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经验交流
乳腺癌化疗患者脑结构与认知功能改变的扩散峰度成像研究
韩雍 杨淇麟 赵苑静 潘昌杰

Cite this article as: Han Y, Yang QL, Zhao YJ, et al. Diffusion kurtosis imaging study on changes of brain microstructure and cognitive function in breast cancer survivors with chemotherapy[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(4): 111-114.本文引用格式:韩雍, 杨淇麟, 赵苑静, 等. 乳腺癌化疗患者脑结构与认知功能改变的扩散峰度成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(4): 111-114. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.04.021.


[摘要] 目的 应用基于体素分析的扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)技术,探讨接受化疗的乳腺癌患者脑微结构的改变及与认知功能损伤的相关性。材料与方法 前瞻性纳入经手术病理证实的乳腺癌(Ⅰ~Ⅲ期)患者23例和年龄、受教育程度匹配的健康志愿者26例进行神经心理学测试和DKI数据采集,获得神经心理学评估分数和平均扩散峰度(mean kurtosis,MK)、径向峰度(radial kurtosis,RK)、轴向峰度(axial kurtosis,AK)参数图。采用SPSS 25.0软件对受试者一般临床资料、DKI参数值进行统计学分析,分析化疗后差异有统计学意义脑区的DKI参数值与神经心理学评分的相关性。结果 乳腺癌患者化疗前与对照组的神经心理学评分、DKI参数值差异无统计学意义(P<0.05);乳腺癌患者化疗前后蒙特利尔认知评估(Montreal Cognitive Assessment Scale,MoCA)、画钟测试、听觉词语学习延迟5 min测试(Auditory Verbal Learning Delay 5 min Test,AVLT2)评分、MK值、RK值差异有统计学意义(P<0.05);MK值减低的脑区有胼胝体膝部、右侧后扣带回、右侧额上回;RK值减低的脑区有:后扣带回、右侧额中回。化疗后右侧后扣带回MK值与AVLT2结果呈正相关(r=0.548,P=0.007);化疗后后扣带回RK值与MoCA结果呈正相关(r=0.654,P=0.001)。结论 接受化疗的乳腺癌患者短期内存在一定的脑损伤优势区域并与认知功能障碍相关。MK、RK值可反映脑细微结构的改变,在化疗相关认知障碍的早期评估中具有一定的参考价值。
[Abstract] Objective To study changes of brain microstructure and cognitive function after chemotherapy in breast cancer survivors by using voxel-based analysis of diffusion kurtosis imaging (DKI).Materials and Methods A total of 23 breast cancer patients (Stage Ⅰ-Ⅲ), confirmed by pathology, and 26 age-and gender-matched control healthy volunteers were recruited for prospective Neuropsychological assessments and DKI data acquisition. The statistical product and SPSS 25.0 software was performed to evaluate the difference of subjects' general clinical data and mean kurtosis (MK), axial kurtosis (AK), radial kurtosis (RK) value, the correlation between DKI parameters of different brain regions and neuropsychological assessments scores were analyzed.Results There were no statistically significant differences in neuropsychological scores and MK, AK, RK value between the chemotherapy group and the control group before chemotherapy. There were statistically significant differences in Montreal Cognitive Assessment Scale (MoCA), Clock Drawing Test, Auditory Verbal Learning Delay 5 min Test (AVLT2) scores and MK, RK value before and after chemotherapy (P<0.05). MK value in the genu of corpus callosum, the right posterior cingulate gyrus and the right superior frontal gyrus decreased significantly; RK value in the posterior cingulate gyrus, the right middle frontal gyrus decreased significantly after chemotherapy by false discovery rate (P<0.05). Correlation analysis shows that MK value of the right posterior cingulate gyrus was positively correlated with AVLT2 results (r=0.548, P=0.007); RK value of the posterior cingulate gyrus was positively correlated with MoCA results (r=0.654, P=0.001) after chemotherapy.Conclusions In the short term, there are dominant region associated with cognitive impairment in breast cancer survivors with chemotherapy. The MK, RK value can be sensitive to changes of brain microstructure, and provide valuable reference for early evaluation of chemotherapy-related cognitive impairment.
[关键词] 乳腺癌;扩散峰度成像;脑损害;化疗相关认知障碍
[Keywords] breast cancer;diffusion kurtosis imaging;brain damage;chemotherapy-related cognitive impairment

