《Annals of Neurology》：Electrical Impedance Myography Detects Disease Progression over 12 to 24?Months in Facioscapulohumeral Muscular Dystrophy
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本研究是一项大型多中心自然史研究（ReSolve FSHD），验证了电阻抗肌图（EIM）作为面肩肱型肌营养不良症（FSHD）患者肌肉成分变化的非侵入性生物标志物的价值。结果表明，EIM相位（Phase）指标具有优异的信度、效度，并在12至24个月内对疾病进展表现出高敏感性，支持其作为临床试验生物标志物的潜力，或有助于减少试验所需样本量。
方法
患者、资格与伦理批准
本研究数据来源于ReSolve FSHD多中心自然史研究，该研究在2018年至2023年间对患者进行了随访。纳入的患者年龄在18至75岁，具有经基因确诊的FSHD1型诊断或具有典型临床表现且父母或子女受累的临床诊断。参与者必须有症状性肢体无力，但需要能够在不借助他人支撑的情况下行走30英尺。所有参与者的基因诊断在研究过程中均得到确认。EIM测量在美国的8个研究中心进行。对于美国中心，研究获得了堪萨斯大学医学中心中央机构审查委员会人类受试者委员会的批准。所有参与者均签署了书面知情同意书。本研究的实施和报告遵循了观察性研究流行病学报告规范（STROBE）清单。
EIM数据采集
EIM测量使用Skulpt公司制造的手持式EIM设备进行。在研究开始时，各中心进行了包括使用校准设备检查传感器频率响应在内的质量保证。评估员在第一年的研究者会议上接受了在健康志愿者身上的现场培训；双侧4块肌肉（三角肌、肱二头肌、股外侧肌、胫骨前肌）的重测测量结果必须在初始测量的15%以内。第二年和第三年提供了额外的培训。
参与者在基线访视时接受为期2天的评估，并在基线后的第3、12、18和24个月进行为期1天的访视。EIM设备放置在双侧以下肌肉的预定位置（通常在肌肉最丰满处）：三角肌、肱二头肌、肱三头肌、股外侧肌、胫骨前肌和腓肠肌内侧头。每块肌肉测试3次，相位和反应度值小于0.05或大于25的测量结果被视为不可信而被丢弃。如果有3个有效测量值，则最终值为两个最接近测量值的平均值。如果只有2个有效测量值，则其平均值为最终值；如果只有1个有效测量值，则直接取该值。记录从1千赫兹（kHz）到10兆赫兹（MHz）多个频率的反应度（X）、电阻（R）和相位（P）值。基于先前FSHD的EIM研究，选择50 kHz和100 kHz的反应度和相位以及50/211 kHz相位比进行分析。通过平均测试的12块肌肉的值形成整体综合结果。同样，通过平均下半身（股外侧肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头）和上半身（三角肌、肱二头肌、肱三头肌）的肌肉值形成区域综合结果。
临床结局指标
本研究收集了多项临床结局指标。
FSHD综合结局指标（FSHD-COM）包含18项由评估员执行的运动任务，反映了患者报告的重要功能受损领域。总分范围从0到72，分数越低表示表现越好。
运动功能测量领域1（MFM1）是一项评估员报告的功能测量，包含13项与站立姿势和转移相关的项目。分数以最大可能分数的百分比表示，分数越高反映表现越好。
两项FSHD临床严重程度评分，临床严重程度评分（CSS）和FSHD临床评分（FCS），均分别按10分（CSS）或15分（FCS）量表对面部、肩部、手臂、远端和近端下肢的无力程度进行评分。
强度测试通过徒手肌力测试（MMT）和固定定量肌力测试（QMT）进行。对于MMT，采用改良的医学研究理事会10分量表，并对每块肌肉使用标准化体位。双侧测试14个肌群。QMT使用固定测力仪测试系统进行，将力传感器通过无弹性绑带连接到金属框架上。双侧测试以下肌群。对于MMT和QMT，均基于所测个体肌肉的分数总和计算综合分数。
10米步行/跑步（10-MWR）测试测量以最快速度行走或跑完10米所需时间，并以速度（米/秒）表示。
6分钟步行测试评估6分钟内行走的最大距离。
计时起立行走测试评估从椅子上站起、行走3米、转身、走回并坐回椅子所需的时间。
上肢功能指数（UEFI）是一份问卷，询问患者完成20项上肢活动的困难程度。最高可能得分为80分，表示无上肢功能障碍。
双能X线吸收测量法（DEXA）扫描
根据各中心设备可用性，使用Hologic或Lunar系统进行全身DEXA扫描。测量全身和区域（上下肢、躯干）的瘦组织质量。
统计分析
