影像技术和分子检测技术在阿尔茨海默病诊断中的应用研究进展

李卓然 魏新华 江新青

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是一种起病隐匿、进行性发展的神经系统退行性疾病。AD在临床上多以记忆障碍为最初特征，并可发展为认知能力丧失、视空间技能损害以及人格和日常行为性格改变等症状，患者日常生活能力会逐渐下降甚至生活完全不能自理，严重者会呈现全面性痴呆[1]，给患者、家庭和社会造成了沉重的负担。AD病因迄今未明，65岁以前发病者，称早老性痴呆；65岁以后发病者称老年性痴呆，女性较男性多（女∶男比例为3∶1）。数据显示，我国目前阿尔茨海默病患者人数已居世界第一，约占世界总病例数的1/4[2]。随着我国老年化进程的进一步加快，AD的早期预防、早期诊疗显得尤为重要。近年来，有关遗传性AD基因突变从而引起β淀粉样蛋白（amyloid β，Aβ）长度改变的分子生物学机制研究[3]及基因突变与神经影像学生物标志物的时间空间变化等研究[4]受到广泛关注。本文将结合国内外关于影像技术和分子检测技术在AD早期诊断中的应用进展作一综述，为AD的预防管理提供新思路。

1 影像技术在AD早期诊断中的应用研究

1.1 海马及颅脑结构的测量对AD的应用

Dolek等[5]用磁共振成像方法测量痴呆患者，并通过对实验对象的认知功能进行了一些心理状态检查，结果显示不同类型的痴呆患者均有海马体积缩小情况，并且痴呆症的严重程度随着海马体积的减少而增加，该研究认为海马体积萎缩与认知障碍程度之间存在着正相关关系。因此，笔者推测对高度怀疑可能患有AD的患者，可通过磁共振成像技术定期随访患者海马体积的变化来判断患者病情进展情况，也许可以在更早期发现AD患者，更早地给予AD患者药物干预，延缓AD的发展进程。

Stout等[6]报道，阿尔茨海默病痴呆患者言语学习记忆的局部脑体积会发生丢失，证明AD的语言缺陷不仅与颞叶边缘皮质萎缩有关，同时也与脑丘体的损伤有关，并认为脑丘体的损伤是AD患者中最早和最严重的病理部位。Whitwell等[7]选择了33例遗忘型轻度认知障碍（amnestic mild cognitive impairment，aMCI）患者作为研究对象，并进行了3次连续的核磁共振扫描（AD确诊的3年前、1年前和确诊时等3个不同时间点）进行随访研究，研究结果表明灰质流失的模式主要集中在内侧颞叶，包括杏仁核、海马和内嗅区皮质，与对照组相比，有更多的梭状回参与，核磁共振扫描显示AD最早的变化发生在前内侧颞叶和梭状回。

梁洪等学者[8]基于磁共振图像（magnetic resonance imaging，MRI）的AD和轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）海马子域的关联研究结果显示海马子域的体积在AD和MCI患者中较健康人有明显的萎缩，认为海马及其子域体积萎缩可作为AD早期诊断的标记。Varon等[9]研究认为在AD中，神经退行性萎缩是从内嗅区皮质到海马（hippocampus，HP），还涉及边缘系统和新大脑皮层，并认为内嗅区皮质的轻微萎缩导致的损害比海马轻微萎缩导致的损害更大，因此通过测量内嗅区皮质厚度及新皮质相关区域对早期AD患者的诊断具有较高的准确率（90%以上）。而Cavedo等[10]学者的研究结论则认为杏仁核内侧结构差异与AD最为相关。

综上所述，AD的发生与颅脑病变密切相关，其中海马、内嗅区皮质、新大脑皮层等的萎缩程度与AD的严重程度关系较大，通过常规颅脑部MRI检测，并对上述区域改变状况进行详细描述、对颅脑结构进行详细分析是非常有意义的。但由于海马等部位测量时对图像质量要求较高，同时判读者的主观因素对测量影响较大，因此，要得到一个准确性高的结果，既要进一步提高图像的质量，同时也要进一步制定规范化的测量标准，还要提高阅片人员的判读能力。

