多发性硬化症患者与疲劳和焦虑相关的脑神经代谢变化

《Multiple Sclerosis and Related Disorders》：Neurometabolic Brain Changes in MS Associated with Fatigue and Anxiety

　　

摘要

背景
多发性硬化症（MS）是一种以进行性神经退行性变和脱髓鞘为特征的疾病，表现为局灶性白质病变（WML），并蔓延至正常外观白质（NAWM）和正常外观灰质（NAGM）。在这项探索性的假设生成研究中，我们利用活体磁共振波谱成像（MRSI）技术，研究了这些组织类型中额叶和顶叶区域的神经代谢异常，并初步探讨了其与临床指标的相关性。

方法
在3T磁共振波谱成像（MRSI）下，评估了复发型-缓解型多发性硬化症患者（pw-RRMS；n=34；纳入标准为疲劳严重程度量表FSS≥4，表明存在临床显著性疲劳）和健康对照组（HCs；n=10）的额叶和顶叶区域的WML、NAWM和NAGM的神经代谢差异。使用LCModel对采集的波谱进行分析，并使用内部流程进行多体素分割。代谢物水平以与总肌酸（tCr）的比值表示。通过与健康对照组进行标准化来推导Z分数。使用线性混合模型（LMM）分析（含交互效应）及事后亚组检验，对区域和组织间的神经代谢变化进行统计检验。临床参数在成像时进行评估。利用皮尔逊相关分析，在探索性分析中将扩大残疾状态评分（EDSS）、疲劳和焦虑评分与神经代谢物进行关联。

结果
LMM分析显示，区域和组织对所有代谢物Z分数均存在交互效应（p < 0.001）。探索性的事后体素水平比较显示，与HCs相比，pw-RRMS在额叶和顶叶区域的所有组织类型中，谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺+谷氨酸（Glx）比率的平均Z分数更高（所有p < 0.0001）。在pw-RRMS中，NAWM和WML的Glu和Glx的tCr比值在额叶区域高于顶叶区域。在所有组织类型中，顶叶的谷胱甘肽（GSH）和肌醇比值均高于额叶。在探索性的未校正分析中，Glu和GSH比值分别与焦虑和疲劳呈正相关（r=0.35和r=0.33），分别见于额叶-WML和顶叶-NAGM中；总N-乙酰天冬氨酸（tNAA）与额叶和顶叶区域的残疾程度呈负相关（r=–0.34至–0.46）。这些症状相关性分析未进行多重比较校正；观察到的系数较为温和，应作为初步的假设生成性发现进行解读，需要在更大规模的独立队列中进行确认。

结论
在这项探索性分析中，pw-RRMS表现出与MS相关症状相关的区域特异性神经化学改变。由于队列被有意富集了临床显著性疲劳（FSS≥4）的患者，观察到的与疲劳的关联可能不易推广到更广泛的RRMS人群中。因此，这些发现应被视为假设生成性的，需要在更大规模的独立队列中得到确认，方可确立任何生物标志物或治疗学意义。

引言
多发性硬化症（MS）是一种自身免疫性疾病，以慢性炎症为特征，导致中枢神经系统（CNS）退行性变。病理过程起源于静脉周围炎症，随后发生离心性扩散、小胶质细胞激活和脱髓鞘（Capello等，2007）。该疾病不仅损害正常外观白质（NAWM）和正常外观灰质（NAGM），而且被认为涉及病理性改变（Chard等，2002）。MS与多种症状相关，但对于任何特定被诊断为MS的个体而言，病灶的位置通常决定症状的性质（Bodini等，2011）。尽管焦虑、抑郁和疲劳等症状在MS患者中经常被报告，但有些人仍认为它们是MS的结果而非真正的症状。需要进一步研究来理解这些症状背后的病理生理机制（Jameen等，2019；Lechner-Scott等，2024）。

已有几项研究使用MRI技术调查了白质病变（WML）位置与MS症状之间的关联（Gaetano等，2020；Altermatt等，2018；Andreasen等，2019；Reuter等，2011；Vingara等，2013）。大脑的额叶区域负责冲动控制、记忆、信息处理速度和决策（Foong等，1999；Foong等，1997）。该区域的损伤会损害执行功能（Foong等，1999；Foong等，1997）。Lazeron等（2005）报告，信息处理速度和注意力的缺陷主要与额叶病灶负荷相关，而记忆和言语流畅性的缺陷分别主要与顶叶和颞叶病灶负荷相关（Lazeron等，2005）。视空间记忆和空间导航执行能力的缺陷与顶叶病灶负荷的关联最为显著。综合来看，这些发现揭示了MS患者中特定高级功能损害与病灶解剖位置之间的关系（Lazeron等，2005）。总体而言，额叶区域似乎比其他脑区表现出更高的病灶负荷（Foong等，1997；Lazeron等，2005）。皮质病灶在使用7特斯拉MRI时最佳检测，在复发型和进展型MS表型中，额叶区域的皮质病灶均多于其他区域（Calabrese等，2010）。

