【论著】基于定量磁化率成像评估的脑小血管病患者灰质核团铁沉积情况及其与认知功能的相关性分析

摘要:目的基于定量磁化率成像(QSM)评估脑小血管病(CSVD)患者灰质核团铁沉积情况, 分析其与认知功能的相关性｡方法回顾性连续纳入2016年12月至2022年11月于首都医科大学宣武医院神经内科门诊就诊的CSVD患者和2022年9月至11月首都医科大学宣武医院放射与核医学科既往其他研究招募的健康对照者｡收集和比较CSVD患者和健康对照者一般资料,包括年龄､性别､既往史(高血压病､糖尿病､高脂血症)､吸烟､饮酒和蒙特利尔认知评估(MoCA)量表评分｡收集所有CSVD患者和健康对照者头部MRI,包括三维T1加权成像､QSM､T2加权成像及液体衰减反转恢复(FLAIR)序列成像｡根据CSVD患者头部MRI评估相关影像学特征及CSVD总负荷评分,将患者分为CSVD轻微(CSVD-m)组和CSVD严重(CSVD-s)组;健康对照者为对照组｡ 基于QSM获取所有CSVD 患者及健康对照者灰质核团磁化率值｡采用单因素协方差分析及Bonferroni校正比较3组灰质核团磁化率值,对差异有统计学意义的灰质核团的磁化率值与MoCA量表评分进行Spearman相关性分析｡ 结果共纳入CSVD患者61例,其中CSVD-s组29例, CSVD-m组32例;对照组共纳入健康对照者32名｡(1)CSVD-s组､CSVD-m组和对照组年龄､性别､高血压病､糖尿病､高脂血症､吸烟､饮酒差异均无统计学意义(均P>0. 05)｡CSVD-s组､CSVD-m组MoCA评分低于对照组[25.0(22.5,27.5)分､27.0(25.0,29.0)分比28.0(27.0,29.0)分,H=15.006,P<0.01]｡CSVD-s组与CSVD-m 组脑微出血､脑白质高信号､血管周围间隙影像学特征分布差异均有统计学意义(均P<0. 05)｡(2)3 组间左侧壳核(F=4.790)､苍白球(F=12.896)､海马(F=3.904)及右侧壳核(F= 36.278)､苍白球(F=39.449)､尾状核(F=6.797)､丘脑(F=6.525)磁化率值差异均有统计学意义(均P<0.05)｡Bonferroni校正后,CSVD-s 组左侧壳核､ 苍白球及右侧壳核､苍白球､尾状核､丘脑磁化率值均高于对照组(均P<0.05);CSVD-m 组左侧苍白球及右侧苍白球､壳核､丘脑磁化率值均高于对照组(均P<0.01),左侧海马磁化率值低于对照组(P=0.045)｡(3)左侧壳核及右侧壳核磁化率值与MoCA量表评分均呈负相关(左侧:rs=-0.316, P=0.015;右侧:rs= -0.316,P=0.014)｡ 结论CSVD患者灰质核团中铁代谢异常,双侧壳核铁沉积均与认知功能存在相关性｡

有研究显示,25%的缺血性卒中由脑小血管病(cerebral small vessel disease, CSVD)所致,且CSVD与认知功能下降密切相关｡CSVD的影像学特征包括近期皮质下小梗死､腔隙､脑白质高信号(white matter hyperintensity, WMH)､血管周围间隙(perivascular space,PVS)､脑微出血和脑萎缩等｡上述征象常同时存在,既往多以CSVD总负荷评分作为评估CSVD严重程度的影像学指标｡研究表明,CSVD总负荷与中老年人群的认知功能下降有关且可以作为预测认知功能下降的危险因素｡

铁稳态可维持大脑正常功能｡铁在脑内的不断沉积是衰老和神经退行性变的重要特征之一,可能导致认知功能下降｡研究表明,神经退行性疾病患者脑组织铁过度沉积与认知功能受损有关,且与神经退行性疾病相关的铁沉积主要发生在灰质核团｡定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)是一种MR 成像序列, 可通过无创测量脑组织内磁化率的空间分布定量分析脑内铁含量,铁沉积区域具有更高的磁化率值｡本研究拟通过QSM评估CSVD患者灰质核团磁化率值改变情况,并探讨差异核团磁化率值与CSVD患者认知功能的相关性｡

