DTI-ALPS作为正常老化过程中脑小血管疾病进展与β淀粉样蛋白沉积的生物标志物：一项3年纵向研究

《Human Brain Mapping》：DTI-ALPS as a Biomarker of Small Vessel Disease Progression and Amyloid-β in Normal Aging: A 3-Year Longitudinal Study

　　

脑小血管疾病（cerebral small vessel disease, SVD）是老年人卒中、血管性认知损害和功能衰退的主要原因。新兴的实验和转化研究数据表明，类淋巴功能障碍（glymphatic dysfunction）在SVD发病机制和血管性淀粉样蛋白积聚中发挥作用。基于弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）的沿血管周围间隙分析（analysis along the perivascular space, ALPS）指数可无创地估计沿血管周围通路的组织水弥散率，已被提出作为一种与类淋巴功能相关的间接影像学标志物。本研究旨在探讨基线DTI-ALPS指数是否与基线SVD负担及随后3年内SVD标志物和β淀粉样蛋白沉积的纵向变化相关。研究人员分析了来自哈佛衰老脑研究（Harvard Aging Brain Study）的204名认知正常参与者，其基线和随访间隔为3年。主要的MRI SVD结局指标为经颅内体积归一化的白质高信号（white matter hyperintensities, WMH/ICV）和视觉SVD评分（Fazekas、ARWMC、血管周围间隙和BOMBS[微出血量表]）。次要结局指标包括皮层淀粉样蛋白PET负担（PIB_FS_DVR_FLR）。研究人员使用具有受试者随机截距的贝叶斯混合效应模型，检验时间、基线ALPS（z评分）以及时间与ALPS交互效应的影响，模型调整了基线年龄、性别和受教育年限；淀粉样蛋白模型额外调整了APOE4状态。连续结局采用高斯混合效应模型建模，二分类结局采用伯努利混合效应模型，有序分类结局采用贝叶斯累积混合效应模型。在敏感性分析中，排除λ2/λ3>1.8的体素后重新计算ALPS，并使用纤维交叉校正后的指数重复所有模型。后验均值和95%最高密度区间（highest density intervals, HDIs）为主要汇总指标。采用Benjamini–Hochberg错误发现率程序控制多重比较，所得FDR校正的双侧后验尾区p类似值以p_corrected报告。在3年随访期间，SVD和β淀粉样蛋白负担均增加：WMH/ICV（β=0.096，95% HDI [0.069, 0.121]，p_corrected<0.001）、皮层β淀粉样蛋白（β=0.130，95% HDI [0.106, 0.152]，p_corrected<0.001）、Fazekas评分（β=0.320，95% HDI [0.088, 0.541]，p_corrected=0.010）、ARWMC评分（β=0.404，95% HDI [0.165, 0.649]，p_corrected=0.004）、基底节区（β=0.318，95% HDI [0.079, 0.546]，p_corrected=0.010）和半卵圆中心（β=0.244，95% HDI [0.026, 0.450]，p_corrected=0.025）均显著增加。血管周围间隙（perivascular spaces, PVS）评分也随时间增加。较高的基线ALPS与较低的Fazekas严重程度相关（β=?0.742，95% HDI [?1.281, ?0.201]，p_corrected=0.026），并与随时间减缓的淀粉样蛋白积聚相关（β=?0.025，95% HDI [?0.049, ?0.001]，p_corrected=0.039）。在排除具有高度纤维交叉可能性的体素后进行的敏感性分析中，ALPS与时间的交互效应对淀粉样蛋白负担的影响仍然显著（β=?0.028，95% HDI [?0.052, ?0.003]，p_corrected=0.022），而与Fazekas严重程度的基线关联则减弱（β=?0.413，95% HDI [?0.966, 0.181]，p_corrected=0.751）。较高的基线WMH/ICV与较差的基线整体认知（PACC5）（β=?0.092，95% HDI [?0.177, ?0.011]，p_corrected=0.036）、处理速度（β=?0.116，95% HDI [?0.223, ?0.010]，p_corrected=0.036）和执行功能（β=?0.144，95% HDI [?0.251, ?0.029]，p_corrected=0.035）相关。较高的基线淀粉样蛋白负担与更陡峭的PACC5下降相关（β=?0.065，95% HDI [?0.096, ?0.033]，p_corrected<0.001）。在认知正常的老年人中，较高的常规基线ALPS与较低的Fazekas严重程度相关，尽管纤维交叉校正后该关联减弱，表明这一横断面关系对ALPS区域的微结构组成敏感。相比之下，较高的基线ALPS与较慢的短期β淀粉样蛋白积聚相关，且这一纵向关联在纤维交叉校正后仍然显著。较大的基线淀粉样蛋白负担与整体认知的更快衰退相关，而较高的基线WMH体积与较差的基线整体认知、处理速度和执行功能相关。这些发现支持ALPS作为与纵向淀粉样蛋白相关变化相关的候选无创弥散标志物，同时强调需进一步验证其与SVD负担的关系及生物学特异性。

