吸煙和飲咖啡對局部腦血流量短期影響的動脈自旋標記分析

譚博文，呂發金

吸煙和飲咖啡對局部腦血流量短期影響的動脈自旋標記分析

譚博文，呂發金*

目的探討吸煙和飲咖啡對正常成年人局部腦血流量(regional cerebral blood flow，rCBF)產生的短期影響。材料與方法41名青中年健康志愿者進行吸煙試驗，年齡22～55歲，平均年齡(36.6±11.8)歲，并分為吸煙史組(男21名)和無吸煙史組(男20名)；19名青年健康志愿者進行咖啡試驗，年齡范圍22～27歲，平均年齡(24.4±1.4)歲，采用三維動脈自旋標記(three dimensional arterial spin labeling，3D ASL)磁共振灌注技術定量測量41名志愿者吸煙前后以及19名志愿者飲用咖啡前后枕葉、額葉、顳葉灰質和丘腦、基底節區rCBF。結果(1)41名志愿者吸煙前后的各腦區rCBF差異無統計學意義(P均＞0.05)。(2)21名吸煙史組的吸煙前rCBF低于20名無吸煙史組，且在雙側枕葉、顳葉、丘腦以及左側基底節區的rCBF差別較大(P均＜0.05)。(3)19名志愿者飲用咖啡后，雙側枕葉、額葉、顳葉灰質和丘腦、基底節的rCBF均產生明顯降低的急性變化(P均＜0.05)，且下降幅度分別為14.5%、16.5%、11.6%、11.7%、17.6%、15.7%、14.0%、14.3%、14.4%、15.4%，以右側顳葉變化最為顯著。結論基于3D ASL技術檢測吸煙和咖啡對局部腦灰質血流量的短期影響，咖啡使rCBF發生降低的急性變化，吸煙對rCBF并未產生短期影響，而長期吸煙能導致rCBF降低。

動脈自旋標記；腦血流量；吸煙；咖啡；磁共振成像

譚博文, 呂發金. 吸煙和飲咖啡對局部腦血流量短期影響的動脈自旋標記分析. 磁共振成像, 2017, 8(2): 87-91.

吸煙和飲咖啡是人們生活中提神解乏最為廣泛使用的兩種方式，兩者都能刺激人的中樞神經，振作精神。研究表明長期吸煙和飲咖啡對腦血管有著不同的作用。吸煙是腦血管病最常見的獨立危險因素，吸煙越多，煙齡越長，可大大增加發生腦血管病的危險性[1]。而長期攝入咖啡可降低腦卒中危險，并可預防阿爾茨海默病和認知功能降低[2]。近年來有文獻報道短期大量吸煙導致急性心肌梗死[3]，咖啡的急性攝入則可能引發焦慮和影響睡眠質量。急性吸煙和飲咖啡可帶來健康問題、影響人的正常生理功能，因而了解這兩種方式對大腦灌注及人體功能的影響，對于指導人們正確的生活方式具有重要的意義。

目前國內外的研究主要集中在慢性吸煙對大腦灌注的改變，以及咖啡對腦功能的影響，很少有研究調查吸煙和飲咖啡對局部腦血流量的短期影響。(three dimensional arterial spin labeling，3D ASL)不需注入對比劑就能定量測量大腦血流量[4]，目前已被廣泛應用于正常及病理腦功能的研究。本研究采用3D ASL技術檢測吸煙和飲咖啡早期局部腦灰質腦血流量(cerebral blood flow，CBF)改變，了解這兩種方式分別對腦灌注的短期影響。

1 材料與方法

1.1 研究對象

1.1.1 吸煙試驗

2015年11月至2016年3月在重慶醫科大學附屬第一醫院放射科進行MR掃描的青中年志愿者，所有志愿者試驗前均簽署知情同意書。納入標準：所有志愿者均為右利手，身體健康，并經過腦部MR常規檢查除外腦部病變。排除標準：(1)有任何神經系統的病史，如癲癇癥、神經退行性疾病、創傷性腦損傷導致意識喪失＞5 min；(2)常見臨床疾病，如內分泌疾病、慢性阻塞性肺炎等；(3)有血管危險因素，如糖尿病、高血壓、心臟功能異常、心肌梗死、腦血管意外、偏頭痛等；(4)精神功能障礙，如焦慮、藥物或酒精濫用。本吸煙試驗納入41名青中年男性健康志愿者，年齡22～55歲，平均年齡(36.6±11.8)歲，其中吸煙史組人數為21人，年齡22～55歲，平均年齡(37±11.8)歲，無吸煙史組人數為20人，年齡22～52歲，平均年齡(36.2±12.1)歲。所有吸煙史組的志愿者，每天吸煙大于10支，煙齡至少超過5年，并且所有吸煙者在最近5年內都沒有進行超過一個月的戒煙行為。而20名無吸煙史者一生中吸煙支數少于40支，且近5年均沒有吸煙[5]。具體人口統計學特征見表1。

