林 嵐，張 格，吳水才

（北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京100124）

0 引言

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是最常見(jiàn)的癡呆癥，預(yù)計(jì)到2050 年全球每85 人中就會(huì)有1 人罹患該病[1]。AD 的病因和發(fā)病機(jī)制迄今尚不明確，因此在診療方法研究方面存在瓶頸。在病理學(xué)上，AD 以大腦皮層內(nèi)廣泛的老年斑和神經(jīng)原纖維纏結(jié)為主要特征性病理表現(xiàn)。其中，細(xì)胞外老年斑的核心是β 淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）的沉積，而神經(jīng)原纖維纏結(jié)的主要成分是過(guò)度磷酸化微管相關(guān)的tau 蛋白。目前，臨床上針對(duì)AD 的病因及發(fā)病機(jī)制有很多學(xué)說(shuō)，如膽堿能神經(jīng)丟失學(xué)說(shuō)、tau 蛋白假說(shuō)、神經(jīng)血管學(xué)說(shuō)、氧化應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞凋亡學(xué)說(shuō)以及Aβ 級(jí)聯(lián)學(xué)說(shuō)等[2]。AD 是由遺傳因素和環(huán)境因素相互影響而發(fā)生的復(fù)雜異質(zhì)性疾病，任何一種學(xué)說(shuō)都不能完全解釋AD 的全部發(fā)病特征。近年來(lái)，隨著對(duì)AD 認(rèn)識(shí)的深入，越來(lái)越多的證據(jù)顯示，AD 在病因、臨床表現(xiàn)、病理改變和病理機(jī)制等方面存在廣泛異質(zhì)性[3]。盡管記憶障礙是AD 的一項(xiàng)主要癥狀，但不同患者的認(rèn)知能力改變也具有異質(zhì)性，即每個(gè)個(gè)體都可能表現(xiàn)出不同程度的記憶、執(zhí)行功能、語(yǔ)言和感知空間能力的衰退。

皮質(zhì)變薄和海馬體積縮小是廣為人知的AD 生物標(biāo)志物。由于MRI 可以度量海馬和內(nèi)嗅皮質(zhì)等受損傷腦區(qū)的組織損傷，基于MRI 的自動(dòng)分析已被廣泛應(yīng)用于研究和分析AD 相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)微變化，為AD 診斷、預(yù)后或預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的信息[4-5]?；隗w素以及多變量模式分類(lèi)的分析方法是最常用的影像分析方法[6]。該分析方法的一個(gè)基礎(chǔ)假設(shè)是存在一個(gè)特定的影像模式可用來(lái)進(jìn)行疾病分類(lèi)。即病理過(guò)程被假設(shè)為一個(gè)一致性的過(guò)程，而這忽略了AD 中廣泛存在的異質(zhì)性。因此，從異質(zhì)性的角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行AD 研究，可以為AD 提供更準(zhǔn)確的臨床診斷、預(yù)后判斷和治療方案。

目前，揭示疾病內(nèi)在異質(zhì)性的方法相對(duì)還比較少，其具體實(shí)現(xiàn)方法可以大致劃分為三大類(lèi)。第一類(lèi)方法一般基于獨(dú)立（臨床）先驗(yàn)信息將AD 樣本細(xì)分為多個(gè)不同的亞型，隨后采用單變量統(tǒng)計(jì)方法來(lái)識(shí)別不同亞型間的影像差異。第二類(lèi)方法直接基于MRI，采用多變量聚類(lèi)的方法來(lái)得到AD 的不同亞型。第三類(lèi)方法一般采用有監(jiān)督和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法來(lái)獲取疾病的異質(zhì)性的發(fā)展軌跡。以下將綜述基于MRI 的AD 異質(zhì)性研究方法，總結(jié)異質(zhì)性研究的結(jié)果，并進(jìn)一步討論該領(lǐng)域研究中存在的一些局限性及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 異質(zhì)性研究方法

1.1 基于先驗(yàn)信息的方法

基于先驗(yàn)信息的方法一般根據(jù)先驗(yàn)的臨床、病理或神經(jīng)影像學(xué)信息來(lái)劃分不同的AD 亞型，然后進(jìn)行單變量統(tǒng)計(jì)分析，以定義不同的腦影像模式。

