脊髓小脑共济失调3型患者脑白质及灰质微结构改变

胡曼诗,赵 静,初建平,吴 超,黄子桓,丘海珊*

(1.中山大学附属第一医院放射科,2.神经科,广东 广州 510080)

脊髓小脑共济失调3型(spinocerebellar ataxia type 3, SCA3)是进行性加重的罕见常染色体显性遗传神经系统退行性疾病,以小脑变性相关进行性共济失调为核心症状[1-2]。目前对于SCA3尚无有效治疗手段[3],亦缺乏早期筛查手段及生物学和影像学标志物[4]。本研究采用弥散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)观察SCA3患者白质和灰质微结构改变。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性收集2018年5月—2019年12月中山大学附属第一医院52例SCA3患者或其直系亲属,根据共济失调等级量表(scale for the assessment and rating of ataxia, SARA)将其分为症状组(≥3分)和症状前组(<3分)[5]:症状组37例均为SCA3患者,男14例、女23例,年龄23～69岁、平均(40.2±11.3)岁;症状前组15例均为SCA3患者直系亲属,男9例、女6例,年龄18～51岁、平均(29.1±8.7)岁。纳入标准:①经分子遗传学检测证实SCA3;②年龄≥18岁;③右利手。招募35名年龄、性别相匹配、无SCA3病史或家族史的健康志愿者作为对照组,男13名、女22名,年龄23～63岁、平均(38.5±12.0)岁。排除标准:①其他精神障碍、人格障碍疾病或精神药物依赖;②无法配合检查;③图像质量差;④其他脑部器质性、代谢性疾病病史;⑤妊娠及哺乳期;⑥MR禁忌证。本研究经院伦理委员会批准(伦审[2020]507号),检查前受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Healthineers Magnetom Verio 3.0T MR仪,12通道头线圈。嘱受试者仰卧,采集颅脑常规轴位T1、T2及液体衰减反转恢复序列MRI;之后以自旋回波-平面回波成像(spin echo-echo planar imaging, SE-EPI)序列采集DKI,TR 6 700 ms,TE 92 ms,FOV 220 mm×220 mm,矩阵110×110,层厚4 mm,层间距0,层数34,b值为0、1 000、2 000 s/mm2,30个异向弥散敏感梯度场,时长7 min 58 s;再以磁化准备快速梯度回波(magnetization prepared-rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)采集3D T1WI,TR 1 750 ms,TE 2.8 ms,FOV 260 mm×260 mm,矩阵384×384,层厚0.7 mm,层间距0,层数256,时长4 min 21 s。

1.3 数据预处理及分析

1.3.1 分析脑白质 采用FSL 5.0.10(https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki)对DKI数据进行涡流校正及头动校正等预处理,之后以弥散峰度系数分析(diffusion kurtosis estimator, DKE)软件(Version 2.5.1)对预处理后图像进行计算,得出平均弥散峰度(mean kurtosis, MK)、径向弥散峰度(radial kurtosis, Kr)、轴向弥散峰度(axial kurtosis, Ka)、平均弥散系数(mean diffusivity, MD)及部分各向异性(fractional anisotropy, FA)图;最后采用非线性配准方法将所有图像标准化至蒙特利尔(Montreal Neurological Institute, MNI)空间,对配准后图像(FA阈值=0.2)进行平均化及骨架化,并将图像映射投影至平均FA骨架上,得到骨架图。

1.3.2 分析脑灰质 采用SPM12解剖工具包(computational anatomy toolbox 12, CAT12)对3D T1WI进行原点调试并分割白质、灰质和脑脊液;将分割后的灰质图配准到MNI空间进行图像重采样,体素大小1 mm×1 mm×1 mm;检查同质性质量,记录颅内总体积估值(estimate total intracranial volume, eTIV),行高斯空间平滑,半高全宽为8 mm×8 mm×8 mm。

1.4 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布且方差齐的计量资料,采用单因素方差分析及LSD事后检验或独立样本t检验进行多组间及2组间比较。采用χ2检验比较计数资料。行Pearson相关性分析。P<0.05为差异有统计学意义。

基于FSL中的Randomise对DKI进行非参数检验,以年龄、性别为协变量,采用t检验进行比较,将检验水准定为α=0.02(0.05/3),并以无阈值聚簇增强(threshold-free cluster enhancement, TFCE)进行校正;以JHU-ICBM-DTI-81模板[6]定位最终结果,提取组间存在差异脑区相关指标。

采用SPM12建立非参数检验模型分析灰质图像,以eTIV、年龄和性别为协变量,比较各组脑灰质体积(gray matter volume, GMV);将检验水准设为P<0.02,行体素水平FWE校正,使每个激活簇(Cluster)包含不少于10个体素;最后以XJVIEW96软件观察并记录组间存在差异的脑区。

