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基础研究
慢性高原病脑部多体素1H-MRS研究
白秀秀 鲍海华 何鑫

Cite this article as: Bai XX, Bao HH, He X. Study on multi-voxel 1H-MRS in brain of chronic mountain sickness[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 42-46.本文引用格式:白秀秀, 鲍海华, 何鑫. 慢性高原病脑部多体素1H-MRS研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 42-46. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.009.


[摘要] 目的 利用多体素氢质子磁共振波谱成像(hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)探讨慢性高原病(chronic mountain sickness,CMS)长期缺氧状态下脑部代谢物的特点,并比较各代谢物与血液指标之间的相关性。材料与方法 前瞻性纳入青海大学附属医院经临床确诊为CMS的17例男性患者作为实验组,年龄(53.29±9.03)岁,居住海拔(3989.12±937.45) m,血红蛋白(hemoglobin,HGB) (224.35±11.81) g/mL,并招募与实验组年龄及居住海拔相匹配的18名健康男性志愿者作为对照组,年龄(48.61±8.76)岁,居住海拔(3674.94±634.27) m,HGB (156.67±9.46) g/mL。采用Siemens Prisma 3.0 T MR扫描仪20通道头颅线圈对所有受试者行常规头颅MRI及多体素1H-MRS检查,通过Syngo.via后处理软件获得1H-MRS图,ROI选取双侧额叶及海马区,并获得相应脑区N-乙酰天门冬氨酸/肌酸(NAA/Cr)、胆碱/肌酸CHo/Cr、乙酰天门冬氨酸/胆碱(NAA/CHo)、乳酸/肌酸(Lac/Cr)的比值。结合独立样本t检验及非参数曼-惠特尼U检验以比较两组间代谢物相对浓度差异,然后将CMS组双侧额叶及海马区各代谢物比值与血液生化指标作相关性分析。结果 (1)两组受试者年龄、长期居住海拔差异均无统计学意义(P>0.05),而与对照组相比,CMS组HGB、红细胞计数(red blood cell count,RBC)、血细胞比容(hematocrit,HCT)增高,血小板(blood platelet,简称PLT)减低,差异均有统计学意义(P<0.01);(2)与对照组相比,CMS组双侧额叶及海马区NAA/Cr及NAA/CHo均减低(P<0.05),Lac/Cr增高(P<0.05),差异均具有统计学意义;(3)与对照组相比,CMS组双侧额叶及双侧海马区CHo/Cr均增高(P>0.05),差异无统计学意义;(4) CMS组右侧额叶及左侧海马CHo/Cr与RBC明显正相关,左侧额叶CHo/Cr与HCT低度正相关,右侧额叶及左侧海马Lac/Cr与HCT低度正相关。结论 CMS长期缺氧状态下脑组织局部代谢物改变,神经元受损,无氧代谢增加,且这些代谢物的改变与血液指标呈一定的相关性,可为临床后续进一步预防或干预CMS患者脑损害提供影像学证据及监测指标。
[Abstract] Objective Using multi-voxel hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) to explore the characteristics of brain metabolites in chronic mountain sickness (CMS) under long-term hypoxia, and compare the metabolites with correlations between blood parameters.Materials and Methods Seventeen male patients who were diagnosed with CMS at Qinghai University Affiliated Hospital were collected as the experimental group, with age of (53.29±9.03) years, living altitude of (3989.12±937.45) meters and hemoglobin (HGB) of (224.35±11.81) g/mL. The control group consisted of eighteen healthy volunteers with the same age, gender and living altitude as the experimental group. The living altitude was (3674.94±634.27) meters, and the HGB was (156.67±9.46) g/mL. All cases were examined by routine head MRI and multi-voxel 1H-MRS 3D chemical shift imaging technology (CSI-SLASER) with 20-channel head coil of Siemens Prisma 3.0 T MR scanner. 1H-MRS images were obtained by Syngo.via post-processing software, bilateral frontal lobe and hippocampus were selected as ROIs. The ratios of N-acetylaspartate/creatine (NAA/Cr), choline/creatine (CHo/Cr), N-acetylaspartate/choline (NAA/CHo) and lactic acid/creatine (Lac/Cr) were measured. Then the correlation between the ratio of each metabolite in bilateral frontal lobe, hippocampus and blood biochemical indexes in CMS group was analyzed.Results (1) There was no significant statistical difference in age and living altitude between the two groups (P>0.05), but the HGB, red blood cell count (RBC) and hematocrit (HCT) in the two groups were significantly higher than those in the control group, while platet (PLT) was lower than those in control group, with significant differences (P<0.01). (2) Compared with the control group, NAA/Cr and NAA/CHo in bilateral frontal lobe and bilateral hippocampus decreased, Lac/Cr increased in CMS group, which were statistically significant (P<0.05). (3) Compared with the control group, the CHo/Cr of bilateral frontal lobe and bilateral hippocampus increased (P>0.05), but there was no statistical significance between the two groups. (4) In CMS group, CHo/Cr in the right frontal lobe and left hippocampus was positively correlated with RBC, CHo/Cr in the left frontal lobe was positively correlated with HCT, Lac/Cr in the right frontal lobe and left hippocampus was positively correlated with HCT.Conclusions Under the long-term hypoxia condition of CMS, local metabolites in brain tissues are changed, neurons are damaged and anaerobic metabolism increased, and the changes of these metabolites are correlated with blood indexes to a certain extent, which can provide imaging evidence and monitoring indicators for further prevention or intervention of brain damage in CMS patients.
[关键词] 氢质子磁共振波谱成像;慢性高原病;脑;代谢物测定;多体素
[Keywords] hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy;chronic mountain sickness;brain;metabolite determination;multi-voxel