常规MR成像对于评估和监测WML炎症活动和脑萎缩至关重要，从而能够区分MS的活动期和慢性期。然而，它缺乏检测与MS进展相关的病理变化所需的敏感性，包括轴突丢失、氧化应激、炎症和脱髓鞘。

磁共振波谱（MRS）可用于检测在各种神经系统疾病（包括MS）中常规MRI出现结构性损伤之前发生的生化改变（Al-Iedani等，2018；Al-Iedani等，2022）。此前，大多数显示MS中神经代谢变化的MRS研究仅限于特定脑区域的单体素测量（Al-Iedani等，2017；Aboul-Enein等，2010）。近年来，磁共振波谱成像（MRSI）在方法学上的改进解决了单体素测量的局限性，现在允许在多个脑区进行代谢物图谱绘制，从而增强了对病灶位置病理影响的理解（Donadieu等，2016；Al-Iedani等，2020）。MRSI现在发挥着特别突出的作用，不仅增加了空间覆盖范围，还提高了数据采集的时间效率。我们团队成功地将MRSI方法应用于MS研究（Al-Iedani等，2020；Al-Iedani等，2018），从而证明了该技术的可靠性及其区分神经代谢波谱差异的能力。

MRSI可以识别和量化的某些神经代谢物包括谷氨酸（Glu），这是一种主要的兴奋性神经递质，以及谷氨酰胺（Gln），这是Glu的调控者和前体物质（Govindaraju等，2000）。白质区域Glu水平升高提示炎症，可能反映MS的持续活动（Muhlert等，2014）。谷胱甘肽（GSH）是一种抗氧化代谢物，调控大脑中氧化还原平衡（Al-Iedani等，2018；Carvalho等，2014），是急性疾病活动的指标，且可被疾病修正治疗所调节（Govindaraju等，2000；Ferreira等，2013）。肌醇（Ins）是大脑中发现的主要肌醇类型（Govindaraju等，2000），是胶质细胞的标志物，在MS中升高（Duarte等，2012）。总N-乙酰天冬氨酸（tNAA），即N-乙酰天冬氨酸（NAA）和N-乙酰天冬氨酸-5-谷氨酸（NAAG）的总和，主要存在于中枢神经系统中，作为神经元标志物发挥着重要作用。MS中tNAA水平的降低提示神经退行性变和功能下降（Govindaraju等，2000）。总肌酸（tCr），即肌酸（Cr）和磷酸肌酸（PCr）的组合，作为细胞能量代谢过程中产生的三磷酸腺苷（ATP）的储存库，发挥着至关重要的作用（Duarte等，2012）。

我们假设，额叶和顶叶区域的区域性差异可能显著影响MS患者的神经化学代谢，并且可能与MS的临床症状相关。本研究旨在利用MRSI技术识别具有区域特征性的神经代谢改变模式，并考察其与临床测量值的相关性。

各部分概述

参与者
为调查MS中疲劳及相关症状的神经代谢相关性，我们招募了具有临床显著性疲劳的复发型-缓解型多发性硬化症患者（pw-RRMS），事先定义为疲劳严重程度量表（FSS）评分≥4。该阈值广泛用于识别MS中具有临床意义的疲劳（Flachenecker等，2002）。符合条件的参与者满足2017年McDonald诊断标准，年龄在18至65岁之间，且已在稳定的疾病修正治疗（DMT）方案上治疗

参与者特征
本研究纳入34名pw-RRMS和10名HC参与者。pw-RRMS组的平均年龄为46.7岁，其中82.4%为女性。HCs与pw-RRMS之间的平均年龄无显著差异（p=0.36）。参与者的特征和临床细节总结于表2中。