韩雍 1   杨淇麟 2   赵苑静 2   潘昌杰 2*  

1 复旦大学附属上海市第五人民医院放射科,上海 201100

2 常州市第二人民医院放射科,常州 213100

潘昌杰,E-mail:pcj424815@sina.com

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


收稿日期:2021-09-17
接受日期:2022-03-25
中图分类号:R445.2  R737.9 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.04.021
本文引用格式:韩雍, 杨淇麟, 赵苑静, 等. 乳腺癌化疗患者脑结构与认知功能改变的扩散峰度成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(4): 111-114. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.04.021

       世界卫生组织报道2020年全球约1000万人死于癌症,乳腺癌已成为全球最常见的癌症,约占新增癌症的11%[1]。化疗在显著降低乳腺癌复发风险的同时,也导致了诸多不良反应,其中乳腺癌患者在接受化疗后会产生记忆力、注意力、执行能力等认知功能的损伤,通常被称为化疗相关认知障碍(chemotherapy-related cognitive impairment,CRCI)[2, 3],这些问题影响着乳腺癌长期生存患者的生理心理状态、治疗依从性和生活质量。近年来,随着对CRCI研究的深入进展,研究显示癌症本身对乳腺癌生存者认知功能影响是存在的,认知功能损害可以发生在化疗开始之前,这可能会被认为是化疗的副作用[4]。因此,对乳腺癌患者化疗前的评估具有重要的价值。认知功能的改变意味着大脑微结构可能发生了变化,扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)采用的四阶三维张量可以量化组织中水分子的非高斯扩散,有助于提供更有价值的水分子扩散状态峰度信息,早期客观地显示脑微结构、微信息的改变,目前已被应用于轻度认知障碍、酒精依赖患者等脑结构改变的评估分析中[5, 6]。本研究应用基于体素分析(voxel-based analysis,VBA)的全脑分析方法,避免了先验假设的主观性,通过DKI多个特征性参数对接受化疗患者脑微结构改变、认知功能障碍做进一步研究,希望可以为此疾病的神经病理学机制及早期诊疗提供新的影像学视角。

1 材料与方法

1.1 临床资料

       本研究为前瞻性研究。纳入2019年9月至2020年11月在常州市第二人民医院乳腺外科就诊的乳腺癌患者23例为化疗组,招募年龄、受教育年限与化疗组匹配的健康志愿者26例为对照组。化疗组纳入标准:(1)经过手术病理证实的原发乳腺癌患者(Ⅰ~Ⅲ期);(2)右利手,受教育年限≥6年;(3)未进行放疗及靶向药物治疗或其他辅助治疗;(4)年龄≤60岁绝经后女性。排除标准:(1)乳腺癌脑转移、预期寿命小于一年患者;(2)既往有糖尿病等代谢类疾病或精神类疾病史,伴焦虑、抑郁症状倾向;(3)中枢神经系统器质性病变、脑外伤手术史;(4) MR检查禁忌患者。对照组纳入标准:(1)年龄、受教育程度、绝经状态匹配的健康女性;(2)右利手;(3)无精神类或神经类疾病家族病史,无焦虑、抑郁症倾向;(4)能接受头颅磁共振25 min的扫描。排除标准:(1)既往有糖尿病等代谢类疾病或精神类疾病史,伴焦虑、抑郁症状倾向;(2)中枢神经系统器质性病变、脑外伤手术史;(3) MR检查禁忌者。

