慢性高原病腦部多體素1H-MRS研究

白秀秀，鮑海華，何鑫

作者單位：青海大學附屬醫院影像中心，西寧 810000

慢性高原病(chronic mountain sickness，CMS)是指長期生活在海拔2500 m 以上的世居者或移居者失去對低氧環境習服能力而導致的疾病[1]。而大腦對缺氧最敏感，也最早出現臨床癥狀，部分患者以記憶力差、注意力不集中、空間工作記憶差等認知障礙就診。Bao等[2]采用擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術研究CMS 腦結構和認知功能發現CMS 右海馬表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)值與簡易智力精神狀態檢查量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)分數呈負相關。CMS 長期慢性缺氧以紅細胞代償性增加[女性血紅蛋白(hemoglobin，HGB)大于190 g/L，男性HGB 大于210 g/L[3]]和低氧血癥為主要特征，部分患者還伴有嚴重的肺動脈高壓，最終導致右心衰竭。然而當紅細胞過度增生，血液高凝狀態，反而加重缺氧，這一系列的生理變化和代償適應使CMS 更易發生顱內缺血、梗死，顱底以及軟腦膜血管明顯擴張充血甚至破裂出血，臨床癥狀嚴重時甚至出現腦腫脹、腦水腫[4]。目前研究發現高原慢性低氧誘導的腦損害與氧化應激、炎性反應、興奮性毒性等因素導致神經元凋亡有關[5-6]。然而高原缺氧從生理適應到習服不良導致的病理生理相對復雜，引起中樞神經系統改變的影像學研究還知之甚少。隨著我國國防和高原建設需要，越來越多的人移居在高原地區。CMS 在中樞神經系統的改變應引起各高海拔地區人們的高度重視。因此，研究CMS局部腦代謝物對于臨床進一步認識慢性缺氧適應不良的機制至關重要。

近年來，功能磁共振成像技術廣泛用于認知神經科學研究[7]，為缺氧導致的腦損傷提供了直接的觀察途徑。氫質子磁共振波譜成像(hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)作為一種無創的定量檢查技術，可在大腦組織微結構發生變化之前就獲取相關生化信息，是客觀檢測腦損傷后物質代謝異常的一種重要方法[8]。本課題組前期關于CMS 靜息態功能磁共振成像的結構和功能的研究異常的部位主要發生在額葉、扣帶回、海馬等，甚少針對這些部位代謝進行研究，而額葉和海馬區為缺氧敏感的區域，尤其海馬區更敏感。因此，選擇雙側額葉及海馬為感興趣區的研究將有助于探索CMS 缺氧性腦損傷的生物標志物。鑒于此，本研究從分子代謝的角度來研究CMS 腦內局部代謝物的特點，為CMS缺氧性腦損傷的機制提供影像學依據。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

本研究為前瞻性研究，經本院醫學倫理委員會批準(批準文號：P-SL-2017019)，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。納入2020年12月至2021年6月于青海大學附屬醫院經臨床確診為CMS 的男性患者17 例作為實驗組。納入標準：(1)符合慢性高原病國際診斷標準(即青海標準)[3]；(2)常規頭顱MRI 檢查無明顯器質性病變者。排除標準：(1)肺氣腫、支氣管炎、支氣管擴張、肺泡纖維變性、肺結核及肺癌等慢性肺病；(2)慢性呼吸功能紊亂者或某些慢性病變而引起的低氧血癥，并導致繼發性紅細胞增多者；(3)居住在海拔低于2500 m 地區者。并招募與實驗組年齡及海拔相匹配的18名健康男性志愿者作為對照組。納入標準：(1)既往無任何心腦血管疾病、顱內未見明顯占位性病變；(2)體檢無明顯異常體征，血、尿常規及生化等相關實驗室檢查均無明顯異常。排除標準：(1)居住于海拔2500 m 以下地區者；(2)磁共振檢查禁忌證者。

