腦脊液1H-MRS對(duì)線粒體腦病的診斷價(jià)值研究

周志凌，陸潔艷，郉嫵，胡平，廖偉華

線粒體病(mitochondrial disorders，MD)是由線粒體DNA或核基因缺陷引起細(xì)胞內(nèi)線粒體結(jié)構(gòu)及(或)功能異常，導(dǎo)致細(xì)胞呼吸鏈及能量代謝障礙的一組多系統(tǒng)疾病[1-2]。其中以中樞神經(jīng)系統(tǒng)受累為主者，稱為線粒體腦病(mitochondrial encephalopathy，ME)[3]，臨床包括多種亞型，其常規(guī)MRI表現(xiàn)多無特征性[1，4]，常被誤診為缺血性腦卒中、腦炎及脫髓鞘腦病等[5-6]。

磁共振波譜成像(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)可檢測(cè)腦組織細(xì)胞的多種代謝產(chǎn)物[7]，腦組織1H-MRS出現(xiàn)特異性升高的乳酸(Lac)峰是ME特異性較高的征象[5]。目前ME的1H-MRS臨床應(yīng)用多限于腦內(nèi)異常信號(hào)區(qū)，但當(dāng)腦組織異常代謝物濃度較低時(shí)，其診斷特異度降低[8]。由于腦內(nèi)因異常代謝產(chǎn)生的乳酸主要通過腦脊液清除，腦脊液中的乳酸濃度甚至高于腦內(nèi)病灶區(qū)，故本研究旨在探討腦脊液1H-MRS對(duì)線粒體腦病的診斷價(jià)值，為臨床診斷提供新的線索和思路。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取中南大學(xué)湘雅醫(yī)院2015年12月至2017年6月期間經(jīng)臨床確診的13例線粒體腦病患者作為研究對(duì)象，其中男4例，女9例；全部病例符合線粒體腦肌病標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分系統(tǒng)的確診標(biāo)準(zhǔn)[9]，其中線粒體腦病伴乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作(mitochondrial encephalopathy，lactic acidosis，and stroke-like episodes，MELAS) 3例，Leigh綜合征3例，Alpers'綜合征1例，線粒體復(fù)合酶I缺乏癥2例，其余無法確定亞型4例。對(duì)照組選取臨床上疑似線粒體腦病但最終確診為非線粒體病的各類患者共17例，其中男6例，女11例。所有病例均行顱腦常規(guī)MRI及1H-MRS檢查。

1.1.1 線粒體腦病組的臨床資料

具體見表1。

1.1.2 對(duì)照組的臨床資料

具體見表2。

1.2 掃描儀器及參數(shù)

采用GE 3.0 T SIGNA HDX磁共振掃描儀，頭部正交線圈。

常規(guī)顱腦MRI：軸位T1WI (自旋回波序列，TR 400～600 ms，TE 15～20 ms)、FSE T2WI(快速自旋回波序列，TR 2000～4000 ms，TE 80～120 ms)、FLAIR (液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù))，層厚5 mm，層間距1 mm，掃描層面平行于前后聯(lián)合連線；矢狀位T1WI，層厚5 mm，無間隔。

1H-MRS：采用PRESS序列，先進(jìn)行自動(dòng)預(yù)掃描(勻場(chǎng)、抑水，線寬不超過10 Hz)，采取超選擇性飽和法(very selective saturation，VSS)飽和感興趣區(qū)周圍的脂肪，并應(yīng)用梯度散相位帶寬選擇性反轉(zhuǎn)序列(band selective inversion with gradientdephasing，BASING)抑制水和脂肪信號(hào)，以降低其對(duì)感興趣區(qū)內(nèi)代謝物的共振影響。

掃描區(qū)域：于FLAIR像上選擇異常高信號(hào)區(qū)(若腦內(nèi)無明顯異常信號(hào)灶，則選取左側(cè)基底節(jié)區(qū)為感興趣區(qū))、腦脊液區(qū)(對(duì)于側(cè)腦室不大的患者，感興趣區(qū)跨透明隔將雙側(cè)額角包括在內(nèi))及腦內(nèi)正常腦組織區(qū)作為感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，避免來自頭皮脂肪、顱底骨質(zhì)的信號(hào)干擾。

