阿尔茨海默病后扣带回磁共振波谱成像研究

肖慧，吴应行，倪萍，

李辉1a，杨健1a，陈自谦1a

1.南京军区福州总医院 a. 医学影像科，b. 医学工程科，福建 福州350025；2. 遵义医学院附属医院医学影像科 贵州 遵义 563000

阿尔茨海默病后扣带回磁共振波谱成像研究

肖慧1a，吴应行2，倪萍1b，

李辉1a，杨健1a，陈自谦1a

1.南京军区福州总医院 a. 医学影像科，b. 医学工程科，福建 福州350025；2. 遵义医学院附属医院医学影像科 贵州 遵义 563000

目的 应用氢质子磁共振波谱成像（MRS）技术，探讨阿尔茨海默病（AD）患者后扣带回（PCC）化合物代谢改变特点。方法 使用Siemens 3.0T磁共振扫描仪对20例AD患者及20例正常对照者行后扣带回单体素MRS扫描。利用Siemens Trio Tim 3.0T MRI工作站Syngo B15波谱分析软件自动完成曲线拟合、零填充、傅立叶转换和相位、基线的调整，生成后扣带回脑区的各代谢物谱线，并计算各代谢物波峰曲线下面积的积分值。结果 与正常对照组相比，AD患者后扣带回NAA/Cr、NAA/mI减低，mI/Cr升高，差异有统计学意义（P<0.05）。对AD组NAA/Cr、NAA/mI、mI/Cr比值与AD患者MMSE评分进行相关性分析，结果表明， NAA/mI比值与AD患者MMSE评分呈正相关（r=0.699，P=0.001），而mI/Cr比值与AD患者MMSE评分呈负相关（r=-0.648，P=0.002）。结论 MRS能够检出AD患者后扣带回存在化合物代谢异常，可用于AD的早期筛查和初步诊断。

阿尔茨海默病；痴呆；磁共振波谱；后扣带回

0 前言

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）又称老年性痴呆，是一种常见的中枢神经系统退行性脑病。临床上以进行性认知功能障碍及不可逆性行为损害为主要表现。在AD的诸多病理特征中，老年斑的形成和神经纤维缠结最具特征性[1-3]。这些病理改变导致AD患者脑内化合物在细胞水平发生代谢改变。后扣带回（PCC）是与学习和记忆神经回路密切相关的大脑结构，该脑区代谢和功能的损害会严重影响学习和记忆功能。已有研究[4]表明，PCC是AD患者最早受累的脑区之一。但目前为止，关注于PCC化合物代谢情况的研究少见报道。本研究拟应用MRS技术研究AD患者后扣带回的化合物代谢改变，旨在从分子影像学水平对高危人群进行筛查和早期诊断AD提供依据。

1 材料和方法

1.1 一般资料

选取来自南京军区福州总医院老年科就诊的Alzheimer病（AD）患者20例，其中男9例，女11例，平均年龄（80.4±6.37）岁，MMSE评分18.68±4.04分，CDR评分（1.6±0.76）分，受教育程度为高中以下15例，高中及以上5例，均为右利手。选取与AD组年龄、性别、受教育程度及利手相匹配的正常健康志愿者20例，男10例，女10例，平均年龄（72.0±6.92）岁，MMSE评分（28.4±0.82）分，CDR评分0分，受教育程度为高中以下14例，高中及以上6例。所有受试者均自愿同意参与本实验研究。本实验经南京军区福州总医院医学伦理委员会批准通过。

AD组纳入标准为：① 符合美国国立神经病学、语言交流障碍和卒中老年性痴呆及相关疾病学（NINCDSADRDA）AD诊断标准；② MMSE 评分： ≤17分(文盲)，≤20分 (小学)，≤24分 (中学及以上)；③ CDR 评分≥0.5分；④ HIS≤4分，以排除血管性痴呆；⑤ 常规MRI排除血管源性痴呆和其他可导致痴呆的神经系统疾病；⑥ 无严重躯体疾病及烟酒等物质滥用情况；⑦ 不符合抑郁症诊断标准。

正常对照组纳入标准为：① MMSE 评分≥28分；②CDR 评分为0分；③ 躯体常规检查和实验室常规检查结果均为阴性；④ MRI常规检查已排除神经、精神疾患等器质性病变；⑤ 无严重烟酒等物质滥用情况。

