車伯琛 陰慧娟 吳金鵬 李迎新

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192

0 引 言

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease, AD）起病隱匿，早期易出現(xiàn)記憶障礙，進(jìn)而其他認(rèn)知域功能不斷惡化。據(jù)估計(jì)，2050 年中國AD 患者可達(dá)2 800 萬[1]。AD 可致患者出現(xiàn)失認(rèn)、失語、失用，抽象思維、視空間定向受損，甚至伴有行為改變[2]，從而加重了患者的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)。

關(guān)于AD 的病因機(jī)制，當(dāng)前多認(rèn)為是由于腦神經(jīng)元淀粉樣變和后續(xù)的神經(jīng)元纖維互相纏結(jié)所致。若能通過實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)開展早期診斷，就可對其及時進(jìn)行干預(yù)或治療。因此發(fā)掘有效標(biāo)志物，結(jié)合多模影像檢查建立早診體系，可改善AD 患者的生活質(zhì)量，減輕其負(fù)擔(dān)。本文就此作一綜述，以期為AD 的早期診斷提供依據(jù)。

1 神經(jīng)心理評估

輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment, MCI）是AD 的臨床前期。神經(jīng)心理學(xué)量表可檢測并評定認(rèn)知損害程度。其中，簡易智能狀態(tài)量表（mini-mental state examination,MMSE）敏感度高、操作方便，適于大樣本調(diào)查，但其分值易受評估對象的學(xué)歷影響。MMSE 不適于低學(xué)歷人群，其用于高學(xué)歷人群亦可能出現(xiàn)假陰性或假陽性[1]。與MMSE 相比，蒙特利爾認(rèn)知評估量表（Montreal cognitive assessment,MocA）具有更高的靈敏度和特異度，評定的認(rèn)知領(lǐng)域更廣，可篩查MCI 確診但MMSE 分值正常的患者[1-2]。而記憶與執(zhí)行功能篩查量表（memory and executive screening scale, MES）的評定內(nèi)容廣，可鑒別MCI 和AD[1，3-4]，耗時短，靈敏度和特異度高，不易受學(xué)歷影響，更易被醫(yī)患接受。

綜上所述，MMSE 操作方便，但易受學(xué)歷影響，不適于早篩；MocA 評定范圍廣，受學(xué)歷影響小，可用于早期診斷；MES 對不同程度的認(rèn)知障礙患者均能較好鑒別。在臨床工作中，醫(yī)生應(yīng)知曉不同量表的功能差異，靈活選擇以進(jìn)行精準(zhǔn)篩查。

2 神經(jīng)影像技術(shù)

神經(jīng)影像技術(shù)的特點(diǎn)在于可體外無創(chuàng)監(jiān)測腦結(jié)構(gòu)和功能的變化。功能性磁共振成像（functional MRI,fMRI）和正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（positron emission tomography,PET）既可分析腦解剖結(jié)構(gòu)，還能檢測腦相關(guān)區(qū)域的代謝變化；而結(jié)構(gòu)神經(jīng)成像，包括CT 與MRI，可測量大腦皮層的形態(tài)學(xué)指標(biāo)（如厚度、體積）。

2.1 結(jié)構(gòu)影像技術(shù)

AD 患者腦萎縮常見于海馬、內(nèi)側(cè)顳葉、內(nèi)嗅皮質(zhì)、杏仁核等部位，易擴(kuò)散至顳側(cè)新皮質(zhì)區(qū)[5]。AD 前期海馬區(qū)已有萎縮，并隨病程進(jìn)展而加重，表明采用腦形態(tài)學(xué)測量技術(shù)可評估AD 進(jìn)展。筆者認(rèn)為將多種標(biāo)志物相結(jié)合，能更有效地鑒別MCI 和AD。將結(jié)構(gòu)性磁共振成像（structural MRI,sMRI）中的基于體素的形態(tài)學(xué)測量、彌散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）測量和腦脊液蛋白成分分析相結(jié)合，能鑒別91%的遺忘型MCI[6-8]。因此，測量海馬體積可有效評估預(yù)判AD 的進(jìn)展。

