地区高铁沉积敏感性定量映射在2型糖尿病与认知能力下降有关
鲁伊·胡
范冰冰高
Shiyun田
Yangyingqiu刘
江女士
Wanyao李
元,
Qingwei歌
Yanwei苗- 放射学、大连医科大学第一附属医院,大连,中国
摘要目的:定量评估铁沉积在深灰色核和体积变化根据阈值量化易感性映射(QSM)收购战略收购梯度回波序列(阶段),并分析了磁化率值之间的相关性(MSV)和认知得分在2型糖尿病(T2DM)病人体内的病人。
方法:29岁患者2型糖尿病和24名健康对照组(HC)年龄和性别匹配的招募的前瞻性研究。QSM图像被用来评估结构整体卷(Vwh(MSV)、区域磁化率值RII(V)和卷RII)的高铁地区9个灰色的细胞核。QSM所有数据组之间的比较。接受者操作特征(ROC)分析用于评估团体之间的辨别能力。单一的预测模型和组合QSM参数也建立了使用逻辑回归分析。毫西弗之间的相关性RII和认知得分进一步分析。多个比较的统计值被纠正错误发现率(罗斯福)。一个显著P值被设定为0.05。
结果:与HC组相比,毫西弗RII灰质核的2型糖尿病增加了5.1 - -14.8%,有显著差异中发现两国的尾状核(HCN),右壳核(把),对苍白球(GP)和左齿状核(DN) (P< 0.05)。Vwh最灰色的原子核在2型糖尿病组下降了1.5 - -16.9%,除了双边丘脑核(STN)。显著差异被发现在双边HCN,两国红核(RN)和双边黑质(SN) (P< 0.05)。VRII增加在双边GP,双边PUT (P< 0.05)。VRII/ Vwh也增加了两国的全科医生,两国说,双边SN,左HCN和右STN (P< 0.05)。与单一QSM参数相比,合并后的参数显示最大的曲线下面积(AUC) 0.86,敏感性为87.5%,特异性为75.9%。毫西弗的RII在正确的全科医生是强烈与列表相关延期自由回忆(列表LDFR)评分(r=−0.590,P= 0.009)。
结论:在2型糖尿病患者,过度和异构铁沉积以及体积损失发生在深的灰色核。毫西弗的地区高铁可以更好地评估铁的分布,这是与认知功能的下降有关。
1。介绍
2型糖尿病(T2DM)病人体内的患病率增加迅速,2型糖尿病已成为全球最重要的代谢疾病和重大的健康问题。研究表明,2型糖尿病患者往往伴有中枢神经系统损伤,包括认知障碍(Pasquier et al ., 2006;McCrimmon et al ., 2012;德根et al ., 2016)。
脑铁沉积已被确认与认知能力下降有关的各种神经退行性疾病,如阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD) (杜et al ., 2018;Ayton et al ., 2020;托马斯et al ., 2020)。一些2型糖尿病的研究(杨et al ., 2018;李et al ., 2020 a,b发现增加脑铁沉积灰色核,这是与认知能力下降有关。
近年来,敏感性定量映射(QSM)被认为是首选的方法,定量分析脑铁的因为它可以准确量化组织的磁化率(Langkammer et al ., 2012;燕et al ., 2018)。现在有很多方法来获得QSM,其中,战略收购梯度回波(阶段)是一种快速multi-contrast和不确定型成像序列,提供了多种定性和定量图像包括QSM。与此同时,QSM重建阶段数据有助于提高信噪比和产量减少构件(Gharabaghi et al ., 2020)。先前的研究已经发现,铁含量测量阶段提供了一个可复制的标准化(陈et al ., 2018;他et al ., 2022年)。