       本实验所有受试者均知晓MR检查注意事项,受试者均已签署本研究的知情同意书,实验研究经过常州市第二人民医院伦理委员会审批同意(批准文号:KY040-01)。

1.2 神经心理学测试

       所有受试对象入组前均完成抑郁、焦虑自评量表评分,化疗组分别于术后3周化疗前、化疗后2周内接受MR检查前完成神经心理学量表测试,在安静的房间内由同一名神经内科医生完成以下评估:蒙特利尔认知评估(Montreal Cognitive Assessment Scale,MoCA);连线测试(Trail Making Test A,TMT-A);画钟测试(Clock Drawing Test,CDT);听觉词语学习即刻测试(Auditory Verbal Learning instant Test,AVLT1);听觉词语学习延迟5 min (Auditory Verbal Learning Delay 5 min Test,AVLT2)。

1.3 化疗方案

       本研究23例乳腺癌患者既往均未进行化疗,化疗用药方案基于蒽环类和紫杉醇类药物,采用常用的标准EC×4-T×4化学治疗方案给药,化疗前后时间跨度为EC×4周期(表柔比星100 mg/m2+环磷酰胺600 mg/m2,每21 d重复,共4次),T×4周期(多西他赛75 mg/m2,每21 d重复,共4次)。

1.4 图像采集

       使用GE公司Discovery 750W 3.0 T核磁共振扫描仪,32通道相控阵头正交线圈进行头部扫描;受试者平卧,双侧外耳道填充降噪耳塞减轻机器噪音,采用海绵垫填充固定头部,嘱咐受试者闭眼并保持清醒,避免思维活动。首先进行T1加权成像(T1 weighted imaging,T1WI)、T2加权成像(T2 weighted imaging,T2WI)-液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion recovery,FLAIR)常规序列扫描,排除中枢神经系统器质性病变。随后进行三维颅脑容积成像(three-dimension brain volume imaging,3D-BRAVO)序列及DKI序列扫描。扫描参数:3D-BRAVO高分辨率横断位TR:7.5 ms,TE:2.8 ms,FOV:2.3 cm×2.3 cm,层厚:1 mm,矩阵:256×256。扩散峰度成像TR:6500 ms,TE:95.8 ms,FOV:2.4 cm×2.4 cm,矩阵:128×128,层厚:3.6 mm,采集3个b值(0,1000,2000 s/mm2),b=1000、2000 s/mm2时分30个方向。

1.5 数据处理

       (1)预处理:使用dcm2nii软件将受试对象DKI序列DICOM图像转化为FSL 4DNIFTI格式,使用FSL软件中的eddy correct进行头动和涡流校正;(2)参数图处理:将矫正后图像导入DKE软件,计算参数值生成MK、RK、AK参数图,半高全宽FWHM为3.375。将参数图导入Matlab (R2016b)运行的SPM 12软件中进行体素分析;(3)空间标准化:将受试者3D-T1空间图像配准到蒙特利尔研究所标准空间模板,把b=0 s/mm2的图像配准到标准化的3D-T1WI图像,生成配准参数写入MK、RK、AK参数图,得到标准化参数图并采用6 mm的高斯核对参数图进行空间平滑处理。

1.6 统计学分析

       采用SPSS 25.0软件,在化疗组基线水平对两组一般资料及神经心理学测试结果进行双样本t检验,结果以x¯±s表示;采用配对t检验比较化疗前后神经心理学测试分数,P<0.05为差异具有统计学意义。两组参数图采用Matlab (R2016b)的SPM 12统计软件进行配对t检验,所有统计结果均进行检出率(false discovery rate,FDR)校正,以体素水平阈值P<0.05,连续体素数目≥10个为差异具有统计学意义。将化疗前后MK、AK、RK差异有统计学意义脑区作为感兴趣区并提取参数值,与神经心理学测试结果采用Pearson相关分析,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 受试对象一般资料

       化疗组在基线水平与对照组的一般资料特征、焦虑及抑郁自评分差异无统计学意义(P>0.05)。见表1

表1  化疗组与对照组一般资料比较

2.2 神经心理学测试结果

       与对照组相比,化疗前(CB组)神经心理学测试结果差异无统计学意义(P>0.05);配对t检验结果显示化疗后(CC组)在MoCA、AVLT2、CDT方面较CB组差异均有统计学意义(P<0.05)。具体见表2

