乳腺癌化療后腦認知功能損傷靜息態功能MRI 研究

周文蘇 李曉露 張鵬 李瑗 胡劍峰

乳腺癌是我國女性最常見的惡性腫瘤之一［1］，其發病率在過去20 年內顯著增加。乳腺癌術后的輔助化療能降低乳腺癌的復發風險，提高患者的生存率［2］。然而，在提高生存率的同時，乳腺癌患者化療后出現的認知功能損傷開始受到公眾的關注。化療相關認知功能損傷（chemotherapy'induced cognitive impairment，CICI）是指化療期間或化療結束后出現的認知領域的損傷，包括記憶力、注意力、執行能力、學習推理等方面的能力下降［3］。化療后的乳腺癌患者出現了腦白質微結構［4］、腦網絡功能連接等［5］的改變，而這些改變與認知領域的功能障礙有關。目前，化療相關認知功能損傷的發病機制尚不清楚，越來越成熟的神經影像可以從腦結構、腦網絡等方面對深層次的病理生理機制提供技術支持。

以往對乳腺癌患者的神經影像學研究大多集中于任務態磁共振，目前國內外基于靜息狀態的功能磁共振對化療相關認知功能損傷的研究相對較少。靜息態功能磁共振（resting'state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）是基于血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent，BOLD）成像原理的可靠的、非侵入性的成像工具，可以反映大腦的自發活動，已經廣泛用于多種神經及精神疾病的研究［6'8］。本研究用比率低頻振幅和功能連接來探討化療相關認知功能損傷的神經機制，比率低頻振幅（fractional amplitude of low'frequency fluctuations，fALFF）能反映自發區域神經元活動，基于興趣區域的功能連接（functional connectivity，FC）則反映了大腦不同腦區的功能連接。本前瞻性研究結合rs-fMRI 和臨床指標、神經心理學測試來探討乳腺癌患者化療相關認知功能損傷的病理機制，為臨床早期干預提供依據。

資料與方法

1.研究對象

所有受試者均來自于江蘇省泰州市人民醫院門診及住院部招募的依據美國國立綜合癌癥網絡（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）指南進行術后常規劑量化療的乳腺癌患者，均為女性患者，共31 例，年齡40～66 歲。納入標準：（1）右利手；（2）術后病理證實為乳腺癌Ⅰ～Ⅲ級，未進行放療或內分泌治療；（3）術后經NCCN 指南行標準方案及標準劑量化療；（4）受教育程度能理解告知內容，一般認知功能正常；（5）無視覺、聽覺、語言等功能障礙。排除標準：（1）有焦慮、抑郁或其他精神或神經疾病史、酗酒史；（2）正在服用改善認知功能或影響大腦結構的藥物；（3）惡病質或其他部位腫瘤史；（4）磁共振檢查禁忌證。

從當地社區招募31 名年齡及教育程度相匹配的健康受檢者。納入標準：（1）女性，一般認知功能正常；（2）能配合磁共振檢查及神經心理學測試；（3）頭顱CT 或MRI 無異常。

2.化療方案

所有乳腺癌患者均有病理結果，其中浸潤性癌26 例，非浸潤性癌5 例，均無遠處轉移。所有受試者均進行了術后常規化療，主要有4 種化療方案，其中4 周期TC（環磷酰胺、多西他賽）方案4例，6 周期FEC'T（5'氟尿嘧啶、表柔比星、環磷酰胺、多西他賽）方案7 例，8 周期EC'T（表柔比星、環磷酰胺、多西他賽）方案19 例，新輔助化療1 例且在術前接受了4 周期的TC 方案化療。化療持續時間約2～6 個月。所有受試者化療期間或化療后均未行放療或內分泌治療。

3.神經心理學測試

由同一名接受過培訓的神經科醫生在進行磁共振掃描前對受試者的姓名、年齡等社會人口學及臨床資料進行收集。在磁共振掃描前，所有受試者都接受了一系列神經心理學測試，包括簡易精神狀態量表（Mini Mental State Examination，MMSE）、蒙特利爾認知評估表（北京版）（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）、運動和認知功能疲勞量表（the Fatigue Scale for Motor and Cognitive Functions，FSMC）、數字連接實驗A（number connection test'A，NCT'A）、數字符號實驗（digital symbol test，DST）、癌癥治療的功能評價'認知功能（the Functional Assessment of Cancer Therapy'Cognitive，FACT'Cog），腫瘤病人生活質量評估、焦慮自評量表（self'rating anxiety scale，SAS）、抑郁自評量表（self'rating depression scale，SDS）等，其中運動和認知功能疲勞量表分為運動疲勞（FSMC'M）和認知疲勞（FSMC'C）兩方面，癌癥治療的功能評價'認知功能量表分為感知認知障礙、他人的評價、感知認知能力、對生活質量的影響四個部分。