1.2 MRI檢查方法

兩組受試者均使用Siemens Prisma 3.0 T MR掃描儀20 通道頭顱線圈行常規頭顱MRI 及多體素1H-MRS 成像技術掃描。檢查時取仰臥位，平躺于檢查床上，用橡皮耳塞降低噪聲，泡沫固定頭部以減少運動偽影。掃描層面平行于前、后聯合連線。所有掃描均由同一名影像醫師操作完成，然后由另一名具有豐富經驗的影像診斷醫師對圖像進行診斷，對未發現明顯器質性腦實質異常者進行雙側額葉及海馬區多體素1H-MRS圖像采集。

1.3 常規MRI及多體素1H-MRS掃描參數

1.3.1 常規MRI掃描參數

所有病例均先行常規頭顱MRI 序列掃描(軸位T1WI、T2WI、T2 FLAIR 及DWI)，以排除顱內明顯器質性病變。掃描參數如下：T1WI 序列：TR 150 ms，TE 2.5 ms；T2WI 序 列：TR 5000 ms，TE 117 ms；T2 FLAIR 序列：TR 8000 ms，TE 81 ms，TI 2370 ms；DWI序列：TR 3230 ms，TE 51 ms，b＝1000 s/mm2。以上序列FOV均為230 mm×160 mm，層厚5.0 mm。

1.3.2 多體素1H-MRS掃描參數

采集雙側額葉及海馬區對稱的部位，并盡量避開血管、腦脊液及骨骼。于感興趣區容積(volume of interest，VOI)前后、左右及上下6個方向添加預飽和帶，采用手動勻場對磁場均勻性進行調節，要求半高寬≤20 Hz 方能進行MRS 掃描。掃描參數如下：TR 1700 ms，TE 135 ms，平均激勵次數3次，FOV 160 mm×160 mm，體素大小10.0 mm×10.0 mm×20.0 mm，總掃描時間為6 min 53 s。將上述所得圖像導入Syngo.via 后處理工作站進行MRS 相位及基線校正、頻移校準、曲線擬合及代謝物的識別等，并獲得VOI內各代謝物的曲線下面積。在1H-MRS圖中橫軸代表幾種代謝物不同的化學位移位置，單位為ppm，縱坐標表示各代謝物信號強度。以肌酸(Cr)為參考標準，獲得雙側額葉、海馬NAA/Cr、CHo/Cr、NAA/CHo及Lac/Cr比值。

1.4 統計方法

應用SPSS 23.0統計學軟件對兩組數據進行正態性檢驗，計量資料如果符合正態分布，則采用獨立樣本t檢驗對各組數據進行各代謝物的對比分析，以均數±標準差(±s)來表示。計量資料如不符合正態分布則采用非參數檢驗中的Mann-WhiteyU檢驗，以中位數(四分位間距)表示。CMS組雙側額葉及海馬區各代謝物比值與血液生化指標的關系采用Spearman相關性分析，0.3≤│r│＜0.5時低度相關；0.5≤│r│＜0.8時明顯相關；0.8≤│r│＜1.0時高度相關。所有檢驗方法以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 受試者一般資料比較

兩組受試者年齡、長期居住海拔差異均無統計學意義(P＞0.05) (表1)，而與對照組相比，CMS組HGB、紅細胞計數(red blood cell count，RBC)、血細胞比容(hematocrit，HCT)增高，而血小板(blood platelet，PLT)減低，差異均具有統計學意義(P＜0.01)。

表1 CMS組和對照組的一般資料(±s)Tab.1 General data of CMS group and control group(±s)

表1 CMS組和對照組的一般資料(±s)Tab.1 General data of CMS group and control group(±s)

注：CMS：慢性高原病；HGB：血紅蛋白；RBC:紅細胞計數；HCT：血細胞比容；PLT：血小板；*：P＜0.05。

PLT (109/L)116.94±27.23 197.11±50.37-5.807＜0.001*n CMS組對照組17 18 tP年齡(歲)53.29±9.03 48.61±8.76 1.558 0.129海拔(m)3989.12±937.45 3674.94±634.27-1.170 0.251 HGB (g/mL)224.35±11.81 156.67±9.46 18.765＜0.001*RBC (109/L)6.90±0.46 4.93±0.32 14.735＜0.001*HCT (%)63.0±14.91 45.70±3.10 4.829＜0.001*

