复发-缓解型多发性硬化患者脑白质的多体素磁共振波谱成像特征

孙聚葆，李新瑜，高秀菊，李小潘，倪莉，宋浩

1.河南科技大学临床医学院，河南科技大学第一附属医院影像中心，河南洛阳 471003；2.西安交通大学生物医学工程研究所生物医学信息工程教育部重点实验室，陕西西安 710049；

多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是一种典型的以白质病变为特征的严重中枢神经系统疾病。目前全世界有超过100万人患有MS引起的肢体残疾，并且发病率呈逐渐上升趋势[1]。炎症和脱髓鞘是MS典型的神经病理学特征，但是MS的病因十分复杂，目前尚无确切一致的结论。近年来，质子磁共振波谱（1H magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS）作为一种无创定量的MRI技术在MS的研究中得到广泛关注[2]。目前，在MS患者脑内NAWM区域内的代谢物改变情况尚不清楚。既往报道的MRS对MS的研究中，代谢物异常改变的空间分布很少受到关注。本研究拟探讨MS患者脑内NAWM区域的不同子区内与MS相关的重要代谢物的异常改变情况。

1 资料与方法

1.1 研究对象 经临床或实验室检查确诊的复发-缓解型多发性硬化（relapsing-remitting MS，RRMS）患者17例，其中男6例，女11例；年龄（42.3±13.2）岁，均为右利手。MS的诊断基于2010年McDonald的MS诊断标准，同时对致残程度依据残疾状况评分量表EDSS进行评估。选择与RRMS组患者年龄、性别、偏手性等相匹配的21名健康志愿者作为对照，其中男8例，女13例；年龄（46.7±8.9）岁，均为右利手。本研究经医院伦理委员会批准，患者及健康志愿者均知情同意并签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Philips Achieva 3.0T MR扫描仪和16通道头颅线圈。常规MR图像包括横轴位T1WI、T2WI、T2 FLAIR。扫描参数：T1WI：TR 7.6 ms，TE 3.7 ms；T2WI：TR 190 ms，TE 80 ms；T2 FLAIR：TR 6 000 ms，TI 2 000 ms，TE 140 ms；视野（FOV）250 mm×250 mm；翻转角90º；层厚7.5 mm；层间距1 mm。MRS使用自动匀场技术补偿磁场的非均匀性，匀场后线宽小于10 Hz。采用化学位移选择性成像序列（CHESS）进行水信号抑制，并采用外部容积饱和脉冲序列用于抑制自感兴趣区域外的信号污染。采用2D-PRESS序列采集感兴趣区域内体素的波谱信号。2D-PRESS序列扫描参数：TR 2000 ms，TE 53 ms，FOV 150 mm×195 mm，层厚15 mm，体素15 mm×15 mm，平均次数1024。波谱序列的总采集时间<20 min。

1.3 MRS数据的处理 采用Philips Spectra view处理MRS数据。感兴趣区的选择依据T2 FLAIR所显示的正常表现白质区域为基础，所选择的体素来源于额叶、顶叶、顶-枕叶正常表现白质（normal appearing white matter，NAWM）区。所有MRS检测的代谢物浓度均表示为信号强度的比值，包括N-乙酰天冬氨酸（NAA）/肌酸（Cr）、胆碱（Cho）/NAA和Cho/Cr。

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0软件，计量资料以±s表示，采用两独立样本Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验比较两组主要代谢物比值的差异，采用Spearman相关分析检测RRMS组全局NAWM中NAA/Cr与额叶、顶叶以及顶叶-枕叶NAWM区NAA/Cr之间的相关性，P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 从全局角度比较两组NAWM区域内代谢物浓 度的差异（图1） RRMS组脑内NAWM区域内的NAA/Cr低于对照组（P<0.001），RRMS组Cho/NAA高于对照组（P<0.001）。两组Cho/Cr差异无统计学意义（P>0.05）。

图1 RRMS组与对照组NAWM区域内代谢物浓度比值的比较

2.2 两组不同子区NAWM区域内代谢物浓度比较（图2） RRMS患者脑内NAWM区NAA/Cr比值下降与区域紧密相关：在额叶NAWM区，RRMS组的NAA/Cr为1.54±0.14，较对照组的1.72±0.08下降11%（P<0.001）；在顶叶NAWM区，RRMS组的NAA/Cr为1.35±0.12，较对照组的1.65±0.07下降23%（P<0.001）；在顶-枕叶NAWM区域，RRMS组的NAA/Cr为1.37±0.13，较对照组的1.54±0.08下降12%（P<0.001）。对全局NAWM区域内的NAA/Cr与3个子区域内的NAA/Cr的相关性分析（图3）显示，RRMS患者顶叶NAWM区域内NAA/Cr与全局NAWM区域内的NAA/Cr显著相关（r=0.609，P<0.05），而额叶与顶-枕叶NAWM区域内NAA/Cr与全局NAWM区域内的NAA/Cr无相关性（r=0.038、0.406，P>0.05）。

3 讨论

随着MRI技术的不断进步，常规磁共振结构成像及功能磁共振成像如扩散张量成像、磁化转移成像、MRS等越来越多地应用于研究MS的复杂发病机制[3-5]。在上述技术中，MRS可提供反映大脑内部代谢机制变化的生化信息，进而间接地反映MS病理学中神经退行性病变的特征[6]。MRS可以作为一种有效的方法用于监测MS的疾病进展[7]。Rovaris等[8]研究表明，1H-MRS可用于探索MS患者神经元或轴突损伤的病理演变过程及特征，其研究结果表明对于伴有临床分离症状的MS患者，轴突功能障碍一般发生于患病早期阶段，但其与短期内的疾病进展无相关关系。