掃描參數(shù)：TR 1500 ms，TE 35 ms (若譜線于1.33 ppm位置出現(xiàn)異常代謝峰，則加掃TE 144 ms)，F(xiàn)OV 22 cm×22 cm～24 cm×24 cm，體素最大選擇2.0 cm×2.0 cm×2.0 cm，單次掃描時(shí)間為3 min 48 s。

1.3 數(shù)據(jù)后處理

使用FuncTool 4.4后處理軟件獲得代謝物譜線圖，按照乳酸(Lac)1.33 ppm選擇代謝物峰后采集數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?。正常腦組織內(nèi)乳酸濃度較低(10～25 ug/dL)，1H-MRS譜線上不可見Lac峰；采用盲法閱片，當(dāng)TE為35 ms時(shí)于1.33 ppm位置出現(xiàn)高尖峰，且TE為144 ms時(shí)該峰倒置，則可判定為L(zhǎng)ac峰。

表1 線粒體腦病組患者的臨床資料Tab. 1 Clinical data of patients with mitochondrial encephalopathy

表2 對(duì)照組患者的臨床資料Tab. 2 Clinical data of patients in the control group

表3 腦脊液區(qū)1H-MRS診斷線粒體腦病結(jié)果(例)Tab. 3 Results of diagnosis of ME in cerebrospinal fluid 1H-MRS (n)

表4 病灶區(qū)1H-MRS診斷線粒體腦病結(jié)果(例)Tab. 4 Results of diagnosis of ME in lesion area 1H-MRS (n)

2 結(jié)果

2.1 常規(guī)MRI表現(xiàn)

2.1.1 線粒體腦病組

13例線粒體腦病患者中12例(12/13)常規(guī)MRI顯示異常信號(hào)，其中4例主要累及皮質(zhì)或皮層下區(qū)，并呈游走性、遷移性改變，3例主要累及白質(zhì)區(qū)(其中1例伴多發(fā)小囊性灶)，4例呈雙側(cè)基底節(jié)區(qū)對(duì)稱性改變，1例呈全腦彌漫性異常信號(hào)；2例患者合并腦萎縮改變(圖1～3)。經(jīng)治療后復(fù)查，3例患者常規(guī)MRI顯示病變發(fā)生進(jìn)展或另有新發(fā)病灶。

1例(1/13)線粒體腦病患者常規(guī)MRI未見異常。

表5 腦脊液區(qū)、病灶區(qū)1H-MRS以及串聯(lián)、并聯(lián)試驗(yàn)診斷線粒體腦病的比較Tab. 5 Comparison of diagnostic mitochondrial encephalopathy in 1H-MRS in cerebrospinal fluid area, lesion area and tandem and parallel test

2.1.2 對(duì)照組

17例對(duì)照組患者中16例(16/17)常規(guī)MRI顯示異常信號(hào)，其中12例主要累及白質(zhì)區(qū)(其中8例呈腦室旁對(duì)稱性異常信號(hào))，2例主要累及皮質(zhì)或皮層下區(qū)， 2例同時(shí)累及皮質(zhì)及白質(zhì)區(qū)；7例患者合并腦萎縮改變。經(jīng)治療后復(fù)查，3例患者常規(guī)MRI顯示病變發(fā)生進(jìn)展或另有新發(fā)病灶。

1例(1/17)對(duì)照組患者常規(guī)MRI未見異常。

2.2 1H-MRS乳酸峰診斷線粒體腦病的結(jié)果

腦脊液區(qū)1H-MRS顯示，10例(10/13)線粒體腦病患者腦脊液區(qū)可見特征性的Lac峰；3例(3/17)對(duì)照組腦脊液區(qū)見異常升高的Lac峰。

腦內(nèi)病變區(qū)1H-MRS顯示，5例(5/12)線粒體腦病患者病變區(qū)可見Lac峰(圖1F，2E，3F)，7例(7/12)腦內(nèi)病變區(qū)未見Lac峰(圖3E)，腦內(nèi)無明顯病灶者左側(cè)基底節(jié)區(qū)未見Lac峰。6 例(6/16)對(duì)照組患者腦內(nèi)病變區(qū)可見異常升高的Lac峰(圖1E，2D)，10例(10/16)病變區(qū)未見Lac峰，腦內(nèi)無明顯病灶者左側(cè)基底節(jié)區(qū)未見Lac峰。

