Leber遗传性视神经病神经影像研究进展

秦文 冀艺 张佳慧 丁皓 于春水

Leber遗传性视神经病 （Leber hereditary optic neuropathy，LHON）是一种由线粒体脱氧核糖核酸（mitochondrial DNA，mtDNA）突变导致的以无痛性视力进行性下降或丧失为主要临床表现的遗传性神经系统疾病，其中青壮年男性易感。目前关于LHON的研究主要集中在分子遗传机制、临床特征和干预治疗等方面，有关脑损伤的报道较少。为了深入认识LHON病人神经损伤机制，进而为临床治疗提供有益的参考，本文重点对LHON在神经影像领域的相关研究展开综述。

1 LHON的发病机制及临床表现

LHON主要是由于线粒体复合体Ⅰ基因发生了点突变所致，其中发生于m.11778G>A、m.3460G>A和m.14484T>C这3个线粒体DNA突变位点的病例占总病例的95%[1]。线粒体复合体I也称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶1亚基（nicotinamide adenine dinucleotide dehydrogenase subunit 1，ND1），对细胞代谢和ATP产生至关重要。LHON病人ND1基因的突变改变了ND1的氨基酸，通过破坏其功能，可导致视网膜节细胞凋亡，最终使病人出现临床症状。此外，ND1是活性氧的主要来源，活性氧很大程度上可以引起细胞的损伤。有研究[2]表明，在具有LHON致病性突变的杂交细胞、成纤维细胞或成淋巴细胞中，ND1、呼吸速率以及ATP水平显著降低，提示由LHON病人ND1功能障碍引起的氧化应激增加可导致一系列线粒体功能缺陷。

LHON疾病临床进展比较快，从出现眼征到视力完全丧失一般不到1年[3]。在LHON的症状前阶段，病人可能只表现为轻微的色觉丧失，但视力仍可能正常[4]。约75%的病例通常以单眼中心区域无痛性视野异常起病，其中97%的病人随后会出现另一只眼睛受累[5]。一般双眼发病间隔约8周，约25%的病人可同时发生双侧视力障碍。5～8个月病人可能视力完全丧失，少数病例发生于8个月后[6]。急性期过后，LHON病人进入疾病的慢性期，通常表现为永久性中央视力丧失[7]。

2 LHON的影像学研究进展

LHON最常见的视力受损是由视网膜神经节细胞 （retinal ganglion cells,RGC）和视神经变性所致。视网膜病变的诊断主要依赖于眼底医学成像技术，如眼底镜、光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）、光学相干断层血管成像（optical coherence tomography angiography，OCT-A）等。其中，OCT是一种可活体实时完成的无创性成像技术，它具有微米级分辨率，能显示视网膜横截面，接近于组织学染色的水平，可为LHON提供视网膜神经纤维层神经肿胀和萎缩的定量信息，有助于早期发现轴突损伤[8]。OCT-A是OCT技术的发展，主要用于检测LHON病人视网膜及脉络膜微血管系统的损伤。对于视神经、视交叉和视束等球后前视路的病变，主要依赖于MRI检查。除了前视路损伤，LHON还可伴发视觉系统以外的神经病学症状，如肌张力障碍、周围神经病、听力障碍以及小脑共济失调等[9-12]。常规MRI检查也证实LHON病人存在脑灰质和白质病变，且很多病变不在视觉通路上[10，13]；LHON还可合并多发性硬化[14-15]。这些研究提示LHON会直接或者间接累及脑组织。除了常规MRI以外，高分辨脑结构 MRI（structural MRI， sMRI）、扩散 MRI（diffusion MRI，dMRI）、功能 MRI（functional MRI，fMRI）等技术与神经成像算法相结合能够更敏感地检测脑灰质和白质的细微变化，从而为疾病的早期诊断和机制研究提供重要证据。

