2 型糖尿病血糖水平致慢性脑损害脑区差异的磁共振波谱研究

梁晓莹 肖叶玉 张萍 陈杰 侯卫武

糖尿病脑病是2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）严重的并发症之一，可引起认知功能、脑结构及神经生理异常，而且因病情隐匿，脑功能损害临床发现时已不可逆［1,2］。因此，研究慢性糖尿病脑病的早期诊断，进一步为临床提供早期治疗的客观依据具有重要的临床意义。磁共振功能成像技术因其无创、客观、易应用于临床的特点成为研究糖尿病脑病的热点技术，既往研究表明磁共振功能成像技术能早期发现和定量评价糖尿病脑病患者脑微结构和功能改变［3,4］，而氢质子磁共振波谱（proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS）因其具有无创、在体定量检测生物体内代谢变化的能力，能从分子层面解析脑部生理功能和病理改变而成为研究焦点［5］。近年关于T2DM慢性脑损害MRS 研究发现在脑结构发生异常之前，海马及前额叶皮质等特定部位即可检出代谢物异常［5］。Roy 等［6］研究发现T2DM 慢性脑病与糖化血红蛋白（hemoglobin A1c，HbAlc）水平呈轻度负相关，与病程呈中度负相关，但目前血糖控制水平对不同脑区灰白质代谢物的相关性尚不明确。因此，本研究试图通过多体素1H-MRS 对不同HbAlc 水平T2DM 患者的不同脑区灰白质代谢物进行相对定量检测，进一步探讨HbAlc 水平与不同脑区慢性脑损害的关系，试图为糖尿病慢性脑损害确定重点监控脑区与代谢物。

资料与方法

1.纳入和排除标准

T2DM纳入标准：符合T2DM诊断标准［7］：空腹血糖大于等于7.0 mmo/L 或随机血糖大于等于11.1 mmo/L 或OGTT 2 h 血糖大于等于11.1 mmo/L。T2DM 排除标准：继发性糖尿病患者、T1DM 患者、怀孕或哺乳期妇女；既往有严重低血糖、严重心血管疾病、糖尿病酮症酸中毒、酒精依赖、精神发育迟滞、脑外伤、脑出血等病史；不能正常交流者；有MRI 禁忌证患者。健康对照纳入标准：平素体健，无糖尿病、高血压、高脂血症、颅脑外伤等病史。健康对照排除标准：有MRI 禁忌证患者。

2.研究对象

收集本院T2DM 患者45 例（T2DM组），男21例，女24 例，年龄42～80 岁，平均（62.32±7.12）岁。依据糖尿病控制目标（亚洲-太平洋地区2 型糖尿病政策组）中HbAlc 水平将T2DM 患者分为A～C 3组，其中A组（HbAlc＜6.5%）15 例，男6 例，女9例，平均（63.41±7.25）岁，HbAlc（5.91±0.52）%，病程（4.51±0.45）年；B组（HbAlc 6.5～7.5%）15 例，男7 例，女8 例，平 均（59.66±7.32）岁，HbAlc（7.21±0.30）%，病程（4.35±0.32）年；C组（HbAlc＞7.5%）15 例，男8 例，女7 例，平均（64.02±6.42）岁，HbAlc（9.12±1.71）%，病程（4.72±0.41）年。纳入与T2DM组年龄、性别、受教育程度匹配的健康志愿对照34 例［正常组（healthy controls，HC）组］，男15 例，女19 例，年龄42～78 岁，平均（59.92±6.44）岁。入组者均为右利手。本研究属于前瞻性研究，经汕头大学医学院第二附属医院伦理委员会批准（伦理批号：汕大医附二2014-36）。患者均已签署知情同意书。

3.检查方法

应用Signa HDX-Speed 1.5 T 超导型磁共振扫描仪（GE）及其配套的标准8 通道头线圈。多体素1H-MRS 检测：采用T2WI 三平面定位（图1），选择半卵圆中心层面作为兴趣区（region of interest，ROI），体素8 cm×10 cm×2 cm，点解析频谱（point resolved selective spectroscopy，PRESS）序列采集频谱数据（TR/TE 1500/35 ms，NEX 1，相位×频率18×18，视野16×16，矩阵521×512），在自动和手动匀场后进行扫描，扫描完成后在GE Signa ADW 4.3 工作站获取相应体素波谱数据，通过水模作为外标进行基线及相位校正，最后用SAGE（spectroscopy analysis by general electric，SAGE）联合LC-Model（linear combination of model，LC-Model）软件定位定量测定左侧额叶皮质及顶叶白质N-乙酰基天门冬氨酸（n-acetylaspartate，NAA）/肌酸（creatine，Cr）、胆碱复合物（choline，Cho）/Cr和肌醇（myoinositol，mI）/Cr 的相对浓度比值。

