《British Journal of Haematology》：Dose-dependent impairment of brain functional and microstructural connectivity during leukaemia chemotherapy
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本研究通过前瞻性队列设计，结合功能磁共振成像（fMRI）与神经认知评估，揭示了成人急性髓系白血病（AML）患者在接受强化化疗期间，脑功能与微观结构损伤的客观证据及其剂量依赖性特征，为“化疗脑”的机制探究提供了新视角。
引言
化疗诱导的认知障碍（CICI），俗称“化疗脑”，在接受抗癌治疗的患者中是一种常见现象，其特点是找词困难、短期记忆丧失和疲劳。尽管患者报告的发生率高，但常规神经认知评估和脑成像技术难以在治疗期间客观检测CICI。高级脑成像技术，如功能磁共振成像（fMRI）和扩散加权成像（DWI），为弥合这一差距提供了可能。然而，尽管在儿科急性淋巴细胞白血病和造血干细胞移植幸存者中可以检测到CICI现象，但在成人急性髓系白血病患者中的数据却很少，尽管患者常报告认知症状。这令人担忧，因为AML的治疗包括神经毒性的强化化疗（IC；包含蒽环类和高剂量阿糖胞苷）以及大量的输血支持和通常的巩固性异基因造血干细胞移植。我们假设AML化疗会诱导与认知功能相关的脑区发生功能和结构变化。为了评估这一点，我们进行了一项前瞻性、观察性、纵向队列研究，评估了启动强化化疗的AML成人的综合神经认知评估和高级功能MRI平台。
方法
研究人群
所有年龄≥18岁、在我院开始诱导化疗的新诊断AML成人均有资格参与。参与者的AML治疗根据机构实践决定，不受本研究影响。临床、神经认知评估和MRI评估在三个时间点进行：诱导前、巩固结束时和末次治疗后6个月。收集的临床数据包括：AML诊断和风险分层、化疗细节、输血和血清铁蛋白水平以及临床结局。
神经认知评估
神经认知评估由临床神经心理学家在60分钟内完成，包括评估注意、言语记忆、语言、工作记忆、执行功能和运动速度等神经心理功能领域的纸笔测试。为了尽量减少特定测试练习效应的影响，言语记忆测量的替代形式根据招募前创建的计算机生成随机化时间表进行。对于所有其他测量，每个时间点使用相同的形式/版本。在T1时参考的规范年龄组在整个研究期间持续使用，以消除不同时间点标准化分数的差异归因于使用不同规范参考组的风险。
MRI数据采集
参与者使用3T Siemens PRISMA系统和64通道头线圈进行脑MRI扫描。所有受试者的结构和功能数据的MRI采集协议是相同的。然而，由于长达60分钟的脑MRI在AML治疗期间并非常规操作，机构伦理要求将成像协议分为解剖和探索性部分，以便患者在感到不适时提前终止MRI。
统计分析
神经认知评估分数使用适用于每项测量的规范数据集转换为年龄调整，并在适当情况下进行教育调整的标准化分数。使用Wilcoxon符号秩检验评估不同研究时间点神经认知评估分数的差异。计算变化分数，即从T2标准化分数中减去T1标准化分数。变化分数≥1.64个标准差的被视为个体参与者的潜在显著发现。MRI分析在补充附录中描述。进行相关性分析以研究神经认知评估和MRI衍生测量中化疗相关变化的关联，使用Pearson相关检验确定R和p值。鉴于本研究的探索性质，我们选择报告p<0.05且R2>0.5的结果，认为其可能具有显著性，无需进行多重检验校正。
样本量计算
我们的目标是招募足够多的患者，为后续更大规模的研究提供支持假说的数据。由于AML和/或治疗相关的死亡率，预期会有受试者脱落；因此，我们旨在招募24名患者，以便在T2和T3时分别评估15名和10名患者。在完成所有时间点之前退出研究的参与者无需被替换，并同意使用其现有数据。
结果
在2019年1月1日至2021年6月30日期间，招募了20名患者，招募工作受到COVID-19大流行的影响。在这20人中，1人因不耐受MRI在T2前退出，另外4人在T2前因AML或感染死亡。另有6名患者在T2和T3之间因AML复发、治疗相关死亡率或COVID-19而退出。因此，在T2和T3时可评估的参与者人数分别为15人和9人。没有参与者在任何时间点有AML神经系统受累，也没有人在治疗期间被诊断为临床阿糖胞苷神经毒性。治疗细节总结在表1中。