表2  化疗组与对照组神经心理学测试结果比较

2.3 扩散峰度成像参数值变化统计结果

       经过FDR多重比较校正,化疗组在基线水平与对照组的MK值、RK值、AK值差异无统计学意义(P>0.05)。乳腺癌患者在化疗前后部分脑区的MK值、RK值存在差异,其中右后扣带回、胼胝体膝部、右侧额上回MK值降低;后扣带回、右侧额中回RK值降低,差异具有统计学意义(P<0.05)。见表3图12

图1  乳腺癌患者化疗前后平均扩散峰度(MK)值存在差异脑区:右侧额上回、胼胝体膝部、右侧后扣带回示意图(FDR校正,P<0.05),右侧色条显示所代表的t值。
图2  乳腺癌患者化疗前后径向峰度(RK)值存在差异脑区:后扣带回、右侧额中回示意图(经FDR校正,P<0.05),右侧色条显示所代表的t值。
图3  乳腺癌患者化疗后右侧扣带回平均扩散峰度(MK)值与听觉词语学习延迟5 min (AVLT2)评分结果相关性散点图。
图4  乳腺癌患者化疗后后扣带回径向峰度(RK)值与蒙特利尔认知评估(MoCA)结果相关性散点图。
表3  化疗前后扩散峰度成像参数值差异有统计学意义脑区

2.4 相关性分析

       以化疗前后差异具有统计学意义的脑区为ROI,提取化疗后其MK、RK值与有显著差异神经心理学测试结果进行Pearson相关性分析,结果显示化疗后右侧后扣带回MK值与AVLT2结果呈正相关(r=0.548,P=0.007),后扣带回RK值与MoCA结果呈正相关(r=0.654,P=0.001)。其他兴趣区MK、RK值与神经心理学测试结果无明显相关性。见图34

3 讨论

3.1 乳腺癌化疗患者神经心理认知测试评分变化及意义

       CRCI病理学机制被认为是多因素的相互作用,化疗药物会损伤脑胶质细胞、神经轴突细胞,进而导致脱髓鞘、神经元破坏和凋亡,氧化应激升高等潜在机制的激发。研究显示CRCI潜在机制导致的脑微结构变化可先于认知缺陷表现之前出现,且与认知功能密切相关[7, 8]。另有Paquet等[9]的研究证明接受化疗乳腺癌存活者的前瞻性记忆受损,为化疗可对记忆力产生损伤提供了证据。本研究中化疗后乳腺癌患者的客观评估测试MoCA、CDT、AVLT2认知功能表现均低于化疗前和正常对照组,因此推测化疗对乳腺癌患者认知功能的影响可能主要表现在记忆力的损害、执行处理速度下降方面,这一结果也与既往已报道的观点是基本一致的[8,10]。另外,Chen等[11]认为乳腺癌本身也会导致认知障碍及脑功能活动的改变,虽然本研究中患者在接受化疗前较HC组本身不存在认知功能障碍,DKI参数值差异无统计学意义(P<0.05),但癌症本身引起的认知损害及脑微结构改变仍需要大样本的队列研究追踪实验进行探究。