1.2 检查方法

在常规MRI扫描（包括横断面T1WI、T2WI、DWI及FLAIR序列）之后行矢状位3D-T1WI结构像扫描，覆盖全脑，扫描参数：TR=1900 ms，TE=2.5 ms，FOV=240 mm×240 mm，Flip angle=9°，层厚= 1 mm，层间距=0，Matrix=256×256，NEX=1，Slice=160，体素大小=1 mm×1 mm×1 mm。选用3D-T1WI图像横断位、矢状位及冠状位三个平面进行后扣带回氢质子波谱定位，采用点波谱分辨技术（point-resolved selective spectroscopy，PRESS），单体素波谱（single voxel spectroscopy）SVS-SE-30序列行后扣带回波谱采集，将感兴趣区定位于顶枕沟的上方及胼胝体压部的后方(图1)。体素大小=12 mm×12 mm×12 mm，TR= 2000 ms，TE =30 ms，采集次数96次，翻转角=90°，矩阵为1024×1024。先在感兴趣区各方向施加预饱和带，然后进行人工手动匀场、压水及压脂，在半高全宽（FHMW）<15 Hz及水抑制率>95%的条件下行波谱采集，波谱采集时间为188 s。

1.3 数据处理

利用Siemens Trio Tim 3.0T MRI工作站Syngo B15波谱分析软件自动完成曲线拟合、零填充、傅立叶转换和相位、基线的调整，生成后扣带回脑区的各代谢物谱线，并计算各代谢物波峰曲线下面积的积分值。选择N-乙酰天门冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA），肌醇（myo-inositol，mI），胆碱（choline，Cho），肌酸（creatine，Cr）的代谢物峰作为研究指标，并计算NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr、NAA/mI相对比值。由于不同化合物中原子核的化学位移不同，原子核化学位移的大小使用磁共振的频率百万分之一（ppm）来表示，以上诸代谢物的化学位移位置分别为2.02 ppm、3.56 ppm 、3.22 ppm、3.02 ppm。

1.4 统计学分析

采用SPSS 16.0软件包对AD患者组及正常对照组所测的数据进行统计学处理，各组数据采先进行正态性检验，然后采用两独立样本t检验对两组间各代谢物比值进行统计检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

两组受试者后扣带回1H-MRS各代谢物比值的比较见图2。AD组NAA峰较对照组不同程度减低，mI峰较对照组升高。AD组后扣带回NAA/Cr较正常对照组减低（t= -2.502、P=0.017），NAA/mI较正常对照组减低（t=-9.16、P=0），mI/Cr较正常对照组升高（t=9.78、P=0），差异有显著统计学意义；AD组Cho/Cr较正常对照组升高，但差异无明显统计学意义（t=1.76、P=0.086）（表1）。各组代谢物比值直方图见图3。通过各代谢物比值与其MMSE评分做相关分析发现，AD患者后扣带回NAA/mI比值与其MMSE评分呈正相关（r=0.699，P=0.001），mI/Cr比值与其MMSE评分呈负相关（r=-0.648，P=0.002）（图4）。

表1 两组间后扣带回各代谢物比值双样本t检验结果

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3 讨论

AD的主要病理特征有神经纤维缠结、老年斑形成、神经细胞丧失、淀粉样变性、神经元脱失、Hirano小体、神经元空泡颗粒变性等，其中老年斑的形成和神经纤维缠结是其最具特征性的病理表现[1-3]。老年斑中的β-淀粉样蛋白（Aβ）具有很强的神经细胞毒性作用，可使神经细胞变性、坏死、导致突触丢失及轴突损伤，进而出现神经胶质增生，导致神经元功能进行性破坏[5,6]。此外，Tau蛋白也是导致AD的重要物质，Geula C等[7]学者研究发现，在AD的发病过程中，Tau蛋白会发生过度的磷酸化，导致神经纤维中微管的组装发生障碍，进而影响神经元的代谢过程，最终导致神经元的变性和缺失。这些病理改变是导致AD患者体内化合物在细胞水平发生代谢改变的主要原因。普通的结构磁共振成像仅能观察到晚期AD患者大脑特定脑区脑萎缩等结构的改变，但却无法观察到疾病早期阶段在细胞水平的代谢变化情况。