神经认知评估
多个时间点的认知和心理社会数据总结在表S2中。该队列显示出注意力（连线测验A）和简易精神状态检查分数的提高，这可能反映了特定任务的练习效应。主观报告的生活质量和疲劳分数表明，在巩固治疗结束时，整体健康状况、感知的角色功能表现有所改善，身体和情绪疲劳有所减少。总体而言，在校正多重检验后，这些发现不再显著。
虽然在队列水平上未观察到认知数据的显著差异，但有四名受试者在T2时，在语言（语义流畅性）或延迟言语记忆测量上的得分比其T1表现低≥1.64个标准差。这些客观发现并未反映在参与者对主观认知功能的评分中，但与较高的身体疲劳分数相关，并与较差的抑郁评分有接近显著的趋势。到T3时，三名继续参与研究的受试者的语义流畅性分数高于T2，与其T1表现相当，表明恢复到了基线水平。在其他任何时间点，没有其他领域的得分比基线低≥1.64个标准差。
功能磁共振成像
由于在T1时的脱落和可选成像协议的耐受性，10名中位年龄48岁的受试者接受了配对的T1-T2 fMRI/DWI。在T2时，感兴趣区域分析显示，前扣带皮层和左侧语言网络之间的功能连接显著减少。具体而言，ACC显示出与左侧语言网络两个关键节点（额下回和后颞上回）的连接减少。这种连接减少在集群水平上是显著的，表明化疗破坏了显著性网络和语言网络之间的功能连接。
为了进一步探索这些连接变化，并识别出在ROI-ROI分析中检查的成对连接之外的网络级干扰，使用左IFG作为种子区域进行了基于种子的连接分析。这揭示了ACC中的一个显著连接减少集群，包含1123个体素，覆盖了约31%的ACC。该集群在多重比较校正后依然显著，加强了ACC与左侧语言网络之间连接减少的发现，特别是涉及了IFG。在其他大规模网络内部或之间，包括默认模式网络、视觉网络、感觉运动网络、背侧注意网络和额顶叶网络，未观察到功能连接的显著变化。
扩散磁共振成像
接下来，我们试图通过使用扩散MRI和基于纤维束的固定分析来评估这些区域之间的白质连接，以检验所识别的网络连接中断的微观结构基础。在全脑水平，FBA在胼胝体压部发现了纤维密度降低，胼胝体压部连接两侧半球的颞叶和枕叶区域，在语言、视觉空间信息传递和行为中很重要。
当检查与显著性网络和左侧语言网络相关的感兴趣的WM纤维束时，发现在T2时胼胝体嘴部的FD与T1相比有所降低。这在使用fMRI分析中使用的ROI推导WM纤维束时得到了进一步证实。具体连接ACC和左IFG的纤维束的FD在T1和T2之间显著降低。在连接左IFG和左pSTG的已识别纤维束中，未观察到FBA指标的显著变化。
结构磁共振成像与定量磁化率成像
使用常规MRI和QSM进行的宏观结构评估显示，在T1和T2之间语义流畅性显著变差的三名受试者中，颞叶体积减少了约4%。这支持了整个队列颞叶体积减少的趋势。然而，总体而言，区域脑体积、白质高信号和铁沉积在时间点之间没有显著变化。
化疗对脑连接、结构和神经认知表现的影响
我们进行了相关性分析，以探索神经认知表现、功能连接、微观结构、宏观结构和临床参数之间的潜在关系；潜在显著关联定义为R>0.5且p<0.05。临床参数是前瞻性指定的，反映了其潜在的神经毒性机制，包括阿糖胞苷剂量、输血、感染和重症监护室入住。到T3时受试者的高脱落率使得对T2-T3的分析缺乏意义，因为统计效能不足；因此，只进行了T1-T2的分析。
首先，我们评估了与fMRI中发现的显著性网络和语言网络之间连接减少区域的潜在关联。我们发现，阿糖胞苷化疗剂量的增加与ACC-IFG连接在T1和T2之间的减少呈显著负相关，但与ACC-pSTG连接无显著相关。
接下来，我们探索了与扩散分析中发现的ACC-IFG纤维束和胼胝体中FD减少的关联。FD减少与输注的浓缩红细胞单位增加显著相关，并与阿糖胞苷剂量增加的趋势接近显著。
为了探究特定的阿糖胞苷给药策略是否影响连接性，我们使用左额下区域作为种子进行了事后基于种子的分析，比较了平均功能连接变化与参与者接受的最高阿糖胞苷给药强度。这证实了功能连接变差与阿糖胞苷剂量增加之间的相关性是由那些接受最高剂量3g/m2的患者驱动的。
