外周炎症细胞与岛叶胶质瘤（伴/不伴癫痫）脑重塑的双重关联：一项探索性分析 中文标题：脑重塑新视角：外周炎症细胞与伴/不伴癫痫岛叶胶质瘤的双向关联及临床预测价值探索

《CNS Neuroscience & Therapeutics》：The Dual Associations of Peripheral Inflammatory Cells With Brain Reorganization in Insular Gliomas With/Without Epilepsy: An Exploratory Analysis

本研究通过虚拟脑移植（VBG）技术消除肿瘤占位效应，结合深度学习分割，首次系统比较了伴癫痫（IRE）与不伴癫痫（IRnE）的岛叶胶质瘤患者脑结构重塑的差异模式。研究发现，IRE患者表现为同侧灰质体积（GMV）增加和对侧环状脑回指数（Toro GI）升高，而IRnE患者表现为对侧脑回指数（GI）增加。关键发现是，升高的Toro GI对术后癫痫控制具有初步预测价值，并与IRE患者外周血白细胞（WBC）、单核细胞（MONO）和中性粒细胞（NEUT）计数呈负相关，而在IRnE中观察到与GI的正相关关系。研究提示，脑组织对IRE和IRnE采用了不同的适应性重塑模式，这些过程可能与特定的外周炎症细胞相关，为理解疾病机制、探寻非侵入性生物标志物和制定个体化治疗策略提供了新见解。

　　

1 引言

胶质瘤是常见的原发性颅内恶性肿瘤，常累及岛叶。临床经验表明，岛叶胶质瘤相关癫痫（IRE）会严重影响患者生活。随着先进的高分辨率多模态磁共振成像（MRI）的应用，研究人员在胶质瘤和癫痫患者中发现了一些脑拓扑结构的变化。基于图论分析，已有研究证实IRE可能损害额枕神经纤维和脑功能网络。此外，有报道称，作为大脑适应癫痫的一部分，多个区域的灰质体积和结构复杂性会增加。这意味着在神经结构的损伤与重组之间存在微妙的平衡。然而，由于肿瘤占位效应的影响，针对IRE和岛叶胶质瘤不伴癫痫（IRnE）的形态学分析研究较少。先前研究表明，虚拟脑移植（VBG）作为一种开源工作流程，旨在减轻肿瘤占位效应对影像分析的混杂影响。基于相应的肿瘤掩模，它可以通过对原始结构MRI（如影像翻转、供体图像生成和病灶填充）进行稳健处理，为后续研究提供生成的合格脑图像。其稳定性已被现有研究证实。此外，随着影像组学中对精确掩模和特征提取的进一步要求，深度学习和nnU-Net_v2模型被广泛应用。其核心优势是一个涵盖数据预处理、网络结构选择、训练策略和推理过程的自动化、自适应流程，能为VBG和后续处理提供相对准确的肿瘤掩模。本研究旨在利用这种组合方法，探索大脑在面对IRE和IRnE时的结构变化。

此外，近期研究支持在某些疾病（如多发性硬化症和癫痫）中，脑重塑与特定的脑脊液（CSF）细胞因子相关。然而，由于获取术前或术中样本的挑战以及肿瘤异质性，这些关联在IRE中的进一步探索受到限制。考虑到这些困难，外周血检查作为一种非侵入性方法，正受到越来越多的关注。先前研究揭示了血清、CSF和实体组织之间炎症和癫痫指标存在大量重叠。此外，有研究表明，在某些精神障碍中，外周代谢产物与灰质体积呈负相关。这些发现支持外周血成分可能反映脑重组过程。在这项探索性研究中，我们研究了消除占位效应后的脑重塑，并探索了重塑与外围血成分之间的潜在关联。通过将影像学与临床信息联系起来，我们希望为临床医生提供理解IRE的不同视角，为在CSF和实体组织中进一步识别更具体的生物标志物提供建议，并为未来的治疗策略提供新见解。

