伴微血管并发症的2型糖尿病患者脑灰质体积基于体素的形态学研究

邵志荣,张东升,雷雨萌,刘莎莎,刘葳蕤,王 嫚,齐 菲,苏 宇,张小玲

(西安医学院附属陕西省人民医院MRI室,西安 710068;*通讯作者,E-mail:zxl.822@163.com)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是一种以胰岛素抵抗及慢性高血糖为特征的全球性常见代谢性疾病[1]。长期高血糖会加速肾小球系膜细胞、视网膜血管细胞及内皮细胞的凋亡并引起微血管并发症,包括糖尿病肾病、视网膜病变及周围神经病变。尽管T2DM常会引起视觉空间、记忆力、执行功能等多种认知功能损伤[2,3],但多个临床研究提示微血管并发症会加速认知功能损伤的进程,对患者的生活质量和预期寿命会产生重大影响[4,5]。先前多个神经影像学研究表明,T2DM合并肾病及视网膜病变患者存在广泛的神经元活动异常脑区[6-8],并且T2DM合并视网膜病变患者枕叶神经元活动增高与蒙特利尔认知评估量表(montreal cognitive assessment,MoCA)评分及糖化血红蛋白(HbA1c)水平存在相关性[7]。此外,有研究报道T2DM合并肾病及视网膜病变患者多个脑区镜像同伦连接及度中心性出现了异常改变[9,10],他们推测这种异常改变可能受到糖尿病及肾功能损伤的双重影响。然而,先前针对伴微血管并发症的2型糖尿病(T2DM-C)患者认知功能改变的神经影像学研究多集中在脑功能方面,脑结构方面的研究较少。脑结构异常是认知功能改变的神经基础,因此,有必要探讨T2DM-C患者脑结构改变与认知功能损伤的关系。基于体素的形态学(voxel-based morphometry,VBM)测量是一种能够自动分析全脑组织体积的方法,该方法具有客观性、敏感性强,可重复操作的优点。因此,本研究采用VBM方法,探讨T2DM-C患者脑灰质体积改变与认知功能的关系,揭示T2DM-C患者认知功能损伤的结构基础。

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-C患者33例,T2DM-C患者的纳入标准:①符合2014年ADA糖尿病诊断标准;②有至少一种糖尿病相关的微血管并发症(肾病、视网膜病变或周围神经病变)。糖尿病肾病的诊断标准:大量白蛋白尿[尿白蛋白/肌酐比值(urinary albumin-to-creatinine ratio,UACR)>300 mg/g]或微量白蛋白尿(UACR范围:30-300 mg/g);或肾脏病理检查提示肾病。糖尿病视网膜病变的诊断采用2002年悉尼国际眼科理事会大会制定的国际分类标准,符合以下任意一项指标即可纳入:①早期散瞳后,眼底检查显示视网膜后极可见弥漫性微动脉瘤和斑点状出血;部分患者可见白色或黄白色渗出物,伴视力下降;②眼底血管造影显示视网膜病变;③眼底荧光素血管造影显示微血管瘤的数量明显增加,并且视网膜周围的毛细血管扩张、通透性增加。糖尿病周围神经病变需符合以下任意2个指标:①有典型的神经性感觉症状;②远端感觉对称下降或踝关节反射丧失;③神经传导异常。健康对照组(healthy controls,HC)要求被试空腹血糖<6.1 mmol/L。

所有被试年龄均在40岁以上,至少接受过6年教育,右利手。所有被试排除标准:①存在其他原发性、继发性或先天性肾病(如急性肾炎、慢性肾炎、狼疮肾炎、痛风性肾病、创伤性肾损伤、IgA肾病和肾动脉疾病等);②存在其他眼病;③中枢神经系统疾病和精神障碍(如抑郁症、双相情感障碍和躁狂症等);④脑梗死或严重的心血管疾病;⑤药物或酒精滥用者。剔除临床资料不完整及颅脑MRI图像质量不符合要求的被试3例,最终纳入T2DM-C患者30例,选择人口学资料相匹配的HC30例。T2DM-C组(男22例,女8例)年龄42-68岁,HC组(男19例,女11例)年龄44-64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 检查方法