以腦脊液1H-MRS出現(xiàn)乳酸峰作為陽性診斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)30名患者的診斷試驗(yàn)結(jié)果詳見表3。

以腦內(nèi)病變區(qū)1H-MRS出現(xiàn)乳酸峰作為陽性診斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)30名患者的診斷試驗(yàn)結(jié)果詳見表4。

2.3 腦脊液區(qū)、病灶區(qū)1H-MRS診斷線粒體腦病的評(píng)價(jià)

以腦脊液區(qū)和病灶區(qū)1H-MRS乳酸峰判定線粒體腦病的靈敏度、特異度、正確指數(shù)、陽性似然比、陰性似然比、符合率，詳見表5。

經(jīng)比較，腦脊液區(qū)診斷線粒體腦肌病的靈敏度、正確指數(shù)、陽性似然比、陰性似然比、符合率均優(yōu)于病灶區(qū)。聯(lián)合腦脊液區(qū)與病灶區(qū)1H-MRS診斷線粒體腦病分析，相比于單獨(dú)腦脊液區(qū)1H-MRS結(jié)果，串聯(lián)試驗(yàn)的靈敏度降低，特異度升高；并聯(lián)試驗(yàn)靈敏度不變，特異度降低。串聯(lián)、并聯(lián)試驗(yàn)的正確指數(shù)及符合率均低于腦脊液區(qū)。

圖2 MELAS(線粒體腦病組07)。A～C：右側(cè)大腦半球異常信號(hào)，雙側(cè)腦室明顯擴(kuò)大，腦萎縮改變；D：ROI位于右額葉病灶區(qū)(實(shí)線框)，1H-MRS(TE 144 ms)示1.33 ppm位置處倒置的Lac峰；E、F：ROI位于腦脊液區(qū)(虛線框)，1H-MRS示明顯的Lac雙峰，且峰高較病灶區(qū)大 圖3 線粒體復(fù)合酶I缺乏癥(線粒體腦病組08)。A～C：雙側(cè)腦室旁對(duì)稱性異常信號(hào)；D：DWI病灶呈高信號(hào)，提示為急性期；E：ROI位于左額葉病灶區(qū)(實(shí)線框)，1H-MRS未見Lac峰；F：ROI位于腦脊液區(qū)(虛線框)，1H-MRS示1.33ppm位置處Lac峰Fig. 2 MELAS (mitochondrial encephalopathy group 07). A—C: Right hemisphere abnormal signal, bilateral ventricle enlargement, brain atrophy changes. D:ROI is located in the right frontal lobe lesion (solid frame), 1H-MRS (TE 144 ms) shows Lac peak inverted at 1.33 ppm. E, F: ROI is located in the cerebrospinal fluid area (dotted box), 1H-MRS shows a distinct Lac double peak, and the peak height is larger than the lesion area. Fig. 3 Mitochondrial complex enzyme I deficiency (mitochondrial encephalopathy group 08). A—C: Bilateral paraventricular symmetry abnormal signal. D: DWI lesion showed high signal, suggesting acute phase. E: ROI located in the left frontal lobe lesion (solid frame), 1H-MRS shows no Lac peak. F: ROI is located in cerebrospinal fluid area (dotted box),1H-MRS shows Lac peak at 1.33 ppm.

3 討論

3.1 概述

線粒體腦病是一種常見遺傳代謝性疾病，以不同的臨床表型、組織生化特征及基因突變位點(diǎn)，將其分為MELAS、MERRF (myoclonus epilepsy with ragged red fibers)、Kearns-Sayre Syndrome (KSS)、Leigh綜合征、Alpers綜合征、NARP等類型[10]。

