1H-MRS 评估慢性下腰痛患者脑代谢物的研究进展

霍 苗，詹松华，谭文莉

（上海中医药大学附属曙光医院放射科，上海 201203）

慢性下腰痛（chronic low back pain，CLBP）是指腰背部疼痛持续时间超过3 个月［1］，涉及骨骼和肌肉系统，具有持续时间长、易复发的特点。目前该病尚缺乏客观、定量的诊断方法及便捷、有效的治疗手段。CLBP 分为特异性CLBP 与非特异性CLBP，其中非特异性CLBP 占85%～90%，是一种无明确病因的腰痛综合征，主要临床表现为腰背部（肋缘和臀下皱襞之间）肌肉紧张或僵硬甚至剧烈疼痛，伴或不伴放射性下肢痛［2］。该病具有慢性疼痛的中枢属性，不仅影响患者的生活质量，也增加患者的经济负担和社会的医疗负担［3］。

1 MRS 基本原理

MRS 是非侵入性、无电离辐射、直观定量测量大脑化学物质浓度的MRI 技术，主要采集射频脉冲激发原子核（如1H、31P、23Na、13C 和19F）后原子核弛豫过程中所产生的射频信号。1H 由于其高磁敏感性和组织中天然丰度而被广泛应用于MRS 分析中，可检测脂肪、氨基酸、酮体等代谢物质。1H 与不同原子核形成不同的化学键，使不同氢原子周围的化学环境不同，因而不同代谢物中氢原子进动频率不同，产生共振峰的位置存在差异，这种现象称为化学位移（chemical shift，通常以×10-6为单位）。通过这种化学位移及共振作用对特定原子核及其化合物进行分析，能够定量检测活体组织生理或病理状况下化学物质的组成成分及其浓度。MRS 上某化合物波峰下的面积与其浓度成正比，将单个代谢物的浓度评估为绝对浓度或相对于其他分子（通常是肌酸）的相对浓度。另外，MRS 质量控制十分关键，如增加场强、提高SNR、增强匀场效果等可提升MRS 的图像质量。目前CLBP 患者的MRS 检查常用单体素1H-MRS 点分辨波谱（PRESS）脉冲序列，在特定区域放置ROI，获得该ROI 神经代谢物的频谱图。

目前，MRS 可检测出脑内化合物,包括N-乙酰天冬氨酸（NAA）、胆碱（Cho）、肌酸（Cr）、肌醇（MI）、谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）、γ-氨基丁酸（GABA）和葡萄糖等。在MRS 应用早期，一些兴奋性和抑制性神经递质（如Glu、Gln 及GABA 等）化学位移范围相对较窄，物质间的波峰存在重叠，较难测量及分离其浓度。随着MRI 设备性能的不断提升，MRS 在临床应用中也更加广泛，包括疾病诊断、疗效跟踪、药物分析等，使这些神经递质在隐匿性、功能性疾病中逐渐发挥作用［4］。

2 1H-MRS 在分析CLBP 神经影像学标志物中的重要性

MRS 是近年发展起来的fMRI 技术，也是目前唯一无创检测活体组织及生化代谢的影像学技术，能探测常规MRI 不能显示的异常，主要用于评估神经系统的生化信息［5］。1H-MRS 具有非侵入、灵敏及可重复定量分析等优点，能详细分析大脑组织常见的代谢物，如NAA、Cho、Cr 等，这些代谢物在病理生理学研究、临床诊断及无创追踪神经影像学标志物中均具有重要意义。1H-MRS 在发现慢性疼痛患者诊断性生物标志物方面具有巨大潜力，对CLBP 早期诊断、追踪疗效及评估预后具有独特优势，可指导CLBP 患者个性化治疗。1H-MRS 技术是对血氧水平依赖脑功能成像（BOLD fMRI）的补充研究，可进一步探索CLBP 患者脑组织神经元功能变化的物质基础，建立脑功能与脑内物质代谢的联系。另外，Ogon 等［6］研究发现腰部多裂肌肌内脂质浓度可能是CLBP 治疗有效的预后指标。

