《Bioengineering》：Multimodal Retinal Imaging for the Detection of Early Alzheimer’s Disease: Combining Biochemical, Structural, and Vascular Biomarkers
编辑推荐：
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）病理日益被认为可发生于视网膜，为早期生物标志物发现提供非侵入性窗口。本概念验证研究探讨多模态视网膜成像——高光谱成像（hyperspectral imaging，HSI）、光学相干断层扫描（optic
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）病理日益被认为可发生于视网膜，为早期生物标志物发现提供非侵入性窗口。本概念验证研究探讨多模态视网膜成像——高光谱成像（hyperspectral imaging，HSI）、光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）与彩色眼底照相（color fundus photography，CFP）——能否在40名经正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）确认Aβ状态的受试者（17名Aβ阳性、认知正常或轻度认知障碍；23名Aβ阴性认知正常对照）中区分有无脑内Aβ病理。研究人员提取HSI衍生的灰度共生矩阵（gray-level co-occurrence matrix，GLCM）纹理、OCT衍生的神经节细胞-内丛状层（ganglion cell–inner plexiform layer，GC-IPL）厚度及CFP衍生血管生物标志物（vascular biomarkers，VBMs），采用留一交叉验证逻辑回归评估单模态及联合模型性能；该队列另纳入AD痴呆患者用于疾病阶段组的探索性横断面比较。HSI在466 nm下Aβ+受试者GLCM相关性名义上更低，以黄斑下方最明显（AUC=0.72）。GC-IPL厚度呈类似下方优势区域模式。HSI联合GC-IPL特征性能最佳（AUC=0.84；灵敏度=0.82；特异度=0.78），但较单模态模型改善未达统计学显著；血管生物标志物贡献极小。探索性横断面比较中，HSI特征呈非单调模式，早期Aβ+阶段下降、痴呆阶段回升。结果表明HSI与OCT对早期AD视网膜生物标志物具有互补信息，支持多模态视网膜成像作为可规模化筛查策略，需在更大纵向队列验证。
研究背景方面，痴呆是重大公共卫生问题，AD作为最常见痴呆类型，其病理在临床症状出现前数十年即开始积累淀粉样蛋白-β（amyloid-beta，Aβ）与tau蛋白。当前金标准生物标志物如脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）分析与正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）具有侵入性、成本高、不适合人群筛查。视网膜因与脑同源且解剖连续，成为非侵入性生物标志物候选部位。已有研究提示高光谱成像（hyperspectral imaging，HSI）可捕捉生化改变，光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）可量化神经节细胞-内丛状层（ganglion cell–inner plexiform layer，GC-IPL）等结构神经变性，彩色眼底照相（color fundus photography，CFP）可提取血管生物标志物（vascular biomarkers，VBMs）；但尚缺在PET确认早期Aβ阶段系统整合生化、结构、血管三类视网膜模态的研究。因此研究人员在RetAD队列（ClinicalTrials.gov: NCT03466177）中开展概念验证研究，并在扩展队列中加入AD痴呆（Alzheimer’s disease dementia，ADD）组进行跨阶段探索。论文发表于《Bioengineering》。
关键技术方法方面，研究人员使用两个队列：主要CN/MCI队列40人来自RetAD前瞻性生物标志物研究，年龄50–85岁，均有完整多模态视网膜影像与Aβ PET数据，Aβ状态按Centiloid（CL）>23.5划分Aβ+；扩展CN/ADD队列来自已发表研究，含22名认知正常（cognitively normal，CN）与17名ADD，无受试者重叠。影像上，HSI用Ximea MQ022HG-IM-SM4X4-VIS2快照相机耦合Topcon TRC-50DX眼底相机，获约460–620 nm波段，去血管后提GLCM纹理与标准化反射率；OCT用SPECTRALIS谱域设备取黄斑九区ETDRS网格GC-IPL厚度；CFP用Visucam PRO NM相机，经深度学习分割动脉静脉后用PVBM工具算中央视网膜动脉/静脉当量（central retinal arteriolar/venular equivalent，CRAE/CRVE）。分析采用Mann–Whitney U检验、多元协方差分析（multivariate analysis of covariance，MANCOVA）、留一受试者交叉验证（leave-one-subject-out cross-validation，LOOCV）逻辑回归、置换检验与Bootstrap，并进行重复性与重现性 intraclass correlation coefficient（ICC）评估。