各型線粒體腦病復(fù)雜多樣的MRI表現(xiàn)，可大致總結(jié)為非特異性改變、特異性改變及腦白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不良樣改變?nèi)怺5]，最常見的MRI表現(xiàn)為大腦皮層及小腦的萎縮樣改變，且常伴有皮層及皮層下腦實(shí)質(zhì)、腦干核團(tuán)的損傷，但大部分類型線粒體腦病患者的常規(guī)MRI表現(xiàn)無特征性；在疾病早期，常規(guī)MRI也可能無異常表現(xiàn)[5-6]。各型線粒體腦病之間、ME與其它代謝性腦病或具有相似癥狀及MRI表現(xiàn)的其他原因腦病之間的鑒別有一定難度[11-14]。

本研究納入13例線粒體腦病患者，并選取17例臨床上疑似線粒體腦病但最終確診為非線粒體病的各類患者作為對(duì)照組，旨在探討當(dāng)臨床表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)室檢查等指向線粒體腦病診斷時(shí)，應(yīng)用1H-MRS如何迅速而準(zhǔn)確地將線粒體腦病患者從中鑒別出來。

3.2 病灶區(qū)、腦脊液區(qū)1H-MRS對(duì)診斷線粒體腦病的比較

1H-MRS可檢測(cè)腦組織的多種代謝產(chǎn)物，成為代謝性腦病最重要的診斷方法之一[15]，甚至在MRI結(jié)構(gòu)相出現(xiàn)改變前，即可檢測(cè)早期代謝改變[16]。腦組織所需能量主要由有氧代謝提供，當(dāng)氧化磷酸化異常時(shí)，則會(huì)引起腦組織不同程度的損傷，從而產(chǎn)生一系列神經(jīng)系統(tǒng)異常表現(xiàn)；同時(shí)，無氧代謝增加將使得乳酸在腦內(nèi)大量堆積[17-18]。線粒體腦病作為一組能量代謝疾病，1H-MRS能提供腦內(nèi)代謝物的重要診斷信息。腦內(nèi)病灶1H-MRS出現(xiàn)特異性升高的乳酸(Lac)峰是線粒體腦病特異性較高的征象[19]。

目前臨床上線粒體腦病的1H-MRS應(yīng)用多限于腦內(nèi)異常信號(hào)區(qū)，主要表現(xiàn)為NAA峰降低[20]、Cho峰升高[21]，并出現(xiàn)典型的Lac峰。短回波時(shí)間(TE=35 ms)能很好地顯示谷氨酰胺、谷氨酸、以及肌醇等代謝物[22-23]，但脂質(zhì)及Lac均可位于1～2 ppm處；而長(zhǎng)回波時(shí)間(TE=135 ms)則可將脂質(zhì)的信號(hào)調(diào)零，此時(shí)Lac峰發(fā)生倒置，因此可確認(rèn)Lac水平[24-25]。

但臨床實(shí)踐中存在的問題是，乳酸檢測(cè)陽性結(jié)果的特異性并不高，在很多非線粒體腦病，如腦腫瘤[26]、炎性病變[27]或缺血性損傷等亦可出現(xiàn)乳酸水平的升高。此外，腦組織異常代謝物濃度較低時(shí)，其診斷特異度明顯降低，Cross等[8]證實(shí)，只有當(dāng)乳酸濃度超過4.0 mmol/L的時(shí)候，才可以在1H-MRS上顯示出陽性結(jié)果。

本研究腦脊液區(qū)1H-MRS結(jié)果顯示，10例(10/13)線粒體腦病患者腦脊液區(qū)可見特征性的Lac峰；3例(3/17)對(duì)照組腦脊液區(qū)見異常升高的Lac峰。同時(shí)腦內(nèi)病變區(qū)1H-MRS顯示，5例(5/12)線粒體腦病患者病變區(qū)可見Lac峰，6例(6/16)對(duì)照組患者腦內(nèi)病變區(qū)可見異常升高的Lac峰。

對(duì)結(jié)果做進(jìn)一步診斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腦脊液區(qū)1H-MRS出現(xiàn)Lac峰診斷線粒體腦肌病的靈敏度、正確指數(shù)、陽性似然比、陰性似然比、符合率均優(yōu)于病灶區(qū)。

