) V5.1軟件完成，具體步驟如下：(1)去除前10個時間點以提高數據的同質性；(2)利用剩余的230 個時間點數據進行層間時間校正；(3)頭動校正，排除頭動位移大于3 mm 或轉動角度大于3°的受試者；(3)采用Friston-24模型回歸頭動參數協變量，通過回歸協變量去除白質信號和腦脊液信號；(4)功能圖像與結構圖像進行配準；(5)將功能圖像標準化到蒙特利爾神經研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空間中，手動檢查配準后的結果；(6)去線性漂移；(7)濾波(0.01～0.10 Hz)；(8)以6 mm全寬半高(full width at half maximum，FWHM)進行高斯平滑。

利用預處理后的數據計算出ALFF分布圖。根據兩個時間點ALFF 的比較結果，將ALFF 異常的腦區作為種子點，計算種子點與大腦其他各體素之間的時間序列相關系數，得到每個被試的FC 模式，并進行Fisher'sr-to-z變換，以提高FC 相關系數值的正態性。

1.5 統計學分析

數值型數據的分析通過SPSS V22.0 (IBM Corp，Armonk，New York)軟件完成，包括人口數據和神經心理測試評分。首先，采用Kolmogorov-Smirnov檢驗對數據的分布進行檢驗；然后根據檢驗的結果，進行比較分析。符合正態分布的數據采用配對樣本t檢驗，非正態分布的數據采用Wilcoxon符號秩檢驗。

在DPABI V5.1軟件的統計分析模塊中進行ALFF圖和FC圖的分析。首先，用單樣本t檢驗檢查TP0和TP1 的ALFF 和FC 分布模式(與“0”相比)。ALFF 和FC分布圖的比較(TP0 vs. TP1)采用配對樣本t檢驗。年齡、受教育年限、頭部運動參數和BMI作為協變量。所得ALFF分布圖的結果采用高斯隨機場理論進行校正(體素水平P＜0.001，簇水平P＜0.05)，FC 分布圖的結果采用高斯隨機場理論進行校正(體素水平P＜0.005，簇水平P＜0.05)。

提取乳腺癌患者異常腦區ALFF 值和FCz值，采用Spearman相關分析探討其與神經心理測試評分之間的關系，相關分析結果采用Bonferroni 校正，P＜0.0167 (0.05/3)認為差異具有統計學意義。對于每一對rs-fMRI參數和神經心理測試評分，評估以下關系：(1)在TP0 時，異常腦區rs-fMRI 參數和神經心理測試評分之間的關系；(2)在TP0 時異常腦區rs-fMRI參數和兩次時間點之間神經心理測試評分差值之間的關系；(3)從TP0到TP1，異常腦區rs-fMRI參數的差值和神經心理測試評分差值之間的相關性。

2 結果

2.1 人口學資料和神經心理測試結果分析

本研究共招募36 名行NAC 的乳腺癌患者，年齡為(50.22±9.08)歲，受教育程度為(9.17±3.88)年，BMI 為23.99±2.93；術前分期Ⅱ期7 例(19.4%)，Ⅲ期29 例(80.6%)；NAC 方案包括：12 例(33.3%)患者行多西他賽、多柔比星和環磷酰胺化療(TAC)方案，12 例(33.3%)患者行多西他賽、卡鉑化療(TCb)方案，6 例(16.7%)患者行表柔比星、環磷酰胺，序慣以紫杉醇化療(EC-T)方案，另外6 例(16.7%)患者行多柔比星和環磷酰胺，序慣以紫杉醇化療(AC-T)方案。其中，有3 名患者拒絕TP0 的神經心理測試，2 名患者拒絕TP1 的神經心理測試，但她們均同意進行rs-fMRI 數據采集和分析。因此，共31名患者在TP0和TP1均完成神經心理測試。TP0 和TP1 的MRI 平均掃描間隔時間為(28.56±6.48) d。與TP0 相比，TP1 的SAS 評分顯著下降(P＜0.05)，其余神經心理測試評分在TP0和TP1之間差異無統計學意義(表1)。

