山西医科大学学报,2012年9月,第43卷第9期 ・679・ 轻度认知功能损害及阿尔茨海默病氢质子磁共振波谱研究 王 斐 , 鱼博浪, 金晨望, 王 渊 (西安交通大学医学院第一附属医院影像中心,西安710061; 通讯作 者,E—mail:carenwang@163.com) 摘要: 目的探讨前额叶、海马和扣带回后部氢质子磁共振波谱( H—MRS)在轻度认知功能损害(MCI)和阿尔茨海默病 (AD)早期诊断中的作用。 方法运用氢质子磁共振波谱( H—MRS)技术检测30例AD患者(AD组),30例MCI患者(MCI 在海马区和扣带回后部AD组和MCI组与 组)及30名健康老年人(正常对照组)大脑前额叶、海马和扣带回后部的各种代谢物水平。对N一乙酰天门冬氨酸(NAA)、胆 碱复合物(Cho)、肌酸复合物(cr)和肌醇(mI)波谱数据进行分析统计。 结果正常对照组相比,NAA/mI降低,mlfCr升高(均P<0.05);在前额叶AD组和MCI组与正常对照组相比NAA/mI降低(均P< 0.05)。在这三个脑区,AD组的NAA/mI均显著低于MCI组(P<0.05)。在正常、MCI和AD三组中随病情进展,海马和扣带 回后部NAA/mI呈递减趋势,mI/Cr呈递增趋势(均P<0.05)。AD组与正常对照组的NAA/mI差值海马部显著大于扣带回 后部和前额叶;MCI组与正常对照组的NAA/mI差值海马部显著小于扣带回后部和前额叶。 结论AD有重要的意义,不同脑区NAA/mI比值是关键的诊断指标。 MRS对于诊断MCI和 关键词: 轻度认知功能损害; 阿尔茨海默病; 磁共振波谱 中图分类号:R816.1文献标志码:A文章编号:1007—661I(2012)09—0679—05 DOI:10.3969/J.ISSN.1007—6611.2012.09.012 Magnetic resonance spectroscopy for mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease WANG Fei ,Yu Bo-lang,JIN Chen-wang,WANG Yuan(Imaging Center,First Ailfiated Hospital,Xi’an lfaotong University College of Medicine, ’an 710061,China; Corresponding auchor,E—mail:carenwang@163.eom) Abstract: 0 ctive To evaluate the role of H—MRS changes in the hippocampus and the posterior cingulated gyms in the diagnosis of mild cognitive impairment(MCI)and early Alzheimer’s disease(AD). Methods H—MRS was performed to examine the levels of N—acetyl aspartic acid(NAA),choline(Cho),creatine(Cr),myoinositol(mI)in the frontal lobe,the posterior cingnlated gyms and the hippocampus in 30 cases of AD,30 cases of MCI,and 30 cases of age—matched healthy controls. Results Compared with normal group,NAA/m1 was signiifcantly decreased and mI/Cr was signiicantfly enhanced in hippocampus and posterior cingulated gyrus in AD and MCI groups(P<0.05).In frontla lobe,NAA/m1 was signiifcantly decreased compared with nomarl