輕中度抑郁癥靜息態(tài)fMRI低頻振幅與血清炎癥因子相關性研究

馬躍，何家愷，郭春蕾，孫繼飛，魯新宇，羅屹，高山山，陳慶燕，張樟進，榮培晶，方繼良*，劉勇*

0 前言

抑郁癥（major depressive disorder, MDD）是一種由多基因及環(huán)境因素交互影響、共同作用的精神疾病，以顯著而持久的心境低落、快感缺乏、思維遲鈍等為主要臨床表現(xiàn)，往往具有較高的發(fā)病率、復發(fā)率以及自殺率[1-2]。新冠疫情后，全球抑郁障礙的患病人口約為3.22 億人，占世界人口比例的4.4%[3]，17 項漢密爾頓抑郁量表（17-item Hamilton Rating Scale for Depression Scale, HAMD-17）用于評估患者抑郁程度，可將MDD患者分為重度抑郁與輕中度抑郁（mild to moderate depression, MMD）[4]。目前對于MDD的病理生理學機制尚未完全闡明，包括“神經(jīng)遞質(zhì)假說”“下丘腦-垂體-腎上腺軸（hypothalamic-pituitary-adrenal, HPA）異常”“神經(jīng)可塑性下降”“炎癥”“大腦結構和功能變化”和“遺傳易感性”等[5-10]。其中“免疫-炎癥”假說是MDD 發(fā)病機制中的一個重要因素。1991年由SMITH等[11]提出，MDD 患者機體存在免疫炎癥狀態(tài)，可誘發(fā)、加重抑郁癥狀。相關研究也發(fā)現(xiàn)當壓力、應激產(chǎn)生時，促炎性細胞因子分泌增加，抗炎性細胞因子水平降低，導致免疫系統(tǒng)被過度激活，進而引起神經(jīng)內(nèi)分泌以及免疫系統(tǒng)功能紊亂，加重或誘導MDD 的形成[12]。既往研究主要關注外周促炎細胞因子水平異常與MDD之間的關系，發(fā)現(xiàn)白細胞介素6（interleukin 6, IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-alpha, TNF-α）、C-反應蛋白（C-reactive protein, CRP）水平顯著升高[13-14]。 高 敏 C 反 應 蛋 白（high-sensitivity C-reactive protein, HsCRP）＞3已被用于定義為炎癥性抑郁癥亞組的分型要求[15-16]。近年來，隨著神經(jīng)成像分析技術的發(fā)展，MDD 最為突出的腦功能變化與情緒相關的高級皮層、皮層下多個腦區(qū)功能異常有關。促炎細胞因子可進入大腦與神經(jīng)回路相互作用，增加MDD的風險，并涉及許多神經(jīng)生物學過程，包括神經(jīng)調(diào)節(jié)劑效應、神經(jīng)遞質(zhì)樣效應等[17-19]。GUO等[20]研究發(fā)現(xiàn)伴有自殺意念的MDD 患者灰質(zhì)體積和IL-6 水平改變相關，而參與中樞神經(jīng)炎癥反應的小膠質(zhì)細胞活化后主要分布在獎賞、認知、凸顯等功能相關的前額葉及前扣帶回、基底節(jié)等腦區(qū)[21]。以上研究均提示MDD 患者大腦結構和功能異常與其外周血炎癥標志物濃度存在聯(lián)系，表明外周炎癥因子與大腦結構和功能變化有關[22-24]。但目前對于深入探討MDD患者腦功能層面與炎癥細胞因子濃度相關的研究較少。