1 对象与方法

1.1 对象

回顾性连续纳入2016年12月至2022年11月就诊于首都医科大学宣武医院神经内科门诊的CSVD患者和2022年9月至2022年11月首都医科大学宣武医院放射与核医学科既往其他研究中招募的健康对照者｡

CSVD患者纳入标准:(1)年龄≥40岁;(2)CSVD诊断依据《中国脑小血管病诊治专家共识2021》,头部MR检查存在CSVD影像学特征,包括近期皮质下小梗死､腔隙､WMH(Fazekas量表评分≥2分)､PVS､脑微出血､脑萎缩等｡排除标准:(1)影像学图像不清晰或存在伪影､一般资料不全;(2)颈动脉､大脑中动脉等脑内供血大动脉狭窄率> 50% ;(3)严重心源性栓塞､免疫系统疾病､血管炎､药物滥用､外伤史;(4)合并其他神经退行性疾病,如阿尔茨海默病､帕金森综合征等;(5)精神疾病史;(6)脑肿瘤､遗传性疾病史;(7)视听功能受损;(8)左利手｡

健康对照者纳入标准:(1 )性别不限,年龄≥40岁;(2)右利手｡排除标准:(1)年龄､性别及受教育程度不匹配;(2)存在以下情况之一,包括卒中史､颈动脉或大脑中动脉等脑内供血大动脉狭窄率>50% ､阿尔茨海默病､帕金森综合征等其他神经退行性疾病､精神疾病史､脑肿瘤史､视听功能受损;(3)影像学图像不清晰或存在伪影､一般资料不全;(4)头部MRI存在CSVD影像学特征,包括近期皮质下小梗死､腔隙､WMH(Fazekas量表评分≥2 分)､ PVS､脑微出血､脑萎缩等｡

本研究方案通过首都医科大学宣武医院伦理委员会审核批准(伦理号:KS2022023-1)｡

1.2 资料收集

收集CSVD患者和健康对照者一般资料,包括年龄､性别､既往史(高血压病､糖尿病､高脂血症)､吸烟､饮酒和蒙特利尔认知评估(Montreal cognitive assessment, MoCA)量表评分, 若受教育年限≤12年,MoCA量表评分总分加1分, 总分<26分为认知功能障碍｡

1.3 图像收集

收集所有CSVD患者和健康对照者头部MR(Discovery MR750 3.0T; 32通道相控阵头线圈;GE,美国)图像,包括三维T1 加权成像､QSM､T2 加权成像及液体衰减反转恢复(FLAIR)序列成像｡

1.4 CSVD患者影像学特征､总负荷评分评估及分组

CSVD患者影像学特征及CSVD总负荷评分由2名具有5年以上工作经验的放射科医师根据MRI图像分别进行评估,若评估结果存在分歧,则由另1名具有10年以上工作经验的放射科医师评判｡ CSVD总负荷评分总分0 ~ 4分:存在腔隙计1分;存在脑微出血计1分;深部WMH开始融合(Fazekas量表评分≥2 分)或不规则的脑室周围WMH 延伸至深部白质(Fazekas量表评分3分)计1分;半卵圆中心或基底节区PVS>10个,计1分｡

CSVD总负荷得分0~2 分患者为CSVD 轻微(CSVD-m)组,3~4分患者为CSVD严重(CSVD-s)组｡ 所有健康对照者为对照组｡

1.5 QSM图像及灰质核团磁化率值

提取

利用Matlab 2018b(Mathworks,美国)平台的SPM12(https:// www. fil. ion. ucl. ac.uk/spm/)､STISuite工具包(https://people. eecs.berkeley.edu/ ~chunlei.liu/software.html)基于原始多回波梯度回波图像获得CSVD患者及健康对照者QSM图像及磁化率值｡ 流程如下:(1)将原始多回波梯度回波图像及三维T1加权成像由DICOM格式转换为NIFTI格式;(2)利用英国牛津大学功能磁共振成像中心软件包(FSL v5.09;http:// www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)的脑提取工具提取二进制脑掩模,并对所有回波图像的幅值图取平均;(3)利用原始多回波梯度回波图像提取相位数据并展开,基于拉普拉斯技术通过非线性拟合计算总场图,对每个回波时间的所得总场进行平均;(4)利用偶极子场投影去除背景场并计算组织局部场图;(5)通过形态学偶极反转和脑脊液零参考校正获得QSM图像;(6)将第一回波的幅值图配准至三维T1加权成像;(7)利用三维T1 加权成像的空间标准化参数,将QSM空间标准化至蒙特利尔神经研究所标准空间｡利用自动解剖标记图谱在标准化的QSM图像上提取灰质核团(包括尾状核､壳核､苍白球､丘脑､杏仁核､海马)的磁化率值｡