1.1.2 飲咖啡試驗

2016年2月至2016年4月在重慶醫科大學附屬第一醫院放射科進行MR掃描的青年志愿者共19名(男性10名，女性9名)，年齡在22～27歲，平均年齡為(24.4±1.4)歲，均為非咖啡消費者(每月飲用咖啡少于4次，近一周均無咖啡使用記錄)。

1.2 頭顱MR掃描

采用GE Signa HDxt 3.0 T MR系統，8通道頭顱相控陣線圈檢查，行常規平掃、3D ASL序列掃描。腦部常規MRI序列及參數：軸位T1WI (TR=250 ms，TE=2.86 ms)、軸位T2WI (TR=3600 ms，TE=120 ms)、軸位T2-FLAIR序列(TR=8000 ms，TE=120 ms)，層厚5.0 mm，層數20。3D ASL參數：TR=4632.0 ms，TE= 10.5 ms，Points：512，Arms：8，NEX：3，Post Lable Delay：2025.0，層厚4.0 mm，層數40，掃描時間4 min 29 s。

常規掃描后行3D ASL掃描，吸煙試驗：每位志愿者完成第一次ASL掃描后，立即抽吸含有約1 mg尼古丁的香煙1支，2 min內吸完，要求吸入肺內，吸完后馬上進行第二次ASL掃描；飲咖啡試驗：每位志愿者完成第一次ASL掃描后，立即飲用合約100 mg咖啡因的速溶咖啡2袋(雀巢)，攝入咖啡1 h后再進行第二次ASL掃描(咖啡因攝入大約在45 min后胃腸道可吸收99%，且半衰期為2.5～4.5 h)。

1.3 3 DASL圖像后期處理及分析

將灌注掃描所獲得的原始數據傳輸到GE ADW4.6工作站，采用Functool軟件進行處理后得到腦血流圖像，每位志愿者有2次腦血流量圖譜，且均在丘腦層面手工劃分感興趣區(regions ofinterest，ROI)(見圖1)，每位受試者的測量部位包括雙側額葉、顳葉、枕葉灰質以及雙側丘腦、基底節，共10個ROI。劃定ROI的同時，屏幕會自動生成該區域的腦血流量(ml/100 g?min)。

1.4 統計學方法

采用SPSS 20.0統計軟件，所有數據結果以均數±標準差表示。對計算出的rCBF進行正態性檢驗，吸煙史組和無吸煙史組吸煙前后rCBF、飲咖啡組飲用咖啡前后rCBF的3組組內比較，采用雙樣本配對t檢驗。吸煙史組和無吸煙史組的吸煙前rCBF比較，采用雙樣本t檢驗，統計結果以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 吸煙對正常人局部腦血流的影響

吸煙史組與無吸煙史組吸煙前后的雙側額葉、顳葉、枕葉灰質、雙側丘腦、基底節rCBF均未見明顯差別(P均＞0.05），見表2。

2.2 吸煙史組和無吸煙史組的吸煙前rCBF比較

吸煙史組的吸煙前rCBF比無吸煙史組低，且在雙側枕葉(t右側枕葉=2.820，t左側枕葉=2.508，P右側枕葉= 0.008，P左側枕葉=0.016)、顳葉(t右側顳葉=2.981，t左側顳葉=2.890，P右側顳葉=0.005，P左側顳葉=0.006)灰質、雙側丘腦(t右側丘腦=2.581，t左側丘腦=3.847，P右側丘腦= 0.014，P左側丘腦=0.000)、左側基底節(t左側基底節=2.280，P左側基底節=0.028)區域的rCBF差別較大(P均＜0.05)，且rCBF下降程度分別為7.58、7.01、8.73、8.19、6.34、7.85、4.22 ml/(100 g?min)，見圖2。