尸檢的病理結(jié)果常被認(rèn)為是解剖異質(zhì)性的金標(biāo)準(zhǔn)?；?89 例AD 患者的尸檢結(jié)果中的腦內(nèi)特征性病理改變，Murray 等[7]將AD 患者分為3 種亞型。典型的AD 患者約占75%，與其他2 種亞型在神經(jīng)原纖維纏結(jié)的分布上存在著顯著差異。海馬體積保留型患者的神經(jīng)原纖維纏結(jié)計(jì)數(shù)在皮層中出現(xiàn)增加，而在海馬區(qū)出現(xiàn)減少；邊緣為主型AD 患者的神經(jīng)原纖維纏結(jié)計(jì)數(shù)與海馬體積保留型患者相比，在海馬和皮層呈相反的分布趨勢(shì)。后續(xù)的腦萎縮研究中，Whitwell 等[8]發(fā)現(xiàn)這3 種源于神經(jīng)原纖維纏結(jié)的病理亞型對(duì)應(yīng)不同的腦萎縮模式。典型的AD 患者腦萎縮主要位于顳葉內(nèi)側(cè)和顳頂外側(cè)。海馬體積保留型患者具有較多的皮質(zhì)萎縮和較少的海馬萎縮，而邊緣為主型AD 患者則正好相反。腦萎縮模式與尸檢報(bào)告中的神經(jīng)原纖維纏結(jié)病理分布直接相關(guān)，具有重要的臨床價(jià)值。海馬體積與皮質(zhì)體積比可以較好區(qū)分以上提到的幾種AD 亞型。皮層厚度是一種度量AD 嚴(yán)重程度的有效指標(biāo)。Dickerson 等[9]根據(jù)發(fā)病年齡將75 例AD 患者分為早發(fā)型AD（發(fā)病年齡小于65 歲）和晚發(fā)型AD（發(fā)病年齡大于80 歲）2個(gè)患者組，并從皮層厚度角度進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示早發(fā)型AD 患者組的腦萎縮模式更接近于海馬體積保留型，而晚發(fā)型AD 患者組的海馬和內(nèi)側(cè)顳葉的萎縮更明顯。對(duì)應(yīng)于記憶能力，早發(fā)型AD 和晚發(fā)型AD 對(duì)記憶網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的影響存在不同。

輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）是介于正常衰老和AD 之間的一種中間狀態(tài)，遺忘型MCI 是AD 的最高風(fēng)險(xiǎn)人群[10]。Whitwell 等[11]將MCI患者分為單認(rèn)知域遺忘型、多認(rèn)知域遺忘型、單認(rèn)知域非遺忘型和多認(rèn)知域非遺忘型。其中，根據(jù)認(rèn)知障礙對(duì)特定認(rèn)知功能的影響，單認(rèn)知域非遺忘型MCI患者被進(jìn)一步細(xì)分為語(yǔ)言、注意/執(zhí)行和視覺(jué)空間3種亞型。遺忘型患者的腦萎縮模式與AD 早期的腦萎縮模式比較一致，而其他亞型的腦萎縮模式則各有差異。

1.2 基于MRI 的聚類(lèi)方法

基于MRI 的聚類(lèi)方法一般基于體素級(jí)的形態(tài)特征或皮層表面的形態(tài)特征來(lái)進(jìn)行亞型劃分。Noh等[12]通過(guò)對(duì)152 例AD 患者的皮層厚度進(jìn)行聚類(lèi)分析，將AD 患者分為雙側(cè)顳內(nèi)側(cè)萎縮亞型（34.2%）、頂葉萎縮亞型（18.4%）和彌漫性萎縮亞型（47.4%）3種。不同亞型對(duì)象在發(fā)病年齡、性別分布和APOEε4亞型攜帶上有所不同。其中，頂葉萎縮亞型患者對(duì)應(yīng)于早發(fā)型AD，在大多數(shù)認(rèn)知測(cè)試中表現(xiàn)最差。彌漫性萎縮亞型具有最薄的皮層厚度。Ten Kate 等[13]通過(guò)對(duì)灰質(zhì)密度圖的聚類(lèi)分析，將AD 患者分為4 種萎縮亞型：（1）顳葉內(nèi)側(cè)型萎縮：患者一般年齡較大，記憶和語(yǔ)言功能最差，腦脊液tau 蛋白水平最低，腦血管病變最嚴(yán)重；（2）頂枕葉萎縮：執(zhí)行能力、注意力和視空間能力下降且腦脊液tau 蛋白水平升高；（3）輕度萎縮：患者年齡小，認(rèn)知功能最強(qiáng)，但腦脊液tau 蛋白水平最高；（4）彌漫性皮質(zhì)萎縮：認(rèn)知能力居中。Nettiksimmons 等[14]基于基線MRI、腦脊液和血清生物標(biāo)志物，采用基于最小方差和歐氏距離度量的聚類(lèi)方法將138 例MCI 患者分為4 種亞型：（1）正常對(duì)照組相似型：較少對(duì)象在隨訪期轉(zhuǎn)化為AD；（2）早期AD 型；（3）嚴(yán)重萎縮型：tau 蛋白水平幾乎沒(méi)有異常，部分在隨訪期轉(zhuǎn)化為AD；（4）AD 前期型：幾乎全部在隨訪期轉(zhuǎn)化為AD。

