В условиях старения населения планеты распространенность деменции растет. Смягчение последствий деменции в будущем будет зависеть от выявления подверженных этому риску лиц, в частности с синдромом мягкого когнитивного снижения (Mild Cognitive Impairment — MCI). Исследования аномалий в головном мозге могут повысить надежность раннего выявления лиц с MCI. Более того, исследования в области нейронных и глиальных механизмов MCI могли бы способствовать получению необходимых знаний для разработки профилактических мероприятий, основанных на фактических данных. Для того чтобы понять патофизиологию ранней стадии когнитивного ухудшения, необходимы исследования с использованием нейровизуализации. Помимо объемных анализов серого и белого вещества, основанных на сканировании с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), нейровизуализация с использованием однопротонной магнитно-резонансной спектроскопии (1H-МРС) неинвазивно предоставляет локализованную нейрохимическую информацию о мозге, которая в перспективе может свидетельствовать о ранней дегенерации. В настоящее время 1H-МРС используется для изучения метаболических отклонений, которые могут послужить маркерами клеточного повреждения или изменения популяции тех или иных клеток, что полезно в отслеживании прогрессирования заболевания [1]. Такие метаболиты, как N-ацетиласпартат (NAA), мио-инозитол (mI), холинсодержащие соединения (Cho), креатин (Cr), а также соотношения NAA/Cr, NAA/mI и mI/Cr, были предложены как потенциальные биомаркеры дисфункции головного мозга у пациентов с болезнью Альцгеймера (БА). Каждый из этих метаболитов чувствителен к различным патологическим процессам в головном мозге [2].
Цель настоящей работы — сравнительная оценка абсолютных концентраций метаболитов и их относительных уровней по данным МР-спектроскопии у лиц пожилого возраста с MCI и группы контроля для выявления диагностической значимости возможных отклонений измеряемых параметров.
Материал и методы
Участники исследования были отобраны в отделе гериатрической психиатрии НЦПЗ и прошли клиническую и психометрическую оценку. Проведение исследования соответствовало положениям Хельсинкской декларации 1964 г., пересмотренной в 1975—2013 гг. и одобрено локальным Этическим комитетом ФГБНУ НЦПЗ (Протокол №496 от 22.91.19).
Критерии включения: возраст 50 лет и старше; наличие синдрома MCI (для основной группы), верифицированного согласно диагностическим критериям Национального института старения и Американской альцгеймеровской ассоциации (NIA-AA) [3]; получение письменного информированного согласия от пациента.
Критерии невключения: диагноз деменции; неврологические заболевания (врожденные и/или приобретенные метаболические энцефалопатии, токсические и лекарственные энцефалопатии, болезнь Паркинсона, мультиинфарктная деменция, инсульт, эпилепсия, инфекционные заболевния, демиелинизирующие и наследственно-дегенеративные заболевания ЦНС); неопластические и/или травматические повреждения головного мозга; системные заболевания; тяжелая органная патология; злокачественные экстрацеребральные опухоли; психические заболевания; алкоголизм и/или лекарственная зависимость; медикаментозная или иная интоксикация; наличие противопоказаний для проведения МРТ.
Всего в исследовании приняли участие 65 человек, которые были разделены на группы: основную (MCI): n=37 (32 женщины и 5 мужчин, средний возраст 67,2±5,8 года); контрольную (контроль), без объективно подтвержденных когнитивных расстройств: n=28 (25 женщин и 3 мужчины, средний возраст 65,2±7,2 года).
Измерения проводились врачом-рентгенологом на томографе Philips Ingenia с магнитным полем 3.0 Тл. Для регистрации спектров использовалась импульсная последовательность PRESS со следующими параметрами: TE=35 мс, TR=2000 мс, NSA=80, количество точек спектра: 2048, BW=4000 Hz. Также регистрировали референсный спектр, состоящий из сигнала воды без подавления. Спектроскопический воксель размером 20×20×30 мм был расположен в задней поясной коре (ЗПК).
Для более точной оценки проведены количественная обработка и расчет абсолютных концентраций метаболитов из их интенсивностей. С поправкой на параметры последовательности импульсов и скорость магнитной релаксации протонов в метаболитах абсолютные концентрации метаболитов вычислялись по следующей формуле [4]:
где SM и SH2Oref — интенсивность резонансной линии каждого метаболита и H2Oref, [H2O] — концентрация воды в паренхиме мозга (55,556 мМ), NH2O и Nmet — количество протонов, дающих вклад в сигналы воды и метаболитов; fGM, fWM и fCSF — доли серого вещества, белого вещества и спинномозговой жидкости соответственно; RH2OGM, RH2OWM и RH2OCSF — коэффициенты, корректирующие времена релаксации T1 и T2.