2.2 受試者雙側額葉及海馬區代謝物比較

與對照組相比，CMS組左側額葉NAA峰降低，倒置的Lac峰明顯增高(圖1)。與對照組相比，CMS組雙側額葉及海馬區N-乙酰天門冬氨酸/肌酸(NAA/Cr)及乙酰天門冬氨酸/膽堿(NAA/CHo)均減低(P＜0.05)，乳酸/肌酸(Lac/Cr)增高(P＜0.001)，差異均具有統計學意義；而雙側額葉及雙側海馬區膽堿/肌酸CHo/Cr值較對照組稍增高，但兩組差異無統計學意義(P＞0.05) (表2、3)。

圖1 CMS 組和對照組左側額葉1H-MRS 圖。1A：男，54 歲，慢性高原病，HGB 216g/L，居住海拔3354 m，NAA 15.89，CHo 9.38，Cr 7.28，Lac 11.11；1B：男，55歲，對照組，HGB 155g/L，居住海拔3197 m，NAA 30.54，CHo 20.7，Cr 15.41，Lac 0.21。圖中可見CMS 患者左側額葉NAA 峰降低，倒置的Lac 峰明顯增高。注：CMS：慢性高原病；HGB：血紅蛋白；NAA：N-乙酰天門冬氨酸；Cr：肌酸；CHo：膽堿；Lac：乳酸。Fig.1 1H-MRS of left frontal lobe in CMS group and control group.1A:Male,54 years old,CMS,HGB 216g/L, living altitude 3354 m,NAA 15.89, CHo 9.38, Cr 7.28, Lac 11.11; 1B: Male, 55 years old, control group, HGB 155g/L, living altitude 3197 m, NAA 30.54, CHo 20.7, Cr 15.41，Lac 0.21. The results showed that NAA peak decreased in the left frontal lobe of CMS, and Lac peak increased significantly in the inverted side.Note:CMS:chronic mountain sickness;HGB:hemoglobin;NAA:N-acetylaspartate;Cr:creatine;CHo:choline;Lac:lactate.

表2 CMS組和對照組雙側額葉各代謝物比較(±s)Tab.2 Comparison of metabolites in bilateral frontal lobes between CMS group and control group(±s)

表2 CMS組和對照組雙側額葉各代謝物比較(±s)Tab.2 Comparison of metabolites in bilateral frontal lobes between CMS group and control group(±s)

注：CMS：慢性高原病；NAA：N-乙酰天門冬氨酸；Cr：肌酸；CHo：膽堿；Lac：乳酸；*：P＜0.05。

CMS組對照組t/z值P右側額葉NAA/Cr CHo/Cr NAA/CHo Lac/Cr左側額葉NAA/Cr CHo/Cr NAA/CHo Lac/Cr 1.52±0.20 1.53±0.18 1.05±0.29 0.75 (0.36，1.72)1.66±0.20 1.43±0.09 1.26±0.22 0.10 (0.02，0.42)-2.066 2.020-2.475-3.550 0.047*0.055 0.019*＜0.001*0.015*0.455 0.014*＜0.001*1.50±0.10 1.35±0.25 1.08±0.06 0.76 (0.25，1.41)1.64±0.20 1.29±0.21 1.24±0.24 0.05 (0.02，0.22)-2.627-0.757-2.709-3.519

2.3 CMS 組雙側額葉及海馬區腦代謝物(NAA/Cr、NAA/CHo、CHo/Cr)與血液生化指標(HGB、RBC、HCT、PLT)相關性分析

結果發現，CMS組右側額葉及左側海馬CHo/Cr與RBC 明顯正相關，左側額葉CHo/Cr 與HCT 低度正相關，右側額葉及左側海馬Lac/Cr 與HCT 低度正相關(表4、5)。

表3 CMS組和對照組雙側海馬各代謝物比較(±s)Tab.3 Comparison of each metabolite in bilateral hippocampus between CMS group and control group(±s)