2 材料与方法

2.1 参与者

该研究获得了北京天坛医院机构审查委员会的批准。从每位参与者处获得了书面知情同意书（批准号：KY 2020–146-02）。纳入标准如下：(i) 根据WHO标准确诊为岛叶胶质瘤；(ii) 年龄≥18岁；(iii) 在MRI采集前无既往活检、手术、放疗或化疗史；(iv) 无因占位效应引起的显著中线偏移；(v) 存在轻度至中度脑水肿，无异常灰质/白质区分或表面结构扭曲；(vi) 癫痫类型限于全身强直-阵挛发作和失神发作，可根据临床症状和脑电图结果诊断。

2.2 临床信息与MR成像参数

患者信息从病历中获取，包括人口统计学数据、术前实验室结果、组织病理学和分子特征。肿瘤位置、体积和MR成像参数均来自术前MRI数据。

2.3 影像预处理

2.3.1 胶质瘤分割

胶质瘤分割采用深度学习和nnUNet_v2模型流程进行。所有分割任务均在运行Ubuntu 22.04操作系统的工作站上进行，配备了14核CPU、32GB RAM和NVIDIA RTX 4090 GPU（24GB VRAM）。软件环境基于Python 3.12和具有CUDA 12.1支持的PyTorch 2.3.0构建。nnUNet_v2框架的部署通过克隆官方仓库并执行可编辑安装实现。模型训练采用三维全分辨率模型，200个训练轮次和五折交叉验证。模型生成的所有病灶掩模均由两名具有认证资格的神经放射科医生独立审查。如果生成的自动分割不准确，将进行手动勾画。

2.3.2 脑重建

脑重建采用VBG流程、T1加权序列数据和相应的肿瘤掩模进行。该流程通过以下核心步骤自动完成病灶填充：(i) 基础预处理：图像重定向、去噪、偏置场校正、去颅骨和空间配准；(ii) 初始供体图像生成：影像翻转、拼接脑和初始填充脑；(iii) 通过加权混合和数学细化实现最终供体图像生成。

2.3.3 形态计量学分析

处理依赖MATLAB R2022b、SPM12 v7771和CAT12 v12.8.2软件，步骤包括：(i) 基于体素的形态学分析（VBM）：涉及自动组织分割、空间归一化、使用DARTEL算法生成灰质/白质和脑脊液概率图；(ii) 基于表面的形态学分析（SBM）处理：包括皮质表面重建、拓扑校正、球面配准和基于表面的归一化，生成每个大脑半球的中央皮质表面；(iii) 形态学特征（如灰质体积（GMV）、分形维度（FD）、脑回指数（GI）、环状脑回指数（Toro GI）、沟深度和皮质厚度）由CAT12从中央表面提取；(iv) 使用8 mm高斯核对GMV和12 mm核对其余表面相关指标进行空间平滑。由经验丰富的专家（J.X.，超过20年经验）使用CAT12质量报告和视觉检查评估灰质和表面网格质量。

2.4 统计分析

临床信息比较采用χ²检验、t检验和单因素方差分析（ANOVA）。形态学分析使用MATLAB、SPM和CAT12进行。多重比较采用家族错误率（family-wise error rate）校正。随后，从显著差异区域提取结构指标，并使用Newman–Keuls多重比较检验进行事后比较。为便于观察，我们根据肿瘤侧别和是否伴癫痫，将一些重组区域视为不同的整体，并基于Z分数标准化的结构指标进行主成分分析（PCA）。回归分析用于评估结构指标对术后癫痫控制和肿瘤复发的预测价值。线性回归分析用于探索临床变量与脑重塑之间的关联。显著性阈值设定为p < 0.05（双尾）。

3 结果

3.1 描述性分析与术前检查分析

最初，本研究招募了110名岛叶胶质瘤患者和50名健康对照（HC）。由于影像质量不佳或拒绝接受手术，7名患者被排除。最终共纳入103名岛叶胶质瘤患者（其中51名伴IRE）。患者根据年龄（> 40岁）和Ki-67水平（> 10%）进行分类。IRE、IRnE和HC组之间在人口统计学或临床信息方面无显著差异。关于外周血成分，IRE和IRnE之间存在显著差异。例如，IRnE患者白细胞（WBC）、淋巴细胞和血小板计数更高，单核细胞百分比相对较低。肝肾功能无差异。

