酰胺质子转移磁共振成像在阿尔茨海默病和轻度认知障碍中的应用

王迪，王笑男，高平，张祎，李春媚，陈敏*

1.北京医院放射科 国家老年医学中心 中国医学科学院老年医学研究院，北京 100730；2.中国医学科学院，北京协和医学院研究生院，北京 100005；3.北京医院神经内科 国家老年医学中心 中国医学科学院老年医学研究院，北京 100730；4.浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310030；*通信作者 陈敏 cjr.chenmin@vip.163.com

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是最常见的老年神经退行性疾病，也是最常见的痴呆类型，其特征是认知功能下降[1]。轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）是一种介于正常和痴呆之间的中间状态，被认为是AD的前驱阶段[2]。酰胺质子转移（amide proton transfer，APT）磁共振成像是一种新型的磁共振分子成像技术，可以敏感地探测组织中游离蛋白质和多肽[3]。既往有研究应用APT磁共振成像技术发现MCI、AD患者与正常对照组间均存在海马APT值的差异[4-5]，但目前鲜有研究同时对AD、MCI和正常对照组进行比较；且未关注额叶这一与大脑认知相关的另一个重要脑区[6]。本研究利用3D APT磁共振成像技术对比AD、MCI患者和正常对照组双侧额叶灰质和海马APT参数的改变，探讨APT磁共振成像技术在AD中的诊断价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 前瞻性收集2020年9月—2022年1月在北京医院接受检查的AD患者29例、MCI患者19例和正常对照组20例。纳入标准：AD组符合美国国立神经病学、语言障碍和卒中研究所及阿尔茨海默病及相关疾病学会制订的AD诊断标准[7]，MCI组诊断标准采用2011年发布的最新诊断指南美国国家衰老研究所和阿尔茨海默病学会诊断标准[8]。排除标准：①有脑血管病、脑肿瘤、脑炎等可致认知功能障碍的疾病；②有精神类疾病史或服用精神类药物史；③既往或目前滥用酒精；④幽闭恐惧症。本研究经本院伦理委员会审查通过（批件号：2021BJYYEC-123）。所有受检者均被详细告知试验内容和方法，并签署知情同意书。

1.2 MRI检查 采用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MRI，64通道颅脑线圈。嘱受检者扫描过程中闭眼、保持头部不动，以海绵固定其头部，降噪耳塞塞紧双耳。首先进行常规头部T1WI、T2WI序列采集，确定受检者无颅内血管性或其他病变后，进行下列序列采集：①高分辨率3D T1WI采用3D MPRAGE序列，扫描参数：矢状位成像，视野256 mm×240 mm，层数176，体素大小1 mm×1 mm×1 mm，TR 2 300 ms，TE 2.9 ms，TI 900 ms，翻转角9°，采集时间5 min 12 s。②APT成像使用3D SPACE-化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）序列，扫描参数：视野212 mm×212 mm，层数504，体素大小2.8 mm×2.8 mm ×2.8 mm，TR 3 000 ms，TE 17 ms，加速因子140，平均次数1.2，并行采集加速因子2，频率表为：未饱和S0，±3，±3.5，±4，采集时间4 min 57 s。为校正B0场不均性的影响，使用3D GRE序列进行B0场mapping，视野、分辨率与3D SPACE-CEST序列一致，并行采集加速因子2，采集时间1 min 47 s。APT总采集时间为6 min 44 s。

1.3 数据后处理 APT数据分析通过matlab（R2018a）软件编程实现。使用SPM12工具包，将APT原始图像和GRE B0原始图像配准到个体3DT1结构图像，进行运动伪影校正和B0场不均匀性校正。3D T1WI带有自动分割技术，可得到双侧额叶和海马的分割亚区，从而计算双侧额叶和海马的APT值，即3.5 ppm处非对称性磁化传递率（magnetic resonance ratio asymmetry，MTRasym），计算公式：MTRasym=（S−3.5ppm−S3.5ppm）/S0，其中S−3.5ppm、S3.5ppm分别为施加饱和脉冲在−3.5 ppm和3.5 ppm的信号强度，S0为未施加饱和脉冲的信号强度。

1.4 临床量表 对AD组和MCI组患者进行简易精神状态量表（mini-mental state examination，MMSE）评估[9]。

1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0软件，采用Kolmogorov-Smirnow检验对计量资料进行正态性检验，符合正态分布的计量资料用±s表示，两组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用方差分析，对于MTRasym（3.5 ppm）多组间有差异的脑区进一步行两两比较（Bonferroni校正）。计数资料以例数表示，组间比较采用χ2检验。将双侧额叶灰质和海马MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分分别进行Pearson相关分析。采用受试者工作特征（ROC）曲线评价APT参数对AD的诊断效能，计算曲线下面积（AUC）。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 AD组、MCI组和正常对照组年龄、性别差异均无统计学意义（P>0.05）。最终获得24例AD组和16例MCI组的MMSE评分，两组MMSE评分差异有统计学意义（P<0.001），见表1。

表1 AD组、MCI组和正常对照组受检者临床资料比较

2.2 MTRasym（3.5 ppm）组间比较 左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）在3组间差异有统计学意义（P=0.02），其余部位差异无统计学意义（P>0.05），见表2。两两比较发现，AD组左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）明显高于MCI组，差异有统计学意义（P=0.02），见图1。

