急性淋巴细胞白血病化疗相关认知功能损害的多模态MRI研究进展

魏珂,高芷欣,曹卫国

急性淋巴细胞白血病(acute lymphoblastic leukemia,ALL)是儿童时期最常见的恶性肿瘤之一,好发年龄为1～4岁[1],随着治疗方案的优化,其5年生存率已超过90%[1]。目前国内外均已采用单纯化疗方案进行治疗,为了防止中枢神经系统白血病的发生,还需进行化疗药物鞘内注射治疗[2]。但单纯接受化疗的ALL患者有发生认知功能损害的风险,这种化疗所致的认知损害(chemotherapy induced cognitive impairment,CICI),又称为化疗脑(chemo-brain),可能是大剂量静脉或鞘内注射甲氨蝶呤(methotrexate,MTX)及皮质类固醇等药物的神经毒性作用所致,患者可出现执行功能、注意力、处理速度、记忆和数学计算等认知功能的受损[3-5]。但CICI目前尚无明确的确诊手段,主要通过各类认知量表对其认知功能进行评估,而多模态颅脑MRI检查能够提供脑结构、代谢和功能等信息,可能为ALL患者CICI相关机制和早期诊断提供依据。本文拟对既往ALL患者CICI可能的病理生理机制和多模态MRI研究进展进行综述。

CICI相关病理生理机制

大脑发育是多因素参与的复杂过程[6],ALL患者发生CICI的潜在机制仍尚未完全明确,可能与炎症反应、氧化应激导致的活性氧含量增加、神经元兴奋性毒性和叶酸代谢途径紊乱等因素有关[7-12]。

MTX干预的幼年大鼠皮质中发现小胶质细胞活化被显著抑制且细胞增殖能力降低[7],化疗药物所致的炎性反应可以直接损害神经元细胞[13]。氧化应激被认为是认知衰退的一种机制,氧化还原途径失调会产生活性氧和细胞结构的氧化[8],从而诱导产生CICI。诸多抗肿瘤药物可通过肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)促进神经元细胞死亡[9]。化疗药物可使血浆中产生使载脂蛋白A1(apoA1)发生氧化的自由基,氧化后的ApoA1又促进TNF-α的合成,合成的TNF-α穿越血脑屏障(blood brain barrier,BBB)可造成细胞凋亡和神经元细胞死亡[9]。氧化应激还与脑白质病的发生相关,与灰质(grey matter,GM)和白质(white matter,WM)萎缩导致的认知功能缺陷相关[11]。神经元兴奋性毒性可导致神经元凋亡信号传导,导致谷氨酸(一种主要的兴奋性神经递质)受体过度激活,从而产生许多有害后果,包括钙缓冲功能损害、自由基产生和线粒体通透性受损等[12],这些作用均可能导致GM密度改变,并且影响与之相关的脑网络结构。MTX治疗的儿童癌症幸存者脑脊液中同型半胱氨酸、兴奋性神经递质和半胱氨酸亚磺酸水平增高[14],而同型半胱氨酸作为一种谷氨酸能激动剂,可能引起上述神经元兴奋性毒性作用。叶酸代谢途径中,MTX作为二氢叶酸还原酶抑制剂,在减少四氢叶酸生成的同时,还可导致脑脊液中同型半胱氨酸含量增加[7],而作为一种谷氨酸能激动剂的同型半胱氨酸,可通过兴奋性毒性导致细胞凋亡、线粒体通透性受损等作用。所以化疗药物导致认知损害的机制并非独立进行,而是各种机制间相互影响、相互促进。处于发育中的儿童大脑直接暴露于这些毒性作用,可能会影响大脑发育中的一些重要过程,如髓鞘突触形成、神经发生和损伤、皮质厚度改变或神经元网络形成等,继而进一步加重认知损害。

ALL幸存者间的认知功能损害的异质性可能与遗传风险因素相关[5]。与MTX、皮质类固醇代谢有关的部分基因,如甲硫氨酸合成酶(MTR)、过氧化物酶体增殖物激活受体ɑ(PPARa)、ATP结合盒转运蛋白C3(ABCC3)、丝氨酸羟甲基转移酶1(SHMT1)和有机阳离子转运蛋白1B1(SLCO1B1),认知相关的部分基因,如钙调蛋白样蛋白5(CALML5)、钙离子通道β2亚基(CACNB2)、原钙粘附蛋白β10抗体(PCDHb10)和人酪氨酸蛋白激酶受体A5(EphA5)等,与ALL幸存者不同的认知功能受损程度显著相关,如携带SLCO1B1rs4149056或EphA5rs33932471微小C等位基因的ALL患者发生中度～重度焦虑和抑郁的风险更高[15],单胺氧化酶(T1460CA)和载脂蛋白E4(Cys112Arg)与注意力缺陷有关[16],并且一项针对350例ALL幸存者认知损害的研究中发现,那些拥有内皮型一氧化氮合酶(NOS3)、溶质载体有机阴离子转运蛋白家族成员2A1(SLCO2A1)、儿茶酚氧位甲基转移酶(COMT)基因(一些氧化应激相关基因)的幸存者认知功能评分更低[10],所以需要更加关注携带高危基因的ALL患者CICI的发生。