2.1 LHON病人前视路病变 LHON病人视乳头周围视网膜神经纤维层 （retinal nerve fiber layer，RNFL）常常在疾病早期受累。近期一项OCT研究[16]发现，LHON急性期病人的视乳头周围RNFL厚度比健康对照的厚，慢性期较薄，提示视乳头周围RNFL厚度是监测LHON视神经损伤的敏感影像学标记。另一项研究[17]评估了LHON急性期病人的RGC内丛状层和黄斑部RNFL厚度的纵向变化，对4例LHON病人在病程第1、3、6和12个月进行频谱OCT随访 （其中包括2只眼症状前阶段频谱OCT）发现，在视力症状出现前就已经有RGC内丛状层和黄斑RNFL变薄，随着病程进展，内丛状层和RNFL迅速变薄，其中RGC内丛状层在病程第6个月完全消失。这些发现为LHON的早期诊疗提供了重要的潜在影像学标记。

除了RGC病变，LHON病人眼底微血管系统也存在异常。Gaier等[18]对1例急性家族性m.11778G＞A突变（MTND4基因）病例OCT-A研究发现，有症状的左眼视乳头周围放射状毛细血管（radial peripapillary capillary，RPC）显著扩张，伴随颞侧视乳头周围RNFL厚度增加，无症状的右眼OCT-A上表现与左眼类似。此外，有研究[19]对1例左眼急性期伴右眼症状前期的LHON病人用频谱OCT-A进行了动态追踪，其中右眼在随访2个月后也发生视力丧失。OCT-A显示发病初期双眼出现视乳头假性水肿，随访过程中视乳头水肿逐渐消退，伴RPC缺损范围逐渐增大，同时RNFL逐渐变薄并向周围扩展，提示RPC缺损与RNFL变薄可能存在关联。这些研究提示OCT-A上的RPC改变也可以作为诊断LHON早期视网膜损伤的潜在影像学标记。

此外，LHON还可累及视神经和视交叉。Blanc等[20]收集了28例急性期（视力受损时间小于12个月）LHON病人的MRI数据，其中19例病人的视神经和视交叉呈T2高信号，16例病人视交叉增粗。Wang等[21]对25例慢性期LHON病人进行dMRI研究发现，病人视神经的各向异性分数（FA）明显低于正常人，而平均扩散系数（mean diffusivity，MD）和径向扩散系数（radial diffusivity，RD）明显高于正常人，而且研究还发现视神经的FA值与病人视力、视野缺损程度以及RNFL厚度显著相关，提示LHON的视神经可能发生了继发于RGC神经元坏死的Wallerian变性。Rizzo等[22]研究了1例LHON病人的尸检视神经的病理改变，结果显示视神经轴突大部分都丢失，印证了LHON病人存在视神经Wallerian变性的假设。

2.2 LHON病人脑灰质改变 LHON病人可伴有脑灰质损伤。Mercuri等[13]分析1例伴有进行性视力丧失的30岁LHON女性病人资料，该病人出现右眼无痛性视力丧失2个月，继而左眼受累，无其他神经系统症状；常规MRI发现双侧对称性壳核T2高信号，提示合并基底核团的损伤。与上述报道类似，Cui等[10]报道的16例LHON病人中仅1例伴肌张力障碍，该病人常规MRI显示视神经萎缩伴基底节T2高信号。除了基底节受累外，LHON病人也可发生其他脑灰质受累。Miyaue等[23]报道1例LHON病人脑干前庭神经核T2高信号；Nakaso等[24]报道1例LHON病人小脑和下橄榄核萎缩伴运动障碍等。这些研究提示LHON线粒体DNA突变可能直接损伤脑灰质，这可以解释既往研究报道中有关LHON病人视力以外的神经系统症状[8-11]。

除了脑灰质MRI信号的异常，LHON病人脑灰质定量也发生了改变，Barcella等[25]使用sMRI和基于体素的形态学测量（voxel-based morphometry,VBM）方法评估了12例LHON病人（其中5例有m.11778A>G突变，4例有m.3460G>A突变，3例有m.14484T>C突变）的脑灰质和脑白质的潜在损伤和分布，VBM分析显示，LHON病人包括双侧初级视皮质的整个视神经通路都发生了明显萎缩。外侧膝状体（lateral geniculate nucleus,LGN）是视觉传导通路的重要中继核团。为了明确LHON病人视网膜RGC损伤是否导致LGN继发性退变，Rizzo等[22]比较了1例LHON病人和1例匹配对照的尸检样本LGN病理改变，LHON病人大细胞层和小细胞层的神经元细胞都发生了不同程度的萎缩，而且这种退变与视神经轴突丢失相关，提示LGN的萎缩可能继发于视神经损伤。

