劉悅,董麟瑞,黃圣翔,許麗雪,劉瑞,黃朋舉,李軍,王威,于愛紅

精神分裂癥(schizophrenia,SCZ)是一種復雜的慢性神經精神障礙,病因未明[1],對社會和家庭造成極大的不良影響。SCZ好發(fā)于青春后期或成年早期,表現為偏執(zhí)妄想、幻聽、記憶力差和認知控制能力差。谷氨酸神經遞質異常在精神分裂癥的病理生理機制中起著重要的作用[2]。通過質子磁共振波譜(1H-magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)對大腦特定神經遞質的定量是有限的[3]。1H-MRS對局部腦區(qū)谷氨酸檢測,在較低磁共振場強很難區(qū)別谷氨酸(glutamate,Glu)和谷氨酰胺(glutamine,Gln ),1H-MRS Glu水平常常表達的是Glu和Gln的結合物,即Glx[4]?；瘜W交換飽和轉移技術(chemical exchange saturation transfer,CEST)是一種新的磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)方法,通過施加特定頻率的飽和脈沖,對可交換的質子或分子進行預飽和,然后通過氫質子交換這種飽和傳遞給自由水引起水信號的下降,這種成像技術方法顯示了更高的敏感度[5,6]。其中用于檢測Glu中的胺基質子與自由水之間化學交換的CEST技術,稱之為谷氨酸CEST(glutamate chemical exchange saturation transfer,GluCEST),GluCEST可以定量分析大腦區(qū)域谷氨酸含量[7,8]。本研究基于GluCEST成像技術,比較 SCZ和健康對照組(healthy control,HC)的大腦不同區(qū)域谷氨酸的含量,探討SCZ神經生化物質谷氨酸特點,為SCZ的病理機制研究提供依據。

材料與方法

1.研究對象

本研究納入2022年2月-2022年8月就診于首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院門診的21例SCZ患者。納入標準:①符合《美國精神障礙診斷與統計手冊第5版》(DSM-5)中SCZ診斷標準;②漢族,右利手;③年齡18～60歲,性別不限;④小學以上學歷。排除標準:①患有其他精神障礙病史;②酒精和藥物依賴;③智力障礙;④妊娠或哺乳期婦女;⑤嚴重的身體疾病,主要包括神經系統器質性疾病;⑥磁共振掃描禁忌癥。此外,還納入了年齡與性別相匹配的16例HC。HC為附近社區(qū)的居民、學生健康志愿者。本研究得到了首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準。所有受試者均簽署知情同意書。

2.方法

對SCZ和HC組研究對象收集一般人口學信息表,包括姓名、性別、年齡、受教育程度、利手、重度疾病史、精神病家族史等。采用陽性和陰性癥狀評定量表(positive and negative syndrome scale,PANSS)評估SCZ患者入組時臨床癥狀,其中包括PANSS陽性量表評分、PANSS陰性量表評分、一般精神病理量表評分和PANSS總分。

采用Siemens 3.0T Prisma MR掃描儀進行影像數據采集。在掃描過程中,要求受試者在大腦清醒的狀態(tài)下保持安靜、閉眼、頭部勿動以及正常呼吸,并使用制造商提供的泡沫墊和耳機來限制頭部活動、減少噪音。完成大腦解剖定位后,掃描前需要手動勻場。采集全腦3D高分辨率結構像(T1WI)數據,結構相數據采用三維磁化強度預備梯度回波序列(three dimensional magnetization prepared rapid gradient echo,3D-MPRAGE)。高分辨率結構像數據采集參數:TR 2530 ms,TE 1.85 ms,翻轉角9°,像素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm,FOV 256 mm×256 mm,層厚1 mm,層數192。采集GluCEST數據,采集參數為B1場強:TR 3500 ms,TE 17 ms,像素大小1.4 mm×1.4 mm×2.8 mm, FOV 212 mm×212 mm,層厚2.79 mm,層數648;B0場強:TR 30 ms,TE 4.92 ms,像素大小1.4 mm×1.4 mm×2.8 mm,FOV 212 mm×212 mm,層厚2.79 mm,層數288。共計耗時約14 min。

