KCNQ2发育性癫痫性脑病小鼠模型中脑发育成像：探寻功能与结构改变的早期生物标志物

《Drug Resistance Updates》：Imaging brain development in a KCNQ2-developmental and epileptic encephalopathy mouse model: identifying early biomarkers for functional and structural brain changes

本研究针对KCNQ2发育性癫痫性脑病(KCNQ2-DEE)缺乏早期神经发育功能障碍量化生物标志物的难题，研究人员通过纵向多模态脑成像技术，在kcnq2Thr274Met/+基因敲入小鼠模型中发现：婴儿期表现为以默认模式样网络(DMLN)为主的功能连接增强，幼年期出现跨脑区（尤其小脑）突触密度升高，至成年期则转为功能连接减弱。这些发现揭示了KCNQ2-DEE对神经发育过程的早期干扰，为临床前研究评估早期干预疗效提供了新视角。

　　

在儿童神经系统疾病中，KCNQ2发育性癫痫性脑病(KCNQ2-DEE)是一种严重的神经发育障碍(NDD)，患儿在出生后几天内就会出现癫痫发作。虽然多数患儿的癫痫发作会在童年早期减轻或消失，但他们仍会持续遭受严重的全面性神经功能损伤，包括认知障碍等。目前，钠通道阻滞剂(SCBs)如卡马西平被推荐作为一线治疗药物，主要针对控制癫痫发作，但它们对认知结局的改善效果尚不明确。能够显著改善发育结局的精准疗法仍是未满足的医疗需求。

开发针对神经发育结局的新疗法面临巨大挑战，其中一个主要障碍是缺乏早期、可量化的生物标志物来评估神经发育功能障碍。这使得在短期临床试验中难以评估新疗法对神经发育的积极影响。例如，最近一项针对KCNQ2-DEE儿童患者的钾通道开放剂瑞替加滨(RTG)的随机双盲安慰剂对照试验，就主要因为难以招募患者（部分原因是试验主要关注癫痫结局，而多数患儿在幼年时期已无癫痫发作）而提前终止。这种困境不仅存在于KCNQ2-DEE，也是大多数遗传性DEEs面临的共同难题。

为了解决这一难题，研究人员将目光转向了临床前研究。他们利用一种携带KCNQ2 p.(Thr274Met)错义变异的基因敲入(KI)小鼠模型，该模型能模拟人类KCNQ2-DEE的疾病进程，表现为出生后20天左右出现自发性癫痫发作（在P100后罕见），并在成年期通过行为学评估检测到认知 impairment。然而，传统的行为学测试大多局限于发育后期进行，此时关键的神经发育过程已经完成。相比之下，神经影像学技术提供了独特的机会，可以从非常早期的出生后阶段开始，纵向评估大脑的结构和功能。

基于此，比利时VIB分子神经病学中心的研究团队在《Drug Resistance Updates》上发表了一项研究，他们假设KCNQ2-DEE致病性变异会破坏关键的神经发育过程，包括功能连接(FC)、突触密度和大脑微观结构，这些改变可能作为神经发育功能障碍的早期、可量化生物标志物。研究人员通过在kcnq2^Thr274Met/+小鼠模型的三个关键神经发育阶段（婴儿期P14-21、幼年期P32-42、成年期P83-106）应用纵向静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)、[¹⁸F]SynVesT-1正电子发射断层扫描(PET)和扩散张量成像(DTI)，旨在无创地追踪这些生物标志物，以期在行为缺陷显现之前评估靶向治疗干预的效果。

关键技术与方法概述

本研究采用了纵向、多模态脑成像策略。研究对象为37只kcnq2^Thr274Met/+ (KI)小鼠和31只野生型(WT)对照小鼠。主要技术包括：rs-fMRI用于评估全脑功能连接(FC)，分析34个感兴趣区域(ROI)之间的561条连接；[¹⁸F]SynVesT-1 PET使用Logan绘图法和图像衍生输入函数(IDIF)计算突触囊泡糖蛋白2A(SV2A)的分布容积(V_{T (IDIF)})作为突触密度指标；DTI通过基于纤维束的空间统计(TBSS)和ROI分析评估白质和灰质的微观结构完整性（指标包括分数各向异性(FA)、平均扩散率(MD)、轴向扩散率(AD)和径向扩散率(RD)）。数据分析采用线性混合效应模型，并进行了严格的Bonferroni多重比较校正。

研究结果

年龄依赖性基因型效应见于部分静息态脑区的功能连接，主要涉及默认模式样网络

对561条功能连接的分析显示，有123条连接存在显著的基因型-年龄交互作用。事后比较发现，在婴儿期，KI小鼠有39条连接的FC显著高于WT小鼠，估计平均差异为0.08-0.15，效应量(Cohen's d)为0.56-0.85。这些差异连接主要位于默认模式样网络(DMLN)内部以及DMLN与关联皮层网络(ACN)之间。在幼年期，基因型差异最小，仅有5条连接存在显著差异（3条增高，2条降低）。到了成年期，情况发生逆转，KI小鼠在35条连接上的FC显著低于WT小鼠，估计平均差异为-0.18至-0.08，效应量d为-1.15至-0.64，这些连接主要位于DMLN内部以及DMLN与外侧皮层网络(LCN)之间。这一模式提示KCNQ2-DEE模型小鼠的功能网络成熟存在年龄依赖性改变，表现为从婴儿期的超连接到成年期的低连接。

