超重2型糖尿病患者腦灰質(zhì)體積基于體素的形態(tài)學(xué)臨床研究

張東升,齊 菲,王 嫚,謝清明,蘇 宇,張小玲,高 潔*

(1陜西省人民醫(yī)院MRI室,西安 710068;2西安醫(yī)學(xué)院;*通訊作者,E-mail:gaojie8661@163.com)

2015年我國糖尿病患者人數(shù)已居全球首位并且有逐年上升的趨勢,其中95%為2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者[1]。先前的研究已經(jīng)證實,T2DM不僅會引起腦結(jié)構(gòu)及神經(jīng)元自發(fā)活動異常[2,3],而且可能引起一系列微血管和大血管的并發(fā)癥,增加血管性癡呆和阿爾茨海默病的風(fēng)險[4]。我國T2DM患者中超重及肥胖者約占30%[5],相對于正常體重人群,超重及肥胖人群T2DM的發(fā)病率會升高3.5-4.6倍[6]。超重同樣是認(rèn)知功能損傷的獨(dú)立風(fēng)險因素,會導(dǎo)致患者執(zhí)行功能、注意力等認(rèn)知功能異常[7]。T2DM合并超重是否會加劇患者腦結(jié)構(gòu)的損傷及認(rèn)知功能下降,目前相關(guān)研究較少?；隗w素的形態(tài)學(xué)分析(voxel-based morphometry,VBM)方法以體素為基礎(chǔ),通過自動、全面的提取圖像中的腦組織成分(灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液)進(jìn)行客觀對比分析,從而描繪局部腦組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異,已被廣泛應(yīng)用于多種神經(jīng)精神疾病的腦結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)分析中。因此,本研究擬采用VBM方法,探討超重T2DM患者腦灰質(zhì)體積及認(rèn)知功能的異常改變。

1 材料與方法

1.1 研究對象

收集陜西省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科T2DM患者40例,患者符合1999年世界衛(wèi)生組織T2DM的診斷標(biāo)準(zhǔn),包括:①空腹血糖≥7.0 mmol/L;②口服糖耐量試驗2 h餐后血糖≥11.1 mmol/L;③有三多一少癥狀,且隨機(jī)血糖≥11.1 mmol/L,若無高血糖的癥狀,標(biāo)準(zhǔn)中的①②項應(yīng)進(jìn)行復(fù)查,兩次達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可診斷。T2DM及健康對照組(healthy controls,HC)排除標(biāo)準(zhǔn):有精神藥物濫用或依賴史;有聽力、語言交流困難、幽閉恐懼癥等無法配合MRI檢查者;合并其他內(nèi)分泌疾患者,如甲亢、甲旁亢、肢端肥大癥等;合并影響認(rèn)知功能的其他精神及神經(jīng)疾病者;腦血管意外、腫瘤、外傷、感染、先天性腦發(fā)育異常者。所有被試年齡均在40-70歲;均為右利手。根據(jù)體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)將T2DM分為兩組,匹配人口學(xué)資料后,最終納入正常體重T2DM(normal weight type 2 diabetes,NW+T2DM)患者16例(18.5≤BMI<25 kg/m2)及超重T2DM(overweigh type 2 diabetes,OW+T2DM)患者15列(25 kg/m2≤BMI<30 kg/m2),選擇人口學(xué)資料相匹配的HC 16例(18.5 kg/m2≤BMI<25 kg/m2)。NW+T2DM組(男13例,女3例)年齡48-64歲,OW+T2DM組(男10例,女5例)年齡46-64歲,HC組(男12例,女4例)年齡46-64歲。本研究通過陜西省人民醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn),所有被試者在檢查前均被詳細(xì)告知試驗內(nèi)容及方法并簽署知情同意書。

1.2 神經(jīng)心理學(xué)測試

被試者在接受MRI掃描前需完成簡易智力狀態(tài)檢查量表(mini-mental state examination,MMSE)、蒙特利爾認(rèn)知評估量表(montreal cognitive assessmen,MoCA)、連線測試A(trail-making test part A,TMT-A)及畫鐘測驗(clock drawing test,CDT),MMSE及MoCA用于評估被試的一般認(rèn)知功能,TMT-A評估被試神經(jīng)反應(yīng)速度及注意力,CDT評估被試視覺空間功能。CDT、MMSE、MoCA評分越高提示被試者對應(yīng)的認(rèn)知功能越好,而TMT-A時間越長,提示被試者神經(jīng)反應(yīng)速度及注意力越差。所有神經(jīng)心理學(xué)測試由經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的心理科醫(yī)師完成。

