氢质子磁共振波谱在轻度认知障碍中的研究进展

张仪，吕静，韩英妹，李一杰，张衡，乔英博，林楠，徐慧勇，王丰

1.黑龙江中医药大学研究生院，黑龙江哈尔滨 150040；2.黑龙江中医药大学附属第一医院CT 磁共振科，黑龙江哈尔滨 150040

轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）是指记忆力或其他认知功能进行性减退，但不影响日常生活能力，且未达到痴呆的诊断标准。在其发展过程中潜在生化成像标志物也随之变化，氢质子磁共振波谱（hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS）可提供一个窗口，详尽展示患者神经元完整性丧失与大脑相应区域病理、生化改变之间的联系，这些变化通常表现在MCI 进展期。1H-MRS 可用于测量患者局部代谢物，包括肌醇（myo-inositol，MI）、胆碱（choline, Cho）、N-乙酰天冬氨酸（N-acetyl aspartate，NAA）、肌酸（creatine，Cr）、谷氨酸（glutamate，Glu）和谷氨酰胺（glutamine，Gln）等水平。作为一种科研工具，在MCI 的早期甄别中提供有价值信息，通过测定不同MCI 亚型的代谢物特征，为临床影像提供更加完善的诊疗数据[1]。

1 MCI

1.1 MCI 流行病学

据统计60 岁以上人口约占全世界人口数量的13%，且呈逐年上升趋势，其医疗费用的占比远远高于年轻人[2]。虚弱是机体受外界刺激后，体内平衡调节不良的一种状态，被认为是衰老在遗传、环境等影响下，复杂的生理机制造成分子和细胞损伤，不断消耗重要器官的生理储备所导致的[3]。其特点是耐受急性应激能力下降，这种下降直到对相对较小的压力源事件引发不成比例的变化，如跌倒、住院或谵妄等，常与认知能力下降并发，极大程度上影响了老年人日常生活的独立性[4]。衰老伴随认知能力下降时，则会有注意力分散，学习新信息、语言流利度和反应时间下降等表现。在过去的几十年里，对神经元实施再生、替代等保护措施，实验失败率高达99.6%[5]。一个主要原因是患者在确诊阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）前几年，其脑部病理学结构早已发生不可逆转的变化，包括神经元缺失、神经纤维缠结、β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉积及tau 蛋白过度磷酸化等[6]。

1.2 MCI 临床诊断

美国国家老龄化研究所和AD 协会提出了一种新的诊断标准，该诊断提到MCI 及AD 核心临床标准和生物标志物标准：核心临床标准指患者认知功能一个或多个领域主观或客观发生障碍，这些领域还未曾干扰其社会职能，且无其他认知障碍原因（神经系统、精神、全身性疾病、代谢功能障碍或服用药物导致）[7]；生物标志物则包含以下几种类型[8]：淀粉样蛋白正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）成像、脑脊液tau 总量增加和磷酸化、顶叶和颞叶18F-脱氧葡萄糖PET 显示代谢减少，颞叶（内侧、外侧和基底）和顶叶内侧皮质叶萎缩性改变。然而脑脊液Aβ 积累和tau 总量增加及磷酸化等异常表现经常落后于认知障碍，患者基本生物标志物发生变化时病理进程已到达晚期或不可逆转的阶段，需要通过尸检和组织病理学进行监测和验证，对改善患者健康状况意义不大[9]。唯有寻找和确定敏感、特异的生物标志物进行监测，才能尽早对高危人群进行干预，遏制或延缓病情，改善老年人的生活质量。

2 MRS

MRS 作为一种非侵入性技术，可估计人脑中各种化合物（代谢物）的浓度。为了可通过体内MRS进行检测，化合物必须是在低毫摩尔浓度范围内存在的分子，如来自许多不同原子核的信号，包括磷（31P）、碳（13C）和氟（19F）等。

