超重2型糖尿病患者脑灰质体积基于体素的形态学临床研究

张东升,齐 菲,王 嫚,谢清明,苏 宇,张小玲,高 洁*

(1陕西省人民医院MRI室,西安 710068;2西安医学院;*通讯作者,E-mail:gaojie8661@163.com)

2015年我国糖尿病患者人数已居全球首位并且有逐年上升的趋势,其中95%为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者[1]。先前的研究已经证实,T2DM不仅会引起脑结构及神经元自发活动异常[2,3],而且可能引起一系列微血管和大血管的并发症,增加血管性痴呆和阿尔茨海默病的风险[4]。我国T2DM患者中超重及肥胖者约占30%[5],相对于正常体重人群,超重及肥胖人群T2DM的发病率会升高3.5-4.6倍[6]。超重同样是认知功能损伤的独立风险因素,会导致患者执行功能、注意力等认知功能异常[7]。T2DM合并超重是否会加剧患者脑结构的损伤及认知功能下降,目前相关研究较少。基于体素的形态学分析(voxel-based morphometry,VBM)方法以体素为基础,通过自动、全面的提取图像中的脑组织成分(灰质、白质、脑脊液)进行客观对比分析,从而描绘局部脑组织形态结构的差异,已被广泛应用于多种神经精神疾病的脑结构形态学分析中。因此,本研究拟采用VBM方法,探讨超重T2DM患者脑灰质体积及认知功能的异常改变。

1 材料与方法

1.1 研究对象

收集陕西省人民医院内分泌科T2DM患者40例,患者符合1999年世界卫生组织T2DM的诊断标准,包括:①空腹血糖≥7.0 mmol/L;②口服糖耐量试验2 h餐后血糖≥11.1 mmol/L;③有三多一少症状,且随机血糖≥11.1 mmol/L,若无高血糖的症状,标准中的①②项应进行复查,两次达到标准即可诊断。T2DM及健康对照组(healthy controls,HC)排除标准:有精神药物滥用或依赖史;有听力、语言交流困难、幽闭恐惧症等无法配合MRI检查者;合并其他内分泌疾患者,如甲亢、甲旁亢、肢端肥大症等;合并影响认知功能的其他精神及神经疾病者;脑血管意外、肿瘤、外伤、感染、先天性脑发育异常者。所有被试年龄均在40-70岁;均为右利手。根据体质量指数(body mass index,BMI)将T2DM分为两组,匹配人口学资料后,最终纳入正常体重T2DM(normal weight type 2 diabetes,NW+T2DM)患者16例(18.5≤BMI<25 kg/m2)及超重T2DM(overweigh type 2 diabetes,OW+T2DM)患者15列(25 kg/m2≤BMI<30 kg/m2),选择人口学资料相匹配的HC 16例(18.5 kg/m2≤BMI<25 kg/m2)。NW+T2DM组(男13例,女3例)年龄48-64岁,OW+T2DM组(男10例,女5例)年龄46-64岁,HC组(男12例,女4例)年龄46-64岁。本研究通过陕西省人民医院伦理委员会批准,所有被试者在检查前均被详细告知试验内容及方法并签署知情同意书。

1.2 神经心理学测试

被试者在接受MRI扫描前需完成简易智力状态检查量表(mini-mental state examination,MMSE)、蒙特利尔认知评估量表(montreal cognitive assessmen,MoCA)、连线测试A(trail-making test part A,TMT-A)及画钟测验(clock drawing test,CDT),MMSE及MoCA用于评估被试的一般认知功能,TMT-A评估被试神经反应速度及注意力,CDT评估被试视觉空间功能。CDT、MMSE、MoCA评分越高提示被试者对应的认知功能越好,而TMT-A时间越长,提示被试者神经反应速度及注意力越差。所有神经心理学测试由经过系统培训的心理科医师完成。

1.3 数据采集及分析

采用3.0T Philips Ingenia磁共振扫描仪,使用16通道相控阵头线圈。采集3D-T1WI以及常规临床MRI影像诊断图像。扫描时嘱研究对象闭目仰卧、保持全身平稳不动、保持清醒但尽量不进行任何思考。用棉垫固定头部,以耳塞降低噪音。3D-T1WI序列扫描时选用正中矢状位前后联合的连线作为扫描定位线,采用三维快速扰相梯度回波T1加权序列(3D-FSPGR T1WI),主要扫描参数为:TR=10 ms,TE=4.6 ms,TI=400 ms,层厚=1 mm,间隔=0 mm,FOV=180 mm×180 mm,矩阵=256×256,采集次数(NEX)=1。数据处理采用Matlab 2014b基础上运行SPM 12及DPABI中的VBM工具箱,数据处理流程如下,原始DICOM图像转换为NIFTI图像,行组织分割,得到全脑脑脊液、白质和灰质图像;采用半高全宽(full width half-maximum,FWHM)为8 mm×8 mm×8 mm的高斯平滑核对分割后的图像进行平滑,接着对脑组织成分图像进行建模,得到可用于统计分析的图像。对三组被试VBM统计图行方差分析,随后进行post-hoc两两比较,组间比较结果采用GRF校正(单个体素P<0.001,校正后P<0.05)。