4.血液生化指標測定

所有受試者均于早上7～9 時采集空腹靜脈血進行血液生化指標檢測，包括空腹血糖、血紅蛋白、膽固醇、甘油三酯等，所有血樣均在MRI 掃描前采集完畢，常溫儲存2 h 內送檢。

所有受試者均自愿參加本研究，并簽署知情同意書。本項研究獲泰州市人民醫院倫理委員會的批準。

5.MRI 掃描

檢查采用Siemens Skyra 3.0 T MR 掃描儀，8 通道頭部線圈。獲取3D 高分辨率T1WI（T1magnetization prepared rapid gradient echo，T1'MPRAGE）來獲得高分辨率的腦結構圖像，掃描參數：TR 2300 ms，TE 2.98 ms，翻轉角9°，層數176，層厚1 mm，視野256 mm×256 mm，體素大小1 mm×1 mm×1 mm。由兩名經驗豐富的影像科醫師檢查圖像以排除顱腦中有器質性病變的受試者。采集平面回波成像（echo planar imaging，EPI）序列 數據，掃 描參數：TR 2160 ms，TE 30.0 ms，翻轉角90°，層數40，層厚3 mm，視野256 mm×256 mm，體素大小4 mm×4 mm×3 mm。所有受試者均在同一臺MR掃描儀上進行。檢查時要求受試者閉上眼睛，頭部不動，保持清醒，保持平靜，不能睡著。

6.數據處理

數據預處理：在Matlab R2014b 平臺，使用RESTplus'V1.2 軟件對圖像進行預處理。處理過程包括：格式轉換；去除前5 個時間點的圖像；校正：進行時間層校正、頭動校正（化療組中有2 名因為頭動平移大于2 mm，或任意角度旋轉大于2°被排除）；空間標準化：應用3 mm×3 mm×3 mm 的采樣把所有受試者的fMRI 圖像標準化到SPM 標準蒙特利爾神經科學研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）空間的EPI 模板上；空間平滑：應用6 mm×6 mm×6 mm 的高斯核對圖像進行平滑處理；去線性；回歸6 個頭動參數、白質信號、腦脊液信號等協變量。

磁共振指標計算：（1）fALFF：在MatlabR 2014b平臺，使用RESTplus'V1.2 軟件進行功能指標計算。預處理后，通過快速傅里葉變換將每個體素的時間序列變換到頻域，得到功率譜。fALFF 是0.01～0.08 Hz 范圍內的振幅總和與整個頻帶的振幅總和之比，低頻段被證明不太容易受生理噪聲等的影響［9］。為了標準化，每個體素的fALFF 值除以腦內的全局平均fALFF，得到平均低頻振幅率（mean fALFF，mfALFF）。（2）FC：在自動解剖標記（automated anatomic labeling，AAL）圖譜［10］的90 個區域中，保存化療后乳腺癌患者中mfALFF 信號異常的區域，并將這些區域設置為Restplus 中的興趣區（ROIs）。最后，通過RESTplus 分析ROIs 和整個大腦之間的FC，計算每個給定ROI 的平均時間序列，并將其與每個受試者的整個大腦中所有其他體素的時間序列進行關聯，得到相關系數，并用Fisher’s r'to'z 變換進行標準化。

7.統計學分析

一般資料：用SPSS 26.0 統計軟件包對兩組數據進行統計學分析，兩組的年齡和受教育程度不符合正態分布，采用Mann'Whitney U 檢驗，MMSE、MoCA、FSMC'M、FSMC'C、NCT'A、DST、焦慮自評量表、抑郁自評量表符合正態分布，采用獨立樣本t 檢驗，P<0.05 認為差異有統計學意義。

影像學數據：在SPM12 中用獨立樣本t 檢驗評估兩組的mfALFF、FC 的差異，其中統計范圍被限制在Explicit Mask（即不含小腦的灰質二值模板：AAL_binary_msk_nocerebellum）。將結果進行多重比較，并進行校正。