2.1 1H-MRS

自20 世纪90 年代初以来，1H-MRS 已成为最常用的波谱，因它具有更高的信号敏感度、更好的空间分辨率[10]。在1.5T 或3T 下可检测到人脑中各种代谢物正常信号，结果显示为沿X 轴分布的共振（峰值）波谱，以百万分之一（parts per million，ppm）为标记，包括总NAA、总Cr 的突出峰值，及来自MI、Glu、Gln 的信号。每种代谢物都具有正常的浓度，除非存在潜在的病理，否则会产生因人而异的峰值模式，见表1。

表1 MRS 生物标志物主要峰值及其代表意义

由于1H-MRS 具有无创、无辐射、敏感度高等优点，是其他检查无法达到的，故近年来研究重点已转移到应用1H-MRS 来监测MCI 和AD 患者大脑中神经化学物质代谢变化。现已知某些特定的1H-MRS 代谢物及其比例作为AD 患者大脑功能受损的潜在生物标志物，其水平变化敏感度明显优于脑脊液tau 水平[11]。1H-MRS 结果结合液体生物标志物变化综合分析，可提高早期诊断AD 和其他类型的痴呆的准确性、敏感度和特异性。多种生物标志物也可能有助于改善预测可能从认知正常状态转换为MCI 或从MCI 进展到AD 的患者。在近几十年中，1H-MRS 已被广泛运用于评估MCI 和AD 患者特定脑组织中神经化学物质的变化。研究发现神经化学物质包括NAA、Cho、Cr、MI、Glu 和Gln 在内，在AD 的病理进程中存在异常变化。

研究人员对289 名认知正常的受试者进行长期调查，在7 年时间内，200 人（69.2%）保持了认知正常；53 人（18.3%）进展为MCI；21 人（7.3%）诊断为AD；8 人（2.8%）诊断为帕金森病（Parkinson disease，PD）；7 人（2.4%）发展为路易体痴呆[12]。分析后扣带回皮质（posterior cingulate cortex，PCC）与海马体1H-MRS 与磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）变化发现，在进展为MCI、AD 和路易体痴呆受试者中，1H-MRS 变化先于认知能力下降和海马体萎缩。

1H-MRS 作为一种分子成像手段，在MCI 鉴别诊断和预后评估中具有一定价值，同时作为一种科研手段，需要大量实验来验证1H-MRS 作为生物成像标志物与AD 病理进程之间的联系。

2.2 基于1H-MRS 的MCI 生物标志物变化

2.2.1 Cr 肌酸包括磷酸肌酸，其主要共振为3.0 ppm，是神经元和星形胶质细胞的中心能量标志物。其代谢变化与所研究大脑区域相应浓度变化趋势一致，作为一种大脑能量代谢物相当稳定，通常作为内部标准[13-14]。需要注意的是，Cr 的浓度在AD 晚期及缺血性血管痴呆中相对降低[15]，这可能是由于Cr 同时存在于神经元和神经胶质细胞中，并受到脑组织密度的影响，因此大脑中代谢物水平分析通常是以比率的形式。Cr 作为分母，假设它在正常及某些病理状态下保持稳定，如此可对设备和定位方法的差异、增益不稳定性、区域敏感度变化和部分体积效应等进行矫正，减少单一浓度带来的不确定性，从而更好地服务于临床。

2.2.2 NAA NAA 的峰值最为明显，主要共振为2.02 ppm，是神经元和轴突完整性标志。由天冬氨酸和乙酰辅酶A 在神经元线粒体中合成，主要见于中枢神经系统内的神经元、轴突和树突；其发挥重要的作用，包括维持大脑中液体平衡、为少突胶质细胞中髓鞘的合成提供乙酸盐，以及为神经元线粒体中氨基酸的谷氨酸化提供能量。研究发现人体内NAA 水平差异与健康志愿者或精神分裂症患者突触末端水平无关，而与神经代谢可能存在一定的联系；其水平下降是神经元丧失或损伤的征兆，且与许多类型的大脑损伤同时发生[16]。海马体作为大脑的一部分，承担着大部分学习和记忆功能，在解剖学和生理学上对AD 病理的研究至关重要。有研究表明NAA/Cr水平降低和海马体积呈正相关，其水平下降后海马随之出现萎缩[17]。因此将NAA 视为监测MCI 患者进展为AD 的生物标志物具有可靠依据。