3 MRS 检测CLBP 患者的相关脑区常见代谢物及意义

3.1 NAA NAA 主要存在于轴突和神经元细胞内，是神经元特异性标志物。各类致神经元细胞破坏的疾病均可引起NAA 浓度降低［7］。通过分析NAA 浓度变化水平可预测神经损伤程度，有助于CLBP 的早期诊断及疗效评估。

Grachev 等［8］采用1H-MRS 对比9 例CLBP 患者和11 例健康志愿者的脑代谢水平，发现CLBP 患者内侧前额叶NAA 减少，而前扣带回、丘脑NAA 浓度无差异。但Sharma 等［9］应用1H-MRS 对比11 例CLBP 患者和11 例匹配的健康志愿者，发现CLBP患者初级体感皮质的NAA 降低。此外，Gussew 等［10］通过1H-MRS 研究10 例非特异性CLBP 患者皮质区域（前岛叶、前扣带回及丘脑）和匹配的健康志愿者，发现非特异性CLBP 患者前岛叶和前扣带回NAA降低。另外，Pattany 等［11］研究发现，脊髓损伤后慢性神经性疼痛患者的丘脑NAA 浓度与疼痛强度呈负相关，即NAA 浓度随疼痛程度增加而降低。提示慢性疼痛（包括CLBP）伴随NAA 浓度的降低，这可能归因于神经元损伤、坏死或功能障碍；当抑制性神经元功能障碍时，失去抑制性控制的神经元可能会导致兴奋性神经元的活动增加，并增加痛感。有研究发现，脊髓损伤患者丘脑传入神经元阻滞，使丘脑自发神经元活动及突发放电增加，从而导致慢性疼痛［12］。另外，CLBP 患者的NAA 浓度降低的另一原因可能是局部脑区能量代谢异常。O’Neill 等［13］研究表明，CLBP 患者内侧前额叶NAA 和大脑葡萄糖消耗同步发生异常变化。Grachev 等［8］也报道CLBP 患者前额叶皮质NAA 和葡萄糖浓度降低。此外，有研究发现CLBP 患者对侧丘脑NAA 浓度降低［14］，即单侧CLBP 及坐骨神经痛患者对侧丘脑NAA 浓度降低。fMRI 研究发现，持续性躯体疼痛障碍患者表现为与丘脑相关的功能连接异常［15］，右侧丘脑、左侧尾状核功能连接强度与疼痛程度呈负相关。这种改变可能是引起持续性躯体痛的原因之一。丘脑NAA 的变化被认为是慢性疼痛的病理标志，其浓度改变在慢性疼痛进展中起重要作用［16］，因此可根据丘脑NAA 浓度的降低间接评估慢性下腰痛。

总之，在临床诊断CLBP 过程中，通过1H-MRS技术选择合适的体素大小，分析内侧前额叶、初级体感皮质、前岛叶、前扣带回及丘脑NAA 浓度降低及其程度可早期评估腰痛。目前，关于NAA 浓度的变化规律与性别、年龄、疼痛持续时间、治疗效果关系的研究较少，尚需进一步研究探索。

3.2 Cho Cho 主要由磷酸胆碱和甘油磷酸胆碱组成，是细胞膜组成的主要成分，参与细胞膜的合成和降解，是细胞膜更新的标志物，主要存在于神经胶质细胞中。Cho 浓度的变化能在一定程度上反映局部组织代谢水平。

Sharma 等［9］研究显示，CLBP 患者右侧初级体感皮质Cho 浓度降低，这可以解释为较低浓度的Cho促使机体反应性增加对周围环境Cho 的摄取，增加细胞膜的构建并维持细胞膜的完整性。Pfyffer 等［17］研究脊髓损伤后的神经性疼痛患者，与脊髓损伤无痛患者对比发现神经性疼痛患者颈2～3 脊髓的tCho/MI 升高，其升高程度与痛感（如Pinprick 评分）呈正相关，这表明与无痛患者相比，神经性疼痛患者有更高的细胞代谢转换率。Jung 等［18］的研究纳入43 例纤维肌痛患者（一种慢性中枢性疼痛性疾病）和16 例健康志愿者，与健康志愿者比较后发现纤维肌痛患者前岛叶Cho 升高，且Cho 浓度升高与疼痛程度呈正相关。上述研究结果表明，Cho 水平升高可能在细胞水平上反映了细胞膜增殖力及代谢率的提高，这可能是导致慢性疼痛的潜在分子机制。Didehdar 等［19］发现推拿治 疗CLBP 患者5 周后疼痛缓解，丘脑、前岛叶和初级体感皮质区域的Cho 浓度显著增加。这可能是由于推拿影响中枢神经系统并改变脑代谢产物，减轻了疼痛和功能障碍。

未来研究应观察干预后患者的MRS 代谢水平，从而为临床判断预后提供更有价值的诊断依据。

3.3 MI MI 主要在神经胶质细胞中合成，被认为是神经胶质细胞活化及增生的标志物。Gussew 等［10］研究发现，CLBP 患者前扣带回和丘脑的MI 浓度均降低。Sharma 等［9］也发现，CLBP 患者左右侧初级体感皮质中的MI 浓度均下降，但左侧下降幅度较小。另外，左右两侧初级体感皮质中MI 浓度之间呈负相关，当一侧代谢物浓度较低时，另一侧将保持较高的浓度，这说明在初级体感皮质中MI 浓度呈动态变化，这可能与疼痛的持久性有关。然而在早期研究中Pattany 等［11］发现慢性神经性疼痛的患者丘脑MI 浓度显著升高。Voevodskaya 等［20］研究阿尔茨海默病患者，发现后扣带回皮质的MI/Cr 和NAA/MI 浓度变化与脑β 淀粉样蛋白的病理相关，认为NAA/MI 可预测未来认知能力下降的速度，证明了脑MI 是淀粉样蛋白相关疾病的潜在病理标志物。尽管目前尚不清楚MI 改变对阿尔茨海默病病理机制的确切作用，但这可能对从脑代谢上恢复阿尔茨海默病患者认知的潜力至关重要。

