乳腺癌化療患者腦結構及功能磁共振成像研究

宋雅琪，李一凡，夏建國，田為中*

作者單位 1.南京醫科大學泰州臨床醫學院，泰州 225309；2.南京醫科大學附屬泰州人民醫院醫學影像科，泰州 225399；3.南通大學醫學院，南通 226001

0 引言

根據《2020 年全球癌癥統計報告》，女性乳腺癌已成為世界上最常見的癌癥[1]。接受化療藥物治療的乳腺癌患者經常出現認知問題[2]，主要表現在短期和工作記憶、注意力、執行功能和處理速度方面[3]，這種由化療導致的改變稱為化療相關認知功能損傷（chemotherapy-related cognitive impairment, CRCI）。CRCI 嚴重影響乳腺癌患者的生活質量，其神經生物學機制受到廣泛關注。既往研究發現，化療通過影響腦結構、功能、代謝和血液灌注導致CRCI[4]。

化療藥物可通過對神經細胞的直接細胞毒性損傷而損害腦代謝和細胞功能。鉑類藥物可以少量穿透血腦屏障，對包括祖細胞、少突膠質細胞和海馬神經元在內較脆弱的神經細胞造成損害，同時還參與誘導線粒體DNA 損傷，從而導致線粒體功能障礙和氧化應激增加，神經元完整性和認知功能最終受損[5-6]。5-氟尿嘧啶可導致髓鞘完整性下降，與海馬神經退行性缺陷和線粒體功能障礙有關[7]。甲氨蝶呤破壞白質完整性，并與認知障礙有關[8]。這些都顯示了化療藥物對大腦神經元的直接不良影響。目前關于CRCI 的產生機制及治療方法被廣泛研究，但仍未得出明確結論。

本研究采用基于體素的形態學測量（voxel-based morphometry, VBM）方法對乳腺癌患者化療后腦灰質體積（gray matter volume, GMV）進行研究，并探索GMV 異常腦區與全腦功能連接（functional connectivity, FC）的改變，從結構和功能兩方面來研究化療對乳腺癌患者腦的影響，旨在為CRCI 的發生發展提供影像學依據，為其早期診斷做出貢獻，改善化療患者的預后。

1 材料與方法

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經南京醫科大學附屬泰州人民醫院倫理委員會批準，全體受試者均簽署了知情同意書，批準文號：KY2022-041-01。

1.1 一般資料

本研究納入30 名化療后1 個月的女性乳腺癌患者及29 名術后未經放化療的女性乳腺癌患者，分別作為化療組（C+組）和對照組（C-組）。

所有的參與者均進行了局部手術治療。乳腺癌化療后患者納入標準：（1）均為術后患者，且證實為浸潤性乳腺癌；（2）無放療或內分泌治療史；（3）采用常規標準劑量化療方案；（4）教育水平能理解所告知內容。

化療前患者納入標準：（1）術后患者；（2）未接受任何化療藥物治療；（3）無放療或內分泌治療史。

所有受試者排除標準：（1）既往癌癥病史；（2）遠處轉移（包括腦轉移）的存在；（3）腦和腦血管疾病（即腦腫瘤、發育異常、外傷性腦損傷、頭頸部大動脈血流動力學顯著狹窄及其他相關病理）；（4）惡病質或其他軀體失代償；（5）懷孕及其他磁共振檢查禁忌證。

1.2 神經心理學測試

所有患者的社會人口學和臨床數據由同一神經科醫生收集。兩組的所有患者都接受了一系列的認知評估，包括主觀神經認知測量和神經心理學測試。認知測試包括簡易精神狀態測試（Mini Mental State Examination, MMSE）、蒙特利爾認知評估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）；神經認知測試包括焦慮自評量表（Self-rating Anxiety Scale, SAS）、抑郁自評量表（Self-rating Depression Scale, SDS）、腫瘤患者生活質量評估等。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 結構像數據處理