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。扫描时嘱咐研究对象闭目仰卧、保持头部平稳不动。用棉垫固定头部,采用耳塞降低噪音以增加被试扫描时的舒适度。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,视野(FOV)180 mm×180 mm,矩阵256×256,采集次数(NEX)为1。

1.3 rs-fMRI数据预处理

数据处理采用在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,FWHW)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。对两组被试VBM统计图行两样本t检验,得到的结果采用GRF校正(单个体素P<0.005,校正后P<0.05)。

1.4 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 assessment, 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具有5年以上工作经验的心理科医师完成。

1.5 统计学分析

2 结果

2.1 人口学资料及神经心理学评分比较结果

两组被试在性别、年龄、受教育程度、血压、甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、尿素及血清肌酐等资料方面差异均无统计学意义(P>0.05),T2DM-C患者空腹血糖、糖化血红蛋白显著高于HC组(P<0.05,见表1)。T2DM-C患者的MoCA、CDT评分明显低于HC组(P<0.05)。两组被试的MMSE、TMT-A评分组间差异均无统计学意义(P>0.05,见表1)。

表1 T2DM-C及HC组人口学资料及神经心理学评分比较Table 1 Comparison of demographic data and neuropsychological scores between T2DM-C group and HC group

2.2 VBM分析结果

相对于HC组,T2DM-C患者左侧小脑前叶、双侧颞上回、双侧额内侧回、双侧额岛叶皮层、左侧颞极、右侧颞中回灰质体积减少(P<0.05),未发现灰质体积增高的脑区。所有结果均采用GRF校正(单个体素P<0.005,校正后P<0.05)。组间差异有统计学意义的脑区(图1)及其体素大小、标准空间坐标、Brodmann分区、两样本t检验t值见表2。

表2 T2DM-C组与HC组VBM分析灰质体积存在统计学差异的脑区Table 2 Brain region with statistical difference of gray matter volume between T2DM-C group and HC group in VBM analysis

A.T2DM-C组相对于HC组大脑灰质体积显著减少的脑区B.T2DM-C组相对于HC组小脑灰质体积显著减少的脑区图1 T2DM-C组与HC组VBM分析组间差异有统计学差异的脑区Figure 1 Brain regions with significant difference between T2DM-C group and HC group based on VBM analysis

2.3 相关性分析结果

T2DM-C组双侧额内侧回灰质体积与CDT评分正相关(r=0.490,P=0.021,见图2),双侧额内侧回灰质体积与病程负相关(r=-0.433,P=0.044,见图3),左侧小脑前叶灰质体积与尿白蛋白/肌酐比值负相关(r=-0.438,P=0.041,见图4)。

图2 T2DM-C患者双侧额内侧回灰质体积与CDT评分相关关系Figure 2 Correlation between the gray matter volume of the bilateral medial frontal gyrus and CDT score in patients with T2DM-C

图3 T2DM-C患者双侧额内侧回灰质体积与病程相关关系Figure 3 Correlation between the gray matter volume of the bilateral medial frontal gyrus and the duration of disease in patients with T2DM-C

图4 T2DM-C患者左侧小脑前叶灰质体积与尿白蛋白/肌酐比值相关关系Figure 4 Correlation between the gray matter volume in the left anterior cerebellum and the ratio of urine albumin to creatinine in patients with T2DM-C

3 讨论

本研究采用VBM方法探讨了T2DM-C患者脑灰质体积的改变特点。结果显示与HC组相比,T2DM-C患者大脑及小脑多个脑区灰质体积减少,并且T2DM-C患者双侧额内侧回及左侧小脑前叶灰质体积与神经心理学评分及临床变量存在相关性,提示脑灰质体积减少可能是患者认知功能损伤的神经基础。

