ApoEε4等位基因?qū)φJ知正常老年人腦微觀結(jié)構(gòu)影響的擴散峰度成像研究

趙燕凌 王 軍 王效春 張 輝 郝曉勇 李 丹

(1.山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院影像科，太原 030001)

·臨床研究 ·

ApoEε4等位基因?qū)φJ知正常老年人腦微觀結(jié)構(gòu)影響的擴散峰度成像研究

趙燕凌1王 軍1王效春2*張 輝2郝曉勇1李 丹1

(1.山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院影像科，太原 030001)

目的 通過應(yīng)用磁共振擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)技術(shù)評估認知正常的老年人中攜帶和非攜帶載脂蛋白 Eε4 (apolipoprotein Eε4,ApoEε4)等位基因者腦微觀結(jié)構(gòu)的差異，進而探討ApoEε4等位基因?qū)δX微觀結(jié)構(gòu)的影響。方法 收集18例正常老年人口腔黏膜，檢測是否攜帶ApoEε4基因；同時對其行常規(guī)核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)平掃及DKI掃描，分別于雙側(cè)額、頂、顳葉，后扣帶回、胼胝體壓部及海馬測量平均峰度(mean kurtosis, MK)值及各項異性分數(shù)(fractional anisotraphy, FA)值，采用兩樣本t檢驗對攜帶與非攜帶ApoEε4基因所得的參數(shù)進行比較。結(jié)果 認知正常老年人攜帶ApoEε4等位基因組與非攜帶組比較，顳葉及海馬MK值減低，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；海馬的FA值減低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論 認知正常老年人攜帶ApoEε4等位基因的受試者腦微觀結(jié)構(gòu)改變更加明顯，DKI能夠早期發(fā)現(xiàn)該等位基因?qū)τ谀X微觀結(jié)構(gòu)改變的影響。

正常老年人；擴散峰度成像；ApoEε4等位基因

載脂蛋白 Eε4 (apolipoprotein Eε4,ApoEε4)是脂蛋白調(diào)解系統(tǒng)中的重要的蛋白，同時還具有維護和修復(fù)神經(jīng)細胞的作用[1]。編碼基因位于19號染色體上ApoE基因，由于基因具有多態(tài)性，分別為ApoEε2、ApoEε3和ApoEε4，其中與阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)關(guān)系最密切是ApoEε4基因，也是目前被公認的AD的高危遺傳因素[2]。AD病人中攜帶該等位基因的人數(shù)超過一半，同時該基因的表達會提高AD的發(fā)病風(fēng)險，將使認知功能障礙的出現(xiàn)提前7～9年[3]。ApoEε4基因的作用機制包括β淀粉樣蛋白(amyloid-β， Aβ)依賴效應(yīng)，即調(diào)節(jié)Aβ的聚集、神經(jīng)毒性等，以及非Aβ依賴效應(yīng)的神經(jīng)細胞的發(fā)育、脂類及葡萄糖代謝等[4]。有研究[5]發(fā)現(xiàn)，在臨床癥狀出現(xiàn)前ApoEε4基因就開始改變大腦的微觀結(jié)構(gòu)了。

磁共振成像技術(shù)發(fā)展迅猛，從傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)成像，到近年來發(fā)展的血氧濃度依賴功能磁共振成像(blood oxygen level dependent-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)、波譜成像(magnetic resonance spectroscopy, MRS)、擴散成像等，為腦微觀結(jié)構(gòu)評估提供了更多的方法[6-7]。其中擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)技術(shù)能真實反映腦微觀結(jié)構(gòu)的改變[8-9]，但在ApoEε4等位基因者腦微觀結(jié)構(gòu)的評估方面，尚處于初始階段10-12]。本研究通過應(yīng)用DKI技術(shù)評估認知正常的老年人中攜帶和非攜帶ApoEε4等位基因者腦微觀結(jié)構(gòu)的差異，進而探討ApoEε4等位基因者腦微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象

招募2015年1月至2016年1月18例正常認知老年人18人，其中，男性9例，女性9例，年齡50～76歲，平均年齡(67.1±4.2)歲；ApoEε4基因分析結(jié)果所有對照組成員均除外顱腦手術(shù)史、腦血管病史、腦腫瘤史、腦外傷史及精神方面等病史，認知功能正常，同時 MMSE≥28分。

1.2 磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)掃描技術(shù)

使用GE Signa HDxT 3.0T MRI掃描儀，16通道頭頸聯(lián)合線圈。受試者仰臥，固定頭部并戴耳機以減少噪音影響。先進行常規(guī)MRI平掃，包括橫軸位TIWI和T2WI及低場液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)像，及矢像狀位TIWI，然后行DKI掃描，選用平面回波EPI序列。

