急性淋巴細胞白血病化療相關認知功能損害的多模態MRI研究進展

魏珂,高芷欣,曹衛國

急性淋巴細胞白血病(acute lymphoblastic leukemia,ALL)是兒童時期最常見的惡性腫瘤之一,好發年齡為1～4歲[1],隨著治療方案的優化,其5年生存率已超過90%[1]。目前國內外均已采用單純化療方案進行治療,為了防止中樞神經系統白血病的發生,還需進行化療藥物鞘內注射治療[2]。但單純接受化療的ALL患者有發生認知功能損害的風險,這種化療所致的認知損害(chemotherapy induced cognitive impairment,CICI),又稱為化療腦(chemo-brain),可能是大劑量靜脈或鞘內注射甲氨蝶呤(methotrexate,MTX)及皮質類固醇等藥物的神經毒性作用所致,患者可出現執行功能、注意力、處理速度、記憶和數學計算等認知功能的受損[3-5]。但CICI目前尚無明確的確診手段,主要通過各類認知量表對其認知功能進行評估,而多模態顱腦MRI檢查能夠提供腦結構、代謝和功能等信息,可能為ALL患者CICI相關機制和早期診斷提供依據。本文擬對既往ALL患者CICI可能的病理生理機制和多模態MRI研究進展進行綜述。

CICI相關病理生理機制

大腦發育是多因素參與的復雜過程[6],ALL患者發生CICI的潛在機制仍尚未完全明確,可能與炎癥反應、氧化應激導致的活性氧含量增加、神經元興奮性毒性和葉酸代謝途徑紊亂等因素有關[7-12]。

MTX干預的幼年大鼠皮質中發現小膠質細胞活化被顯著抑制且細胞增殖能力降低[7],化療藥物所致的炎性反應可以直接損害神經元細胞[13]。氧化應激被認為是認知衰退的一種機制,氧化還原途徑失調會產生活性氧和細胞結構的氧化[8],從而誘導產生CICI。諸多抗腫瘤藥物可通過腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)促進神經元細胞死亡[9]。化療藥物可使血漿中產生使載脂蛋白A1(apoA1)發生氧化的自由基,氧化后的ApoA1又促進TNF-α的合成,合成的TNF-α穿越血腦屏障(blood brain barrier,BBB)可造成細胞凋亡和神經元細胞死亡[9]。氧化應激還與腦白質病的發生相關,與灰質(grey matter,GM)和白質(white matter,WM)萎縮導致的認知功能缺陷相關[11]。神經元興奮性毒性可導致神經元凋亡信號傳導,導致谷氨酸(一種主要的興奮性神經遞質)受體過度激活,從而產生許多有害后果,包括鈣緩沖功能損害、自由基產生和線粒體通透性受損等[12],這些作用均可能導致GM密度改變,并且影響與之相關的腦網絡結構。MTX治療的兒童癌癥幸存者腦脊液中同型半胱氨酸、興奮性神經遞質和半胱氨酸亞磺酸水平增高[14],而同型半胱氨酸作為一種谷氨酸能激動劑,可能引起上述神經元興奮性毒性作用。葉酸代謝途徑中,MTX作為二氫葉酸還原酶抑制劑,在減少四氫葉酸生成的同時,還可導致腦脊液中同型半胱氨酸含量增加[7],而作為一種谷氨酸能激動劑的同型半胱氨酸,可通過興奮性毒性導致細胞凋亡、線粒體通透性受損等作用。所以化療藥物導致認知損害的機制并非獨立進行,而是各種機制間相互影響、相互促進。處于發育中的兒童大腦直接暴露于這些毒性作用,可能會影響大腦發育中的一些重要過程,如髓鞘突觸形成、神經發生和損傷、皮質厚度改變或神經元網絡形成等,繼而進一步加重認知損害。

ALL幸存者間的認知功能損害的異質性可能與遺傳風險因素相關[5]。與MTX、皮質類固醇代謝有關的部分基因,如甲硫氨酸合成酶(MTR)、過氧化物酶體增殖物激活受體ɑ(PPARa)、ATP結合盒轉運蛋白C3(ABCC3)、絲氨酸羥甲基轉移酶1(SHMT1)和有機陽離子轉運蛋白1B1(SLCO1B1),認知相關的部分基因,如鈣調蛋白樣蛋白5(CALML5)、鈣離子通道β2亞基(CACNB2)、原鈣粘附蛋白β10抗體(PCDHb10)和人酪氨酸蛋白激酶受體A5(EphA5)等,與ALL幸存者不同的認知功能受損程度顯著相關,如攜帶SLCO1B1rs4149056或EphA5rs33932471微小C等位基因的ALL患者發生中度～重度焦慮和抑郁的風險更高[15],單胺氧化酶(T1460CA)和載脂蛋白E4(Cys112Arg)與注意力缺陷有關[16],并且一項針對350例ALL幸存者認知損害的研究中發現,那些擁有內皮型一氧化氮合酶(NOS3)、溶質載體有機陰離子轉運蛋白家族成員2A1(SLCO2A1)、兒茶酚氧位甲基轉移酶(COMT)基因(一些氧化應激相關基因)的幸存者認知功能評分更低[10],所以需要更加關注攜帶高危基因的ALL患者CICI的發生。