1.2 人工智能与静息态功能磁共振（functional MRI，fMRI）的应用

随着人工智能时代的发展，计算机通过自动深度学习和训练可快速自动地分析不同脑区域灰质体积大小以及其内部结构的改变情况，从而对阿尔茨海默病进行预测与分类[11]。Jiménez-Huete等[12]认为，可用前后缘（anteroposterior limbic，APL）与初级后缘（primary-toposterior limbic，PPL）的前、后边缘比值大小不同作为阿尔茨海默病的MRI容积的标记物，从而有效地对早期AD病患者行鉴别性诊断，为早期AD的药物干预提供了实验依据。王吉喆等[13]提出了一种利用三维格子玻尔兹曼模型，他们结合形变模型曲面演化思想，对阿尔茨海默症患者脑部磁共振图像进行了分割海马实验。这个实验证实格子玻尔兹曼方法可快速准确地获得海马体积变化。另外，还有学者[14]用相似软件发现具有轻度认知衰退的老年人海马及杏仁核会发生物质丢失，其上外侧面萎缩较为明显，并且左侧海马体积和结构的变化可以用来预测病情的短期发展。还有文献报道[15]以阿尔茨海默病患者的脑皮层厚度作为数据集，可利用最大相关最小冗余（Maximum correlation minimum redundancy，mRMR）方法对支持向量机递归特征消除（Support vector machine recursive feature elimination，SVM-RFE）方法进行改进，以提高 MCI人群和正常人群分类的准确率。

一项涉及95例早产儿和83例成年人的脑部结构和功能磁共振成像技术的比对结果分析显示，在皮质和皮层网络中发现了内在功能连接的差异[16]。脑部结构上的差异位于皮层下、颞叶和扣带区域，早产儿内在功能连接网络的差异是重叠的，并且与异常的区域灰质体积有关，特别是在皮层和颞区。Papma等[17]探讨了海马功能、体积及连接对早期AD（轻度认知障碍）患者情景记忆fMRI的后扣带回皮质（posterior cingulate cortex，PCC）功能的影响，结果显示在MCI的情景记忆中，PCC与海马的激活之间存在着某种联系。上述研究认为PCC功能与MCI的海马功能有关，PCC的作用与MCI的海马结构无关，而功能网络的改变是MCI中PCC功能的重要预测因子。

目前，有关皮质和皮层网络连接方面的研究已成为对大脑功能研究的一个新的研究热点。而利用模型结合先进软件技术研究AD患者的大脑结构和功能变化，既可以提高轻度认知障碍人群和正常人群分类的准确率，也可以节省医疗资源。但临床工作中每个患者的具体情况是千变万化的，没有一个是完全相同的案例，因此，如何才能有效地训练计算机，教会计算机通过深度学习各种千差万别的案例，做到准确而灵活地掌握判读各种病例的能力，还要待以时日。

1.3 图论功能连接对AD的研究

目前，基于图论（graph theory）的复杂网络定量分析的最新发展已被迅速转化为对大脑网络组织的研究。大脑的结构和功能系统具有复杂网络的特征——比如小世界拓扑、高度互联的中枢和模块性——既包括人类神经成像的全脑规模，也包括非人类动物的细胞层面。大脑连通性网络建模的研究出现了爆炸式的增长[18-19]，近年来，非侵入性神经成像和神经生理学技术[如结构MRI、扩散MRI、功能性核磁共振成像和脑电信号（electroencephalogram，EEG）/脑磁信号（Magnetoencephalography，MEG）]和基于图形理论的网络分析为人类大脑的结构和功能连接模式上提供了一个新的视角。最近一项对AD患者的研究[20]结果显示，在神经网络的全球和区域属性中，AD患者都表现出异常的拓扑组织，表明AD不仅影响特定的大脑区域，而且还改变了不同大脑区域之间的结构和功能联系。杨晶晶等[21]应用扩散张量成像（diffuse tensor imaging，DTI）中的平均扩散率（mean diffusivity，MD）评估aMCI和AD患者灰质微观结构完整性的损伤特征拟判断疾病的转化规律，研究结果提示，与正常对照组相比，aMCI和AD组的灰质水分子平均扩散率网络显示出异常的“小世界”特性，表现为聚集程度较高和路径长度较长，从而反映了灰质微结构的损伤，而且AD和aMCI患者网络的平均连接度均低于正常对照组。研究结论显示，aMCI脑灰质的水分子扩散特征有助于发现AD前期患者，并可反映神经退行性疾病脑微观结构的破坏。