1.3 數(shù)據(jù)采集及分析

采用3.0T Philips Ingenia磁共振掃描儀,使用16通道相控陣頭線圈。采集3D-T1WI以及常規(guī)臨床MRI影像診斷圖像。掃描時囑研究對象閉目仰臥、保持全身平穩(wěn)不動、保持清醒但盡量不進(jìn)行任何思考。用棉墊固定頭部,以耳塞降低噪音。3D-T1WI序列掃描時選用正中矢狀位前后聯(lián)合的連線作為掃描定位線,采用三維快速擾相梯度回波T1加權(quán)序列(3D-FSPGR T1WI),主要掃描參數(shù)為:TR=10 ms,TE=4.6 ms,TI=400 ms,層厚=1 mm,間隔=0 mm,FOV=180 mm×180 mm,矩陣=256×256,采集次數(shù)(NEX)=1。數(shù)據(jù)處理采用Matlab 2014b基礎(chǔ)上運(yùn)行SPM 12及DPABI中的VBM工具箱,數(shù)據(jù)處理流程如下,原始DICOM圖像轉(zhuǎn)換為NIFTI圖像,行組織分割,得到全腦腦脊液、白質(zhì)和灰質(zhì)圖像;采用半高全寬(full width half-maximum,FWHM)為8 mm×8 mm×8 mm的高斯平滑核對分割后的圖像進(jìn)行平滑,接著對腦組織成分圖像進(jìn)行建模,得到可用于統(tǒng)計分析的圖像。對三組被試VBM統(tǒng)計圖行方差分析,隨后進(jìn)行post-hoc兩兩比較,組間比較結(jié)果采用GRF校正(單個體素P<0.001,校正后P<0.05)。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件,一般人口學(xué)資料、臨床參量及神經(jīng)心理學(xué)評分三組間比較采用單因素方差分析,T2DM患者組間病程比較采用獨(dú)立樣本t檢驗。計數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗。為了評估OW+T2DM患者腦灰質(zhì)體積與神經(jīng)心理學(xué)評分之間的關(guān)系,提取OW+T2DM組與NW+T2DM組間有顯著性差異腦區(qū)的灰質(zhì)體積值,采用線性相關(guān)模型分析神經(jīng)心理學(xué)評分與異常腦區(qū)體積的相關(guān)性,計算每組相關(guān)的Pearson相關(guān)系數(shù)。所有統(tǒng)計學(xué)檢驗均為雙側(cè),以P<0.05作為顯著性檢驗的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果

2.1 人口學(xué)資料及神經(jīng)心理學(xué)測試結(jié)果

三組被試者在性別、年齡、受教育程度、血壓、甘油三酯、總膽固醇及低密度脂蛋白等資料方面差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),T2DM患者空腹血糖、糖化血紅蛋白顯著高于HC組(均P<0.05)。OW+T2DM組及NW+T2DM組空腹血糖、糖化血紅蛋白、病程及各并發(fā)癥差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。三組被試者M(jìn)MSE、MoCA、TMT-A及CDT評分結(jié)果組間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,見表1)。

表1 被試者臨床資料及神經(jīng)心理學(xué)評分

Table 1 Clinical data and neuropsychological scores of all subjects

指標(biāo) HC組(n=16)NW+T2DM組(n=16)OW+T2DM組(n=15) F/t/χ2 P性別(男/女) 12/4 13/3 10/50.870.65年齡(年) 53.53±4.39 54.94±5.83 56.07±5.681.710.19BMI(kg/m2) 23.63±1.54 22.64±1.87 26.93±2.0922.65<0.01病程(年) - 6.94±5.12 8.20±6.010.630.53受教育程度(年) 15.20±2.24 13.69±2.36 13.27±2.632.670.08收縮壓(mmHg)122.13±9.80123.63±18.69132.87±16.812.510.09舒張壓(mmHg) 82.27±7.64 77.50±9.49 83.40±8.963.210.05空腹血糖(mmol/L) 5.56±0.78 7.75±3.26 8.52±2.1910.54<0.01糖化血紅蛋白(%) 5.56±0.46 7.95±1.99 7.90±1.5312.56<0.01甘油三脂(mmol/L) 1.83±1.09 1.48±0.78 3.36±1.581.010.37總膽固醇(mmol/L) 4.89±0.86 4.39±0.94 5.17±1.971.340.27低密度脂蛋白(mmol/L) 2.79±0.68 2.51±0.63 2.51±0.760.820.45視網(wǎng)膜病變(例) - 2 40.990.32周圍神經(jīng)病變(例) - 8 90.310.58糖尿病腎病(例) - 8 90.310.58MMSE(分) 28.67±1.29 27.97±1.77 27.43±3.031.240.30MoCA(分) 27.37±1.63 26.50±2.45 25.53±2.752.330.11CDT(分) 20.83±6.30 16.90±6.95 14.77±8.992.520.09TMT-A時間(s) 64.79±27.70 73.00±26.94 75.34±31.680.250.78