2.2.3 MI MI 在3.6ppm 下产生共振。MI 的出现代表神经胶质细胞的增殖，是神经胶质标志物；其主要在神经胶质细胞中表达，是生物膜脂质主要成分，并在磷脂酰肌醇第二信使系统中发挥重要作用[18]。而星形胶质细胞或小胶质细胞在一定程度上可减少Aβ 沉积，在胶质细胞增殖的同时导致MI 水平的上升；该变化多见于神经炎症过程中，如AD、脑胶质瘤病、糖尿病、系统性红斑狼疮、多发性硬化症等疾病[19]。MI 水平被证明可预测AD 的进展，此外，MI 浓度的增加先于AD 中NAA 的降低。

2.2.4 Cho Cho 是脑髓鞘和流体细胞膜中以3.2ppm 共振的几种可溶性成分的总称，代表含胆碱化合物的总和，如甘油磷酸胆碱、磷脂酰胆碱和磷胆碱[20-21]。因此，Cho 代表细胞膜的成分，是膜更新的标志物，Cho 信号与细胞膜磷脂代谢有关；其变化反应病理状态下膜的非稳态变化，如AD、肿瘤、炎症等。细胞膜有一定程度损伤时，Cho 水平就会上升；此外，Cho 与学习、回忆及其他认知领域关系密切，刘朝艳等[22]发现Cho 峰值与细胞增殖功能有关，在浓度下降时可能伴随神经损伤。

有研究发现大多数MCI-AD 患者Cho 水平有一定程度的增加[23]。Cho 作为AD 早期血浆中的潜在标志物，又是乙酰Cho 合成中的前体代谢物，具有脑功能相关脂质的关键成分，如磷酯酰Cho。在AD早期，Cho 能系统中乙酰胆碱传递减少，代偿机制的产生使Cho 水平不断增加；此外，AD 病理学进展涉及细胞膜完整性变化，导致各类化合物溢出细胞，如Cho。分析其在体内的代谢机制可知，乙酰胆碱转移酶利用Cho 底物（磷酸Cho 和甘油磷酸Cho）来影响乙酰Cho 合成，间接影响Cho 水平。考虑到乙酰Cho 转移酶在患者体内的稳定性，所以Cho 信号在AD 早期即MCI 时期变化不明显。其水平变化反映AD 的严重程度，这有助与更加准确定位MCI 阶段患者，为进一步采取措施奠定基础。

2.2.5 Glu 和Gln Glu 和Gln 密切参与兴奋性和抑制性神经递质传递，共振位于2.1～2.4ppm。在大脑中，Glu 和Gln 处于动态平衡状态，它们可通过相互转化来维持和调节突触信息传递[24]。此外，Glu在线粒体代谢、锥体细胞的神经传递、大脑皮质功能和 γ-氨基丁酸（gamma- aminobutyricacid，GABA）循环中发挥至关重要的作用，是三羧酸循环和线粒体氧化还原活动的产物。其水平变化为中风、淋巴瘤、缺氧等许多脑部代谢性疾病的筛查提供了重要信息。在动物实验中发现AD 模型小鼠的Glu/Cr 降低，Aβ 可诱导神经细胞的几种变化，包括神经元活力和突触活动的丧失，导致谷氨酸水平降低[25]。同时，Glu 含量的降低可影响A-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸受体（A-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors，AMPARs），其在突触功能和认知中发挥关键作用。此外，AMPARs 的这种减少可能是AD 突触丧失和认知功能下降的原因[26]。因此，Glu 和Gln 可能被视为AD认知能力恶化的迹象。

Glx 受 GABA 的影响，在进行波谱分析时1H-MRS 采集过程中会有个别区域信号缺失，导致大脑区域之间GABA 水平参差不齐[27]；而且，在信号处理时不同研究中实际GABA 所占比例不尽相同[28]。总之，获取体内准确的GABA 水平并规范化使用是一重大挑战。