研究结果如下。
Hyperspectral Imaging Texture by Macular Region and Amyloid Status：研究人员对主要队列做探索性GLCM分析，发现466 nm下GLCM相关性（correlation，COR）在黄斑全网格与下方半球Aβ+者更低，下方半球AUC=0.72、全网格AUC=0.69、上方AUC=0.62；经Benjamini–Hochberg错误发现率校正后均无显著。重复性方面，全网格纵向重复ICC=0.60，同次不同闪光强度重现ICC=0.88。折叠内波长选择使全网格HSI AUC降至0.52，但466 nm仍最常被选，说明存在选择乐观。
Exploratory Cross-Sectional HSI Pattern Across AD Stage Groups：合并队列分CN（45人）、早期Aβ+（17人）、ADD（17人），全网格466 nm GLCM COR在早期Aβ+低于CN（p=0.015），ADD回升且与CN无显著差异；分四组（CN,Aβ?、CN,Aβ+、MCI,Aβ+、ADD）时Kruskal–Wallis检验总体p=0.032，MCI,Aβ+显著低于CN,Aβ?。两队列CN间无差异，但疾病阶段与队列部分混淆。
Optical Coherence Tomography-Based Thickness Analysis：MANCOVA显示GC-IPL厚度轮廓与Aβ状态相关（p=0.009），视网膜神经纤维层（retinal nerve fiber layer，RNFL）不相关；九区单区比较均无名义显著。分类上九区GC-IPL模型AUC=0.73，下方内外区AUC=0.71，上方AUC=0.45，全局均值约机会水平。结果支持空间分辨GC-IPL信息比单区或全局均值更有用，且HSI与OCT均呈下方优势模式。
Color Fundus Photography-Based Vascular Biomarker Analysis：24个VBM中CRAE（p=0.031）与静脉端点计数（p=0.043）有名义差异，错误发现率校正后不显著。CRAE单模AUC=0.66，CRVE=0.48，二者联合AUC=0.68，置换p=0.040；静态大血管指标对Aβ状态贡献有限。
Unimodal and Multimodal Retinal Imaging Classification Performance：七模型中HSI+GC-IPL最高，AUC=0.84（95% CI 0.67–0.97，灵敏度0.82，特异度0.78）；单模HSI 0.69、GC-IPL 0.73、VBM 0.68；加CRAE/CRVE后降至0.81。事件每变量（events per predictor variable，EPV）在HSI+GC-IPL为1.70，置换p=0.001。配对Bootstrap显示HSI+GC-IPL优于HSI（ΔAUC+0.15，p=0.064）与GC-IPL（ΔAUC+0.11，p=0.172）但未达显著。加年龄、性别、APOE ε4携带者状态未显著改善。
讨论部分总结：研究人员指出HSI纹理与PET确认脑Aβ状态相关，466 nm短波受散射敏感性与既往AD光学研究一致；但GLCM COR是光学纹理描述符，不能直指视网膜Aβ，可能反映tau、炎症、胶质反应或血管改变。跨阶段非单调模式或与可溶性Aβ小聚集体到纤维聚集体的光学效应转变有关，但横断面不能推纵向。GC-IPL比RNFL更贴Aβ状态，下方优势与HSI收敛，但需大队列验证。CFP静态血管指标贡献小，毛细与功能血管（OCTA、动态血管分析（dynamic vessel analysis，DVA））可能更敏感。多模态框架可映射A（Aβ）、T（tau）、N（神经变性）、V（血管）概念，但仅为假设生成。研究优势在PET确认早期阶段与同眼多模态；局限为N=40、低EPV、特征选择乐观、无外部验证、排除青光眼等眼病致特异性未明。
结论部分翻译：结合HSI衍生纹理特征与OCT结构测量的多模态视网膜成像，在识别早期脑淀粉样蛋白病理相关视网膜信号方面具有前景。在该概念验证队列中，HSI+GC-IPL模型取得最高判别力，表明联合光学与结构视网膜信息可改善早期AD表征。这些发现需在更大、独立、纵向队列中用预先指定的视网膜特征及相关神经与眼部对照群体验证。若获证实，多模态视网膜成像可借助现有眼科基础设施，成为早期AD风险分层与临床试验富集的可规模化、可及策略。
