★ FEATURED ARTICLE 本篇文献发表在Neurobiology of Disease杂志。所发布内容旨在与大家分享学术新知促进交流学习版权归原作者或原出处所有感谢各位学者的辛勤付出与研究成果。1.引言脊髓小脑共济失调3型也称为马查多-约瑟夫病是全球最常见的遗传性共济失调发病率为3/100,000。其主要临床表现包括小脑、脑干和脊髓的进行性退变。脊髓小脑共济失调3型主要发生于携带ATXN3基因CAG重复序列异常扩增的患者该突变导致翻译的ataxin-3蛋白在神经核内异常聚集最终引发神经元功能障碍和死亡。在蛋白质病中毒性蛋白的积聚及其清除障碍是一个共同特征。在阿尔茨海默病中β-淀粉样蛋白的积聚与疾病进展相关而在帕金森病中α-突触核蛋白的异常聚集与疾病发展相关。然而脊髓小脑共济失调3型中ataxin-3蛋白的清除功能在很大程度上仍然未知。探索类淋巴功能障碍如何导致脊髓小脑共济失调3型症状对于理解疾病机制至关重要并有助于开发新的治疗方法。类淋巴系统起源于脉络丛并连接至血管周围间隙脑周围的脑脊液通过该系统与脑实质内的组织间液进行交换。这一过程使类淋巴系统能够有效清除脑组织中的废物。脉络丛分泌约70%的人脑脑脊液在阻止有害病原体进入和维持正常脑内稳态中发挥重要作用。在阿尔茨海默病患者中结构磁共振成像已揭示脉络丛体积增加与β-淀粉样蛋白清除能力下降之间的关联后者与认知障碍严重程度相关。此外一项研究表明脉络丛体积增加通过降低类淋巴清除介导了白质高信号体积和脑室体积的增大。然而尚不清楚脊髓小脑共济失调3型是否以脉络丛体积增大为特征表现出类似的神经退行性改变。磁共振成像技术能够全面、定量地分析脉络丛的结构和功能。虽然先前的研究集中在结构方面但磁共振成像测定的脉络丛体积测量值与其功能后果之间的关系仍是一个需要进一步探索和理解的领域。自由水成像采用双室模型来区分脑组织细胞内和细胞外空间中水的弥散特性间接反映细胞健康状态。这种弥散加权成像技术使我们能够计算体素内细胞外室的体积分数以及校正自由水后细胞内室的各向异性分数即自由水校正各向异性。此研究拟利用多模态磁共振成像分析脉络丛的结构变化旨在探讨其与脊髓小脑共济失调3型患者运动功能障碍和疾病进展的相关性。阐明这些关系有助于理解脊髓小脑共济失调3型的疾病机制并可能揭示监测和治疗脊髓小脑共济失调3型患者的潜在靶点。2.材料与方法2.1受试者此项研究获得了陆军医科大学第一附属医院伦理委员会的批准KY2020191。研究开始前所有参与者均签署了书面知情同意书。患者招募流程如图1所示。此研究招募了64名确诊的脊髓小脑共济失调3型患者定义为CAG重复范围在52至91之间的患者包括已知的脊髓小脑共济失调3型患者及其通过预测性检测和遵循标准化遗传咨询方案招募的无症状一级亲属以及45名来自陆军医科大学第一附属医院的人口学匹配的健康对照者。使用外周血样本进行CAG扩增的基因检测在陆军医科大学遗传教育与研究实验室进行。所有患者均未接受系统或规律的医疗治疗。所有参与者均为右利手和汉族。6名患者因图像伪影被排除2名患者因量表不完整被排除。排除标准为(1) 磁共振成像禁忌症(2) 颅脑或神经系统疾病及治疗史(3) 检查过程中配合不佳导致磁共振成像图像质量差(4) 临床量表或基线信息不完整。2.2临床评估专业的神经心理学家对每位脊髓小脑共济失调3型参与者进行了两项量表评估。共济失调评估与评定量表SARA用于评估共济失调的水平。