多模态MRI研究

1.常规MRI检查

化疗对ALL患者的颅脑损害包括脑萎缩、脱髓鞘改变、可逆性后部脑病综合征(posterior reversible encephalopathy syndrome,PRES)、静脉血栓和继发肿瘤等。常规颅脑MRI检查中,ALL患者最易发现的化疗相关损害为脑萎缩,但对脑萎缩的诊断和评估易受到诊断医师的主观因素的影响,且无法明确脑萎缩的具体部位。其次,ALL患者化疗后可导致脱髓鞘改变,在一项大样本前瞻性研究中,约1/5的无神经系统症状的ALL患者和所有存在神经系统症状(头痛、癫痫、中风、共济失调等)的ALL患者都存在脑白质病变[17],在T2WI或FLAIR序列上白质内可见异常高信号,尤其是大剂量使用MTX的患者[18]。分析ALL患者的脑脊液,发现脱髓鞘和轴突损伤的脑脊液生物标志物与5年后脑白质病风险具有较高的相关性,故检测化疗后脑脊液生物标志物可能有助于早期识别ALL患者出现CICI[13]。第三,常规MRI检查还可发现PRES,其典型表现为血管源性水肿,以双侧顶枕叶分布、皮质下白质受累为主[19]。最后,少数ALL患者还可能并发静脉血栓和继发颅内其它肿瘤。但常规MRI只能观察化疗脑损害的信号改变和体积改变,无法早期发现细微的脑结构和功能的改变,因此常规MRI对ALL患者大脑损害的早期诊断还面临着重要挑战。

2.脑灰质形态及结构网络的MRI研究

多模态MRI可提供定量、微观、精准的脑微结构和神经网络信息,为阐明神经病变的病理生理机制提供新的研究方法和思路,可能为早期检测ALL患者出现CICI提供新的机遇。分析ALL成年幸存者的结构磁共振成像(structure MRI,sMRI)表现,发现大脑多个脑区的体积缩小,其中海马旁回、梭状回、额中回尾侧、额上回、扣带回和楔前叶的皮层厚度明显变薄[20],尤其是额叶和海马区的体积改变[21]。而非中枢神经系统癌症的儿童幸存者的纹状体和杏仁核体积缩小[22]。皮层功能主要与皮层厚度和皮质激活度相关[3],皮质厚度由皮质柱中的水平层决定,ALL患者多个脑区的皮质厚度变薄,这可能提示该类幸存者的皮质柱水平层显著变薄。已知额叶和杏仁核发育较晚,在发育过程中脑组织的高代谢状态下可能对药物毒性作用更敏感,这可能是这些脑区更容易受累的原因之一;而且杏仁核的糖皮质激素受体密集表达,可能导致杏仁核对地塞米松(dexamethasone,DXM)的毒性作用更敏感[22-23]。除了大脑解剖结构的改变,脑网络,即神经元或脑区间的连接,长期以来也是神经学研究的热点,能够分别从白质纤维束的连接、灰质结构的协同变化和不同脑区的激活等从代谢层面对大脑的解剖或功能网络进行研究,从而能更敏感、更有效地检测和评估ALL患者大脑组织连接强度改变情况。ALL患者接受化疗时都表现出组级结构协方差网络中的区域连通性减低,并通过纵向研究发现化疗诱导细胞凋亡、细胞分裂减少和神经发生受损[24]。对比ALL年轻幸存者与健康对照组,发现ALL幸存者皮层网络表现为分离减少(聚类系数Cp和局部效率Eloc降低),低连接主要见于双侧苍白球(PAL)网络,超连接主要见于额顶网络区域[11]。分析基于灰质体积的结构协方差网络的拓扑改变,发现ALL组和对照组在不同密度范围内都表现出小世界拓扑结构,但ALL患者的高交互结节更少,颞区的节点度和节点介数减少,ALL患者存在区域连通性降低,结构协方差的效率降低,这些改变可能与患者的记忆和执行功能受损相关[25]。