3.圖像分析和處理

選用FSL(V6.0, FMRIB, Oxford University)FLIRT模塊工具,對GluCEST圖像進行配準以校正運動偽影,將GluCEST圖像與3D結構圖像進行配準重建,使配準后的圖像具備空間一致性。利用Freesurfer 6.0軟件后處理模塊對3D結構圖像進行分割,將分割結果變換成與重建后的CEST圖像同維度,再利用圖像矩陣對配準后的GluCEST圖像進行不同腦區(qū)分割。提取出海馬、杏仁核、丘腦、尾狀核、胼胝體、皮層下、額葉、頂葉、枕葉和顳葉十個大腦感興趣區(qū)(ROI),分別計算各3D ROI內GluCEST圖像的平均值,代表此區(qū)域內Glutamate含量的平均水平。所有的CEST圖像處理經MATLAB的CEST圖像定量分析系統實現CEST數據的自動快速處理(圖1)。

圖1 Freesurfer 6.0軟件分割不同腦區(qū)示意圖。

獲得的CEST圖像利用非對稱分析方程式計算得出GluCEST量化參數圖,定量分析磁化轉移率不對稱性(magnetization transfer ratio asymmetry, MTRasym):

MTRasym(Δω) = MZW(Δω)-MZW(-Δω)/M0W[9]

(1)

其中Δω 為兩個質子池之間的固有頻率差值,M0W為不施加飽和脈沖掃描所獲得的圖像,MZW(-Δω)和MZW(Δω)分別向偏離水質子峰-3.0 ppm及+3.0 ppm處施加飽和脈沖后掃描所獲得的信號。為了去除其他因素的影響,Ling等[10]及Zaiss等[11]對量化參數進行歸一化,得到被參考值標準化的化學交換飽和轉移效應比率(CESTR normalized with the reference value,CESTRnr)和基于倒Z譜分析的磁化轉移率(magnetization transfer ratio relaxation due to exchange,MTRRex)。

4.統計學分析

結 果

1.一般資料和量表評分

人口學資料和臨床量表的評分結果見表1。SCZ和HC兩組之間性別、年齡差異均無統計學意義(P>0.05)。SCZ組患者PANSS陽性量表評分為9.95±3.17,PANSS陰性量表評分為11.48±7.41,一般精神病理量表評分為23.76±7.37,PANSS總分為45.20±16.45。

表1 精神分裂癥與健康對照組一般資料比較

2.額葉和海馬GluCEST測量值水平的比較

分析SCZ和HC對照組GluCEST水平,分割、計算大腦區(qū)域海馬、杏仁核、丘腦、尾狀核、胼胝體、皮層下、額葉、頂葉、枕葉和顳葉谷氨酸水平。在額葉和海馬腦區(qū),SCZ組與HC對照組GluCEST量化參數值MTRasym、CESTRnr、MTRRex差異均有統計學意義(P<0.05);相對于HC組,SCZ患者額葉GluCEST值明顯升高(P<0.05);相對于HC組,SCZ患者海馬GluCEST值明顯降低(P<0.05),見表2,圖2～4。杏仁核、丘腦、尾狀核、胼胝體、皮層下、頂葉、枕葉和顳葉在SCZ組與HC對照組之間差異無統計學意義(P>0.05)。

表2 精神分裂癥與健康對照有差異腦區(qū)谷氨酸水平

圖2 相對于HC組,SCZ患者額葉MTRasym值明顯升高(P<0.05);相對于HC組,SCZ患者海馬MTRasym值明顯降低(P<0.05)。 圖3 相對于HC組,SCZ患者額葉CESTRnr值明顯升高(P<0.05);相對于HC組,SCZ患者海馬CESTRnr值明顯降低(P<0.05)。 圖4 相對于HC組,SCZ患者額葉MTRRex值明顯升高(P<0.05);相對于HC組,SCZ患者海馬MTRRex值明顯降低(P<0.05)。

3.額葉和海馬GluCEST測量值與PANSS量表評分的相關分析

SCZ患者的額葉、海馬谷氨酸水平與PANSS陽性、陰性癥狀量表評分、一般精神病理量表評分和PANSS總分均無明顯相關性(r=-0.15～0.19,P>0.05)。