[¹⁸F]SynVesT-1结合力随年龄增长在各脑区下降，幼年期敲入小鼠V_{T (IDIF)}值较高，但基因型及交互作用有限

对突触密度的分析显示，仅在延髓和小脑区域观察到显著的基因型-年龄交互作用。事后分析表明，在幼年期，KI小鼠小脑的V_T值显著高于WT小鼠。尽管在其他脑区交互作用未达到统计学显著性，但在幼年期和成年期，KI小鼠的V_T值普遍有高于WT小鼠的趋势。此外，在所有ROI中均观察到显著的年龄主效应，从婴儿期到幼年期及成年期，V_T值显著下降。这些结果提示KI小鼠可能在幼年期存在突触修剪延迟的迹象。

白质和灰质区域存在广泛的年龄相关微观结构变化，但交互作用和基因型依赖性效应有限

对全脑白质骨架的分析显示，四种DTI指标均存在显著的年龄主效应，但未发现显著的基因型主效应或基因型-年龄交互作用。FA值随发育显著增加，而MD、RD和AD值显著下降，表明白质微观结构随年龄增长而成熟。在对胼胝体ROI的单独分析中也观察到类似的强烈年龄效应。在灰质ROI分析中，仅在少数区域观察到基因型-年龄交互作用，例如在婴儿期，KI小鼠左侧海马(HC L)和右侧丘脑(Thal R)的FA值较高，而左侧顶叶皮层(PA L)的FA值较低；在幼年期，右侧丘脑FA值较高，而左侧视觉皮层(VC L)的FA值较低。对于MD、AD和RD指标，交互作用非常有限。这些发现表明，在此KCNQ2-DEE小鼠模型中，白质和灰质的微观结构改变相对轻微且不广泛。

成像模态间的相关性分析及婴儿期生物标志物的预测能力

对不同成像指标纵向变化的相关性分析显示，扩散指标（MD、RD、AD）之间高度相关，但涉及功能连接和突触密度的模态间相关性普遍较弱。此外，婴儿期的功能连接或突触密度测量值与成年期的对应值之间仅存在微弱且不显著的相关性。对在实验期间死亡与存活的KI小鼠进行的婴儿期影像学指标回顾性比较也未发现显著差异。这表明在本研究背景下，早期影像学生物标志物对后期神经发育特征或生存率的预测能力有限。

结论与意义

这项研究首次在KCNQ2-DEE基因敲入小鼠模型中采用了纵向多模态成像方法，从婴儿期到成年期追踪了功能连接、突触密度以及白质和灰质的发育。研究发现，虽然基因型相关的发育差异在所有成像模态中仅局限于一小部分脑区，但确实出现了几个值得注意的年龄依赖性大脑成熟改变。研究揭示了一种模式：婴儿期的功能超连接向成年期的低连接转变，特别是在涉及认知的神经环路中；同时，KI小鼠在幼年期表现出轻微的突触修剪延迟，但未发现明显的微观结构变化。

这些发现表明，KCNQ2-DEE扰乱了关键的神经发育过程，导致大脑网络成熟改变和突触修剪延迟。尽管这些基因型相关的改变相对微妙且因成像技术而异，限制了其作为独立生物标志物的效用，但它们为早期检测和监测神经发育功能障碍提供了一个框架。将婴儿期小鼠纳入研究对于像KCNQ2-DEE这样的疾病尤为重要，因为这些疾病是由在胎儿发育期间已经表达的基因功能障碍引起的，表明病理变化很可能在临床症状变得明显之前就开始了。捕捉这些早期过程不仅对于识别早期生物标志物至关重要，也有助于理解大脑发育在何时以及如何偏离正常轨迹。

该研究的优势在于其纵向设计、多模态成像方法以及对早期发育时间点的关注。研究结果与一些其他神经发育障碍（如自闭症谱系障碍(ASD)、22q11.2缺失综合征）的动物模型研究有相似之处，提示了神经发育障碍中网络水平脆弱性的共享或趋同机制。然而，研究也存在一些局限性，例如基于预定义ROI的分析可能遗漏其他脑区的变化，缺乏与纵向行为表型的直接关联，以及难以完全排除亚临床癫痫活动对结果的潜在影响。

总之，这项研究为理解KCNQ2-DEE的病理生理学提供了重要的临床前证据，强调了在症状出现前研究大脑功能的重要性。它建立了一个可用于评估早期治疗干预效果的临床前研究平台，并为未来在（年轻）人类患者中进行类似研究提供了支持，最终有望促进针对KCNQ2-DEE及相关神经发育障碍的精准疗法开发。