定量磁化率成像技術(shù)對抑郁癥患者腦脊液鐵沉積的縱向研究

謝杰，王琪，王云，謝宇航，李月峰

抑郁癥是一種以持久的心境低落為主要臨床特征的心身性疾病，具有高發(fā)、自殘和自殺的顯著特征，已成為嚴(yán)重危害人類健康的第二大疾病[1]。但抑郁疾病的發(fā)病機(jī)制至今尚未明晰，研究者先后提出了神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)營養(yǎng)和炎癥因子等關(guān)于其發(fā)病機(jī)制的假說[2-4]，近年來關(guān)于微量元素與本病關(guān)系的新興學(xué)說進(jìn)入學(xué)界視野。大量文獻(xiàn)報道提示微量元素與大腦的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，微量元素失衡可導(dǎo)致情感、記憶及認(rèn)知功能的顯著異常[5]。鐵作為微量元素中重要的成員，其在抑郁發(fā)病機(jī)制中的作用正逐漸被揭示[6]。本課題組前期研究證實(shí)抑郁癥患者存在顯著的腦鐵含量的異常，表現(xiàn)為定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)上尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦等部位的異常鐵沉積信號，并提示腦鐵含量異常或可作為探索抑郁癥機(jī)制的有力切入點(diǎn)[7]。本研究擬在前期研究的基礎(chǔ)上，采用QSM技術(shù)進(jìn)一步對抑郁癥患者腦脊液中的鐵含量進(jìn)行探究，以期形成系統(tǒng)性成果，為抑郁疾病微量元素學(xué)說提供補(bǔ)充科學(xué)依據(jù)及臨床參考。

材料與方法

1.研究對象

本研究為前瞻性設(shè)計(jì)。將2019年3月-2019年12月鎮(zhèn)江市精神衛(wèi)生中心收治入院的47例抑郁癥患者及性別、年齡等人口學(xué)資料相匹配的21例健康志愿者(對照組)納入本研究。入組受試者臨床資料的搜集由兩位高年資精神專科醫(yī)師(執(zhí)業(yè)年限>10年)完成。以漢密爾頓抑郁量表17項(xiàng)(Hamilton Depression Scale-17，HDS-17)對患者抑郁程度進(jìn)行評估，以評分≤7為無抑郁，8～16為輕度抑郁，17～23為中度抑郁，≥24為重度抑郁。評測過程由實(shí)施醫(yī)師引導(dǎo)受試者在安靜環(huán)境下進(jìn)行，并要求受試者情緒穩(wěn)定、保持注意力集中，單次評估時間約15 min。

抑郁癥患者入組標(biāo)準(zhǔn)：(1)符合《精神障礙診斷與統(tǒng)計(jì)手冊》第4版(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，4th edition，DSM-Ⅳ)中提出的抑郁癥發(fā)作診斷標(biāo)準(zhǔn)；(2)HDS-17評分量表符合抑郁癥診斷；(3)單相抑郁；(4)無其它精神疾病史，無使用精神并類藥物史；(5)無嚴(yán)重神經(jīng)功能障礙疾病(如腦震蕩、中風(fēng)、神經(jīng)炎癥疾病)或中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療史(如顱內(nèi)占位性病變，慢性神經(jīng)炎癥或自身免疫性腦炎)；(6)無其它影響腦脊液或代謝的疾病(如化膿性腦膜炎、腦腫瘤、糖尿病或甲狀腺疾病)；(7)近期未服用鐵含量高的食品或藥物；(8)無MRI掃描禁忌證。

所有抑郁癥患者在入院后及標(biāo)準(zhǔn)化治療6周后分別接受HDS-17評估及頭顱MRI掃描，并根據(jù)治療效果分為緩解組(HDS-17評分≤7分)33例和非緩解組(HDS-17評分>7分)14例。本研究經(jīng)鎮(zhèn)江市精神衛(wèi)生中心倫理委員會審核批準(zhǔn)(ZJJW-2019007)，并獲得所有受試者的知情同意。