无明显临床表现的患者SARA评分3被分类为症状前期Pre-脊髓小脑共济失调3型而有明显临床症状的患者SARA评分≥3被分类为症状期Sym-脊髓小脑共济失调3型。国际共济失调评定量表ICARS也被用于评估脊髓小脑共济失调3型患者共济失调的严重程度。两个量表的评分越高症状越明显。由于健康对照者没有出现共济失调症状他们没有接受此类评估。2.3磁共振成像采集与分析所有参与者均使用3 T MAGNETOM Trio扫描仪西门子医疗埃尔兰根德国进行了三维磁化准备快速采集梯度回波序列通常称为MPRAGE和弥散张量成像扫描以获得高分辨率矢状位T1加权解剖图像。扫描参数如下重复时间 1900毫秒回波时间 2.52毫秒翻转角 9°矩阵大小 256 × 256体素大小 1 × 1 × 1 立方毫米176层层间距 0反转时间 900毫秒。此外扫描了T2加权液体衰减反转恢复序列以排除不相关的病理状况如颅内肿瘤、多发性硬化或脑出血。T2-FLAIR序列的扫描参数如下重复时间 7000毫秒回波时间 79毫秒反转时间 2500毫秒翻转角 120°矩阵大小 240 × 240体素大小 1 × 1 × 3 立方毫米。弥散张量成像扫描采用双次聚焦弥散加权平面回波成像序列参数为重复时间 10,000毫秒回波时间 92毫秒65层矩阵大小 128 × 128视野 256 × 256 平方毫米采集体素大小 2 × 2 × 2 立方毫米64个非共线弥散方向均匀分布在单位球周围b值 1000秒/平方毫米以及一个无弥散加权的图像。使用FreeSurfer对T1加权图像进行预处理和分割。应用默认流程获得全脑和脉络丛的初始分割并基于Destrieux图谱提取形态学特征。脉络丛结构由两名经验丰富的放射科医生审阅和手动校正若意见分歧则由第三名高级放射科医生做出最终判断。还计算了总颅内体积并作为后续分析的协变量。使用FSL对弥散数据进行预处理。使用eddy校正工具对所有原始弥散加权图像进行头部运动和涡流失真校正。使用脑提取工具去除脑和眼组织外的所有体素。然后将B0基线图像配准到T1解剖图像并将变换矩阵应用于自由水图像。使用FreeSurfer分割的感兴趣区提取用于统计分析。2.4统计分析使用SPSS软件版本26.0进行统计分析。采用学生t检验比较两组间的连续变量。对于三组之间的比较采用单因素方差分析。在这些分析中纳入年龄和性别作为协变量。对分类变量采用卡方检验分析。显著性水平设为p 0.05并采用Bonferroni校正进行多重比较。在脊髓小脑共济失调3型患者中控制年龄、性别和总颅内体积后进行CAG重复数、量表评分和脑体积之间的偏相关分析。使用R语言中的lavaan包进行结构方程模型分析。结构方程模型基于相关分析中与CAG重复长度和SARA评分均显著相关的脑区构建。在结构方程模型中CAG重复数作为外生变量SARA评分作为结果变量年龄作为协变量纳入。报告标准化路径系数及相应的p值。使用5000次重抽样的非参数自助法检验间接效应若其95%置信区间不包含零则认为效应具有统计学显著性。此外以脑区体积和CAG重复数为预测变量SARA评分为结果变量建立多变量回归模型。基于该回归模型识别的显著预测因子随后进行受试者工作特征曲线分析使用曲线下面积评估这些识别的脑区和CAG重复数区分症状前期和有症状脊髓小脑共济失调3型组的有效性。在脑海科技云平台中内置了自由水分析支持用户批量处理数据并确保每一步参数设置都有据可查。