靜 息 態(tài) 功 能MRI（resting state functional MRI, rs-fMRI）作為一種具有無創(chuàng)、精確等優(yōu)點的新興技術，被廣泛應用于探討MDD的神經(jīng)生物學機制[25]。低頻振幅（amplitude of low frequency fluctuation,ALFF）[26]可以反映人腦血氧水平依賴（blood oxygen level dependent, BOLD）信號振動幅度的變化，有助于理解中樞神經(jīng)系統(tǒng)自發(fā)功能活動。本研究將基于MDD炎癥假說和腦功能變化作為結合點，以ALFF指標為切入點，與外周炎癥細胞因子、臨床量表進行相關性分析，探索輕中度MDD患者血液外周炎癥因子水平和腦功能異常改變的復雜相互作用關系。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2020 年1 月至2021 年10 月在中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院和西南醫(yī)科大學附屬中醫(yī)醫(yī)院精神科被診斷為輕中度MDD 的患者病例，作為MMD 組。健康者來源于廣告招募，作為健康對照（healthy controls, HC）組。最終本研究共納入48例MMD患者病例及51例HC，且兩組滿足性別、年齡及受教育程度相對匹配。本研究嚴格遵守《赫爾辛基宣言》，經(jīng)過中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院、西南醫(yī)科大學附屬中醫(yī)醫(yī)院倫理委員會批準（倫理號：2019-250-KY、YJ-KY2019052），已在中國臨床試驗注冊中心注冊（注冊號：ChiCTR2000029109），且所有受試者在納入前均簽署知情同意書。

1.2 診斷標準

按照精神障礙診斷與統(tǒng)計手冊第五版（the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders-Ⅴ, DSM-Ⅴ）的診斷標準進行。診斷是由兩名資深精神科醫(yī)師進行。以心境低落為主，并至少有下列4項：（1）興趣喪失、無愉快感；（2）精力減退或疲乏感；（3）精神運動性遲滯或激越；（4）自我評價過低、自責，或有內(nèi)疚感；（5）聯(lián)想困難或自覺思考能力下降；（6）反復出現(xiàn)想死的念頭或有自殺、自傷行為；（7）睡眠障礙，如失眠、早醒或睡眠過多;（8）食欲降低或體質(zhì)量明顯減輕；（9）性欲減退。病程持續(xù)時間要達到兩周以上[27]。

1.3 納排標準

MMD 組納入標準：（1）所有患者符合DSM-Ⅴ的抑郁癥標準（包括輕度、中度）；（2）年齡在18～70 歲之間；（3）輕度、中度MDD，7 分＜HAMD-17 評分≤24 分；（4）右利手；（5）自殺嚴重程度評定量表所有回答均為“否”或評分＜3 分；（6）能夠或經(jīng)溝通能夠理解評估量表的內(nèi)容,簽署知情同意書者。

健康組納入標準：（1）HAMD-17評分≤7分；（2）右利手；（3）無精神疾病發(fā)作史；（4）年齡在18～70歲之間，健康組性別、年齡及受教育程度與MMD組相對匹配。

排除標準：（1）患有嚴重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病及心、腦、腎等軀體疾病者；（2）有藥物、毒品或酒精等濫用史；（3）有自殺風險疾病患者；（4）孕婦及哺乳期婦女者。

1.4 方法

1.4.1 量表評估

本研究所有患者及健康者納入時均接受HAMD-17、14 項漢密爾頓焦慮量表（14-items Hamilton Anxiety Rating Scale, HAMA-14）。依據(jù)HAMD-17評估抑郁程度，HAMD 包括17 個條目，總分＞24 分為重度抑郁，17 分＜總分≤24 分為中度抑郁，7 分＜總分≤17 分為輕度抑郁。依據(jù)HAMA-14 評估焦慮程度[4]，分別對軀體性焦慮和精神性焦慮兩部分進行評估，涵蓋了軀體、情緒、行為的相關問題等14個方面，將各項評分相加為總分值，總分≥29 分為嚴重焦慮，21 分≤總分＜29 分判定為有明顯焦慮；14 分≤總分＜21 分為有焦慮；7 分≤總分＜14 分為可能有焦慮[28]。

1.4.2 炎癥因子

受試者于晨起采集空腹靜脈血，離心獲得血清，血清學指標主要包括外周血血清腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor alpha, TNF-α）、白介素6（interleukin 6, IL-6）、白介素2（interleukin 2,IL-2）、HsCRP。

