7T超高场磁共振波谱成像揭示C9orf72相关肌萎缩侧索硬化的脑代谢演变模式

本研究利用7T超高场磁共振波谱成像（1H和31P MRSI）技术，首次在体描绘了无症状C9orf72突变携带者（AFM C9+）和肌萎缩侧索硬化（ALS）患者大脑代谢的动态演变图谱。研究揭示了AFM C9+阶段即存在神经元功能障碍、谷氨酸兴奋性毒性及糖原/磷脂代谢异常，至ALS C9+阶段则表现为代谢异常的加重和扩展，并出现能量代谢缺陷。此外，研究明确了C9orf72突变阳性与阴性ALS患者具有截然不同的脑代谢特征。该研究为ALS的早期干预、患者分层及个性化治疗靶点开发提供了重要的在体生物标志物。

　　

神经退行性疾病是全球性的健康挑战，其中肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）是一种尤为凶险的疾病，它选择性攻击运动神经元，导致患者进行性肌肉无力、呼吸衰竭，最终死亡。令人困扰的是，导致神经变性启动的细胞过程至今仍不甚明了。更复杂的是，ALS与额颞叶痴呆（Frontotemporal Dementia, FTD）在遗传上存在交集，其中C9orf72基因的六核苷酸重复扩增是欧洲人群中最常见的遗传原因。然而，携带此突变的无症状个体其大脑内部究竟发生了怎样的早期变化？这些变化如何一步步演变为致命的疾病？传统的神经影像学方法主要捕捉的是大脑结构的变化，但“代谢改变很可能先于结构改变”，如果能及早发现这些代谢异常，或许就能在不可逆的损伤发生之前进行干预。

为了回答这些关键问题，由Henk-Jan Westeneng、Leonard H. van den Berg等领衔的研究团队在《Drug Resistance Updates》上发表了一项开创性的研究。他们利用超高场强（7特斯拉）磁共振波谱成像（Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging, MRSI）这一尖端技术，同时整合了质子（¹H）和磷（³¹P）两种核素的成像，对97名参与者的大脑进行了一次“全景式”的代谢扫描。这项研究的一个独特之处在于，它不仅纳入了症状性ALS患者（分为有C9orf72突变，ALS C9+，和无突变，ALS C9-），还罕见地招募了来自ALS患者家庭的无症状成员（同样分为突变携带者AFM C9+和非携带者AFM C9-），以及健康对照。这使得研究人员能够清晰地将突变本身的影响与家族共同环境等因素分离开来，并动态观察从无症状期到症状期的代谢演变轨迹。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，他们建立了包含97名参与者（15名AFM C9+，18名AFM C9-，4名ALS C9+，35名ALS C9-，25名健康对照）的队列，所有参与者均经过详细的临床评估和C9orf72基因分型。其次，利用7T MR扫描仪进行二维¹H和三维全脑³¹P MRSI数据采集，实现了对11种关键脑代谢物的高分辨率、无创在体测量。第三，运用加权的贝叶斯线性多水平模型进行统计学分析，比较不同组别间代谢物的差异，并考虑了年龄、脑区、亲缘关系等多种因素，确保了结果的可靠性。

研究结果

无症状C9orf72突变携带者（AFM C9+）已显现脑代谢异常

与同家族的非携带者（AFM C9-）相比，AFM C9+的大脑在静息状态下已非“静息”。研究人员发现：

• •
  神经元功能障碍：表现为左侧楔前叶的总N-乙酰天门冬氨酸/总肌酸（tNAA/tCr）比值降低。tNAA是公认的神经元标志物，其降低提示神经元健康状态受损或数量减少。
• •
  谷氨酸兴奋性毒性迹象：在左侧楔前叶和右侧扣带回峡部，谷氨酸+谷氨酰胺/tNAA（Glx/tNAA）比值升高，这是神经元过度兴奋的潜在标志。然而，有趣的是，在至关重要的左侧中央前回（初级运动区），Glx/tNAA反而降低，这暗示运动神经元可能激活了某种保护机制来抵抗谷氨酸的毒性。
• •
  膜磷脂代谢异常：膜磷脂的分解产物甘油磷酸乙醇胺/磷酸肌酸（GPE/PCr）在双侧额叶、扣带区、基底节、半卵圆中心等多个脑区广泛升高，表明细胞膜处于加速分解的状态。
• •
  糖原代谢紊乱：作为糖原前体的尿苷二磷酸葡萄糖/磷酸肌酸（UDPG/PCr）在双侧运动区和左侧额叶显著增加，提示糖原的合成或利用可能出现了问题。