图2 RRMS组与对照组3个被检子区内代谢物浓度比值的比较。A、B、C分别为两组额叶、顶叶、顶-枕叶NAWM区域内代谢物浓度比值的比较

图3 全局NAWM区域内NAA/Cr与3个子区域内NAA/Cr的相关性。A、B、C分别为额叶、顶叶、顶叶-枕叶NAWM与全局NAWM区域内NAA/Cr比值的相关性（r=0.038，P=0.89；r=0.609，P=0.016；r=0.406，P=0.133）

MRS可以检测到的常见代谢物包括NAA、Cho、Cr及肌醇等。NAA主要在神经元的线粒体内合成，对于成熟的大脑NAA几乎仅存在于大脑的神经元中，使其成为间接反映大脑神经元完整性非常具有代表性的生物标志物。NAA浓度降低通常意味着大脑内轴突受到损伤或丢失。Brex等[9]研究发现，与健康脑组织相比，在MS白质病变斑块处NAA浓度水平显著下降。因此，NAA浓度的改变可以反映轴突的变化情况。Cho是细胞膜活动（降解或合成）的指标。当细胞密度增加时，如存在肿瘤时，Cho浓度会明显上升。Cr浓度水平则主要反映细胞中的能量代谢情况，一般在健康的大脑中其浓度比较稳定。

本研究中，从全局的角度采用二维多体素波谱技术在3T的场强下对17例RRMS患者和21名健康受试者的大脑NAWM区域内与MS疾病相关的重要代谢物比值的变化包括NAA/Cr、Cho/NAA及Cho/Cr进行检测分析，结果发现与对照组相比，RRMS组大脑NAWM区域内NAA/Cr显著降低，Cho/NAA显著增高，而两组Cho/Cr则无显著差异。结构异常和损伤在MS患者的脑组织内广泛分布，在传统MRI扫描的结构像上呈现正常表现的白质区域内可能也存在不同程度的组织损伤。本研究中，MS患者组NAWM区域内NAA/Cr显著下降，表明白质内轴突功能障碍或损失广泛存在，而非仅局限于MR常规图像上显示的局灶性病变，与既往报道结果一致[10-11]。Tartaglia等[12]研究显示，在NAWM区域内有代谢异常的体素与区域内代谢正常的体素相比更容易演变成未来可被MRI所见的病灶。因此，如果能够明确MS患者脑内NAWM区域中隐藏的病理学改变，将有助于更加深入地了解MS疾病的退行性病理学特征以及病变斑块形成的机制，这对于探索MS疾病的病理机制、早期诊断和治疗监测具有十分重要的临床价值。

大脑额叶主要参与认知功能的调节。本研究中，额叶区NAA/Cr比值显著降低在一定程度上可以解释大多数MS患者普遍存在的认知功能障碍现象，而MS患者的认知功能受到损伤已经得到证实[13-14]。Staffen等[15]研究发现，大多数MS患者存在广泛性的记忆障碍，包括短期、长期和工作记忆障碍；Farez等[14]研究发现，MS患者在风险条件下的决策能力明显降低，这可能与大脑的信息处理速度下降和视觉空间学习障碍有关。至于NAA/Cr在顶叶-枕叶NAWM区域内的 异常改变，Kotov等[16]研究表明，它很可能是造成MS 患者视觉功能障碍的重要因素之一。

目前很少有对MS的MRS研究关注到患者脑内代谢物异常改变程度的空间分布情况。本研究分析了MS患者脑内NAWM区域不同子区内代谢物的异常改变，主要包括额叶、顶叶和顶叶-枕叶NAWM子区，结果表明，在额叶、顶叶和顶-枕叶3个子区内NAA/Cr在MS组均显著低于对照组，这也与全局分析结果一致。特别是在顶叶区NAA/Cr的下降程度显著高于其他2个被检子区。此外，相关性分析结果显示，在MS组中，仅来自顶叶NAWM子区内NAA/Cr的变化与全局NAWM内NAA/Cr的变化具有高度相关性，提示顶叶NAWM区内NAA/Cr下降对全局NAWM分析中NAA/Cr的变化贡献比例最大。因此，与其他部分的白质区域相比，靠近顶叶白质区域内轴突的结构完整性或功能可能会受到更严重的MS病理学作用的影响。

MS的病理机制非常复杂，本研究仅对NAA、Cho及Cr代谢物在白质内的代谢异常进行研究，具有一定的局限性，后续研究可对更多有价值的代谢物如肌醇、谷氨酸和脂类的变化进行检测，也可以结合灰质、皮层等其他类型的组织进行研究，这样可以对MS疾病对代谢机制的影响有更加深入的理解，有助于提高MS的检出率及早期诊断的正确率。

总之，在顶叶NAWM区比额叶和顶-枕叶NAWM区对代谢物水平的异常改变敏感性更高，并且更易于检测，在以后的临床检测中应当更多地关注MS患者顶叶周围白质区域内的变化，这将有利于及早地检测到NAWM区域内所发生的微小的代谢改变，从而及时地对MS的病理进展和具体的临床治疗效果获得更加准确的评估。