此外平台的项目管理模块可清晰记录数据筛选标准、排除被试原因、分析版本等信息极大提升了研究的透明度和可复现性。感兴趣可联系咨询以及预约产品演示。3.结果3.1临床和人口学特征对64名脊髓小脑共济失调3型患者和50名健康志愿者HC进行了MRI扫描。其中8名脊髓小脑共济失调3型患者和5名HC因MRI禁忌症2名HC、量表数据不完整2名脊髓小脑共济失调3型或成像伪影6名脊髓小脑共济失调3型、3名HC而被排除。最终45名HC年龄43.40 ± 13.20岁、12名症状前期脊髓小脑共济失调3型患者SARA 3年龄36.58 ± 14.50岁和44名症状期脊髓小脑共济失调3型患者SARA ≥3年龄42.48 ± 12.45岁被纳入此研究。表1显示了人口学特征。各组间性别和年龄无显著差异。3.2脉络丛体积和自由水成像三组之间在脉络丛体积上存在显著的主效应F(2, 98) 22.81p 0.001。事后分析显示症状期脊髓小脑共济失调3型组0.75 ± 0.21的脉络丛体积大于健康对照组0.53 ± 0.09t 6.22p 0.0001或症状前期脊髓小脑共济失调3型组0.57 ± 0.12t 2.88p 0.01图2。此研究还发现三组之间在自由水F(2, 98) 3.03p 0.05和自由水校正各向异性F(2, 98) 6.06p 0.01上存在显著差异。事后分析表明症状期脊髓小脑共济失调3型组0.86 ± 0.15的自由水值显著高于健康对照组0.78 ± 0.18t 2.46p 0.05。此外症状期脊髓小脑共济失调3型组0.17 ± 0.08的自由水校正各向异性值显著低于健康对照组0.23 ± 0.12t -3.47p 0.001。症状前期脊髓小脑共济失调3型组与其他组之间在自由水和自由水校正各向异性上未发现显著差异p 0.05。见表2。3.3脉络丛体积改变与脑区和临床变量的相关性在校正了年龄、性别和颅内总体积后偏相关分析显示脊髓小脑共济失调3型患者的脉络丛体积改变与多个脑区的体积相关。脉络丛体积与脑干体积r -0.27, p 0.048、小脑白质体积r -0.28, p 0.038、前中扣带回皮层体积r -0.33, p 0.014和中央扣带回皮层体积r -0.40, p 0.002呈负相关。此外脉络丛体积与脑脊液体积r 0.43, p 0.001、侧脑室体积r 0.75, p 0.0001、第三脑室体积r 0.27, p 0.045、第四脑室体积r 0.50, p 0.0001和杏仁核体积r 0.29, p 0.032呈显著正相关。图3显示了脊髓小脑共济失调3型患者脉络丛改变与临床变量之间的偏相关分析结果显示脉络丛体积与CAG重复次数r 0.36, p 0.007、SARA评分r 0.40, p 0.003和ICARS评分r 0.37, p 0.005呈正相关。3.4 CAG重复扩增通过脉络丛体积和脑脊液体积对运动功能的影响图4显示了CAG过度扩增如何通过两条预测通路与SARA评分的变化相关联而SARA评分与运动功能相关。CAG重复次数改变脑干体积β -0.65, p 0.001而脑干体积影响SARA评分β -0.51, p 0.001这与脊髓小脑共济失调3型疾病的传统理解一致。CAG重复次数也改变脉络丛体积β 0.51, p 0.011脉络丛体积影响脑脊液体积β 0.41, p 0.001而脑脊液体积影响SARA评分β 0.42, p 0.001。