**论文解读**

**一、研究背景与目的**

脑小血管疾病（cerebral small vessel disease, SVD）是老年人卒中、血管性认知损害和功能衰退的主要原因，其病理特征包括白质高信号（white matter hyperintensities, WMH）、腔隙、脑微出血和血管周围间隙（perivascular spaces, PVS）扩大。尽管结构神经影像学取得了显著进展，但驱动SVD进展的机制仍未完全阐明，现有影像标志物主要反映已形成的组织损伤，而非早期微血管功能障碍。新兴证据提示，类淋巴功能障碍——即脑脊液与组织间液交换的失败——可能参与SVD的发病机制。DTI-ALPS（diffusion tensor imaging-analysis along the perivascular space）指数是基于弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）提出的无创间接标志物，用于估计沿血管周围通路的组织水弥散率，被认为与类淋巴功能相关。然而，ALPS指数作为SVD纵向进展标志物的作用尚未确立，既往研究多为横断面设计，无法推断时间关系。该研究旨在确定基线DTI-ALPS指数是否与认知正常老年人3年随访期间SVD负担的纵向变化及β淀粉样蛋白沉积相关，并探讨类淋巴相关影像标志物与认知表现的关系。

**二、研究设计与样本**

研究人员从哈佛衰老脑研究（Harvard Aging Brain Study, HABS）中纳入204名认知正常参与者（基线平均年龄73.35±6.10岁，58.4%为女性），要求具有基线（HAB_1.0）和约3年随访（HAB_4.0）两次访视的弥散MRI、高分辨率结构MRI和纵向数据。排除标准包括阿尔茨海默病或轻度认知损害诊断、神经影像数据缺失，以及头颅外伤、物质滥用、酒精中毒或严重内科/精神疾病。所有参与者均签署书面知情同意书，研究方案经当地机构审查委员会批准。

**三、主要关键技术方法**

研究人员使用的主要技术方法包括：①基于DTI的ALPS指数计算，采用自动化FSL流程在双侧半卵圆中心的投射纤维和联合纤维区域自动放置球形感兴趣区，计算沿血管周围间隙的水弥散率；②SVD标志物评估，综合运用Fazekas量表、ARWMC（Age-Related White Matter Changes）量表、PVS视觉评分、MARS（Microbleed Anatomical Rating Scale）和BOMBS（Brain Observer MicroBleed Scale）微出血量表，以及基于UBO Detector管道的WMH体积自动分割（经颅内体积归一化）和PINGU管道PVS分割；③¹¹C-Pittsburgh Compound-B正电子发射断层扫描（PiB PET）评估皮层β淀粉样蛋白沉积，采用几何转移矩阵法进行部分容积校正，计算FreeSurfer定义的皮层复合区域（FLR）的分布体积比（distribution volume ratio, DVR）；④Bayesian混合效应模型进行统计分析，连续结局采用高斯模型，二分类结局采用伯努利模型，有序分类结局采用累积logit模型，以年龄、性别、受教育年限为协变量，淀粉样蛋白模型额外调整APOE4状态；⑤敏感性分析采用特征值比值法（λ2/λ3>1.8排除纤维交叉体素）重新计算ALPS指数以评估纤维交叉的影响；⑥脉络丛（choroid plexus, CP）分割采用高斯混合模型（Gaussian Mixture Model, GMM）方法，并经神经放射学专家质量控制。

**四、研究结果**

**4.1 贝叶斯模型诊断（Bayesian Model Diagnostics）**

所有贝叶斯模型均满足预设收敛标准。未观察到发散转移，最大秩归一化分割R?为1.009，最小有效样本量bulk和tail分别为651和1271，最小链特异性BFMI为0.463。

**4.2 时间轨迹（Temporal Trajectories）**

纵向神经影像评估显示，3年期间多个指标显著进展。WMH/ICV显著增加（β=0.096, 95% HDI [0.069, 0.121], p_corrected<0.001），ARWMC评分（β=0.404, p_corrected=0.004）、Fazekas评分（β=0.320, p_corrected=0.010）和β淀粉样蛋白沉积（β=0.130, p_corrected<0.001）均显著进展。基底节区和半卵圆中心PVS评分也显示显著进展（β=0.318, p_corrected=0.010和β=0.244, p_corrected=0.025）。其余SVD标志物经FDR校正后未见显著纵向变化。这些结果表明即使在认知正常人群中，SVD标志物和淀粉样蛋白负担仍随时间稳步积累。

**4.3 基线ALPS效应（Baseline ALPS Effects）**

横断面分析显示，较高的基线ALPS与较低的Fazekas评分显著相关（β=?0.742, 95% HDI [?1.281, ?0.201], p_corrected=0.026）。ARWMC总分呈相似趋势但校正后未达显著（β=?0.630, p_corrected=0.078）。ALPS与PVS测量、微出血标志物、腔隙存在、淀粉样蛋白负担或WMH/ICV之间未观察到显著关联。这一发现提示基线ALPS与WMH的定性严重程度存在特异性关联。