TMT-A:連線測試A;MMSE:簡易智力狀態(tài)檢查量表;MoCA:蒙特利爾認(rèn)知評估量表;CDT:畫鐘測驗

2.2 VBM結(jié)果

三組間有統(tǒng)計學(xué)差異的腦區(qū)位于左側(cè)顳極/顳上回/額下回。相對于HC組,NW+T2DM組左側(cè)額下回灰質(zhì)體積減少,OW+T2DM組雙側(cè)顳上回、額下回、右側(cè)海馬旁回、島葉、左側(cè)額上回、額內(nèi)側(cè)回及左側(cè)頂上/下小葉灰質(zhì)體積減少。相對于NW+T2DM組,OW+T2DM組雙側(cè)直回、額內(nèi)側(cè)回、前扣帶、左側(cè)顳上回、額下回、島葉及右側(cè)頂下小葉、緣上回、角回灰質(zhì)體積減少。所有結(jié)果均采用GRF校正,校正后P<0.05(單個體素P<0.001)。組間出現(xiàn)顯著差異的腦區(qū)見圖1,顯著差異腦區(qū)的體素大小、標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)、Brodmann分區(qū)、T值見表2。

表2 被試者灰質(zhì)體積存在統(tǒng)計學(xué)差異的腦區(qū)

Table 2 Brain regions with significant difference among all subjects in VBM analysis

腦區(qū) MNI坐標(biāo)XYZ體素 BA TNW+T2DM

a.三組間灰質(zhì)體積有統(tǒng)計學(xué)差異的腦區(qū),紅色代表三組間灰質(zhì)體積存在差異的腦區(qū),條圖上紅-黃色對應(yīng)T值從小至大(對應(yīng)8到17.88);b.相對于HC組,NW+T2DM組灰質(zhì)體積減少的腦區(qū);c.相對于HC組,OW+T2DM組灰質(zhì)體積減少的腦區(qū);d.相對于NW+T2DM組,OW+T2DM組灰質(zhì)體積減少的腦區(qū),藍(lán)色代表兩組間灰質(zhì)體積顯著減少的腦區(qū),條圖上淺藍(lán)-深藍(lán)色對應(yīng)T值從小至大(對應(yīng)-10至-3.66)圖1 OW+T2DM組、NW+T2DM組及HC組VBM分析組間存在顯著性差異的腦區(qū)Figure1 Brain regions with significant difference among OW+T2DM group, NW+T2DM group, and HC group in VBM analysis

2.3 OW+T2DM組與NW+T2DM組組間差異腦區(qū)與TMT-A時間相關(guān)分析結(jié)果

OW+T2DM組雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉(直回/額內(nèi)側(cè)回/前扣帶)灰質(zhì)體積與TMT-A時間負(fù)相關(guān)(r=-0.813,P<0.001,見圖2)。

圖2 OW+T2DM患者雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉灰質(zhì)體積與TMT-A時間相關(guān)關(guān)系Figure 2 Correlation between gray matter volume of the medial prefrontal cortex and TMT-A score in patients with OW+T2DM

3 討論

本研究結(jié)果顯示,相對于HC組,NW+T2DM組左側(cè)額下回灰質(zhì)體積減少;而OW+T2DM組除額葉灰質(zhì)體積減少外,部分顳葉及頂葉區(qū)域灰質(zhì)體積也出現(xiàn)了明顯的減少。相對于NW+T2DM組,OW+T2DM組雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉(直回、額內(nèi)側(cè)回、前扣帶)、左側(cè)顳上回、額下回、島葉及右側(cè)頂下小葉、緣上回、角回灰質(zhì)體積減少,提示超重合并T2DM可能加速這些腦區(qū)的灰質(zhì)體積萎縮。