3.脑白质纤维束的MRI研究

基于DTI的研究发现ALL患者的额叶和左侧半卵圆中心的白质完整性降低[26,27],DTI和T1WI测值法可评估儿童,甚至是早产儿的脑白质髓鞘化进程[6]。大脑微结构可以提供功能偏侧化信息,如语言和视觉功能的左侧化,一项DTI研究发现治疗后ALL患者的偏侧化改变显著减低,即ALL患者轴突和髓鞘的不对称性显著减低,其中以前脑的髓鞘损伤最为明显,而且年龄越小的患者损害越显著[28]。ALL患者达到完全缓解时,发现额叶和胼胝体膝部的各向异性分数(fractional anisotropy,FA)值降低,额叶的ADC值降低[29]。而对比化疗12个月前、后ALL患者的DTI改变,发现内囊豆状核后部、上放射冠和后放射冠组成的投射纤维、丘脑后辐射、矢状层和上纵束组成的联合纤维及外囊组成的联合纤维的平均扩散系数(mean diffusivity,MD)和径向扩散系数(radial diffusivity,RD)降低[30]。基于白质骨架的扩散统计分析(tract-based spatial statistics,TBSS)发现,ALL患者的双侧下纵束、上纵束、胼胝体辐射线额部、丘脑前辐射、冠状前部辐射以及左侧矢状层的FA值降低,而右侧下纵束、右侧上纵束、右侧最外囊、右侧额枕下束、右侧前丘脑辐射和胼胝体体部的轴向扩散系数(axial diffusivity,AD)值降低[31]。另外ALL患者多个脑区的MD值增高,包括胼胝体膝部和体部、双侧辐射前冠、下纵束、上纵束、内囊和额枕下束[31]。

4.脑代谢的MRI研究

MRS能够在脑形态学改变前早期发现其生化代谢改变。一项基于MRS的研究发现,完全缓解期的ALL患者额叶N-乙酰天冬氨酸与肌酸比值(NAA/Cr)降低43.6%,而胆碱与肌酸比值(Cho/Cr)增高22.2%,NAA/Cho降低54.8%;胼胝体膝部NAA/Cr降低42%,Cho/Cr增加20.7%,NAA/Cho降低57.8%;内囊膝部NAA/Cr降低47.7%,Cho/Cr增加52%,NAA/Cho降低64.5%[29]。NAA水平降低反映了神经元受损或功能异常,灰质NAA水平降低反映神经元丢失和/或活性和代谢状态降低,白质NAA水平降低反应轴索损伤。这项研究的结果提示在完全缓解期的ALL患者可能存在神经元减少或脱髓鞘变化,而Cho代谢主要提示磷脂的代谢[32],Cho峰值增加可能表明ALL患者的大脑存在脱髓鞘变化和胶质细胞增生。

5.基于血氧水平依赖的功能MRI研究

基于血氧水平依赖的fMRI(bold-fMRI)发现,儿童癌症幸存者执行工作记忆任务时,错误和无反应次数更多,而后扣带回正确反应时代谢水平较对照组显著减低,错误反应时角回和无反应试验时顶上小叶的血氧代谢水平均增高[33]。通过静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)研究表明,ALL年轻幸存者的双侧舌回、扣带回、海马回和右侧距状裂的近远程功能连接密度(functional connectivity density,FCD)均减低,远程FCD降低的脑区与小脑后叶间的功能连接(functional connectivity,FC)增强,而与枕中回、楔回和舌回之间的FC降低[34],默认模式网络和颞下回之间FC也降低[27]。对比无执行功能障碍的ALL幸存者,存在执行功能障碍的ALL幸存者具有更差的结构功能连接整体效率(一种用于衡量信息交换和网络整合的指标),并在感觉运动、视听觉加工区域表现出高连接性,在感觉运动、执行力、注意力和显著及默认模式网络中表现出低分离性;而与低危险组患者比较,中危险组和高危险组以及接受多次MTX鞘内注射的患者的脑功能网络的效率最低[35]。

