程爱兰 金 彪

1H-MRS在遗传性脑白质营养不良中的研究进展

程爱兰 金 彪*

遗传性脑白质营养不良是一组由于相关酶和基因缺乏导致的髓鞘形成障碍、延迟及破坏的疾病总称。其临床及影像表现缺乏特异性，因此诊断该组疾病对医生仍然是一个挑战。1H-MRS是目前检测活体生物代谢唯一的无创性手段，可以定量检测脑代谢物，进而辅助诊断及鉴别不同类型的遗传性脑白质营养不良。就1H-MRS在遗传性脑白质营养不良中的应用作一综述。

磁共振波谱；遗传性脑白质营养不良；脑；脱髓鞘；白质

1H-MRS是利用核磁共振现象和化学位移作用进行特定原子核及其化合物定量分析的方法，自20世纪80年代末开始应用于临床。随着MRI及相关技术的发展，1H-MRS已经逐步应用于临床诊断，尤其在中枢神经系统的应用越来越广泛[1-3]。一些常见的遗传性脑白质营养不良其影像改变缺乏特异性，目前缺乏较好的早期诊断手段，1H-MRS作为一种新的诊断技术在协助早期诊断该类疾病方面已逐渐被人们认识，现将其在临床中的应用作一综述。

1 脑代谢物的意义

正常脑组织1H-MRS可观察到6个主要的代谢物波峰。N-乙酰天门冬氨酸（N-acetyl asparte，NAA）共振峰位于2.0ppm（ppm表示10-6），是正常波谱中最高的峰，主要在神经元的线粒体内合成，广泛分布于中枢神经系统，峰值的高低可反映神经元数量或活性的变化。NAA的变化有助于观察病情的严重程度、预后及疗效。谷氨酸（glutamate，Glu）和谷氨酰胺（glutamine，Gln；复合物为Glx）波峰位置靠近，位于2.1～2.6ppm，其在脑内含量较少，是一类兴奋性氨基酸，具有兴奋毒性作用。肌酸（creatine，Cr）共振峰位于3.02ppm，代表肌酸和肌酸复合物。Cr是细胞内能量代谢的标志物，在同一个体脑内不同代谢条件下，其总量相对稳定，故常作为内标准。胆碱（choline，Cho）共振峰位于3.2ppm，是细胞膜磷脂代谢成分之一，是判断髓鞘退化或破坏的指标。肌醇（myo-inositol，mI）共振峰位于3.55ppm，mI被公认为神经胶质细胞的神经胶质标记物。乳酸（Lactate，Lac）是能量代谢无氧糖酵解终末代谢产物，是能量代谢缺乏的指标。lac峰位于1.3ppm，正常情况下一般不能测到或可测到极微量[4]。

2 1H-MRS原理

1H-MRS是利用自旋耦合、化学位移原理无创性检测人体生化代谢物质的技术。由于不同化合物对主磁场具有不同屏蔽作用，因而质子在不同环境下共振频率不同，探测器检测到的时域自由感应衰减信号通过傅里叶转换可得到各种频率成分，根据不同频率组成可以确定化合物的种类及其相对浓度。在MRS中最常用的采集容积的方法有两种，即激励回波采集法（stimulated echo acquisition mode，STEAM）和点分辨波谱成像 （point resolved spectroscopy，PRESS）。STEAM法使用90°脉冲获得1个受激回波，该序列回波时间（echo time，TE）较短（TE常为20～30 ms），对T2较敏感，适用于观察mI和脂质（lipids，Lip）等短TE的代谢物。STEAM较PRESS可以获得更多的代谢物波峰，而这些波峰对肿瘤的鉴别诊断很有意义。但STEAM序列信噪比较低，并且对运动较敏感。PRESS使用1个90°脉冲和2个180°脉冲获得自旋回波，此序列的TE一般较长（TE常为135～270 ms），故信噪比较高，并且扫描时间较短。目前多数研究者常采用PRESS技术。因为与STEAM相比，PRESS可以提供双倍的信噪比。无论采用STEAM还是PRESS定位，MRS都可以选择单体素（single voxel，SV）或多体素（multivoxel，MV）技术。单体素主要的局限性是覆盖的解剖范围有限，即采集一次只能分析一个区域。而多体素可以获得对侧或未被病变累及区域的波谱，但为了多个区域同时产生相同的磁场均匀性，需要更高序的匀场[4-6]。目前MRS不仅可以用于体内的定量分析，还可以应用于体外以及大鼠模型的分析中[7-8]。