相關分析：用SPSS 26.0 軟件分析差異腦區的mfALFF 值、FC 值與神經心理學量表、血液指標的相關性，正態分布資料用Pearson 相關分析，非正態分布用Spearman 相關分析。P<0.05 認為差異有統計學意義。

結果

1.一般人口學特征與臨床資料（表1）

表1 研究對象的一般資料

本研究最終納入29 例乳腺癌患者，31 例健康對照組，結果顯示兩組的年齡、受教育程度、MoCA、NCT'A、焦慮評分和抑郁評分差異無統計學意義（P>0.05）；MMSE 評分差異有統計學意義（P<0.05）。

2.rs-fMRI 結果

mfALFF：BC 組右尾狀核和左側殼核mfALFF降低（Alphsim 校正P<0.01，團塊數≥55）；左側中央后回mfALFF 升高（Alphsim 校正P<0.01，團塊數≤55）。mfALFF 結果見圖1、表2。

圖1 BC 組與HC 組mfALFF 比較結果圖。紅色（藍色）表示mfALFF 增高（降低）的腦區（團塊水平Alphsim 校正，P<0.01）

表2 乳腺癌患者與正常對照組對比mfALFF有顯著差異的腦區

FC：BC 組右側尾狀核與左側額中回FC 降低（Alphsim 校正P<0.01，團塊數≥210），左側中央后回與左側枕下回FC 增高（FWE 校正P<0.01，團塊數≥415）。FC 結果見圖2、3、表3。

圖2 以右側尾狀核為種子點，BC 組與HC 組FC 比較結果圖。右側尾狀核與左側額中回功能連接降低（團塊水平Alphsim 校正P<0.01）圖3 以左側中央后回為種子點，BC 組與HC 組比較結果圖。左側中央后回與左側枕下回功能連接增強（團塊水平FWE 校正P<0.01）

表3 乳腺癌患者與正常對照組對比FC有顯著差異的腦區

相關分析：左側中央后回與左側枕下回功能連接改變與膽固醇呈負相關（r='0.412，P=0.036），右側尾狀核與左側額中回功能連接改變與血紅蛋白呈負相關（r='0.534，P=0.005），右側尾狀核mfALFF 與化療后時間呈負相關（r='0.445，P=0.016）。

討論

輔助化療是常用的提高乳腺癌患者生存率的有效手段，但化療患者常常表示化療后出現了認知功能損傷，主要表現為記憶力、執行能力、處理速度的降低。rs-fMRI 是常見的用于評估與認知功能相關的內在大腦活動的工具。以往有研究表明輔助化療會對語言記憶、處理速度等認知功能產生負面影響［11］，但其本質及病理機制尚不明確。本研究采用mfALFF 和FC 在區域和網絡水平試圖對化療后認知功能缺陷的病理機制進行探討。fALFF 是通過使用0.01～0.08 Hz 內的振幅平均值來反映局部腦區自發活動的強度。Shen 等［12］發現，與健康對照組相比，乳腺癌患者枕葉mfALFF降低，額頂葉mfALFF 增高。而本研究中，筆者發現化療后的乳腺癌患者右側尾狀核和左側殼核mfALFF 降低，左側中央后回mfALFF 增高，與前人的研究結果有重疊腦區。以往的研究對尾狀核和殼核報道相對較少,有研究發現右側尾狀核在維持認知功能方面至關重要［13］。尾狀核和殼核都是基底神經節的重要組成部分，基底神經節包括紋狀體（尾狀核和殼核）、腹側紋狀體、蒼白球、黑質和丘腦底核，而尾狀核和殼核是基底神經節的主要輸入核團［14］。相關研究表明基底神經節與注意力、記憶力等認知功能調節有關［15］。Li 等［16］也發現紋狀體多巴胺通路與記憶、信息處理速度、注意力和執行能力等認知領域有關，尾狀核在其中起著重要作用。同時，對兩組受試者進行了MMSE和MoCA 測試，MMSE 是目前最常用的篩選癡呆和嚴重認知功能障礙的工具，得分低于27 分提示一般認知功能異常。結果顯示患者組MMSE 得分明顯低于正常組，差異有統計學意義。MoCA 能對輕度認知功能異常進行快速篩查，相對于MMSE，MoCA 具有更高的敏感度和檢出率［17］，得分低于26 分提示存在輕度認知功能異常。雖然兩組得分均在正常范圍內，但化療組得分明顯低于健康對照組，且患者常常抱怨化療后出現記憶力、注意力、反應力等方面能力下降。MMSE 和MoCA 測試結果表明化療患者認知功能水平較對照組低，提示化療組可能存在認知功能損傷，而右側尾狀核與左側殼核的mfALFF 降低可能是其發病機制之一。此外，有研究認為化療所致的腦結構和功能損傷是可逆的，化療結束1 年后部分腦區功能逐漸恢復［18］。筆者還將化療結束后時間與差異腦區進行相關分析發現，右側尾狀核mfALFF 值與化療結束后時間呈負相關，這可能提示右側尾狀核部分功能正在恢復。

