李卓然 魏新華 江新青
阿爾茨海默病(Alzheimer 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(huì)逐漸下降甚至生活完全不能自理,嚴(yán)重者會(huì)呈現(xiàn)全面性癡呆[1],給患者、家庭和社會(huì)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(guó)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(guó)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(lái),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(zhǎng)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(shí)間空間變化等研究[4]受到廣泛關(guān)注。本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于影像技術(shù)和分子檢測(cè)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。
Dolek等[5]用磁共振成像方法測(cè)量癡呆患者,并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(cè)對(duì)高度懷疑可能患有AD的患者,可通過(guò)磁共振成像技術(shù)定期隨訪患者海馬體積的變化來(lái)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(bào)道,阿爾茨海默病癡呆患者言語(yǔ)學(xué)習(xí)記憶的局部腦體積會(huì)發(fā)生丟失,證明AD的語(yǔ)言缺陷不僅與顳葉邊緣皮質(zhì)萎縮有關(guān),同時(shí)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(duì)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(shí)等3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn))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(duì)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(guò)測(cè)量?jī)?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(guò)常規(guī)顱腦部MRI檢測(cè),并對(duì)上述區(qū)域改變狀況進(jìn)行詳細(xì)描述、對(duì)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(cè)量時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量要求較高,同時(shí)判讀者的主觀因素對(duì)測(cè)量影響較大,因此,要得到一個(gè)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(shí)也要進(jìn)一步制定規(guī)范化的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),還要提高閱片人員的判讀能力。
隨著人工智能時(shí)代的發(fā)展,計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)深度學(xué)習(xí)和訓(xùn)練可快速自動(dòng)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(duì)阿爾茨海默病進(jìn)行預(yù)測(cè)與分類[11]。Jiménez-Huete等[12]認(rèn)為,可用前后緣(anteroposterior limbic,APL)與初級(jí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)阿爾茨海默癥患者腦部磁共振圖像進(jìn)行了分割海馬實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(huì)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(lái)預(yù)測(cè)病情的短期發(fā)展。還有文獻(xiàn)報(bào)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(duì)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(xiàng)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(duì)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(duì)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(wú)關(guān),而功能網(wǎng)絡(luò)的改變是MCI中PCC功能的重要預(yù)測(cè)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(duì)大腦功能研究的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。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(gè)患者的具體情況是千變?nèi)f化的,沒有一個(gè)是完全相同的案例,因此,如何才能有效地訓(xùn)練計(jì)算機(jī),教會(huì)計(jì)算機(jī)通過(guò)深度學(xué)習(xí)各種千差萬(wàn)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(shí)日。
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(duì)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)?、高度互?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(dòng)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(zhǎng)[18-19],近年來(lái),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(hào)(electroencephalogram,EEG)/腦磁信號(hào)(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(gè)新的視角。最近一項(xiàng)對(duì)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?,AD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(píng)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(duì)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(zhǎng)度較長(zhǎng),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(duì)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(guò)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(lái)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。
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(xiǎn)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(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用。ApoE基因的多態(tài)性還會(huì)影響對(duì)頭部創(chuàng)傷的反應(yīng),降低對(duì)衰老和其他一些疾病的認(rèn)知能力,不同基因型ApoE通過(guò)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(gè)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(guó)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(duì)照組,血漿Aβ42、腦脊液Aβ42水平顯著低于正常對(duì)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(duì)阿爾茨海默病早期診斷有較高的臨床應(yīng)用價(jià)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(duì)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(shí)可能會(huì)增加發(fā)展為AD的風(fēng)險(xiǎn),其原因是TREM2變異體阻斷了小膠質(zhì)細(xì)胞信號(hào)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(lái)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(diǎn),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?cè)谘芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些位點(diǎn)突變或特定基因型可能與AD相關(guān),那么我們應(yīng)該對(duì)突變位點(diǎn)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(yàn)證該基因功能是否能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)疾病性狀,這將是今后我們要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。
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(diǎn)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(huì)改變整個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(shí)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(lái)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(shí),我們能及時(shí)給予患者進(jìn)一步的腦部影像學(xué)相關(guān)檢測(cè),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(duì)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(cè)及早期干預(yù)。
Fiandaca等[33]進(jìn)行了一項(xiàng)時(shí)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(diǎn)磷酸化的tau蛋白、396位點(diǎn)磷酸化的tau蛋白及長(zhǎng)Aβ肽1-42含量較高,早期定量檢測(cè)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(cè)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(gè)體血漿外泌體中miRNA進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)miR193b在AD的發(fā)展中起作用,同時(shí)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(shí)時(shí)熒光定量PCR(realtime PCR,RT-PCR)和Western blot檢測(cè)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(guò)程。
目前,外泌體檢測(cè)還是個(gè)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(guò)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(gè)很有發(fā)展前景的無(wú)創(chuàng)標(biāo)志物。但考慮到這個(gè)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(wèn)題,以及外泌體檢測(cè)技術(shù)操作存在繁瑣、分離困難、純化難度大等缺點(diǎn),要使外泌體檢測(cè)成為一種特異而成熟的標(biāo)志物還需待以時(shí)日。
綜上所述,AD病理改變的核心是Aβ對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)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(duì)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(shí),人工智能(artificial intelligence,AI)正逐步發(fā)展,也實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)AD的影像智能判別研究報(bào)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(duì)人工智能進(jìn)行海量訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)AD超早期診斷,并對(duì)不同AD易感基因型患者制定個(gè)性化的健康管理方案,從而實(shí)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(diǎn)。