1.4.3 影像圖像數(shù)據(jù)采集

本研究所有受試者均在中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院、西南醫(yī)科大學附屬中醫(yī)醫(yī)院放射科Magneton Skyra 3.0 T 磁共振掃描儀（德國西門子）上進行數(shù)據(jù)采集。掃描前告知受試者掃描過程中保持清醒，避免主動思維活動。掃描過程中受試者需使用耳塞并佩戴降噪耳機，用頭罩以固定頭部，平臥于檢查床上。BOLD 序列掃描參數(shù)：TE 30 ms，TR 2000 ms，層間隔0.6 mm，層厚3.5 mm，32層，F(xiàn)OV 224 mm×224 mm，翻轉角90°，矩陣64×64，掃描時間6 min 46 s。高清結構像掃描參數(shù)：TE 2.98 ms，TR 2530 ms，層間距1.0 mm，層厚1.0 mm，128 層，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，翻轉角7°，矩陣256×192，掃描時間6 min 3 s。

1.4.4 影像圖像數(shù)據(jù)處理

采用基于Matlab2020a 平臺的DPARSF 5.0 工具包對BOLD 數(shù)據(jù)進行預處理：（1）先將數(shù)據(jù)從DICOM 轉換為NIFTI 格式；（2）為防止數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，去除前10 個時間點；（3）進行時間層校正及頭動校正（去除在任意方向頭動大于2.0 mm 及2.0°的患者）；（4）空間標準化，將被試經(jīng)過非線性轉換到MNI 空間，重采樣為3 mm×3 mm×3 mm的空間分辨率；（5）去線性漂移；（6）將頭動、腦脊液信號、白質(zhì)信號進行線性回歸；（7）平滑核為6 mm 進行空間平滑。此外，為了排除頭動對試驗結果的影響，我們計算了兩組被試的頭動參數(shù)，使用雙樣本t檢驗檢查這兩組被試是否具有顯著性差異。

ALFF數(shù)據(jù)分析方法：經(jīng)預處理后，使用DPARSF對ALFF進行計算分析，最后以0.01～0.10 Hz進行帶通濾波，去除呼吸、心跳等生理信號產(chǎn)生的噪聲，對此波段的磁共振信號進行傅里葉變換，將頻域功率譜峰下面積進行開方，代表該頻段振蕩的幅度，即ALFF[29]，并進行z值標準化，獲得zALFF 用于統(tǒng)計。ALFF 反映神經(jīng)元自發(fā)活動水平高低，ALFF 值的異常表明相應腦區(qū)可能存在功能缺陷。

1.5 統(tǒng)計學方法

人口統(tǒng)計學資料及臨床資料采用SPSS 23.0進行分析，正態(tài)性檢驗后，符合正態(tài)分布的計量資料用均數(shù)±標準差表示，用兩獨立樣本t檢驗進行比較，非正態(tài)分布的計量資料用中位數(shù)（四分位數(shù)間距）[M（IQR）]表示，計數(shù)資料比較采用卡方檢驗。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

圖像數(shù)據(jù)采用DPABI 軟件進行分析，分別提取2 組預處理后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以性別、年齡、受教育程度及頭動參數(shù)作為協(xié)變量，結果采用高斯隨機場（Gaussian random field, GRF）校正，簇水平P＜0.05、體素水平P＜0.001，雙側檢驗，團塊體素大于＞20，生成相應的ALFF（抑郁組-健康組）差異腦區(qū)圖，兩組ALFF 兩樣本t檢驗的陽性結果提值后得到的ALFF 值分別與炎癥因子、臨床量表進行相關性分析，相關性分析采用Spearman秩相關進行，以相關系數(shù)（r）＜4 為相關性弱，4≤r≤7 為相關性一般，r＞7 為相關性強，對結果進行Bonferroni 校正，以顯著性水平在0.05/3≈0.017時為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 MMD組與HC組組間臨床特征結果比較