白秀秀    鲍海华 *   何鑫   

青海大学附属医院影像中心,西宁 810000

鲍海华,E-mail:baohelen2@sina.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 青海省科技成果转化专项 2017-SF-158
收稿日期:2021-10-21
接受日期:2022-01-27
中图分类号:R445.2  R188 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.009
本文引用格式:白秀秀, 鲍海华, 何鑫. 慢性高原病脑部多体素1H-MRS研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 42-46. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.009

       慢性高原病(chronic mountain sickness,CMS)是指长期生活在海拔2500 m以上的世居者或移居者失去对低氧环境习服能力而导致的疾病[1]。而大脑对缺氧最敏感,也最早出现临床症状,部分患者以记忆力差、注意力不集中、空间工作记忆差等认知障碍就诊。Bao等[2]采用扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术研究CMS脑结构和认知功能发现CMS右海马表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)值与简易智力精神状态检查量表(Mini-Mental State Examination,MMSE)分数呈负相关。CMS长期慢性缺氧以红细胞代偿性增加[女性血红蛋白(hemoglobin,HGB)大于190 g/L,男性HGB大于210 g/L[3]]和低氧血症为主要特征,部分患者还伴有严重的肺动脉高压,最终导致右心衰竭。然而当红细胞过度增生,血液高凝状态,反而加重缺氧,这一系列的生理变化和代偿适应使CMS更易发生颅内缺血、梗死,颅底以及软脑膜血管明显扩张充血甚至破裂出血,临床症状严重时甚至出现脑肿胀、脑水肿[4]。目前研究发现高原慢性低氧诱导的脑损害与氧化应激、炎性反应、兴奋性毒性等因素导致神经元凋亡有关[5, 6]。然而高原缺氧从生理适应到习服不良导致的病理生理相对复杂,引起中枢神经系统改变的影像学研究还知之甚少。随着我国国防和高原建设需要,越来越多的人移居在高原地区。CMS在中枢神经系统的改变应引起各高海拔地区人们的高度重视。因此,研究CMS局部脑代谢物对于临床进一步认识慢性缺氧适应不良的机制至关重要。