sMRI 通過測量腦萎縮來評估AD 進(jìn)展，常用方法包括結(jié)構(gòu)分析（體素）和表征分析（皮層表面），主要基于密度圖（灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液）和皮層表面（頂點(diǎn)形態(tài)）特征提取。使用全腦灰質(zhì)密度圖和支持向量機(jī)（support vector machines,SVM）對AD 患者和健康人群分類時，可見AD 患者海馬密度偏低[7]。Li 等[9]計(jì)算了腦表面頂點(diǎn)區(qū)域維度，包括皮層厚度、腦溝深度、曲率等指標(biāo)，以區(qū)分MCI 患者與健康群體。在區(qū)分AD 和行為變異型額顳葉癡呆時，也可運(yùn)用類似方法，其準(zhǔn)確度達(dá)80%[10-11]。Liu 等[12]采用了另一種思路，即將圖像在不同模板中配準(zhǔn)，從模板中提取區(qū)域特征，以原圖為主數(shù)據(jù)源，其他匹配圖為輔助源，再采用SVM 對每組提取特征單獨(dú)訓(xùn)練，用多數(shù)投票法進(jìn)行融合。這種降維法在區(qū)分進(jìn)展型與穩(wěn)定型MCI 時準(zhǔn)確度達(dá)78.88%。由此衍伸出結(jié)構(gòu)化深度學(xué)習(xí)手段，即以多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從影像數(shù)據(jù)提取變維信息[13]，下文將述及此內(nèi)容。

2.2 功能影像技術(shù)

2.2.1 MRI

目前，血氧水平依賴的靜息態(tài)fMRI（restingstate fMRI,rs-fMRI）已用于分析AD 患者的腦功能。Ogawa 和Lee[14]闡述了其成像基礎(chǔ)：神經(jīng)元興奮時，局部激活區(qū)域血流量的增加大于耗氧量的增加，激活區(qū)的去氧血紅蛋白較非激活區(qū)減少，而具有順磁性的去氧血紅蛋白可縮短T2*的作用，故激活區(qū)相對于非激活區(qū)T2*WI 呈高信號，激活則反映了該區(qū)域血流量和氧水平的增加。rs-fMRI 可檢測腦內(nèi)自發(fā)神經(jīng)活動，定位默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)（空間活動相對一致且功能相似的腦區(qū)組成的功能網(wǎng)域），該區(qū)在靜息態(tài)時保持高水平活動，在任務(wù)態(tài)時水平減低[15-16]。AD可破壞默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的腦區(qū)活動，切斷腦區(qū)間的功能連接[17-18]。此現(xiàn)象早于臨床癥狀，故rs-fMRI 可用于檢測AD 患者早期的腦功能異常[19]。磁共振波譜分析技術(shù)可對某些生化成分進(jìn)行定量分析。在AD 早期，腦內(nèi)代謝物水平變動早于形態(tài)改變，相應(yīng)指標(biāo)包括N-乙酰天門冬氨酸（N-acetylaspartate, NAA）、肌酸復(fù)合物（creatine，Cr）、膽堿和肌醇。與健康組比較，MCI 組和AD 組海馬部位的NAA/Cr 比值降低；左腦半球肌醇/Cr 比值和NAA/肌醇比值亦存在組間差異。這說明磁共振波譜分析可在一定程度上輔助鑒別MCI 與AD。

DTI 可用于監(jiān)測腦組織中水分子的彌散度。AD患者腦白質(zhì)纖維完整性易受損，利用DTI 分析彌散度參數(shù)，可鑒別MCI 與AD。該技術(shù)主要基于纖維束成像、判別體素選擇及結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)測量。Nir 等[20]利用纖維束成像計(jì)量了最大密度路徑基準(zhǔn)的各向異性分?jǐn)?shù)和平均彌散率，以區(qū)分MCI 與AD；Wee等[21]從腦區(qū)的纖維量入手，構(gòu)建了白質(zhì)纖維連接網(wǎng)用于鑒別MCI；而Dyrba 等[22]通過選擇體素、降低DTI 數(shù)據(jù)維度來計(jì)算所選體素的各向異性分?jǐn)?shù)和平均彌散率，以鑒別MCI 與AD。

Tang 等[23]以sMRI 測量海馬，并聯(lián)合DTI 來分類AD，用主成分分析減少噪音特征，通過判別分析、SVM 構(gòu)建分類器。Schouten 等[24]則測量了腦靶區(qū)局部體積、彌散度及rs-fMRI 特征,以邏輯彈性架構(gòu)鑒別77 例AD 患者和173 名健康對照人群，其分類準(zhǔn)確性、特異度和靈敏度分別達(dá)89.6%、92.7%和82.6%。sMRI 是此類研究的主要模式，還有研究人員將其與PET 矢量、認(rèn)知評估分值、腦脊液分析相結(jié)合，構(gòu)建AD、MCI 分類器，準(zhǔn)確度達(dá)87%[25-28]。

