霍 苗,詹松華,譚文莉
(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院放射科,上海 201203)
慢性下腰痛(chronic low back pain,CLBP)是指腰背部疼痛持續(xù)時(shí)間超過3 個(gè)月[1],涉及骨骼和肌肉系統(tǒng),具有持續(xù)時(shí)間長、易復(fù)發(fā)的特點(diǎn)。目前該病尚缺乏客觀、定量的診斷方法及便捷、有效的治療手段。CLBP 分為特異性CLBP 與非特異性CLBP,其中非特異性CLBP 占85%~90%,是一種無明確病因的腰痛綜合征,主要臨床表現(xiàn)為腰背部(肋緣和臀下皺襞之間)肌肉緊張或僵硬甚至劇烈疼痛,伴或不伴放射性下肢痛[2]。該病具有慢性疼痛的中樞屬性,不僅影響患者的生活質(zhì)量,也增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和社會(huì)的醫(yī)療負(fù)擔(dān)[3]。
MRS 是非侵入性、無電離輻射、直觀定量測(cè)量大腦化學(xué)物質(zhì)濃度的MRI 技術(shù),主要采集射頻脈沖激發(fā)原子核(如1H、31P、23Na、13C 和19F)后原子核弛豫過程中所產(chǎn)生的射頻信號(hào)。1H 由于其高磁敏感性和組織中天然豐度而被廣泛應(yīng)用于MRS 分析中,可檢測(cè)脂肪、氨基酸、酮體等代謝物質(zhì)。1H 與不同原子核形成不同的化學(xué)鍵,使不同氫原子周圍的化學(xué)環(huán)境不同,因而不同代謝物中氫原子進(jìn)動(dòng)頻率不同,產(chǎn)生共振峰的位置存在差異,這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移(chemical shift,通常以×10-6為單位)。通過這種化學(xué)位移及共振作用對(duì)特定原子核及其化合物進(jìn)行分析,能夠定量檢測(cè)活體組織生理或病理狀況下化學(xué)物質(zhì)的組成成分及其濃度。MRS 上某化合物波峰下的面積與其濃度成正比,將單個(gè)代謝物的濃度評(píng)估為絕對(duì)濃度或相對(duì)于其他分子(通常是肌酸)的相對(duì)濃度。另外,MRS 質(zhì)量控制十分關(guān)鍵,如增加場(chǎng)強(qiáng)、提高SNR、增強(qiáng)勻場(chǎng)效果等可提升MRS 的圖像質(zhì)量。目前CLBP 患者的MRS 檢查常用單體素1H-MRS 點(diǎn)分辨波譜(PRESS)脈沖序列,在特定區(qū)域放置ROI,獲得該ROI 神經(jīng)代謝物的頻譜圖。
目前,MRS 可檢測(cè)出腦內(nèi)化合物,包括N-乙酰天冬氨酸(NAA)、膽堿(Cho)、肌酸(Cr)、肌醇(MI)、谷氨酸(Glu)、谷氨酰胺(Gln)、γ-氨基丁酸(GABA)和葡萄糖等。在MRS 應(yīng)用早期,一些興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(如Glu、Gln 及GABA 等)化學(xué)位移范圍相對(duì)較窄,物質(zhì)間的波峰存在重疊,較難測(cè)量及分離其濃度。隨著MRI 設(shè)備性能的不斷提升,MRS 在臨床應(yīng)用中也更加廣泛,包括疾病診斷、療效跟蹤、藥物分析等,使這些神經(jīng)遞質(zhì)在隱匿性、功能性疾病中逐漸發(fā)揮作用[4]。