3 1H-MRS在常见遗传性脑白质营养不良中的应用

遗传性脑白质营养不良是一组髓鞘形成障碍性脑白质疾病，多有明确的酶和基因的缺乏，在脑和体液中能检测到异常代谢物。髓鞘的成分和各种酶的活性随年龄而改变，婴儿、儿童期的髓鞘形成与其生化组成较成人不稳定且变化迅速[9]。根据造成髓鞘异常的机制不同，脑白质营养不良可分为3类：①特殊髓鞘蛋白合成缺陷；②髓鞘形成延迟；③髓鞘脱失。多数情况下，脑白质营养不良在传统MRI上的表现缺乏特异性，很难明确做出诊断并评估预后。1H-MRS可以检测出传统MRI表现正常的白质异常改变，从而成为脑白质营养不良的无创性辅助诊断工具。

3.1 异染性脑白质营养不良（metachromatic leukodys trophy,MLD） MLD是溶酶体芳香基硫酸脂酶A缺乏导致的髓磷脂代谢缺陷病。受损伤的脑白质区组织学分析表明髓磷脂完全丢失。在深部脑白质中少突神经胶质细胞大量减少，病变以脱髓鞘作用为主。直到病变晚期皮质下弓状纤维才会受累[10]。MLD在波谱上与其他脑白质营养不良相比有其特征性，主要表现为mI显著升高。Assadi等[11]应用多体素1H-MRS研究4例患MLD的儿童，结果显示mI/Cr显著升高。mI的显著升高反映了星形胶质细胞增生。Bizzi等[12]曾报道过不同临床表现的MLD病人在单体素MRS上Lac水平增高。少突胶质细胞具有将Lac运输到神经元轴突的能力，少突胶质细胞受损将限制Lac的转运，从而导致Lac积累升高。MLD中星形胶质细胞增生也会导致Lac的产量增加，因此可以根据mI和Lac升高来与其他脑白质营养不良鉴别。van Egmond等[13]应用造血干细胞移植治疗1例14岁MLD病人，发现造血干细胞治疗后不仅可以稳定髓鞘病变进展还可以提高病人的运动功能，这说明患MLD时部分病变是可以恢复的。Cable等[14]的研究结果与上述研究结果一致，但没有详细描述造血干细胞移植治疗后的影像进展表现。íDali等[15]应用中等TE研究13例迟发型MLD患儿的MRS表现，结果表明NAA显著降低，且与患儿运动及认知功能相关，因而NAA水平高低可作为评价患儿病情是否进展的指标。因此，应用MRS可以监测疾病进展及观察临床疗效。

3.2 X连锁肾上腺脑白质营养不良（X-linked adrenoleukodystrophy，X-ALD） 经典的 X-ALD是因ALD基因突变造成，根据其病理生理特征分为两类：①以中央白质严重炎症性脱髓鞘为主型，②以后颅窝和脊髓轴突退变为主型。X-ALD在大多数常规MRI中表现为受损脑白质T2信号增高，T1信号降低，具有由后向前以及由深部白质向周围皮质下白质渐进性累及的特征性表现。注射对比剂后可发现活动脱髓鞘区和炎症区有强化表现[16]。van der Voorn等[17]研究发现，同一个体病变中央区tNAA、tCr降低，mI、Lac升高，而病变周围区Cho、Lac较中央区及正常区显著升高，提示病变区以神经元的丢失或减少为主，病变周围主要是轴突的脱髓鞘病变，这与本病的病理改变一致。Ratai等[18]应用7 T1H-MRS研究13例X-ALD病人及9例健康对照组，13例X-ALD中包括4例成人脑型ALD、5例肾上腺脊髓神经病（adrenomyeloneuropathy，AMN）和4例女性杂合子，研究提示不同临床表型的病人的MRS表现不同，且所有病人正常脑白质区域的NAA峰均有明显下降，这一结论与大多数研究者[19-20]的发现一致。在对4例成人脑型ALD病人与4例女性杂合子及对照组的大脑皮质区比较，发现ALD病人NAA/Cr最低，说明该型ALD神经元损伤最严重。研究同时显示mI/Cr的比值与残疾状态量表的评分有明显相关性，因此可作为X-ALD有意义的生物学标志。