Для нахождения парциальных объемов (доли серого, белого вещества и спинномозговой жидкости в вокселе) строилась маска в программе Gannet на базе MATLAB [5], благодаря которой воксели, не принадлежащие области сканирования, исключались из анализа. T1-изображение мозга сегментировалось на серое, белое вещество и спинномозговую жидкость. Предварительно в программе FSL BET исключались ткани, не относящиеся к церебральным структурам (кожа, кости черепа, мозговые оболочки) [6]. Сегментация осуществлялась в программе FSLFAST (FMRIB’s Automated Segmentation Tool) [6].
Для количественного определения долей серого вещества, белого вещества и спинномозговой жидкости в спектроскопическом объеме интереса применялся встроенный инструмент fslstats. Этот инструмент позволяет находить различные параметры, исходя из интенсивностей изображений, а также предоставляет возможность в наложении маски таким образом, что параметры вычисляются только внутри принадлежащей маске области. В данной работе для расчета парциальных объемов вычислялись среднее значение интенсивности, объем и количество ненулевых вокселей внутри маски объема интереса.
Статистический анализ данных проводился в программе GraphPrism 8. Для определения достоверных межгрупповых различий использовались тесты Манна—Уитни или t-тест.
Результаты
Типичные виды спектров, отражающих интенсивность концентраций основных метаболитов для пациентов с MCI и контрольной группы, представлены на рис. 1 и 2 на цв. вклейке.
Рис. 1. Типичный вид спектров для лица из контрольной группы.
Рис. 2. Типичный вид спектров для лица с MCI.
Однако только на основе внешнего вида спектров невозможно сделать выводы об изменениях, происходящих при MCI, вследствие визуальной схожести спектров для пациентов из обеих групп. Таким образом, дальнейшая оценка различий проведена после расчета абсолютных концентраций с коррекцией тех факторов, которые невозможно применить к анализу спектров и учесть при оценке их внешнего вида.
У пациентов с MCI выявлено достоверное увеличение абсолютной концентрации Cho и отношения концентраций Cho/tCr, а также достоверное уменьшение отношения абсолютных концентраций NAA/mI в ЗПК. Концентрация креатина относительно стабильна в различных патофизиологических изменениях, поэтому значения концентраций метаболитов, нормированные на креатин, могут объективно отображать изменения измеряемых метаболитов [7]. Средние значения для относительных и абсолютных концентраций метаболитов представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Значения интенсивностей сигналов метаболитов, нормированных на интенсивность tCr
| Показатель | NAA | Glx | mI | Cho |
| Контроль | 1,284±0,021 | 1,79±0,04 | 0,758±0,014 | 0,205±0,005* |
| MCI | 1,261±0,017 | 1,71±0,05 | 0,795±0,015 | 0,215±0,015 |
Примечание. Здесь и в табл. 2—4: NAA — N-ацетиласпартат, Glx — глутамат и глутамин, mI — мио-инозитол, Cho — холинсодержащие соединения. * — p<0.05.
Таблица 2. Значения абсолютных концентраций метаболитов (mM), в качестве погрешностей обозначены стандартные ошибки среднего
| Показатель | tCr | NAA | Glx | mI | Cho | NAA/mI |
| Контроль | 6,20±0,11 | 7,91±0,12 | 11,1±0,3 | 4,76±0,15* | 1,254±0,028 | 1,73±0,04* |
| MCI | 6,23±0,09 | 7,86±0,14 | 10,7±0,4 | 4,97±0,13 | 1,341±0,028 | 1,61±0,04 |
Примечание. Здесь и в табл. 3, 4: tCr — суммарный сигнал креатина и фосфокреатина.
Полученные значения абсолютных концентраций метаболитов у лиц контрольной группы согласуются с данными литературы [8].
Согласно значениям интенсивностей метаболитов, нормированных на tCr, было определено, что у пациентов с MCI достоверно увеличивается только Cho (p=0,0475). В то же время, по данным абсолютных концентраций, помимо изменения Cho, у пациентов основной группы также уменьшается отношение NAA/mI (p=0,0440), что говорит в пользу подхода, использующего расчет абсолютных концентраций.