1.4 统计学分析

数据分析采用SPSS 17.0统计软件,一般人口学资料、临床参量及神经心理学评分三组间比较采用单因素方差分析,T2DM患者组间病程比较采用独立样本t检验。计数资料组间比较采用χ2检验。为了评估OW+T2DM患者脑灰质体积与神经心理学评分之间的关系,提取OW+T2DM组与NW+T2DM组间有显著性差异脑区的灰质体积值,采用线性相关模型分析神经心理学评分与异常脑区体积的相关性,计算每组相关的Pearson相关系数。所有统计学检验均为双侧,以P<0.05作为显著性检验的标准。

2 结果

2.1 人口学资料及神经心理学测试结果

三组被试者在性别、年龄、受教育程度、血压、甘油三酯、总胆固醇及低密度脂蛋白等资料方面差异均无统计学意义(P>0.05),T2DM患者空腹血糖、糖化血红蛋白显著高于HC组(均P<0.05)。OW+T2DM组及NW+T2DM组空腹血糖、糖化血红蛋白、病程及各并发症差异均无统计学意义(P<0.05)。三组被试者MMSE、MoCA、TMT-A及CDT评分结果组间差异均无统计学意义(P>0.05,见表1)。

表1 被试者临床资料及神经心理学评分

Table 1 Clinical data and neuropsychological scores of all subjects

指标 HC组(n=16)NW+T2DM组(n=16)OW+T2DM组(n=15) F/t/χ2 P性别(男/女) 12/4 13/3 10/50.870.65年龄(年) 53.53±4.39 54.94±5.83 56.07±5.681.710.19BMI(kg/m2) 23.63±1.54 22.64±1.87 26.93±2.0922.65<0.01病程(年) - 6.94±5.12 8.20±6.010.630.53受教育程度(年) 15.20±2.24 13.69±2.36 13.27±2.632.670.08收缩压(mmHg)122.13±9.80123.63±18.69132.87±16.812.510.09舒张压(mmHg) 82.27±7.64 77.50±9.49 83.40±8.963.210.05空腹血糖(mmol/L) 5.56±0.78 7.75±3.26 8.52±2.1910.54<0.01糖化血红蛋白(%) 5.56±0.46 7.95±1.99 7.90±1.5312.56<0.01甘油三脂(mmol/L) 1.83±1.09 1.48±0.78 3.36±1.581.010.37总胆固醇(mmol/L) 4.89±0.86 4.39±0.94 5.17±1.971.340.27低密度脂蛋白(mmol/L) 2.79±0.68 2.51±0.63 2.51±0.760.820.45视网膜病变(例) - 2 40.990.32周围神经病变(例) - 8 90.310.58糖尿病肾病(例) - 8 90.310.58MMSE(分) 28.67±1.29 27.97±1.77 27.43±3.031.240.30MoCA(分) 27.37±1.63 26.50±2.45 25.53±2.752.330.11CDT(分) 20.83±6.30 16.90±6.95 14.77±8.992.520.09TMT-A时间(s) 64.79±27.70 73.00±26.94 75.34±31.680.250.78

TMT-A:连线测试A;MMSE:简易智力状态检查量表;MoCA:蒙特利尔认知评估量表;CDT:画钟测验

2.2 VBM结果

三组间有统计学差异的脑区位于左侧颞极/颞上回/额下回。相对于HC组,NW+T2DM组左侧额下回灰质体积减少,OW+T2DM组双侧颞上回、额下回、右侧海马旁回、岛叶、左侧额上回、额内侧回及左侧顶上/下小叶灰质体积减少。相对于NW+T2DM组,OW+T2DM组双侧直回、额内侧回、前扣带、左侧颞上回、额下回、岛叶及右侧顶下小叶、缘上回、角回灰质体积减少。所有结果均采用GRF校正,校正后P<0.05(单个体素P<0.001)。组间出现显著差异的脑区见图1,显著差异脑区的体素大小、标准空间坐标、Brodmann分区、T值见表2。

表2 被试者灰质体积存在统计学差异的脑区

Table 2 Brain regions with significant difference among all subjects in VBM analysis

脑区 MNI坐标XYZ体素 BA TNW+T2DM

a.三组间灰质体积有统计学差异的脑区,红色代表三组间灰质体积存在差异的脑区,条图上红-黄色对应T值从小至大(对应8到17.88);b.相对于HC组,NW+T2DM组灰质体积减少的脑区;c.相对于HC组,OW+T2DM组灰质体积减少的脑区;d.相对于NW+T2DM组,OW+T2DM组灰质体积减少的脑区,蓝色代表两组间灰质体积显著减少的脑区,条图上浅蓝-深蓝色对应T值从小至大(对应-10至-3.66)图1 OW+T2DM组、NW+T2DM组及HC组VBM分析组间存在显著性差异的脑区Figure1 Brain regions with significant difference among OW+T2DM group, NW+T2DM group, and HC group in VBM analysis