3.3 球形细胞脑白质营养不良 （globoid cell leukodystrophy，GLD） GLD又称Krabbe病，是由半乳糖脑苷脂酶缺乏导致的遗传性溶酶体紊乱疾病，髓鞘化延迟是MRI的最初表现。Brockmann等[21]指出不同发病年龄GLD病人的MRS表现不同，婴儿型受损白质中Cho、mI显著升高，反映了脱髓鞘作用及胶质细胞增生，同时伴有NAA降低、Glu升高。青年型病人脑白质MRS代谢改变与神经元轴突丢失和星形细胞增生一致。成人型病人的MRS基本正常。Wang等[22]报道一例成年发病的GLD病人在皮质脊髓束的MRS上表现为Cr、Cho、NAA下降，Glu、Lac升高，但在正常的脑实质区域MRS上并没有异常表现，这可能是由于成人型病人病理改变过程较其他两型轻微且局限。由此可见，MRS可以用来评价GLD病人脑损伤的程度。

3.4 Alexander病 （Alexander disease，AD） AD少见，是一种由于胶质纤维酸性蛋白的基因编码过程中发生错义突变而导致的中枢神经系统代谢紊乱疾病。AD可以在婴儿期、青少年期、成年期发病，婴儿期发病最常见[23]。MRI的影像特点是额叶白质对称性T2高信号改变。组织病理学提示髓磷脂缺乏，可能是由于低髓鞘化或脱髓鞘作用引起的。MRS研究发现在额叶和顶叶tNAA显著降低，Cho/Cr升高，mI升高，mI升高在短TE上更容易观察到[24]。

3.5 佩梅病（Pelizaeus-Merzbacher disease，PMD）PMD是一种罕见的蛋白脂蛋白基因（PLP）突变所致髓鞘形成障碍性疾病。其影像特点是髓鞘形成不良或完全丢失。Mori等[25]研究一例PMD患儿在不同时间段的MRS表现，发现在不同阶段Cho浓度没有明显改变，利用这一特点可以与其他脑白质营养不良鉴别。随着病人年龄的增长，神经轴索密度升高，引起NAA峰升高，这与Pouwels等[26]研究一致。轴突慢性损伤引起的星形细胞增生导致了mI、Cr浓度的增加，神经递质增加使得Glu峰升高，而髓鞘缺失导致了Cho峰降低。PMD代谢物浓度随着时间改变而改变，反映了PMD的病理过程是髓鞘形成障碍，而不是脱髓鞘作用。Takanashi等[27]研究PMD小鼠模型发现病变区域NAA升高，认为形成障碍的髓鞘导致了轴索-髓鞘信号传递紊乱，进一步导致轴索代谢活跃，神经轴突密度增加，少突胶质细胞减少或功能障碍，从而导致了NAA的升高。然而，Plecko等[28]对PMD（有PLP基因突变）和类PMD（没有PLP基因突变的髓鞘形成障碍性疾病）进行研究，发现常规MRI及MRS不能区分两种类型的PMD，而两种类型PMD的MRS上均发现NAA下降，这与前述研究结论不一致。由此认为，研究不同类型PMD的MRS表现有其局限性，这可能是由于不同基因突变类型的病理改变有相似性。

3.6 海绵状脑白质营养不良（canavan disease，CD）CD是一种常染色体隐性遗传疾病，主要是位于17号染色体编码天冬氨酸酰酶的ASPA基因突变，导致NAA不能分解为乙酸盐和天冬氨酸，因此大脑内NAA积聚升高[29]。NAA的功能还没完全为人所知。根据猜想，NAA主要调控有髓白质细胞内外水的平衡，过量NAA会导致髓鞘内水肿、海绵样变性、脱髓鞘、神经元细胞丢失。Assadi等[30]应用枸橼酸锂治疗6例确诊的CD病人，治疗后的基底节区与治疗前相比，MRS上NAA显著降低。因此，利用MRS可以很好地监测治疗反应。目前普遍认为CD是唯一表现出NAA峰升高的疾病[29-30]，根据NAA峰显著升高有助于与其他脑白质营养不良鉴别。但Varho等[31]发现一种隐性遗传的唾液酸病（Salla disease）的MRS上也表现为NAA升高，这对前面的观点提出挑战，他们认为NAA峰增高是由于来自N-乙酰神经氨酸的乙酰基蛋白与来自N-乙酰天冬氨酸的乙酰基蛋白具有相同的共振频率。