聚類(lèi)方法在一定程度上會(huì)對(duì)亞型劃分產(chǎn)生影響。Poulakis 等[15]對(duì)隨機(jī)森林成對(duì)相似性、多維尺度和基于距離的層次聚類(lèi)3 種方法的聚類(lèi)效果進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)基于皮層和皮層下體積測(cè)量及其線性和非線性相互作用的無(wú)監(jiān)督隨機(jī)森林方法具備較好的AD 亞型劃分效果。該方法將AD 患者劃分為2 個(gè)典型的AD 亞型（2 種不同的彌漫性腦萎縮，占71.2%）和3 個(gè)非典型AD 亞型（輕度萎縮型、邊緣為主型和海馬體積保留型，占28.8%）。不同的AD 亞型具有顯著不同的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、臨床和認(rèn)知特征以及不同的認(rèn)知能力衰退率。在患者年齡上，邊緣為主型和2 種典型AD 亞型比輕度萎縮型和海馬體積保留型的年齡大。

1.3 異質(zhì)性軌跡研究方法

異質(zhì)性軌跡方法一般以一組對(duì)象作為參照物，研究其與另一組對(duì)象轉(zhuǎn)化過(guò)程中的異構(gòu)軌跡。

Dong 等[16]將1 243 名受試者分為病理組（MCI 和AD 患者組，N=844）和正常對(duì)照組（N=399），采用統(tǒng)計(jì)分布映射和聚類(lèi)相結(jié)合的概率分布圖算法[17]來(lái)獲得正常對(duì)照組向患者組發(fā)展的異質(zhì)性軌跡。該方法以正常對(duì)照組為參考分布，以由異質(zhì)效應(yīng)引發(fā)的AD作為患者分布，將從參考分布到患者分布的一組轉(zhuǎn)換建模為異質(zhì)效應(yīng)，每個(gè)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)一條病理發(fā)展軌跡。該方法確定了4 種腦萎縮異質(zhì)性軌跡：（1）基本正常的腦萎縮：認(rèn)知和腦脊液生物標(biāo)志物異常最少，并且在隨訪期間臨床進(jìn)展最慢；（2）典型AD 萎縮模態(tài)：認(rèn)知水平、腦脊液生物標(biāo)志物和臨床特征具有典型AD 特征，臨床進(jìn)展最快；（3）顳葉內(nèi)側(cè)萎縮相對(duì)不明顯的彌漫性萎縮：腦脊液Aβ 值異常，執(zhí)行能力損傷更嚴(yán)重；（4）顳葉內(nèi)側(cè)局灶性萎縮：病程進(jìn)展緩慢，可能代表AD 早期階段。Varol 等[18]采用一種半監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法，通過(guò)多個(gè)線性最大邊緣分類(lèi)器組合來(lái)實(shí)現(xiàn)健康對(duì)照組和AD 患者組分類(lèi)，通過(guò)線性子分類(lèi)器來(lái)實(shí)現(xiàn)AD 患者異質(zhì)性軌跡的隱式聚類(lèi)。該方法獲得了3 條AD 萎縮異質(zhì)性軌跡：彌漫性萎縮型（24%）、側(cè)頂葉/顳葉型（51%）和內(nèi)側(cè)顳葉型（25%）。