1.2.1 常規(guī)平掃

常規(guī)MRI掃描序列參數(shù)：T1WI (T1-weighted imaging)序列參數(shù)：回波時間(time of repetition, TR) 1 680 ms，重復(fù)時間(time of echo, TE) 22 ms，視野(field of view, FOV) 24.4 cm，層厚6.0 mm；T2WI (T2-weighted imaging)序列參數(shù)：TR 6 800 ms，TE 116 ms，F(xiàn)OV 22 cm,層厚6.0 mm；T2WI-FLAIR序列參數(shù)：TR 8 012 ms，TE 126.8 ms，F(xiàn)OV 24 cm,層厚6.0 mm。

1.2.2 DKI成像

選用單次激勵平面回波序列 (echo planner imaging,EPI)序列進行掃描，參數(shù)為30個擴散敏感梯度場，b值分別為0、1 000、2 000 s/mm2，TR 6 506 ms，TE 115 ms，F(xiàn)OV 24cm，層厚6.0 mm。

1.3 DKI數(shù)據(jù)處理

將所得原始DKI數(shù)據(jù)傳至工作站(GE Advantage Workstation4.4)，利用Functools圖像處理軟件處理，得到平均峰度(mean kurtosis, MK)圖、平均擴散(mean diffusivity， MD)圖、各向異性分數(shù)(fractional anisotropy, FA)圖。分別于雙側(cè)額、頂、顳葉、后扣帶回、胼胝體壓部及海馬設(shè)置類圓形感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，面積15～30 mm2，除胼胝體壓部外均采用鏡面對照的方式設(shè)置，同一位置行3次重復(fù)測量，最終取測量的均值。

1.4ApoEε4基因采集及單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP)位點檢測

1.4.1ApoEε4基因采集

囑受試者在采集樣本前1 h內(nèi)禁食，飲約50 mL清水清潔口腔；取口腔試子(過程中手絕不能觸碰試子)，用拭子在口腔內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)取樣，待第一根取完后，用第二根于對側(cè)口腔內(nèi)壁重復(fù)操作，以取得滿意的樣本為宜。

1.4.2ApoEε4基因 SNP位點檢測

使用口腔試子提取試劑盒從樣品中提取DNA；根據(jù)位點信息(ApoeE4的SNP號碼為：rs7412和rs429358)設(shè)計合成引物，隨后行聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction, PCR)擴增；對擴增出的樣品進行測序；使用Sequence Scanner軟件對結(jié)果進行分析，最后得出結(jié)論。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2例攜帶ApoEε4基因，16例未攜帶ApoEε4基因，攜帶率為11.1%。

認知正常老年人攜帶ApoEε4等位基因組與非攜帶組比較，顳葉及海馬MK值減低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05，表1)；海馬的FA值減低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05，表2)。

表1 攜帶ApoEε4等位基因組與非攜帶組的MK值比較

表2 攜帶ApoEε4等位基因組與非攜帶組的FA值比較

3 討論

DKI是擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)上延伸出的一種新的磁共振成像技術(shù)。DTI 的原理是假設(shè)人體組織內(nèi)水分子呈高斯分布，通過其彌散的各向異性程度來了解組織的微觀結(jié)構(gòu)。DTI 的主要參數(shù)是FA和MD， FA 是描述水分子在組織內(nèi)彌散的各向異性的程度，以此來反映白質(zhì)纖維的完整性，擴散的方向性越強， FA 值越大[13]；而MD反映的是整體水分子的擴散，它僅表示擴散的程度，與方向無關(guān)，擴散受限越小，MD值越大。在AD病人中，由于髓鞘的脫失導(dǎo)致神經(jīng)纖維的完整性破壞，水分子擴散的各向異性降低，F(xiàn)A值下降。MD 值受多方面因素的影響，由于AD會導(dǎo)致神經(jīng)元的破壞以及丟失，使得局部水分子的擴散受限減低，MD值也相應(yīng)增加。

DKI技術(shù)是對人體組織內(nèi)水分子真實擴散的認識的改變發(fā)展而來的[14]，在人體組織內(nèi)，由于細胞膜、細胞器等復(fù)雜的細胞結(jié)構(gòu)的存在，使得水分子的擴散不是呈理想的高斯分布，而是呈非高斯分布，DKI正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，理論上此種非高斯擴散模型對于組織微觀結(jié)構(gòu)的描述更加準確[15-16]。DKI在DTI技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過引入了MK這個無量綱參數(shù)來描述人體內(nèi)水分子的非高斯擴散與理論上的高斯擴散的位移偏離度，這樣就能更真實描述人體組織的微觀結(jié)構(gòu)； DKI還引入一個四階修正項到DTI的二階成像公式上，來解決多纖維交叉的問題；同時DTI對于各項同性的灰質(zhì)的檢測并不敏感，而DKI并不受此種限制，這就為診斷提供了更多可選擇的區(qū)域[17-18]。MK作為DKI的代表參數(shù)，可以反映組織微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，即水分子擴散受限越明顯，MK值越大，表明結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，反之亦然。