3.2 形态计量学探索

3.2.1 VBM与SBM分析

全脑VBM分析表明，三组之间无显著差异区域。考虑到肿瘤位置的影响，我们进行了进一步的亚组分析。与左侧IRnE（IRnE_L）相比，左侧IRE（IRE_L）在同侧颞下区表现出灰质体积（GMV）增加。与右侧IRnE（IRnE_R）相比，右侧IRE（IRE_R）在同侧内侧和颞下区表现出GMV升高。同样，在全脑SBM分析中，三组之间皮质无显著差异。结合肿瘤侧别进行亚组分析显示，IRE组对侧半球的环状脑回指数（Toro GI）增加，特别是IRE_L患者的右侧额下回皮质，以及IRE_R患者的左侧额上回、额中回和中央前回皮质。同时，在IRnE的对侧观察到脑回指数（GI）升高，包括IRnE_L患者的右侧额上回、额中回、颞中回、颞下回和楔前叶皮质，以及IRnE_R患者的左侧颞下回和后扣带回区域。这意味着IRE和IRnE表现出不同的重组模式。

随后，我们探讨了肿瘤特征对脑重组的潜在影响，并进行了进一步的回归分析。单变量分析显示，当肿瘤特征包括MGMT甲基化阳性、TP53野生型、IDH野生型、ATRX野生型、更高WHO分级和Ki-67水平升高时，Toro GI倾向于更高。GI的增加也与TP53突变、IDH野生型、更高WHO分级和Ki-67水平升高相关。然而，多变量分析表明，这些肿瘤特征并未影响脑重塑。此外，增加的GMV与肿瘤特征无关。

3.3 回归分析

为了探索对术后事件的潜在预测价值，我们再次根据肿瘤侧别将重组区域视为两个整体，并进行了后续分析。回归分析表明，Toro GI的增加与相对较低的术后癫痫风险相关（IRE_L: 相关性系数 = -0.14; IRE_R: 相关性系数 = -0.09; 均p < 0.05）。对术后癫痫的预测性能分别为0.75（IRE_L）和0.67（IRE_R）。尽管增加的Toro GI也能预测肿瘤复发，但由于样本量有限，预测准确性出现过拟合现象。在IRnE的GMV或GI中未发现类似的预测值。

3.4 相关性分析

我们探讨了外周血成分与脑重塑之间的关联，并在不同的重组区域中识别出多种关系。对于IRE_L，右侧额下回皮质Toro GI的增加与WBC计数呈负相关。对于IRE_R，在WBC计数与左侧额上回和额中回皮质Toro GI增加之间观察到类似的关联。相反，对于IRnE_L，额上回、颞中回、颞下回和楔前叶皮质GI的增加与WBC计数呈正相关。此外，几种外周血成分，特别是单核细胞（MONO）和中性粒细胞（NEUT），也与一些重组区域相关。

随后，我们再次将IRE和IRnE中的区域视为两个整体，从整体层面探索潜在的关联。对于IRE，Toro GI的增加与WBC、MONO和NEUT计数呈负相关。相反，在IRnE中，GI的增加与WBC、MONO和NEUT计数的关系是相反的。虽然其他指标（如淋巴细胞、肌酐、丙氨酸氨基转移酶和天冬氨酸氨基转移酶）可能与特定区域的脑重组过程相关，但在整体层面，它们与脑重塑之间没有显著关联。

最后，我们进行了初步的探索性分析，尝试分析脑重塑与特定外周炎症细胞之间的方向性关系。分析认为，因果方向更可能解释为炎症细胞影响脑重塑。然而，由于缺乏纵向研究，这些结果应谨慎解释。换言之，脑重塑对炎症细胞的影响也可能客观存在。