2.圖像采集和后處理

使用SiemensMagnetom Trio Tim 3.0T磁共振儀和8通道頭部相控陣線圈，在掃描過程中于受試者頭部兩側(cè)和下方均放置海綿墊，以減小受試者頭部運(yùn)動而且保證受試者間定位的一致性。掃描序列主要包括橫軸面SWI及T1WI。SWI掃描參數(shù)：高分辨率三維多梯度回波序列，TR 28 ms，TE 16 ms，層厚2.0 mm，翻轉(zhuǎn)角7°，帶寬120 Hz/pixel，像素大小1 mm×1 mm×2 mm，視野250 mm×250 mm，矩陣256×256×80，采集時間5.0 min。SE T1WI掃描參數(shù)：TR 14.00 ms，TE 4.92 ms，層厚1.2 mm，翻轉(zhuǎn)角7°，帶寬140 Hz/pixel，像素大小1 mm×1 mm×1 mm，視野250 mm×250 mm，矩陣256×256×192，采集時間3.3 min。采用美國韋恩州立大學(xué)提供的磁化率成像和相位偽影消除工具包(susceptibility mapping and phase artifacts remova1 toolbox，SMART)對SWI原始相位圖和幅度圖進(jìn)行后處理，具體步驟：(1)以拉普拉斯(Laplacian)方法對原始相位圖進(jìn)行解纏繞，并采用可變球核的復(fù)雜諧波偽影去除法來去除背景場的信號；(2)采用特定算法去除顱骨的信號，并采用復(fù)合閾值法消除相位圖上非組織區(qū)域的偽影；(3)通過基于形態(tài)學(xué)相似性的反演方法(morphology enabled dipole inversion，MEDI)進(jìn)行磁化率反演，得到QSM[8]。

3.CSF的QSM數(shù)據(jù)提取

在基于MATLAB 2013a平臺中的SPM(Statistical Parametric Mapping)12軟件包對CSF的QSM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。首先將T1WI圖像仿射變換共登記到標(biāo)準(zhǔn)腦MNI-152空間，以3D高斯平滑補(bǔ)償校正配準(zhǔn)誤差和其它誤差，獲得個體腦至標(biāo)準(zhǔn)腦的圖像變換矩陣，并且應(yīng)用矩陣于被試的個體QSM，獲得標(biāo)準(zhǔn)化的QSM；然后在FSL v6.0(Functional MRI Software Library,version6.0)平臺中，以MNI-152空間的CSF為模板，提取出標(biāo)準(zhǔn)化QSM的CSF掩模；最后，再將圖像變換矩陣反向應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化QSM的CSF掩模，生成個體QSMCSF掩模(圖1)。采用美國韋恩州立大學(xué)提供的磁共振信號處理(signal processing in nuclear magnetic resonance，SPIN)軟件自動計(jì)算QSM上CSF掩模的磁化率值。

圖1 QSM圖像獲取及ROI提取流程。

4.CSF鐵蛋白濃度的測量

本研究中，6例入組受試者因入院時需排查神經(jīng)系統(tǒng)感染等疾病，于入院次日上午經(jīng)腰穿抽取腦脊液2.0 mL，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢查，包括常規(guī)生化指標(biāo)和鐵蛋白濃度的測量。常規(guī)生化指標(biāo)的檢測使用貝克曼AU5400生化儀及強(qiáng)生4600干化學(xué)電解質(zhì)分析儀，鐵蛋白濃度的測量使用Siemens ADVIA Centaur型化學(xué)發(fā)光免疫分析儀及美國貝克曼庫爾特CSF鐵蛋白測定試劑盒。對CSF的磁化率值與鐵蛋白濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，以0.8

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用R3.6.1及SPSS25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Shapiro-Wilk和Levene檢驗(yàn)分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)。組間計(jì)量資料的比較采用t檢驗(yàn)或U檢驗(yàn)，組間計(jì)數(shù)資料的比較采用χ2檢驗(yàn)，受試者治療前、后數(shù)據(jù)的比較采用配對樣本t檢驗(yàn)。兩連續(xù)變量(CSF 磁化率值與HDS-17評分)之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。采用Logistic回歸分析對基線CSF的磁化率值對抑郁癥受試者標(biāo)準(zhǔn)化治療后轉(zhuǎn)歸的預(yù)測能力進(jìn)行評估，并采用ROC曲線對其預(yù)測效能進(jìn)行評估。上述組間比較均為雙側(cè)檢驗(yàn)，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.臨床資料

健康對照組與抑郁組患者一般資料的比較結(jié)果見表1。抑郁組與對照組患者之間年齡、性別、受教育程度和體質(zhì)指數(shù)(body mass index，BMI)的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 兩組受試者一般資料的比較

抑郁組患者的發(fā)病年齡為(35.4±3.7)歲，發(fā)作次數(shù)為3.0±0.9，總病程(19.1±3.6)周，基線HDS評分為22.8±8.2，治療6周后HDS評分為8.2±4.4。緩解組與非緩解組臨床資料的比較結(jié)果詳見表2。與緩解組相比，非緩解組表現(xiàn)為基線時更高的HDS-17評分(P<0.001)、更小的發(fā)病年齡(P=0.039)、更多的發(fā)作次數(shù)(P=0.045)及更長的總病程(P<0.001)。

表2 兩組抑郁癥患者臨床資料的比較

2.鐵蛋白濃度與磁化率的相關(guān)性

6例入院時接受CSF腰穿檢測的受試者均排除腦部炎癥。CSF中鐵蛋白濃度為9.15～12.19 mg/L，平均(10.50±1.06) mg/L。此6例受試者的CSF磁化率為8.6～11.2 ppb，平均(9.7±1.1) ppb。