综上所述，通过图论网络分析理论构建大脑功能连接网络，可研究AD患者脑功能连接网络的改变及与临床症状的潜在关系，大脑复杂功能网络的连接模式差异已越来越多地被研究者应用于AD患者认知功能丧失的原因研究。

2 分子检测技术在AD早期诊断中的应用研究

2.1 ApoE与TREM2基因突变对AD的影响

阿尔茨海默病是最常见的痴呆类型。而相关研究[25-26]结果显示，载脂蛋白 E（apolipoproteinE，Apo E）基因多态性与AD的发生发展密切相关，其中Apo E4等位基因是目前唯一被确证的晚发性AD发病风险基因。Apo E被发现是一种与脂蛋白代谢有关的血浆蛋白，在动脉粥样硬化发生、发展过程中起着重要的作用。ApoE基因的多态性还会影响对头部创伤的反应，降低对衰老和其他一些疾病的认知能力，不同基因型ApoE通过特定方式调控大脑内部的淀粉样蛋白P的聚积和清除而影响着AD的发展进程。Garcia等[27]研究认为，ApoE与脑淀粉样蛋白有关，它是脑淀粉样血管病（cerebral amyloid angiopathy，CAA）的一个组成部分，ApoE4容易与具有神经毒性的β样淀粉蛋白（Aβ）结合并稳定地沉积在脑血管壁，使β样淀粉蛋白不易被清除，从而导致血管完整性受损，引起脑组织损伤和功能障碍，这既是AD的病理特征，也是导致脑内出血的常见原因。王治国等[28]研究结果显示，AD患者血浆tau蛋白、脑脊液tau蛋白水平显著高于正常对照组，血浆Aβ42、脑脊液Aβ42水平显著低于正常对照组（由于Aβ42在脑内沉积，使得血浆和脑脊液中Aβ42含量减少）。因此笔者认为研究血浆和脑脊液生物标志物β淀粉样蛋白（Aβ）42和tau蛋白对阿尔茨海默病早期诊断有较高的临床应用价值。新近的研究[29]发现，编码髓细胞触发受体 2（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）对淀粉样蛋白病变有保护性作用，脑内TREM2主要在小胶质细胞上表达，而当TREM2基因发生变异时可能会增加发展为AD的风险，其原因是TREM2变异体阻断了小胶质细胞信号传递并且TREM2变异体本身具有毒性作用，从而诱发并加重了神经炎症的发生，并在tau蛋白病变环境中引起神经退行性变。TREM2与AD的关联为阐明先天免疫系统在AD起病和进展中的作用增加了越来越多的证据。基因多态性与疾病相关性研究已成为目前研究的热点，一系列的研究成果为临床诊治疾病提供了新思路。但众所周知，遗传性疾病（如AD）的发生发展有其复杂性，受身体内外环境影响较大，不是单一因素改变引起的。因此假如我们在研究过程中发现一些位点突变或特定基因型可能与AD相关，那么我们应该对突变位点与性状相关的基因、通路、连锁区域的关系作进一步研究，以验证该基因功能是否能准确地预测疾病性状，这将是今后我们要重点关注的问题。

2.2 ApoE4与影像学相结合对AD的检测

程妍等[30]制作了一种研究靶向脑内β-淀粉样斑块（Aβ斑块）的正电子发射断层显像（positronemissiontomography，PET）显像剂[18F]FB-2，研究其在小鼠体内的分布情况与PET成像效果的方法，PET成像结果显示显像剂在小鼠脑内的放射性聚集显著高于老龄小鼠；成像脑放射自显影图中的黑点与硫黄素S染色的Aβ斑块位置一致，研究结果认为[18F]FB-2有望成为用于临床阿尔茨海默病早期诊断的新型PET显像剂。Seo等[31]使用18氟-氟代脱氧葡萄糖-正电子发射断层扫描研究了在认知正常老年人的全脑功能网络中ApoE4等位基因对大脑葡萄糖代谢的影响，发现在临床症状出现之前AD的遗传易感性可能会改变整个大脑的功能网络。Wang等[32]采用18氟-氟代脱氧葡萄糖-正电子发射断层显像系统地研究了ApoE4携带者和非携带者全脑功能网络的拓扑结构，发现携带者脑功能网络均有明显的“小世界”特征，结果显示ApoE4携带者脑功能网络拥有较低的聚类系数和较小的特征路径长度，ApoE4等位基因显著扰乱了全脑拓扑组织。由此得知，不管在认知正常人群或者AD患者中，ApoE4等位基因均表现出对全脑网络拓扑组织结构的调控作用，而网络拓扑结构的变化与患者的认知表现有显著的相关性。

