亨廷顿病临床前期与临床期患者基底神经节和小脑生物能量调节障碍

《Neurobiology of Disease》：Bioenergetic dysregulation in the basal ganglia and cerebellum of patients with premanifest and manifest Huntington's disease

　　

亨廷顿病（HD）是一种常染色体显性神经退行性疾病，以进行性运动、认知和精神症状为特征。尽管早期纹状体变性是该病的公认标志，但越来越多的证据表明，该病存在更广泛网络水平的功能障碍，涉及小脑以及线粒体能量代谢的深刻改变。然而，系统性地跨疾病阶段检查区域特异性生物能量变化的在体研究仍然缺乏。研究人员利用³¹磷磁共振波谱成像（³¹P-MRSI）技术，量化了31例HD患者（15例临床期，16例临床前期）和19例无致病性HTT基因扩增的健康对照组（HC）前部基底神经节和小脑中α-三磷酸腺苷（ATP-α）、磷酸肌酸（PCr）及无机磷酸盐（Pi）的代谢物比值和绝对浓度。结果显示，与HC相比，基底神经节中（ATP-α+PCr）/Pi和ATP-α/Pi在临床前期患者（分别升高10.0%和13.9%）和临床期患者（分别升高16.4%和19.2%）中均显著升高。高能磷酸盐（HEP）水平呈现阶段依赖性模式：临床前期患者中ATP-α+PCr和ATP-α升高（分别升高7.7%和3.9%），而临床期患者则降低（分别降低7.6%和12.8%）。所有代谢物比值与临床评分均无相关性，但与皮层下萎缩呈负相关，尤其是尾状核（rho=-0.327，p=0.022）、壳核（r=-0.372，p=0.008）和苍白球（r=-0.327，p=0.022）。这些发现揭示了HD患者HEP代谢的阶段依赖性、区域特异性改变。脑能量代谢的改变先于运动症状出现，并与结构萎缩而非症状负担相关，支持了³¹P-MRSI作为HD生物能量功能障碍敏感在体生物标志物的潜力。

该研究旨在探讨亨廷顿病（HD）患者脑能量代谢的区域特异性和阶段依赖性改变，发表于《Neurobiology of Disease》。研究背景方面，HD是由HTT基因CAG重复序列扩增引起的常染色体显性神经退行性疾病，以进行性运动、认知和精神症状为特征。传统认为纹状体早期选择性变性是HD的核心病理特征，但近年研究提示小脑等脑区也参与疾病病理生理过程，且线粒体功能障碍和生物能量代谢紊乱被认为是HD的关键机制。然而，目前跨疾病阶段系统评估区域特异性生物能量变化的在体人体研究仍然匮乏，这限制了人们对HD早期病理机制的理解以及潜在生物标志物的开发。

该研究纳入了15例临床期HD患者（mHD）、16例临床前期HD患者（pHD）以及19例无致病性HTT基因CAG重复扩增的健康对照（HC），共计50名参与者。所有受试者均接受临床评估（包括统一亨廷顿病评定量表运动分量表UHDRS、蒙特利尔认知评估MoCA、贝克抑郁量表第二版BDI-II）以及多模态神经影像检查。研究主要采用³¹磷磁共振波谱成像（³¹P-MRSI）技术，在3T西门子MAGNETOM Skyra扫描仪上采集前部基底神经节和小脑的磷谱数据，同时采集T1加权结构像用于后续体积分析。³¹P-MRSI采用双调谐正交头线圈（¹H/³¹P），通过三维化学位移成像自由感应衰减序列获取数据，体素大小为30×30×30 mm³，总扫描时间约8分钟。光谱分析采用Siemens工作站SynGo MR ER11软件包完成，包括傅里叶变换、空间零点填充、频率漂移校正、自动相位校正、非线性曲线拟合和基线校正等步骤。主要结局指标为（ATP-α+PCr）/Pi比值，次要指标包括ATP-α/Pi、PCr/Pi及ATP-α/PCr比值。结构像体积分析采用AssemblyNet全自动处理流程，对T1加权像进行去噪、不均匀性校正、仿射配准至MNI空间、强度归一化和脑提取等处理，采用分层3D U-Net集合实现精细分割。统计采用协方差分析（ANCOVA）比较组间差异，将年龄、性别和总颅内体积（TIV）作为协变量，并进行Pearson或Spearman相关性分析。

研究结果显示了多个重要发现。

**基底神经节高能磷酸盐升高**。在前部基底神经节，³¹P-MRSI显示HEP代谢发生显著改变。（ATP-α+PCr）/Pi比值在临床期患者（8.09±1.85，+16.4%）和临床前期患者（7.64±1.23，+10.0%）中相对于健康对照（6.95±1.17）均升高，组间总体效应显著（F_(2,44)=3.428，p=0.041），但事后检验仅临床期患者与健康对照间差异显著（p=0.046）。ATP-α/Pi比值同样呈现组间显著差异（F_(2,44)=3.415，p=0.042），临床期患者（3.78±1.10，+19.2%）和临床前期患者（3.61±0.68，+13.9%）均高于健康对照（3.17±0.51），事后检验仅临床期患者与健康对照差异显著（p=0.040）。PCr/Pi比值未达显著性差异（p=0.069）。非标准化代谢物浓度（ATP-α+PCr、ATP-α、PCr、Pi）在各组间均无显著差异（p>0.090），提示改变主要反映在能量缓冲效率而非总能池大小。