2.2.2 PET

PET 主要是利用針對AD 病理靶點(diǎn)的顯像劑對AD 進(jìn)行篩查。其中糖代謝顯像劑18F 標(biāo)記的脫氧葡萄糖（18F-2-fluora-deoxy-D-glucose,18F-FDG）和β 淀粉樣蛋白（β-amyloid protein,Aβ）顯像劑最為常用。18F-FDG PET 可顯示腦區(qū)的葡萄糖代謝改變，AD 患者葡萄糖代謝減低的腦區(qū)涉及顳頂區(qū)、顳葉內(nèi)側(cè)和后扣帶回，受累區(qū)常隨病程進(jìn)展而增加[29]。因此18FFDG PET 可用于評價AD 療效和預(yù)后。與穩(wěn)定型MCI相比，進(jìn)展型MCI 患者腦后扣帶回與頂葉區(qū)域的代謝活性明顯減低[29-30]。Aβ 顯像劑專門針對腦內(nèi)淀粉樣蛋白顯像，以匹茲堡復(fù)合物B（Pittsburgh complex-B,PiB）最具代表性，11C 標(biāo)記的PiB 可與淀粉樣蛋白特異性結(jié)合，在MCI 階段即可識別AD 患者[30]。但AD 患者Aβ 沉積在早期即已飽和，故腦淀粉樣蛋白沉積量與AD 進(jìn)展無正相關(guān)，即PiB PET 不適于衡量病情進(jìn)展。18F-FDG PET 雖可反映病情進(jìn)展，但有時難以將AD 與其他非典型額顳葉癡呆及路易體癡呆相鑒別，而淀粉樣蛋白對額顳葉癡呆及路易體癡呆影響較小，故PiB PET 可用于AD 鑒別診斷?？傊?，18F-FDG PET 和PiB PET 可在AD 早期診斷中相互輔助，PiB PET 可篩查AD 高危人群，18F-FDG PET則可評估診療進(jìn)展和預(yù)后，兩者聯(lián)合使用更利于精準(zhǔn)診斷。

2.3 基于MRI 的人工智能在AD 診斷中的應(yīng)用

關(guān)于是否可從影像學(xué)角度預(yù)判MCI 向AD 的轉(zhuǎn)化，已有研究人員從sMRI、PET 和部分非成像模態(tài)入手進(jìn)行研究，結(jié)果顯示MRI 可預(yù)測分析MCI向AD 轉(zhuǎn)化的概率[31-40]。Ritter 等[31]建立了特征集，包含多個成像、非成像方式特征，如sMRI、FDG PET、腦脊液成分、神經(jīng)心理評估、既往史、基線信息和神經(jīng)科檢查。特征選擇后以SVM 設(shè)計(jì)分類器，預(yù)測分類了3 年內(nèi)86 例轉(zhuǎn)化為AD 的MCI 患者及151 例未轉(zhuǎn)化的MCI 患者，再將同一模態(tài)提取特征封裝內(nèi)核分類器，保留單模完整性并分析模態(tài)間差異。Luo等[32]利用3D 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從sMRI 圖像探析亞皮層結(jié)構(gòu)。Hosseini-Asl 等[33]應(yīng)用3D 飽和嵌入架構(gòu)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式鑒別AD、MCI 與健康人群，準(zhǔn)確度高達(dá)90%。Zhang 等[34]集合sMRI、PET 與腦脊液檢測數(shù)據(jù)，用多核學(xué)習(xí)架構(gòu)MCI 患者與健康對照人群的分類器，分類18 個月內(nèi)轉(zhuǎn)化與未轉(zhuǎn)化為AD 的MCI 患者；當(dāng)運(yùn)用10 倍交叉驗(yàn)證法時，分類器的特異度為66%，靈敏度為81.8%。還有研究人員嘗試以不同手段預(yù)測MCI 轉(zhuǎn)化，如增加輔助元數(shù)據(jù)、采用多任務(wù)學(xué)習(xí)模式[35]、并行分析縱向多模態(tài)圖像數(shù)據(jù)的推演[36]以及利用MCI 患者以外數(shù)據(jù)[41-42]。

3 生物標(biāo)志物檢測

AD 患者的生物標(biāo)志物與病理表現(xiàn)密切相關(guān)，其在AD 早期診斷、預(yù)測MCI 向AD 轉(zhuǎn)化及診療評估中發(fā)揮重要作用，主要包括外周血、腦脊液和尿液生物標(biāo)志物。

3.1 血液生物標(biāo)志物

3.1.1 Aβ

AD 患者腦組織中聚集大量的Aβ，若發(fā)展為斑塊可引起神經(jīng)元變性，這是AD 的病理基礎(chǔ)。在β 蛋白肽鏈C 端含有42 個氨基酸的蛋白稱為Aβ42。Aβ42較其他蛋白更早出現(xiàn)聚集，常作為AD 診斷的標(biāo)志物[3]。但動物模型血液中的Aβ42濃度變化較人體更為明顯。