而ALFF 的增高可能跟機體的代償機制有關。Chen 等［19］發現化療后的乳腺癌患者除了左側額上回、左側額下回、右側頂上回外，其余腦區的腦血流量都有不同程度的增加。Li 等［20］通過動脈自旋標記成像技術獲取靜息態局部腦流量圖像，發現ALFF 與腦血流量有可靠的相關性，高腦血流的腦區與高ALFF 的腦區明顯重疊。以上研究結果表明ALFF 增高可能與化療所致的腦血流灌注增加有關。本研究中發現左側中央后回ALFF 增高，而左側中央后回是額頂網絡的一部分。Marek等［21］通過研究發現額頂網絡是認知控制中樞，額頂網絡的功能整合與整體認知能力呈顯著的正相關。猜測左側中央后回的mfALFF 增高可能是機體認知功能損害后的代償表現。

此外，筆者還以mfALFF 信號異常的腦區為種子點，與全腦的其他體素進行功能連接分析發現右側尾狀核與左側額中回FC 降低，左側中央后回與左側枕下回FC 增高。Tao 等［22］研究發現，乳腺癌患者化療后出現后扣帶回與右側額中回功能連接降低，與本實驗結果有相似性。Li 等［23］通過基于體素的形態測量分析發現乳腺癌患者僅在化療幾個周期后就出現額葉、梭狀回、小腦等腦區灰質密度減低，而額中回的灰質密度在乳腺癌化療相關執行功能障礙中起中介作用，認為額中葉灰質密度減低可能介導執行功能受損。本研究用NCT'A和DST 量表進行執行功能測試，結果顯示化療組NCT'A 測試用時明顯高于正常水平，提示患者組執行功能降低。既往有研究表明前額葉皮層在情緒、工作記憶、決策等領域起著核心作用［24］。額中回屬于前額葉皮層的一部分，猜測乳腺癌患者化療后出現認知功能損傷可能與前額葉皮層結構網絡的改變有關。同時，相關性分析發現左側中央后回與左側枕下回功能連接改變與血液膽固醇水平呈負相關，右側尾狀核與右側額中回功能連接改變與血紅蛋白水平呈負相關。有研究發現血脂水平是認知衰退的一個重要的風險因素［25］。提示血紅蛋白水平、血膽固醇濃度的改變可能是腦網絡功能連接變化的潛在影響因素。

在目前已知的研究中，化療持續時間與認知障礙的關系鮮少被提及。乳腺癌化療患者通常接受4～8 周期的化療方案，時間跨度相對較長。Power 等［25］在一篇綜述中對評估化療方案、劑量、持續時間與乳腺癌患者認知功能關系的文獻進行總結發現化療周期數與認知之間不存在相關性。由于相關文獻有限，目前的證據不足以評估化療周期與認知的關系。在今后的研究中，可依據化療方案及周期進行分層分析，研究療程與認知變化是否存在相關性。

本研究的局限性：最近有研究發現乳腺癌患者在化療前就已經存在認知功能損傷［26，27］。目前收集的未接受化療的乳腺癌患者相對較少，后續將繼續收集未接受化療的術后病例，評估化療前的認知水平，以排除癌癥相關認知功能障礙的影響，更好的探討化療相關認知功能損傷的病理機制。此外，本實驗樣本量相對較少，受試者化療方案不同有可能導致不同的結果。有研究表明不同的化療方案對認知能力和腦功能連接的影響不同［28］。在今后的研究中，將繼續收集乳腺癌患者病例，根據化療方案不同進行分層分析，以探討不同化療方案對認知功能的影響。

總之，靜息態功能磁共振能反映化療后功能異常的腦區，可用于臨床對化療后認知功能損傷進行初步檢測，fALFF 和FC 可作為檢測化療相關認知功能損傷的影像學標志物。