4 讨论

先前研究支持大脑具有足够的可塑性以适应不同的癫痫亚型。尽管岛叶胶质瘤相关癫痫（IRE）频繁发生，但由于肿瘤占位效应，对IRE的形态学分析较少。受益于虚拟脑移植（VBG）和深度学习，我们消除了占位效应，重建了肿瘤累及区域，并探索了潜在的结构变化。结果表明，当大脑面对IRE和IRnE时，能够进行不同的重组模式。回归分析表明，肿瘤特征的影响相对有限。值得注意的是，重组过程可能与白细胞（WBC）、中性粒细胞（NEUT）和单核细胞（MONO）的外周计数相关。换句话说，术前外周血成分（即特定的炎症细胞）可能作为脑重塑的非侵入性、有前景的预测因子，为理解IRE和未来治疗过程提供新见解。

从形态学分析中，我们观察到IRE患者GI相对降低。先前研究揭示了癫痫中类似的皮质改变。更重要的是，我们在几个IRE区域识别出GMV增加和Toro GI升高，分别位于同侧灰质和对侧皮质。作为一种更精确的测量方法，Toro GI可能对皮质折叠复杂性的细微和空间受限变化更敏感，可能反映了由癫痫发作引发的局部代偿性重塑或神经可塑性反应。此外，考虑到IRnE中GI的增加，胶质瘤和占位效应可能诱导了适应结构扭曲的不同重组模式。我们认为，在IRE和IRnE中，脑结构损伤与代偿性重组之间存在微妙的平衡。当前研究从其他角度支持了重组过程。尽管单变量回归分析表明脑重组与肿瘤特征（如IDH状态和WHO分级）相关，但在控制变量相互作用的多变量分析中未观察到这些关联。从这一角度来看，临床医生或许能够根据不同的症状将岛叶胶质瘤区分为不同的亚型，并更好地理解脑重组过程。进一步分析表明，Toro GI的增加对IRE的术后癫痫具有预测价值。这间接支持了大脑可以对癫痫发作进行适应性反应，并为未来的临床管理以及抗癫痫药物的个性化给药和停药策略提供了有价值的建议。

从相关性分析中，我们尝试探索术前外周血成分与脑重组之间的关联，并识别这种非侵入性方法中潜在的预测性生物标志物。分析表明，Toro GI和GI与WBC、NEUT和MONO的外周计数相关。一些研究支持我们的结果。这些发现支持，作为一种有前景的非侵入性方法，外周血检查可能反映特定疾病模型中的脑重塑。结合Toro GI值，这些生物标志物或其组合可能帮助临床医生更准确地预测术后癫痫，并为手术和抗癫痫策略提供额外建议。此外，正如神经肿瘤学学会共识所提到的，目前抗癫痫药物的停药缺乏统一标准，通常依赖于脑电图结果，这提供的临床支持相对有限。未来，随着更大规模前瞻性队列研究的实施，可以进一步验证这些外周生物标志物的最佳截断值和可行性，并可能将其纳入更可靠的临床预测模型中，以支持不同阶段的临床决策。

4.1 外周血炎症与IRE和IRnE脑重组之间的关系

出乎意料的是，重组与外围炎症成分（即WBC、NEUT和MONO）之间的关联似乎在IRE和IRnE之间有所不同。几项研究报告了复杂的关系。这些发现表明，炎症的影响可能因不同的疾病模式和阶段而异。

