基于MRI 的阿爾茨海默病異質(zhì)性研究進展

林 嵐，張 格，吳水才

（北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京100124）

0 引言

阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）是最常見的癡呆癥，預(yù)計到2050 年全球每85 人中就會有1 人罹患該病[1]。AD 的病因和發(fā)病機制迄今尚不明確，因此在診療方法研究方面存在瓶頸。在病理學(xué)上，AD 以大腦皮層內(nèi)廣泛的老年斑和神經(jīng)原纖維纏結(jié)為主要特征性病理表現(xiàn)。其中，細(xì)胞外老年斑的核心是β 淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）的沉積，而神經(jīng)原纖維纏結(jié)的主要成分是過度磷酸化微管相關(guān)的tau 蛋白。目前，臨床上針對AD 的病因及發(fā)病機制有很多學(xué)說，如膽堿能神經(jīng)丟失學(xué)說、tau 蛋白假說、神經(jīng)血管學(xué)說、氧化應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞凋亡學(xué)說以及Aβ 級聯(lián)學(xué)說等[2]。AD 是由遺傳因素和環(huán)境因素相互影響而發(fā)生的復(fù)雜異質(zhì)性疾病，任何一種學(xué)說都不能完全解釋AD 的全部發(fā)病特征。近年來，隨著對AD 認(rèn)識的深入，越來越多的證據(jù)顯示，AD 在病因、臨床表現(xiàn)、病理改變和病理機制等方面存在廣泛異質(zhì)性[3]。盡管記憶障礙是AD 的一項主要癥狀，但不同患者的認(rèn)知能力改變也具有異質(zhì)性，即每個個體都可能表現(xiàn)出不同程度的記憶、執(zhí)行功能、語言和感知空間能力的衰退。

皮質(zhì)變薄和海馬體積縮小是廣為人知的AD 生物標(biāo)志物。由于MRI 可以度量海馬和內(nèi)嗅皮質(zhì)等受損傷腦區(qū)的組織損傷，基于MRI 的自動分析已被廣泛應(yīng)用于研究和分析AD 相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)微變化，為AD 診斷、預(yù)后或預(yù)測提供有價值的信息[4-5]?；隗w素以及多變量模式分類的分析方法是最常用的影像分析方法[6]。該分析方法的一個基礎(chǔ)假設(shè)是存在一個特定的影像模式可用來進行疾病分類。即病理過程被假設(shè)為一個一致性的過程，而這忽略了AD 中廣泛存在的異質(zhì)性。因此，從異質(zhì)性的角度出發(fā)來進行AD 研究，可以為AD 提供更準(zhǔn)確的臨床診斷、預(yù)后判斷和治療方案。

目前，揭示疾病內(nèi)在異質(zhì)性的方法相對還比較少，其具體實現(xiàn)方法可以大致劃分為三大類。第一類方法一般基于獨立（臨床）先驗信息將AD 樣本細(xì)分為多個不同的亞型，隨后采用單變量統(tǒng)計方法來識別不同亞型間的影像差異。第二類方法直接基于MRI，采用多變量聚類的方法來得到AD 的不同亞型。第三類方法一般采用有監(jiān)督和無監(jiān)督學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法來獲取疾病的異質(zhì)性的發(fā)展軌跡。以下將綜述基于MRI 的AD 異質(zhì)性研究方法，總結(jié)異質(zhì)性研究的結(jié)果，并進一步討論該領(lǐng)域研究中存在的一些局限性及未來的發(fā)展趨勢。

1 異質(zhì)性研究方法

1.1 基于先驗信息的方法

基于先驗信息的方法一般根據(jù)先驗的臨床、病理或神經(jīng)影像學(xué)信息來劃分不同的AD 亞型，然后進行單變量統(tǒng)計分析，以定義不同的腦影像模式。