1.6 统计学分析

采用SPSS 27. 0软件进行统计分析｡计数资料以例(% )表示,组间比较采用χ2 检验｡通过Kolmogorov-Smirnov检验分析计量资料的正态性,符合正态分布的计量资料以x-±s表示,组间比较采用单因素方差分析及Bonferroni校正;不符合正态分布的计量资料以中位数和四分位数[M(P25,P75)]表示,组间比较采用Kruskal-Wallis H检验及Bonferroni校正｡调整年龄､性别及血管危险因素,采用单因素协方差分析及Bonferroni校正比较3组间磁化率值, 将差异有统计学意义的灰质核团的磁化率值与MoCA量表评分进行Spearman相关性分析｡ Spearman相关系数rs在0.00~0.10 为可忽略的相关,0.10~0.39为弱相关,0.40 ~ 0.69为中等相关, 0.70~0.89为强相关,0.90~1.00为极强相关｡ 以P< 0.05 为差异具有统计学意义｡

2 结果

共纳入CSVD患者61例,其中CSVD-s 组29例, CSVD-m 组32例｡对照组共纳入健康对照者32名｡

2.1 一般资料及CSVD影像学特征比较

CSVD-s 组､CSVD-m 组和对照组在年龄､性别､高血压病､糖尿病､高脂血症､吸烟､饮酒史方面的差异均无统计学意义(均P>0.05 )｡CSVD-s 组､ CSVD-m 组 MoCA 量表评分均低于对照组(P<0.05)｡CSVD-s 组与CSVD-m 组脑微出血､WMH､ PVS影像学特征分布差异均有统计学意义(均P<0.05)｡见表1｡

2.2 灰质核团磁化率值比较

3组间左侧壳核､苍白球､海马及右侧壳核､苍白球､尾状核､丘脑磁化率值差异均有统计学意义(均P<0.05)｡Bonferroni 校正后,CSVD-s 组左侧壳核､苍白球及右侧壳核､苍白球､尾状核､丘脑磁化率值均高于对照组(均P<0.05);CSVD-m 组左侧苍白球及右侧苍白球､壳核､丘脑磁化率值均高于对照组(均P<0.01),左侧海马磁化率值低于对照组(P=0.045)｡见表2,图1｡

2.3 磁化率值与认知功能相关性分析

经Bonferroni校正后,双侧壳核磁化率值均与MoCA量表评分呈负相关(左侧壳核:rs= -0.316, P= 0.015;右侧壳核:rs = -0.316,P=0.014 )｡ 见表3,图2｡

3 讨论

本研究通过QSM测量不同严重程度CSVD患者及健康对照者灰质核团的磁化率值,结果表明,相较于健康对照组,CSVD 患者在双侧苍白球､右侧壳核､丘脑磁化率值增加,CSVD严重患者在左侧壳核及右侧尾状核磁化率值增加,CSVD 轻微患者左侧海马磁化率值降低,提示CSVD可能影响灰质核团铁代谢过程,不同严重程度对灰质核团铁代谢的影响存在差异｡在双侧壳核,随着磁化率值增加, MoCA量表评分降低,表明深部灰质核团的铁沉积可能在CSVD患者出现认知功能下降的过程中起重要作用｡

磁化率值的变化反映了铁代谢状态,CSVD 等神经退行性疾病以脑组织磁化率值增高提示的铁沉积为主要表现｡CSVD的发病机制包括内皮功能障碍､脑缺血与低灌注､血-脑屏障破坏､炎症反应等,不同机制间存在交互作用｡血管危险因素常导致血管结构受损及血管内皮功能障碍,脑小血管过度收缩､扩张受限､脑血流减少引起脑实质缺血､ 缺氧从而激活小胶质细胞并产生基质金属蛋白酶｡基质金属蛋白酶可降解血-脑屏障基底膜,导致血管内皮细胞活化,并引起黏附分子表达上调,刺激循环白细胞的募集并通过受损部位进入脑缺血､缺氧区域产生炎症因子,从而引发有害的炎症级联反应｡缺血缺氧状态､炎症反应使脑组织中的铁离子释放增多,导致铁沉积;血-脑屏障破坏使血液中的铁离子更容易进入脑组织;此外,铁离子具有催化氧化应激反应的能力,其过量沉积可能引发氧化应激,进一步损伤神经细胞,形成恶性循环｡