这些发现清晰地表明，在预期症状出现多年前，C9orf72突变携带者的大脑代谢已经“拉响了警报”，病理过程早已启动。

症状性ALS C9+患者：代谢异常的加重与扩展

当AFM C9+进展为ALS C9+后，脑代谢图谱呈现出更严峻的形势：

• •
  原有异常的加剧：在AFM C9+中出现的神经元功能障碍（tNAA/tCr降低）和膜分解加剧（GPE/PCr升高）在ALS C9+中持续存在。而谷氨酸兴奋性毒性（Glx/tNAA升高）则变得更为严重和广泛，这次也波及到了之前受到“保护”的初级运动区。糖原代谢异常（UDPG/PCr升高）也从额顶叶区域扩散到几乎全脑。
• •
  新出现的代谢缺陷：
  • •
    能量危机：在左侧顶叶，总三磷酸腺苷/磷酸肌酸（tATP/PCr）显著降低，这表明细胞的“能量货币”ATP的生成可能受阻，细胞能量供应告急。
  • •
    胶质细胞与细胞内信号通路受累：肌醇+甘氨酸/tCr（mI + Gly/tCr）在脑后部区域降低。mI不仅是胶质细胞的标志物，也参与膜合成和细胞内信号传递，其降低提示这些通路也受到干扰。

C9orf72突变阴性ALS患者（ALS C9-）的独特代谢模式

与ALS C9+的广泛异常不同，ALS C9-患者的代谢改变相对局限，但特征鲜明：

• •
  能量代谢亢进？：tATP/PCr在多个脑区（如扣带区、基底节、半卵圆中心）反而升高，这与ALS C9+的能量衰竭形成鲜明对比，其病理意义有待进一步探究。
• •
  磷脂代谢降低：膜分解产物GPE/PCr和甘油磷酸胆碱/磷酸肌酸（GPC/PCr）在大部分皮质区域和小脑普遍降低，提示细胞膜更新换代的速度可能减慢了。
• •
  局灶性谷氨酸兴奋性毒性：Glx/tNAA的升高主要见于左侧前扣带等额叶区域。

代谢物间的相互作用揭示更深层病理

研究人员还深入分析了不同代谢物之间的相互关系，发现了更有趣的现象。例如，在AFM C9+中，高tNAA（神经元健康）时，Glx（谷氨酸）水平相对较低；而低tNAA（神经元受损）时，Glx水平相对较高。这种关系表明AFM C9+的神经元对谷氨酸兴奋性毒性的易感性增加了。此外，在ALS C9+患者中，正常情况下生化偶联的磷酸胆碱（PC）和磷酸乙醇胺（PE）代谢出现了“脱钩”的迹象，这可能导致线粒体膜等关键结构的合成障碍。

研究结论与意义

这项研究利用7T超高场¹H和³¹P MRSI，首次在体描绘了从无症状C9orf72突变携带者到症状性ALS患者的动态脑代谢演变图谱。研究不仅证实了病理过程在临床症状出现多年前即已启动，更重要的是揭示了C9orf72突变相关ALS与散发性ALS存在截然不同的代谢基础，这表明它们可能需要不同的治疗策略。

该研究的发现具有多重重要意义：

1. 1.
   早期诊断与干预窗口：为在无症状高危人群中识别出即将转化为患者的个体提供了潜在的生物标志物，将治疗“关口”大大前移。例如，针对AFM C9+中已出现的谷氨酸兴奋性毒性迹象，已获批用于ALS的药物利鲁唑（Riluzole）是否可以用于预防性治疗，成为了一个值得探索的方向。
2. 2.
   患者分层与精准医疗：研究明确显示ALS存在代谢异质性，未来的临床试验应根据C9orf72突变状态对患者进行分层，从而更准确地评估药物疗效，推动ALS的精准医疗发展。
3. 3.
   新药靶点发现：研究揭示了此前在体难以探测的病理过程，如糖原代谢紊乱、磷脂代谢异常和能量代谢缺陷，这些都可能成为开发新型疗法的宝贵靶点。
4. 4.
   治疗监测：这些在体代谢标志物可以用于实时监测治疗是否作用于预期的病理通路（即评估药物靶点参与度），从而加速药物研发进程。

总之，这项研究为我们理解ALS的发病机制打开了新的窗口，为最终战胜这一毁灭性疾病带来了新的希望。它展示了先进成像技术在揭示疾病早期动态过程中的巨大潜力，为神经退行性疾病的防治研究树立了新的标杆。