相關(guān)性分析結(jié)果顯示CSF中鐵蛋白濃度與磁化率呈顯著正相關(guān)(r=0.904，P=0.013)，詳見圖2a。

圖2 相關(guān)性分析點(diǎn)線圖。a)CSF鐵蛋白濃度與磁化率呈正相關(guān)；b)基線時抑郁組CSF磁化率與HDS-17評分呈正相關(guān)；c)緩解組磁化率與HDS-17評分呈正相關(guān)；d)非緩解組磁化率與HDS-17評分呈正相關(guān)。

3.CSF磁化率及與抑郁程度的相關(guān)性

治療前抑郁組和對照組的CSF磁化率分別為8.5和3.2 ppb，抑郁組顯著高于對照組(圖3)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-7.210，P<0.001)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示抑郁組中CSF磁化率與患者的HDS-17評分呈顯著正相關(guān)(r=0.644，P<0.001)，詳見圖2b。

圖3 QSM圖，顯示對照組的CSF磁化率顯著低于抑郁組。a)對照組受試者，女，39歲，CSF磁化率為3.2 ppb；b)抑郁組患者，男，38歲，CSF磁化率為8.5 ppb。 圖4 抑郁組患者，男，38歲。QSM圖顯示治療后CSF磁化率顯著低于治療前(8.5 vs. 4.9 ppb)。a)治療前；b)治療后。

經(jīng)過6周標(biāo)準(zhǔn)化治療，緩解組與對照組之間CSF磁化率的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.322，P>0.05)，非緩解組與對照組之間CSF磁化率的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-8.565，P<0.001)。

治療前、后抑郁組CSF磁化率測量結(jié)果見表3。治療前、后緩解組抑郁癥患者CSF磁化率值顯著低于非緩解組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(基線：t=-4.775，P<0.001；治療后：t=-10.559，P<0.001)。緩解組抑郁癥患者治療后CSF磁化率值較治療前明顯降低(圖4)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=7.909，P<0.001)，同時非緩解組抑郁癥患者治療后CSF磁化率值較前也明顯降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=5.097，P<0.001)。

表3 治療前、后抑郁組CSF磁化率測量結(jié)果

相關(guān)分析結(jié)果顯示兩組受試者治療后CSF磁化率與HDS-17評分均呈顯著正相關(guān)(緩解組：r=0.382，P=0.028；非緩解組：r=0.595，P=0.025)，詳見圖2c～d。

4.預(yù)測分析

以抑郁癥患者是否緩解為因變量Y，基線時CSF磁化率為自變量X，緩解組和非緩解組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的臨床指標(biāo)為協(xié)變量，進(jìn)行多元Logistic回歸分析，結(jié)果詳見表3。本組結(jié)果顯示，基線CSF磁化率(OR=2.816，95%CI：1.031～7.691；P=0.043)、發(fā)病年齡(OR=0.751，95%CI：0.514～0.994；P=0.046)及總病程(OR=2.284，95%CI：1.007～5.180；P=0.048)是抑郁癥患者治療后轉(zhuǎn)歸的獨(dú)立預(yù)測因子(其中基線CSF磁化率值、總病程為風(fēng)險因素，發(fā)病年齡為保護(hù)因素)。發(fā)病年齡、總病程和基線CSF磁化率及三個指標(biāo)聯(lián)合診斷模型的ROC曲線見圖5，以聯(lián)合模型的曲線下面積最大(0.971)，相應(yīng)的預(yù)測敏感度、特異度分別為100%和90.9%，約登指數(shù)為0.909。

圖5 各指標(biāo)預(yù)測抑郁癥治療后轉(zhuǎn)歸的ROC曲線，以聯(lián)合診斷模型的AUC最大。a)發(fā)病年齡；b)總病程；c)基線CSF磁化率；d)三指標(biāo)聯(lián)合診斷模型。

討 論

本文在前期對抑郁患者腦實(shí)質(zhì)鐵含量報道的基礎(chǔ)上開展延續(xù)性工作，首次對抑郁癥患者CSF磁化率進(jìn)行了測量和分析。本研究中首先借助6例受試者的CSF腰穿結(jié)果與QSM定量指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，確認(rèn)了QSM技術(shù)對CSF鐵含量的可靠檢測能力，并基于組間比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)抑郁患者的CSF磁化率發(fā)生了改變，且其與病情程度具有顯著相關(guān)性。在隨后的隨訪研究中，發(fā)現(xiàn)CSF的磁化率與抑郁病情的轉(zhuǎn)歸呈一致性改變。進(jìn)一步建立的預(yù)測模型提示CSF磁化率可作為抑郁病情轉(zhuǎn)歸的可靠預(yù)測因子。盡管微量元素在抑郁疾病發(fā)病機(jī)制中的作用逐步被揭示且獲得重視[9]，但來自臨床的在體證據(jù)依然匱乏。QSM技術(shù)的成熟及應(yīng)用，為填補(bǔ)這一理論洼地提供了完美契機(jī)，本文結(jié)果充分提示CSF磁化率可能是抑郁疾病的重要生物學(xué)標(biāo)志物。

