李卓然 魏新華 江新青

阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）是一種起病隱匿、進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。AD在臨床上多以記憶障礙為最初特征，并可發(fā)展為認(rèn)知能力喪失、視空間技能損害以及人格和日常行為性格改變等癥狀，患者日常生活能力會逐漸下降甚至生活完全不能自理，嚴(yán)重者會呈現(xiàn)全面性癡呆[1]，給患者、家庭和社會造成了沉重的負(fù)擔(dān)。AD病因迄今未明，65歲以前發(fā)病者，稱早老性癡呆；65歲以后發(fā)病者稱老年性癡呆，女性較男性多（女∶男比例為3∶1）。數(shù)據(jù)顯示，我國目前阿爾茨海默病患者人數(shù)已居世界第一，約占世界總病例數(shù)的1/4[2]。隨著我國老年化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，AD的早期預(yù)防、早期診療顯得尤為重要。近年來，有關(guān)遺傳性AD基因突變從而引起β淀粉樣蛋白（amyloid β，Aβ）長度改變的分子生物學(xué)機(jī)制研究[3]及基因突變與神經(jīng)影像學(xué)生物標(biāo)志物的時間空間變化等研究[4]受到廣泛關(guān)注。本文將結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于影像技術(shù)和分子檢測技術(shù)在AD早期診斷中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述，為AD的預(yù)防管理提供新思路。

1 影像技術(shù)在AD早期診斷中的應(yīng)用研究

1.1 海馬及顱腦結(jié)構(gòu)的測量對AD的應(yīng)用

Dolek等[5]用磁共振成像方法測量癡呆患者，并通過對實驗對象的認(rèn)知功能進(jìn)行了一些心理狀態(tài)檢查，結(jié)果顯示不同類型的癡呆患者均有海馬體積縮小情況，并且癡呆癥的嚴(yán)重程度隨著海馬體積的減少而增加，該研究認(rèn)為海馬體積萎縮與認(rèn)知障礙程度之間存在著正相關(guān)關(guān)系。因此，筆者推測對高度懷疑可能患有AD的患者，可通過磁共振成像技術(shù)定期隨訪患者海馬體積的變化來判斷患者病情進(jìn)展情況，也許可以在更早期發(fā)現(xiàn)AD患者，更早地給予AD患者藥物干預(yù)，延緩AD的發(fā)展進(jìn)程。

Stout等[6]報道，阿爾茨海默病癡呆患者言語學(xué)習(xí)記憶的局部腦體積會發(fā)生丟失，證明AD的語言缺陷不僅與顳葉邊緣皮質(zhì)萎縮有關(guān)，同時也與腦丘體的損傷有關(guān)，并認(rèn)為腦丘體的損傷是AD患者中最早和最嚴(yán)重的病理部位。Whitwell等[7]選擇了33例遺忘型輕度認(rèn)知障礙（amnestic mild cognitive impairment，aMCI）患者作為研究對象，并進(jìn)行了3次連續(xù)的核磁共振掃描（AD確診的3年前、1年前和確診時等3個不同時間點）進(jìn)行隨訪研究，研究結(jié)果表明灰質(zhì)流失的模式主要集中在內(nèi)側(cè)顳葉，包括杏仁核、海馬和內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)，與對照組相比，有更多的梭狀回參與，核磁共振掃描顯示AD最早的變化發(fā)生在前內(nèi)側(cè)顳葉和梭狀回。

梁洪等學(xué)者[8]基于磁共振圖像（magnetic resonance imaging，MRI）的AD和輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）海馬子域的關(guān)聯(lián)研究結(jié)果顯示海馬子域的體積在AD和MCI患者中較健康人有明顯的萎縮，認(rèn)為海馬及其子域體積萎縮可作為AD早期診斷的標(biāo)記。Varon等[9]研究認(rèn)為在AD中，神經(jīng)退行性萎縮是從內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)到海馬（hippocampus，HP），還涉及邊緣系統(tǒng)和新大腦皮層，并認(rèn)為內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)的輕微萎縮導(dǎo)致的損害比海馬輕微萎縮導(dǎo)致的損害更大，因此通過測量內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)厚度及新皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域?qū)υ缙贏D患者的診斷具有較高的準(zhǔn)確率（90%以上）。而Cavedo等[10]學(xué)者的研究結(jié)論則認(rèn)為杏仁核內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)差異與AD最為相關(guān)。