事后研究表明,磁化率值之间有显著相关性(MSV)在脑组织QSM和组织化学的铁含量(Langkammer et al ., 2012;太阳et al ., 2015;Hametner et al ., 2018;李et al ., 2018;刘易斯et al ., 2018;王et al ., 2020)。生物组织反映了其磁化的磁化率在外部磁场下,其价值可以描述组织的成分变化(郭et al ., 2018)。然而,MSV测量方法用于不同的研究不一致。在进行的一项研究中,李et al。(2020 b)发现更多的铁过载核使用分布分析比感兴趣的区域(ROI)的分析(李et al ., 2020 a),表明分布分析是更敏感的大脑铁检测。然而,他们的测量是基于整个结构,不能反映铁在子结构的不均匀分布。异质性的研究发现脑铁沉积,即使在相同的核(樱井et al ., 2010;王et al ., 2012;汉et al ., 2013;Ghassaban et al ., 2019;李,李,2019)。whole-structure-iron测量方法很难显示区域铁核的变化。ROI-based地区高铁分析可能有诊断价值高于整体结构铁分析,和减少手动ROI的可能误差图(王et al ., 2012,2016年大大)。以前的研究(Ghassaban et al ., 2019)报道异常铁沉积在黑质(SN),特别是在地区高铁领域,可以用作生物标记区分PD患者和健康对照组(HC)和疾病的严重程度进行评估。
然而,前面的2型糖尿病研究脑铁负荷(杨et al ., 2018;李et al ., 2020 a,b)分析了基于整个原子核而不是区域性的。据我们所知,没有研究的异质性分布之间的关系在T2DM病人脑铁和认知状态。
基于上述情况,我们打算定量分析结构整体卷,区域MSV和卷各原子核,并探讨这些参数之间的关系和认知在2型糖尿病患者。
2。材料和方法
2.1。参与者
这种前瞻性研究是经当地伦理委员会批准的大连医科大学第一附属医院。所有参与者招募从当地社区招聘广告。知情同意是获得所有的参与者在研究。
临床诊断标准为2型糖尿病的建议符合2014年美国糖尿病协会(ADA) (钟et al ., 2014)。所有患者右撇子,MRI扫描没有禁忌症。排除标准包括:(一)严重内科急救;(b)药物滥用或依赖、酗酒、等;(c)的历史,当前或之前的神经精神疾病,精神疾病家族史;(d)加上严重的脑部疾病,如大规模的脑梗塞、脑出血、肿瘤、创伤、等;(e)当前或以前严重的身体疾病的历史;(f)颅脑手术的历史。
34例2型糖尿病患者前瞻性招募从2019年7月到2019年11月在这项研究。3例患者MRI图像质量较差和两个运动构件的患者被排除在外。最后,29日T2DM病人(男性15;59.83±9.38岁)进入分析。此外,我们招募了24控制健康志愿者(HC,男性9;在同期56.83±7.29年)。他们都是右撇子,与2型糖尿病组的年龄、性别和教育程度。HC的排除标准:(a)的历史,糖尿病和高血压;(2)创伤性脑损伤或结构异常;其他(c)排除标准的2型糖尿病都是相同的。
2.2。临床特点
临床资料,包括年龄、性别、体重指数(BMI)和教育年收集来自所有科目。血液生化检测包括空腹血糖(FG)、糖化血红蛋白(HbA1c)、血红蛋白(Hb)记录在所有参与者之前,数据采集在1周之内。
2.3。神经认知评估
神经认知评估进行扫描一周内先生之前,包括细微精神状态检查(MMSE),蒙特利尔认知评估(MoCA)和加州言语学习测试(CVLT)。CVLT可以用来检查患者的语言学习和记忆处理函数。召回的主要措施包括在第一次试验(CVLT试验1笔),第五试验(CVLT试验5笔),和在五个试验(CVLT试验1 - 5笔),列出了微差自由回忆(SDFR)列表,列出了微差线索回忆(SDCR)列表,列出了延期自由回忆(LDFR)列表,列表和一个延期线索回忆LDCR(列表)。
2.4。图像采集先生
所有的参与者进行了常规序列和阶段在3.0 t磁共振扫描器(Ingenia CX公司、飞利浦医疗保健、最好、荷兰)配备了32路相控阵头线圈。阶段的参数是:翻转角度(FA) = 6°/ 24°,回波时间(TE18.75)= 7.5 ms / ms, TE218.75 = 17.5 ms / ms,重复时间(TR) = 30 ms,视野(FOV) = 256 mm×256 mm×128 mm,矩阵= 384×191×64,体元= 0.87毫米×1.34毫米×2毫米。T1WI: FA = 75°, TE = 6.9毫秒,TR = 297毫秒,FOV = 230毫米×183毫米,矩阵= 232×178,NEX = 1,切片厚度= 3.0毫米,片差距= 0毫米。T2WI: TE = 13.81毫秒,TR = 1186毫秒,FOV = 230毫米×183毫米,矩阵= 256×164,NEX = 1,切片厚度= 3.0毫米,片差距= 0毫米。