MRS 是近年發(fā)展起來的fMRI 技術(shù),也是目前唯一無創(chuàng)檢測(cè)活體組織及生化代謝的影像學(xué)技術(shù),能探測(cè)常規(guī)MRI 不能顯示的異常,主要用于評(píng)估神經(jīng)系統(tǒng)的生化信息[5]。1H-MRS 具有非侵入、靈敏及可重復(fù)定量分析等優(yōu)點(diǎn),能詳細(xì)分析大腦組織常見的代謝物,如NAA、Cho、Cr 等,這些代謝物在病理生理學(xué)研究、臨床診斷及無創(chuàng)追蹤神經(jīng)影像學(xué)標(biāo)志物中均具有重要意義。1H-MRS 在發(fā)現(xiàn)慢性疼痛患者診斷性生物標(biāo)志物方面具有巨大潛力,對(duì)CLBP 早期診斷、追蹤療效及評(píng)估預(yù)后具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可指導(dǎo)CLBP 患者個(gè)性化治療。1H-MRS 技術(shù)是對(duì)血氧水平依賴腦功能成像(BOLD fMRI)的補(bǔ)充研究,可進(jìn)一步探索CLBP 患者腦組織神經(jīng)元功能變化的物質(zhì)基礎(chǔ),建立腦功能與腦內(nèi)物質(zhì)代謝的聯(lián)系。另外,Ogon 等[6]研究發(fā)現(xiàn)腰部多裂肌肌內(nèi)脂質(zhì)濃度可能是CLBP 治療有效的預(yù)后指標(biāo)。
3.1 NAA NAA 主要存在于軸突和神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi),是神經(jīng)元特異性標(biāo)志物。各類致神經(jīng)元細(xì)胞破壞的疾病均可引起NAA 濃度降低[7]。通過分析NAA 濃度變化水平可預(yù)測(cè)神經(jīng)損傷程度,有助于CLBP 的早期診斷及療效評(píng)估。
Grachev 等[8]采用1H-MRS 對(duì)比9 例CLBP 患者和11 例健康志愿者的腦代謝水平,發(fā)現(xiàn)CLBP 患者內(nèi)側(cè)前額葉NAA 減少,而前扣帶回、丘腦NAA 濃度無差異。但Sharma 等[9]應(yīng)用1H-MRS 對(duì)比11 例CLBP 患者和11 例匹配的健康志愿者,發(fā)現(xiàn)CLBP患者初級(jí)體感皮質(zhì)的NAA 降低。此外,Gussew 等[10]通過1H-MRS 研究10 例非特異性CLBP 患者皮質(zhì)區(qū)域(前島葉、前扣帶回及丘腦)和匹配的健康志愿者,發(fā)現(xiàn)非特異性CLBP 患者前島葉和前扣帶回NAA降低。另外,Pattany 等[11]研究發(fā)現(xiàn),脊髓損傷后慢性神經(jīng)性疼痛患者的丘腦NAA 濃度與疼痛強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),即NAA 濃度隨疼痛程度增加而降低。提示慢性疼痛(包括CLBP)伴隨NAA 濃度的降低,這可能歸因于神經(jīng)元損傷、壞死或功能障礙;當(dāng)抑制性神經(jīng)元功能障礙時(shí),失去抑制性控制的神經(jīng)元可能會(huì)導(dǎo)致興奮性神經(jīng)元的活動(dòng)增加,并增加痛感。有研究發(fā)現(xiàn),脊髓損傷患者丘腦傳入神經(jīng)元阻滯,使丘腦自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)及突發(fā)放電增加,從而導(dǎo)致慢性疼痛[12]。另外,CLBP 患者的NAA 濃度降低的另一原因可能是局部腦區(qū)能量代謝異常。O’Neill 等[13]研究表明,CLBP 患者內(nèi)側(cè)前額葉NAA 和大腦葡萄糖消耗同步發(fā)生異常變化。Grachev 等[8]也報(bào)道CLBP 患者前額葉皮質(zhì)NAA 和葡萄糖濃度降低。此外,有研究發(fā)現(xiàn)CLBP 患者對(duì)側(cè)丘腦NAA 濃度降低[14],即單側(cè)CLBP 及坐骨神經(jīng)痛患者對(duì)側(cè)丘腦NAA 濃度降低。fMRI 研究發(fā)現(xiàn),持續(xù)性軀體疼痛障礙患者表現(xiàn)為與丘腦相關(guān)的功能連接異常[15],右側(cè)丘腦、左側(cè)尾狀核功能連接強(qiáng)度與疼痛程度呈負(fù)相關(guān)。這種改變可能是引起持續(xù)性軀體痛的原因之一。丘腦NAA 的變化被認(rèn)為是慢性疼痛的病理標(biāo)志,其濃度改變?cè)诼蕴弁催M(jìn)展中起重要作用[16],因此可根據(jù)丘腦NAA 濃度的降低間接評(píng)估慢性下腰痛。
