乳腺癌化療患者腦結(jié)構(gòu)及功能磁共振成像研究

宋雅琪，李一凡，夏建國，田為中*

作者單位 1.南京醫(yī)科大學(xué)泰州臨床醫(yī)學(xué)院，泰州 225309；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬泰州人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，泰州 225399；3.南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，南通 226001

0 引言

根據(jù)《2020 年全球癌癥統(tǒng)計報告》，女性乳腺癌已成為世界上最常見的癌癥[1]。接受化療藥物治療的乳腺癌患者經(jīng)常出現(xiàn)認(rèn)知問題[2]，主要表現(xiàn)在短期和工作記憶、注意力、執(zhí)行功能和處理速度方面[3]，這種由化療導(dǎo)致的改變稱為化療相關(guān)認(rèn)知功能損傷（chemotherapy-related cognitive impairment, CRCI）。CRCI 嚴(yán)重影響乳腺癌患者的生活質(zhì)量，其神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制受到廣泛關(guān)注。既往研究發(fā)現(xiàn)，化療通過影響腦結(jié)構(gòu)、功能、代謝和血液灌注導(dǎo)致CRCI[4]。

化療藥物可通過對神經(jīng)細(xì)胞的直接細(xì)胞毒性損傷而損害腦代謝和細(xì)胞功能。鉑類藥物可以少量穿透血腦屏障，對包括祖細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和海馬神經(jīng)元在內(nèi)較脆弱的神經(jīng)細(xì)胞造成損害，同時還參與誘導(dǎo)線粒體DNA 損傷，從而導(dǎo)致線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激增加，神經(jīng)元完整性和認(rèn)知功能最終受損[5-6]。5-氟尿嘧啶可導(dǎo)致髓鞘完整性下降，與海馬神經(jīng)退行性缺陷和線粒體功能障礙有關(guān)[7]。甲氨蝶呤破壞白質(zhì)完整性，并與認(rèn)知障礙有關(guān)[8]。這些都顯示了化療藥物對大腦神經(jīng)元的直接不良影響。目前關(guān)于CRCI 的產(chǎn)生機(jī)制及治療方法被廣泛研究，但仍未得出明確結(jié)論。

本研究采用基于體素的形態(tài)學(xué)測量（voxel-based morphometry, VBM）方法對乳腺癌患者化療后腦灰質(zhì)體積（gray matter volume, GMV）進(jìn)行研究，并探索GMV 異常腦區(qū)與全腦功能連接（functional connectivity, FC）的改變，從結(jié)構(gòu)和功能兩方面來研究化療對乳腺癌患者腦的影響，旨在為CRCI 的發(fā)生發(fā)展提供影像學(xué)依據(jù)，為其早期診斷做出貢獻(xiàn)，改善化療患者的預(yù)后。

1 材料與方法

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經(jīng)南京醫(yī)科大學(xué)附屬泰州人民醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，全體受試者均簽署了知情同意書，批準(zhǔn)文號：KY2022-041-01。

1.1 一般資料

本研究納入30 名化療后1 個月的女性乳腺癌患者及29 名術(shù)后未經(jīng)放化療的女性乳腺癌患者，分別作為化療組（C+組）和對照組（C-組）。

所有的參與者均進(jìn)行了局部手術(shù)治療。乳腺癌化療后患者納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）均為術(shù)后患者，且證實(shí)為浸潤性乳腺癌；（2）無放療或內(nèi)分泌治療史；（3）采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)劑量化療方案；（4）教育水平能理解所告知內(nèi)容。

化療前患者納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）術(shù)后患者；（2）未接受任何化療藥物治療；（3）無放療或內(nèi)分泌治療史。

所有受試者排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）既往癌癥病史；（2）遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移（包括腦轉(zhuǎn)移）的存在；（3）腦和腦血管疾?。茨X腫瘤、發(fā)育異常、外傷性腦損傷、頭頸部大動脈血流動力學(xué)顯著狹窄及其他相關(guān)病理）；（4）惡病質(zhì)或其他軀體失代償；（5）懷孕及其他磁共振檢查禁忌證。