尸檢的病理結(jié)果常被認(rèn)為是解剖異質(zhì)性的金標(biāo)準(zhǔn)?；?89 例AD 患者的尸檢結(jié)果中的腦內(nèi)特征性病理改變，Murray 等[7]將AD 患者分為3 種亞型。典型的AD 患者約占75%，與其他2 種亞型在神經(jīng)原纖維纏結(jié)的分布上存在著顯著差異。海馬體積保留型患者的神經(jīng)原纖維纏結(jié)計數(shù)在皮層中出現(xiàn)增加，而在海馬區(qū)出現(xiàn)減少；邊緣為主型AD 患者的神經(jīng)原纖維纏結(jié)計數(shù)與海馬體積保留型患者相比，在海馬和皮層呈相反的分布趨勢。后續(xù)的腦萎縮研究中，Whitwell 等[8]發(fā)現(xiàn)這3 種源于神經(jīng)原纖維纏結(jié)的病理亞型對應(yīng)不同的腦萎縮模式。典型的AD 患者腦萎縮主要位于顳葉內(nèi)側(cè)和顳頂外側(cè)。海馬體積保留型患者具有較多的皮質(zhì)萎縮和較少的海馬萎縮，而邊緣為主型AD 患者則正好相反。腦萎縮模式與尸檢報告中的神經(jīng)原纖維纏結(jié)病理分布直接相關(guān)，具有重要的臨床價值。海馬體積與皮質(zhì)體積比可以較好區(qū)分以上提到的幾種AD 亞型。皮層厚度是一種度量AD 嚴(yán)重程度的有效指標(biāo)。Dickerson 等[9]根據(jù)發(fā)病年齡將75 例AD 患者分為早發(fā)型AD（發(fā)病年齡小于65 歲）和晚發(fā)型AD（發(fā)病年齡大于80 歲）2個患者組，并從皮層厚度角度進行了分析。結(jié)果顯示早發(fā)型AD 患者組的腦萎縮模式更接近于海馬體積保留型，而晚發(fā)型AD 患者組的海馬和內(nèi)側(cè)顳葉的萎縮更明顯。對應(yīng)于記憶能力，早發(fā)型AD 和晚發(fā)型AD 對記憶網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點的影響存在不同。

輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）是介于正常衰老和AD 之間的一種中間狀態(tài)，遺忘型MCI 是AD 的最高風(fēng)險人群[10]。Whitwell 等[11]將MCI患者分為單認(rèn)知域遺忘型、多認(rèn)知域遺忘型、單認(rèn)知域非遺忘型和多認(rèn)知域非遺忘型。其中，根據(jù)認(rèn)知障礙對特定認(rèn)知功能的影響，單認(rèn)知域非遺忘型MCI患者被進一步細(xì)分為語言、注意/執(zhí)行和視覺空間3種亞型。遺忘型患者的腦萎縮模式與AD 早期的腦萎縮模式比較一致，而其他亞型的腦萎縮模式則各有差異。

1.2 基于MRI 的聚類方法

基于MRI 的聚類方法一般基于體素級的形態(tài)特征或皮層表面的形態(tài)特征來進行亞型劃分。Noh等[12]通過對152 例AD 患者的皮層厚度進行聚類分析，將AD 患者分為雙側(cè)顳內(nèi)側(cè)萎縮亞型（34.2%）、頂葉萎縮亞型（18.4%）和彌漫性萎縮亞型（47.4%）3種。不同亞型對象在發(fā)病年齡、性別分布和APOEε4亞型攜帶上有所不同。其中，頂葉萎縮亞型患者對應(yīng)于早發(fā)型AD，在大多數(shù)認(rèn)知測試中表現(xiàn)最差。彌漫性萎縮亞型具有最薄的皮層厚度。Ten Kate 等[13]通過對灰質(zhì)密度圖的聚類分析，將AD 患者分為4 種萎縮亞型：（1）顳葉內(nèi)側(cè)型萎縮：患者一般年齡較大，記憶和語言功能最差，腦脊液tau 蛋白水平最低，腦血管病變最嚴(yán)重；（2）頂枕葉萎縮：執(zhí)行能力、注意力和視空間能力下降且腦脊液tau 蛋白水平升高；（3）輕度萎縮：患者年齡小，認(rèn)知功能最強，但腦脊液tau 蛋白水平最高；（4）彌漫性皮質(zhì)萎縮：認(rèn)知能力居中。Nettiksimmons 等[14]基于基線MRI、腦脊液和血清生物標(biāo)志物，采用基于最小方差和歐氏距離度量的聚類方法將138 例MCI 患者分為4 種亞型：（1）正常對照組相似型：較少對象在隨訪期轉(zhuǎn)化為AD；（2）早期AD 型；（3）嚴(yán)重萎縮型：tau 蛋白水平幾乎沒有異常，部分在隨訪期轉(zhuǎn)化為AD；（4）AD 前期型：幾乎全部在隨訪期轉(zhuǎn)化為AD。

聚類方法在一定程度上會對亞型劃分產(chǎn)生影響。Poulakis 等[15]對隨機森林成對相似性、多維尺度和基于距離的層次聚類3 種方法的聚類效果進行了比較。他們發(fā)現(xiàn)基于皮層和皮層下體積測量及其線性和非線性相互作用的無監(jiān)督隨機森林方法具備較好的AD 亞型劃分效果。該方法將AD 患者劃分為2 個典型的AD 亞型（2 種不同的彌漫性腦萎縮，占71.2%）和3 個非典型AD 亞型（輕度萎縮型、邊緣為主型和海馬體積保留型，占28.8%）。不同的AD 亞型具有顯著不同的人口統(tǒng)計學(xué)、臨床和認(rèn)知特征以及不同的認(rèn)知能力衰退率。在患者年齡上，邊緣為主型和2 種典型AD 亞型比輕度萎縮型和海馬體積保留型的年齡大。