       近年来,功能磁共振成像技术广泛用于认知神经科学研究[7],为缺氧导致的脑损伤提供了直接的观察途径。氢质子磁共振波谱成像(hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)作为一种无创的定量检查技术,可在大脑组织微结构发生变化之前就获取相关生化信息,是客观检测脑损伤后物质代谢异常的一种重要方法[8]。本课题组前期关于CMS静息态功能磁共振成像的结构和功能的研究异常的部位主要发生在额叶、扣带回、海马等,甚少针对这些部位代谢进行研究,而额叶和海马区为缺氧敏感的区域,尤其海马区更敏感。因此,选择双侧额叶及海马为感兴趣区的研究将有助于探索CMS缺氧性脑损伤的生物标志物。鉴于此,本研究从分子代谢的角度来研究CMS脑内局部代谢物的特点,为CMS缺氧性脑损伤的机制提供影像学依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料

       本研究为前瞻性研究,经本院医学伦理委员会批准(批准文号:P-SL-2017019),所有受试者均已被充分告知检查内容并自愿签署知情同意书。纳入2020年12月至2021年6月于青海大学附属医院经临床确诊为CMS的男性患者17例作为实验组。纳入标准:(1)符合慢性高原病国际诊断标准(即青海标准)[3];(2)常规头颅MRI检查无明显器质性病变者。排除标准:(1)肺气肿、支气管炎、支气管扩张、肺泡纤维变性、肺结核及肺癌等慢性肺病;(2)慢性呼吸功能紊乱者或某些慢性病变而引起的低氧血症,并导致继发性红细胞增多者;(3)居住在海拔低于2500 m地区者。并招募与实验组年龄及海拔相匹配的18名健康男性志愿者作为对照组。纳入标准:(1)既往无任何心脑血管疾病、颅内未见明显占位性病变;(2)体检无明显异常体征,血、尿常规及生化等相关实验室检查均无明显异常。排除标准:(1)居住于海拔2500 m以下地区者;(2)磁共振检查禁忌证者。

1.2 MRI检查方法

       两组受试者均使用Siemens Prisma 3.0 T MR扫描仪20通道头颅线圈行常规头颅MRI及多体素1H-MRS成像技术扫描。检查时取仰卧位,平躺于检查床上,用橡皮耳塞降低噪声,泡沫固定头部以减少运动伪影。扫描层面平行于前、后联合连线。所有扫描均由同一名影像医师操作完成,然后由另一名具有丰富经验的影像诊断医师对图像进行诊断,对未发现明显器质性脑实质异常者进行双侧额叶及海马区多体素1H-MRS图像采集。

1.3 常规MRI及多体素1H-MRS扫描参数

1.3.1 常规MRI扫描参数

       所有病例均先行常规头颅MRI序列扫描(轴位T1WI、T2WI、T2 FLAIR及DWI),以排除颅内明显器质性病变。扫描参数如下:T1WI序列:TR 150 ms,TE 2.5 ms;T2WI序列:TR 5000 ms,TE 117 ms;T2 FLAIR序列:TR 8000 ms,TE 81 ms,TI 2370 ms;DWI序列:TR 3230 ms,TE 51 ms,b=1000 s/mm2。以上序列FOV均为230 mm×160 mm,层厚5.0 mm。

1.3.2 多体素1H-MRS扫描参数

       采集双侧额叶及海马区对称的部位,并尽量避开血管、脑脊液及骨骼。于感兴趣区容积(volume of interest,VOI)前后、左右及上下6个方向添加预饱和带,采用手动匀场对磁场均匀性进行调节,要求半高宽≤20 Hz方能进行MRS扫描。扫描参数如下:TR 1700 ms,TE 135 ms,平均激励次数3次,FOV 160 mm×160 mm,体素大小10.0 mm×10.0 mm×20.0 mm,总扫描时间为6 min 53 s。将上述所得图像导入Syngo.via后处理工作站进行MRS相位及基线校正、频移校准、曲线拟合及代谢物的识别等,并获得VOI内各代谢物的曲线下面积。在1H-MRS图中横轴代表几种代谢物不同的化学位移位置,单位为ppm,纵坐标表示各代谢物信号强度。以肌酸(Cr)为参考标准,获得双侧额叶、海马NAA/Cr、CHo/Cr、NAA/CHo及Lac/Cr比值。