大腦的加速老化是AD 等神經(jīng)退行性疾病的一項(xiàng)先行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。Eavani 等[19]從大腦加速老化的角度出發(fā)，將健康受試對(duì)象分為正常老化組和加速老化組。采用無(wú)監(jiān)督分布混合建模與有監(jiān)督分類(lèi)器相結(jié)合的專(zhuān)家混合方法同時(shí)評(píng)估加速老化組中結(jié)構(gòu)MRI 和功能MRI 中存在的異質(zhì)性。結(jié)果顯示該方法將大腦加速老化組分成了5 種加速老化軌跡。其中，3 種加速老化軌跡中的腦萎縮和功能完整性改變與AD 患者近似。這些加速老化可能反映了AD在早期階段出現(xiàn)的臨床癥狀。

2 異質(zhì)性研究中存在的一些問(wèn)題

2.1 各類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

異質(zhì)性分析方法主要包括3 種類(lèi)型，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一類(lèi)方法在實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單，但它依賴于先驗(yàn)知識(shí)來(lái)進(jìn)行AD 亞型定義。并且該定義可能難以獲得（如與影像掃描日期接近的尸檢報(bào)告），或者存在一定主觀性（如認(rèn)知量表或臨床評(píng)估）。此外，MRI 數(shù)據(jù)中存在的多元關(guān)系一般容易被忽略。第二類(lèi)方法基于神經(jīng)影像中存在的差異來(lái)進(jìn)行聚類(lèi)，特征模式表達(dá)清晰。但這種聚類(lèi)方法一般傾向于從MRI 數(shù)據(jù)最大變異性的方向?qū)D 患者進(jìn)行分組，獲取的聚類(lèi)結(jié)果并不一定反映的是AD 的病理模式，而有可能是對(duì)象間存在的差異性（性別、年齡和其他混雜因素）。同時(shí)，亞型分析結(jié)果的可解釋性較差。第三類(lèi)方法一般采用有監(jiān)督和無(wú)監(jiān)督結(jié)合的半監(jiān)督算法，同時(shí)解決疾病分類(lèi)和亞型劃分2 個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)病理發(fā)展軌跡的識(shí)別。但一般存在算法較復(fù)雜、類(lèi)別數(shù)不好確定等問(wèn)題。

2.2 異質(zhì)性劃分的相似性與差異性

盡管在異質(zhì)性研究中無(wú)論是所采用方法的類(lèi)型，還是所基于的特征類(lèi)型（腦萎縮、皮層厚度、認(rèn)知量表等）都存在不小的差異，但是獲得的AD 亞型劃分存在一定的關(guān)聯(lián)性。從特征類(lèi)型角度出發(fā)，這些特征類(lèi)型從不同角度對(duì)AD 進(jìn)行了表達(dá)，彼此間存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性。在前期研究中，研究者們獲得了多個(gè)比較一致的AD 亞型：一種或2 種典型的彌散型AD亞型以及多種非典型性AD 亞型[7-8，14-16]。盡管不同的研究結(jié)果存在一定的相似性，但是它們間也存在著一定的差異。不同AD 研究招募的老年受試者在病程、人口統(tǒng)計(jì)學(xué)變量以及各亞型比例分布方面存在不同。同時(shí)，研究中也存在劃分方法以及特征相關(guān)度的差異。這些源于受試者和方法等的差異都會(huì)導(dǎo)致不同研究的異質(zhì)性劃分結(jié)果存在差異。大型AD 影像數(shù)據(jù)庫(kù)可以整合AD 臨床和病理表現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程，從而為異質(zhì)性研究提供更可靠的結(jié)果。未來(lái)的研究中可能需要進(jìn)一步從可靠性、可重復(fù)性出發(fā)對(duì)亞型分類(lèi)進(jìn)行研究。