表3 CMS組和對照組雙側海馬各代謝物比較(±s)Tab.3 Comparison of each metabolite in bilateral hippocampus between CMS group and control group(±s)

注：CMS：慢性高原病；NAA：N-乙酰天門冬氨酸；Cr：肌酸；CHo：膽堿；Lac：乳酸；*：P＜0.05。

CMS組對照組t/z值P右側海馬NAA/Cr CHo/Cr NAA/CHo Lac/Cr左側海馬NAA/Cr CHo/Cr NAA/CHo Lac/Cr 0.98±0.18 1.42±0.24 0.72±0.14 0.75 (0.21，1.08)1.26±0.31 1.31±0.25 1.04±0.32 0.06 (0.04，0.14)-3.326 1.335-3.932-4.512 0.002*0.190 0.001*＜0.001*0.011*0.587 0.030*＜0.001*0.99±0.22 1.25±0.27 0.82±0.11 0.38 (0.73，0.22)1.18±0.19 1.21±0.18 0.94±0.19 0.06 (0.06，0.18)-2.698 0.549-2.27-4.298

表4 雙側額葉代謝物與血液生化指標相關性分析Tab.4 Correlation analysis of bilateral frontal metabolites and blood biochemical indexes

表5 雙側海馬代謝物與血液生化指標相關性分析Tab.5 Correlation analysis between hippocampal metabolites and blood biochemical indexes

3 討論

本研究使用多體素1H-MRS 技術探討CMS 長期缺氧狀態下雙側額葉及海馬區代謝物的特點，并比較各代謝物與血液指標之間的相關性。研究結果發現CMS雙側額葉及海馬區NAA/Cr、NAA/CHo減低，Lac/Cr增高。表明CMS 雙側額葉及海馬區代謝物的改變可在一定程度上反映CMS 腦內神經元功能及狀態，而Lac/Cr 增高符合CMS 大腦慢性缺氧改變，為CMS 腦損害機制提供客觀的影像學依據。此外，研究還發現CMS 隨著紅細胞和紅細胞壓積的增多，膠質細胞增生和無氧代謝越明顯，RBC、HCT 可為臨床評估CMS 所致腦代謝改變提供有價值的血液指標。

3.1 CMS組與對照組血液指標的差異

比較兩組受試者的一般血液指標，發現CMS組的HGB、RBC、HCT 明顯高于對照組，而PLT 較對照組明顯減低。促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)是由腎臟和一小部分肝臟產生的，對紅細胞的分化至關重要，對機體缺氧有保護作用[9]。慢性缺氧環境下刺激EPO 的合成和釋放，刺激紅細胞增殖，促進造血功能[10]。雖然紅細胞增多一定程度上有助于提高血液在高海拔地區的攜氧能力，但紅細胞過多會導致血液黏度增加，血流阻力增加，血流速度降低，而長期消耗血小板使得外周血小板減少，這也是長期高原缺氧導致腦損傷的主要原因。