       HGB 216g/L, living altitude 3354 m,NAA 15.89, CHo 9.38, Cr 7.28, Lac 11.11; 1B: Male, 55 years old, control group, HGB 155g/L, living altitude 3197 m, NAA 30.54, CHo 20.7, Cr 15.41,Lac 0.21. The results showed that NAA peak decreased in the left frontal lobe of CMS, and Lac peak increased significantly in the inverted side. Note: CMS: chronic mountain sickness; HGB: hemoglobin; NAA: N-acetylaspartate; Cr: creatine; CHo: choline; Lac: lactate.

图1  CMS组和对照组左侧额叶1H-MRS图。1A:男,54岁,慢性高原病,HGB 216g/L,居住海拔3354 m,NAA 15.89,CHo 9.38,Cr 7.28,Lac 11.11;1B:男,55岁,对照组,HGB 155g/L,居住海拔3197 m,NAA 30.54,CHo 20.7,Cr 15.41,Lac 0.21。图中可见CMS患者左侧额叶NAA峰降低,倒置的Lac峰明显增高。注:CMS:慢性高原病;HGB:血红蛋白;NAA:N-乙酰天门冬氨酸;Cr:肌酸;CHo:胆碱;Lac:乳酸。
Fig. 1  1H-MRS of left frontal lobe in CMS group and control group. 1A: Male, 54 years old, CMS, HGB 216g/L, living altitude 3354 m,NAA 15.89, CHo 9.38, Cr 7.28, Lac 11.11; 1B: Male, 55 years old, control group, HGB 155g/L, living altitude 3197 m, NAA 30.54, CHo 20.7, Cr 15.41,Lac 0.21. The results showed that NAA peak decreased in the left frontal lobe of CMS, and Lac peak increased significantly in the inverted side. Note: CMS: chronic mountain sickness; HGB: hemoglobin; NAA: N-acetylaspartate; Cr: creatine; CHo: choline; Lac: lactate.

1.4 统计方法

       应用SPSS 23.0统计学软件对两组数据进行正态性检验,计量资料如果符合正态分布,则采用独立样本t检验对各组数据进行各代谢物的对比分析,以均数±标准差(x¯±s)来表示。计量资料如不符合正态分布则采用非参数检验中的Mann-Whitey U检验,以中位数(四分位间距)表示。CMS组双侧额叶及海马区各代谢物比值与血液生化指标的关系采用Spearman相关性分析,0.3≤│r│<0.5时低度相关;0.5≤│r│<0.8时明显相关;0.8≤│r│<1.0时高度相关。所有检验方法以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 受试者一般资料比较

       两组受试者年龄、长期居住海拔差异均无统计学意义(P>0.05) (表1),而与对照组相比,CMS组HGB、红细胞计数(red blood cell count,RBC)、血细胞比容(hematocrit,HCT)增高,而血小板(blood platelet,PLT)减低,差异均具有统计学意义(P<0.01)。

表1  CMS组和对照组的一般资料(x¯±s)
Tab. 1  General data of CMS group and control group (x¯±s)

2.2 受试者双侧额叶及海马区代谢物比较

       与对照组相比,CMS组左侧额叶NAA峰降低,倒置的Lac峰明显增高(图1)。与对照组相比,CMS组双侧额叶及海马区N-乙酰天门冬氨酸/肌酸(NAA/Cr)及乙酰天门冬氨酸/胆碱(NAA/CHo)均减低(P<0.05),乳酸/肌酸(Lac/Cr)增高(P<0.001),差异均具有统计学意义;而双侧额叶及双侧海马区胆碱/肌酸CHo/Cr值较对照组稍增高,但两组差异无统计学意义(P>0.05) (表23)。