随着功能与分子医学影像学的飞速发展，磁共振波谱成像(MRS)技术在临床医学中的应用也备受青睐，MRS在检测疾病早期细胞水平代谢改变情况方面更具有独到优势。MRS技术是利用磁共振现象和磁共振化学位移作用对活体内特定的化合物进行无创性检测的一种技术，该技术对分子结构有很强的解析能力，所获得组织的生化信息能够观察到明显早于组织形态结构异常的代谢变化，是一种真正的分子影像学技术[12]。临床多采用1H-MRS反映活体组织代谢变化。各种不同的化合物可以通过波谱共振峰的差异来加以区分，共振峰峰下面积与共振核的数量成正比，能反映该化合物的浓度，因此，可以用来对化合物进行定量分析[8]。

PCC是与学习和记忆的神经回路密切相关的大脑结构，该脑区代谢和功能的损害会严重影响大脑的学习和记忆功能。Kantarci K等[9]学者的研究表明，PCC是AD患者最早受累的脑区之一，因此，在研究AD患者早期脑内化合物代谢改变时，应对后扣带回予以重点关注。此外，PCC脑区周围结构比较单一，也无颅骨及气体干扰，容易获得稳定而可靠的波谱数据，因此，本研究选择后扣带回为波谱数据采集的感兴趣区。在AD等神经退行性脑病的研究中，研究最多的代谢物主要包括N-乙酰天门冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA）、胆碱（cholines，Cho）、肌醇（myo-inositol，mI）和肌酸（creatine，Cr），并可利用磁共振波谱分析软件计算分析NAA/Cr、mI/Cr、NAA/mI和Cho/ Cr之间的相对比值。

NAA是神经元的标志物，其共振峰位于2.02ppm，几乎体内所有的NAA只存在于神经元的胞体内，而成熟的神经胶质细胞中却不含有NAA[10]，因此NAA的含量可直接或者间接反映神经元的活性及数量的多少，亦可作为神经元活性降低或者神经元脱失的最佳检测指标。Cheng等[11]研究证实神经元的密度与NAA浓度显著线性相关，灰质的NAA水平反映神经元的缺失及代谢的改变。从AD的病理研究中发现，Aβ蛋白和Tau蛋白具有很强的细胞毒性，它们均可以使神经细胞变性、坏死，并破坏神经元的功能，因此，该病理改变势必引起脑内NAA水平的异常。Kantarci K等[9]研究者对许多AD患者大脑尸体解剖的研究发现，AD患者的NAA水平显著下降。Schott JM等[12]对AD患者长期的磁共振波谱追踪研究，也发现了AD患者脑内NAA含量的降低。本组研究资料显示，AD患者组NAA/Cr比值低于正常对照组，差异有统计学意义（P<0.05），与大多数文献报道相符。

Cho是神经递质乙酰胆碱的前体，也是细胞膜磷脂代谢的主要成分之一，其共振峰位于3.22ppm。Cho是反映细胞膜稳定性的指标，Cho的升高能反映细胞数目的增加和细胞膜磷脂分解代谢等改变。关于AD患者Cho/Cr的报道，目前国内外研究尚存在较大争议，有学者研究发现AD患者Cho/Cr水平较对照组升高[13]。但大多数研究则认为，Cho/Cr比值在两组间无显著差异。本组研究资料显示，与正常对照组相比，AD组Cho/Cr比值升高，但差异无统计学意义，可能的原因是与本组研究资料样本量较小及存在抽样误差有关。此外，Franczak M等[14]研究者认为，脑内Cho/Cr的变化除了与AD患者病情程度有关以外，还与患者年龄、用药情况，以及患者处于不同的病理生理状态有关，因此，目前的研究对Cho/Cr变化尚无统一的定论，关于AD患者脑内Cho/Cr的改变情况，有待将来进行大样本数据采集及分析研究。

