DTI-ALPS指数在视神经脊髓炎谱系病中的评估：与病程和残疾相关性的横断面研究

引言

视神经脊髓炎谱系疾病（NMOSD）是一种罕见、严重的自身免疫性疾病，主要累及中枢神经系统内的六个核心部位：视神经、脊髓、背侧延髓的最后区、脑干、间脑和大脑。该病以剧烈炎症和脱髓鞘发作及为特征，导致视神经炎（常引起显著视力丧失）和横贯性脊髓炎（导致不同程度的瘫痪）[1, 2]。与多发性硬化（MS）不同，NMOSD具有独特的病理生理标志物，最显著的是针对水通道蛋白-4（AQP4）的自身抗体存在，AQP4是一种在星形胶质细胞中高表达的水通道蛋白[3–5]。这些自身抗体发挥致病作用，促进星形胶质细胞损伤、炎症及随后的脱髓鞘。NMOSD的早期准确诊断对于尽量减少长期残疾至关重要，因为及时的免疫抑制治疗可显著降低复发的频率和严重程度[6]。

磁共振成像（MRI）通过显示大脑、视神经和脊髓的异常，在NMOSD的诊断中发挥关键作用[3, 7]。MRI在区分NMOSD与MS及其他神经炎症性疾病方面尤其有价值。在NMOSD中，典型的MRI表现包括长节段横贯性脊髓炎（LETM），其特征为脊髓病变跨越三个或更多椎体节段，这在MS中是不常见的特征[8, 9]。此外，NMOSD中的视神经受累常累及较长节段的神经，包括视交叉，且更可能为双侧性，这进一步将其与MS区分开来。因此，MRI不仅增强了临床诊断，还在监测疾病进展和评估治疗效果方面发挥着重要作用。

一种特别有用的MRI成像技术是弥散张量成像（DTI），它已成为研究NMOSD患者（pwNMOSD）大脑和脊髓微结构变化的有价值工具[10, 11]。DTI可通过测量水分子沿轴突纤维的弥散来评估白质完整性[10]。该成像技术提供多种定量指标，例如各向异性分数（FA）和平均弥散率（MD），可辅助研究白质纤维束的组织结构和密度[12]。在NMOSD中，DTI用于检测常规MRI上可能表现正常的区域中的细微改变，从而增强在更早期阶段诊断和监测该疾病的能力。

DTI-ALPS（沿血管周围间隙的扩散张量成像分析）指数[13]是一种新兴指标，主要用作评估类淋巴系统功能的间接方法，该系统在清除大脑代谢废物中发挥作用[13, 14]。近期研究探索了使用DTI-ALPS指数帮助识别和监测神经炎症状况的潜力[4, 14, 15]，提示其可能应用于NMOSD。鉴于AQP4水通道是类淋巴流的主要促进因素，其在NMOSD中的破坏可能导致“类淋巴衰竭”——这一病理状态日益被认为是多种中枢神经系统疾病中累积性组织损伤和神经变性的最终共同通路[16]。类淋巴系统促进沿血管周围间隙的废物清除，可被神经炎症所损害。由于神经炎症是NMOSD的关键病理特征，探索类淋巴相关指标具有高度意义[17–19]。因此，DTI-ALPS指数可提供关于类淋巴通路参与NMOSD病理的有价值信息，并也可给出白质完整性的总体状态。

DTI-ALPS指数通过评估沿髓静脉方向的扩散率得出，髓静脉在侧脑室体水平垂直于主要白质纤维束走行。在这一特定神经解剖区域，投射纤维（沿上下方向走行，即y轴）和联络纤维（沿前后方向走行，即z轴）的分布使得髓静脉的血管周围间隙沿x轴（左右方向）取向[13]。通过计算这些纤维系统内x轴扩散率相对于y轴和z轴扩散率的比值，ALPS指数利用常规DTI数据提供了一种沿这些血管周围通道水运动难易程度的非侵入性替代指标。

本研究评估DTI-ALPS指数作为评估NMOSD状态的有前景指标。通过将NMOSD患者与健康对照以及一组多发性硬化（MS）患者进行比较，我们旨在确定该指数对临床残疾的敏感性及其作为监测不同神经炎症背景下疾病进展的补充工具的潜力。需要注意的是，此处提出的应用是辅助其他MRI成像技术，为已是神经变性评估助力的常规DTI成像信息增加更多可能性。