1.3 異質(zhì)性軌跡研究方法

異質(zhì)性軌跡方法一般以一組對象作為參照物，研究其與另一組對象轉(zhuǎn)化過程中的異構(gòu)軌跡。

Dong 等[16]將1 243 名受試者分為病理組（MCI 和AD 患者組，N=844）和正常對照組（N=399），采用統(tǒng)計分布映射和聚類相結(jié)合的概率分布圖算法[17]來獲得正常對照組向患者組發(fā)展的異質(zhì)性軌跡。該方法以正常對照組為參考分布，以由異質(zhì)效應(yīng)引發(fā)的AD作為患者分布，將從參考分布到患者分布的一組轉(zhuǎn)換建模為異質(zhì)效應(yīng)，每個轉(zhuǎn)換對應(yīng)一條病理發(fā)展軌跡。該方法確定了4 種腦萎縮異質(zhì)性軌跡：（1）基本正常的腦萎縮：認(rèn)知和腦脊液生物標(biāo)志物異常最少，并且在隨訪期間臨床進展最慢；（2）典型AD 萎縮模態(tài)：認(rèn)知水平、腦脊液生物標(biāo)志物和臨床特征具有典型AD 特征，臨床進展最快；（3）顳葉內(nèi)側(cè)萎縮相對不明顯的彌漫性萎縮：腦脊液Aβ 值異常，執(zhí)行能力損傷更嚴(yán)重；（4）顳葉內(nèi)側(cè)局灶性萎縮：病程進展緩慢，可能代表AD 早期階段。Varol 等[18]采用一種半監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法，通過多個線性最大邊緣分類器組合來實現(xiàn)健康對照組和AD 患者組分類，通過線性子分類器來實現(xiàn)AD 患者異質(zhì)性軌跡的隱式聚類。該方法獲得了3 條AD 萎縮異質(zhì)性軌跡：彌漫性萎縮型（24%）、側(cè)頂葉/顳葉型（51%）和內(nèi)側(cè)顳葉型（25%）。

大腦的加速老化是AD 等神經(jīng)退行性疾病的一項先行風(fēng)險評估指標(biāo)。Eavani 等[19]從大腦加速老化的角度出發(fā)，將健康受試對象分為正常老化組和加速老化組。采用無監(jiān)督分布混合建模與有監(jiān)督分類器相結(jié)合的專家混合方法同時評估加速老化組中結(jié)構(gòu)MRI 和功能MRI 中存在的異質(zhì)性。結(jié)果顯示該方法將大腦加速老化組分成了5 種加速老化軌跡。其中，3 種加速老化軌跡中的腦萎縮和功能完整性改變與AD 患者近似。這些加速老化可能反映了AD在早期階段出現(xiàn)的臨床癥狀。

2 異質(zhì)性研究中存在的一些問題

2.1 各類方法的優(yōu)缺點

異質(zhì)性分析方法主要包括3 種類型，它們各有優(yōu)缺點。第一類方法在實現(xiàn)上比較簡單，但它依賴于先驗知識來進行AD 亞型定義。并且該定義可能難以獲得（如與影像掃描日期接近的尸檢報告），或者存在一定主觀性（如認(rèn)知量表或臨床評估）。此外，MRI 數(shù)據(jù)中存在的多元關(guān)系一般容易被忽略。第二類方法基于神經(jīng)影像中存在的差異來進行聚類，特征模式表達(dá)清晰。但這種聚類方法一般傾向于從MRI 數(shù)據(jù)最大變異性的方向?qū)D 患者進行分組，獲取的聚類結(jié)果并不一定反映的是AD 的病理模式，而有可能是對象間存在的差異性（性別、年齡和其他混雜因素）。同時，亞型分析結(jié)果的可解釋性較差。第三類方法一般采用有監(jiān)督和無監(jiān)督結(jié)合的半監(jiān)督算法，同時解決疾病分類和亞型劃分2 個問題，實現(xiàn)異構(gòu)病理發(fā)展軌跡的識別。但一般存在算法較復(fù)雜、類別數(shù)不好確定等問題。