Cr是高能磷酸化合物的储备以及三磷酸腺苷（ATP）和二磷酸腺苷（ADP）的缓冲剂，在脑组织中均一分布，包括磷酸肌酸和肌酸等，其磁共振峰位于3.02 ppm。Cr能反映高能磷酸代谢，其含量在各种生理及病理状态下均保持相对稳定，故常作为磁共振波谱参照物来比较其他代谢物的浓度变化。

mI只存在于神经胶质细胞中，其共振峰位于3.56 ppm，mI在维持神经胶质细胞的体积稳定性方面发挥着重要作用，是反映神经胶质增生的代谢物，mI水平升高可提示神经胶质增生。目前，多数研究表明轻度认知障碍患者和AD患者的脑内mI/Cr比值升高[15,16]。本组研究资料结果显示，AD组mI/Cr比值显著升高，NAA/mI比值降低，两组间差异均具有统计学意义（P<0.05）。目前的研究表明，mI峰升高可作为AD患者磁共振波谱代谢水平的特异性改变。从AD的病理研究中发现，老年斑中Aβ蛋白在破坏神经元的同时，也会导致神经胶质细胞的反应性增生。Ernst等[15]学者认为，AD患者的大脑皮质、扣带回及海马等结构有广泛神经元缺失，并伴有胆碱能、5-羟色胺能和肾上腺素能递质系统障碍，毒覃碱样胆碱能受体和肾上腺素能受体激活时多伴有磷酸肌醇的水解，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AD患者脑内肌醇水平较高；另外，AD的发生可能使磷酸肌醇抑制酶增加，导致肌醇转换受到抑制，进而引起肌醇增加。Rose SE等[17]研究指出，NAA/mI与痴呆严重程度呈正相关，本研究也有类似的发现，通过AD组NAA/Cr、NAA/ mI、mI/Cr比值同AD患者MMSE评分做相关性分析，发现NAA/mI比值与AD患者MMSE评分呈正相关，而mI/Cr比值与AD患者MMSE评分呈负相关；本研究关于mI的改变情况与大多数文献报道相符，进一步为AD患者脑内肌醇的增加这一观点提供有力的客观证据。

综上所述，MRS是一种无创性检测活体细胞水平化合物的代谢情况的无创性检查技术，其对于AD的早期诊断有重要的意义。AD患者脑内神经元的变性、脱失和神经纤维缠结导致脑内NAA减低，而脑内mI的升高则可能与神经胶质增生和老年斑的形成相关。本实验研究及结合文献资料可见，后扣带回NAA/Cr和NAA/mI比值降低，以及mI/Cr比值的升高对在分子医学影像学水平早期诊断AD有一定的价值。后扣带回氢质子波谱操作简单，易获得稳定的波谱图像及数据，可作为一种新的方法用于对高危人群进行筛查和早期诊断，并为临床对AD患者实施早期干预治疗提供相关依据。

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Magnetic Resonance Spectroscopy Study on Posterior Cingulate Cortex in Alzheimer’s Disease

XIAO Hui1a, WU Ying-hang2, NI Ping1b, LI Hui1a, YANG Jian1a, CHEN Zi-qian1a
1.a. Department of Medical Imaging, b. Department of Medical Engineering, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou 350025, China;
2. Department of Radiology, Affiliated Hospital of Zunyi Medical School, Zunyi Guizhou 563000, China

Objective To evaluate the metabolic changes of posterior cingulate cortex (PCC) in patients of Alzheimer’s disease (AD) with single-voxel proton-magnetic resonance spectroscopy. Methods Twenty AD and 20 matched healthy controls were studied with single-voxel 1H-MRS in PCC using Siemens 3.0 T Trio MR scanner. Syngo B15 spectrum analysis software of Siemens Trio Tim 3.0T MRI automatically fi nished the curve fi tting, fi lling, fourier tramsforming and phasing, baseline adjustments, and calulated the integral value of related crest area. Results Compared with normal group, the ratio of NAA/Cr and NAA/mI of PCC were signif i cantly decreased and the ratio of mI/Cr was signif i cantly increased in AD group (P＜0.05). The ratio of NAA/mI showed positive correlation with MMSE in AD patients (r=0.699, P=0.001). While mI/Cr was negative correlated with MMSE (r=-0.648, P=0.002). Conclusion AD patients have signif i cant different metabolic levels in PCC. MRS can be used for early screening and preliminary diagnosis in AD patients.

Alzheimer’s disease; dementia; magnetic resonance spectroscopy; posterior cingulate cortex

R197.39；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.003

1674-1633(2014)11-0011-04

2014-07-09

福建省社会发展科技重点项目（2012Y0057）：“老年性痴呆患者认知功能改变的多模态神经影像研究”。

陈自谦，南京军区福州总医院医学影像中心主任，教授，博士生导师。

通讯作者邮箱：chenziqianfz@sina.com