此外最初纳入了一条从CAG重复次数到SARA评分的直接路径以评估遗传因素独立于脑结构改变对临床严重程度的直接影响的可能性。然而这条直接路径无统计学显著性因此被排除在最终模型之外。3.5症状前期脊髓小脑共济失调3型与有症状脊髓小脑共济失调3型的分类表2显示了以脊髓小脑共济失调3型患者脑区体积和CAG重复数为预测变量SARA评分为结果变量的多变量回归模型。结果表明脑干体积减少(β−0.45, p 0.001)和脉络丛体积增加 (β 0.24, p 0.05) 对预测SARA评分有显著关联而CAG重复数在模型中未达到统计学显著性。脑干体积和脉络丛体积可作为SARA评分的独立危险因素。图5显示了使用受试者工作特征曲线分析评估症状前期脊髓小脑共济失调3型组和有症状脊髓小脑共济失调3型组之间分类效能的多元回归模型分析结果。曲线下面积值排序如下脑干体积脉络丛体积(AUC 0.886) , 脑干体积(AUC 0.830), 脉络丛体积 (AUC 0.771), CAG重复数(AUC 0.592)。这些结果强化了这些磁共振成像可测量体积是可行风险指标的结论。4.讨论此项研究的结果揭示了以下几点(1) 通过磁共振成像观察到脊髓小脑共济失调3型患者的脉络丛体积、自由水和自由水校正各向异性增加且有症状的脊髓小脑共济失调3型组的脉络丛体积显著大于症状前期脊髓小脑共济失调3型组。(2) 增加的脉络丛体积与CAG重复数、运动相关脑区如脑干的退变以及运动功能下降呈正相关。脉络丛体积在CAG重复数与临床表现之间起中介作用。(3) 脉络丛体积的改变在区分症状前期脊髓小脑共济失调3型和有症状脊髓小脑共济失调3型方面表现出敏感性有助于更深入地理解脊髓小脑共济失调3型中脑退变改变的模式。此项研究揭示了脉络丛结构受损可作为脊髓小脑共济失调3型神经退行性改变的生物标志物为研究脉络丛在脊髓小脑共济失调3型中的作用提供了新的范式。此项研究显示脊髓小脑共济失调3型组存在异常增大的脉络丛体积、自由水和自由水校正各向异性这可能与ataxin-3蛋白在脉络丛中的异常沉积有关。Ataxin-3蛋白是一种在体内广泛表达的去泛素化酶。过度的CAG重复可导致产生过长的多聚谷氨酰胺链并形成ataxin-3蛋白聚集体。帕金森病中的自由水成像研究表明自由水和自由水校正各向异性水平的升高与神经炎症以及由于组织区室体积减少导致的细胞外部分容积扩大有关。既往研究表明突变型ataxin-3蛋白可通过影响线粒体功能和自噬-溶酶体途径导致神经元损伤。此外有证据表明脉络丛上皮细胞表达多种转运蛋白和受体参与废物清除和免疫监视。在脊髓小脑共济失调3型转基因小鼠模型中已观察到血-脑脊液屏障破坏的证据。突变型ataxin-3蛋白在细胞内的积聚阻碍了正常的细胞机制包括转录调节、线粒体活性和自噬导致细胞损伤和神经炎症。这些发现可能提示脊髓小脑共济失调3型患者中存在类似的病理机制。先前研究已证明脊髓小脑共济失调3型患者的脑血管系统中存在纤维蛋白原外渗和ataxin-3聚集体这将导致血管内皮细胞和血脑屏障的破坏。这些结果为ataxin-3蛋白积聚和脑血管内皮细胞损伤提供了依据这可能是脊髓小脑共济失调3型患者脉络丛体积和自由水指标增高的原因之一。此研究发现脉络丛体积增大可能与脑脊液体积减少和运动相关脑区的萎缩有关这可能导致运动功能下降。这与脉络丛在类淋巴系统中的作用一致脉络丛在维持脑内稳态和提供营养支持方面起着至关重要的作用。脉络丛增大通过损害类淋巴系统加剧了白质高信号的增长而白质束损伤是脊髓小脑共济失调3型患者的常见特征。