感兴趣体积（VOI）内的MS病灶分割
对VOI进行后处理分割后，显示MS病灶分布比例为额叶区域70%，顶叶区域30%。

pw-RRMS与HCs之间的神经代谢变化
主要分析基于

讨论
本研究重点比较了pw-RRMS与HCs在额叶和顶叶区域三种组织类型（NAGM、NAWM和WML）中的神经代谢谱。我们评估了五种主要代谢物比值相对于tCr的变化，包括Glu、Glx、GSH、Ins和tNAA。通过采用Z分数将pw-RRMS的代谢物相对于HCs的代谢物均值和标准差进行标准化，我们观察到NAGM、NAWM和WML中的平均Glu和Glx比值均较高

局限性
首先，样本量较小。pw-RRMS队列（n=34），特别是健康对照参考组（n=10），限制了统计功效以及支撑我们区域和组织特异性比较的Z分数标准化框架的精确性；较小的参考样本可能导致对照均值和标准差的估计不稳定，从而对报告的偏差幅度产生不确定性。由于Z分数是所有后续分析的基础，这

结论
本探索性研究在pw-RRMS中发现了额叶和顶叶神经代谢物比值的区域模式，表现为额叶（相对于顶叶）NAWM和WML中Glu和Glx的描述性升高以及GSH的相对降低，与额叶可能具有更大的区域易感性一致。GSH与疲劳以及Glu与焦虑的关联作为MS症状学的探索性候选相关物进行了报告，需要在更大规模的独立队列中进行确认

作者贡献
IK参与了初稿撰写、概念构思、方法学、验证、形式化分析、资源获取、数据管理、软件和可视化工作。OA参与了初稿撰写、概念构思、方法学、验证、形式化分析、资源获取、数据管理、软件和可视化工作。FA参与了审阅和编辑。BP参与了审阅和编辑。AA参与了审阅和编辑、资源获取和数据管理。RL参与了写作、审阅和

伦理批准与参与知情同意
本研究获得了墨尔本健康人类研究伦理委员会的伦理批准（HREC参考编号：HREC/46758/MH-2018）。该批准已注册于猎人新英格兰HREC和纽卡斯尔大学人类研究伦理委员会（参考编号：H-2020-0264）。所有参与者在MRI检查前签署了书面知情同意书。

出版知情同意
已从每位参与者获得书面签署的知情同意书，用于发布其磁共振影像。

数据与材料的可用性
本研究和/或分析期间生成的数据集可从通讯作者处合理请求获取。

利益冲突
IK、AF、BP、AA、RL和SR无利益冲突；OA的薪资由来自Biogen的另一项研究者发起的资助支持；JL-S：其所在机构接收了非定向性资助，并因演讲和参与咨询委员会获得来自Sanofi Genzyme、Biogen、Merck KGaA、Teva、Roche和Novartis Australia的报酬。

资助
本研究由澳大利亚MS研究基金（MSRA）资助[资助编号18-0533]。

资助来源的角色
本研究由澳大利亚MS研究基金（MSRA）资助[资助编号18-0533]。

CRediT作者贡献声明
Ibrahim Khormi：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、软件、资源获取、方法学、形式化分析、数据管理、概念构思。Oun Al-Iedani：写作——初稿撰写、验证、软件、资源获取、方法学、形式化分析、数据管理、概念构思。Amir Fazlollahi：写作——审阅与编辑。Bryan Paton：写作——审阅与编辑。Abdulaziz Alshehri：写作——审阅与编辑、资源获取、数据管理。Rodney Lea：写作——审阅和

利益冲突声明
Ibrahim Khormi、Amir Fazlollahi、Bryan Paton、Abdulaziz Alshehri、Rodney Lea和Saadallah Ramadan无利益冲突；Oun Al-Iedani的薪资由来自Biogen的另一项研究者发起的资助支持；Jeannette Lechner-Scott：其所在机构接收了非定向性资助，并因演讲和参与咨询委员会获得来自Sanofi Genzyme、Biogen、Merck KGaA、Teva、Roche和Novartis Australia的报酬。

致谢
作者感谢澳大利亚国家影像设施——国家协作研究基础设施战略（NCRIS）能力，位于纽卡斯尔大学-猎人医学研究院影像中心的设施以及科学和技术协助。

我们感谢工作人员、研究团队以及参与本研究的参与者所付出的时间和精力。IK获得了沙特阿拉伯吉达大学提供的博士奖学金资助。Ibrahim Khormi | Oun Al-iedani | Amir Fazlollahi | Bryan Paton | Abdulaziz Alshehri | Rodney Lea | Saadallah Ramadan | Jeannette Lechner-Scott，吉达大学应用放射技术系，应用医学院，沙特阿拉伯吉达