一些研究者提出,ALL幸存者可能存在某些神经补偿或重组[11],如中央沟盖(rolandic operculum,ROL)是由多种细胞构成并存在广泛连接的脑区,涉及许多复杂的功能,如感觉、运动、自主神经、认知和语言处理[36],而Developmental Screen Test(DST)评分显示ALL幸存者右侧ROL具有较高的中心性和效率[11],其中ALL幸存者的右侧枕上回和左侧枕中回的结节中心性和结节效率与停药时间相关,这可能提示随着时间延长,这类人群的脑组织代偿能力逐渐增加[11]。对比较低糖皮质激素受体的对照组,较高糖皮质激素受体密度的ALL幸存者的双侧小脑-丘脑-皮质网络的平均总体效率有所增加,存在执行功能障碍的ALL幸存者双侧小脑-丘脑-皮质网络的整体效率更高,这一发现同样说明ALL幸存者可能存在某种代偿机制,尽管部分ALL幸存者该网络通路呈现出完全断开的状态[37]。

认知功能改变

人类大脑在2岁以前处于快速发育阶段,2岁后脑发育减慢并一直持续到成年阶段,大脑在发育的关键阶段暴露于各类化疗药物,可能对神经认知造成损害,这种损害作用甚至可以持续到成年阶段[38],ALL成年幸存者不同程度的认知损害[26],称作认知迟发效应[8],提高ALL幸存者的后期生活质量已逐渐引起社会重视。尽管不同研究对于ALL幸存者的总智力是否受损还存在争议[5,21,24,39,40],但其在高级认知能力的受损已被证实[41],如执行功能[37]、工作记忆[23]、知觉推理、注意力[39]、记忆[39]、算术[41]、处理速度[37]、精细运动速度[42]、言语智商和操作智商[40]的表现明显低于对照组[3-4,23,37,39-42],尤其是中危险组、高危险组患者和确诊时年龄较小和大剂量MTX冲击治疗的患者以及家庭经济较差的患者[42-45]。其中ALL长期幸存者中-重度抑郁或中-重度焦虑的发生率分别达11%和10%[15]。治疗结束后,ALL幸存者们的注意力损害可部分改善[4],认知损害可能是由于GM萎缩或WM脱髓鞘的直接神经毒性效应所致[24],尤其是那些化疗期间出现急性脑白质病的患者,因为化疗药物可能破坏WM纤维的完整性[26]。其中加工速度与皮层、尾状核和丘脑相关,执行功能与大脑总体积、小脑体积[37]、皮质、尾状核和丘脑相关,尤其是额叶皮质[21],而额叶与执行功能密切相关,这或许解释了ALL幸存者常出现执行功能受损的原因。

大剂量MTX暴露和伴随的高浓度同型半胱氨酸与ALL幸存者执行功能评分低、高功能MRI活动和额叶较厚皮层及额叶白质微结构受损相关[3],ALL幸存者注意力和执行功能的rs-fMRI激活还与血清中MTX暴露和确诊年龄有关[46]。DXM暴露与ALL成年幸存者的注意力和执行功能受损相关[38],与更薄的右侧前扣带回皮质和额叶白质微结构的DTI参数相关[3]。泼尼松和DXM对认知的影响仍在探索中,相比于泼尼松,DXM增加了中枢神经系统的通透性[47],在新生大鼠模型中发现,对比同等剂量的DXM和氢化可的松,DXM更易干扰体重和脑重量的增加,更易损害学习和记忆能力[48],并且在fMRI研究中发现DXM与一些神经网络相关[37]。ALL幸存者CICI可能存在性别差异,研究发现ALL男性幸存者记忆受损与鞘内MTX累积剂量和DXM暴露有关[49],而ALL女性幸存者的鞘内治疗次数增加和DXM暴露剂量与小脑体积减少和较差的Rey-Osterrieth复杂图形测试结果相关[37]。而且女性患者的情绪调节和记忆力似乎更易遭受损害[49],而重度抑郁症患者中存在性别特异性灰质体积改变[50],而男性患者在适应技能领域受损更明显[43]。

局限性和展望

针对ALL幸存者的研究有一个共同的局限性是患病和治疗时间与评估认知和功能成像的间隔时间过长,所以脑结构改变和认知功能损害无法除外疾病本身的影响,也无法排除结束治疗后患者自身受教育程度、经济和家庭等因素的影响。同时,现有的相关研究主要来源于西方国家,由于种族、遗传、环境和文化的差异,西方人群的临床数据无法完全代表亚洲国家[51]。与健康人群比较的小样本研究结果,同样受到选择偏差的影响,故本综述提倡进行多中心大样本的化疗前后纵向研究,这有助于更大程度地减少外部干扰因素。尽管目前已有一些临床前模型用于研究各类化疗药物的损害机制和干预措施[52],但未来研究应该考虑现代治疗方案中各种化疗药物对神经认知的影响,尤其是那些目前不被认为有神经毒性的药物,积极探索有效的早期干预措施也是未来的研究重点之一。