上述研究结果表明，CLBP 及其他疾病的不同脑区MI 浓度变化均不一致。在前扣带回、丘脑、初级体感皮质中MI 浓度降低，可能与CLBP 引起的神经胶质细胞破坏、丢失有关。而丘脑或前扣带回中较高浓度的MI 可能由于神经胶质细胞的增生而活化。神经胶质细胞的激活、增生、肥大（较高Cho 和MI 浓度）、破坏、丢失及其之间相互作用可能是慢性疼痛的分子机制。目前有关MI 的研究及应用较少，未来应结合多个脑区、多种疾病的研究为临床诊断及治疗和预后提供更加客观的资料。

4 MRS 检测CLBP 相关脑区神经递质水平及意义

脑内兴奋性神经递质（如Glu）及抑制性神经递质（如GABA）共同参与并介导脑功能活动，故脑功能改变以脑神经递质变化为物质基础，CLBP 患者脑功能异常可能是由相应脑区代谢物异常所致。

4.1 Glu/Gln/Glu-Gln 复合体（Glx）一般研究中最常研究的化合物为Glx，其中Glu 约占80%［21］。Glu是大脑中最丰富的神经递质之一，除传递兴奋性外，还参与记忆、认知等情感活动，其向Gln 的转化也是大脑能量代谢的重要过程［22］。大脑Glu 代谢水平的变化可能在CLBP 中枢机制的病理过程中起重要作用。

在慢性疼痛的动物模型中，已观测到内侧前额叶皮质的Glu 减少。有学者提出，此模型疼痛急性期Glu 浓度最初表现为增加［23］，随后从急性疼痛向慢性疼痛进展过程中其浓度逐渐降低，后期的临床研究也证实这一规律。Archibald 等［24］应用3.0 T1H-MRS观察18 例健康志愿者（男9 例，女9 例）在急性热痛刺激时前扣带回中代谢物的变化，发现健康志愿者在受到急性热痛刺激时，前扣带回中Glu 和Glx 的浓度瞬间增加，且女性Glu 浓度变化更大；表明Glx在针对急性应激、代谢紊乱等突发情况时更新速率将加快，这从细胞水平体现了生物进化的自我保护功能。Mullins 等［25］也发现健康人受到急性痛觉刺激后，前扣带回的Glx 水平升高与疼痛强度呈正相关。与上述急性热痛刺激研究结果相反，Gussew 等［10］研究发现CLBP 患者前岛叶、前扣带回和丘脑中Glu 显著降低。最近，Naylor 等［26］比较19 例慢性疼痛患者与19 例性别、年龄匹配的健康志愿者，发现慢性疼痛患者内侧前额叶皮质的Glu 浓度显著降低，且内侧前额叶皮质的Glu 浓度与伤害回避评分呈显著负相关，即内侧前额叶皮质的Glu 浓度越低，避免伤害总分越高，患者的悲观、恐惧等消极情绪越严重，这可能是由于内侧前额叶皮质与认知及情绪处理等有关。另外，与Gussew 等［10］研究结果相反，Grachev等［8］发现CLBP 患者的前扣带回中Glu 无变化，这一矛盾的发现可能归因于2 项研究之间的方法学差异，Gussew 等［10］研究了Glu 的绝对神经化学浓度，而Grachev 等［8］则专注于Glu 与MI 比率的研究。

脑功能研究发现CLBP 患者前扣带回和内侧前额叶的fMRI 活动明显减少［27］，CLBP 患者在前扣带回和内侧前额叶处对疼痛的反应减弱。内侧前额叶皮质是一个涉及多项脑功能的区域，如疼痛调节和情绪评估，并自上而下地调节疼痛。目前研究认为，CLBP 可能与其下行疼痛抑制系统功能障碍有关。另外，Didehdar 等［19］发现推拿治疗5 周后，CLBP 患者的疼痛和功能障碍严重程度明显降低，且丘脑的Glx 浓度也显著增加。丘脑中的兴奋性神经递质可能是参与缓解慢性疼痛的神经介质。