3.1.2 同型半胱氨酸

同型半胱氨酸（homocysteine,Hcy）為蛋氨酸去甲基產(chǎn)生的一種含硫氨基酸中間代謝產(chǎn)物。維生素B 缺乏及遺傳因素可使Hcy 升高，而血清Hcy 升高具有神經(jīng)毒性，可導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡并引起認(rèn)知功能受損。有臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，AD 患者血清Hcy 升高與認(rèn)知功能障礙嚴(yán)重程度正相關(guān)，提示其可能為AD 患者的高危因素[43]。

3.1.3 S100B 蛋白

S100B 蛋白存在于腦組織中，由神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞合成和分泌，為細(xì)胞內(nèi)部信息的傳遞中介。生理情況下，低水平的S100B 蛋白保護(hù)神經(jīng)元；病理情況下，高水平的S100B 蛋白通過炎癥激活產(chǎn)生細(xì)胞毒而致?lián)p神經(jīng)元。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，AD 患者的血清S100B 蛋白水平顯著升高[44-47]。由此可推斷，高水平的S100B 蛋白與AD 的發(fā)展可能互為因果。

3.2 腦脊液生物標(biāo)志物

3.2.1 Aβ42

腦脊液與神經(jīng)元直接接觸，壞死的神經(jīng)元會與腦脊液交換代謝產(chǎn)物，因此檢測腦脊液標(biāo)志物可相對直接地反映神經(jīng)元的損傷程度。據(jù)報(bào)道，部分AD患者腦脊液中的Aβ42水平較低，并與腦內(nèi)斑塊數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。淀粉樣斑塊沉積是Aβ42減少的病理基礎(chǔ)。腦脊液中的總Aβ42水平可作為評估斑塊負(fù)荷的潛在標(biāo)志物。但因腦脊液取材有創(chuàng)，患者難以接受，致其尚未在臨床推廣。AD 患者體內(nèi)的Aβ42會隨病情加重逐漸聚留于腦組織中，而外周血中的Aβ42大部分由骨骼肌等組織分泌，其水平受肝代謝影響，因此諸多因素會干擾Aβ42對AD 的診斷[48-50]。

3.2.2 tau 蛋白與磷酸化tau 蛋白

總tau（t-tau）蛋白是含磷酸基的微管蛋白，可維持神經(jīng)元微管穩(wěn)定。AD 患者腦脊液的t-tau 蛋白水平升高[51]。腦脊液t-tau 蛋白水平的動態(tài)變化可反映大腦神經(jīng)元的急慢性損傷程度，高水平t-tau 蛋白與認(rèn)知功能下降及AD 死亡率相關(guān)，此外t-tau 蛋白水平的增值還可預(yù)判MCI 向AD 的轉(zhuǎn)化。

p-tau 蛋白是過度磷酸化的tau 蛋白，AD 患者中的p-tau 蛋白易聚合為成對的螺旋細(xì)絲，從而促進(jìn)了神經(jīng)纖維纏結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)。神經(jīng)纖維纏結(jié)和神經(jīng)元變性是AD 的基本病理特征，腦脊液p-tau 蛋白與神經(jīng)纖維纏結(jié)更緊密相關(guān)，因此更具特異性，可用于鑒別AD 與其他神經(jīng)退行性疾病。就MCI 患者而言，高濃度腦脊液p-tau 蛋白與認(rèn)知功能受損相關(guān)[52]，因而又可用于分析MCI 向AD 的轉(zhuǎn)化概率。

腦脊液標(biāo)志物p-tau 蛋白與Aβ42聯(lián)合能更好地反映疾病的進(jìn)展階段[53-54]。t-tau/Aβ 比值具有較穩(wěn)定的范圍，通過適當(dāng)設(shè)定閾值可預(yù)測MCI 轉(zhuǎn)化為AD 的概率。t-tau 蛋白和Aβ42雖可用于AD 診斷，但缺乏特異性，而p-tau 蛋白可較準(zhǔn)確地預(yù)測MCI 轉(zhuǎn)化為AD的概率，有利于鑒別診斷。上述3 種腦脊液標(biāo)志物在AD 早期診斷、預(yù)判轉(zhuǎn)化概率及鑒別診斷中各有所長，3 者組合運(yùn)用可能具有更高的診斷準(zhǔn)確度[55-56]。