綜上所述，AD的發(fā)生與顱腦病變密切相關(guān)，其中海馬、內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)、新大腦皮層等的萎縮程度與AD的嚴(yán)重程度關(guān)系較大，通過常規(guī)顱腦部MRI檢測，并對上述區(qū)域改變狀況進(jìn)行詳細(xì)描述、對顱腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析是非常有意義的。但由于海馬等部位測量時對圖像質(zhì)量要求較高，同時判讀者的主觀因素對測量影響較大，因此，要得到一個準(zhǔn)確性高的結(jié)果，既要進(jìn)一步提高圖像的質(zhì)量，同時也要進(jìn)一步制定規(guī)范化的測量標(biāo)準(zhǔn)，還要提高閱片人員的判讀能力。

1.2 人工智能與靜息態(tài)功能磁共振（functional MRI，fMRI）的應(yīng)用

隨著人工智能時代的發(fā)展，計算機(jī)通過自動深度學(xué)習(xí)和訓(xùn)練可快速自動地分析不同腦區(qū)域灰質(zhì)體積大小以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變情況，從而對阿爾茨海默病進(jìn)行預(yù)測與分類[11]。Jiménez-Huete等[12]認(rèn)為，可用前后緣（anteroposterior limbic，APL）與初級后緣（primary-toposterior limbic，PPL）的前、后邊緣比值大小不同作為阿爾茨海默病的MRI容積的標(biāo)記物，從而有效地對早期AD病患者行鑒別性診斷，為早期AD的藥物干預(yù)提供了實驗依據(jù)。王吉喆等[13]提出了一種利用三維格子玻爾茲曼模型，他們結(jié)合形變模型曲面演化思想，對阿爾茨海默癥患者腦部磁共振圖像進(jìn)行了分割海馬實驗。這個實驗證實格子玻爾茲曼方法可快速準(zhǔn)確地獲得海馬體積變化。另外，還有學(xué)者[14]用相似軟件發(fā)現(xiàn)具有輕度認(rèn)知衰退的老年人海馬及杏仁核會發(fā)生物質(zhì)丟失，其上外側(cè)面萎縮較為明顯，并且左側(cè)海馬體積和結(jié)構(gòu)的變化可以用來預(yù)測病情的短期發(fā)展。還有文獻(xiàn)報道[15]以阿爾茨海默病患者的腦皮層厚度作為數(shù)據(jù)集，可利用最大相關(guān)最小冗余（Maximum correlation minimum redundancy，mRMR）方法對支持向量機(jī)遞歸特征消除（Support vector machine recursive feature elimination，SVM-RFE）方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高 MCI人群和正常人群分類的準(zhǔn)確率。

一項涉及95例早產(chǎn)兒和83例成年人的腦部結(jié)構(gòu)和功能磁共振成像技術(shù)的比對結(jié)果分析顯示，在皮質(zhì)和皮層網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)在功能連接的差異[16]。腦部結(jié)構(gòu)上的差異位于皮層下、顳葉和扣帶區(qū)域，早產(chǎn)兒內(nèi)在功能連接網(wǎng)絡(luò)的差異是重疊的，并且與異常的區(qū)域灰質(zhì)體積有關(guān)，特別是在皮層和顳區(qū)。Papma等[17]探討了海馬功能、體積及連接對早期AD（輕度認(rèn)知障礙）患者情景記憶fMRI的后扣帶回皮質(zhì)（posterior cingulate cortex，PCC）功能的影響，結(jié)果顯示在MCI的情景記憶中，PCC與海馬的激活之間存在著某種聯(lián)系。上述研究認(rèn)為PCC功能與MCI的海馬功能有關(guān)，PCC的作用與MCI的海馬結(jié)構(gòu)無關(guān)，而功能網(wǎng)絡(luò)的改變是MCI中PCC功能的重要預(yù)測因子。

目前，有關(guān)皮質(zhì)和皮層網(wǎng)絡(luò)連接方面的研究已成為對大腦功能研究的一個新的研究熱點。而利用模型結(jié)合先進(jìn)軟件技術(shù)研究AD患者的大腦結(jié)構(gòu)和功能變化，既可以提高輕度認(rèn)知障礙人群和正常人群分類的準(zhǔn)確率，也可以節(jié)省醫(yī)療資源。但臨床工作中每個患者的具體情況是千變?nèi)f化的，沒有一個是完全相同的案例，因此，如何才能有效地訓(xùn)練計算機(jī)，教會計算機(jī)通過深度學(xué)習(xí)各種千差萬別的案例，做到準(zhǔn)確而靈活地掌握判讀各種病例的能力，還要待以時日。