材料与方法

视神经脊髓炎谱系疾病（NMOSD）患者

本横断面研究连续纳入21例根据2015年国际专家组标准[9]诊断的男性和女性患者。其中，15例诊断为NMO，4例为AQP4抗体血清阳性伴LETM，2例为AQP4抗体血清阳性复发性视神经炎（rON）。此外，还纳入了34例按性别和年龄匹配的健康对照。在NMOSD组中，13例NMOSD患者AQP4抗体血清检测为阳性，而2例为血清阴性。LETM的特征是急性脊髓炎，MRI证据显示脊髓病变跨越三个或更多椎体节段，而rON定义为至少两次临床视神经炎（ON）发作，间隔至少30天，视神经外无脑部病变。该队列的人口学和基线临床数据此前已在一项研究视网膜神经纤维层变薄的研究中报道[20]。然而，本文呈现的DTI-ALPS分析构成了一项独立研究，使用了独立的影像处理流程。此前尚未发表过该队列中涉及DTI-ALPS指数的基于弥散的指标或统计相关性，且本手稿所探讨的科学问题与既往报道无重叠。

根据疾病病程将患者分为两组：短病程组（≤ 5年）和长病程组（> 5年）。选择5年作为阈值是基于临床证据，这些证据提示视神经脊髓炎谱系疾病（NMOSD）中神经功能障碍最显著的累积以及从早期炎性复发向更慢性、播散性阶段的转变通常发生在疾病的前五年内[21, 22]。这种分层有助于在疾病谱的不同临床阶段评估DTI-ALPS指数。这些患者在2011年1月至2012年10月期间于巴西圣保罗坎皮纳斯大学（UNICAMP）医院神经内科门诊的常规随访预约中招募。该研究经UNICAMP研究伦理委员会批准，所有参与者均签署了书面知情同意书。所有患者抗HIV和抗HTLV1/2抗体检测均为阴性，并排除了其他鉴别诊断。在MRI采集时，所有患者均遵循标准化免疫抑制方案，包括初始联合治疗（泼尼松和硫唑嘌呤），随后在六个月内逐渐减量泼尼松。因此，所有治疗超过六个月的患者（n = 18；占队列的85.7%）在扫描时正在接受硫唑嘌呤单药治疗。其余三名患者处于皮质类固醇减量阶段的最后阶段。研究期间无患者出现临床复发或接受甲泼尼龙冲击治疗。疾病严重程度和神经功能损害采用扩展残疾状态量表（EDSS）进行量化[23]。EDSS是一种标准化指标，整合了两个组成部分：(i) 功能系统（FS）评分，来源于八个领域（锥体、小脑、脑干、感觉、视觉、肠道/膀胱、大脑/精神及其他功能）的神经系统检查，以及(ii) 行走能力和整体残疾评估。评分范围从0（神经系统检查正常）到10（因疾病死亡），以0.5分为增量，为监测疾病进展提供了可重复且敏感的指标。

AQP4抗体检测

所有外周血样本均使用商业化、标准化的基于细胞的免疫荧光法检测AQP4抗体，该方法使用重组全长人AQP4（Euroimmun AG，吕贝克，德国）[24]。这些检测在UNICAMP神经免疫学实验室进行。

多发性硬化（MS）患者

为探究DTI-ALPS指数在鉴别NMOSD与中枢神经系统（CNS）其他炎性脱髓鞘疾病中的特异性，额外纳入了一个多发性硬化（MS）患者队列。该数据集包括42例根据McDonald标准[25]诊断为复发缓解型MS（RRMS）的患者。为确保影像采集和环境变量的一致性，MS数据集来自同一神经影像中心，使用与NMOSD组和对照组相同的MRI方案获取。