Табл. 3 и 4 содержат значения коэффициентов корреляции с возрастом испытуемых. Для обеих групп было установлено, что Cho, mI, NAA/mI не имеют статистически значимой корреляции с возрастом. Это может свидетельствовать, что изменения концентрации и интенсивности метаболитов, которые были выявлены, являются характеристиками MCI, а не результатом нормального старения.
Таблица 3. Корреляционные коэффициенты между возрастом и абсолютными концентрациями
| Показатель | Контроль | MCI | ||
| R | p | R | p | |
| tCr | 0,4063 | 0,0319 | 0,2371 | 0,1576 |
| NAA+NAAG | 0,5023 | 0,0065 | 0,3715 | 0,0236 |
| Glx | 0,5695 | 0,0016 | –0,07750 | 0,6484 |
| mI | 0,2912 | 0,1327 | 0,1984 | 0,2391 |
| Cho | –0,09202 | 0,6414 | 0,2812 | 0,0918 |
Примечание. Здесь и в табл. 4: NAA+NAAG — комбинированная концентрация N-ацетиласпартата и N-ацетиласпартилглутамата.
Таблица 4. Корреляционные коэффициенты между возрастом и интенсивностями концентраций
| Показатель | Контроль | MCI | ||
| R | p | R | p | |
| NAA+NAAG | –0,038 | 0,844 | 0,149 | 0,149 |
| Glx | 0,335 | 0,080 | –0,229 | 0,171 |
| mI | –0,075 | 0,701 | 0,118 | 0,484 |
| Cho | –0,461 | 0,013 | 0,018 | 0,912 |
| NAA/mI | 0,054 | 0,784 | 0,0005 | 0,997 |
Обсуждение
Хотя точный механизм изменения концентрации метаболитов при МРС в ЗПК неизвестен, что признается многими авторами [9], обнаруженные отклонения от нормы, вероятно, являются важным наблюдением, отражающим патофизиологию заболевания.
Ранее опубликованные данные литературы о динамике концентрации холинсодержащих соединений при MCI противоречивы. Так, в исследовании, в котором сравнивались группы пациентов с амнестическим и неамнестическим MCI с группой нормы, выявить изменения относительной концентрации холинсодержащих соединений в ЗПК не удалось [10, 11]. Одной из возможных причин отсутствия изменений может быть вариабельность результатов исследований, связанная с различиями в выборке пациентов, протоколах исследования и методах анализа данных. Также важно учитывать, что MCI представляет гетерогенное состояние с разными подтипами и клиническими проявлениями, что может влиять на результаты исследований. Кроме того, изменения концентрации холинсодержащих соединений в ЗПК могут быть незначительными или могут варьироваться в зависимости от стадии и прогрессии MCI. Изменения метаболического профиля и концентрации Cho могут проявляться в других областях мозга, которые не были рассмотрены в данных исследованиях. Однако в работах [12, 13] сообщается об увеличении Cho/Cr в ЗПК, что косвенно может свидетельствовать о разрушении клеточной мембраны нейронов.
Полученные в данном исследовании результаты о значимом увеличении нормированной концентрации Cho/tCr, наряду с увеличением абсолютной концентрации Cho, а также о достоверном уменьшении отношения абсолютных концентраций NAA/mI в ЗПК соотносятся с результатами систематического обзора и метаанализа [14], где авторы также выявили снижение отношения NAA/mI и повышение отношения Cho/Cr в ЗПК у пациентов с MCI по сравнению с контрольной группой. Авторы считают, что показатели NAA могут быть наиболее надежным маркером дисфункции головного мозга при MCI.
Холин является важным метаболитом в человеческом мозге, который выполняет разнообразные биохимические функции и участвует во множестве процессов. Он играет ключевую роль в синтезе нейромедиатора ацетилхолина, а также является составной частью фосфолипидов, составляющих клеточные мембраны и участвующих в различных сигнальных процессах. Пик холина, наблюдаемый на спектрах, отражает суммарный сигнал фосфохолина и глицерофосфохолина — двух его цитозольных метаболитов, поскольку уровни свободного холина и ацетилхолина в головном мозге относительно низки, о чем говорят данные J. Klein [15]. Следовательно, под увеличением концентрации холина подразумевается увеличение фосфохолина и глицерофосфохолина, наблюдаемое, в частности, при MCI. Автор также указывает на токсический эффект этих метаболитов, вероятно, связанный с повреждением клеточной мембраны, которое в свою очередь ограничивает функциональные возможности клеток и угрожает их выживанию. При этом J. Klein подчеркивает патофизиологическую важность именно глицерофосфохолина в метаболизме фосфотидилхолина, поскольку фосфохолин является как анаболическим, так и катаболическим звеном, что не позволяет сделать достоверные выводы о состоянии мембран в зависимости от его концентрации.