为了明确LHON病人中枢神经系统的功能异常是局限于视觉系统还是更广泛地累及其他网络，Rocca等[26]对13例LHON病人进行了静息态fMRI和dMRI数据采集，并采用独立成分分析评估这些病人静息态功能网络是否存在异常，研究发现LHON病人的高级视觉网络内部双侧初级视觉皮质的自发波动同步性显著增加，高级视觉网络内右外侧枕颞区的同步性减弱；而听觉网络内同步性增加。另外，基于dMRI的结构连接全脑皮质分割的研究发现LHON病人右侧听觉皮质亚区的体积大于正常对照者，而且这些亚区的中心位置以及结构连接特征均有别于正常人，结合听觉皮质静息态脑功能的变化，提示LHON病人的听觉皮质可能发生了代偿性重塑[26]。有文献[27]报道1例LHON病人受到听觉刺激后可产生视幻觉，任务态fMRI显示该听觉刺激能够激活双侧初级和次级视觉皮质，而视觉刺激不能激活该病人的这些视觉区，提示该病人视觉皮质的功能组构发生了跨模态重塑。上述研究表明LHON线粒体突变可能引起脑灰质直接损伤（如基底节和脑干核团等）和间接损伤（如视觉皮质和LGN等）；此外，LHON病人脑灰质损伤和功能代偿可能同时存在。

2.3 LHON病人脑白质改变 LHON除了累及脑灰质外，也可以累及脑白质，多见于LHON合并多发性硬化的病例[13-14]。Rosciszewska-Zukowska 等[14]报道了1例病人最初表现为多发性硬化症状，常规MRI可见典型的多发性硬化脑白质损害特征，发病10年后病人视力出现进行性丧失，基因检查确诊为LHON（m.11778G>A突变）。此外，LHON病人也可因脑白质直接受累引起。Jancic等[28]对14例LHON病人进行为期12年随访研究发现，有2例来自不同家系的病人出现异常的MRI和1H-MRS信号，其中1个病例表现为右侧小脑半球白质孤立性脱髓鞘改变，而另1个病例出现多发幕上和幕下脱髓鞘改变。1H-MRS发现病灶区胆碱峰及胆碱/肌酐比例显著升高；上述MRI征象同样存在于其亲属中，而且在随访过程长期存在，但病人均未出现典型的神经系统症状。这些研究提示LHON线粒体DNA突变可能会直接损伤脑白质微结构。

除了脑白质MRI信号和代谢的异常，Barcella等[25]利用VBM分析发现慢性期LHON病人双侧视交叉、视束以及视放射都发生了明显萎缩，提示LHON引起的神经损伤不止局限于前视觉通路，还可延伸到后视路脑白质。Milesi等[29]对照分析了13例慢性期LHON病人和25个健康对照的脑部dMRI数据，并利用基于体素的统计分析试图寻找LHON病人潜在的脑白质损害，研究发现LHON病人只有视觉通路上（视束和视放射）存在扩散指标异常，包括FA减低、MD和RD显著增加，且视束的FA值与病人视力显著正相关。Rizzo等[22]采集了22例重度慢性期LHON病人（m.11778A>G突变14例，m.3460G>A突变 7例，m.14484T>C突变 1例）的dMRI数据，结果显LHON病人视放射的MD值比健康对照高，且MD值与病程和视力损伤恢复程度显著相关。Ogawa等[30]纳入了6例慢性期LHON病人，发现和健康对照相比，LHON病人的视束轴向扩散系数减低，而视放射轴向扩散系数增加。Manners等[31]比较了慢性期LHON和视神经萎缩基因1-常染色体显性视神经萎缩病的脑白质改变的差异发现，尽管两种疾病都是线粒体突变所致且均以视神经病变为主要表现，但LHON病人脑白质表现为MD值增加以及FA值减低的区域相对局限。王等[32]对25例慢性期LHON病例和28例健康对照进行的定量MRI分析发现，LHON病人双侧视放射FA值显著下降，RD值显著增加。Takemura等[33]也发现LHON病人视束的FA值减低，而量化纵向弛豫时间（quantitative T1,qT1）值增加，但视放射中仅发现FA值减低。因此，结合LHON病人RGC、视神经、视束以及LGN轴突萎缩等表现。提示慢性期LHON病人的整个视通路的神经纤维都发生了继发性退行性改变。