上述的研究发现为超早期阶段识别AD的生物学标记及病理机制提供了重要的启示。当前相关的生物标志物在AD超早期诊断中越来越受到学者们的重视，例如ApoE4等位基因、tau蛋白、Aβ42等，假如这些生物标志物出现异常提示时，我们能及时给予患者进一步的脑部影像学相关检测，及早监控相关影像学部位的结构和功能改变，例如对携带ApoE4等位基因患者早期监控全脑网络拓扑组织结构是否发生改变等，将有助于AD预测及早期干预。

2.3 外泌体早期诊断AD的应用

Fiandaca等[33]进行了一项时间持续10年的有关AD早期诊断的研究，发现AD患者在神经衍生的血浆外泌体中181位点磷酸化的tau蛋白、396位点磷酸化的tau蛋白及长Aβ肽1-42含量较高，早期定量检测上述外泌体可在临床症状出现前提前10年诊断AD。研究者因此认为预测外泌体中不同种类RNA含量的改变将可成为AD早期诊断的新型标志物。另外，Lugli等[34]将AD患者与健康个体血浆外泌体中miRNA进行对比，发现miR193b在AD的发展中起作用，同时在AD患者的脑脊液中也观察到外泌体miR193b表达的变化，该研究认为miR193b具有成为AD诊断的一种新颖的、非侵入性的、以血液为基础的生物标记物的潜力。马珺等[35]应用实时荧光定量PCR（realtime PCR，RT-PCR）和Western blot检测RNA结合蛋白MOV10在阿尔茨海默患者脑组织中的表达变化，发现MOV10在Aβ处理的人脑微血管内皮细胞和神经元中呈高表达，该研究认为，RNA结合蛋白MOV10可能参与调控阿尔茨海默病的病理过程。

目前，外泌体检测还是个全新的领域，外泌体中携带着细胞的DNA、RNA和蛋白质等信息，外泌体作为细胞间通信载体的作用现在已被普遍接受，通过分析外泌体DNA、RNA和蛋白质成分的改变，可以直接获得细胞的基本信息，与病理组织相比，是个很有发展前景的无创标志物。但考虑到这个领域尚未成熟，关于外泌体生物学特性仍有很多悬而未决的基本问题，以及外泌体检测技术操作存在繁琐、分离困难、纯化难度大等缺点，要使外泌体检测成为一种特异而成熟的标志物还需待以时日。

3 小结与展望

综上所述，AD病理改变的核心是Aβ对神经细胞的毒性作用，该毒性作用导致AD患者影像学表现为大脑渐进性萎缩，最终导致患者丧失认知、丧失身体机能甚至丧失自理能力。目前国内外对AD的研究已经逐步深入，涉及到脑部影像学血流信息改变的研究、常规海马白质和灰质体积测量及功能连接的研究、灰质网络及不同大脑区域之间结构和图论功能连接的研究。另外，阿尔茨海默病遗传易感基因、β样淀粉蛋白和外泌体等标志物的研究及上述标志物对AD患者全脑功能网络拓扑结构影响的研究也得到学者们的广泛关注。与此同时，人工智能（artificial intelligence，AI）正逐步发展，也实现了对颅内肿瘤和颅内血肿的CT/MRI影像智能判读，但人工智能对AD的影像智能判别研究报道较少。如何根据AD患者遗传信息和生物标志物结合颅脑部早期结构改变情况，对人工智能进行海量训练，实现AD超早期诊断，并对不同AD易感基因型患者制定个性化的健康管理方案，从而实现早期防范阿尔兹海默病发生将成为今后AD研究的热点。