Распад фосфотидилхолина схематически изображен на рис. 3. Описанные реакции являются частью цикла метаболизма фосфолипидов, особенно важного в поддержании структурной и функциональной целостности клеточных мембран.
Рис. 3. Схема метаболизма фосфотидилхолина.
Одним из вероятных исходов MCI является прогрессирование до стадии деменции, в частности БА [16]. При БА наблюдается более выраженное увеличение концентрации холина, определяемое в области ЗПК, о чем свидетельствуют данные метаанализа T. Song и соавт. [9]. Проведенное нами исследование показывает, что подобные отличия в метаболизме холинсодержащих соединений отмечаются уже на ранней додементной стадии БА, а именно у пациентов с MCI.
Ранее были проведены систематический обзор и метаанализ исследований, посвященных изменениям концентрации метаболитов при БА [17]. Исследователи обнаружили, что в ЗПК наблюдались существенное снижение отношения NAA/Cr и значительное увеличение уровня mI/Cr. Была отмечена прочная положительная корреляция между уровнем амилоидной нагрузки и отношением mI/Cr и mI/NAA, что наблюдалось уже на ранних стадиях БА перед появлением симптомов. Полученные результаты привели авторов метаанализа к выводу, что повышенные уровни mI, которые отражают активацию глиальных клеток и воспалительные изменения, могут предшествовать клинической презентации БА.
В других исследованиях предполагается [9, 18, 19], что снижение NAA/mI является чувствительным маркером, отражающим патологические изменения при MCI и БА и способным предсказывать нарастающую когнитивную дисфункцию и феноконверсию в деменцию. Более того, данное отношение было признано надежным маркером, отражающим альцгеймеровскую природу нейродегенеративного заболевания. NAA обнаруживается в нейронах, и, таким образом, уменьшение его концентрации отражает потерю или дисфункцию нейронов, в то время как mI является маркером глиальных клеток [20].
В настоящее время в литературе оценка уровней метаболитов в силу разных причин чаще всего представлена в виде нормированного отношения интенсивности сигнала метаболита к сигналу креатина, а не в виде абсолютных концентраций. Эти измерения рассчитывают на основе предположения о постоянной концентрации креатина и используют его сигнал в качестве эталона [21]. С одной стороны, простота и практическое удобство этого подхода, с другой — сложности в получении достоверных абсолютных концентраций делают оценку нормированных концентраций более предпочтительной. Однако в недавней работе продемонстрировано, что оценка только лишь относительных концентраций без учета таких факторов, как скорость релаксации метаболита и параметров последовательности импульсов, может вносить существенные ошибки [22]. Интерпретация относительных данных может быть неоднозначной в случаях потенциально измененной концентрации креатина, например при ранней стадии нейродегенеративных процессов или при наличии опухолей головного мозга. В таких случаях невозможно дать надежную интерпретацию относительным значениям. Кроме того, использование абсолютных измерений значительно облегчает сравнение данных, полученных различными методами в силу отсутствия единой методики, которая учитывала бы множество варьирующихся факторов со стороны как оборудования, так и пациента. Кроме того, при расчете абсолютных концентраций учитывается неоднородность состава вокселя, который состоит из различных компартментов, из-за чего концентрация метаболитов сильно варьирует. Именно поэтому использование абсолютных концентраций является наиболее предпочтительным подходом на сегодняшний день.
Заключение
Таким образом, приведенные в настоящей работе данные подчеркивают вклад нейродегенерации — одной из множества выделяемых в настоящее время причин MCI. В данном исследовании продемонстрировано, что определение уровня холинсодержащих соединений и отношения NAA/mI в ЗПК может быть перспективным в качестве метода диагностики метаболических нарушений, косвенно отражающих начинающуюся нейрональную дисфункцию, и, предположительно, может рассматриваться как биомаркеры MCI у пожилых людей. Необходимы дальнейшие исследования, связывающие выраженность метаболических изменений с последующим прогрессированием когнитивных нарушений.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.