總之,在臨床診斷CLBP 過程中,通過1H-MRS技術(shù)選擇合適的體素大小,分析內(nèi)側(cè)前額葉、初級(jí)體感皮質(zhì)、前島葉、前扣帶回及丘腦NAA 濃度降低及其程度可早期評(píng)估腰痛。目前,關(guān)于NAA 濃度的變化規(guī)律與性別、年齡、疼痛持續(xù)時(shí)間、治療效果關(guān)系的研究較少,尚需進(jìn)一步研究探索。
3.2 Cho Cho 主要由磷酸膽堿和甘油磷酸膽堿組成,是細(xì)胞膜組成的主要成分,參與細(xì)胞膜的合成和降解,是細(xì)胞膜更新的標(biāo)志物,主要存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中。Cho 濃度的變化能在一定程度上反映局部組織代謝水平。
Sharma 等[9]研究顯示,CLBP 患者右側(cè)初級(jí)體感皮質(zhì)Cho 濃度降低,這可以解釋為較低濃度的Cho促使機(jī)體反應(yīng)性增加對(duì)周圍環(huán)境Cho 的攝取,增加細(xì)胞膜的構(gòu)建并維持細(xì)胞膜的完整性。Pfyffer 等[17]研究脊髓損傷后的神經(jīng)性疼痛患者,與脊髓損傷無痛患者對(duì)比發(fā)現(xiàn)神經(jīng)性疼痛患者頸2~3 脊髓的tCho/MI 升高,其升高程度與痛感(如Pinprick 評(píng)分)呈正相關(guān),這表明與無痛患者相比,神經(jīng)性疼痛患者有更高的細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)換率。Jung 等[18]的研究納入43 例纖維肌痛患者(一種慢性中樞性疼痛性疾?。┖?6 例健康志愿者,與健康志愿者比較后發(fā)現(xiàn)纖維肌痛患者前島葉Cho 升高,且Cho 濃度升高與疼痛程度呈正相關(guān)。上述研究結(jié)果表明,Cho 水平升高可能在細(xì)胞水平上反映了細(xì)胞膜增殖力及代謝率的提高,這可能是導(dǎo)致慢性疼痛的潛在分子機(jī)制。Didehdar 等[19]發(fā)現(xiàn)推拿治 療CLBP 患者5 周后疼痛緩解,丘腦、前島葉和初級(jí)體感皮質(zhì)區(qū)域的Cho 濃度顯著增加。這可能是由于推拿影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)并改變腦代謝產(chǎn)物,減輕了疼痛和功能障礙。
未來研究應(yīng)觀察干預(yù)后患者的MRS 代謝水平,從而為臨床判斷預(yù)后提供更有價(jià)值的診斷依據(jù)。
3.3 MI MI 主要在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中合成,被認(rèn)為是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化及增生的標(biāo)志物。Gussew 等[10]研究發(fā)現(xiàn),CLBP 患者前扣帶回和丘腦的MI 濃度均降低。Sharma 等[9]也發(fā)現(xiàn),CLBP 患者左右側(cè)初級(jí)體感皮質(zhì)中的MI 濃度均下降,但左側(cè)下降幅度較小。另外,左右兩側(cè)初級(jí)體感皮質(zhì)中MI 濃度之間呈負(fù)相關(guān),當(dāng)一側(cè)代謝物濃度較低時(shí),另一側(cè)將保持較高的濃度,這說明在初級(jí)體感皮質(zhì)中MI 濃度呈動(dòng)態(tài)變化,這可能與疼痛的持久性有關(guān)。然而在早期研究中Pattany 等[11]發(fā)現(xiàn)慢性神經(jīng)性疼痛的患者丘腦MI 濃度顯著升高。Voevodskaya 等[20]研究阿爾茨海默病患者,發(fā)現(xiàn)后扣帶回皮質(zhì)的MI/Cr 和NAA/MI 濃度變化與腦β 淀粉樣蛋白的病理相關(guān),認(rèn)為NAA/MI 可預(yù)測(cè)未來認(rèn)知能力下降的速度,證明了腦MI 是淀粉樣蛋白相關(guān)疾病的潛在病理標(biāo)志物。盡管目前尚不清楚MI 改變對(duì)阿爾茨海默病病理機(jī)制的確切作用,但這可能對(duì)從腦代謝上恢復(fù)阿爾茨海默病患者認(rèn)知的潛力至關(guān)重要。