表1 TP0和TP1神經心理測試結果比較Tab.1 Comparison of the neuropsychological test performance between the TP0 and TP1

2.2 ALFF和FC分析

根據單樣本t檢驗結果，TP0 和TP1 的ALFF 和FC的分布如圖1 所示。根據配對樣本t檢驗的結果顯示，與TP0 相比，TP1 的右側額中回、右側島葉及左側背外側額上回的ALFF 值顯著降低(圖1，圖2A，表2)。將上述異常腦區作為種子點行全腦體素FC 分析，結果提示左側背外側額上回與右側額中回之間的FC在TP1顯著增高(圖1，圖2B，表3)。

圖1 低頻振幅(ALFF)(1A、1B)和功能連接(FC)(1D、1E)的分布(單樣本t 檢驗)；ALFF(1C)以及FC(1F)在TP0、TP1 間的分布比較(配對樣本t 檢驗)。高斯隨機場理論校正；標準色條代表t值。R：右側；L：左側。Fig. 1 Distribution of ALFF (1A, 1B) and FC (1D, 1E) (one-sample t-test).Comparisons of ALFF (1C) and FC (1D) between TP0 and TP1 (paired sample t-test). Corrected with Gaussian random-field theory. The color bar denotes the t-value.R:right;L:left.

圖2 TP0及TP1差異腦區的ALFF、FC值比較(配對樣本t檢驗)，誤差線為標準誤。2A：TP0和TP1間右側額中回、左側背外側額上回及右側島葉的ALFF值比較，高斯隨機場理論校正(體素水平**P＜0.001，簇水平P＜0.05)；2B：TP0 和TP1 間左側背外側額上回和FC z右側額葉比較，高斯隨機場理論校正(體素水平*P＜0.005，簇水平P＜0.05)。 圖3 Spearman 相關性分析。3A：左側背外側額上回的ALFF 值(TP0)與TP0 和TP1 之間SDS 差值(TP0-TP1)之間的相關性；3B：TP0和TP1之間左側背外側額上回與右側額中回之間功能連接z值的差值與TP0和TP1之間TMT-A耗時差值的相關性。Fig. 2 Comparisons of ALFF and FC between TP0 and TP1 (paired sample t-test). Error bars define the SE. 2A: Comparison of ALFF in the right middle frontal gyrus, the right insula and the left dorsolateral superior frontal gyrus between the TP0 and TP1. Corrected with Gaussian random-field theory (voxel level **P＜0.001,cluster level P＜0.05);2B:Comparison of FC z scores between the left dorsolateral frontal gyrus and the right middle frontal gyrus.Corrected with Gaussian random-field theory (voxel level *P＜0.005, cluster level P＜0.05). Fig. 3 Spearman correlation analysis. 3A: The correlation between the ALFF value (TP0) of the left dorsolateral frontal gyrus and SDS difference between TP0 and TP1 (TP0-TP1); 3B: The difference in z value of FC between the left dorsolateral frontal gyrus and the right middle frontal gyrus between TP0 and TP1 correlated with the difference in TMT-A time costing between TP0 and TP1.

表2 TP0與TP1間低頻振幅存在顯著差異的腦區Tab.2 Brain regions with significant ALFF differences between TP0 and TP1

表3 TP0與TP1間功能連接存在顯著差異的腦區Tab.3 Brain regions showing significant functional connectivity differences between TP0 and TP1

2.3 相關性分析

經過Bonferroni 校正，P＜0.0167 (0.05/3)認為差異具有統計學意義。左側背外側額上回在TP0 的ALFF 值，與TP0 與TP1 間SDS 的變化呈顯著正相關(ρ=0.429，P=0.016；圖3A)；左側背外側額上回與右側額中回的功能連接z值的變化與TMT-A 耗時的變化呈顯著正相關(ρ=0.443，P=0.012；圖3B)。其余異常腦區的rs-fMRI 參數與神經心理測試評分之間的相關性均不顯著。