2.5。QSM处理和测量
原始阶段数据在医学数字成像和通信传输个人电脑(DICOM)格式,根据既定的阶段和加工管道在旋转软件(SpinTech, Inc .,宾厄姆农场,MI,美国)。多个定性和定量图像进一步获得阶段的软件,如T1WE、T1地图,PD地图,瑞士,tSWI, R2 *,和QSM图像,然后QSM图片被选中来衡量毫西弗。
两个神经放射有超过7年的工作经验手工画3 d结构整体roi边境双边灰色核,包括尾状核头(HCN),苍白球(GP),硬膜(把),枕丘脑(PT)丘脑核(STN)、红核(RN),黑质(SN)齿状核(DN)和脑回fasciolaris (GF),如图所示图1。灰色核的边界定义指T1WE和tSWI图像。心室和船时避免roi。
图1所示。地区的利益(roi)跟踪量化易感性映射(QSM)一个47岁的男性。结构包括尾状核头(HCN、棕色),苍白球(GP,绿色),硬膜(说,灰色),枕丘脑(PT、橙),丘脑核(STN,蓝色),红核(RN,红色),黑质(黑质(SN),黄色),齿状核(DN,淡蓝色),脑回fasciolaris (GF,粉红色)。
HC组的MSV阈值计算的边界定义高铁含量(R二世,图2),可以更准确地评估核中的铁含量。意味着加上两个标准差被用来计算每个核的MSV阈值(表1根据研究)Ghassaban et al。(2019)。R二世区域的面积结构的铁浓度大于阈值。R的毫西弗二世区域(MSVRII),R的卷二世地区(VRII),整个原子核(Vwh)测量,进一步VRII/ Vwh计算。
图2。R的示意图二世区域。感兴趣的区域在红色区域(ROI)是苍白球(GP),紫色区域代表铁浓度大于阈值的全科医生。
表1。磁化率阈值(MSV)。
2.6。统计分析
社会科学统计软件包(SPSS)版本25.0和R 4.1.2被用来分析数据。为了确定inter-observer可靠性的关系,组内相关系数(ICC)进行了测试。独立样本t以及(正态分布数据)或Mann-Whitney U测试(非正态分布数据)或卡方检验(枚举数据)被用来比较毫西弗RII,VRII,Vwh,VRII/ Vwh灰质核、临床资料、实验室检查指标和认知得分之间的2型糖尿病和HC组。皮尔森相关分析(正态分布数据)或斯皮尔曼相关分析(非正态分布数据)是用于分析毫西弗之间的相关性RII得分显著差异和认知。接受者操作特征(ROC)测试是用来评估MSV的能力RII,VRIIVwh歧视团体之间的差异,通过逻辑回归分析,建立了预测模型,和单一参数之间的疗效差异,结合诊断与德龙测试。多个比较被纠正错误发现率(罗斯福)修正(Benjamini-Hochberg方法)。一个显著P -值被设定为0.05。
3所示。结果
3.1。学科特点
总结所有的人口、临床和认知特点中可以找到表2。没有明显差异在性别、年龄、教育多年,BMI, Hb, CVLT、MMSE组(P> 0.05)。贫穷MoCA性能在T2DM病人中被发现(P< 0.001)。
表2。人口统计学、临床数据和认知得分。
3.2。毫西弗RII团体之间和体积变化
一个刑事法庭分析发现优秀的两分的所有测量数据的一致性(0.802 - -0.965)。与HC组相比,毫西弗RII的灰色核2型糖尿病组增加了5.1 - -14.8%,在双边HCN有显著差异,正确的说,医生,左DN (P< 0.05,表3和图3)。
表3。的比较(MSV磁化率值RII)和Vwh2型糖尿病(T2DM)病人体内与健康对照组(HC)。