兩組在年齡、性別及受教育程度、頭動方面差異均無統(tǒng)計學意義（P均＞0.05），MMD 組在HAMD-17、HAMA-14 評分上明顯高于健康組，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），MMD 組IL-2、IL-6、TNF-α、HsCRP 水平均高于HC組（P均＜0.05），見表1。

表1 MMD組與HC組組間臨床特征結果比較Tab.1 Comparison of the results of clinical characteristics between the MMD and HC groups

2.2 MMD組與HC組組間腦影像ALFF結果

以年齡、性別、受教育年限作為協(xié)變量，兩樣本t檢驗統(tǒng)計后得到ALFF 值差異腦區(qū)（GRF 校正，簇水平P＜0.05、體素水平P＜0.001），見表2、圖1。

圖1 MMD組與HC組兩樣本t檢驗顯著的腦區(qū)圖。圖中藍色團塊表示與HC組相比，MMD組ALFF降低的腦區(qū)（右側顳極、左側三角部額下回、右側背外側額上回），圖中黃色團塊表示與HC組相比，MMD組ALFF升高的腦區(qū)（左側顳下回）。色條顏色由藍色到黃色表示ALFF值由低到高的程度。MMD：輕中度抑郁癥；HC：健康對照；ALFF：低頻振幅。Fig.1 Significant brain regions in the two-sample t-test between the MMD and HC groups.The blue clusters in the figure represent brain regions with decreased ALFF in the MMD group compared to the HC group (right temporal pole, left triangular part of the inferior frontal gyrus,and right dorsolateral superior frontal gyrus).The yellow cluster in the figure represents brain regions with increased ALFF in the MMD group compared to the HC group (left middle temporal gyrus).The color bar ranging from blue to yellow indicates the extent of ALFF values from low to high.MMD: mild to moderate depression; HC: healthy control; ALFF:amplitude of low-frequency fluctuation.

表2 MMD組與HC組兩樣本t檢驗顯著的腦區(qū)Tab.2 Significant brain regions in the two-sample t-test between the MMD and the HC groups

研究發(fā)現(xiàn)，與HC 組相比，MMD 組在左側顳下回（Temporal_Inf_L）ALFF 值升高，在右側顳極（Temporal_Pole_Sup_R）、左側三角部額下回（Frontal_Inf_Tri_L）、右側背外側額上回（Frontal_Sup_R）ALFF值減低。

2.3 相關性分析

通過Bonferroni 校正后，Spearman 秩相關分析顯示，左側顳下回與HAMD-17、HAMA-14評分、HsCRP水平 呈 正 相 關（r=0.591，P＜0.001；r=0.549，P＜0.001；r=0.479，P＜0.001）；右側背外側額上回與TNF-α 呈負相關（r=-0.285，P=0.004），HsCRP 水平與HAMD-17、HAMA-14 評 分 呈 正 相 關（r=0.723，P＜0.001；r=0.667，P＜0.001），見圖2。

圖2 相關性矩陣圖（2A）和MMD組右側背外側額上回和左側顳下回ALFF 值 與TNF-α、HsCRP 散 點 圖（2B）。*表示P＜0.017，具有相關性，數(shù)值為r 值；MMD：輕中度抑郁癥；ALFF：低頻振幅；TNF-α：血清腫瘤壞死因子α；HsCRP：高敏C 反應蛋白；HAMD-17：漢密爾頓抑郁量表17 項；HAMA-14：漢密爾頓焦慮量表14 項；IL-2：白介素2；IL-6：白介素6；Frontal_Sup_R：右側背外側額上回；Temporal_Inf_L：左側顳下回；Temporal_Inf_L：左側顳下回；Temporal_Pole_Sup_R：右側顳極； Frontal_Inf_Tri_L：左側三角部額下回。Fig.2 The correlation matrix plot (2A) and scatter plots of ALFF values in the right dorsolateral superior frontal gyrus and left middle temporal gyrus with TNF,HsCRP (2B).* indicates a significant correlation with P＜0.017, and the values represent the correlation coefficient (r).MMD: mild to moderate depression; ALFF:amplitude of low-frequency fluctuation; TNF-α: tumor necrosis factor-alpha; HsCRP: high-sensitivity C-reactive protein; HAMD-17: the 17-item Hamilton Depression Rating Scale; HAMA-14: the 14-item Hamilton Anxiety Rating Scale; IL-6: interleukin-6; IL-2: interleukin-2; Frontal_Sup_R: the right dorsolateral superior frontal gyrus; Temporal_Inf_L: the left middle temporal gyrus; Temporal_Pole_Sup_R: the right temporal pole; Frontal_Inf_Tri_L: the left triangular part of the inferior frontal gyrus.