MRI成像方案

所有患者（NMOSD和MS）及对照组均在UNICAMP医院使用Phillips Achieva 3-T扫描仪进行了MRI扫描。虽然完整的临床方案包括T1和T2加权序列，但由于伦理委员会的数据共享政策，本分析仅可获得DTI数据。为确保数据完整性，对每位受试者的B0和部分各向异性（FA）图进行了视觉检查，以确认用于DTI-ALPS计算的特定感兴趣区（ROI）内不存在宏观病灶或显著结构异常。这确保了我们的测量反映的是表现正常的白质微环境。MRI成像参数为：非共线回波平面序列，TR/TE = 8500/61 ms，翻转角 = 90°，SENSE加速因子等于2.5，32个梯度方向，b1值 = 1000 s/mm2，单个b = 0 s/mm2，2.0 mm3各向同性体素大小。弥散方案遵循数据采集时（2011-2012年）既定的临床标准。虽然这些参数为临床队列中的可靠张量估计提供了足够的信噪比，但与现代高角分辨率方案相比，它们被认为是导致衍生指标变异性的一个潜在因素。

DTI预处理包括使用3D Slicer [26, 27]（版本5.9）和FSL Eddy [28, 29]（版本6.0.6）进行涡流和受试者运动校正、颅骨剥离，以及使用3D Slicer中实现的线性最小二乘估计器进行张量拟合。B0图像用于磁敏感伪影检查，根据占总采集体积10%的质量保证（QA）阈值排除具有严重运动伪影的体积。每位受试者移除的弥散加权体积不超过三个，确保角分辨率保持足以进行稳健的张量估计。因此，没有受试者因该标准被排除出研究，所有参与者的方向数据完整性得以保持。对于DTI-ALPS计算中使用的感兴趣区（ROI）定义，[13]我们应用了归一化程序，使用MNI脑模板1 mm各向同性FA图（也称为JHU-FA脑模板[6]）辅助白质区域定位。双侧ROI被自动定义，为确保解剖准确性，所有自动放置位置均由经验丰富的专家在彩色编码FA图上进行视觉检查，以确认定位正确且无病灶。最终DTI-ALPS指数代表这些双侧测量的均值。归一化步骤使用ANTs归一化工具[30, 31]（版本2.6.2-g52bc0ab）完成，该工具应用了仿射和B样条方法的两步图像配准，其中B0体积用于以T1-w MRI模板调整互信息优化函数[30]。在完成归一化变换后，投射区和联合区ROI按照Taoka等[13]的建议放置，考虑最大ROI尺寸为5 mm3。

DTI-ALPS形式体系

DTI-ALPS计算使用公式1中定义的方程进行，考虑采用[13]所采用的相同程序。

其中投射纤维（ ）和联络纤维（ ）置于x轴，投射纤维（ ）置于y轴，联络纤维（ ）置于z轴。所有空间方向均在DTI尺度上定义，即使用张量表示。

对于投射和联络ROI的定义，我们采用了使用MNI脑图谱的空间定位模式[32]。因此，这些区域的白质定位更加规范，受人工定义的影响更小。图1展示了本研究采用的DTI-ALPS计算流程。

统计分析

所有统计分析均在 Origin（版本号 2022，OriginLab Corporation，Northampton，MA，USA）中完成。正态分布变量以均值 ± 标准差表示，非正态数据以中位数（IQR）表示。采用 Shapiro–Wilk 检验评估正态性，采用 Levene 检验评估方差齐性。对于组间比较，我们采用非配对（独立）t 检验进行参数组间比较。当正态性检验不适用时，使用 Mann–Whitney U 检验非参数检验。DTI-ALPS 与临床指标（EDSS、病程）之间的关联采用 Spearman 秩相关系数评估。由于 NMOSD 的罕见性及本研究的探索性目的，未进行正式的多重比较校正。因此，p 值应解释为提示本初步队列中证据强度的指标，而非确定性的验证性发现。所有检验均为双尾，p 值 < 0.05 被认为具有统计学意义。确切 p 值在结果中报告。由于 NMOSD 病例数量有限，未进行正式的先验效能计算；本研究为探索性研究。因此，在更大规模的前瞻性验证研究完成之前，结果应谨慎解释。

软件共享信息

DTI-ALPS 指数采用基于 Python 脚本语言的公共开源策略实现。一个 3D Slicer1 扩展在整个科学界2可免费获取。所有 Python 实现均旨在帮助研究和医学界在其他应用中分析和使用 DTI-ALPS 指数。