2 结果

2.1 一般资料 3组受试者年龄存在差异(F=5.44,P<0.01),症状前组与症状组及对照组年龄差异均有统计学意义(P均<0.01);3组受试者性别差异无统计学意义(χ2=2.59,P=0.27)。

2.2 白质改变 相比对照组,症状前组受损纤维束MK、Kr、Ka及FA降低(P均<0.02),而MD无明显差异(P>0.02);DKI参数中,MK改变最为突出(P<0.02),主要见于双侧小脑上、中、下脚及大脑脚等处。见图1A。相比症状前组,症状组受损纤维束主要分布于双侧小脑上、中、下脚、大脑脚、内囊后肢、胼胝体、丘脑后辐射(包括视辐射)及上放射冠,以右侧为著;其受损纤维束的MK、Kr、Ka及FA均低于症状前组(P均<0.02),而MD与症状前组无明显差异(P>0.02)。DKI参数中,以Kr检出纤维束异常体素数目更多(P<0.02)。见图1B。相比对照组,症状组出现广泛纤维束受损,包括幕上及幕下纤维束;其受损纤维束的MK、Kr、Ka及FA均低于对照组(P均<0.02)而MD与对照组无明显差异(P>0.02);DKI参数中,Kr检出纤维束异常体素数目较多(P<0.02)。见图1C。

图1 SCA3患者及其直系亲属与健康人全脑白质受损分布图 白质纤维损害主要见于幕下结构,随疾病进展,白质纤维广泛受损 A.症状前组vs. 对照组; B.症状组 vs. 症状前组; C.症状组 vs. 对照组

2.3 灰质改变 相比对照组,症状组双侧小脑半球(前叶、后叶)、脑桥、延髓、双侧壳核及豆状核GMV显著减少,而双侧丘脑GMV显著增加(P均<0.02);相比症状前组,症状组脑桥GMV显著减低(P<0.02)。症状前组与对照组全脑GMV差异均无统计学意义(P均>0.02)。见图2。

图2 SCA3患者、SCA3患者直系亲属及健康人全脑灰质受损分布图 A.症状前组vs. 对照组; B.症状组 vs. 症状前组; C.症状组 vs. 对照组 (红色区域GMV显著减少,蓝色区域GMV显著增加)

2.4 相关性分析 症状组、症状前组双侧小脑上、中、下脚及大脑脚部分弥散值与患者SARA评分相关(P均<0.05)。症状组小脑中脚FA的|r|最高,为-0.61;症状前组小脑下脚FA的|r|最高,为-0.74。见表1。

表1 SCA3患者及其直系亲属脑弥散值与SARA评分的相关性分析

3 讨论

本研究结果显示,SCA3患者脑白质纤维束结构早于临床症状出现既已发生改变,主要集中于幕下结构,随疾病进展而蔓延至幕上结构。REZENDE等[7]的弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)观察结果显示,相比对照组,症状前组纤维束损害主要见于双侧小脑上、中、下脚等小脑传入和传出纤维。本研究亦发现症状前组双侧小脑传入、传出纤维受损,而DKI参数、尤其Ka对检出受损纤维束较为敏感;而对于症状组,DKI参数、特别是Kr可显示广泛纤维束受累。由此推论,SCA3患者白质纤维束受损首先表现为轴突损害及神经纤维束密度降低,之后随病程进展而表现为髓鞘受损。本研究所见症状前组纤维束损害较REZENDE等[7]的研究更为广泛,可能与DKI较DTI更能反映复杂微环境下脑内结构改变有关。

本研究症状前组与对照组全脑GMV未见明显差异,而症状组双侧小脑半球(前叶、后叶)、脑桥、延髓、双侧壳核及豆状核GMV均萎缩,双侧丘脑GMV代偿性增加,所见幕下灰质结构改变与既往研究[7-9]结果相似;但也有部分学者[10-12]认为SCA3患者大脑皮层存在显著萎缩,或与SCA3存在多样性症状、人种差异及分析方式不同等有关。本研究未发现症状组及症状前组患者灰质结构与SARA评分相关,提示灰质结构改变并不能反映SCA3严重程度,故不应作为评估疾病进展的影像学指标,与既往部分研究[13-14]结果相左,可能与纳入患者病程较短、病情较轻,尚未显现出灰质结构改变共济失调症状的相关性有关。

综上,无明显症状的SCA3患者直系亲属可见双侧白质纤维束受累,主要见于小脑传入和传出纤维,尤其小脑下脚处,灰质结构尚未出现显著异常;而在SCA3患者,受累纤维束逐渐扩展至全脑,并出现灰质结构受累。

本研究的主要局限性:①为横断面观察,缺乏随访;②症状前组年龄小于对照组,可能影响结果;③仅分析形态学变化,而未涉及脑功能数据。

综上,SCA3患者脑白质及灰质微结构均已发生改变,白质受损更显著且早于临床症状。