先前的多個研究已經(jīng)證實,T2DM患者顳葉內(nèi)側(cè)、內(nèi)側(cè)額葉、額上回、前扣帶回及枕中回等腦區(qū)灰質(zhì)體積減少[2,8]。本研究結(jié)果中,NW+T2DM組僅有左側(cè)額下回灰質(zhì)體積減少,這可能源于本研究納入的被試量較少,也有可能由于上述的研究均未剔除高BMI對結(jié)果的影響所致,據(jù)此推測,NW+T2DM患者可能最易出現(xiàn)額葉灰質(zhì)萎縮。相對于先前的研究[2,8],OW+T2DM患者灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)更為廣泛,增加的灰質(zhì)體積減少腦區(qū)主要為島葉及頂上/下小葉。OW+T2DM組較NW+T2DM組島葉及頂下小葉、緣上回、角回灰質(zhì)體積同樣減少,這提示超重合并T2DM可能加速島葉及頂葉皮層的灰質(zhì)萎縮。大樣本量的研究已經(jīng)證實肥胖及超重患者島葉灰質(zhì)體積減少[9],同樣有研究[10]發(fā)現(xiàn)T2DM患者以及其非T2DM兄弟姐妹島葉灰質(zhì)體積減少,證實超重及T2DM均會導(dǎo)致島葉灰質(zhì)萎縮。島葉與葡萄糖代謝及胰島素抵抗有關(guān)[11],在維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用[12]。T2DM及超重均會導(dǎo)致機(jī)體代謝異常,因此,島葉灰質(zhì)體積減少可能提示OW+T2DM患者內(nèi)環(huán)境紊亂更為明顯。先前有研究[13]發(fā)現(xiàn)血糖正常的肥胖患者及肥胖T2DM患者島葉灰質(zhì)體積減低,提示島葉是T2DM及肥胖的聯(lián)合損傷腦區(qū),這進(jìn)一步證實了我們的推測。研究顯示青少年以及成年[3]肥胖患者頂葉皮層灰質(zhì)體積減少,但少有研究報道T2DM患者頂葉皮層灰質(zhì)體積下降[14]。然而靜息態(tài)研究發(fā)現(xiàn),T2DM患者頂下小葉、角回等腦區(qū)神經(jīng)元活動異常[15,16]。這可能由于功能異常先于結(jié)構(gòu)改變,也可能提示超重/肥胖對頂葉的灰質(zhì)體積影響更大,OW+T2DM患者頂葉灰質(zhì)體積減少的原因可能主要源于超重而非T2DM。

本研究表明,OW+T2DM組雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉(直回/額內(nèi)側(cè)回/前扣帶)較NW+T2DM組灰質(zhì)體積減少并與TMT-A呈負(fù)相關(guān)。超重[9]及T2DM[8]患者內(nèi)側(cè)前額葉灰質(zhì)體積減少均已被證實。內(nèi)側(cè)前額葉是DMN網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,已有的研究顯示T2DM患者DMN網(wǎng)絡(luò)異常并發(fā)現(xiàn)與糖化血紅蛋白負(fù)相關(guān)[17,18]。T2DM以高血糖及胰島素抵抗為特征,胰島素和胰島素降解酶功能下降導(dǎo)致患者腦內(nèi)β淀粉樣蛋白增多,引起神經(jīng)元退行性改變進(jìn)而導(dǎo)致腦萎縮[19],DMN腦區(qū)常為最易受累的區(qū)域[20]。超重/肥胖不僅導(dǎo)致外周胰島素抵抗,還會導(dǎo)致腦胰島素抵抗的發(fā)展進(jìn)一步加劇胰島素抵抗[21]。因此,我們推測,超重合并T2DM可能加速患者內(nèi)側(cè)前額葉的灰質(zhì)萎縮過程。此外,內(nèi)側(cè)前額葉參與決策制定、注意力等多種認(rèn)知功能[22]。OW+T2DM組雙側(cè)內(nèi)側(cè)額葉灰質(zhì)體積減低與TMT-A評分呈負(fù)相關(guān),提示OW+T2DM患者注意力功能損傷。

本研究依然存在以下局限性,首先,樣本量相對較小,今后需加大樣本量進(jìn)一步證實本研究結(jié)果。其次,作為橫斷面研究,本研究無法證實超重及T2DM哪種因素在OW+T2DM患者灰質(zhì)損傷中具有主導(dǎo)作用,隨后的研究將添加超重非糖尿病患者繼續(xù)探討這一問題。

總之,本研究證實,相對于HC及NW+T2DM組,OW+T2DM患者存在更為廣泛灰質(zhì)減少腦區(qū),超重合并T2DM可能加速患者島葉、頂葉及內(nèi)側(cè)前額葉的灰質(zhì)萎縮過程,OW+T2DM組雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉灰質(zhì)體積減少可能與患者注意力功能損傷有關(guān)。