2.4 无症状LHON风险基因携带者脑内改变 尽管LHON病人在视觉通路之外有脑损伤，但大多数都是在慢性期LHON病人中发现的，而且都主要累及视觉传导通路，因而尚不能提示LHON的mtDNA突变会直接导致脑组织损伤。Long等[34]对14例无症状LHON风险基因携带者和15名健康对照者进行dMRI及基于白质束空间统计（tract-based spatial statistics,TBSS）技术以分析大脑白质的微结构改变，LHON风险基因携带者存在广泛的脑白质FA值降低，而RD和MD显著增加；这些参数的变化除了发生在视觉传导通路外，还涉及丘脑前辐射、锥体束、胼胝体、上纵束等非视觉传导通路，而且LHON风险基因携带者扩散指标的改变与年龄、性别、LHON风险基因突变类型和视网膜RNFL厚度等指标不相关。该结果提示LHON线粒体DNA突变很可能直接引起隐匿性脑白质损伤。d’Almeida等[35]对mtDNA 11778G>A突变的无症状携带者进行研究，利用结构MRI和皮质重建技术构建出全脑皮质的厚度，结果发现21岁以下的青年LHON风险基因携带者其外纹状体皮质（V2）厚度显著增加，提示LHON风险基因携带者视网膜节细胞丢失后伴发的发育依赖的外纹状体皮质重塑。另有研究者[36]进一步发现，LHON风险基因携带者的V2/V3外周视野投射区的皮质明显增厚，而且这些脑区的皮质厚度与黄斑RGC轴突层的肿胀存在高度相关，提示V2/V3外周视野区的皮质重塑可能是由外周RGC轴突病变以及潜在的发育变化共同介导的。除了结构改变，LHON风险基因携带者还存在脑代谢的变化。有研究者[28]对14例LHON病人以及41名家系无症状风险基因携带者进行了为期12年的随访，1H-MRS发现LHON病人和无症状风险基因携带者的脑白质均存在代谢异常，表现为绝对胆碱浓度和胆碱/肌酐比值增加。另一项纳入18例LHON无症状风险基因携带者的1H-MRS研究也显示绝对肌酐以及N-乙酰天冬氨酸盐浓度显著减低[37]。这些研究提示即使在无症状期，LHON线粒体DNA突变可能已经引起脑白质发生微观结构和代谢的异常。

3 LHON神经影像研究的展望

目前的神经影像学研究表明LHON的mtDNA突变除了直接引起RGC变性外，还可导致整个视觉传导通路出现继发性退变。另外，LHON病人还可能存在原发性脑白质和灰质损伤。结合多种影像检查技术（包括OCT、高分辨 sMRI、dMRI和fMRI等）能够更早期、更敏感地检测LHON相关的前视路和脑组织病变，发现代偿性脑重塑，可为LHON早期诊疗和机制研究提供潜在的影像学标记。

由于LHON发病率低，现有的大部分影像学研究所纳入的病例均较少，且一些病例未进行基因检查而漏诊或误诊，因此研究结果有待今后的大样本队列研究进一步验证。另外，现有影像学研究主要聚焦于LHON的局部脑改变，尚不清楚LHON线粒体突变对大脑网络结构的潜在影响，未来研究可以通过dMRI或fMRI来发现LHON病人脑结构或功能网络拓扑结构的变化，以进一步揭示LHON的脑网络损伤与代偿机制。由于前期大部分研究只聚焦于LHON影像学改变的某个维度，因此LHON神经影像学表型与临床征象之间是否有直接关联尚不清楚，今后可尝试收集LHON病人及突变携带者家庭成员的多模态脑MRI、眼科检查、临床生化、心理认知及治疗干预等多维度数据，建立LHON mtDNA突变相关大样本数据队列，揭示LHON神经损伤与临床征象之间的关联，进而筛选出对临床诊疗有明确意义的影像学标记。