2.3 飲咖啡前后各腦葉的局部大腦灰質血流量的比較

咖啡組飲用咖啡后，雙側枕葉(t右側枕葉=5.65，t左側枕葉=6.613，P右側枕葉=0.000，P左側枕葉=0.000)、額葉(t右側額葉=4.154，t左側額葉=3.719，P右側額葉=0.001，P左側額葉=0.002)、顳葉(t右側顳葉=11.728，t左側顳葉=12.323，P右側顳葉=0.000，P左側顳葉=0.000)灰質、雙側丘腦(t右側丘腦=6.951，t左側丘腦=6.414，P右側丘腦=0.000，P左側丘腦=0.000)、基底節(t右側基底節=6.607，t左側基底節= 5.484，P右側基底節=0.000，P左側基底節=0.000) rCBF有明顯下降(P均＜0.05)，且下降幅度分別為14.5%、16.5%、11.6%、11.7%、17.6%、15.7%、14.0%、14.3%、14.4%、15.4%，以右側顳葉變化最為顯著(見表3和圖3)。

表1 吸煙史組和無吸煙史組的人口學特征比較Tab.1 Comparison of demographic characteristics of smokers and nonsmokers

3 討論

3.1 吸煙對大腦灌注的影響

本研究顯示吸煙史組和無吸煙史組吸煙前后，其rCBF均未發生明顯變化，說明吸煙并未對腦灌注產生短期效應，而吸煙史組的吸煙前rCBF低于無吸煙史組的吸煙前rCBF，則提示長期吸煙能降低大腦灌注。根據以往的MR研究[6-8]，與吸煙相關的一些大腦結構、代謝以及腦白質纖維結構可發生異常的改變，現有的一些灌注研究也表明長期吸煙可導致大腦灌注的降低。

表2 吸煙史組和無吸煙史組吸煙前后各腦葉的局部大腦灰質血流量的比較Tab.2 Comparison of grey matters' rCBF in each lobe of the brain before and after smoking

表3 飲咖啡前后各腦葉的局部大腦灰質血流量的比較Tab.3 Comparison of grey matters' rCBF in each lobe of the brain before and after drinking coffee

圖1 ASL灌注磁共振感興趣區圖像。手動劃分丘腦層面感興趣區雙側額葉、顳葉、枕葉灰質及雙側丘腦、基底節Fig. 1 ROIs in 3D-ASL CBF color map. Selected bilateral frontal GM, temporal GM, occipital GM and thalamus, basal ganglia as ROI in the thalamus level.

Durazzo 等[5]利 用 ASL比 較了 34名 吸煙 者和27名非吸煙者的區域腦灰質灌注，結果顯示，在雙側眶額皮質、頂小葉、顳上回、左后扣帶回以及右側扣帶峽部、緣上回等區域，吸煙者的區域腦灌注明顯比非吸煙者低，且吸煙者的煙齡與大腦灌注水平呈負相關。此研究還顯示吸煙者的大腦前皮層區域灌注呈現明顯降低的變化，而前皮層區域參與調節成癮戒斷過程中的眾多認知及執行功能有著重要作用。Murray等[9]的研究結果也顯示，在吸煙的酗酒者和藥物濫用者中，煙齡越高、吸煙越多，其腦灌注越低。這表明吸煙和物質濫用所產生的協同作用可能會影響大腦的血管完整性，從而可導致大腦皮質和皮質下的灌注降低。

圖2 吸煙史組和無吸煙史組的吸煙前rCBF比較Fig. 2 Comparison of grey matters' rCBF in each lobe of the brain before somking.

圖3 飲咖啡前后各腦葉的局部大腦灰質血流量的比較Fig. 3 Comparison of grey matters' rCBF in each lobe of the brain before and after drinking coffee.

本研究結果表明吸煙并未對腦灌注產生短期效應，這可能是因為香煙中的尼古丁破壞血管內皮細胞，影響腦部血液循環[10]是一個慢性過程，尼古丁對大腦血管的短暫刺激并未導致腦灌注的改變。香煙中的氣體和微粒含有一些有害的化合物，這些物質的長期吸收可影響大腦神經元、神經膠質的結構和功能的完整性，或者損害腦血管內膜和平滑肌中膜，影響腦血流動力學，導致大腦灌注的降低，進而促進或形成臨床上一些嚴重的腦血管疾病[11]。

3.2 飲咖啡對大腦灌注的影響

本研究顯示正常成年人飲用咖啡后，大腦灰質rCBF會產生降低的急性變化，降低幅度在11.6%～17.6%左右，以右側顳葉灰質的rCBF變化最明顯。現今有磁共振灌注和PET研究報道過，咖啡因可導致全腦灌注的降低。Vidyasagar等[12]利用ASL檢測20名健康的年輕志愿者，飲用咖啡或者含咖啡因的茶葉1.5 h后全腦灌注發生的變化，結果顯示飲用兩種物質后，均可導致全腦灰質灌注降低近20%，大部分灰質以及深部灰質都呈現灌注降低的變化。Haller等[13]研究也得出類似結果，24名的年老健康志愿者使用富含咖啡因的膠囊后，全腦灰質灌注下降22.7%。本研究中健康志愿者飲用咖啡后rCBF降低幅度低于以上兩個研究，這可能是因 為 咖 啡 攝入 時 間較 短 導致 血 漿濃 度 較 低 有 關 。