多模態MRI研究

1.常規MRI檢查

化療對ALL患者的顱腦損害包括腦萎縮、脫髓鞘改變、可逆性后部腦病綜合征(posterior reversible encephalopathy syndrome,PRES)、靜脈血栓和繼發腫瘤等。常規顱腦MRI檢查中,ALL患者最易發現的化療相關損害為腦萎縮,但對腦萎縮的診斷和評估易受到診斷醫師的主觀因素的影響,且無法明確腦萎縮的具體部位。其次,ALL患者化療后可導致脫髓鞘改變,在一項大樣本前瞻性研究中,約1/5的無神經系統癥狀的ALL患者和所有存在神經系統癥狀(頭痛、癲癇、中風、共濟失調等)的ALL患者都存在腦白質病變[17],在T2WI或FLAIR序列上白質內可見異常高信號,尤其是大劑量使用MTX的患者[18]。分析ALL患者的腦脊液,發現脫髓鞘和軸突損傷的腦脊液生物標志物與5年后腦白質病風險具有較高的相關性,故檢測化療后腦脊液生物標志物可能有助于早期識別ALL患者出現CICI[13]。第三,常規MRI檢查還可發現PRES,其典型表現為血管源性水腫,以雙側頂枕葉分布、皮質下白質受累為主[19]。最后,少數ALL患者還可能并發靜脈血栓和繼發顱內其它腫瘤。但常規MRI只能觀察化療腦損害的信號改變和體積改變,無法早期發現細微的腦結構和功能的改變,因此常規MRI對ALL患者大腦損害的早期診斷還面臨著重要挑戰。

2.腦灰質形態及結構網絡的MRI研究

多模態MRI可提供定量、微觀、精準的腦微結構和神經網絡信息,為闡明神經病變的病理生理機制提供新的研究方法和思路,可能為早期檢測ALL患者出現CICI提供新的機遇。分析ALL成年幸存者的結構磁共振成像(structure MRI,sMRI)表現,發現大腦多個腦區的體積縮小,其中海馬旁回、梭狀回、額中回尾側、額上回、扣帶回和楔前葉的皮層厚度明顯變薄[20],尤其是額葉和海馬區的體積改變[21]。而非中樞神經系統癌癥的兒童幸存者的紋狀體和杏仁核體積縮小[22]。皮層功能主要與皮層厚度和皮質激活度相關[3],皮質厚度由皮質柱中的水平層決定,ALL患者多個腦區的皮質厚度變薄,這可能提示該類幸存者的皮質柱水平層顯著變薄。已知額葉和杏仁核發育較晚,在發育過程中腦組織的高代謝狀態下可能對藥物毒性作用更敏感,這可能是這些腦區更容易受累的原因之一;而且杏仁核的糖皮質激素受體密集表達,可能導致杏仁核對地塞米松(dexamethasone,DXM)的毒性作用更敏感[22-23]。除了大腦解剖結構的改變,腦網絡,即神經元或腦區間的連接,長期以來也是神經學研究的熱點,能夠分別從白質纖維束的連接、灰質結構的協同變化和不同腦區的激活等從代謝層面對大腦的解剖或功能網絡進行研究,從而能更敏感、更有效地檢測和評估ALL患者大腦組織連接強度改變情況。ALL患者接受化療時都表現出組級結構協方差網絡中的區域連通性減低,并通過縱向研究發現化療誘導細胞凋亡、細胞分裂減少和神經發生受損[24]。對比ALL年輕幸存者與健康對照組,發現ALL幸存者皮層網絡表現為分離減少(聚類系數Cp和局部效率Eloc降低),低連接主要見于雙側蒼白球(PAL)網絡,超連接主要見于額頂網絡區域[11]。分析基于灰質體積的結構協方差網絡的拓撲改變,發現ALL組和對照組在不同密度范圍內都表現出小世界拓撲結構,但ALL患者的高交互結節更少,顳區的節點度和節點介數減少,ALL患者存在區域連通性降低,結構協方差的效率降低,這些改變可能與患者的記憶和執行功能受損相關[25]。