2.3 OW+T2DM组与NW+T2DM组组间差异脑区与TMT-A时间相关分析结果

OW+T2DM组双侧内侧前额叶(直回/额内侧回/前扣带)灰质体积与TMT-A时间负相关(r=-0.813,P<0.001,见图2)。

图2 OW+T2DM患者双侧内侧前额叶灰质体积与TMT-A时间相关关系Figure 2 Correlation between gray matter volume of the medial prefrontal cortex and TMT-A score in patients with OW+T2DM

3 讨论

本研究结果显示,相对于HC组,NW+T2DM组左侧额下回灰质体积减少;而OW+T2DM组除额叶灰质体积减少外,部分颞叶及顶叶区域灰质体积也出现了明显的减少。相对于NW+T2DM组,OW+T2DM组双侧内侧前额叶(直回、额内侧回、前扣带)、左侧颞上回、额下回、岛叶及右侧顶下小叶、缘上回、角回灰质体积减少,提示超重合并T2DM可能加速这些脑区的灰质体积萎缩。

先前的多个研究已经证实,T2DM患者颞叶内侧、内侧额叶、额上回、前扣带回及枕中回等脑区灰质体积减少[2,8]。本研究结果中,NW+T2DM组仅有左侧额下回灰质体积减少,这可能源于本研究纳入的被试量较少,也有可能由于上述的研究均未剔除高BMI对结果的影响所致,据此推测,NW+T2DM患者可能最易出现额叶灰质萎缩。相对于先前的研究[2,8],OW+T2DM患者灰质体积减少的脑区更为广泛,增加的灰质体积减少脑区主要为岛叶及顶上/下小叶。OW+T2DM组较NW+T2DM组岛叶及顶下小叶、缘上回、角回灰质体积同样减少,这提示超重合并T2DM可能加速岛叶及顶叶皮层的灰质萎缩。大样本量的研究已经证实肥胖及超重患者岛叶灰质体积减少[9],同样有研究[10]发现T2DM患者以及其非T2DM兄弟姐妹岛叶灰质体积减少,证实超重及T2DM均会导致岛叶灰质萎缩。岛叶与葡萄糖代谢及胰岛素抵抗有关[11],在维持机体稳态方面具有重要作用[12]。T2DM及超重均会导致机体代谢异常,因此,岛叶灰质体积减少可能提示OW+T2DM患者内环境紊乱更为明显。先前有研究[13]发现血糖正常的肥胖患者及肥胖T2DM患者岛叶灰质体积减低,提示岛叶是T2DM及肥胖的联合损伤脑区,这进一步证实了我们的推测。研究显示青少年以及成年[3]肥胖患者顶叶皮层灰质体积减少,但少有研究报道T2DM患者顶叶皮层灰质体积下降[14]。然而静息态研究发现,T2DM患者顶下小叶、角回等脑区神经元活动异常[15,16]。这可能由于功能异常先于结构改变,也可能提示超重/肥胖对顶叶的灰质体积影响更大,OW+T2DM患者顶叶灰质体积减少的原因可能主要源于超重而非T2DM。

本研究表明,OW+T2DM组双侧内侧前额叶(直回/额内侧回/前扣带)较NW+T2DM组灰质体积减少并与TMT-A呈负相关。超重[9]及T2DM[8]患者内侧前额叶灰质体积减少均已被证实。内侧前额叶是DMN网络的重要组成部分,已有的研究显示T2DM患者DMN网络异常并发现与糖化血红蛋白负相关[17,18]。T2DM以高血糖及胰岛素抵抗为特征,胰岛素和胰岛素降解酶功能下降导致患者脑内β淀粉样蛋白增多,引起神经元退行性改变进而导致脑萎缩[19],DMN脑区常为最易受累的区域[20]。超重/肥胖不仅导致外周胰岛素抵抗,还会导致脑胰岛素抵抗的发展进一步加剧胰岛素抵抗[21]。因此,我们推测,超重合并T2DM可能加速患者内侧前额叶的灰质萎缩过程。此外,内侧前额叶参与决策制定、注意力等多种认知功能[22]。OW+T2DM组双侧内侧额叶灰质体积减低与TMT-A评分呈负相关,提示OW+T2DM患者注意力功能损伤。

本研究依然存在以下局限性,首先,样本量相对较小,今后需加大样本量进一步证实本研究结果。其次,作为横断面研究,本研究无法证实超重及T2DM哪种因素在OW+T2DM患者灰质损伤中具有主导作用,随后的研究将添加超重非糖尿病患者继续探讨这一问题。

总之,本研究证实,相对于HC及NW+T2DM组,OW+T2DM患者存在更为广泛灰质减少脑区,超重合并T2DM可能加速患者岛叶、顶叶及内侧前额叶的灰质萎缩过程,OW+T2DM组双侧内侧前额叶灰质体积减少可能与患者注意力功能损伤有关。