3 討論

本研究首先采用ALFF 和FC 的方法評估乳腺癌患者行1 周期NAC 后大腦自發性和同步性功能活動的早期變化，并排除了手術的影響。研究結果發現，在乳腺癌患者完成第1 周期NAC 后，SAS 評分顯著下降，其余神經心理測試評分在TP0 和TP1 之間無顯著差異。此外，與TP0 相比，TP1 的右側額中回、右側島葉及左側背外側額上回的ALFF 值顯著降低；將上述異常腦區作為種子與全腦其余體素行功能連接分析，結果顯示左側背外側額上回與右側額中回間的FC 顯著增高。這些發現提示化療所致腦功能改變先于認知功能改變，并且化療所致早期腦損害可能涉及執行功能以及情緒調控等相關腦區。

3.1 額中回、島葉及背外側額上回是化療所致腦損害的關鍵靶區，其可能與執行功能損害相關

既往研究證實執行功能受損是化療認知相關認知障礙的主要表現之一[3]。本研究發現乳腺癌患者在第1 周期NAC 后，右側額中回、右側島葉及左側背外側額上回的ALFF 值顯著降低。額中回、島葉及背外側額上回均在執行功能中發揮重要作用[17-20]。既往研究提示，乳腺癌患者化療后，背外側額上回及島葉的功能活動異常與執行功能受損相關[21-22]。另外，一項關于衰老的研究顯示，額中回和顳中回之間的功能連接與執行功能具有顯著相關性[23]。雖然在本研究中，神經心理測試中并沒有發現執行功能的異常，但患者的執行功能相關腦區存在功能改變，這與以往的研究結果具有一定相似性[21-23]。此外本研究還發現，第1 周期NAC 后左側背外側額上回與右側額中回間的FC 顯著增加，并且二者之間功能連接z值的變化與TMT-A 耗時的減少呈顯著正相關，這可能由大腦的代償機制所致。我們推測，在第1 周期NAC 后腦功能已經發生了改變，但由于大腦存在一定的代償機制，大量募集認知資源以維持正常的認知功能，神經心理測試中并沒有發現執行功能的異常，這也進一步說明了MRI 功能成像可以更早發現化療對大腦的損傷。

3.2 背外側額上回的功能儲備能力可能與負性情緒的調節能力相關

乳腺癌在第1 周期NAC 后焦慮程度緩解，這與以往多數研究結果相似[24-26]。乳腺癌患者在早期經常預期疾病和治療會帶來更多的負面影響，從而經歷更高水平的焦慮[27]。經過一段時間的治療，由于腫塊體積減小，疼痛減輕，患者的焦慮水平可能降低[28]。既往研究發現，背外側額上回參與了抑郁等負性情緒的調節[29-30]。在本研究中，乳腺癌患者左側背外側額上回在TP0的ALFF值與TP0與TP1間SDS的變化呈顯著正相關，這可能反映了大腦的功能儲備功能，背外側額上回的功能儲備能力越強，就越容易調節抑郁這種負性情緒。

本研究的局限性為樣本量較小，患者采用了不同的化療方案，且部分患者同時接受了靶向治療，這導致了樣本的異質性，需要在未來的研究中擴大樣本量，并進行分組進一步探索。此外，本研究的FC分析只有在檢驗水準為體素水平P＜0.005，簇水平P＜0.05 時才獲得了陽性結果，雖然更為嚴格的檢驗水準并不能有效避免假陽性[31]，但是本研究中的FC分析結果仍需要謹慎解釋。

綜上所述，本研究采用ALFF 和FC 來表征乳腺癌患者行第1 周期NAC 后腦的自發性和同步性功能活動的縱向變化，并排除了手術的影響。研究發現乳腺癌患者在右側額中回、左側背外側額上回及右側島葉出現異常腦活動，它們可能參與執行功能相關的認知功能以及情緒的調控改變。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。