1.2 神經(jīng)心理學(xué)測試

所有患者的社會人口學(xué)和臨床數(shù)據(jù)由同一神經(jīng)科醫(yī)生收集。兩組的所有患者都接受了一系列的認(rèn)知評估，包括主觀神經(jīng)認(rèn)知測量和神經(jīng)心理學(xué)測試。認(rèn)知測試包括簡易精神狀態(tài)測試（Mini Mental State Examination, MMSE）、蒙特利爾認(rèn)知評估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）；神經(jīng)認(rèn)知測試包括焦慮自評量表（Self-rating Anxiety Scale, SAS）、抑郁自評量表（Self-rating Depression Scale, SDS）、腫瘤患者生活質(zhì)量評估等。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)處理

在MATLAB 軟件中，使用SPM（Statistical Parametric Mapping）（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）的CAT12（http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/）工具箱對VBM 的高分辨率T1加權(quán)結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行預(yù)處理分析。將圖像轉(zhuǎn)換為NII 格式后，首先使用統(tǒng)一的分割模塊[9]將解剖圖像分割為灰質(zhì)（grey matter, GM）、白質(zhì)（white matter, WM）和腦脊液（cerebrospinal fluid,CSF）。然后，通過DARTEL 工具[10]，利用微分同胚解剖配準(zhǔn)將分割后的GM 圖像歸一化到蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）標(biāo)準(zhǔn)空間。在MNI 空間中對GM 模板進(jìn)行仿射和非線性配準(zhǔn)后，對圖像進(jìn)行調(diào)制，以確保在空間歸一化過程中保留相對的GM 體積。對圖像和預(yù)處理質(zhì)量進(jìn)行檢查，并進(jìn)行全腦指標(biāo)評估。最后，用8 mm 的半高寬（full width at half maximum, FWHM）高斯核對得到的GM圖像進(jìn)行平滑。

1.3.2 功能MRI的數(shù)據(jù)分析

使用SPM8 和靜息態(tài)功能MRI（resting state functional MRI, rs-fMRI）數(shù)據(jù)分析工具包對符合條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，排除不符合條件的數(shù)據(jù)。預(yù)處理步驟如下：

（1）由于初始圖像信號不穩(wěn)定，將前10個時間點(diǎn)去除。

（2）對剩余的230 幅功能血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent, BOLD）圖像進(jìn)行切片時序校正、運(yùn)動校正和重新對齊。任何方向最大位移大于2 mm或旋轉(zhuǎn)大于2°的fMRI掃描圖像被排除。

（3）空間歸一化，重采樣至3 mm 各向同性體素。用6 mm 全寬半最大值高斯核平滑后，去除線性趨勢、帶通時間濾波（0.01～0.08 Hz）和協(xié)變量，包括頭部運(yùn)動參數(shù)、全腦、白質(zhì)和腦脊液信號。

1.3.3 fMRI指標(biāo)計算

FC：在自動解剖標(biāo)記圖譜[11]所包含的腦區(qū)（90個）中，將GMV差異腦區(qū)作為感興趣區(qū)（region of interest,ROI）。計算所有受試者的平均時間序列與所有其他大腦體素的時間序列之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，完成Fisher 轉(zhuǎn)換為z值，提高數(shù)據(jù)的正態(tài)性，生成全腦的zFC圖。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

（1）一般資料：采用SPSS 26.0 進(jìn)行統(tǒng)計分析。對兩組患者年齡、性別、受教育年限、神經(jīng)心理學(xué)量表評分等連續(xù)變量符合正態(tài)分布的采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不符合正態(tài)分布的計量資料采用中位數(shù)（四分位數(shù)間距）表示，兩組比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)或Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

（2）GMV 數(shù)據(jù)分析：對平滑后的灰質(zhì)圖像運(yùn)用基于Matlab 平臺的SPM 軟件進(jìn)行兩組間的雙樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.001，cluster size＞90 得到的腦區(qū)為GMV差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)。結(jié)果通過在MRIcroGL及BrainNetViewer軟件進(jìn)行可視化。