表2  CMS组和对照组双侧额叶各代谢物比较(x¯±s)
Tab. 2  Comparison of metabolites in bilateral frontal lobes between CMS group and control group (x¯±s)
表3  CMS组和对照组双侧海马各代谢物比较(x¯±s)
Tab. 3  Comparison of each metabolite in bilateral hippocampus between CMS group and control group (x¯±s)

2.3 CMS组双侧额叶及海马区脑代谢物(NAA/Cr、NAA/CHo、CHo/Cr)与血液生化指标(HGB、RBC、HCT、PLT)相关性分析

       结果发现,CMS组右侧额叶及左侧海马CHo/Cr与RBC明显正相关,左侧额叶CHo/Cr与HCT低度正相关,右侧额叶及左侧海马Lac/Cr与HCT低度正相关(表45)。

表4  双侧额叶代谢物与血液生化指标相关性分析
Tab. 4  Correlation analysis of bilateral frontal metabolites and blood biochemical indexes
表5  双侧海马代谢物与血液生化指标相关性分析
Tab. 5  Correlation analysis between hippocampal metabolites and blood biochemical indexes

3 讨论

       本研究使用多体素1H-MRS技术探讨CMS长期缺氧状态下双侧额叶及海马区代谢物的特点,并比较各代谢物与血液指标之间的相关性。研究结果发现CMS双侧额叶及海马区NAA/Cr、NAA/CHo减低,Lac/Cr增高。表明CMS双侧额叶及海马区代谢物的改变可在一定程度上反映CMS脑内神经元功能及状态,而Lac/Cr增高符合CMS大脑慢性缺氧改变,为CMS脑损害机制提供客观的影像学依据。此外,研究还发现CMS随着红细胞和红细胞压积的增多,胶质细胞增生和无氧代谢越明显,RBC、HCT可为临床评估CMS所致脑代谢改变提供有价值的血液指标。

3.1 CMS组与对照组血液指标的差异

       比较两组受试者的一般血液指标,发现CMS组的HGB、RBC、HCT明显高于对照组,而PLT较对照组明显减低。促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)是由肾脏和一小部分肝脏产生的,对红细胞的分化至关重要,对机体缺氧有保护作用[9]。慢性缺氧环境下刺激EPO的合成和释放,刺激红细胞增殖,促进造血功能[10]。虽然红细胞增多一定程度上有助于提高血液在高海拔地区的携氧能力,但红细胞过多会导致血液黏度增加,血流阻力增加,血流速度降低,而长期消耗血小板使得外周血小板减少,这也是长期高原缺氧导致脑损伤的主要原因。