因此脉络丛体积与脑干萎缩之间的相关性与此前对脊髓小脑共济失调3型患者脑异常的理解一致。值得注意的是除了传统观点外CAG重复序列还通过脉络丛体积增大和脑脊液增加的途径影响脊髓小脑共济失调3型患者的运动功能。帕金森病患者的脉络丛体积增大与运动相关区域损伤和运动功能下降密切相关这一观察结果进一步证实了此研究的发现。因此脉络丛体积增大影响脊髓小脑共济失调3型患者的其他脑区是合理的。脊髓小脑共济失调3型患者中共济失调蛋白-3的积累可能进一步破坏脉络丛的内在免疫过程导致类淋巴系统受损并促进脉络丛的结构和功能损伤。首先脉络丛毛细血管的总表面积约占所有脑毛细血管总表面积的25%-50%其血流速度比其他脑区高出约五倍。脉络丛富含多种免疫细胞包括巨噬细胞、树突状细胞和T细胞参与血-脑脊液屏障的免疫监视。这使得脉络丛成为许多感染的优先位点在此脉络丛发挥着调节中枢神经系统内免疫反应的“陷阱”作用。其次近年来有报道称在多种神经系统疾病中免疫反应影响脉络丛。例如75%患有亚急性细菌性心内膜炎的HIV感染者在脉络丛处出现免疫复合物沉积。胎儿神经影像显示寨卡病毒引起的脑室增大和脉络丛体积增加而这些异常改变发生在脑实质改变之前。因此基因扩增、蛋白质聚集以及脉络丛处免疫反应失调共同导致了脊髓小脑共济失调3型中可被MRI检测到的异常这是合理的。在未来的工作中可以使用脊髓小脑共济失调3型动物模型来实验验证这些免疫介导的机制及其对脉络丛结构和功能的影响。此研究还发现脉络丛体积增大与侧脑室、第三脑室和第四脑室的增大显著相关。既往影像学研究已证明脊髓小脑共济失调3型患者存在进行性脑室增大以及小脑、脑干和丘脑的萎缩。较大的脉络丛体积对应较低的通透性这可能影响其清除废物的效率从而影响大脑内环境。在共济失调发作之前大脑结构内已经开始出现神经元功能障碍和神经退行性变。在两组分类模型中症状前期脊髓小脑共济失调3型和症状期脊髓小脑共济失调3型的脉络丛体积表现出统计学显著差异。既往认为ATXN3重复次数对脊髓小脑共济失调3型临床评分的干预效力为55%。然而作为敏感的血管网络结构脉络丛的体积显示出比CAG重复次数更强的与疾病进展的关联脉络丛体积AUC 0.771 vs CAGAUC 0.592。这些结果表明异常的脉络丛体积可能在调节脊髓小脑共济失调3型运动障碍中发挥关键作用并且早期生物标志物可用于监测脊髓小脑共济失调3型的疾病进展。此研究存在一些局限性。作为一种罕见疾病症状前期脊髓小脑共济失调3型组与健康对照组之间未观察到显著的统计学差异这可能是由于样本量有限所致。然而存在脉络丛体积增加的趋势。未来的研究应首先旨在招募更多症状前期脊髓小脑共济失调3型患者以更有效地研究脉络丛的变化。其次虽然此研究提供了脉络丛改变的在体MRI证据但其潜在机制仍不清楚。未来的研究应结合动物模型和人体组织研究探讨CAG扩增、脉络丛结构与类淋巴功能之间的关联。第三由于此研究是横断面研究此研究计划开展纵向研究以追踪脊髓小脑共济失调3型患者脉络丛体积和脉络丛功能随时间的变化及其对运动和认知功能的影响。此研究是第一个系统描述脊髓小脑共济失调3型中脉络丛结构的研究。脉络丛在运动功能中起着至关重要的作用并可作为敏感的生物标志物来监测患者病情的变化。此研究为脉络丛损伤导致脊髓小脑共济失调3型疾病进展的机制提供了一个新的视角。解读脑海科技
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