2.3 從多退行性路徑解釋異質(zhì)性

大多數(shù)研究都認(rèn)為AD 可以被分為幾種亞型，每種亞型有著獨(dú)立的發(fā)展模式。但另一種研究思路是從損失因子表達(dá)的角度，認(rèn)為異質(zhì)性可能反映了多條同時(shí)存在并彼此獨(dú)立的神經(jīng)退行性路徑，AD 異質(zhì)性是這些神經(jīng)退行性路徑共同作用的結(jié)果[20]。Sui等[20]基于隱狄利克雷分配模型從患者全腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖中獲取了AD 患者白質(zhì)的3 個(gè)損失因子：顳額葉損傷因子、頂葉損傷因子和長(zhǎng)纖維束損傷因子，而對(duì)這些損傷因子的不同表達(dá)反映了AD 發(fā)展的異質(zhì)性（如圖1 所示）。進(jìn)一步的研究中，多模態(tài)的隱狄利克雷分配模型[21]被用于同時(shí)提取腦萎縮認(rèn)知障礙因子。該類(lèi)方法可以為AD 異質(zhì)性的臨床癥狀提供更好的解釋。

2.4 異質(zhì)性對(duì)臨床研究的影響

從目前研究的AD 發(fā)病機(jī)制來(lái)看，AD 的致病因素非常復(fù)雜，有效的治療藥物依賴于對(duì)神經(jīng)影像和其他生物標(biāo)志物的深入理解。“Aβ 假說(shuō)”[22-23]是最受學(xué)界和藥企推崇的AD 發(fā)病理論，大腦中Aβ 的積累被認(rèn)為是AD 疾病的起因。但是，Aβ 沉積是AD 發(fā)病的始動(dòng)因素或僅是一個(gè)重要環(huán)節(jié)仍存在爭(zhēng)論。靶向Aβ 的療法主要針對(duì)腦內(nèi)Aβ 沉積展開(kāi)，然而大多在臨床試驗(yàn)中未能阻止病情進(jìn)展。其中一種潛在的解釋是不同患者的發(fā)病機(jī)制可能存在很大差異，單純針對(duì)某一機(jī)制或靶點(diǎn)的治療很難對(duì)全部患者有效[24-26]。如美國(guó)百健公司開(kāi)發(fā)的當(dāng)前最有可能獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)的阿杜那單抗[27]，在ENGAGE 和EMERGE 兩項(xiàng)3 期臨床試驗(yàn)中，一項(xiàng)顯示認(rèn)知能力下降有所減緩，而另一項(xiàng)則顯示患者沒(méi)有臨床獲益。不同患者Aβ沉積的機(jī)制可能有所不同，多項(xiàng)異質(zhì)性研究中都存在腦萎縮模態(tài)與正常老化比較接近且Aβ 積累并不嚴(yán)重的AD 對(duì)象[17]。對(duì)于這些個(gè)體，用于清除大腦中Aβ 積累的藥物效果就可能非常有限。因此，從異質(zhì)性角度出發(fā)，對(duì)每個(gè)AD 患者進(jìn)行精準(zhǔn)化治療，將是今后AD 臨床試驗(yàn)的一個(gè)重要方向[28]。更進(jìn)一步，了解AD 異質(zhì)性來(lái)源對(duì)各種生物標(biāo)志物的影響，將有助于更好地監(jiān)測(cè)靶向治療效果。

圖1 AD 異質(zhì)人群的不同損傷因子表達(dá)[20]

3 結(jié)語(yǔ)

盡管異質(zhì)性研究方法在AD 亞型研究中已取得了不少成果，但是仍然面臨著不少挑戰(zhàn)：（1）影像特征和亞型分類(lèi)方法不同帶來(lái)的結(jié)果差異。（2）數(shù)據(jù)分布不同帶來(lái)的差異。未來(lái)的研究應(yīng)該較多地集中在可靠性、可重復(fù)性、可解釋性以及異質(zhì)性精準(zhǔn)治療等方向，具體如下：（1）基于AD 影像大數(shù)據(jù)，從差異性角度出發(fā)對(duì)不同方法、特征獲得的異質(zhì)性劃分進(jìn)行深入的研究。在不同數(shù)據(jù)集合上測(cè)試該劃分是否可以重復(fù)以及從縱向角度研究個(gè)體對(duì)象在不同時(shí)間點(diǎn)所獲得的亞型劃分是否高度一致。（2）將異質(zhì)性結(jié)果和各種發(fā)病機(jī)理結(jié)合起來(lái)分析，為AD 發(fā)病機(jī)理提供更好的異質(zhì)性解釋。（3）將異質(zhì)性結(jié)果應(yīng)用于臨床治療中，對(duì)臨床治療方案提供有效的指導(dǎo)。