图1 多体素 1H-MRS扫描ROI三平面定位图，ROI置于半卵圆中心层面。a)T2WI横轴位；b)T2WI冠状位；c)T2WI 矢状位

4.统计分析

采用SPSS 22.0 软件包进行统计分析，计量资料用平均值±标准差（）表示，T2DM组和HC组间两两比较采用单因素方差分析（One-way ANOVA）中的Bonferroni 法。计数资料用例数表示，应用卡方检验对T2DM组与HC组间性别差异进行比较，独立样本t 检验对两组年龄差异进行检验。采用Spearman 相关分析法对T2DM组NAA/Cr、Cho/Cr及mI/Cr 与HbA1c 水平作相关性分析。P＜0.05 为差异有统计学意义，P＜0.01 为差异有显著统计学意义。

结果

1.T2DM组与HC组间年龄及性别差异均无统计学意义（P>0.05）（表1）

表1 T2DM组与HC组年龄及性别的比较

2.T2DM组与HC组左额叶皮质代谢物的比较

不同HbA1c 水平T2DM组与HC组间左额叶皮质Cho/Cr 及mI/Cr 差异有统计学意义（P＜0.05，P＜0.05）。A、B、C 三组Cho/Cr 均较HC组低，其中B、C 两组Cho/Cr 较HC组下降具有统计学意义（P=0.047，P=0.001）（图2），且Cho/Cr 随HbA1c 水平升高而降低，与A组比较，B、C 两组Cho/Cr 降低有统计学意义（P=0.019，P=0.003）（图3）。随着HbA1c水平的升高，A、B、C 三组mI/Cr 较HC组仅A组稍降低，B、C组均升高，但仅C组mI/Cr 较HC组及A组升高且有统计学意义（P=0.038，P=0.026）（图3）。NAA/Cr 随着HbA1c 水平的升高逐渐降低，但不同HbA1c 水平T2DM组与HC组间差异无统计学意义（P＞0.05）（表2）。

图2 HC组与T2DM B组左额叶皮质经LC-Model 拟合前后1H-MRS 图。a)女，60 岁（HC组），左额叶皮质经LC-Model 拟合前后1H-MRS图，黑色线为拟合前波谱图，红色线为拟合后波谱图；b)男，65 岁（T2DM B组，HbAlc=7.4%），左额叶皮质经LC-Model 拟合前后 1H-MRS图，可见T2DM组Cho/Cr 较HC组降低；c)MRI T2WI 横轴位，F 为左额叶皮质单个体素兴趣区在多体素 1H-MRS 中定位图 图3 T2DM A组与C组左额叶皮质经LC-Model 拟合前后 1H-MRS 图。a)男，58 岁（A组），拟合前后 1H-MRS 图，黑色线为拟合前波谱图，红色线为拟合后波谱图；b)男，65 岁（C组），拟合前后 1H-MRS 图，可见C组Cho/Cr 较A组显著降低，mI/Cr 较A组升高 图4 HC组与T2DM组左顶叶白质经LC-Model 拟合1H-MRS 图。a)女，55 岁（HC组），左顶叶白质经LC-Model拟合前后1H-MRS 图，黑色线为拟合前波谱图，红色线为拟合后波谱图；b)女，60 岁（T2DM B组，HbAlc=7.4%），左顶叶白质经LC-Model 拟合前后1H-MRS 图示T2DM组Cho/Cr 较HC组显著降低；c)MRI T2WI 横轴位，P 为左顶叶白质单个体素兴趣区在多体素1H-MRS 中的定位

表2 T2DM组与HC组左额叶皮质代谢物的比较

3.T2DM组与HC组左顶叶白质代谢物的比较

不同HbA1c 水平T2DM组与HC组间左顶叶白质Cho/Cr 及mI/Cr 差异有统计学意义（P＜0.01，P＜0.05）。与HC组比较，A～C组Cho/Cr 均显著降低（P=0.008，P=0.005，P=0.002）（图4）；另外随着HbA1c 水平升高，Cho/Cr 逐渐下降，但A、B、C 三组组间差异无统计学意义（F=0.072，P=0.930）。对于mI/Cr，A、B 两组较HC组降低，C组较HC组升高，但仅C组mI/Cr 较HC组及A组升高有统计学意义（P=0.049，P=0.045）（图5）。另外，A～C组NAA/Cr 较HC组呈先升高后降低趋势，但不同HbA1c 水平T2DM组与HC组间NAA/Cr 差异均无统计学意义（P＞0.05）（表3）。

图5 T2DM A组与C组左顶叶白质经LC-Model 拟合前后1H-MRS图。a)女，56 岁（A组），拟合前后1H-MRS 图，黑色线为拟合前波谱图，红色线为拟合后波谱图；b)男，62 岁（C组），拟合前后1H-MRS 图示C组Cho/Cr 较A组降低，mI/Cr 较A组升高

表3 T2DM组与HC组左顶叶白质代谢物的比较

4.相关性分析

T2DM组左额叶皮质Cho/Cr 与HbA1c 水平呈中度线性负相关（r=-0.453，P=0.003），但NAA/Cr及mI/Cr 与HbA1c 水平均无相关性（r=-0.073，P=0.649；r=0.214，P=0.173）。T2DM组左顶叶白质NAA/Cr、Cho/Cr 及mI/Cr 值与HbA1c 水平均无相关性（r=-0.262，P=0.093；r=-0.145，P=0.359；r=0.246，P=0.116）。