roup.Ign these three brain are— as,NAA/mI in AD roup wasg signiifcantly lower than in MCI group(P<0.05).With the disease developing from the normal,MCI to AD,mlfCr raduaglly increased and NAA/mI ragdually decreased(P<0.05).The difference of NAA/mI between AD patients and con- trols was significantly larger in the hippocampus than those in the posterior cingulated gyms and the frontl lobe,whilae the difference of NAA/mI between MCI patients and controls was signiifcantly smaller in the hippocampus than those in the posterior cingulated gyms and the frontal lobe. Conclusion MRS is a very good method in the diagnosis of MCI and AD.NAA/mI ratio in diferent brain re- ons is an important index for detecting AD and MCI. Key words: mild cognitive impaiment;r Alzheimer’s disease; magnetic resonance spectroscopy 阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一 MCI发展为AD。氢质子磁共振波谱(。H.magnetic resonance spectroscopy, H—MRS)作为一种非创伤性 种多发生在老年,以近期记忆障碍为主要临床症状, 以老年斑、神经纤维缠结为主要病理改变的进行性 的活体生化代谢检测方法,有助于了解脑代谢情况, 对早期诊断和病程监测很有价值。本研究选择与 MCI和AD认知、记忆损害相关的脑区(包括前额 叶、海马和扣带回后部)为感兴趣区(VOI),对MCI 和AD患者进行 H-MRS检测,旨在评价MRS对于 MCI和AD诊断的价值和意义。 1资料与方法 神经变性疾病。随着社会人口的老龄化,阿尔茨海 默病已成为一个损害公共健康的严重问题。轻度认 知功能损害(mild cognitive impairment,MCI)是与老 年痴呆密切相关的轻微认知功能损害状态,平均每 年有10%一15%的MCI发展为AD。众多研究发 现¨ ,多数MCI最终演变成AD,被认为是AD前 状态。因此,MCI是AD的高危人群,早期确诊 MCI,及监测MCI与AD的大脑生化及代谢指标变 化和关联,尽早采取干预措施将有助于阻止或减缓 1.1研究对象人选标准:选取2009—01~2011— 12在本院就诊的AD患者30例(AD组),MCI患者 30例(MCI组),以及按年龄和性别匹配的正常对照 ・680・ J Shanxi Med Univ,Sept 2012,Vol 43 No 9 组30例。AD组临床诊断符合美国国立神经病学传 前额叶波谱采集:应用点解析分辨自旋回波波 谱序列(point-resolved echo spin spectroscopy, PRESS),定位于双侧前额叶的对称部位选取正方体 感兴趣区(VOI),体素大小为20 mm×20 mm×20 染病及卒中研究所与阿尔茨海默病和相关病协会 (NINCDS—ADRDA)的诊断标准(1994年),患病时间 1—8年,临床痴呆评定量表(CDR)评分≥1.0分;简 易智能状态量表(MMSE)评分<24分,ADLI>5分; Haehiski指数≤4分和HAMD≤20分。MCI组按照 mm.