3.3 聯(lián)合試驗(yàn)對(duì)線粒體腦病的診斷價(jià)值

此外，本研究還采取了聯(lián)合診斷試驗(yàn)的方法，聯(lián)合腦脊液區(qū)與病灶區(qū)1H-MRS對(duì)線粒體腦病進(jìn)行診斷分析。在串聯(lián)試驗(yàn)中，病灶區(qū)和腦脊液區(qū)1H-MRS均出現(xiàn)Lac峰的患者才被診斷為線粒體腦病陽性，提高了診斷試驗(yàn)的特異度。在并聯(lián)試驗(yàn)中，病灶區(qū)和腦脊液區(qū)1H-MRS之一出現(xiàn)Lac峰，即診斷為陽性，一定程度上提高了診斷試驗(yàn)的靈敏度。

結(jié)果表明，相比于單獨(dú)腦脊液區(qū)1H-MRS結(jié)果，串聯(lián)試驗(yàn)的特異度升高(94.12%)，但靈敏度過低(38.46%)，假陰性率為61.54%，從而導(dǎo)致大量患者被漏診，錯(cuò)過最佳的治療時(shí)機(jī)；并聯(lián)試驗(yàn)的靈敏度不變，但特異度降低(52.94%)，因此并聯(lián)試驗(yàn)也不是診斷線粒體腦病的合理方案。

在本研究中，正確指數(shù)表示所選擇的篩檢方法鑒別線粒體腦病與非線粒體腦病的總能力，指數(shù)越大，其真實(shí)性越高；而符合率指篩檢試驗(yàn)判定的結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果相同的數(shù)占總受檢人數(shù)的比例。

相較之下，腦內(nèi)病變區(qū)(0.26、63.33%)、串聯(lián)試驗(yàn)(0.33、70.00%)及并聯(lián)試驗(yàn)(0.30、63.33%)的正確指數(shù)及符合率均低于腦脊液區(qū)(0.59、80.00%)。由此可見，腦脊液區(qū)1H-MRS出現(xiàn)Lac峰對(duì)線粒體腦病的診斷價(jià)值優(yōu)于腦內(nèi)病變區(qū)，有助于對(duì)腦脊液乳酸水平的檢測(cè)。

3.4 腦脊液區(qū)1H-MRS Lac峰的應(yīng)用價(jià)值

另有國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道，腦脊液區(qū)1H-MRS對(duì)于某些中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病[28]具有重要的臨床診斷價(jià)值。Zanigni等[29]在對(duì)腦白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不良(adult-onset autosomal dominant leukodystrophy，ADLD)患者的研究中發(fā)現(xiàn)，腦脊液區(qū)1H-MRS可見異常Lac峰。Shungu等[30]在對(duì)慢性疲勞綜合征(chronic fatigue syndrome，CFS)患者的研究中亦得到類似結(jié)論。

究其原因可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中異常氧化代謝所產(chǎn)生的乳酸主要通過腦脊液清除：繼發(fā)于腦細(xì)胞損傷后所引起反應(yīng)性腦實(shí)質(zhì)乳酸水平升高，由損傷的腦細(xì)胞代謝至細(xì)胞間隙，進(jìn)而由乳酸的清除途徑聚集于腦脊液中，這部分升高的乳酸再經(jīng)蛛網(wǎng)膜顆粒回流入血，最終運(yùn)送至肝臟氧化為丙酮酸。Inao等[31]證實(shí)，乳酸經(jīng)蛛網(wǎng)膜顆粒回流入血的速度明顯慢于其由損傷的腦細(xì)胞清除至腦脊液中的速度，因此乳酸將大量堆積于腦脊液中，其乳酸濃度甚至高于腦內(nèi)病變區(qū)。另外，由于腦脊液區(qū)一般無NAA、Cho等腦內(nèi)代謝物的干擾[32]，理論上測(cè)定腦脊液區(qū)Lac峰的靈敏度將高于腦實(shí)質(zhì)病變區(qū)。

總之，探討臨床上應(yīng)用腦脊液1H-MRS對(duì)線粒體腦病的診斷價(jià)值具有重要的意義，有助于線粒體腦肌病的早期診斷和鑒別診斷。腦脊液1H-MRS作為一種無創(chuàng)性檢查，有望替代腰椎穿刺對(duì)于腦脊液乳酸水平的檢測(cè)。