（3）FC 數(shù)據(jù)分析：對C+組與C-組的FC 圖像運(yùn)用基于Matlab 平臺的SPM8 軟件進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)，觀察FC 差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)。多重比較校正采用體素水平P＜0.001，F(xiàn)WE-corrected＜0.05；記錄有差異有統(tǒng)計學(xué)意義的團(tuán)塊大小、所包含的腦區(qū)、峰值區(qū)域MNI坐標(biāo)以及相關(guān)強(qiáng)度（以t值表示，t值絕對值越大代表差異越顯著）。結(jié)果在BrainNetViewer軟件中顯示。

（4）相關(guān)性：將GMV 差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)的GMV 值提取出來，采用SPSS 26.0 統(tǒng)計學(xué)軟件，將年齡及受教育年限作為控制變量，采用偏相關(guān)分析探討差異腦區(qū)的GMV 值及FC 值與神經(jīng)心理認(rèn)知測試結(jié)果之間的相關(guān)性，P＜0.05認(rèn)為有相關(guān)性。

2 結(jié)果

一般資料：采用雙樣本t檢驗(yàn)評估C+組及C-組兩組間一般資料之間的差異是否具有顯著性，結(jié)果顯示兩組之間年齡、受教育年限差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。神經(jīng)心理學(xué)測試結(jié)果顯示，焦慮及抑郁自評量表、腫瘤患者生活質(zhì)量評估差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；MMSE、MoCA 評分差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），結(jié)果見表1。

表1 研究對象的一般資料Tab.1 General data of the study subjects

GMV：與C-組相比，C+患者左側(cè)枕中回（MNI：X，Y，Z=-10.5，-105.0，0.0）、右側(cè)距狀裂周圍皮層（MNI：X，Y，Z=15.0，-103.5，-1.5）GMV減?。ū?，圖1）。

圖1 C+組與C-組灰質(zhì)體積比較，藍(lán)色代表灰質(zhì)體積減小區(qū)域（左側(cè)枕中回、右側(cè)距狀裂周圍皮層）。C+：化療后；C-：化療前。Fig.1 Comparison of differences in gray matter volume (GMV) between the C+ and C- groups, blue indicates areas of reduced gray matter volume(left middle occipital gyrus; right calcarine fissure and surrounding cortex).C+: chemotherapy treatment; C-: without chemotherapy treatment.

表2 C+組及C-組兩組間腦灰質(zhì)體積差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)Tab.2 Brain regions with statistically significant differences in gray matter volume between the C+ and C- groups

FC：以左側(cè)枕中回為種子點(diǎn)，與右側(cè)顳極：顳上回（MNI：X，Y，Z=63，3，-3）、左側(cè)顳上回（MNI：X，Y，Z=-54，-12，3）FC 減弱（FWE cluster size＞84，P＜0.001）；以右側(cè)距狀裂周圍皮層為種子點(diǎn)，與左側(cè)舌回（MNI：X，Y，Z=-33，-87，-15）FC減弱（FWE cluster size＞104，P＜0.001）（表3～4，圖2～3）。

圖2 C+組與C-組以左側(cè)枕中回為感興趣區(qū)，功能連接存在差異的腦區(qū)（右側(cè)顳極：顳上回、左側(cè)顳上回）。C+：化療后；C-：化療前。Fig.2 The brain regions with differences in functional connectivity with the left posterior cingulate gyrus as ROI between the C+ group and the Cgroup (right temporal pole: superior temporal gyrus, left superior temporal gyrus).C+: chemotherapy treatment;C-: without chemotherapy treatment;ROI: region of interest.

圖3 C+組與C-組以右側(cè)距狀裂周圍皮層為感興趣區(qū)，功能連接存在差異的腦區(qū)（左側(cè)舌回）。C+：化療后；C-：化療前。Fig.3 The brain regions with differences in functional connectivity with the right calcarine fissure and surrounding cortex as ROI between the C+group and the C- group (left lingual gyrus).C+: chemotherapy treatment;C-: without chemotherapy treatment; ROI: region of interest.