并在轴位、矢状位和冠状位上观察,使所选择的 VOI尽量避开侧脑室及脑沟池内的脑脊液。TR/TE =Petersen MCI标准:①主诉记忆减退,而且有知情者证 实;②总体认知功能正常(MMSE为24—28分,CDR 2 000/136 ms,激励200次,采集次数为128次。 海马区波谱采集:采用多体素PRESS序列采集海马 区域波谱,TR 1 800 ms,TE 30 ms,体素大小10 mm ×10 mm×9 mm。VOI位于双侧海马,尽可能避开 ≤O.5分);③日常生活能力正常(ADL=0分);④排 除其他因素所致的记忆损害(Hachiski指数≤4分, HAMD≤20分)。正常对照组均为健康老年志愿者, 无认知功能障碍。MMSE评分为28—30分,CDR评 分为0,无痴呆家族史。 排除标准:研究对象通过临床检查、心电图、脑 电图、MR/和血液生化检查排除明显的躯体疾病和 邻近白质及沟回内的脑脊液。后扣带回波谱采集: 应用单体素PRESS序列,定位于顶枕沟上方,胼胝 体压部后方,即扣带回后部所在区域。体素大小20 mm×20 mm×20 mmo TR 2 000 ms,TE 30 ms,翻转 角90。接收/发射增益调节、体素内匀场、水抑制和 无水抑制扫描均由自动预扫描完成。 利用GE的波谱分析软件自动完成基线校准、 某些脑器质性疾病(脑梗死、癫痫、脑外伤和脑肿瘤 等)。无抑郁症、精神症等精神疾病。 AD组3O例,男14例,女16例,年龄59—8O 岁,平均(69.0±7.60)岁;平均受教育(5.52 4- 信号平均、代谢物识别,记录N.乙酰天门冬氨酸(N— acetylaspartate,NAA)、胆碱(choline,Cho)、肌醇 (myo.inositol,mI)曲线下面积及其与肌酸(creatine, Cr)的比值。 4.06)年,病程2—11年。MCI组30例,男15例,女 15例,年龄58—77岁,平均(67.5±7.82)岁;平均 受教育(6.15±3.14)年。正常对照组30例,男14 例,女16例,年龄59—8l岁,平均(69.5 4-7.82)岁; 1.3统计学分析对所有测量结果利用SPSS 11.0 软件包进行计算机统计学处理,数据采用 ±s表 示,组间比较用方差分析,方差不齐者采用秩和检 验。以P<0.05为差异有统计学意义。 2结果 平均受教育(6.23 4-3.08)年。所有受试者均为右 利手,均已签署知情同意书。各组间性别、年龄及受 教育年限比较无统计学差异。 1.2研究方法MRS检查:采用GE 3.0T Signa HDxt磁共振扫描仪,常规MR扫描(包括矢状位 T1w-SE序列,轴位 W—FSE序列,轴位T1w-SE序 列),矩阵256×256,层厚5 mm,间距0 mm。 H— 2.1 各组前额叶代谢物比值比较 在前额叶AD 组、MCI组与正常对照组相比NAA/mI降低(均P< 0.05),AD组和MCI组之间比较NAA/mI亦降低(P <0.05)。在正常、MCI和AD三组中随病情进展, 前额叶NAA/mI呈递减趋势;NAA/Cr、mI/Cr和 Cho/Cr的变化三组间均未见显著差异(见表1)。 MRS:感兴趣区(VOI)分别定位于前额叶、海马及后 扣带回的皮质,进行磁共振波谱采集。 表1各组前额叶代谢物比值比较(x±s) Tab 1 Comparison of metabolites ratios in the frontal lobe among three groups( ±s) 与对照组比较, P<0.05;与AD组比较, P<0.05 2.2各组海马及扣带回后部各代谢物比值比较 在海马区和扣带回后部AD组和MCI组与正常对照 组相比,NAA/mI降低,mI/Cr升高(均P<0.05); 在海马区和扣带回后部,AD组和MCI组相比NAA/ 山西医科大学学报,2012年9月,第43卷第9期 ・681・ mI降低(P<0.05)。在正常、MCI和AD三组中随 病情进展,海马和扣带回后部NAA/mI呈递减趋势, mI/Cr呈递增趋势(均P<0.05,见表2,3)。AD组 表2各组海马区代谢物比值比较(面±s) 与正常对照组的NAA/mI差值海马部显著大于扣带 回后部和前额叶;MCI组与正常对照组的NAA/mI 差值海马部显著小于扣带回后部和前额叶。 