1.3 圖論功能連接對AD的研究

目前，基于圖論（graph theory）的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)定量分析的最新發(fā)展已被迅速轉(zhuǎn)化為對大腦網(wǎng)絡(luò)組織的研究。大腦的結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特征——比如小世界拓?fù)洹⒏叨然ヂ?lián)的中樞和模塊性——既包括人類神經(jīng)成像的全腦規(guī)模，也包括非人類動物的細(xì)胞層面。大腦連通性網(wǎng)絡(luò)建模的研究出現(xiàn)了爆炸式的增長[18-19]，近年來，非侵入性神經(jīng)成像和神經(jīng)生理學(xué)技術(shù)[如結(jié)構(gòu)MRI、擴(kuò)散MRI、功能性核磁共振成像和腦電信號（electroencephalogram，EEG）/腦磁信號（Magnetoencephalography，MEG）]和基于圖形理論的網(wǎng)絡(luò)分析為人類大腦的結(jié)構(gòu)和功能連接模式上提供了一個新的視角。最近一項對AD患者的研究[20]結(jié)果顯示，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全球和區(qū)域?qū)傩灾校珹D患者都表現(xiàn)出異常的拓?fù)浣M織，表明AD不僅影響特定的大腦區(qū)域，而且還改變了不同大腦區(qū)域之間的結(jié)構(gòu)和功能聯(lián)系。楊晶晶等[21]應(yīng)用擴(kuò)散張量成像（diffuse tensor imaging，DTI）中的平均擴(kuò)散率（mean diffusivity，MD）評估aMCI和AD患者灰質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)完整性的損傷特征擬判斷疾病的轉(zhuǎn)化規(guī)律，研究結(jié)果提示，與正常對照組相比，aMCI和AD組的灰質(zhì)水分子平均擴(kuò)散率網(wǎng)絡(luò)顯示出異常的“小世界”特性，表現(xiàn)為聚集程度較高和路徑長度較長，從而反映了灰質(zhì)微結(jié)構(gòu)的損傷，而且AD和aMCI患者網(wǎng)絡(luò)的平均連接度均低于正常對照組。研究結(jié)論顯示，aMCI腦灰質(zhì)的水分子擴(kuò)散特征有助于發(fā)現(xiàn)AD前期患者，并可反映神經(jīng)退行性疾病腦微觀結(jié)構(gòu)的破壞。

綜上所述，通過圖論網(wǎng)絡(luò)分析理論構(gòu)建大腦功能連接網(wǎng)絡(luò)，可研究AD患者腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的改變及與臨床癥狀的潛在關(guān)系，大腦復(fù)雜功能網(wǎng)絡(luò)的連接模式差異已越來越多地被研究者應(yīng)用于AD患者認(rèn)知功能喪失的原因研究。