不同于離體樣本有創(chuàng)檢測的準(zhǔn)確性，在體無創(chuàng)指標(biāo)的準(zhǔn)確獲得頗具挑戰(zhàn)。在QSM技術(shù)應(yīng)用之前，傳統(tǒng)的R2*成像一直作為在體鐵含量定量測量的主要方法，遺憾的是這一僅依賴于磁幅信號運(yùn)算(忽略相位信號)的成像技術(shù)始終難以突破復(fù)雜的由場到源的反演計(jì)算[10]。因此，基于磁幅與相位融合的QSM技術(shù)一經(jīng)問世便迅速以其豐富的組織信息、敏感準(zhǔn)確的磁化率檢測能力而備受學(xué)界關(guān)注[11-12]。諸多研究腦退行性病變、帕金森病等疾病的文獻(xiàn)報道充分證實(shí)了此項(xiàng)技術(shù)對腦實(shí)質(zhì)鐵含量的卓越檢測能力[13-14]。然而，QSM技術(shù)對CSF中鐵含量的檢測能力卻有待考證，相關(guān)文獻(xiàn)鮮見。故本文首先實(shí)施離體驗(yàn)證試驗(yàn)，肯定性的結(jié)果保證了后續(xù)研究工作的科學(xué)性和可靠性。另一值得指出的技術(shù)基礎(chǔ)是盡管課題組擁有豐富的腦區(qū)分割經(jīng)驗(yàn)[15-16]，為了規(guī)避人工勾畫的可能誤差，進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確性、重復(fù)性和驗(yàn)證性，我們采用了基于標(biāo)準(zhǔn)腦模板的CSF感興趣區(qū)勾畫方式，在保證了科學(xué)性的同時亦顯著提高了測量速度。

鐵是體內(nèi)重要的金屬微量元素。雖然來自產(chǎn)后抑郁的臨床數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)提示外周血中所測鐵含量不足可能與抑郁疾病的發(fā)生密切相關(guān)，但事實(shí)上，過量的腦鐵含量似乎更多地扮演著促自由基致氧化應(yīng)激反應(yīng)的負(fù)面角色[17]。一方面，腦實(shí)質(zhì)內(nèi)鐵異常沉積(主要位于基底節(jié)核團(tuán))是抑郁癥、阿爾茲海默癥等神經(jīng)精神類疾病的主因；另一方面，過量的鐵進(jìn)而發(fā)揮神經(jīng)毒性作用，誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡、死亡、細(xì)胞膜損害及血腦屏障破壞，進(jìn)一步加重疾病的癥狀[18]。作為腦實(shí)質(zhì)營養(yǎng)支持和代謝交換的供給系統(tǒng)，CSF無疑參與了這一正性損傷機(jī)制[19]。這一理論框架不僅有力地支撐了本文結(jié)果，同時高度提示：鑒于CSF的封閉流通性，相較于單個或數(shù)個腦實(shí)質(zhì)腦區(qū)的鐵含量測量，CSF中鐵含量或能更全面地反映腦內(nèi)鐵的異常沉積，且其與疾病的關(guān)系可能更為密切。遺憾的是，因入組的受試者樣本不同，本文中未能與前期腦實(shí)質(zhì)的研究實(shí)施針對性比較分析。

本研究存在的不足之處：(1)受試樣本量偏小，仍需更大樣本量的數(shù)據(jù)來進(jìn)一步驗(yàn)證QSM技術(shù)對CSF鐵含量的評估能力；(2)全腦QSM掃描耗時較長，部分受試者難以堅(jiān)持，導(dǎo)致圖像運(yùn)動偽影稍多、圖像質(zhì)量欠佳，造成無效收集和隨訪數(shù)據(jù)丟失；(3)未能實(shí)現(xiàn)多中心大樣本數(shù)據(jù)采集和驗(yàn)證。在今后的工作中本課題組將進(jìn)一步完善，以期形成對抑郁癥患者腦鐵異常的系統(tǒng)性報道。

綜上所述，CSF內(nèi)鐵沉積與抑郁疾病的嚴(yán)重程度及預(yù)后轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)，或可作為抑郁疾病診斷評估及治療監(jiān)測的潛在指標(biāo)。