讨 论

1.多体素1H-MRS 检测脑代谢物研究早期慢性糖尿病脑损害的可行性

生物体内代谢物变化通常早于组织结构的改变，MRS 是目前极少数可无创、无辐射、在体定量检测生物体内代谢变化，在分子水平反映脑部疾病的功能和病理生理学改变的方法之一，因而利用MRS 研究早期糖尿病脑损害切实可行。多体素1H-MRS 相对单体素具有采样大、代谢物覆盖兴趣区广及分辨率高等优点［8］，能更准确检测脑内代谢物的变化。以往研究［9］表明，正常人双侧大脑半球代谢物分布对称，但笔者前期研究发现［10］右利手糖尿病性高血压患者左侧额顶叶代谢物改变较右侧明显，因此本研究采用多体素1H-MRS 探索不同HbAlc 水平T2DM 患者左额叶皮质及顶叶白质代谢物变化与HbAlc 水平的关系，以便早期发现糖尿病血糖变化对脑区的影响。

2.HbAlc 水平对不同脑区灰白质差异神经元影响

NAA 作为中枢神经系统神经元完整性的代表，本研究中，随着HbAlc 水平的升高，A～C 三组左额叶皮质NAA/Cr 较HC组逐渐降低，左顶叶白质NAA/Cr 较HC组先增高后降低，但不同HbAlc水平T2DM组与HC组间比较均无统计学意义，这与以往许多研究结果［10-13］不一致。笔者认为可能与本研究选取的T2DM 患者基本没有或仅有轻微并发症或轻度神经元功能障碍有关，这也在Sinha 等［14］及Ozsoy 等［15］研究中得到证实。另外，本研究发现T2DM 患者左额叶皮质及左顶叶白质NAA/Cr 基本随着HbAlc 水平升高逐渐降低，表明当血糖控制水平越差，T2DM 患者左额叶皮质及顶叶白质NAA 水平下降越明显，Zhao 等［16］研究也有类似的发现，这可能与糖尿病慢性高血糖引起脑神经元线粒体功能障碍、氧化应激增强及活性氧增多等能量代谢异常，进而导致脑神经元功能障碍甚至细胞凋亡有关，当血糖水平越高，高血糖持续时间越长，脑神经元损伤及功能障碍也越显著。

3.HbAlc 水平对不同脑区灰白质差异细胞膜影响

本研究结果显示，不同HbA1c 水平T2DM组左额叶皮质及左顶叶白质Cho/Cr 均较HC组降低。Zhang 等［17］也得到了类似的结果，可能因糖尿病的慢性高血糖作用引起细胞膜脂质活性及转运功能降低，继而导致细胞损伤、丢失所致。但目前对T2DM 患者脑部Cho 水平的变化尚有争议，有研究指出T2DM 患者脑内Cho/Cr 比值较正常人升高［10］，同时亦有研究发现脑部Cho 水平无显著变化［12］。另外，本研究发现随着HbA1c 水平的升高，T2DM组左额叶皮质及左顶叶白质Cho/Cr 逐渐降低，但仅T2DM组左额叶皮质Cho/Cr 与HbA1c 水平呈中度负相关，而左顶叶白质Cho/Cr与HbA1c 水平无相关性。可能与额叶皮质神经元具有丰富的胰岛素受体而顶叶白质主要成分为轴突有关，当糖尿病慢性高血糖引起血液高凝状态，形成微血栓，进而导致脑组织缺血缺氧及葡萄糖缺乏时，脑神经元因缺乏胰岛素刺激而出现细胞代谢障碍，导致神经元失营养甚至凋亡［18］。因此左额叶皮质较左顶叶白质更易出现Cho 水平的降低，且当HbA1c 水平越高时，脑组织缺血越明显，Cho 浓度降低也越显著。

4.HbAlc 水平对不同脑区灰白质差异mI 影响

mI 主要反映胶质细胞的增殖或活化，同时也是细胞膜渗透改变的标志。以往有许多关于糖尿病脑代谢变化的研究报道mI/Cr 明显升高，张倩等［19］研究发现T2DM 脑病患者左侧后扣带回mI/Cr 显著升高，Wang 等［20］研究表明T2DM 患者脑部左侧海马mI 浓度明显升高。本研究中，虽C组左额叶皮质及左顶叶白质mI/Cr 较HC组升高具有统计学意义（P＜0.05），但不属于显著统计学差异（P＜0.01），这与以往较多研究报道不一致，可能与本研究的兴趣区不同，筛选的DM 患者没有出现明显的神经元坏死及胶质细胞增生改变而只有轻度的神经元功能障碍。

综上所述，1H-MRS 定量分析检测脑部代谢物浓度变化可作为临床上一种早期诊断糖尿病脑损害的可行技术手段。另外，本研究发现神经元损伤额叶皮质较顶叶易受影响，因此可将额叶皮质作为监测慢性脑损害的重点脑区；且神经元损伤程度随HbA1c 水平升高逐渐加重，提示在临床工作中要密切监测血糖，严格控制血糖水平。