3.腦白質纖維束的MRI研究

基于DTI的研究發現ALL患者的額葉和左側半卵圓中心的白質完整性降低[26,27],DTI和T1WI測值法可評估兒童,甚至是早產兒的腦白質髓鞘化進程[6]。大腦微結構可以提供功能偏側化信息,如語言和視覺功能的左側化,一項DTI研究發現治療后ALL患者的偏側化改變顯著減低,即ALL患者軸突和髓鞘的不對稱性顯著減低,其中以前腦的髓鞘損傷最為明顯,而且年齡越小的患者損害越顯著[28]。ALL患者達到完全緩解時,發現額葉和胼胝體膝部的各向異性分數(fractional anisotropy,FA)值降低,額葉的ADC值降低[29]。而對比化療12個月前、后ALL患者的DTI改變,發現內囊豆狀核后部、上放射冠和后放射冠組成的投射纖維、丘腦后輻射、矢狀層和上縱束組成的聯合纖維及外囊組成的聯合纖維的平均擴散系數(mean diffusivity,MD)和徑向擴散系數(radial diffusivity,RD)降低[30]。基于白質骨架的擴散統計分析(tract-based spatial statistics,TBSS)發現,ALL患者的雙側下縱束、上縱束、胼胝體輻射線額部、丘腦前輻射、冠狀前部輻射以及左側矢狀層的FA值降低,而右側下縱束、右側上縱束、右側最外囊、右側額枕下束、右側前丘腦輻射和胼胝體體部的軸向擴散系數(axial diffusivity,AD)值降低[31]。另外ALL患者多個腦區的MD值增高,包括胼胝體膝部和體部、雙側輻射前冠、下縱束、上縱束、內囊和額枕下束[31]。

4.腦代謝的MRI研究

MRS能夠在腦形態學改變前早期發現其生化代謝改變。一項基于MRS的研究發現,完全緩解期的ALL患者額葉N-乙酰天冬氨酸與肌酸比值(NAA/Cr)降低43.6%,而膽堿與肌酸比值(Cho/Cr)增高22.2%,NAA/Cho降低54.8%;胼胝體膝部NAA/Cr降低42%,Cho/Cr增加20.7%,NAA/Cho降低57.8%;內囊膝部NAA/Cr降低47.7%,Cho/Cr增加52%,NAA/Cho降低64.5%[29]。NAA水平降低反映了神經元受損或功能異常,灰質NAA水平降低反映神經元丟失和/或活性和代謝狀態降低,白質NAA水平降低反應軸索損傷。這項研究的結果提示在完全緩解期的ALL患者可能存在神經元減少或脫髓鞘變化,而Cho代謝主要提示磷脂的代謝[32],Cho峰值增加可能表明ALL患者的大腦存在脫髓鞘變化和膠質細胞增生。

5.基于血氧水平依賴的功能MRI研究

基于血氧水平依賴的fMRI(bold-fMRI)發現,兒童癌癥幸存者執行工作記憶任務時,錯誤和無反應次數更多,而后扣帶回正確反應時代謝水平較對照組顯著減低,錯誤反應時角回和無反應試驗時頂上小葉的血氧代謝水平均增高[33]。通過靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)研究表明,ALL年輕幸存者的雙側舌回、扣帶回、海馬回和右側距狀裂的近遠程功能連接密度(functional connectivity density,FCD)均減低,遠程FCD降低的腦區與小腦后葉間的功能連接(functional connectivity,FC)增強,而與枕中回、楔回和舌回之間的FC降低[34],默認模式網絡和顳下回之間FC也降低[27]。對比無執行功能障礙的ALL幸存者,存在執行功能障礙的ALL幸存者具有更差的結構功能連接整體效率(一種用于衡量信息交換和網絡整合的指標),并在感覺運動、視聽覺加工區域表現出高連接性,在感覺運動、執行力、注意力和顯著及默認模式網絡中表現出低分離性;而與低危險組患者比較,中危險組和高危險組以及接受多次MTX鞘內注射的患者的腦功能網絡的效率最低[35]。