3.3 尿液生物標(biāo)志物

腦脊液中含有多種標(biāo)志物，且部分屬類具有診斷特異性，但腦脊液檢測有創(chuàng)，患者接受程度低，故人們試圖尋找其他體液指標(biāo)。AD 相關(guān)神經(jīng)絲蛋白（Alzheimer disease related neural thread protein,AD7c-NTP）由神經(jīng)元合成，聚集于神經(jīng)元軸突部。當(dāng)tau蛋白過度磷酸化時，若神經(jīng)元出現(xiàn)變性壞死，會釋放AD7c-NTP至腦脊液中，此時腦脊液中的AD7c-NTP水平會顯著升高，且與病情嚴(yán)重程度密切相關(guān)[57]。AD患者尿液中的AD7c-NTP 水平亦與病情嚴(yán)重程度正相關(guān)[57-58]，且明顯高于MCI 患者及健康對照人群。相對于腦脊液與血液，尿液標(biāo)本取材方便、經(jīng)濟(jì)無創(chuàng)，故測定尿液中的AD7c-NTP 水平有助于AD 的早期診斷及鑒別診斷。其局限在于對尿液標(biāo)本要求較高，結(jié)果易受飲水量干擾，所以在取樣時應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)操作，避免污染。

3.4 視網(wǎng)膜表面Aβ 斑

從視網(wǎng)膜等視覺通路尋找Aβ 斑是AD 早期診斷的一種新手段。眼底Aβ 斑含量變化與病變腦區(qū)Aβ 斑的含量變化呈正相關(guān)，故可通過分析測定眼底Aβ 斑輔助AD 的早期診斷。有研究人員讓目標(biāo)人群口服姜黃素，繼而行眼底圖拍攝、分析圖像斑塊區(qū)來預(yù)判AD 風(fēng)險(xiǎn)，在一定程度上提高了篩查效率。但該法受主病種并發(fā)癥的影響，陽性率會偏低，僅為29.41%[59]。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，眼底照相檢查已愈發(fā)普及，筆者認(rèn)為該法頗具前景，未來可通過靶區(qū)域血管分析提高斑塊圖的細(xì)節(jié)識別，進(jìn)而提升臨床診斷效率。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，筆者認(rèn)為單一手段尚不能滿足AD的臨床診斷需求。在AD 早期診斷、預(yù)判MCI 向AD轉(zhuǎn)化概率、鑒別診斷AD 與其他神經(jīng)退行性疾病等領(lǐng)域，文中所述檢測技術(shù)各有側(cè)重，診斷效應(yīng)各異。其中神經(jīng)心理評估與影像檢查結(jié)合可提高M(jìn)CI 的篩查效率，臨床醫(yī)護(hù)人員皆可操作，患者樂于接受，便于推廣；結(jié)構(gòu)成像與功能成像結(jié)合可實(shí)現(xiàn)形態(tài)與功能診斷之優(yōu)勢互補(bǔ)；功能成像還可在腦結(jié)構(gòu)改變前探知功能相關(guān)影像特征的信號變化。18F-FDG PET雖不適于AD 相關(guān)病種的鑒別診斷，但若與結(jié)構(gòu)成像結(jié)合，可反映AD 的進(jìn)展，故可用于AD 分期。但其價格不菲，未來應(yīng)著重開發(fā)成本友好型檢查模式，以利于基層推廣。在腦脊液標(biāo)志物中，Aβ42降低亦可見于其他神經(jīng)退行性疾病，如路易體癡呆，故不宜單獨(dú)列為診斷標(biāo)志物。將Aβ42、t-tau 和p-tau 蛋白相結(jié)合，應(yīng)能更好地鑒別AD 與其他神經(jīng)退行性疾病。甚至可進(jìn)行跨模式聯(lián)合診斷，例如將3 種腦脊液標(biāo)志物（Aβ42、t-tau 和p-tau 蛋白）檢測聯(lián)合fMRI分析腦血流量變化，或聯(lián)合sMRI 監(jiān)測內(nèi)側(cè)顳葉體積萎縮程度，此種聯(lián)合方式較其他單一手段能更好地預(yù)判MCI 的進(jìn)展趨勢。對于中晚期AD，目前尚無有效的治愈方案，因此在明晰各類技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，選擇并結(jié)合不同方法架構(gòu)融合體系進(jìn)行精準(zhǔn)早期診斷，對于AD 的預(yù)防控制意義重大，也為對癥干預(yù)奠定了基礎(chǔ)。未來多模態(tài)指標(biāo)、多模態(tài)技術(shù)的融合診療體系將成為AD 早期預(yù)警技術(shù)的發(fā)展趨勢。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突