2 分子檢測技術(shù)在AD早期診斷中的應(yīng)用研究

2.1 ApoE與TREM2基因突變對AD的影響

阿爾茨海默病是最常見的癡呆類型。而相關(guān)研究[25-26]結(jié)果顯示，載脂蛋白 E（apolipoproteinE，Apo E）基因多態(tài)性與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，其中Apo E4等位基因是目前唯一被確證的晚發(fā)性AD發(fā)病風(fēng)險基因。Apo E被發(fā)現(xiàn)是一種與脂蛋白代謝有關(guān)的血漿蛋白，在動脈粥樣硬化發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要的作用。ApoE基因的多態(tài)性還會影響對頭部創(chuàng)傷的反應(yīng)，降低對衰老和其他一些疾病的認(rèn)知能力，不同基因型ApoE通過特定方式調(diào)控大腦內(nèi)部的淀粉樣蛋白P的聚積和清除而影響著AD的發(fā)展進(jìn)程。Garcia等[27]研究認(rèn)為，ApoE與腦淀粉樣蛋白有關(guān)，它是腦淀粉樣血管?。╟erebral amyloid angiopathy，CAA）的一個組成部分，ApoE4容易與具有神經(jīng)毒性的β樣淀粉蛋白（Aβ）結(jié)合并穩(wěn)定地沉積在腦血管壁，使β樣淀粉蛋白不易被清除，從而導(dǎo)致血管完整性受損，引起腦組織損傷和功能障礙，這既是AD的病理特征，也是導(dǎo)致腦內(nèi)出血的常見原因。王治國等[28]研究結(jié)果顯示，AD患者血漿tau蛋白、腦脊液tau蛋白水平顯著高于正常對照組，血漿Aβ42、腦脊液Aβ42水平顯著低于正常對照組（由于Aβ42在腦內(nèi)沉積，使得血漿和腦脊液中Aβ42含量減少）。因此筆者認(rèn)為研究血漿和腦脊液生物標(biāo)志物β淀粉樣蛋白（Aβ）42和tau蛋白對阿爾茨海默病早期診斷有較高的臨床應(yīng)用價值。新近的研究[29]發(fā)現(xiàn)，編碼髓細(xì)胞觸發(fā)受體 2（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）對淀粉樣蛋白病變有保護(hù)性作用，腦內(nèi)TREM2主要在小膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)，而當(dāng)TREM2基因發(fā)生變異時可能會增加發(fā)展為AD的風(fēng)險，其原因是TREM2變異體阻斷了小膠質(zhì)細(xì)胞信號傳遞并且TREM2變異體本身具有毒性作用，從而誘發(fā)并加重了神經(jīng)炎癥的發(fā)生，并在tau蛋白病變環(huán)境中引起神經(jīng)退行性變。TREM2與AD的關(guān)聯(lián)為闡明先天免疫系統(tǒng)在AD起病和進(jìn)展中的作用增加了越來越多的證據(jù)?；蚨鄳B(tài)性與疾病相關(guān)性研究已成為目前研究的熱點，一系列的研究成果為臨床診治疾病提供了新思路。但眾所周知，遺傳性疾病（如AD）的發(fā)生發(fā)展有其復(fù)雜性，受身體內(nèi)外環(huán)境影響較大，不是單一因素改變引起的。因此假如我們在研究過程中發(fā)現(xiàn)一些位點突變或特定基因型可能與AD相關(guān)，那么我們應(yīng)該對突變位點與性狀相關(guān)的基因、通路、連鎖區(qū)域的關(guān)系作進(jìn)一步研究，以驗證該基因功能是否能準(zhǔn)確地預(yù)測疾病性狀，這將是今后我們要重點關(guān)注的問題。

2.2 ApoE4與影像學(xué)相結(jié)合對AD的檢測

程妍等[30]制作了一種研究靶向腦內(nèi)β-淀粉樣斑塊（Aβ斑塊）的正電子發(fā)射斷層顯像（positronemissiontomography，PET）顯像劑[18F]FB-2，研究其在小鼠體內(nèi)的分布情況與PET成像效果的方法，PET成像結(jié)果顯示顯像劑在小鼠腦內(nèi)的放射性聚集顯著高于老齡小鼠；成像腦放射自顯影圖中的黑點與硫黃素S染色的Aβ斑塊位置一致，研究結(jié)果認(rèn)為[18F]FB-2有望成為用于臨床阿爾茨海默病早期診斷的新型PET顯像劑。Seo等[31]使用18氟-氟代脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射斷層掃描研究了在認(rèn)知正常老年人的全腦功能網(wǎng)絡(luò)中ApoE4等位基因?qū)Υ竽X葡萄糖代謝的影響，發(fā)現(xiàn)在臨床癥狀出現(xiàn)之前AD的遺傳易感性可能會改變整個大腦的功能網(wǎng)絡(luò)。Wang等[32]采用18氟-氟代脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射斷層顯像系統(tǒng)地研究了ApoE4攜帶者和非攜帶者全腦功能網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)攜帶者腦功能網(wǎng)絡(luò)均有明顯的“小世界”特征，結(jié)果顯示ApoE4攜帶者腦功能網(wǎng)絡(luò)擁有較低的聚類系數(shù)和較小的特征路徑長度，ApoE4等位基因顯著擾亂了全腦拓?fù)浣M織。由此得知，不管在認(rèn)知正常人群或者AD患者中，ApoE4等位基因均表現(xiàn)出對全腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化與患者的認(rèn)知表現(xiàn)有顯著的相關(guān)性。