图3。比较灰色的原子核(MSV磁化率值RII)与2型糖尿病(T2DM)病人之间的显著差异组和健康对照组(HC)组,有显著差异在双边的尾状核(HCN),正确的说,正确的苍白球(GP)和左齿状核(DN) (P罗斯福< 0.05)。
VRII在双边的全科医生,把被增加2型糖尿病组相比,高碳钢(P< 0.05,表4)。除了双边STN, Vwh的灰质核2型糖尿病组下降了-16.9%至1.5。明显的Vwh差异被发现在双边HCN、双边RN和双边SN, (P< 0.05,表3)。
表4。V的比较RII和VRII/ Vwh2型糖尿病(T2DM)病人体内与健康对照组(HC)。
VRII/ Vwh的灰质核2型糖尿病组大于HC,在双边医生发现显著差异,两国说,双边SN和左HCN,右STN (P< 0.05,表4)。
接受者操作特征分析毫西弗RII,VRIIVwh综述了在表5。最大的曲线下面积(AUC) 0.86,敏感性为87.5%,特异性为75.9%时获得双边HCN-V五个参数wh,两国HCN-MSVRII和右GP-VRII结合(图4)。德龙试验表明,联合诊断的性能显著改善与单个参数(P< 0.05)。
表5所示。接受者操作特征(ROC)磁化率值(MSV的分析RII),VRIIVwh2型糖尿病(T2DM)病人体内与健康对照组(HC)。
图4。接受者操作特征(ROC)联合变量分析地图由五个有意义的参数(组合)最大的曲线下面积(AUC)为0.86。
3.3。毫西弗之间的相关性RII在T2DM病人和认知得分
毫西弗之间的相关性RII灰质核的显著差异和认知得分在2型糖尿病组所示图5。毫西弗的RII在正确的医生(r=−0.590,P= 0.009),对HCN (r=−0.471,P= 0.047),把(r=−0.411,P= 0.045)和列表一个LDFR负相关。毫西弗的RII在正确的PUT (r=−0.525,P= 0.027),对GP (r=−0.498,P= 0.027),对HCN (r=−0.427,P= 0.047)和MMSE负相关。毫西弗的RII在正确的PUT (r=−0.468,P= 0.045)负相关的项目。毫西弗的RII在正确的医生(r=−0.449,P= 0.045)和右PUT (r=−0.393,P= 0.045)和列表一个SDCR负相关。毫西弗的RII在正确的HCN (r=−0.441,P= 0.047)与CVLT试验1 - 5和负相关。毫西弗的RII在正确的PUT (r=−0.434,P= 0.045),对HCN (r=−0.429,P= 0.047)和列表一个SDFR负相关。毫西弗的RII在正确的医生(r=−0.430,P= 0.045),把(r=−0.421,P= 0.045)和列表一个LDCR负相关。毫西弗的RII在正确的PUT (r=−0.420,P= 0.045)与CVLT试验1和负相关。其中,相关系数比−0.45啤酒用散点图(图6)。
图5。热量地图之间的相关分析灰色(MSV核磁化率值RII)得分显著差异和认知在2型糖尿病(T2DM)病人体内。颜色条右边显示的值相关系数(更高的从1到1,从蓝色到红色)。*P< 0.05,* *P< 0.01。列表SDFR,微差自由回忆;列表SDCR,微差线索回忆;列表LDFR,延期自由回忆;列表LDCR,延期线索回忆。
图6。之间的相关性(MSV磁化率值RII)和认知得分。相关系数大于-0.45是用散点图表示。
然而,MSV之间不存在相关性RII灰质核的显著差异和Vwh在2型糖尿病组(P> 0.05)。
4所示。讨论
铁沉积与氧化磷酸化相关被发现,同时增加氧化应激水平的风险可能会增加2型糖尿病(Rajpathak et al ., 2009)。铁过载可能产生活性氧,从而破坏DNA,最终导致神经元细胞死亡和记忆衰退结束(鲁阿尔,2001;Poon et al ., 2004;梅利莎et al ., 2013;Cozzi et al ., 2019)。之前的研究表明,2型糖尿病会增加铁的历史沉积在老年人的一些深灰质结构(李et al ., 2021)。血糖水平升高可能加重铁沉积,和铁积累产生脑细胞受损导致胰岛素抵抗。它们之间的关系似乎是双向的(Biessels et al ., 1998;Fernandez-Real et al ., 2002)。