上述研究表明，Glu 在急性或慢性疼痛中的代谢水平不同。谷氨酸盐（Glu、Gln）浓度可根据疼痛的严重程度、持续时间及治疗效果而变化。大脑中Glu 水平的降低可能是CLBP 病理生理过程的关键机制。具体来讲，CLBP 患者主要表现为前扣带回、内侧前额叶皮质、丘脑等脑区Glu 水平的降低，可理解为神经元丢失和/或死亡，也可能与Glu-Gln 平衡紊乱、谷氨酸能神经传递紊乱及功能障碍相关。而采用Glu的绝对值，观察前扣带回、内侧前额叶皮质、丘脑等有助于发现这种变化。应用MRS 检测前扣带回、内侧前额叶皮质、丘脑等脑区Glu 水平的降低，可能有助于慢性疼痛性疾病的早期诊断及预防。同时，根据丘脑Glx 的代谢水平增加可判断推拿治疗CLBP的疗效，且短期内（＜5 周）手法干预是否有效改善功能，可提醒医师及时更换治疗方案等。另外，在治疗过程中除了缓解和控制患者疼痛症状外，还应考虑患者的认知和情绪等精神情况［28］。

4.2 GABA GABA 是大脑最主要的抑制性神经递质，存在于GABA 能神经元中。然而大脑中生理性GABA 浓度极低，且与其他高浓度代谢物（如Cr、NAA、Glx 等）波峰重叠，在常规MRI 序列中很难识别，因此需选择一些特殊成像序列。Cleve 等［29］使用一种光谱编辑技术（mescher-garwood point resolved spectroscopy，MEGA-PRESS），首次量化了疼痛引起的神经递质GABA+的浓度（GABA 的相对浓度）变化。即在急性热痛刺激时，前扣带回及枕叶皮质的GABA+/tCr（总肌酸浓度）降低，这可能表明在疼痛过程中前扣带回和枕叶皮质抑制性活性的降低、兴奋性神经递质活性反应性增强，从而导致疼痛加剧。Thiaucourt 等［30］针刺健康女性，发现针刺感知的疼痛强度与后岛叶GABA 水平呈负相关。这些结果与慢性疼痛研究相吻合，慢性疼痛综合征患者某些脑区（如前扣带回）的GABA 浓度与疼痛强度呈负相关。Legarreta 等［31］研究患有慢性疼痛的退伍军人，应用3.0 T 单体素1H-MRS 的2D-J-PRESS 特殊序列，与健康人相比，退伍军人经历慢性疼痛强度更大、频率更高，这与前扣带回中较低的GABA/Cr 比值有关，且疼痛强度与GABA/Cr 比值呈负相关，表明前扣带回中GABA 的降低可能会增加疼痛强度及频率。Reckziegel 等［32］采用3.0 T MRI，应用优化的PRESS序列研究20 例慢性疼痛性膝骨关节炎患者和19 例健康志愿者，发现患者的疼痛强度与GABA 浓度存在较强的相互作用，且在前扣带回中GABA 浓度与疼痛严重程度呈负相关，表明慢性疼痛的发生与GABA 浓度变化有关。

Glx 与GABA 浓度的异常变化对慢性疼痛具有调控作用。兴奋-抑制系统平衡紊乱可能参与疼痛的发生，GABA 浓度降低即神经系统抑制作用减弱，则兴奋性神经递质活性反应性增强，可能导致疼痛加剧。GABA 能抑制作用的紊乱可能是不良刺激敏锐度增强的基础，而不良刺激可能是导致疼痛加剧及长期存在的潜在机制。相对其他脑内代谢物而言，GABA 浓度检测尚有一定难度，应使用特异性抑制大分子信号的GABA 编辑技术（如MM-suppGABA）发现前扣带回中GABA+水平的降低并结合其他脑区代谢物变化水平可早期诊断CLBP。

5 小结与展望

MRS 提供了CLBP 患者脑代谢物浓度的信息，是监测疾病引起的代谢变化及跟踪疗效的先进技术。CLBP 患者主要表现为NAA 和Glx 浓度降低、Cho 和MI 浓度升高，存在变化的脑区主要位于内侧前额叶、前扣带回、初级体感皮质及丘脑。上述实验均存在一定局限性，如样本量较小、多分析治疗前代谢物变化，以及受CLBP 患者性别、年龄、ROI 位置及是否接受治疗等因素的影响，尚无法确定脑内代谢物变化与CLBP 疼痛程度、治疗效果及预后的相关性。目前，CLBP 的中枢机制仍不清楚，可能与“生物—心理—社会”模式相关，未来的研究应结合CLBP患者干预前后的状态，通过试验设计规避不同时期、干预方法等差异，并结合fMRI、腰肌脂肪代谢等探索脑功能与脑代谢之间的关系，以期获得早期诊断、追踪疗效、判断预后的生物学标志物，并发现潜在的治疗靶标。