咖啡因的基本結構含有甲基黃嘌呤，是腺苷受體(adenosine receptor，AR)的非選擇性拮抗劑。腺苷可憑借A2R的激活來擴張血管，也可通過調節神經遞質谷氨酸的釋放來抑制神經元的興奮。因而咖啡中的咖啡因在降解過程中可刺激交感神經活動和增加血管張力[14]。但單憑MRI檢查是很難確定咖啡因是通過對神經的影響，還是對血管通路產生作用導致rCBF降低的。在未來的研究工作中，需要運用對神經功能更為敏感的工具來檢測咖啡因對大腦神經的作用。

雖然很難判斷大腦灌注降低后會帶來何種生理變化，但是了解咖啡會對大腦灌注產生降低的急性影響這一現象依然很重要。有研究表明，咖啡會對人體產生一些長期影響，包括血腦屏障的穩定性[15]，然而，本研究局限于咖啡對大腦灌注的短期效應，并沒有調查咖啡對人體所產生的復雜的長期影響。

本研究存在一定的局限性，兩組試驗只對比丘腦層面幾個區域的腦灰質rCBF是不夠的，這并不能充分反映全腦灌注的變化。且本研究中咖啡組試驗的樣本量不足，并未研究咖啡消費者飲用咖啡后大腦灌注所發生的變化。

綜上所述，3D ASL技術作為一種無創的MRI灌注新技術，能有效地定量測量大腦血流量。本研究利用3D ASL技術來檢測吸煙和咖啡對正常成年人rCBF 產生的短期影響，發現咖啡能使rCBF產生降低的急性變化，吸煙對rCBF并未產生短期影響，而長期吸煙能導致rCBF降低。在未來的研究中，需要關注吸煙戒斷后大腦灌注的變化，以及咖啡對大腦灌注所產生的長期效應。

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The short-term effect of cigarette and coffee on regional cerebral blood flow measured with arterial spin labeling

TAN Bo-wen, LV Fa-jin*
The First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China
*

Lv FJ, E-mail: fajinlv@163.com
Received 17 Sep 2016, Accepted 15 Nov2016
ACKNOWLEDGMENTSThis work was supported by the National Key Clinical Specialist Construction Programs of China (No. [2013]544).

Objective:To investigate the short-term effects of smoking and drinking coffee on regional cerebral blood flow (rCBF) in healthy adults.Materials and Methods:Forty-one healthy male volunteers (age range 22—55 years old , average age 36.6±11.8 years old) were divided into two groups: 21 volunteers with smoking habit were selected into smoking group, 20 volunteers without smoking habit were selected into non-smoking group. All of them were performed with smoking test. 19 volunteers (age range 22—27 years old, average age 24.4±1.4 years old) were performed with drinking coffee test. Before and after test, measuring rCBF of occipital lobe, frontal lobe, temporal lobe’s gray matter and thalamus,basal ganglia with 3D-arterial spin labeling technology (3D-ASL).Results:(1) rCBF of 41 volunteers had no significant difference (P＞0.05) before and after smoking. (2) 21 smokers showed a lower rCBF than 20 non-smokers before smoking and rCBF in region of bilateral occipital lobe, temporal lobe, thalamus, left basal ganglia had significant difference (P＜0.05). (3) rCBF of 19 volunteers in region of bilateral occipital lobe, frontal lobe, temporal lobe gray matter and thalamus, basal ganglia showed significant decrease (P＜0.05) after drinking coffee. The decline rate was 14.5%, 16.5%, 11.6%, 16.5%, 17.6%, 15.7%, 14.0%, 14.3%, 14.4%, 15.4%, respectively. rCBF in the right temporal lobe had a significant change.Conclusion:To detect the short-term effect of smoking and intaking coffee on gray matters' rCBF in healthy adults based on 3D ASL technology, we found that drinking coffee can lead to an acute reduction in rCBF. Though somking had no short-term impact on rCBF, it can lead to rCBF's reduction in the long run.

Arterial spin labeling; Cerebral blood flow; Smoking; Coffee; Magnetic resonance imaging

國家臨床重點專科建設項目(編號：[2013]544)

重慶醫科大學附屬第一醫院，重慶400016

呂發金，E-mail：fajinlv@163.com

2016-09-17接受日期：2016-11-15

R445.2；R743

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.02.002