在MATLAB 軟件中，使用SPM（Statistical Parametric Mapping）（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）的CAT12（http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/）工具箱對VBM 的高分辨率T1加權結構圖像進行預處理分析。將圖像轉換為NII 格式后，首先使用統一的分割模塊[9]將解剖圖像分割為灰質（grey matter, GM）、白質（white matter, WM）和腦脊液（cerebrospinal fluid,CSF）。然后，通過DARTEL 工具[10]，利用微分同胚解剖配準將分割后的GM 圖像歸一化到蒙特利爾神經學研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）標準空間。在MNI 空間中對GM 模板進行仿射和非線性配準后，對圖像進行調制，以確保在空間歸一化過程中保留相對的GM 體積。對圖像和預處理質量進行檢查，并進行全腦指標評估。最后，用8 mm 的半高寬（full width at half maximum, FWHM）高斯核對得到的GM圖像進行平滑。

1.3.2 功能MRI的數據分析

使用SPM8 和靜息態功能MRI（resting state functional MRI, rs-fMRI）數據分析工具包對符合條件的數據進行處理，排除不符合條件的數據。預處理步驟如下：

（1）由于初始圖像信號不穩定，將前10個時間點去除。

（2）對剩余的230 幅功能血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent, BOLD）圖像進行切片時序校正、運動校正和重新對齊。任何方向最大位移大于2 mm或旋轉大于2°的fMRI掃描圖像被排除。

（3）空間歸一化，重采樣至3 mm 各向同性體素。用6 mm 全寬半最大值高斯核平滑后，去除線性趨勢、帶通時間濾波（0.01～0.08 Hz）和協變量，包括頭部運動參數、全腦、白質和腦脊液信號。

1.3.3 fMRI指標計算

FC：在自動解剖標記圖譜[11]所包含的腦區（90個）中，將GMV差異腦區作為感興趣區（region of interest,ROI）。計算所有受試者的平均時間序列與所有其他大腦體素的時間序列之間的皮爾遜相關系數，完成Fisher 轉換為z值，提高數據的正態性，生成全腦的zFC圖。

1.4 統計學處理

（1）一般資料：采用SPSS 26.0 進行統計分析。對兩組患者年齡、性別、受教育年限、神經心理學量表評分等連續變量符合正態分布的采用均數±標準差表示，不符合正態分布的計量資料采用中位數（四分位數間距）表示，兩組比較采用獨立樣本t檢驗或Mann-WhitneyU檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

（2）GMV 數據分析：對平滑后的灰質圖像運用基于Matlab 平臺的SPM 軟件進行兩組間的雙樣本t檢驗，以P＜0.001，cluster size＞90 得到的腦區為GMV差異有統計學意義的腦區。結果通過在MRIcroGL及BrainNetViewer軟件進行可視化。

（3）FC 數據分析：對C+組與C-組的FC 圖像運用基于Matlab 平臺的SPM8 軟件進行雙樣本t檢驗，觀察FC 差異有統計學意義的腦區。多重比較校正采用體素水平P＜0.001，FWE-corrected＜0.05；記錄有差異有統計學意義的團塊大小、所包含的腦區、峰值區域MNI坐標以及相關強度（以t值表示，t值絕對值越大代表差異越顯著）。結果在BrainNetViewer軟件中顯示。

（4）相關性：將GMV 差異有統計學意義腦區的GMV 值提取出來，采用SPSS 26.0 統計學軟件，將年齡及受教育年限作為控制變量，采用偏相關分析探討差異腦區的GMV 值及FC 值與神經心理認知測試結果之間的相關性，P＜0.05認為有相關性。

2 結果

一般資料：采用雙樣本t檢驗評估C+組及C-組兩組間一般資料之間的差異是否具有顯著性，結果顯示兩組之間年齡、受教育年限差異不具有統計學意義（P＞0.05）。神經心理學測試結果顯示，焦慮及抑郁自評量表、腫瘤患者生活質量評估差異無統計學意義（P＞0.05）；MMSE、MoCA 評分差異具有統計學意義（P＜0.05），結果見表1。

表1 研究對象的一般資料Tab.1 General data of the study subjects

GMV：與C-組相比，C+患者左側枕中回（MNI：X，Y，Z=-10.5，-105.0，0.0）、右側距狀裂周圍皮層（MNI：X，Y，Z=15.0，-103.5，-1.5）GMV減小（表2，圖1）。

圖1 C+組與C-組灰質體積比較，藍色代表灰質體積減小區域（左側枕中回、右側距狀裂周圍皮層）。C+：化療后；C-：化療前。Fig.1 Comparison of differences in gray matter volume (GMV) between the C+ and C- groups, blue indicates areas of reduced gray matter volume(left middle occipital gyrus; right calcarine fissure and surrounding cortex).C+: chemotherapy treatment; C-: without chemotherapy treatment.