综上所述，1H-MRS已广泛应用于遗传性脑白质营养不良的临床研究。1H-MRS作为MRI的完善与补充，可用于早期检测脑白质营养不良脱髓鞘病变，从而更好地协助鉴别及诊断疾病。它不仅可以为临床诊断提供详细的神经化学信息，还可以监测治疗反应。但1H-MRS也有不足之处，它需要更高序的匀场，且特异性不强。相信随着科技的发展，1HMRS结合其他功能序列在今后辅助早期诊断遗传性脑白质营养不良疾病方面将会发挥更大的作用。

[1]Smigielska-Kuzia J,Boækowski L,Sobaniec W,et al.Amino acid metabolic processes in the temporal lobes assessed by proton magnetic resonance spectroscopy(1H MRS)in children with Down syndrome[J].Pharmacol Rep,2010,62:1070-1077.

[2] Kubas B,Kułak W,Sobaniec W,et al.Metabolite alterations in autistic children:a1H MR spectroscopy study[J].Adv Med Sci,2012, 57:152-156.

[3] Jiang W,Ma L,Du B,et al.Application of magnetic resonance spectroscopy in patients with alternating hemiplegia of childhood: findings on metabolic dysfunctions[J].Neuropediatrics,2014,45: 162-168.

[4]Cecil KM.Proton magnetic resonance spectroscopy:technique for theneuroradiologist[J].Neuroimaging Clin N Am,2013,23:381-392.

[5] Brandão LA.MR spectroscopy of the brain,an issue of neuroinnaging clinics[M].Elsevier,2013.

[6] Bertholdo D,Watcharakorn A,Castillo M,et al.Brain proton magnetic resonance spectroscopy:introduction and overview[J]. Neuroimaging Clin N Am,2013,23:359-380.

[7] Skorupa A,Wicher M,Banasik T,et al.Four-and-one-half years' experience in monitoring of reproducibility of an MR spectroscopy system--application of in vitro results to interpretation of in vivo data[J].Appl Clin Med Phys,2014,15:4754.

[8] Yaligar J,Gopalan V,Kiat OW,et al.Evaluation of dietary effects on hepatic lipids in high fat and placebo diet fed rats by in vivo MRS and LC-MS techniques[J].PLoS One,2014.9:e 91436.

[9] Panigrahy A,Nelson M,Bluml S,et al.Magnetic resonance spectroscopy in pediatric neuroradiology:clinical and research applications[J].Pediatr Radiol,2010,40:3-30.

[10]Cecil KM,Kos RS.Magnetic resonance spectroscopy and metabolic imaging in white matter diseases and pediatric disorders[J].Top Magn Reson Imaging,2006,17:275-293.

[11]Assadi M,Wang DJ,Velazquez-Rodriquez Y,et al.Multi-voxel1HMRS in metachromatic leukodystrophy[J].Cent Nerv Syst Dis,2013, 5:25-30.

[12]Bizzi A,Castelli G,Bugiani M,et al.Classification of childhood white matter disorders using proton MR spectroscopic imaging[J]. AJNR,2008,29:1270-1275.

[13]van Egmond,ME,Pouwels PJ,Boelens JJ,et al.Improvement of white matter changes on neuroimaging modalities after stem cell transplant in metachromatic leukodystrophy[J].JAMA Neurol,2013, 70:779-782.

[14]Cable C,Finkel RS,Lehky TJ,et al.Unrelated umbilical cord blood transplant for juvenile metachromatic leukodystrophy:a 5-year follow-up in three affected siblings[J].Mol Genet Metab,2011,102: 207-209.

[15]íDali C,Hanson LG,Barton NW,et al.Brain N-acetylaspartate levels correlate with motor function in metachromatic leukodystrophy[J].Neurology,2010,75:1896-1903.

[16]Engelen M,Kemp S,de Visser M,et al.X-linked adrenoleukodystrophy(X-ALD):clinical presentation and guidelines for diagnosis, follow-up and management[J].Orphanet J Rare Dis,2012,7:51.

[17]van der Voorn JP,Pouwels PJ,Powers JM,et al.Correlating quantitative MR imaging with histopathology in X-linked adrenoleukodystrophy[J].AJNR,2011,32:481-489.