上述的研究發(fā)現(xiàn)為超早期階段識別AD的生物學(xué)標(biāo)記及病理機(jī)制提供了重要的啟示。當(dāng)前相關(guān)的生物標(biāo)志物在AD超早期診斷中越來越受到學(xué)者們的重視，例如ApoE4等位基因、tau蛋白、Aβ42等，假如這些生物標(biāo)志物出現(xiàn)異常提示時，我們能及時給予患者進(jìn)一步的腦部影像學(xué)相關(guān)檢測，及早監(jiān)控相關(guān)影像學(xué)部位的結(jié)構(gòu)和功能改變，例如對攜帶ApoE4等位基因患者早期監(jiān)控全腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)是否發(fā)生改變等，將有助于AD預(yù)測及早期干預(yù)。

2.3 外泌體早期診斷AD的應(yīng)用

Fiandaca等[33]進(jìn)行了一項時間持續(xù)10年的有關(guān)AD早期診斷的研究，發(fā)現(xiàn)AD患者在神經(jīng)衍生的血漿外泌體中181位點磷酸化的tau蛋白、396位點磷酸化的tau蛋白及長Aβ肽1-42含量較高，早期定量檢測上述外泌體可在臨床癥狀出現(xiàn)前提前10年診斷AD。研究者因此認(rèn)為預(yù)測外泌體中不同種類RNA含量的改變將可成為AD早期診斷的新型標(biāo)志物。另外，Lugli等[34]將AD患者與健康個體血漿外泌體中miRNA進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)miR193b在AD的發(fā)展中起作用，同時在AD患者的腦脊液中也觀察到外泌體miR193b表達(dá)的變化，該研究認(rèn)為miR193b具有成為AD診斷的一種新穎的、非侵入性的、以血液為基礎(chǔ)的生物標(biāo)記物的潛力。馬珺等[35]應(yīng)用實時熒光定量PCR（realtime PCR，RT-PCR）和Western blot檢測RNA結(jié)合蛋白MOV10在阿爾茨海默患者腦組織中的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)MOV10在Aβ處理的人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元中呈高表達(dá)，該研究認(rèn)為，RNA結(jié)合蛋白MOV10可能參與調(diào)控阿爾茨海默病的病理過程。

目前，外泌體檢測還是個全新的領(lǐng)域，外泌體中攜帶著細(xì)胞的DNA、RNA和蛋白質(zhì)等信息，外泌體作為細(xì)胞間通信載體的作用現(xiàn)在已被普遍接受，通過分析外泌體DNA、RNA和蛋白質(zhì)成分的改變，可以直接獲得細(xì)胞的基本信息，與病理組織相比，是個很有發(fā)展前景的無創(chuàng)標(biāo)志物。但考慮到這個領(lǐng)域尚未成熟，關(guān)于外泌體生物學(xué)特性仍有很多懸而未決的基本問題，以及外泌體檢測技術(shù)操作存在繁瑣、分離困難、純化難度大等缺點，要使外泌體檢測成為一種特異而成熟的標(biāo)志物還需待以時日。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，AD病理改變的核心是Aβ對神經(jīng)細(xì)胞的毒性作用，該毒性作用導(dǎo)致AD患者影像學(xué)表現(xiàn)為大腦漸進(jìn)性萎縮，最終導(dǎo)致患者喪失認(rèn)知、喪失身體機(jī)能甚至喪失自理能力。目前國內(nèi)外對AD的研究已經(jīng)逐步深入，涉及到腦部影像學(xué)血流信息改變的研究、常規(guī)海馬白質(zhì)和灰質(zhì)體積測量及功能連接的研究、灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)及不同大腦區(qū)域之間結(jié)構(gòu)和圖論功能連接的研究。另外，阿爾茨海默病遺傳易感基因、β樣淀粉蛋白和外泌體等標(biāo)志物的研究及上述標(biāo)志物對AD患者全腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響的研究也得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。與此同時，人工智能（artificial intelligence，AI）正逐步發(fā)展，也實現(xiàn)了對顱內(nèi)腫瘤和顱內(nèi)血腫的CT/MRI影像智能判讀，但人工智能對AD的影像智能判別研究報道較少。如何根據(jù)AD患者遺傳信息和生物標(biāo)志物結(jié)合顱腦部早期結(jié)構(gòu)改變情況，對人工智能進(jìn)行海量訓(xùn)練，實現(xiàn)AD超早期診斷，并對不同AD易感基因型患者制定個性化的健康管理方案，從而實現(xiàn)早期防范阿爾茲海默病發(fā)生將成為今后AD研究的熱點。