**4.4 基线ALPS对SVD负担和β淀粉样蛋白沉积纵向变化的影响（Effect of Baseline ALPS on Longitudinal Changes in SVD Burden, and Amyloid-β Deposition）**

ALPS与时间交互效应分析显示，较高的基线ALPS与3年期间淀粉样蛋白积聚速率降低显著相关（β=?0.025, 95% HDI [?0.049, ?0.001], p_corrected=0.039）。未观察到ALPS与时间对WMH/ICV、ARWMC总分、Fazekas总分、PVS测量、腔隙存在、微出血标志物或其他SVD结局的显著交互作用。这一结果提示基线ALPS对短期皮层淀粉样蛋白积累具有调节作用，而SVD进展的影响在3年窗口内尚未显现。

**4.5 基线DTI-ALPS、SVD和β淀粉样蛋白对认知结局的影响（Baseline DTI-ALPS, SVD, and Amyloid-β in Cognitive Outcomes）**

较高的基线WMH/ICV与较差的基线PACC5（β=?0.092, p_corrected=0.036）、处理速度z（β=?0.116, p_corrected=0.036）和执行功能z（β=?0.144, p_corrected=0.035）相关。较高的基线淀粉样蛋白负担与更陡峭的PACC5下降相关（β=?0.065, p_corrected<0.001）。PACC5观察到正向时间效应（β=0.040, p_corrected=0.043），反映整体样本存在轻微练习效应。基线DTI-ALPS、BG-PVS/ICV或CP/ICV经多重比较校正后未见显著基线或纵向关联。

**4.6 脉络丛分割质量控制敏感性分析（Choroid Plexus Segmentation Quality-Control Sensitivity Analysis）**

专家对63名参与者的126次扫描进行质量控制，手动编辑改变了99.2%扫描的至少一个体素，自动与专家校正掩膜的平均Dice系数为0.897±0.085。使用专家校正的CP/ICV重复认知模型，未发现基线CP/ICV与PACC5、处理速度或执行功能之间的显著关联，也未观察到显著的CP/ICV与时间交互效应。

**4.7 纤维交叉敏感性分析（Crossing-Fiber Sensitivity Analysis）**

排除符合纤维交叉标准的体素后，纤维交叉校正的基线ALPS仍与较低的纵向皮层淀粉样蛋白积聚速率显著相关（ALPS×时间交互：β=?0.028, 95% HDI [?0.052, ?0.003], p_corrected=0.022）。Fazekas严重程度的估计仍为负值且方向与主分析一致，但幅度减弱且未达显著性标准（β=?0.413, p_corrected=0.751）。其余影像结局与主分析一致，认知结果也未改变。

**五、讨论与结论**

该研究在204名认知正常的HABS队列老年人中，探讨了基线DTI-ALPS指数与3年随访期间SVD标志物进展和淀粉样蛋白沉积的关系。主要发现包括：SVD标志物和皮层淀粉样蛋白负担在3年内显著进展；基线ALPS与Fazekas严重程度呈横断面负相关，但该关联在纤维交叉校正后减弱，表明对ALPS区域的微结构组成敏感；基线ALPS仅与淀粉样蛋白沉积的纵向变化显著相关——较高的基线ALPS与减缓的淀粉样蛋白积聚相关，且在校正纤维交叉后仍保持显著；基线淀粉样蛋白负担与整体认知的更快衰退相关，而基线WMH体积与较差的基线整体认知、处理速度和执行功能相关。

讨论部分指出，ALPS指数作为间接弥散衍生的类淋巴功能相关标志物，其特异性仍存在争议。Fazekas评分与ALPS的横断面关联可能反映二者共同关注脑室周围区域和血管周围液体动力学，而纤维交叉对该关联的减弱效应提示复杂纤维结构对ALPS测量的影响。WMH相关的认知损害可能通过结构断开、继发性皮层萎缩、功能网络破坏和皮层低代谢等机制实现。3年随访窗口可能不足以捕捉低ALPS对SVD积累的缓慢累积效应。局限性包括：ALPS指数的间接性和特异性争论、作为基线预测因子的时序推断限制、血管和心代谢因素未纳入调整、DTI采集方向数有限、队列人口学特征偏倚、随访时间较短，以及注意力控制测量不可用。

研究结论为：在认知正常老年人中，较高的基线ALPS与较低的Fazekas严重程度相关，但纤维交叉校正后的减弱表明该关联对ALPS区域的微结构组成敏感；相反，较高的基线ALPS与较慢的短期皮层β淀粉样蛋白积累相关，且该纵向关联在校正纤维交叉后仍然显著；此外，基线淀粉样蛋白负担与更快的纵向认知衰退相关，而较高的基线白质高信号体积与较差的基线整体认知、执行功能和处理速度相关。综合而言，这些发现支持ALPS作为血管周围水动力学的候选无创弥散标志物，特别是与纵向淀粉样蛋白相关变化相关，但其与SVD负担的关系及生物学特异性仍需进一步验证。未来研究应纳入更长随访时间和血管周围液体转运的补充测量手段。