QSM,增加水有松弛值的影响有限,所以可以避免混淆效应,这技术是高度敏感的,是最准确的方法来衡量脑铁水平(燕et al ., 2018)。非侵入性的定量分析的脑铁沉积可以通过MSV QSM为基础的测量。因为低混杂效应的髓鞘和微不足道的贡献从其他顺磁材料,QSM已经被证明是一个精确的测量方法的铁含量在深部灰质结构(Langkammer et al ., 2012)。在事后的研究中,QSM对比是明显与组织化学测量铁在这些地区,证明其在识别精度铁沉积(Langkammer et al ., 2012;太阳et al ., 2015;Hametner et al ., 2018;李et al ., 2018;刘易斯et al ., 2018;王et al ., 2020)。
高铁浓度的精确机制2型糖尿病还没有理解。本研究结合R二世铁含量和体积的变化在T2DM病人中灰质核。模式的差异进行了探讨不仅从区域的角度高铁和体积,而且从整个区域的角度,和R异常之间的关系二世铁积累和认知能力下降也被评估。在这项研究中,人们发现毫西弗RII,VRIIVRII/ Vwh灰质核的2型糖尿病组增加,但Vwh大多数灰质核在2型糖尿病组降低。相关分析表明,毫西弗RII灰质核与认知功能相关。
我们的结果表明,有异常的R二世铁沉积的灰质核在T2DM病人,经过多次比较修正。有显著差异在双边HCN,对吧,左GP和右DN,而另一个ROI-based研究发现只有将显著差异(李et al ., 2020 a)。它表明地区铁分析诊断的敏感性高于整体结构铁分析。此外,我们的结果部分符合另一个分布研究(李et al ., 2020 b)。显著差异HCN,把右边的全科医生是这两项研究中发现的。除此之外,左HCN和DN的显著差异也发现。我们认为,因为大脑和相对集中分布不均的铁,R的测量二世铁更敏感,找到更多的铁分布的地区差异。
一项研究表明,PD的铁沉积横向SN致密部可能与神经元损失(马丁et al ., 2008)。另一项研究发现,过量的铁积累与区域高级萎缩(李et al ., 2013,2015年)。脑铁异常积累在许多神经系统疾病如广告、PD导致氧化应激的神经毒性能促进神经元丧失和退化,并可能表现为脑萎缩(迪克森et al ., 2012;沃德et al ., 2014;Rao et al ., 2022;杨et al ., 2022)。很多人认为胰岛素抵抗和减少胰岛素信号在大脑中扮演一个角色在葡萄糖代谢减退(Freiherr et al ., 2013;费雷拉et al ., 2018)。由于葡萄糖是神经元的主要能量来源,大大减少葡萄糖代谢可能会影响正常的大脑功能和修复和替换关键细胞组件的过程对大脑功能丢失或损坏时由于疾病(Rao et al ., 2022),也可能表现为脑萎缩。
在这项研究中,我们发现铁沉积确实存在于2型糖尿病,和铁沉积的减少伴随着Vwh第五,但RII2型糖尿病是高于HC组,从而更多的VRII/ Vwh比V统计上显著的地区差异RII和Vwh地区被发现。这充分表明,铁分布不均的灰质核2型糖尿病患者的影响二次萎缩是抵消高铁沉积面积大于HC,所体现的增加VRII。毫西弗之间没有显著相关性RII和Vwh在2型糖尿病组,也许MSV的变化RII和Vwh不同步,V的收缩吗wh是由各种因素的组合,这需要进一步的研究。
复杂变化的脑实质组织都发生在2型糖尿病患者,不能使用一个变量来表示病变。这项研究的结果还表明,与一个QSM参数相比,结合参数的最大AUC为0.86,敏感性为87.5%,特异性为75.9%,有较高的诊断价值综合多个参数被发现。
脑铁水平与磁化率强烈相关在活的有机体内和脑铁过载最近被发现与动物和人类的早期认知障碍模型(藤原et al ., 2017;吴et al ., 2020)。到目前为止我们所知,这是第一次研究R之间的关系二世铁和二型糖尿病认知功能。我们发现毫西弗RII灰质核有显著差异的负相关与认知障碍在2型糖尿病被多个修正后的比较。