**小脑高能磷酸盐的阶段依赖性改变**。在小脑，（ATP-α+PCr）/Pi比值虽在临床期患者中升高（8.54±2.23，+19.5%），但组间总体效应未达显著（F_(2,44)=1.979，p=0.150）。PCr/Pi比值存在显著组间差异（F_(2,44)=3.831，p=0.029），临床期患者（5.20±1.30，+24.6%）高于健康对照（4.17±0.67），事后检验确认临床期患者与健康对照差异显著（p=0.024）。更为关键的是，非标准化代谢物浓度呈现显著的阶段依赖性模式：ATP-α+PCr在总体水平上有显著组间差异（F_(2,44)=4.509，p=0.017），临床前期患者升高（1414.2±132.1，+7.7%）而临床期患者降低（1213.7±120.4，-7.6%），且两组间差异显著（p=0.013）；ATP-α同样呈现显著组间差异（F_(2,44)=5.057，p=0.011），临床前期患者升高（564.8±77.5，+3.9%）而临床期患者降低（474.0±67.0，-12.8%），事后检验显示临床期患者分别与临床前期患者（p=0.039）和健康对照（p=0.012）差异显著。Pi浓度在各组间无显著差异（p=0.138）。

**阶段依赖性体积改变**。体积分析揭示了大脑皮层下结构和小脑的阶段特异性变化。在临床期患者中，灰质体积（43.27±1.92%，-4.8%）、总脑体积（69.41±3.61%，-6.8%）、白质体积（26.14±1.87%，-9.9%）相对于健康对照均显著降低。基底神经节结构萎缩尤为明显：尾状核体积降低40.0%（0.243±0.116%），苍白球降低30.8%（0.127±0.031%），壳核降低32.4%（0.378±0.134%），且临床期患者与临床前期患者及健康对照间差异显著。临床前期患者与健康对照间则无显著体积差异。小脑方面，总小脑体积在临床期患者中轻度增加（9.333±1.052%，+7.9%，p=0.031），小脑灰质体积同样增加（7.632±0.899%，+10.6%，p=0.007），而临床前期患者处于中间水平；小脑白质体积无显著组间差异。

**高能磷酸盐与脑体积的关联**。较高的HEP比值与基底神经节核团体积较小一致相关。（ATP-α+PCr）/Pi比值与尾状核（rho=-0.327，p=0.022）、苍白球（r=-0.327，p=0.022）和壳核（r=-0.372，p=0.008）体积呈负相关。ATP-α/Pi比值与尾状核（rho=-0.281，p=0.049）和壳核（rho=-0.310，p=0.029）体积负相关。PCr/Pi比值同样与尾状核（rho=-0.368，p=0.010）、苍白球（r=-0.305，p=0.035）和壳核（r=-0.305，p=0.035）体积负相关。小脑的相关性较弱且不一致，仅PCr/Pi与小脑白质体积呈负相关（rho=-0.320，p=0.024）。

**与临床评分和遗传参数的关联**。在所有感兴趣区域中，无论是临床前期还是临床期患者，（ATP-α+PCr）/Pi、ATP-α/Pi、PCr/Pi或ATP-α/PCr比值均与UHDRS运动评分、病程、HTT重复长度、BDI-II或MoCA评分无显著关联（所有p>0.100）。HTT CAG重复长度在临床期患者中与尾状核体积负相关（r=-0.618，p=0.014），与壳核体积存在类似趋势但未达显著性（rho=-0.428，p=0.111）；在临床前期患者中则无显著相关性。

讨论部分，研究人员指出该研究为HTT突变携带者脑和 cerebellar HEP代谢的区域和阶段特异性改变提供了新证据。基底神经节HEP比值在临床前期即升高，可能反映了代偿性上调，即线粒体活动和肌酸激酶缓冲系统暂时增强以维持神经元功能；而随着疾病进展至临床期，持续代谢应激导致失代偿，表现为代谢物比值改变和绝对浓度下降，尤其在小脑中明显。小脑中ATP-α和PCr在临床前期升高、临床期降低的阶段依赖性变化，提示小脑最初启动代谢韧性反应，随后在疾病进展中发生更广泛的网络功能障碍和能量崩溃。临床期患者小脑灰质体积增加可能代表对代谢失调的代偿性结构反应，但既往研究结果不一。重要的是，观察到的代谢改变与临床严重程度无关，但类似于临床前期的改变提示生物能量失调可能是HD病理发生的早期事件，先于临床表现出现。这与此前发现的HEP比值与纹状体体积呈负相关相一致，突出了结构-功能耦合，即萎缩区域表现出更大的能量应激或代偿性代谢活动。

研究结论部分翻译如下：综合而言，研究结果提示HD存在阶段依赖性、区域异质性的HEP代谢紊乱模式，特征为易感脑区早期HEP缓冲的代偿性改变，随后随疾病进展在小脑中出现能量衰退。这凸显了³¹P-MRSI不仅可作为监测HD早期病理生理变化的工具，还可作为评估未来旨在恢复生物能量稳态的代谢干预措施的平台。