使用组内相关系数（ICC）评估基线访视第1天和第2天各EIM综合结果的重测信度，ICC通过以参与者为随机效应的一维随机效应模型获得。使用Spearman秩相关评估基线访视时EIM综合结果与临床变量之间的收敛效度。
使用重复测量方差分析模型评估EIM综合结果对变化的响应度，其中以EIM综合结果相对于基线的变化为因变量，以月份（3、12、18、24）为分类自变量。使用非结构化模式对参与者内纵向结果的协方差矩阵进行建模。该模型得出各个月份相对于基线的平均变化估计值及其相关的95%置信区间和p值。模型使用限制性最大似然法进行参数估计，以处理缺失数据。
通过检查EIM相位综合结果在18个月和24个月的变化与基线特征（包括年龄、性别、D4Z4重复序列大小、FSHD临床严重程度评分、肌肉力量和功能测量）之间的关联，评估变化的相关性。使用Spearman秩相关来量化关联，并生成带有局部加权回归平滑的散点图以可视化潜在的非线性关系。
结果
研究队列
在研究期间至少接受过一次EIM评估的157名ReSolve参与者的基线特征总结于表1中。拥有EIM综合结果数据的参与者数量（取决于综合指标）在基线时为130至146名，第3个月时为115至125名，第12个月时为82至89名，第18个月时为68至77名，第24个月时为67至76名。数据缺失的一个主要原因是2019冠状病毒病（COVID-19）大流行期间无法对参与者进行评估。
信度
根据不同的综合指标，144名参与者中有125名在基线访视的第1天和第2天均有EIM综合结果数据。所有EIM综合结果的重测信度都非常出色，除了下半身50 kHz反应度的ICC为0.86外，所有ICC均超过0.90。单个肌肉水平的信度也非常出色。
收敛效度
基线时整体EIM综合结果与临床变量之间的相关性，相位结果高于反应度结果。相位结果与功能和力量测量（FSHD-COM总分、MFM-D1分数和平均MMT分数）的相关性最强（所有|r| ≥ 0.67），而反应度结果的相关性较小（|r| ≤ 0.44）。区域EIM综合结果也观察到相似的模式，下半身相位结果与功能性步行测试呈高度相关（r≥ 0.67），而上半身相位结果与UEFI呈高度相关（r≥ 0.49）。D4Z4重复序列大小与EIM综合变量的相关性非常小（r在–0.14和0.12之间）。DEXA测量的身体成分也与EIM相关：总脂肪量与相位结果呈中度相关（r在–0.50和–0.47之间），与反应度结果不相关（r= –0.06和0.09）；而瘦质量与相位结果呈弱至轻度相关（r= 0.12和0.27），与反应度结果呈轻度相关（r= –0.28和–0.40）。
纵向变化
表4呈现了各EIM综合结果从基线到第12、18和24个月的平均变化。相位结果随时间推移呈现出一致的恶化，50 kHz相位的24个月平均变化（95% CI, p值）为–0.66（95% CI = –0.92至–0.40，p< 0.0001），100 kHz相位为–0.65（95% CI = –0.87至–0.44，p< 0.0001），50/211 kHz相位比为–0.029（95% CI = –0.040至–0.016，p< 0.0001）。反应度结果的平均变化不那么显著：50 kHz时为–0.21（95% CI = –0.44至0.02，p= 0.08），100 kHz时为–0.13（95% CI = –0.35至0.10，p= 0.26）。
对单个肌肉的分析显示，相位的下降在肌肉群之间并不均匀。多个上肢肌肉（肱二头肌、肱三头肌和三角肌）早在12个月时就观察到了变化，并在24个月时变得更加明显。下肢肌肉（胫骨前肌、腓肠肌和股外侧肌）也显示出渐进的相位下降，但这些变化仅在18至24个月时才被检测到。
EIM作为预测性生物标志物
EIM结果在24个月内的变化与临床结局变化之间的相关性较弱，通常在–0.20到0.20之间。基线预测因子的探索性分析表明，较大的相位下降更常发生在基线相位值处于较高区间的参与者中。在临床严重程度评分的高值和低值范围内，以及在基线肌力更强、10米步行/跑步速度更快的参与者中也观察到了类似的趋势。相比之下，年龄、性别和D4Z4重复序列大小与后续的EIM变化几乎没有关联。
临床试验的样本量需求
使用用于分析纵向EIM相位数据的重复测量方差分析模型中的信息（每次访视的估计平均变化和方差），来确定一项随机、双臂、安慰剂对照临床试验所需的样本量，该试验需有80%的把握度，在18个月期间检测到EIM相位结果估计下降速度减缓50%或100%，使用两样本t检验和5%显著性水平。
对于EIM，100 kHz相位所需的样本量最小。一项随访期为18个月、使用100 kHz相位综合结果、把握度为90%的双臂临床试验，需要148名参与者（每组74名）来检测疾病进展的完全停止。