结果

表 1 呈现了患者的人口学、临床和血清学特征。病程较长的患者经历了更高的复发次数，其 EDSS 评分总体更差。与既往研究结果相似，[21, 22] 仅有限数量的患者表现出脑脊液（CSF）限制性 IgG 寡克隆带，且与 AQP4ab 血清状态或病程无显著差异（见表 1）。

进行了组水平分析，以比较健康对照、NMOSD 患者和 MS 患者之间的 DTI-ALPS 指数（图 2）。分析显示对照组与两个患者队列之间均存在高度显著差异。具体而言，与健康对照相比，NMOSD 患者的 DTI-ALPS 值显著降低（PCON.NMOSD < 1,03 × 10− 7），MS 组也呈现类似发现（PCON, MS < 4,03 × 10− 5）。然而，NMOSD 与 MS 队列之间未观察到显著差异（PNMOSD, MS = 0,241）。

进一步研究 DTI-ALPS 值与疾病严重程度（EDSS）之间的关系，揭示了两种疾病之间存在不同的模式。在 NMOSD 队列中证实了显著的负相关（R = −0.462，p = 0.011），如图 3 所示，提示 DTI-ALPS 下降反映了该组中累积的神经变性。相比之下，MS 队列显示 ALPS 指数与 EDSS 之间关联可忽略不计（R = −0.035，p = 0.772），表明这一特定影像标志物在 NMOSD 与 RRMS 中追踪的是不同的残疾驱动因素。

此外，病程似乎在影响DTI-ALPS值方面起关键作用。病程超过五年的患者DTI-ALPS显著降低，病程与DTI-ALPS指数之间存在显著负相关（R = −0.799，p = 0.013），如图4所示。

关于病程，在NMOSD队列中发现其与DTI-ALPS指数呈负相关（R = −0.799，P = 0.013；图4）。在该组中，病程较长的患者通常指数值较低。相比之下，MS队列未显示ALPS指标与首次症状出现时间之间存在显著关联（R = −0.052，P = 0.536）。这一观察结果与临床残疾的结果一致，即ALPS指数在NMOSD中似乎与疾病慢性程度相关，但在MS组中未显示类似的时间关系。

讨论

我们发现，与健康对照相比，NMOSD患者的DTI-ALPS值显著降低，且较低的DTI-ALPS与临床残疾（EDSS）和病程均呈负相关——在病程> 5年的患者中最为显著。这些结果表明，DTI-ALPS指数所捕捉的扩散行为宏观尺度变化在组水平上与NMOSD的严重程度和慢性程度相关。

值得注意的是，我们的比较分析显示，NMOSD与MS队列之间的DTI-ALPS值无显著差异（PNMOSD, MS = 0.241）。这一发现表明，尽管ALPS指数对神经炎症病理具有敏感性，但可能缺乏区分这两种不同脱髓鞘实体所需的临床特异性。两组中观察到的降低可能反映了白质退变和血管周围间隙功能障碍的共同通路。在MS中，慢性炎症和血管周围病灶（Dawson手指）[25, 33]的形成已知会破坏局部微环境和间质液动力学。同样，在NMOSD中，靶向AQP4的星形细胞病导致端足损伤和水稳态受损[34]。

尽管组间指数值相似，但仅在NMOSD队列中观察到与残疾（EDSS）和疾病病程的负相关（图3和图4）。MS队列中缺乏相关性的原因目前尚无定论[35–37]。可能在MS中，DTI-ALPS指数反映的是更为广泛且非特异性的白质微结构改变，其并不像NMOSD那样严格随临床进展而变化。相反，NMOSD中的关联可能与特异性靶向AQP4的星形细胞病及其对血管周围引流的影响有关，尽管这仍属推测。

这些结果提示，尽管ALPS指数在两组患者中相对于对照组均降低，但其与疾病进展的关系似乎在NMOSD谱系中更为明显。ALPS方法的敏感性可能因每种疾病的潜在病理过程而异，需要进一步研究以阐明为何该指数在不同神经炎症条件下与残疾的关系存在差异。因此，DTI-ALPS指数可能作为神经炎症负荷和血管周围环境状态的全局“传感器”，而非用于识别特定疾病病因的诊断工具。