本研究利用DKI技術(shù)，將認知正常老年人中攜帶與非攜帶ApoEε4基因組的進行比較，發(fā)現(xiàn)在顳葉及海馬MK值的下降差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，說明該基因在早期就已經(jīng)開始影響這兩個區(qū)域，使得其復(fù)雜性明顯減低，這與既往應(yīng)用BOLD-fMRI的研究[19]結(jié)果相一致，表明該區(qū)域?qū)τ贏poEε4基因的影響更敏感，其原因可能與AD的發(fā)病規(guī)律有關(guān)，其發(fā)病最早累及內(nèi)嗅皮層、海馬等，然后逐漸其他區(qū)域。而海馬的FA值下降差異也有統(tǒng)計學(xué)意義，與Adluru等[20]應(yīng)用DTI得到的結(jié)果相一致，表明ApoEε4基因?qū)τ诤ｑR區(qū)域神經(jīng)纖維的完整性的破壞顯著。關(guān)于海馬，既往研究[21]還發(fā)現(xiàn)，ApoEε4基因不僅影響其微觀結(jié)構(gòu)，還發(fā)現(xiàn)早期導(dǎo)致海馬體積的萎縮，加速病程發(fā)展。所以較DTI而言，DKI能夠更敏感、更全面的檢出腦組織微觀結(jié)構(gòu)的改變。

總之，認知正常老年人攜帶ApoEε4等位基因的受試者腦微觀結(jié)構(gòu)改變更加明顯，DKI能夠早期發(fā)現(xiàn)該等基因?qū)τ谀X微觀結(jié)構(gòu)改變的影響，為臨床早期預(yù)防認知功能下降提供更多的影像學(xué)依據(jù)。本研究樣本量有限，有待在以后的進一步研究中擴大樣本量，以期得到的結(jié)果減少偏移，從而指導(dǎo)臨床實踐。

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編輯 慕 萌

Diffusion kurtosis imaging study: the effects ofApoEepsilon4 alleles on brain microstructure in healthy elders

Zhao Yanling1, Wang Jun1, Wang Xiaochun2*, Zhang Hui2, Hao Xiaoyong1, Li Dan1

(1.DepartmentofMedicalImaging,ShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China;2.DepartmentofRadiology,TheFirstClinicalMedicalCollege,ShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China)

Objective To compare the difference of the brain microstructure between apolipoprotein Eε4 (ApoEε4) allele carriers and noncarriers of normal elderly people with normal cognitive state and to explore the influence ofApoEε4 alleles on its brain microstructure by using diffusion kurtosis imaging (DKI) magnetic resonance technology. Methods TheApoEε4 alleles was detected in oral mucosa of 18 normal elders; All subjects underwent routine magnetic resonance imaging(MRI) scanning and DKI scanning. Mean kurtosis(MK) and fractional anisotraphy(FA) values were measured in bilateral frontal lobe, parietal lobe, temporal lobe, posterior cingulate cortex, splenium of corpus callosum and hippocampe. The two-sample t-test was used to compare the parameters between theApoEε4 allele carriers and noncarriers. Results MK value in the temporal lobe and hippocampus of theApoEε4 allele carriers was significantly lower than in that of noncarriers (P<0.05). FA value in the hippocampus of theApoEε4 allele carriers was significantly lower than in that of noncarriers (P<0.05). Conclusion Microstructural changes of the brain ofApoEε4 alleles carriers in normal elderly persons with normal cognitive state are more obvious. DKI could detect the influence ofApoEε4 allele on the microstructural changes of the brain in the eraly time.

normal elderlys; diffusion kurtosis imaging;ApoEε4 alleles

山西省科技攻關(guān)項目(20130313020-5)，山西省衛(wèi)生廳科技攻關(guān)計劃項目(2011030)。This study was supported by Key Scientific and Technological Project of Shanxi Province(20130313020-5)， Health Department of Science and Technology Research Project of Shanxi Province(2011030).

時間：2017-04-13 19∶38

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3662.R.20170413.1938.012.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2017.02.027]

R445.2

2016-11-21)

*Corresponding author， E-mail：2010xiaochun@163.com