一些研究者提出,ALL幸存者可能存在某些神經補償或重組[11],如中央溝蓋(rolandic operculum,ROL)是由多種細胞構成并存在廣泛連接的腦區,涉及許多復雜的功能,如感覺、運動、自主神經、認知和語言處理[36],而Developmental Screen Test(DST)評分顯示ALL幸存者右側ROL具有較高的中心性和效率[11],其中ALL幸存者的右側枕上回和左側枕中回的結節中心性和結節效率與停藥時間相關,這可能提示隨著時間延長,這類人群的腦組織代償能力逐漸增加[11]。對比較低糖皮質激素受體的對照組,較高糖皮質激素受體密度的ALL幸存者的雙側小腦-丘腦-皮質網絡的平均總體效率有所增加,存在執行功能障礙的ALL幸存者雙側小腦-丘腦-皮質網絡的整體效率更高,這一發現同樣說明ALL幸存者可能存在某種代償機制,盡管部分ALL幸存者該網絡通路呈現出完全斷開的狀態[37]。

認知功能改變

人類大腦在2歲以前處于快速發育階段,2歲后腦發育減慢并一直持續到成年階段,大腦在發育的關鍵階段暴露于各類化療藥物,可能對神經認知造成損害,這種損害作用甚至可以持續到成年階段[38],ALL成年幸存者不同程度的認知損害[26],稱作認知遲發效應[8],提高ALL幸存者的后期生活質量已逐漸引起社會重視。盡管不同研究對于ALL幸存者的總智力是否受損還存在爭議[5,21,24,39,40],但其在高級認知能力的受損已被證實[41],如執行功能[37]、工作記憶[23]、知覺推理、注意力[39]、記憶[39]、算術[41]、處理速度[37]、精細運動速度[42]、言語智商和操作智商[40]的表現明顯低于對照組[3-4,23,37,39-42],尤其是中危險組、高危險組患者和確診時年齡較小和大劑量MTX沖擊治療的患者以及家庭經濟較差的患者[42-45]。其中ALL長期幸存者中-重度抑郁或中-重度焦慮的發生率分別達11%和10%[15]。治療結束后,ALL幸存者們的注意力損害可部分改善[4],認知損害可能是由于GM萎縮或WM脫髓鞘的直接神經毒性效應所致[24],尤其是那些化療期間出現急性腦白質病的患者,因為化療藥物可能破壞WM纖維的完整性[26]。其中加工速度與皮層、尾狀核和丘腦相關,執行功能與大腦總體積、小腦體積[37]、皮質、尾狀核和丘腦相關,尤其是額葉皮質[21],而額葉與執行功能密切相關,這或許解釋了ALL幸存者常出現執行功能受損的原因。

大劑量MTX暴露和伴隨的高濃度同型半胱氨酸與ALL幸存者執行功能評分低、高功能MRI活動和額葉較厚皮層及額葉白質微結構受損相關[3],ALL幸存者注意力和執行功能的rs-fMRI激活還與血清中MTX暴露和確診年齡有關[46]。DXM暴露與ALL成年幸存者的注意力和執行功能受損相關[38],與更薄的右側前扣帶回皮質和額葉白質微結構的DTI參數相關[3]。潑尼松和DXM對認知的影響仍在探索中,相比于潑尼松,DXM增加了中樞神經系統的通透性[47],在新生大鼠模型中發現,對比同等劑量的DXM和氫化可的松,DXM更易干擾體重和腦重量的增加,更易損害學習和記憶能力[48],并且在fMRI研究中發現DXM與一些神經網絡相關[37]。ALL幸存者CICI可能存在性別差異,研究發現ALL男性幸存者記憶受損與鞘內MTX累積劑量和DXM暴露有關[49],而ALL女性幸存者的鞘內治療次數增加和DXM暴露劑量與小腦體積減少和較差的Rey-Osterrieth復雜圖形測試結果相關[37]。而且女性患者的情緒調節和記憶力似乎更易遭受損害[49],而重度抑郁癥患者中存在性別特異性灰質體積改變[50],而男性患者在適應技能領域受損更明顯[43]。

局限性和展望

針對ALL幸存者的研究有一個共同的局限性是患病和治療時間與評估認知和功能成像的間隔時間過長,所以腦結構改變和認知功能損害無法除外疾病本身的影響,也無法排除結束治療后患者自身受教育程度、經濟和家庭等因素的影響。同時,現有的相關研究主要來源于西方國家,由于種族、遺傳、環境和文化的差異,西方人群的臨床數據無法完全代表亞洲國家[51]。與健康人群比較的小樣本研究結果,同樣受到選擇偏差的影響,故本綜述提倡進行多中心大樣本的化療前后縱向研究,這有助于更大程度地減少外部干擾因素。盡管目前已有一些臨床前模型用于研究各類化療藥物的損害機制和干預措施[52],但未來研究應該考慮現代治療方案中各種化療藥物對神經認知的影響,尤其是那些目前不被認為有神經毒性的藥物,積極探索有效的早期干預措施也是未來的研究重點之一。