[18]Ratai E,Kok T,Wiggins C,et al.Seven-Tesla proton magnetic resonance spectroscopic imaging in adult X-linked adrenoleukodystrophy[J].Arch Neurol,2008,65:1488-1494.

[19]Dubey P,Fatemi A,Barker PB,et al.Spectroscopic evidence of cerebral axonopathy in patients with“pure”adrenomyeloneuropathy [J].Neurology,2005,64:304-310.

[20]Fatemi A,Barker PB,Ulug AM,et al.MRI and proton MRSI in women heterozygous for X-linked adrenoleukodystrophy[J]. Neurology,2003,60:1301-1307

[21]Brockmann K,Dechent P,Wilken B,et al.Proton MRS profile of cerebral metabolic abnormalities in Krabbe disease[J].Neurology, 2003,60:819-825.

[22]Wang C,Melberg A,Weis J,et al.The earliest MR imaging and proton MR spectroscopy abnormalities in adult-onset Krabbe disease[J].Acta Neurol Scand,2007,116:268-272.

[23]臧莉莉,吴晔,王静敏,等.亚历山大病12例中国患儿临床及遗传学研究[J].中华儿科杂志,2012,50:371-375.

[24]Nelson A,Kelley RE,Nguyen J,et al.MRS findings in a patient with juvenile-onset Alexander's leukodystrophy[J].La State Med Soc, 2013,165:14-17.

[25]Mori T,Mori K,Ito H,et al.Age-related changes in a patient with Pelizaeus-Merzbacher disease determined by repeated1H-magnetic resonance spectroscopy[J].Child Neurol,2014,29:283-288.

[26]Pouwels PJ,Brockmann K,Kruse B,et al.Regional age dependence of human brain metabolites from infancy to adulthood as detected by quantitative localized proton MRS[J].Pediatr Res,1999,46:474-485.

[27]Takanashi J,Saito S,Aoki I,et al.Increased N-acetylaspartate in model mouse of Pelizaeus-Merzbacher disease[J].Magn Reson Imaging,2012,35:418-425.

[28]Plecko B,Stöckler-Ipsiroglu S,Gruber V,et al.Degree of hypomyelination and magnetic resonance spectroscopy findings in patients with Pelizaeus Merzbacher phenotype[J].Neuropediatrics,2003,34: 127-136.

[29]Janson CG,McPhee SW,Francis J,et al.Natural history of Canavan disease revealed by proton magnetic resonance spectroscopy (1HMRS)and diffusion-weighted MRI[J].Neuropediatrics,2006,37: 209-221.

[30]AssadiM,Janson C,Wang DJ,et al.Lithium citrate reduces excessive intra-cerebral N-acetyl aspartate in Canavan disease[J]. Eur J Pediatr Neurol,2010,14:354-359.

[31]Varho T,Komu M,Sonninen P,et al.A new metabolite contributing to N-acetyl signal in1H MRS of the brain in Salla disease[J]. Neurology,1999,52:1668-1672.

（收稿2014-05-04）

本刊声明

鉴于近期不断有读者及作者向本刊编辑部反映，有与本刊名称相似的刊物，造成了期刊的混淆，本刊特此声明： 《国际医学放射学杂志》 （原 《国外医学临床放射学分册》）为 “国际医学”系列期刊之一，本刊无外设及委托机构。编辑部通讯地址：天津市和平区贵州路96号D座；电话：022-23337523；E-mail：lffc@vip.tom.com。投稿网址：www.ijmradiol.ac.cn。敬请广大作者投稿时注意。

Application of1H-magnetic resonance spectroscopy in inherited leukodystrophies

CHENG Ailan,JIN Biao.Department of Radiology,Xinhua Hospital，Shanghai Jiao Tong University School of Medicine,Shanghai 200092,China

Inherited leukodystrophies are a heterogeneous group of diseases caused by enzyme or gene deficiencies, resulting in abnormal formation,turnover or destruction of myelin.As lack of clinical and imaging specificities,diagnosis of leukodystrophies is still a challenge.MRS is the only noninvasive tool to detect metabolites in vivo which can be used in the diagnosis and prognosis of leukodystrophies.Here we reviewed the application of1H-MRS used in different inherited leukodystrophies.

Magnetic resonance spectroscopy;Hereditary leukodystrophies;Brain;Dysmyelination;White matter

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0101

200092上海，上海交通大学医学院附属新华医院放射科

金彪，E-mail：kking1105@163.com

*审校者