3 討論

本研究以MMD患者為研究對象，應用靜息態(tài)fMRI的ALFF 方法，對MMD 的腦功能神經(jīng)自發(fā)性活動與血清炎癥因子進行相關性研究。這是第一項采用本方法進行探索MMD 患者血液外周炎癥因子水平和腦功能異常改變的復雜相互作用的研究。研究發(fā)現(xiàn)MMD組存在IL-2、IL-6、TNF-α、HsCRP 水平升高，在邊緣葉、默認模式網(wǎng)絡（default mode network, DMN）等腦網(wǎng)絡中ALFF存在差異，其中左側顳下回、右側背外側額上回與HsCRP、TNF-α水平具有相關性，是外周炎癥相關的異常腦區(qū)。

3.1 外周炎癥因子在MMD 的免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用

MDD是以情緒低落、興趣下降、精力減退為核心癥狀，同時伴有記憶力下降、睡眠障礙等一系列癥狀的精神障礙性疾病，尚未有明確的發(fā)病機制和生物標志物。目前免疫炎癥假說的關注度最高，長期的免疫異?？稍黾覯DD 的風險，且炎癥假說與多個單胺假說、HPA 軸異常假說等多個經(jīng)典假說之間存在聯(lián)系[30]，一些血清生物學標志物與抑郁障礙高度相關，例如HsCRP、TNF-α、IL-6、IL-2[31]。炎癥因子與大腦結構和功能異常也存在易感性，如前扣帶皮層、前額葉皮層、海馬體和島葉等腦區(qū)，表明炎癥過程可能影響腦活動[32]。本研究顯示MMD 患者的外周血中HsCRP、TNF-α、IL-6、IL-2 顯著高于HC 組，且相關分析顯示HsCRP 水平與HAMD-17、HAMA-14 評分呈正相關，與大部分研究的結果一致[33]。提示MMD患者存在一定程度的炎癥反應激活，而血清HsCRP水平的變化與抑郁程度呈正相關。HsCRP水平能夠精確且客觀地反映患者的抑郁程度[34-35]，表現(xiàn)為在炎癥反應下會急劇升高，在遭受不良情緒時亦會顯著增高，并在一定程度上反映機體對損傷刺激時的應答程度。TNF-α、IL-6、IL-2屬于促炎性細胞因子，是炎癥反應啟動的關鍵細胞因子。IL6 通常被認為是“致抑郁”的依據(jù)，可下調(diào)神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的水平，改變前額葉的突觸傳遞[36-37]。TNF-α調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性傳遞、神經(jīng)炎癥過程來影響抑郁，還能夠調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞中的五羥色胺受體活性影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)水平，參與抑郁的發(fā)生發(fā)展[17]。IL-2主要由T淋巴細胞產(chǎn)生，可通過海馬影響學習和情緒記憶[38]。因此，HsCRP、TNF-α、IL-6、IL-2 在抑郁障礙的免疫調(diào)節(jié)中可能發(fā)揮著重要作用。