表2 C+組及C-組兩組間腦灰質體積差異有統計學意義的腦區Tab.2 Brain regions with statistically significant differences in gray matter volume between the C+ and C- groups

FC：以左側枕中回為種子點，與右側顳極：顳上回（MNI：X，Y，Z=63，3，-3）、左側顳上回（MNI：X，Y，Z=-54，-12，3）FC 減弱（FWE cluster size＞84，P＜0.001）；以右側距狀裂周圍皮層為種子點，與左側舌回（MNI：X，Y，Z=-33，-87，-15）FC減弱（FWE cluster size＞104，P＜0.001）（表3～4，圖2～3）。

圖2 C+組與C-組以左側枕中回為感興趣區，功能連接存在差異的腦區（右側顳極：顳上回、左側顳上回）。C+：化療后；C-：化療前。Fig.2 The brain regions with differences in functional connectivity with the left posterior cingulate gyrus as ROI between the C+ group and the Cgroup (right temporal pole: superior temporal gyrus, left superior temporal gyrus).C+: chemotherapy treatment;C-: without chemotherapy treatment;ROI: region of interest.

圖3 C+組與C-組以右側距狀裂周圍皮層為感興趣區，功能連接存在差異的腦區（左側舌回）。C+：化療后；C-：化療前。Fig.3 The brain regions with differences in functional connectivity with the right calcarine fissure and surrounding cortex as ROI between the C+group and the C- group (left lingual gyrus).C+: chemotherapy treatment;C-: without chemotherapy treatment; ROI: region of interest.

表3 C+組與C-組以左側枕中回為ROI的功能連接比較Tab.3 Comparison of functional connectivity between the C+and C- groups with the left middle occipital gyrus as the ROI

表4 C+組與C-組以右側距狀裂周圍皮層為ROI的功能連接比較Tab.4 Comparison of functional connectivity between groups C+ and C- using the right peritalar fissure cortex as the ROI

相關性：在將年齡及受教育年限作為控制變量進行偏相關分析，結果顯示C+患者GMV 值與FC 值與心理認知結果之間未存在明顯相關性。

3 討論

本研究采用VBM 及FC 方法觀察乳腺癌化療患者大腦結構及功能異常，旨在為CRCI 的發生發展提供影像學依據。結果發現化療患者左側枕中回右側距狀裂周圍皮層GMV 減小；FC 結果表明，以左側枕中回為種子點，與右側顳極：顳上回、左側顳上回FC減弱；以右側距狀裂周圍皮層為種子點，與左側舌回FC 減弱。這項研究通過結構及功能MRI 結合方法為CRCI發生發展提供了新的見解。

3.1 化療患者GMV變化

GM 是一種神經組織，含有密集的神經元細胞體，是信息處理的中心，能對外界的各種刺激做出反應，GM 萎縮可能表明神經退行性變或功能障礙[12]。本研究結果顯示乳腺癌患者化療后GMV 萎縮區域分布在枕葉及距狀裂周圍。人腦中的注意網絡分為背側和腹側系統，背側注意網絡起源于額頂葉，反應于枕葉[13]。幾項研究發現，與健康對照相比，化療患者在靜息狀態下背側注意網絡及額頂葉網絡功能連通性均發生改變[14-15]，從而導致出現CRCI 相應癥狀，如注意力、記憶、解決問題能力減退。乳腺癌患者化療后注意力和處理速度出現功能障礙[16]。記憶、注意力、處理速度和執行功能是易受化療影響的認知領域[2]。之前的縱向研究結果表明，接受化療的乳腺癌患者在化療后六個月或一年后，在上述四個領域認知能力下降更明顯，尤其是在工作記憶和執行功能方面[17]。從解剖學上看，枕葉與顳葉和額葉有廣泛的纖維連接，功能相互影響[18]，相關腦DTI研究發現，化療后額葉、顳葉、枕葉和頂葉腦區白質纖維束完整性均受損[19]。CIORBA等[20]的研究結果發現先天性帕金森病和嗅覺功能障礙患者的枕部GMV減小，同時，在嗅覺正常的志愿者中，氣味刺激后枕葉皮層出現廣泛激活。因此枕區也被認為與嗅覺加工有關[21]。由此推斷枕葉可能在嗅覺過程中發揮了氣味識別的作用，化療藥物廣泛影響患者身體各項功能，可能出現嗅覺及味覺的改變，且與枕葉結構改變有密切聯系。枕葉作為接收和處理視覺信息最重要的大腦皮層，既往研究表明重度抑郁癥（major depressive disorder, MDD）患者快感缺乏的嚴重程度與枕葉谷胱甘肽水平呈負相關，提示MDD 患者枕葉可能存在異常的氧化應激[22-23]。由此，我們可以推測乳腺癌患者化療后枕葉GMV減小與其出現的抑郁癥狀密切相關。距狀裂周圍皮層位于枕葉內側面，是一種典型的感覺型粒狀皮層，主要輸入來自丘腦外側膝狀體的視覺信息[24]，將視覺信息進行初步加工整合，并與視覺相關記憶及注意等神經心理活動密切相關[25]。這些區域GMV改變可能與化療誘導的相應認知障礙表現有關。