表2 3组额叶灰质和海马MTRasym（3.5 ppm）比较（±s）

表2 3组额叶灰质和海马MTRasym（3.5 ppm）比较（±s）

注：MTRasym（3.5 ppm）：3.5 ppm处非对称性磁化传递率；AD：阿尔茨海默病；MCI：轻度认知障碍

组别左侧额叶皮层右侧额叶皮层左侧海马右侧海马AD组 1.43±0.40 1.27±0.39 1.73±0.35 1.66±0.35 1.72±0.22正常对照组 1.27±0.25 1.23±0.41 1.81±0.22 1.74±0.24 MCI组1.13±0.38 1.08±0.39 1.73±0.34 F值4.18 1.37 0.49 0.50 P值 0.02 0.26 0.62 0.61

图1 3组左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）对比。aP<0.05

2.3 MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分的相关性 右侧海马MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分呈正相关（r=0.36，P=0.03），见图2。双侧额叶灰质和左侧海马MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分无相关性。

图2 右侧海马MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分的相关性

2.4 左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）对AD的诊断效能 ROC曲线分析发现，左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）对鉴别AD和MCI具有一定的诊断效能（AUC=0.70，P=0.02），见图3。

图3 左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）诊断AD的ROC曲线

3 讨论

APT技术是基于CEST的MRI技术，逐步应用于脑肿瘤、卒中及神经退行性疾病中[10-12]。APT技术通过测定交换过程中距离水频率两侧±3.5 ppm处的MTRasym作为APT的信号强度[13]，能半定量检测内源性游离蛋白肽和多肽中的酰胺质子，是最具临床可行性的CEST成像类型之一。本研究利用3D APT技术发现左侧额叶MTRasym（3.5 ppm）对AD和MCI具有一定的鉴别诊断效能，右侧海马MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分呈正相关，表明APT技术是一种无创、有潜力的诊断AD的MRI方法。

3.1 APT技术测量AD患者额叶灰质的改变 额叶参与短期和长期记忆，与认知功能有关[14]。在AD和MCI患者中大脑额叶的改变已经得到证实，如AD患者额叶体积萎缩、灌注减低、分数低频振幅改变、功能连接改变等[15-18]。本研究发现，左侧额叶MTRasym（3.5 ppm）在AD组、MCI组和正常对照组中有显著差异，且AD组明显高于MCI组，表明AD患者左侧额叶灰质可与自由水进行饱和交换的细胞蛋白和多肽较MCI患者增加；既往研究证明AD患者双侧大脑半球损伤的不对称性[19]，可能是右侧额叶MTRasym（3.5 ppm）在3组间无显著差异的原因。Zhang等[4]发现MCI患者额叶灰质的MTRasym（3.5 ppm）与正常对照组无显著差异，与本研究结果一致。本研究中AD组、MCI组和正常对照组左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）呈现类似U形改变，这是否与AD患者脑内异常蛋白沉积相关，需要进一步研究。ROC曲线分析发现，左侧额叶灰质MTRasym（3.5 ppm）对鉴别AD和MCI有一定的诊断效能，更进一步印证APT技术对AD具有诊断能力。

3.2 APT技术测量AD患者海马的改变 本研究中双侧海马MTRasym（3.5 ppm）在3组间无显著差异。双侧海马是AD患者最早累及的区域[20-21]，此前本团队已开展AD患者的2D APT研究，发现AD患者双侧海马MTRasym（3.5 ppm）明显高于正常对照组[5]；Guo等[22]应用3D APT技术发现MCI患者双侧海马MTRasym（3.5 ppm）明显高于健康老年人；Oh等[23]发现痴呆患者双侧海马MTRasym（3.5 ppm）明显高于非痴呆患者；但一项使用7.0T MR设备的AD动物模型研究发现，AD组大鼠MTRasym（3.5 ppm）双侧海马明显低于对照组[24]；以上关于双侧海马的APT研究结果并不一致。既往研究大多是基于手绘感兴趣区的方法，本研究使用3D APT技术联合3D T1WI自动分割后得到的双侧海马亚区，得到的数据准确性更高，但与既往人类研究结果均不一致，可能与AD和MCI患者样本量小或患者纳入标准不同而导致偏差有关。

3.3 MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分的相关性 右侧海马MTRasym（3.5 ppm）与MMSE评分呈正相关，提示MMSE评分越高，右侧海马MTRasym（3.5 ppm）越高，表明MTRasym（3.5 ppm）不仅在AD诊断中发挥作用，也与AD的疾病严重程度密切相关，这将有助于监测AD患者的病情。

3.4 本研究的局限性 ①尽管纳入了AD组、MCI组和正常对照组，但样本量较小，对于研究大脑亚区MTRasym（3.5 ppm）的精确程度有一定限度；②仅关注了海马和额叶灰质，未关注大脑其他脑区；③为横断面研究，未来需开展大样本纵向研究。

总之，本研究利用3D APT技术反映了AD患者、MCI患者和正常对照组间双侧额叶灰质和海马蛋白含量的差异，验证了利用APT技术作为AD可能的生物标志物的可能性，证明了APT技术在神经退行性疾病中的诊断潜力。APT有望为AD的临床诊断、疾病动态监测及病理生理研究方面提供依据。