上述研究結(jié)果表明,CLBP 及其他疾病的不同腦區(qū)MI 濃度變化均不一致。在前扣帶回、丘腦、初級(jí)體感皮質(zhì)中MI 濃度降低,可能與CLBP 引起的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞破壞、丟失有關(guān)。而丘腦或前扣帶回中較高濃度的MI 可能由于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的增生而活化。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的激活、增生、肥大(較高Cho 和MI 濃度)、破壞、丟失及其之間相互作用可能是慢性疼痛的分子機(jī)制。目前有關(guān)MI 的研究及應(yīng)用較少,未來應(yīng)結(jié)合多個(gè)腦區(qū)、多種疾病的研究為臨床診斷及治療和預(yù)后提供更加客觀的資料。
腦內(nèi)興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(如Glu)及抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(如GABA)共同參與并介導(dǎo)腦功能活動(dòng),故腦功能改變以腦神經(jīng)遞質(zhì)變化為物質(zhì)基礎(chǔ),CLBP 患者腦功能異常可能是由相應(yīng)腦區(qū)代謝物異常所致。
4.1 Glu/Gln/Glu-Gln 復(fù)合體(Glx)一般研究中最常研究的化合物為Glx,其中Glu 約占80%[21]。Glu是大腦中最豐富的神經(jīng)遞質(zhì)之一,除傳遞興奮性外,還參與記憶、認(rèn)知等情感活動(dòng),其向Gln 的轉(zhuǎn)化也是大腦能量代謝的重要過程[22]。大腦Glu 代謝水平的變化可能在CLBP 中樞機(jī)制的病理過程中起重要作用。
在慢性疼痛的動(dòng)物模型中,已觀測(cè)到內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)的Glu 減少。有學(xué)者提出,此模型疼痛急性期Glu 濃度最初表現(xiàn)為增加[23],隨后從急性疼痛向慢性疼痛進(jìn)展過程中其濃度逐漸降低,后期的臨床研究也證實(shí)這一規(guī)律。Archibald 等[24]應(yīng)用3.0 T1H-MRS觀察18 例健康志愿者(男9 例,女9 例)在急性熱痛刺激時(shí)前扣帶回中代謝物的變化,發(fā)現(xiàn)健康志愿者在受到急性熱痛刺激時(shí),前扣帶回中Glu 和Glx 的濃度瞬間增加,且女性Glu 濃度變化更大;表明Glx在針對(duì)急性應(yīng)激、代謝紊亂等突發(fā)情況時(shí)更新速率將加快,這從細(xì)胞水平體現(xiàn)了生物進(jìn)化的自我保護(hù)功能。Mullins 等[25]也發(fā)現(xiàn)健康人受到急性痛覺刺激后,前扣帶回的Glx 水平升高與疼痛強(qiáng)度呈正相關(guān)。與上述急性熱痛刺激研究結(jié)果相反,Gussew 等[10]研究發(fā)現(xiàn)CLBP 患者前島葉、前扣帶回和丘腦中Glu 顯著降低。最近,Naylor 等[26]比較19 例慢性疼痛患者與19 例性別、年齡匹配的健康志愿者,發(fā)現(xiàn)慢性疼痛患者內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)的Glu 濃度顯著降低,且內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)的Glu 濃度與傷害回避評(píng)分呈顯著負(fù)相關(guān),即內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)的Glu 濃度越低,避免傷害總分越高,患者的悲觀、恐懼等消極情緒越嚴(yán)重,這可能是由于內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)與認(rèn)知及情緒處理等有關(guān)。