3.2 乳腺癌化疗患者脑结构DKI参数值变化及意义

       本研究显示接受化疗的乳腺癌患者MK值存在差异的脑区包括:胼胝体膝部、右侧后扣带回、右侧额上回,RK值降低的脑区有后扣带回、右侧额中回。本研究中这些异常改变主要分布在右侧大脑半球,这可能与大脑双侧半球额顶网络系统功能分工不同有关,左侧额顶网络系统支配语言处理功能,右额顶网络系统与执行功能、视觉处理等认知领域密切相关[12]。前额叶是处理认知功能的重要脑区,与执行控制、注意力、视觉工作记忆的加工相关。McDonald等[13]学者前瞻性研究显示在化疗后1个月,乳腺癌患者双侧额叶灰质密度减少;Mo等[14]联合静息态磁共振和DTI对化疗后乳腺癌患者评估发现额叶区局部一致性值降低,额枕上束的各向异性分数(fractional anisotropy,FA)值降低且与神经心理学测试存在显著相关性,这些研究均提示化疗对脑结构及功能的影响涉及额叶。本研究显示化疗后患者右侧额上回MK值、右侧额中回RK值下降,提示额叶神经元纤维的减少及神经细胞变性,这可能是MK值、RK值减低的病理学机制,这些观察结果可能解释了化疗后出现的延迟记忆功能和执行功能减低现象,这也证实了Winocur等[15]动物模型研究结论,常用化疗药物可显示出对依赖于额叶的认知功能的不良影响现象。

       化疗药物能够改变血脑屏障的通透性,在化疗期间释放大量肿瘤坏死因子破坏血脑屏障,对神经胶质细胞、神经元轴突转运蛋白、DNA造成损害[16]。后扣带回位于具有丰富血流的大脑前中动脉之间,化疗药物可通过不完整的血脑屏障造成神经损伤,后扣带回是边缘系统的重要组成部分,与前嗅皮层、海马结构相互连接,既往研究证明后扣带回脑区结构与视觉空间定位与情景记忆等认知缺陷关系密切[17, 18]。Tong等[19]一项联合扩散张量成像及磁共振波谱对乳腺癌患者CRCI的研究中,证明后扣带回脑区结构、代谢异常与相关认知障碍关系密切,并且与神经心理学评分具有相关性。国内目前对于扣带回后部损伤的DKI技术研究报道尚有限,本研究中右扣带回后部MK值减低、后扣带回RK值减低,也再次证实了化疗会导致扣带回白质完整性破坏及神经纤维受损这一观点,且认知功能评分AVLT2与右扣带回MK值减低呈正相关、后扣带回RK值与MoCA结果呈正相关,进而提示后扣带回白质神经细胞受损、完整性损害可能是情景记忆受损的机制之一。此外,Cheng等[20]近期研究显示接受化疗的乳腺癌存活者后扣带回皮层与海马功能连接性增强,这一现象导致的海马功能失调可能是CRCI患者前瞻性记忆受损的内在机制。

       胼胝体是大脑重要的连合纤维,胼胝体膝部是大脑前部的纤维连接,在左右大脑半球间发挥着信息传递、协调等作用。既往研究表明帕金森患者胼胝体完整性受到破坏,胼胝体FA值与认知功能评分呈正相关,胼胝体膝部解剖区域与认知功能密切相关[21]。Han等[22]发现化疗药物与大鼠胼胝体中髓鞘减少有关,为化疗患者胼胝体损伤提供了动物模型基础。本研究中患者化疗后胼胝体膝部MK值的改变间接反映该区域可能存在髓鞘、轴突损伤及白质纤维的完整性破坏等病理过程,进一步说明胼胝体与认知功能存在的关联性也在乳腺癌化疗患者中得到证实,因此胼胝体膝部损伤一定程度上影响了认知功能传导通路。

3.3 局限性

       本研究也显示出一些局限性:患者脱落率较高,样本量规模较小;不同患者接受的化疗方案不同,未根据不同治疗方案对患者组进行分层研究;患者部分DKI指标化疗前后的变化是否和精神心理症状变化相关尚不清楚。

       综上所述,本研究应用基于VBA的DKI对全脑体素进行分析,并对患者的高危因素进行了严格的纳入,统一化疗方案及绝经状态、年龄段等,尽可能地排除混杂因素对认知功能的影响,结果提示MK、RK值的改变与化疗引起的脑微结构变化及认知障碍关系密切,对于揭示乳腺癌化疗患者脑结构的损伤及执行处理、记忆功能的损伤具有一定价值。未来,关于CRCI易感脑区的受损机制及恢复模式的相关研究、个体化预测都具有很广阔的前景。

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