Tab 2 Comparison of metabolites ratios in the hippocampus among three groups(面±s) 对照组 MCI组 AD组 30 30 30 1.64±0.15 1.62±0.18 1.54±0.26 0.63±0.27 0.89±0.18 1.08±0.43 O.65±0.11 0.76±0.21 1.46±0.52 2.49±0.28 0.79±0.14 1.91±0.16 与对照组比较, P<0.05;与AD组比较, P<0.05 3讨论 Cho是反映细胞膜稳定性的指标,有报道AD患者 3.1 MRS各代谢物及其比值分析MRS是利用核 Cho可以升高,但更多的显示Cho变化不大 。本 研究发现AD组及MCI组相对于正常对照组Cho/ Cr差异无显著性。Cr包括肌酸和磷酸肌酸,是能量 磁共振中的化学位移现象来测定分子组成及空间分 布的一种检测方法。在MRS谱线上,峰值曲线下的 面积代表物质的含量,峰值在频率轴上的位置代表 物质的种类。当前在AD相关疾病中研究最多的代 谢物包括N-乙酰天门冬氨酸(NAA)、肌酸(Cr)、胆 代谢的缓冲物和ATP/ADP转换的高能磷酸键储 备,在脑内的分布灰质高于白质。因为Cr的浓度在 各种状态(包括病理状态)下变化相对稳定,所以许 多波谱分析把Cr当作内参照。 m1只存在于胶质细胞中,是神经胶质细胞的标 志物,胶质细胞增生及磷脂酶活化时常有mI的升 高。AD患者脑内肌醇升高可能是肌醇转换为磷脂 酰肌醇的酶受到了抑制,从而影响磷脂酰肌醇的第 碱(Cho)和肌醇(mI)等。 N一乙酰天门冬氨酸(N-acetylaspartate,NAA)在 脑内主要存在于神经元的胞体、轴突和树突中,是反 映神经元密集度和生存能力的标志物,同时也是神 经元完整性和线粒体功能的标志物_3 J。NAA含量 的高低反应了神经元数量和活性的变化 J。NAA 二信使作用,由于磷脂代谢异常,而导致细胞内蛋白 质的磷酸化以及膜结构的改变。AD患者出现NAA 水平的减低可作为神经元脱失或活性降低的最佳指 征。很多研究 发现,AD脑内多个脑区NAA水平 均有下降。AD的病理特征主要为老年斑和神经纤 维缠结在大脑皮质中大量出现,导致皮质萎缩,皮质 神经元减少。本组AD患者在前额叶、海马和扣带 下降和mI增加的原因可能有:①神经元缺失、老年 斑形成与神经纤维缠结引起了NAA下降,同时伴发 的神经胶质反应性增生导致mI增高;②AD患者的 大脑皮层和海马等结构有广泛神经元缺失,并伴有 胆碱能、5一羟色胺能和肾上腺互助能递质系统障碍; 毒蕈碱样胆碱能和肾上腺素能受体激活时多伴有磷 回后部均有NAA浓度的下降。本研究中MCI患者 在这三个脑区亦有NAA水平下降。由此,我们可以 推测MCI与AD在这方面可能具有相似的病理变 化。 酸肌醇的水解,为了维持受体的功能必须加速从肌 醇等物质再合成磷脂酰肌醇的过程,因而mI水平 Cho包括磷酸胆碱、甘油磷酸胆碱及磷脂酰胆 碱等,参与细胞膜的构成及神经细胞髓鞘的形成。 较高;③AD的发生可能使肌醇转换为磷酸肌醇的 抑制酶增加,导致mI的增加。Chen等 通过动物 ・682・ 实验证实,mI是评估早期AD的最有价值的 H.MRS 指标,并且认为通过对mI的量化研究,能够为早期 诊断AD提供重要的线索。本研究发现,在前额叶、 海马区和扣带回后部AD组和MCI组相对于健康对 照组,脑内的NAA水平降低,mI水平升高,NAA/mI 比值降低(P<0.05)。这说明AD和MCI在早期的 生化改变上有一定的相同之处,为MCI是AD前状 态这一观点提供了一定的客观证据。 3.2不同脑区的MRS特点额叶在执行功能和复 杂语言、言语功能包括口语中起着重要作用。前额 叶功能包括记忆判断、分析思考和操作,前额叶对人 的思维活动与行为表现有十分突出的作用,是与智 力密切相关的重要脑区。我们通过前额叶MRS得 出结论:在前额叶AD组和MCI组与正常对照组相 比,NAA/mI降低(P<0.05)。这与以往的大量研 究一致。AD患者的额、颞、顶叶的联络皮质内 NAA/Cr明显降低,在早期海马结构还没有形态学 改变时,通过 H—MRS就出现了NAA/mI的比值降 低 J。