3.2 CMS 組與對照組雙側額葉及海馬區各代謝物的差異

1H-MRS能從細胞水平上研究細胞能量代謝、神經元功能等相關信息。與單體素相比，多體素波譜成像方法可一次性獲得多個部位的1H-MRS 曲線，同時體素更小，采樣容積縮小，覆蓋范圍增加，這可以減少因周圍組織重疊所致的部分容積效應[11]。Cr 是由磷酸肌酸組成的，在1H-MRS 中被認為是大多數腦疾病和正常狀態的內部標準[5]。NAA 存在于神經細胞及其軸突，是神經元的標志物[12]。NAA/CHo 是反映神經元活性和功能檢測腦內代謝物異常的最敏感的指標。本研究中CMS 患者在雙側額葉及海馬區NAA/CHo 值、NAA/Cr 值較對照組均減低，提示神經元功能受損。以上與本課題組先前研究一致。腦缺氧后的病理變化主要取決于缺氧的持續時間和程度。急性持續缺氧下受累的神經組織完全壞死，而慢性缺氧腦組織的變化以特征性變化為主，對缺氧敏感的神經元可能會壞死。動物研究也發現低氧可使腦組織尼氏小體數目減少和體積縮小，同時伴隨腦組織凋亡蛋白表達水平上調，也足以證明低氧對腦組織有損傷作用[13]。CHo 參與細胞膜及神經細胞髓鞘的形成。神經膠質細胞對缺氧有很強的耐受性，因此這些細胞不會死亡，而是在某些區域增殖[14]。本研究中，與對照組相比，CMS 雙側額葉及雙側海馬區CHo/Cr 值較對照組稍增高，但差異不具有統計學意義。這與之前的研究不一致，可能的原因是本次研究樣本不足，且可能與CMS 暴露缺氧持續時間有關。Lac 是細胞進行無氧代謝的產物，一般情況下，大腦活動主要是利用葡萄糖的有氧代謝，乳酸含量較低，而在低氧狀態下，腦組織可通過糖酵解保證能量供應[15]。在本研究中在雙側額葉及雙側海馬區Lac/Cr 值較對照組增高，主要是因為CMS 在長期缺氧狀態下進行無氧酵解，導致乳酸含量的增加。一項研究使用MRS 評價了低氧暴露后腦代謝率的改變，當受試者吸入氧氣后，腦代謝率增加約8.5%，腦內乳酸濃度增加約180%，提示低氧暴露后腦代謝率增加，同時神經活動受到影響[16]。還有一項模擬CMS 大鼠動物實驗發現大鼠血清中乳酸和丙酮酸含量上調，提示機體能量代謝方式中無氧糖酵解途徑加強[17]。我們推測CMS 雙側額葉及海馬區NAA/Cr、NAA/CHo、Lac/Cr 相對濃度的變化可在一定程度上反映CMS 腦內神經元功能及狀態，而Lac/Cr增高符合CMS大腦慢性缺氧改變，可作為腦缺氧缺血的一個重要標志。

3.2 CMS 組雙側額葉及海馬區與血液指標的相關性分析

本研究還發現CMS組右側額葉及左側海馬CHo/Cr與RBC明顯正相關，左側額葉CHo/Cr 與HCT 低度正相關。結果表明CMS 慢性缺氧隨著紅細胞代償性增加不會引起額葉及海馬區成纖維細胞損傷，反而導致這些區域的膠質細胞再生更明顯。一項研究表明移居到高原的男性，當HGB＞200 g/L 時，將失去代償意義，反而會加重缺氧的臨床癥狀[18]。本次研究還發現右側額葉及左側海馬Lac/Cr 與HCT 低度正相關，表明CMS 由于紅細胞增多而長期處于缺氧的狀態下，隨著紅細胞的過度增高加重機體缺氧，從而導致腦組織無氧代謝更明顯。此外，血常規和血生化指標能客觀反映機體的生理變化，對于判斷高原反應和高原疾病的嚴重程度具有重要的參考價值[19,20]，而CHo/Cr、Lac/Cr 反映了腦代謝的改變，因此CHo/Cr、Lac/Cr 在一定程度上也可反映CMS 的嚴重程度，可作為評價CMS 所致腦代謝損害的一個敏感性指標。

3.3 本研究的局限性

本研究存在一定的局限性：(1)本研究樣本量相對較小，不足以對CMS 患者進行嚴重程度的分析，需進一步擴大樣本量，獲取更多的數據，未來可結合神經心理學認知做更進一步研究，以探究長期慢性缺氧的狀態下與認知功能的關系，這是我們后期將要進行的工作；(2)本研究只單一地采用1H-MRS 對CMS患者進行代謝物的探索，后續可結合多模態磁共振成像多角度進一步研究，可能對CMS腦損害發生的病理生理機制提供更多的影像學信息。

綜上所述，CMS 在長期慢性缺氧下局部腦組織代謝發生改變，這種變化常先于腦組織微觀結構和形態的改變。因此，1H-MRS 為CMS 腦損害提供更加客觀的信息，可能對研究CMS病理生理機制有一定的臨床價值。此外，CMS 紅細胞的測定可為臨床評估CMS 所致腦代謝改變提供有價值的血液指標。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。