討 論

本研究基于GluCEST成像,通過測量SCZ組和HC組大腦中的谷氨酸水平來研究SCZ谷氨酸神經遞質的異常。結果顯示,與HC相比,SCZ組額葉和海馬腦區(qū)存在谷氨酸水平的明顯差異,表現為SCZ組額葉谷氨酸水平升高,而在海馬谷氨酸水平降低。結果顯示了SCZ特定腦區(qū)谷氨酸神經遞質水平的異常。

SCZ的發(fā)病機制復雜,已有各種假說。備受關注的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體功能下降被認為是SCZ病理生理機制的主要基礎[12]。NMDA受體功能障礙會引起谷氨酸水平失衡[13]。谷氨酸類化合物[Glutamate(Glu)+谷氨酰胺Glutamine(Gln)=Glx]可以通過1H-MRS檢測,Glu和Gln峰顯著重疊,難以分辨,這使得MRS單獨定量Glu困難[14]。Cai等[8]發(fā)現GluCEST能在無創(chuàng)的情況下得到Glu準確的量化,與傳統的1H-MRS相比,GluCEST成像具有更好的空間分辨率,而且不受Gln干擾,可以更精準地觀察到Glu水平的分布改變。本研究通過GluCEST成像發(fā)現SCZ患者額葉Glu水平升高。既往文獻提示基于1H-MRS發(fā)現部分SCZ患者腦內的Glx水平明顯升高,Gln水平也增加[15],這與本研究SCZ患者額葉Glu水平升高的結果類似。額葉是多種精神障礙易受累腦區(qū),本結果可能反映了受累腦區(qū)Glu突觸活動的進行性減少,神經傳遞功能失調[13]。

本研究還發(fā)現GluCEST成像SCZ組海馬谷氨酸水平降低。海馬是精神分裂癥中關鍵功能和結構異常的部位[16]。越來越多的研究證據[17]表明,海馬功能障礙可能與精神分裂癥的病理生理學有關,尤其是海馬區(qū)域的Glu水平異常。既往關于海馬Glu水平的研究較少,這有可能由于海馬的1H-MRS具有挑戰(zhàn)性,因為該區(qū)域體積小且靠近骨骼結構,導致體素尺寸小,敏感性變化大,從而影響信噪比和波譜分辨率[18]?，F有關于海馬Glu水平的研究較少,結果也不一致:Rauchmann等[19]發(fā)現1H-MRS檢測首發(fā)SCZ患者的海馬的Glx水平下降。但也有研究臨床高?；蚋唢L險(clinical high risk,CHR)人群、首發(fā)SCZ及HC組之間的Glu代謝物沒有差異[20,21]。Shakory等[16]報道CHR組的海馬Glu代謝物較低,表明疾病早期海馬神經化學異常,而且還發(fā)現未服用藥物的SCZ患者的海馬Glx水平高于HC。還需要對同質SCZ患者進行進一步研究,探索海馬腦區(qū)的Glu代謝物水平。

SCZ患者Glu水平與臨床癥狀的相關性研究沒有取得一致性結果。大部分研究未發(fā)現Glu與陽性癥狀的相關性[22-24]。Glu與陰性癥狀的相關性也不一致,有報道其與認知下降和陰性癥狀主要精神病理癥狀有關[25],也有報道無相關[26]。本研究分別對SCZ患者額葉和海馬Glu含量與PANSS陽性、陰性癥狀量表評分進行了相關分析,結果沒有相關性。其可能原因為:本研究中SCZ患者組以臨床緩解期居多,藥物治療后臨床癥狀減少,且本研究病例數較少,這些原因可能影響相關分析結果。還需進行進一步研究探索。

本研究仍存在不足之處:第一,本研究的每組樣本量較小,沒有進一步根據SCZ臨床發(fā)展的首發(fā)、復發(fā)、緩解期進行分組,有待進一步擴大樣本量分組進行研究;第二,入組的部分患者服用抗精神分裂癥藥物治療,雖然精神藥物對大腦的影響仍有爭議,但我們不能排除這些藥物的混雜效應;第三,本研究是橫斷面研究,無法研究SCZ患者腦內Glu水平的變化。同時,本研究為一項初步研究,更精細腦區(qū)的測量是下一步深入研究的方向。

綜上所述,本研究初步發(fā)現SCZ患者的GluCEST成像額葉和海馬Glu神經遞質水平異常,提示GluCEST可定量檢測大腦Glu神經遞質異常,為SCZ的病理機制提供依據。