之前研究的铁沉积在T2DM病人发现左边的磁化率值将显示与MMSE得分协会密切相关但不是美国华人博物馆(杨et al ., 2018;李et al ., 2020 a)。然而,我们发现毫西弗RII放的2型糖尿病患者显著大于高碳钢,不仅与患者有密切关系,而且CVLT和MoCA分数负相关。这一结果表明,毫西弗RII反映认知功能障碍明显多于全球磁化率值由于铁的不均匀分布在灰质核。
苍白球超过所有其他灰色核铁浓度在人类的大脑(最高Langkammer et al ., 2010;口风琴et al ., 2015)。这是一个目标地区的几个神经退行性疾病原发性脑铁沉积病因(鲁阿尔,2013),已证实在广告和多发性硬化(王et al ., 2014;藤原et al ., 2017)。功能,全科医生服务的认知和情感功能(施罗德et al ., 2013)。在核磁共振病例对照研究,多元回归分析是用来确定脑铁过载和认知能力的独立协会(Blasco et al ., 2014)。这个结果和我们的结果加强与地区高铁的假设的大脑与认知能力下降有着密切的关系。我们发现毫西弗RII在正确的GP相关性最高LDFR列表。作为LDFR列表是一个可靠和快速测试更敏感的赤字和提供更详细的信息关于口头记忆比一个粗略的筛查工具如MMSE (福克斯et al ., 1998)。我们估计赤字列出学习和回忆是二型糖尿病的标志。
头尾状核不仅调节身体的运动,但也有一定的影响感觉传导过程是大脑学习和记忆系统的一个重要组成部分。我们发现MSV的增加RII在正确的HCN能显著的减少CVLT试验1 - 5,列表SDFR, LDFR和MMSE分数。MSV的变化RII在2型糖尿病HCN能体现认知损伤敏感。
5。限制
这项研究有一些局限性。首先,样本量相对较小,更大的样本量是需要验证我们的发现。其次,手动概述ROI将不可避免地导致小错误,我们没有测量铁含量在整个地区,和R二世大大减少了分析此类错误的可能性。第三,我们只针对灰质核富含铁含量、区域认知密切相关,如海马和杏仁核,不包括在内。第四,只有QSM定量测量被用于分析的阶段,其他定量图像还可以用于在未来进一步的研究。
6。结论
在2型糖尿病患者,过度和异构铁沉积以及体积减少发生在深的灰色核。毫西弗的地区高铁可以更好地评估铁的分布,这是与认知功能的下降有关。还需要进一步的评估来探索铁负担和体积萎缩在痴呆病理在未来的2型糖尿病。
数据可用性声明
最初的贡献在这项研究中都包含在本文/补充材料,可以针对相应的作者进一步询问。
道德声明
研究涉及人类已经评审并批准大连医科大学第一附属医院(pj - ks - ky - 2018 - 140)。患者/参与者提供了他们的书面知情同意参与这项研究。
作者的贡献
RH和BG:概念化、研究设计、数据管理和测量,正式的分析,可视化,原创作品。圣、青年团、YJ、西城和尤尔•:数据管理,软件应用程序,正式的分析和调查。q:研究设计、数据收集、监理和项目管理。WW YM:概念化、研究设计、资金收购,监督,writing-review和编辑。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
这项工作是由中国国家自然科学基金(81801657)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键字:2型糖尿病,定量易感性映射,磁灵敏度值,深的灰色的原子核,体积,异质性、脑铁沉积
引用:胡R,高B,田年代,刘Y,江Y,李W,李Y,王歌问,W和苗族Y(2023)地区高铁沉积在定量易感性映射在2型糖尿病与认知能力下降有关。前面。>。17:1061156。doi: 10.3389 / fnins.2023.1061156
收到:2022年10月19日;接受:2023年1月10日;
发表:2023年1月30日。
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