另外,與Gussew 等[10]研究結(jié)果相反,Grachev等[8]發(fā)現(xiàn)CLBP 患者的前扣帶回中Glu 無變化,這一矛盾的發(fā)現(xiàn)可能歸因于2 項(xiàng)研究之間的方法學(xué)差異,Gussew 等[10]研究了Glu 的絕對(duì)神經(jīng)化學(xué)濃度,而Grachev 等[8]則專注于Glu 與MI 比率的研究。
腦功能研究發(fā)現(xiàn)CLBP 患者前扣帶回和內(nèi)側(cè)前額葉的fMRI 活動(dòng)明顯減少[27],CLBP 患者在前扣帶回和內(nèi)側(cè)前額葉處對(duì)疼痛的反應(yīng)減弱。內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)是一個(gè)涉及多項(xiàng)腦功能的區(qū)域,如疼痛調(diào)節(jié)和情緒評(píng)估,并自上而下地調(diào)節(jié)疼痛。目前研究認(rèn)為,CLBP 可能與其下行疼痛抑制系統(tǒng)功能障礙有關(guān)。另外,Didehdar 等[19]發(fā)現(xiàn)推拿治療5 周后,CLBP 患者的疼痛和功能障礙嚴(yán)重程度明顯降低,且丘腦的Glx 濃度也顯著增加。丘腦中的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)可能是參與緩解慢性疼痛的神經(jīng)介質(zhì)。
上述研究表明,Glu 在急性或慢性疼痛中的代謝水平不同。谷氨酸鹽(Glu、Gln)濃度可根據(jù)疼痛的嚴(yán)重程度、持續(xù)時(shí)間及治療效果而變化。大腦中Glu 水平的降低可能是CLBP 病理生理過程的關(guān)鍵機(jī)制。具體來講,CLBP 患者主要表現(xiàn)為前扣帶回、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、丘腦等腦區(qū)Glu 水平的降低,可理解為神經(jīng)元丟失和/或死亡,也可能與Glu-Gln 平衡紊亂、谷氨酸能神經(jīng)傳遞紊亂及功能障礙相關(guān)。而采用Glu的絕對(duì)值,觀察前扣帶回、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、丘腦等有助于發(fā)現(xiàn)這種變化。應(yīng)用MRS 檢測(cè)前扣帶回、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、丘腦等腦區(qū)Glu 水平的降低,可能有助于慢性疼痛性疾病的早期診斷及預(yù)防。同時(shí),根據(jù)丘腦Glx 的代謝水平增加可判斷推拿治療CLBP的療效,且短期內(nèi)(<5 周)手法干預(yù)是否有效改善功能,可提醒醫(yī)師及時(shí)更換治療方案等。另外,在治療過程中除了緩解和控制患者疼痛癥狀外,還應(yīng)考慮患者的認(rèn)知和情緒等精神情況[28]。
4.2 GABA GABA 是大腦最主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì),存在于GABA 能神經(jīng)元中。然而大腦中生理性GABA 濃度極低,且與其他高濃度代謝物(如Cr、NAA、Glx 等)波峰重疊,在常規(guī)MRI 序列中很難識(shí)別,因此需選擇一些特殊成像序列。Cleve 等[29]使用一種光譜編輯技術(shù)(mescher-garwood point resolved spectroscopy,MEGA-PRESS),首次量化了疼痛引起的神經(jīng)遞質(zhì)GABA+的濃度(GABA 的相對(duì)濃度)變化。