讨论
这项研究表明，在多中心环境中，EIM可以可靠地用作生物标志物，以检测FSHD患者在12至24个月内肌肉成分的变化。
解释EIM结果的一个挑战是每次测量都会产生大量数据。最佳的EIM结果组合尚未确定，并且可能因神经肌肉疾病而异。在当前的FSHD研究中，相位结果与临床测量的相关性最强，并且比反应度结果对随时间变化的检测更为敏感。DEXA衍生的瘦质量与EIM结果之间的适度相关性可能反映了DEXA主要捕获整体肢体的瘦组织体积，而EIM评估的是局部肌肉的微观结构和成分；因此，结构性变化（如脂肪浸润或纤维化）可能会影响EIM，同时被DEXA低估。此外，DEXA经过体重调整，而EIM提供未经调整的原始分数，也可能导致了观察到的弱相关。
使用100 kHz相位综合结果，可以在12个月的随访后检测到肌肉成分的变化，这对于2/3期临床试验来说是合理的时间范围。尽管如此，假设对照组平均变化为零，一项以100 kHz相位综合结果为主要结局的双臂临床试验，仍需要大约150名患者和18个月的随访时间，才能检测到与治疗相关的疾病进展完全停止。虽然对于像FSHD这样的罕见疾病来说，这是一个相当大的患者数量，但在国际多中心环境中招募仍然是现实的。在3期临床试验以及最终的监管批准中，需要显示功能的改善。然而，像EIM这样的生物标志物在早期临床试验中对于促进“继续/不继续”决策，或作为3期试验的次要结局将具有意义。
除了这些整体模式之外，肌肉水平分析揭示了敏感性的异质性。上肢肌肉（肱二头肌、肱三头肌和三角肌）在12个月时就已经检测到变化，而下肢肌肉显示出延迟或较小的变化。这些差异可能反映了FSHD已知的疾病进展模式，并可能有助于指导未来研究的肌群选择。
探索性模式表明，较大的后续相位下降发生在基线相位较高或临床状态较好（肌力和步速）的参与者中。一个合理的解释是天花板/地板效应：已经处于相位量表下限（疾病晚期）的患者可测量的下降空间较小，而中度受影响的患者保留有“变化的余地”。如果得到证实，基线EIM可能有助于丰富临床试验的参与者，使其更有可能表现出可测量的进展；目前，其预测价值仍然有限，需要在更大规模和干预性研究中得到证实。
在研究准备和实施过程中，投入了大量精力来优化数据收集的一致性。研究开始时在每个中心进行了设备质量保证，并且评估员每年都有动手培训课程。通过这样做，我们能够在多中心合作研究的背景下提供可靠的结果。由于EIM便于携带且易于操作，未来的试验可以考虑将其整合到基于家庭或社区的评估中，从而减轻参与者的负担并改善试验后勤。这一点非常重要，因为即将到来的临床试验预计将是多中心的，原因是FSHD的罕见性。
这项研究存在局限性。首先，当前研究中使用的EIM传感器已修改为不同的电极阵列，并且不再生产。新的6电极配置和改进的一次性设计旨在提高易用性、对肌肉状况的敏感性、改善皮肤接触并减少相关的接触伪影，同时仍允许评估不同的组织深度。在本研究中，仅使用来自6个纵向电极的数据进行分析；来自4个横向电极的数据（在新一代传感器中已移除）未被纳入。这些改变旨在提高测量质量，而不从根本上改变所捕获的生理信息。尽管不同系统之间的绝对值可能不同，但预计新型传感器将保留与早期版本观察到的相同的生理趋势。
其次，如上所述，EIM测量产生的数据量远远超过此处分析和呈现的数据。应用于所有41个测量频率和3种不同电极配置的完整数据集的机器学习方法，可能有助于识别比此处使用的特征对变化更敏感的特征。第三，本研究中并未代表FSHD患者的整个临床谱系。需要额外的工作来测试EIM作为生物标志物，例如在FSHD儿童或非卧床患者中。最后，EIM是在自然史研究中测试的。目前尚不清楚有效的治疗将如何影响EIM结果。此外，安慰剂组的行为可能与自然史队列不同；然而，这种担忧可能不适用于EIM结果，因为它们是客观的，并且应该不易受到安慰剂效应的影响。
因此，未来的工作应侧重于在干预性环境中验证EIM，探索其对临床结局的预测能力，并确定信息最丰富的肌肉群和频率参数。重要的一步是更好地理解EIM捕捉的是哪些肌肉特征。与磁共振成像（MRI）的相关性研究表明，相位值可能反映了定量的脂肪分数；EIM是否也捕获水肿/炎症（例如STIR信号），以及是否存在类似MRI中间肌肉的相位值“窗口期”，其中变化最有可能发生，这些问题仍然悬而未决。澄清这些关系对于解释EIM变化和优化其在临床试验中的应用至关重要。
总之，EIM相位结果在FSHD患者中具有可靠性、有效性，并且在12至24个月内对疾病进展敏感。因此，EIM作为一种对患者友好、非侵入性的生物标志物，在早期临床试验或作为3期临床试验的次要结局方面可能具有意义。