3.2 外周炎癥因子水平潛在影響多個腦區(qū)功能

本研究發(fā)現(xiàn)，左側顳下回神經(jīng)元自發(fā)活動水平增高，右側顳極、三角部額下回、背外側額上回神經(jīng)元自發(fā)活動水平下降可能是MMD 出現(xiàn)情緒抑郁的關鍵腦區(qū)。顳葉不僅參與聽覺信息處理，還參與個人經(jīng)歷的回憶，對情緒及記憶等高級神經(jīng)活動發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[39-40]。顳下回屬于DMN 的重要節(jié)點，在行為、認知、情緒調(diào)節(jié)等方面起著綜合作用。BITSCH 等[41]和WAGNER 等[42]發(fā)現(xiàn)與健康者相比，MMD 患者的顳下回ALFF值高。YANG等[43]研究表明首發(fā)抑郁患者顳下回ALFF 信號增高，均與本研究結果一致。相關性分析發(fā)現(xiàn)MMD 患者左側顳下回的自主神經(jīng)活動增強，與HAMD-17、HAMA-14評分、HsCRP水平呈正相關，結合既往研究結果，我們認為MMD 的情緒和行為異?？赡芘c顳葉功能亢進有關，顳葉功能亢進與HsCRP 水平升高、MMD 的情緒低落直接相關。前額葉負責自上而下調(diào)節(jié)情緒及注意力，在情感活動中起重要作用，其功能異常與MMD 的反芻思維、過度關注自我、負面刺激密切相關[44-45]。相關性分析發(fā)現(xiàn)，患者TNF-α的值越低，右側背外側額上回的腦功能活動越高，MMD 患者腦功能改變的物質(zhì)基礎與神經(jīng)炎癥異常介導有關。額下回三角部、背外側額上回位于內(nèi)側前額葉，其中額中回是邊緣神經(jīng)環(huán)路重要組成部分，且神經(jīng)影像學的研究指出，MMD 的發(fā)生與邊緣系統(tǒng)功能和結構異常有關，主要表現(xiàn)為背外側額上回、額中回皮層活性降低[46-47]，與本研究結果一致。因此，研究認為HsCRP、TNF-α等外周炎癥因子可干擾邊緣系統(tǒng)以及DMN 相關的神經(jīng)元活動，這些區(qū)域與MMD的病理生理密切相關。

3.3 本研究的不足

本研究存在如下不足之處：（1）樣本量相對較小，量表選擇過于單一；（2）本次研究僅報告了一個腦影像指標，未來將加入局部一致性、功能連接等指標評估疾病與相應腦區(qū)之間的情況；（3）炎癥因子受各種因素的影響，存在不穩(wěn)定性，未來需要進一步大樣本的臨床研究，多組學、多模態(tài)分析抑郁癥的炎癥水平。以上不足將會在下一步研究中進一步完善，以提高本研究的科學價值。

4 結論

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)MMD患者存在免疫炎癥因子IL-2、IL-6、TNF-α、HsCRP 水平升高，采用ALFF 分析方法發(fā)現(xiàn)MMD 較HC 組存在差異腦區(qū)，主要在邊緣葉、DMN 等腦網(wǎng)絡，其中左側顳下回、右側背外側額上回是外周炎癥相關的異常腦區(qū)。研究認為MMD 腦功能、炎癥因子和臨床癥狀存在明顯的相關性，這可能是炎癥狀態(tài)可增高抑郁風險、誘發(fā)、加重抑郁病程的神經(jīng)病理機制更為復雜的原因。本項研究為MMD 的病理生理與治療提供了新的思路和證據(jù)。在未來的研究中我們將進一步擴大樣本量，采用更為嚴格的統(tǒng)計效力以提高本研究的科學價值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：劉勇、方繼良設計本研究的方案，對稿件重要的智力內(nèi)容進行了修改，其中方繼良獲得了國家自然科學基金和中國中醫(yī)科學院科技創(chuàng)新工程項目的資助；馬躍起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；何家愷、郭春蕾、孫繼飛、羅屹、高山山、陳慶燕、魯新宇、張樟進、榮培晶獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件重要的智力內(nèi)容進行了修改；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。