即在急性熱痛刺激時(shí),前扣帶回及枕葉皮質(zhì)的GABA+/tCr(總肌酸濃度)降低,這可能表明在疼痛過程中前扣帶回和枕葉皮質(zhì)抑制性活性的降低、興奮性神經(jīng)遞質(zhì)活性反應(yīng)性增強(qiáng),從而導(dǎo)致疼痛加劇。Thiaucourt 等[30]針刺健康女性,發(fā)現(xiàn)針刺感知的疼痛強(qiáng)度與后島葉GABA 水平呈負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果與慢性疼痛研究相吻合,慢性疼痛綜合征患者某些腦區(qū)(如前扣帶回)的GABA 濃度與疼痛強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。Legarreta 等[31]研究患有慢性疼痛的退伍軍人,應(yīng)用3.0 T 單體素1H-MRS 的2D-J-PRESS 特殊序列,與健康人相比,退伍軍人經(jīng)歷慢性疼痛強(qiáng)度更大、頻率更高,這與前扣帶回中較低的GABA/Cr 比值有關(guān),且疼痛強(qiáng)度與GABA/Cr 比值呈負(fù)相關(guān),表明前扣帶回中GABA 的降低可能會(huì)增加疼痛強(qiáng)度及頻率。Reckziegel 等[32]采用3.0 T MRI,應(yīng)用優(yōu)化的PRESS序列研究20 例慢性疼痛性膝骨關(guān)節(jié)炎患者和19 例健康志愿者,發(fā)現(xiàn)患者的疼痛強(qiáng)度與GABA 濃度存在較強(qiáng)的相互作用,且在前扣帶回中GABA 濃度與疼痛嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān),表明慢性疼痛的發(fā)生與GABA 濃度變化有關(guān)。
Glx 與GABA 濃度的異常變化對(duì)慢性疼痛具有調(diào)控作用。興奮-抑制系統(tǒng)平衡紊亂可能參與疼痛的發(fā)生,GABA 濃度降低即神經(jīng)系統(tǒng)抑制作用減弱,則興奮性神經(jīng)遞質(zhì)活性反應(yīng)性增強(qiáng),可能導(dǎo)致疼痛加劇。GABA 能抑制作用的紊亂可能是不良刺激敏銳度增強(qiáng)的基礎(chǔ),而不良刺激可能是導(dǎo)致疼痛加劇及長期存在的潛在機(jī)制。相對(duì)其他腦內(nèi)代謝物而言,GABA 濃度檢測(cè)尚有一定難度,應(yīng)使用特異性抑制大分子信號(hào)的GABA 編輯技術(shù)(如MM-suppGABA)發(fā)現(xiàn)前扣帶回中GABA+水平的降低并結(jié)合其他腦區(qū)代謝物變化水平可早期診斷CLBP。
MRS 提供了CLBP 患者腦代謝物濃度的信息,是監(jiān)測(cè)疾病引起的代謝變化及跟蹤療效的先進(jìn)技術(shù)。CLBP 患者主要表現(xiàn)為NAA 和Glx 濃度降低、Cho 和MI 濃度升高,存在變化的腦區(qū)主要位于內(nèi)側(cè)前額葉、前扣帶回、初級(jí)體感皮質(zhì)及丘腦。上述實(shí)驗(yàn)均存在一定局限性,如樣本量較小、多分析治療前代謝物變化,以及受CLBP 患者性別、年齡、ROI 位置及是否接受治療等因素的影響,尚無法確定腦內(nèi)代謝物變化與CLBP 疼痛程度、治療效果及預(yù)后的相關(guān)性。目前,CLBP 的中樞機(jī)制仍不清楚,可能與“生物—心理—社會(huì)”模式相關(guān),未來的研究應(yīng)結(jié)合CLBP患者干預(yù)前后的狀態(tài),通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)避不同時(shí)期、干預(yù)方法等差異,并結(jié)合fMRI、腰肌脂肪代謝等探索腦功能與腦代謝之間的關(guān)系,以期獲得早期診斷、追蹤療效、判斷預(yù)后的生物學(xué)標(biāo)志物,并發(fā)現(xiàn)潛在的治療靶標(biāo)。