3 小结

3.1 海马体标志物分析

在对AD 患者结构磁共振成像（structural magnetic resonance imaging，sMRI）扫描时发现，AD 患者脑部萎缩主要累及内侧颞叶，边缘叶和颞顶皮质，在该区域相关神经均已发生变性[29]；王天舒等[30]对比分析血管性痴呆和AD 磁共振成像影像结果发现AD患者MRI 图像以海马萎缩为主，并且二者皆存在一定程度上的脑白质损伤；受试者生前接受sMRI 检查，并使用立体定位技术监测去世后尸检标本中的海马区域，结果显示AD 组海马萎缩最严重，AD 病理阶段越晚，海马体积越小[31]。

有研究对海马体的5 项生物标志物代谢比率进行统计，在10 项研究中提取了243 例MCI 患者和282名健康对照受试者数据，4 种代谢物比值（NAA/Cr、Cho/Cr、MI/Cr 和NAA/MI）在MCI 和健康对照受试者中差异显著，但Glx/Cr 无显著差异，这可能与Glx水平不规范有关[32]；NAA/Cr、NAA/MI 和Cho/Cr 在MCI 患者的海马体中显著降低，而MI/Cr 显著增加，其中NAA 水平下降是神经元丧失或损伤的征兆，MI的增加也符合AD 的病程进展（MI 在一定程度上可减少Aβ 的沉积）。与此同时还对AD 患者和MCI 患者进行Meta 分析，两组受试者的NAA/Cr 和Cho/Cr的比率均降低，AD 患者下降更为明显。

3.2 PCC 标志物分析

PCC 位于顶叶下部的内侧部分，位于后内侧皮质内。主要接收来自顶叶皮质区域的神经传导，而这些神经传导来自背侧视觉和躯体感觉区域，参与空间处理、空间动作和某些类型的记忆[33]。PCC 是灵长类动物与海马旁回和内嗅皮质有强烈联系的区域，通过与海马记忆系统的背侧路线，从海马系统到后扣带和顶叶区域的反向投射可能与记忆回忆有关。因此对照MCI 患者PCC 代谢物比率变化，有助于及早发现并进行干预，延缓AD 的进展。

有研究显示AD 患者PCC 中MI/Cr 水平升高与小胶质细胞无关，但与Aβ 沉积呈正相关，NAA/Cr水平降低与Aβ 沉积呈负相关，表明MI 是Aβ 的标志物而非神经炎症[34]。调查21 项研究发现，1695名受试者（681 例MCI 患者，1014 名健康人）PCC代谢物比率有显著差异，其中MCI 患者PCC 区NAA/Cr、NAA/MI 明显降低，MI/Cr 有上升趋势。这与海马体中代谢物变化一致，说明在使用1H-MRS监测MCI 患者PCC 与海马体以评估病情时，无明显差异[32]。此外还发现AD 患者的PCC 中Cho 浓度升高，并且在MCI 受试者中未见差异，这或许与AD早期患者体内Cho 代偿机制有关。

3.3 问题与展望

MCI 发病是多方面的，在病情进展过程中，涉及线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症、Aβ 和tau负荷等因素。然而神经变性和炎症之间的联系、小胶质细胞激活的利弊及随着疾病进展是否存在两者的转化尚有争议。近年来，越来越多的证据表明炎症在MCI 发病机制中起重要作用[35]。将1H-MRS数据与离体测量（神经胶质激活、淀粉样蛋白浓度和疾病的每个阶段神经元代谢水平）相关联，在生物标志物水平上对1H-MRS 结果与MCI 之间的相关性进行验证，规范其诊断标准，有助于MCI 的尽早筛查。

临床上1H-MRS 在空间分辨率方面所能到达的程度有限，主要是由于颅脑中组织复杂，其磁场不均匀，呼吸伪影和脂肪组织严重影响光谱信号，从而影响检查结果。目前看来，1H-MRS 更适合小儿疾病的筛除，这一局限性有望在未来得到改善[36]。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。