Falini等 研究表明在额叶MCI与痴呆患者 的大脑NAA水平并无显著的差异,但较正常对照有 明显的降低。Pilatus等¨ 通过对15例MCI和12 名健康老年人进行了平均随访期3—4年的调查研 究,利用MRS测量顶叶和前额叶的多种代谢物的绝 对浓度变化,指出MCI患者的纵向认知能力下降 (特别是在记忆功能)可通过代谢标记物NAA和cr 的绝对浓度的下降所预测。 AD患者的病理改变首先发生于海马结构、颞 叶内侧,进而蔓延到整个边缘系统,最后累及到新皮 质联络区,从而导致进行性认知功能下降。AD和 MCI患者脑萎缩主要局限于海马,并且海马区生化 代谢水平的改变先于形态学该变。因此大部分研究 ROI中均包含了海马区域。Ackl等¨ 应用MRS分 别测定正常老年人、MCI及痴呆患者双侧脑白质、灰 质及海马,结果表明MCI与痴呆患者海马区的 NAA/Cr值并无显著差异,这一点与本研究结论相 同,提示轻度认知功能损害患者已存在海马区神经 变性、坏死。Godboh等 进行的回顾性研究发现, 易转化为痴呆的MCI患者在痴呆症状出现前就已 经表现出海马和颞中叶区NAA,NAA/Cr值的显著 降低及mI/Cr值的升高。 扣带回皮质在学习、记忆和遗忘等神经心理过 程中发挥着重要作用,在AD早期即可受累。Schuff 等¨】 的研究发现,AD患者扣带回后部的NAA/Cr、 J Shanxi Med Univ,Sept 2012,Vol 43 No 9 NAA/mI较对照组显著降低,而mI/Cr显著增高,与 本研究结果相同。Kantarci等u 发现MCI患者的 边缘系统皮质的后扣带回区mI/Cr比值较对照组 高。Wang等 利用3.0T的MRS对16名AD患 者,16名MCI及16名正常对照的研究中发现, NAA/MI与AD及MCI患者的MMSE评分有显著的 关联,同时发现海马区的NAA/mI的变化较后扣带 回区更符合AD的病理过程。本研究显示:在正常、 MCI和AD三组中随病情进展,海马和扣带回后部 NAA/mI呈递减趋势,mI/Cr呈递增趋势(均P< 0.05)。AD组与正常对照组的NAA/mI差值海马 部显著大于扣带回后部和前额叶;MCI组与正常对 照组的NAA/mI差值海马部显著小于扣带回后部和 前额叶。此结果符合AD的病理学发展规律,海马 结构先于扣带回后部受累,而临床MCI阶段扣带回 后部和前额叶结构可能先于海马发生病理改变。因 此,在MCI诊断上,扣带回后部兼有早期受累部位 和易获得稳定波谱数据的特点,非常适合做为MRS 的VOI 。有学者对MCI扣带回后部的NAA/mI 进行监测,发现在AD前期就有NAA/mI的下降, 该比值的下降预示着MCI向AD的进一步转变。 综上所述,MRS对于诊断MCI和AD有重要的 意义。NAA的减低可能与神经元变性坏死、神经纤 维缠结有关,而mI的增高与神经胶质细胞增生、老 年斑的沉积有关。通过不同脑区的NAA/mI测定更 能反映AD的病理变化程度。目前MCI诊断主要依 据Petersen 17]提出的诊断标准,缺乏客观指标。我 们的结果表明,MCI患者额叶、海马区及扣带回后部 NAA/mI较正常对照组显著下降,提示在MCI患者 脑内已发生 H.MRS可以检测到的代谢变化。我们 可以对MCI患者定期进行前额叶,海马及扣带回后 部NAA/mI的随访监测,了解其病情发展变化,及时 采取治疗措施,提高患者生存质量。对于MCI和 AD诊断的NAA/mI比值定量指标的确立,还需要 扩大样本量或进行多中心联合实验进一步研究。 参考文献: [1] Sepfilveda MR,Dresselaers T,Vangheluwe P,et a1.Evaluation of manganese uptake and toxicity in mouse brain during continuous MnCI(2)administration using osmotic pumps[J].Contrast Media Mol Imaging,2012,7(4):426—434. 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