有研究表明,与神经退行性疾病相关的铁沉积主要发生在灰质核团,而且铁沉积程度与疾病的严重程度呈正相关(r=0.60,P=0.008)｡本研究通过磁化率值分析观察到两组 CSVD患者在双侧苍白球､右侧壳核､右侧丘脑出现明显铁沉积,CSVD-s 组在左侧壳核及右侧尾状核也存在明显铁沉积｡Li等的研究探讨了CSVD合并脑微出血患者灰质核团磁化率值的改变,结果显示,CSVD患者存在灰质核团铁沉积,且合并脑微出血的CSVD患者丘脑､壳核的磁化率值均显著高于不合并脑微出血的CSVD患者及健康对照组(均P<0.01),铁沉积更为明显｡此外,7.0T MR的应用进一步证实了CSVD患者深部灰质核团铁代谢的异常,与健康对照者相比,CSVD患者尾状核(t= 4.258, P < 0.01)､壳核(t= 4.304, P< 0.01)及丘脑(t=4.797,P<0.01)的磁化率值显著增加｡Uchida等通过基于体素的QSM分析显示,与无症状的CSVD 患者相比,有症状的CSVD患者壳核(t=5.52,P<0.05)､尾状核(t=5.27,P< 0.05)的磁化率值显著增高,且与区域血-脑屏障通透性呈正相关(壳核:r= 0.57,P= 0.006;尾状核:r=0.51,P=0.019),表明CSVD患者血-脑屏障破坏可能导致灰质核团铁沉积,且CSVD严重患者铁沉积更多｡本研究通过CSVD总负荷评分评估CSVD整体严重程度,CSVD严重患者壳核及右侧尾状核同样存在铁沉积,表明铁水平可能与CSVD严重程度相对应,且主要位于壳核及尾状核区域｡

在本研究中,CSVD-m 组患者左侧海马区域磁化率值相较于对照组降低｡Li等的纵向研究显示,未进行特殊治疗,CSVD患者红核(t=3.236, P= 0.002)和齿状核(t=2.818,P=0.006)的磁化率值随着时间推移降低｡本研究与上述研究磁化率值降低的区域并不一致,CSVD 患者脑组织铁元素的重新分布或是可能的机制,未来需要开展更大规模的临床研究深入探讨｡

铁沉积已被证实具有潜在的神经毒性,与多种认知障碍相关的神经退行性疾病存在密切联系,铁沉积所致的氧化应激反应会引起神经细胞的程序性死亡,从而导致认知功能下降｡Chen 等通过QSM和正电子发射体层摄影成像分析了认知功能正常的老年人[(69±8)岁]脑组织中铁代谢与β-淀粉样蛋白水平对认知表现的影响,结果表明,即使在认知功能正常的老年人中,铁沉积仍与较低的认知评分相关(标准化β=-0.24,95% CI: -0.40 ~ -0.07,P=0.005),这种关联与β-淀粉样蛋白水平无关,铁沉积是认知功能的独立影响因素｡Madden 和Merenstein则认为铁沉积可加速与年龄相关的认知衰退｡一项研究探讨了脑组织内铁沉积与认知功能之间的关系,结果显示,尾状核､壳核等基底神经节铁沉积与执行功能下降(尾状核:β=3.37×10^-3,95% CI:1.25 × 10^-3 ~ 5.49×10^-3,P< 0.01;壳核:β= 0.004,95% CI:0.002 ~ 0.006,P<0.01)及反应时间延长(尾状核:β=2.87×10^-3, 95% CI:7.67×10^-4 ~ 4.97×10^-3, P< 0.01;壳核:β=0.006,95% CI: 0.003 ~ 0.008,P<0.01)有关｡本研究结果显示, 双侧壳核磁化率值与MoCA评分呈负相关,进一步表明CSVD患者认知功能下降可能与基底神经节铁沉积相关｡

本研究仍存在一定的局限性｡首先,本研究为横断面回顾性研究,并未纵向观察CSVD患者磁化率值的变化确定因果关系｡此外,本研究主要关注了与神经退行性病变相关的灰质核团,未对全脑范围内的铁代谢进行综合评估｡未来需要进一步开展前瞻性､纵向研究进行深入分析,或可结合人工智能的方法,在不同维度对 CSVD总负荷及铁沉积进行更为客观､准确的评估｡