表3 C+組與C-組以左側(cè)枕中回為ROI的功能連接比較Tab.3 Comparison of functional connectivity between the C+and C- groups with the left middle occipital gyrus as the ROI

表4 C+組與C-組以右側(cè)距狀裂周圍皮層為ROI的功能連接比較Tab.4 Comparison of functional connectivity between groups C+ and C- using the right peritalar fissure cortex as the ROI

相關(guān)性：在將年齡及受教育年限作為控制變量進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示C+患者GMV 值與FC 值與心理認(rèn)知結(jié)果之間未存在明顯相關(guān)性。

3 討論

本研究采用VBM 及FC 方法觀察乳腺癌化療患者大腦結(jié)構(gòu)及功能異常，旨在為CRCI 的發(fā)生發(fā)展提供影像學(xué)依據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)化療患者左側(cè)枕中回右側(cè)距狀裂周圍皮層GMV 減??；FC 結(jié)果表明，以左側(cè)枕中回為種子點(diǎn)，與右側(cè)顳極：顳上回、左側(cè)顳上回FC減弱；以右側(cè)距狀裂周圍皮層為種子點(diǎn)，與左側(cè)舌回FC 減弱。這項(xiàng)研究通過結(jié)構(gòu)及功能MRI 結(jié)合方法為CRCI發(fā)生發(fā)展提供了新的見解。

3.1 化療患者GMV變化

GM 是一種神經(jīng)組織，含有密集的神經(jīng)元細(xì)胞體，是信息處理的中心，能對外界的各種刺激做出反應(yīng)，GM 萎縮可能表明神經(jīng)退行性變或功能障礙[12]。本研究結(jié)果顯示乳腺癌患者化療后GMV 萎縮區(qū)域分布在枕葉及距狀裂周圍。人腦中的注意網(wǎng)絡(luò)分為背側(cè)和腹側(cè)系統(tǒng)，背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)起源于額頂葉，反應(yīng)于枕葉[13]。幾項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照相比，化療患者在靜息狀態(tài)下背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)及額頂葉網(wǎng)絡(luò)功能連通性均發(fā)生改變[14-15]，從而導(dǎo)致出現(xiàn)CRCI 相應(yīng)癥狀，如注意力、記憶、解決問題能力減退。乳腺癌患者化療后注意力和處理速度出現(xiàn)功能障礙[16]。記憶、注意力、處理速度和執(zhí)行功能是易受化療影響的認(rèn)知領(lǐng)域[2]。之前的縱向研究結(jié)果表明，接受化療的乳腺癌患者在化療后六個月或一年后，在上述四個領(lǐng)域認(rèn)知能力下降更明顯，尤其是在工作記憶和執(zhí)行功能方面[17]。從解剖學(xué)上看，枕葉與顳葉和額葉有廣泛的纖維連接，功能相互影響[18]，相關(guān)腦DTI研究發(fā)現(xiàn)，化療后額葉、顳葉、枕葉和頂葉腦區(qū)白質(zhì)纖維束完整性均受損[19]。CIORBA等[20]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)先天性帕金森病和嗅覺功能障礙患者的枕部GMV減小，同時，在嗅覺正常的志愿者中，氣味刺激后枕葉皮層出現(xiàn)廣泛激活。因此枕區(qū)也被認(rèn)為與嗅覺加工有關(guān)[21]。由此推斷枕葉可能在嗅覺過程中發(fā)揮了氣味識別的作用，化療藥物廣泛影響患者身體各項(xiàng)功能，可能出現(xiàn)嗅覺及味覺的改變，且與枕葉結(jié)構(gòu)改變有密切聯(lián)系。枕葉作為接收和處理視覺信息最重要的大腦皮層，既往研究表明重度抑郁癥（major depressive disorder, MDD）患者快感缺乏的嚴(yán)重程度與枕葉谷胱甘肽水平呈負(fù)相關(guān)，提示MDD 患者枕葉可能存在異常的氧化應(yīng)激[22-23]。由此，我們可以推測乳腺癌患者化療后枕葉GMV減小與其出現(xiàn)的抑郁癥狀密切相關(guān)。距狀裂周圍皮層位于枕葉內(nèi)側(cè)面，是一種典型的感覺型粒狀皮層，主要輸入來自丘腦外側(cè)膝狀體的視覺信息[24]，將視覺信息進(jìn)行初步加工整合，并與視覺相關(guān)記憶及注意等神經(jīng)心理活動密切相關(guān)[25]。這些區(qū)域GMV改變可能與化療誘導(dǎo)的相應(yīng)認(rèn)知障礙表現(xiàn)有關(guān)。