从生物学角度，癫痫可能在IRE中相对较短的时间内破坏血脑屏障（BBB）。外周炎症细胞及相关因子（如单核细胞和IL-1β）可以影响BBB的细胞成分或直接穿过BBB，激活小胶质细胞，并增加过度的神经炎症。先前研究支持，过度活跃的反应会抑制神经元树突生长、髓鞘化和突触重塑。同时，一些炎性细胞因子可能通过复杂的分子相互作用直接损害神经可塑性通路。此外，癫痫可能导致谷氨酸受体过度激活，导致神经元兴奋性毒性。现有研究表明，GLT-1是一种关键的转运蛋白，可以从突触间隙清除谷氨酸，防止其过度积累。一些研究揭示，升高的外周炎症细胞会损害星形胶质细胞介导的GLT-1功能，导致进一步的神经元兴奋性毒性。从拓扑学角度来看，影像学研究表明，癫痫可能影响脑网络水平，并诱导其他区域的结构重组。因此，外周炎症可能会降低癫痫灶与潜在重组区域之间的连接强度。我们推测，这些过度兴奋的反应可能解释了为什么在IRE中外周炎症细胞计数与脑重组呈负相关。

与IRE不同，IRnE患者是在常规体检或因慢性头痛或肢体肌肉力量逐渐下降而就医时接受检查的。胶质瘤可能逐渐侵入邻近的正常组织，并在相对稳定的状态下诱导慢性全身性炎症反应。目前研究支持，慢性外周炎症可以促进血管再生、少突胶质前体细胞（OPC）增殖并增强髓鞘可塑性，从而促进大脑可塑性和重组。例如，有研究发现，在受慢性炎症影响的双相情感障碍患者中，外周细胞因子水平与皮质厚度呈正相关。类似关联在精神病中也有报道。还有研究揭示，长期新冠肺炎可以在外周血中创造一个促炎环境，并使颅内小胶质细胞变得过度反应，从而诱导皮质重组。这一证据表明，外周炎症可能作为能够诱导IRnE脑重组的适当刺激。结合不同的免疫景观和重组模式，IRE和IRnE可能代表了岛叶胶质瘤的不同亚型。从独特的角度认识岛叶胶质瘤，可能为未来的分层疾病管理提供新的见解和有价值的建议。

尽管因果方向更可能解释为炎症细胞影响脑重组，但也应强调客观存在的反向潜在关联。例如，由损伤或刺激引起的脑网络重组可能通过多种途径或轴改变外周炎症，例如副交感和交感神经系统、经典的HPA轴以及传出迷走神经-胆碱能信号通路。临床证据也证明了这种关联。然而，关于结构重组（如灰质体积）的证据仍然有限。因此，有必要在未来的研究中继续阐明并准确描述神经-免疫调节通路内的相互作用。

我们的研究存在一些局限性。首先，作为一项小规模的横断面研究，脑重塑与外周炎症细胞之间的因果关系有限，应谨慎解释。未来，我们应在一些选择暂时观察而拒绝手术的患者中进行大规模、纵向和前瞻性研究，以进一步确定其关联和最佳截断值。其次，一些患者无法客观描述其详细症状和癫痫发作频率。因此，我们未讨论癫痫的详细特征。我们研究的稳定性可能受到潜在影响。第三，尽管IRE和IRnE患者在术前和术后都接受了合适的标准化抗癫痫治疗，但由于医疗条件和个人患者状况，真实的治疗策略可能存在潜在差异，这可能影响外周血成分和脑重塑。第四，作为一项探索性研究，我们识别了几个指标，并试图引起对外周血炎症，特别是WBC、NEUT和MONO的足够关注。然而，有必要识别更具体的生物标志物并获得更直接的证据，例如外周血或CSF中的白细胞介素水平。最后，我们将IRE和IRnE中的脑重塑视为两个整体，未进一步探讨特定区域中个体指标的潜在功能。

4.2 结论

我们的研究表明，大脑在IRE（即GMV和Toro GI增加）和IRnE（即GI增加）中表现出不同的重组模式。Toro GI对IRE术后癫痫控制显示出预测价值。重要的是，我们识别了脑重塑与外周炎症细胞（如WBC、NEUT和MONO）之间的关联。这种关联的方向似乎在IRE和IRnE之间存在差异。未来，需要进行纵向研究，以进一步阐明神经-免疫相互作用的因果关系，并识别潜在的特异性生物标志物，为术后癫痫预测、治疗策略和停药标准提供建议。