2.2 異質(zhì)性劃分的相似性與差異性

盡管在異質(zhì)性研究中無論是所采用方法的類型，還是所基于的特征類型（腦萎縮、皮層厚度、認(rèn)知量表等）都存在不小的差異，但是獲得的AD 亞型劃分存在一定的關(guān)聯(lián)性。從特征類型角度出發(fā)，這些特征類型從不同角度對AD 進行了表達(dá)，彼此間存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性。在前期研究中，研究者們獲得了多個比較一致的AD 亞型：一種或2 種典型的彌散型AD亞型以及多種非典型性AD 亞型[7-8，14-16]。盡管不同的研究結(jié)果存在一定的相似性，但是它們間也存在著一定的差異。不同AD 研究招募的老年受試者在病程、人口統(tǒng)計學(xué)變量以及各亞型比例分布方面存在不同。同時，研究中也存在劃分方法以及特征相關(guān)度的差異。這些源于受試者和方法等的差異都會導(dǎo)致不同研究的異質(zhì)性劃分結(jié)果存在差異。大型AD 影像數(shù)據(jù)庫可以整合AD 臨床和病理表現(xiàn)的整個過程，從而為異質(zhì)性研究提供更可靠的結(jié)果。未來的研究中可能需要進一步從可靠性、可重復(fù)性出發(fā)對亞型分類進行研究。

2.3 從多退行性路徑解釋異質(zhì)性

大多數(shù)研究都認(rèn)為AD 可以被分為幾種亞型，每種亞型有著獨立的發(fā)展模式。但另一種研究思路是從損失因子表達(dá)的角度，認(rèn)為異質(zhì)性可能反映了多條同時存在并彼此獨立的神經(jīng)退行性路徑，AD 異質(zhì)性是這些神經(jīng)退行性路徑共同作用的結(jié)果[20]。Sui等[20]基于隱狄利克雷分配模型從患者全腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖中獲取了AD 患者白質(zhì)的3 個損失因子：顳額葉損傷因子、頂葉損傷因子和長纖維束損傷因子，而對這些損傷因子的不同表達(dá)反映了AD 發(fā)展的異質(zhì)性（如圖1 所示）。進一步的研究中，多模態(tài)的隱狄利克雷分配模型[21]被用于同時提取腦萎縮認(rèn)知障礙因子。該類方法可以為AD 異質(zhì)性的臨床癥狀提供更好的解釋。

2.4 異質(zhì)性對臨床研究的影響

從目前研究的AD 發(fā)病機制來看，AD 的致病因素非常復(fù)雜，有效的治療藥物依賴于對神經(jīng)影像和其他生物標(biāo)志物的深入理解?！癆β 假說”[22-23]是最受學(xué)界和藥企推崇的AD 發(fā)病理論，大腦中Aβ 的積累被認(rèn)為是AD 疾病的起因。但是，Aβ 沉積是AD 發(fā)病的始動因素或僅是一個重要環(huán)節(jié)仍存在爭論。靶向Aβ 的療法主要針對腦內(nèi)Aβ 沉積展開，然而大多在臨床試驗中未能阻止病情進展。其中一種潛在的解釋是不同患者的發(fā)病機制可能存在很大差異，單純針對某一機制或靶點的治療很難對全部患者有效[24-26]。如美國百健公司開發(fā)的當(dāng)前最有可能獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)的阿杜那單抗[27]，在ENGAGE 和EMERGE 兩項3 期臨床試驗中，一項顯示認(rèn)知能力下降有所減緩，而另一項則顯示患者沒有臨床獲益。不同患者Aβ沉積的機制可能有所不同，多項異質(zhì)性研究中都存在腦萎縮模態(tài)與正常老化比較接近且Aβ 積累并不嚴(yán)重的AD 對象[17]。對于這些個體，用于清除大腦中Aβ 積累的藥物效果就可能非常有限。因此，從異質(zhì)性角度出發(fā)，對每個AD 患者進行精準(zhǔn)化治療，將是今后AD 臨床試驗的一個重要方向[28]。更進一步，了解AD 異質(zhì)性來源對各種生物標(biāo)志物的影響，將有助于更好地監(jiān)測靶向治療效果。

圖1 AD 異質(zhì)人群的不同損傷因子表達(dá)[20]

3 結(jié)語

盡管異質(zhì)性研究方法在AD 亞型研究中已取得了不少成果，但是仍然面臨著不少挑戰(zhàn)：（1）影像特征和亞型分類方法不同帶來的結(jié)果差異。（2）數(shù)據(jù)分布不同帶來的差異。未來的研究應(yīng)該較多地集中在可靠性、可重復(fù)性、可解釋性以及異質(zhì)性精準(zhǔn)治療等方向，具體如下：（1）基于AD 影像大數(shù)據(jù)，從差異性角度出發(fā)對不同方法、特征獲得的異質(zhì)性劃分進行深入的研究。在不同數(shù)據(jù)集合上測試該劃分是否可以重復(fù)以及從縱向角度研究個體對象在不同時間點所獲得的亞型劃分是否高度一致。（2）將異質(zhì)性結(jié)果和各種發(fā)病機理結(jié)合起來分析，為AD 發(fā)病機理提供更好的異質(zhì)性解釋。（3）將異質(zhì)性結(jié)果應(yīng)用于臨床治療中，對臨床治療方案提供有效的指導(dǎo)。