3.2 FC強(qiáng)度改變

目前已有研究證明化療會對大腦整體的FC 產(chǎn)生影響[26]。VBM 結(jié)果說明乳腺癌患者化療后已經(jīng)存在腦結(jié)構(gòu)的改變，為了從功能方面進(jìn)一步解釋認(rèn)知障礙出現(xiàn)的病理機(jī)制，本研究以GMV 差異腦區(qū)為種子點(diǎn)進(jìn)行全腦FC 分析，結(jié)果表明以左側(cè)枕中回為種子點(diǎn)，與右側(cè)顳極：顳上回、左側(cè)顳上回FC 減弱；以右距狀裂周圍皮層為種子點(diǎn)，與左側(cè)舌回FC 減弱。大腦連接對于闡明神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何處理信息至關(guān)重要，揭示了空間分離的腦區(qū)之間的功能整合關(guān)系[27]，腦區(qū)間相互連接構(gòu)成復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)，而化療藥物可以透過血腦屏障導(dǎo)致神經(jīng)元受損、連接紊亂進(jìn)而導(dǎo)致連接完全中斷。先前相關(guān)縱向研究結(jié)果顯示，化療后1 個月額顳葉腦GM 密度急性減小，從而證明額顳葉是對化療損傷最敏感的大腦區(qū)域?；熀蟪Ｒ姷恼J(rèn)知問題是記憶力損害，包括情景記憶和工作記憶。內(nèi)側(cè)顳葉結(jié)構(gòu)對情景記憶至關(guān)重要[28-29]。舌回也被稱為枕顳葉內(nèi)側(cè)回，介于側(cè)副溝和距狀溝之間，舌回的后部屬于枕葉，前部則歸入顳葉，屬于初級視覺皮層，與外周枕葉皮質(zhì)共同參與視覺信息的整合與處理，尤其是與字母加工及記憶相關(guān)[30]。舌回同樣被證實(shí)在邏輯分析和視覺編碼方面起作用。本研究結(jié)果與既往大部分研究相似，表明額葉、顳葉及枕葉為易受化療藥物影響的區(qū)域，但這種“易感區(qū)域”的機(jī)制目前仍未明確?？赡芘c髓鞘化的速度有關(guān)，即最晚進(jìn)行髓鞘化的區(qū)域更易受到化療藥物的影響[31]。既往關(guān)于認(rèn)知障礙相關(guān)疾?。ǜ涡阅X病、阿爾茨海默?。┑饶X結(jié)構(gòu)及功能研究結(jié)果也出現(xiàn)上述相關(guān)腦區(qū)的改變[32-33]，這說明上述腦區(qū)與認(rèn)知障礙的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。

3.3 局限性

本研究存在一定的局限性。第一，試驗(yàn)樣本量相對較少，不同化療藥物的作用機(jī)理不同，可能會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。在接下來的研究中，將會繼續(xù)收集患者，探討不同化療藥物影響認(rèn)知的具體機(jī)制；第二，研究對象存在一定異質(zhì)性，如絕經(jīng)狀態(tài)的不同，由于目前樣本量較小，無法進(jìn)行分層評估；第三，本研究觀察患者化療后短期內(nèi)腦改變，后續(xù)應(yīng)增加觀察時限，詳細(xì)探索不同時期腦結(jié)構(gòu)及功能損害程度。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究通過VBM 與FC 相結(jié)合的方法，為乳腺癌患者化療后產(chǎn)生認(rèn)知障礙提供了神經(jīng)解剖學(xué)基礎(chǔ)，從影像學(xué)角度上進(jìn)一步解釋了CRCI 發(fā)生發(fā)展機(jī)制，為化療患者認(rèn)知功能康復(fù)干預(yù)提供了重要依據(jù)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：田為中設(shè)計本研究的方案，對稿件重要內(nèi)容進(jìn)行了指導(dǎo)與修改，獲得了江蘇省衛(wèi)健委科研課題和江蘇省333 高層次人才科研項(xiàng)目的資助；宋雅琪起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數(shù)據(jù)；李一凡、夏建國獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件重要內(nèi)容進(jìn)行了修改，其中夏建國獲得了江蘇省第五期“333 工程”科研項(xiàng)目的資助；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(fù)責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。