3.2 FC強度改變

目前已有研究證明化療會對大腦整體的FC 產生影響[26]。VBM 結果說明乳腺癌患者化療后已經存在腦結構的改變，為了從功能方面進一步解釋認知障礙出現的病理機制，本研究以GMV 差異腦區為種子點進行全腦FC 分析，結果表明以左側枕中回為種子點，與右側顳極：顳上回、左側顳上回FC 減弱；以右距狀裂周圍皮層為種子點，與左側舌回FC 減弱。大腦連接對于闡明神經元和神經網絡如何處理信息至關重要，揭示了空間分離的腦區之間的功能整合關系[27]，腦區間相互連接構成復雜腦網絡，而化療藥物可以透過血腦屏障導致神經元受損、連接紊亂進而導致連接完全中斷。先前相關縱向研究結果顯示，化療后1 個月額顳葉腦GM 密度急性減小，從而證明額顳葉是對化療損傷最敏感的大腦區域。化療后常見的認知問題是記憶力損害，包括情景記憶和工作記憶。內側顳葉結構對情景記憶至關重要[28-29]。舌回也被稱為枕顳葉內側回，介于側副溝和距狀溝之間，舌回的后部屬于枕葉，前部則歸入顳葉，屬于初級視覺皮層，與外周枕葉皮質共同參與視覺信息的整合與處理，尤其是與字母加工及記憶相關[30]。舌回同樣被證實在邏輯分析和視覺編碼方面起作用。本研究結果與既往大部分研究相似，表明額葉、顳葉及枕葉為易受化療藥物影響的區域，但這種“易感區域”的機制目前仍未明確。可能與髓鞘化的速度有關，即最晚進行髓鞘化的區域更易受到化療藥物的影響[31]。既往關于認知障礙相關疾病（肝性腦病、阿爾茨海默病）等腦結構及功能研究結果也出現上述相關腦區的改變[32-33]，這說明上述腦區與認知障礙的發生發展有著密切聯系。

3.3 局限性

本研究存在一定的局限性。第一，試驗樣本量相對較少，不同化療藥物的作用機理不同，可能會對試驗結果產生不同的影響。在接下來的研究中，將會繼續收集患者，探討不同化療藥物影響認知的具體機制；第二，研究對象存在一定異質性，如絕經狀態的不同，由于目前樣本量較小，無法進行分層評估；第三，本研究觀察患者化療后短期內腦改變，后續應增加觀察時限，詳細探索不同時期腦結構及功能損害程度。

4 結論

綜上所述，本研究通過VBM 與FC 相結合的方法，為乳腺癌患者化療后產生認知障礙提供了神經解剖學基礎，從影像學角度上進一步解釋了CRCI 發生發展機制，為化療患者認知功能康復干預提供了重要依據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：田為中設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了指導與修改，獲得了江蘇省衛健委科研課題和江蘇省333 高層次人才科研項目的資助；宋雅琪起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數據；李一凡、夏建國獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要內容進行了修改，其中夏建國獲得了江蘇省第五期“333 工程”科研項目的資助；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。