第三，由于语言和区域脑体积的变化可以通过临床可用的测试在患者子集中识别出来，我们评估了这些变化与临床参数的潜在关联。在T1和T2之间，较差的语义流畅性分数与fMRI和扩散分析中识别的区域体积损失显著相关；具体来说，是颞叶、海马体和额叶。这种关联涉及所有颞叶亚区，特别是包括颞下回、后颞上回和韦尼克区。此外，灰质、额叶和颞叶体积减少与较低的生活质量评分以及较高的身体疲劳评分相关。颞叶体积减少与PRBC输注次数增加、血清铁蛋白增加和主要感染次数增加显著相关。
最后，我们探讨了区域脑铁沉积的定量磁化率成像是否可以解释输血、铁蛋白和影像学发现之间的关联。海马体铁沉积与接受的PRBC输注增加呈正相关，但与血清铁蛋白水平增加无关。正如预期的那样，接受的PRBC输注增加与血清铁蛋白水平增加呈正相关。定量磁化率成像变化与神经认知表现或生活质量的变化无关。
讨论
据我们所知，我们的研究首次揭示了AML化疗期间脑功能、连接性、宏观结构、神经认知表现的变化与化疗剂量、输血和临床结局之间的联系。我们报告了新的发现，这些发现似乎支持成人AML患者存在“化疗脑”，并为潜在机制提供了有趣的见解。
到化疗完成时，认知网络内的静息态功能连接性发生了显著降低；具体来说，是ACC和左侧半球语言网络区域之间，包括左侧额下回和左侧后颞上回。这一功能发现似乎在解剖学上得到了连接ACC和额下回的纤维束以及胼胝体中白质微观结构减少的支持。反过来，这些连接性和微观结构的变化得到了相关神经认知领域客观表现的降低以及相关区域解剖学体积损失的支持，特别是颞叶、韦尼克区和其他相关语言区域。海马体似乎也涉及其中，证据是体积减少与言语流畅性降低和输血增加相关。也许最有趣的是，功能连接性的变化与累积的阿糖胞苷剂量相关，特别是影响额下回和前扣带皮层。前扣带皮层和语言区域之间连接性的降低可能解释了患者报告的一些典型执行功能和语言处理困难。
综上所述，我们的研究表明，AML化疗会显著破坏大脑的功能组织，尤其强调了前扣带皮层，它是显著性网络中的一个关键枢纽。前扣带皮层的作用是整合认知和情感信息，并介导自上而下的认知控制；这可能使其特别容易受到化疗累积效应的影响。为什么前扣带皮层特别易受影响尚不清楚，但可能反映了多种因素的汇聚，包括生理和心理压力、炎症、药物毒性或遗传因素，并且显著性网络可能比其他网络更容易受到干扰。
我们发现强化治疗的AML患者前扣带皮层和语言网络区域之间连接性降低，这与其他最近的CICI研究结果一致，这些研究将这些区域与执行功能障碍和记忆抱怨联系起来，这表明显著性网络连接性的破坏可能是跨癌症类型的一个更广泛问题。海马体功能障碍在其他癌症类型中也有报道，可能反映了阿糖胞苷诱导的神经发生改变。相比之下，我们发现的与关键语言区域连接性降低的额外发现此前未见报道，这可能表明AML化疗更广泛地影响了与语言处理相关的神经网络。
在这种背景下，我们发现的将语言网络连接性、微观结构、阿糖胞苷剂量和输血负担联系起来的关联可能具有非常重要的意义，因为它们标志着治疗强度的增加。累积的阿糖胞苷剂量、输血和感染发作可能通过直接神经毒性、神经发生受损、细胞因子介导的炎症、脓毒症期间的缺氧、贫血或脑输血性铁沉积促进神经认知变化；即使没有观察到经典的阿糖胞苷诱导的小脑毒性。虽然观察到的不同癌症人群之间的CICI差异可能反映了不同的毒性机制，但更可能的是CICI机制相对普遍，而AML治疗的更大强度更容易破坏固有易感的神经网络。在接受“无化疗”方案治疗的AML患者中重复这些评估可能是有益的。
我们的研究强调了在强化治疗的癌症患者中前瞻性研究CICI的固有挑战，其中临床不稳定性和死亡率对招募、保留和统计效能产生负面影响。因此，我们的研究受到样本量小和受试者脱落的限制，限制了结果的普遍性。特别是，到T3时的高脱落率阻碍了调查所观察到的神经学变化是改善、持续还是随时间恶化。然而，这些因素不影响影像学发现。最不健康参与者的脱落可能通过保留最健康的受试者而虚假地改善了队列在T2和/或T3时的神经认知评估分数。我们研究的优势在于所有参与者都接受了强化化疗，并使用综合成像平台进行了评估；因此，尽管样本量小，但我们的发现是显著的，可以放心地用于开展进一步的研究。
总之，我们报告了新的证据，表明在强化AML化疗期间，化疗会诱导大脑微观结构和功能连接性的改变，特别是影响显著性网络和语言网络，并得到区域脑体积和客观语言表现降低的支持。这种效应似乎是剂量依赖性的，与阿糖胞苷给药强度和输血暴露的增加相关，反映了治疗强度的增加。未来采用以语言为重点的评估和高级神经影像学的研究，对于验证这些发现以及探索早期检测是否可以指导认知保护策略是必要的。