本研究表明,T2DM-C患者灰质体积减少的脑区主要位于默认网络(default mode network,DMN)区域,包括双侧内侧前额叶、颞上回及右侧颞中回[11]。DMN是维持认知功能的核心网络,在工作记忆、空间规划、自省等多种认知功能中均具有重要作用[12]。先前的研究报道T2DM患者DMN脑区神经元活动减低、功能连接异常[13]。此外,一项关于T2DM的meta分析指出,内侧额叶、颞中/上回同样也是患者灰质体积最易萎缩的脑区[14]。研究表明高血糖及胰岛素抵抗导致T2DM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,DMN脑区常为最易受累的区域[13]。微血管并发症会加速脑内β淀粉样蛋白沉积[15,16],这可能是T2DM-C患者DMN相关脑区萎缩比较明显的原因之一。本研究中T2DM-C患者CDT评分较HC组明显减低,提示患者视觉空间功能损伤。本组数据表明T2DM-C患者双侧额内侧回灰质体积减少并且与CDT评分正相关,与病程负相关。虽然先前的研究大多数认为T2DM患者视觉空间功能异常与枕叶皮层有关[17,18],但也有研究报道内侧额叶参与视觉空间注意力处理过程[19,20]。因此,笔者推测双侧额内侧回灰质体积减少可能也是患者视觉空间损伤的神经基础之一,并且随着病程的延长,T2DM患者视觉空间功能损伤可能逐渐加重,这与先前研究认为病程会加重认知功能损伤的观点一致[21,22]。

近年来,多个临床及神经影像学研究认为小脑前叶具有执行控制、注意力等多种认知功能[23]。先前研究指出T2DM合并视网膜病变患者小脑前/后叶低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuations,ALFF)值减少[7],小脑后叶局部一致性(regional homogeneity,ReHo)值增高[8]。另外有研究提示糖尿病肾病及视网膜病变患者双侧小脑前后叶ALFF值增高[6]。上述的研究表明无论是肾病还是视网膜病变患者,小脑都是容易受损的脑区之一。本研究结果显示伴微血管病变的T2DM患者左侧小脑前叶灰质体积减少。结构异常是功能改变的基础,本研究为上述功能研究的结果提供了结构依据。此外,本研究还表明合并微血管病变的T2DM患者左侧小脑前叶灰质体积与尿白蛋白/肌酐比值存在负相关。有学者认为糖尿病肾病所致的肾功能衰竭患者出血常累及小脑[24]。而且,有研究表明终末期肾病患者的小脑前叶体积减少并且与血清肌酐呈负相关[25]。因此,笔者推测糖尿病肾病可能与小脑前叶灰质体积萎缩有关。

突显网络(salience network,SN)与默认网络(DMN)及执行控制网络(central executive network,CEN)在维持一般认知功能中具有重要作用[12]。额岛叶皮层是SN的核心脑区,研究表明额岛叶皮层有整合内部和外部信息的功能,能够识别最明显的刺激,并启动适当的控制信号,从而激活CEN脑区,同时使DMN脑区失活[26]。轻度认知功能障碍患者额岛叶皮层损伤可能会破坏DMN及CEN之间的平衡进而导致认知功能损伤[27]。此外,先前多个糖尿病的研究指出岛叶皮层灰质体积萎缩与一般认知功能密切相关[28,29]。本研究中T2DM-C患者MoCA评分显著低于HC组,这可能与患者额岛叶皮层灰质体积减少有关。

本研究依然存在以下局限性,首先,样本量相对较小,这可能会在一定程度上影响结果的统计效能。其次,本研究仅分析了T2DM-C患者脑灰质体积的改变特点,并未探究不伴微血管并发症的T2DM患者脑灰质体积的改变情况,今后的研究需要加大样本量综合分析不同临床阶段T2DM患者灰质体积的改变模式。

总之,本研究证实T2DM-C患者存在广泛的灰质体积减少脑区,小脑灰质减少可能受到糖尿病肾病的影响,双侧额内侧回灰质体积减少可能与患者视觉空间功能损伤有关,这为T2DM-C患者认知功能损伤提供了一定的神经影像学依据。