3.2 CMS组与对照组双侧额叶及海马区各代谢物的差异

       1H-MRS能从细胞水平上研究细胞能量代谢、神经元功能等相关信息。与单体素相比,多体素波谱成像方法可一次性获得多个部位的1H-MRS曲线,同时体素更小,采样容积缩小,覆盖范围增加,这可以减少因周围组织重叠所致的部分容积效应[11]。Cr是由磷酸肌酸组成的,在1H-MRS中被认为是大多数脑疾病和正常状态的内部标准[5]。NAA存在于神经细胞及其轴突,是神经元的标志物[12]。NAA/CHo是反映神经元活性和功能检测脑内代谢物异常的最敏感的指标。本研究中CMS患者在双侧额叶及海马区NAA/CHo值、NAA/Cr值较对照组均减低,提示神经元功能受损。以上与本课题组先前研究一致。脑缺氧后的病理变化主要取决于缺氧的持续时间和程度。急性持续缺氧下受累的神经组织完全坏死,而慢性缺氧脑组织的变化以特征性变化为主,对缺氧敏感的神经元可能会坏死。动物研究也发现低氧可使脑组织尼氏小体数目减少和体积缩小,同时伴随脑组织凋亡蛋白表达水平上调,也足以证明低氧对脑组织有损伤作用[13]。CHo参与细胞膜及神经细胞髓鞘的形成。神经胶质细胞对缺氧有很强的耐受性,因此这些细胞不会死亡,而是在某些区域增殖[14]。本研究中,与对照组相比,CMS双侧额叶及双侧海马区CHo/Cr值较对照组稍增高,但差异不具有统计学意义。这与之前的研究不一致,可能的原因是本次研究样本不足,且可能与CMS暴露缺氧持续时间有关。Lac是细胞进行无氧代谢的产物,一般情况下,大脑活动主要是利用葡萄糖的有氧代谢,乳酸含量较低,而在低氧状态下,脑组织可通过糖酵解保证能量供应[15]。在本研究中在双侧额叶及双侧海马区Lac/Cr值较对照组增高,主要是因为CMS在长期缺氧状态下进行无氧酵解,导致乳酸含量的增加。一项研究使用MRS评价了低氧暴露后脑代谢率的改变,当受试者吸入氧气后,脑代谢率增加约8.5%,脑内乳酸浓度增加约180%,提示低氧暴露后脑代谢率增加,同时神经活动受到影响[16]。还有一项模拟CMS大鼠动物实验发现大鼠血清中乳酸和丙酮酸含量上调,提示机体能量代谢方式中无氧糖酵解途径加强[17]。我们推测CMS双侧额叶及海马区NAA/Cr、NAA/CHo、Lac/Cr相对浓度的变化可在一定程度上反映CMS脑内神经元功能及状态,而Lac/Cr增高符合CMS大脑慢性缺氧改变,可作为脑缺氧缺血的一个重要标志。

3.2 CMS组双侧额叶及海马区与血液指标的相关性分析

       本研究还发现CMS组右侧额叶及左侧海马CHo/Cr与RBC明显正相关,左侧额叶CHo/Cr与HCT低度正相关。结果表明CMS慢性缺氧随着红细胞代偿性增加不会引起额叶及海马区成纤维细胞损伤,反而导致这些区域的胶质细胞再生更明显。一项研究表明移居到高原的男性,当HGB>200 g/L时,将失去代偿意义,反而会加重缺氧的临床症状[18]。本次研究还发现右侧额叶及左侧海马Lac/Cr与HCT低度正相关,表明CMS由于红细胞增多而长期处于缺氧的状态下,随着红细胞的过度增高加重机体缺氧,从而导致脑组织无氧代谢更明显。此外,血常规和血生化指标能客观反映机体的生理变化,对于判断高原反应和高原疾病的严重程度具有重要的参考价值[19,20],而CHo/Cr、Lac/Cr反映了脑代谢的改变,因此CHo/Cr、Lac/Cr在一定程度上也可反映CMS的严重程度,可作为评价CMS所致脑代谢损害的一个敏感性指标。

3.3 本研究的局限性

       本研究存在一定的局限性:(1)本研究样本量相对较小,不足以对CMS患者进行严重程度的分析,需进一步扩大样本量,获取更多的数据,未来可结合神经心理学认知做更进一步研究,以探究长期慢性缺氧的状态下与认知功能的关系,这是我们后期将要进行的工作;(2)本研究只单一地采用1H-MRS对CMS患者进行代谢物的探索,后续可结合多模态磁共振成像多角度进一步研究,可能对CMS脑损害发生的病理生理机制提供更多的影像学信息。

       综上所述,CMS在长期慢性缺氧下局部脑组织代谢发生改变,这种变化常先于脑组织微观结构和形态的改变。因此,1H-MRS为CMS脑损害提供更加客观的信息,可能对研究CMS病理生理机制有一定的临床价值。此外,CMS红细胞的测定可为临床评估CMS所致脑代谢改变提供有价值的血液指标。

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