在数学上，DTI-ALPS指数源自沿x轴（平行于髓静脉）的弥散率与y轴和z轴（垂直于主要纤维束）弥散率的比值。通过聚焦于投射纤维和联络纤维呈正交的区域，该指数有效分离了不受主要轴膜限制的水分子方向性弥散[13, 15]。因此，在此基础上获取的信息可作为间质液（ISF）引流效率和血管周围间隙通畅性的宏观尺度替代指标。在NMOSD背景下，较低的指数提示这一方向性“最小阻力路径”受损，可能归因于该病特征性的星形细胞损伤及随后的类淋巴淤滞。

由于ALPS指数旨在探测沿血管周围间隙的弥散，NMOSD中观察到的较低值可能反映了脑小血管周围微结构环境的改变和/或影响方向性弥散度的更全局性白质完整性变化[21, 22, 38]。在NMOSD中，由抗AQP4抗体介导的星形细胞病导致星形细胞终足损伤和水稳态破坏[24, 39]；这些改变为疾病病理与ALPS指数降低之间提供了合理的机制联系。此外，DTI-ALPS与EDSS和疾病病程相关的发现表明，该指数对累积性组织损伤（炎症、脱髓鞘、胶质增生和轴突丢失）敏感，这种损伤可在长期病程中多次复发后发生，而非仅对单次急性病灶负荷敏感。必须承认，DTI-ALPS指数是一种间接的、基于弥散的指标。虽然它最初被提出用于反映类淋巴功能，但我们NMOSD队列中观察到的较低值也可能受到全局性、非特异性白质微结构改变的影响，而非孤立的血管周围损伤。鉴于NMOSD涉及广泛的星形细胞病和轴突丢失，ALPS指数的降低可能代表类淋巴淤滞和一般组织退化的复合效应。因此，我们关于类淋巴功能障碍的解读仍属推测性，DTI-ALPS指数应被视为血管周围微环境的探索性影像标志物。

我们的结果与以下观点一致：DTI指标可在常规MRI上表现正常的区域检测到NMOSD的微结构异常。既往NMOSD的DTI研究报告了视路、脊髓和部分脑区FA降低和MD升高[10]；本研究通过显示一种基于ALPS的指标——旨在探测血管周围/类淋巴相关弥散——在患者与对照之间也存在差异并与临床状态相关，对上述报道进行了补充。较长疾病病程与较低ALPS之间的关联与以下报道相一致：神经炎症性疾病的慢性化伴随进行性微结构退化。然而重要的是，ALPS指数提供了一种全局的、基于方向的概括性指标，其与纤维束特异性FA/MD指标不同，因此可能捕捉到与脑液动力学和血管周围微环境相关的组织改变方面。

本研究的主要优势包括使用了成熟的、可重复的ROI放置工作流程（标准化至MNI并逆向映射至原生DTI空间）以及使用了客观的、既往已发表的ALPS公式。观察到的组间差异及与临床意义指标（EDSS、疾病病程）的相关性表明，DTI-ALPS可作为NMOSD相关组织改变的敏感群体水平影像标志物。在实际应用中，ALPS从标准DTI采集数据计算相对简单，可作为反映病灶计数或常规体积测量未能捕捉的血管周围/白质完整性方面的补充指标纳入多模态MRI方案。

然而，DTI-ALPS指数在NMOSD诊断中的应用仍处于早期阶段，若干局限性必须予以解决。其中一个挑战是DTI采集方案的可变性，这可能影响DTI-ALPS测量的可靠性。此外，尽管DTI-ALPS指数可能反映类淋巴功能障碍的间接测量，但其对NMOSD的特异性仍不清楚，因为在其他神经系统疾病中也可观察到类似变化。需要更多研究来在更大的NMOSD患者队列中验证DTI-ALPS指数的应用，并在不同临床环境中标准化成像技术。横断面设计无法推断因果关系或时间动态；需要纵向数据来确定ALPS下降是先于、同步于还是跟随临床恶化。此外，样本量较小（21例NMOSD患者），且在临床表现和血清学状态方面具有异质性；队列规模有限增加了对抽样变异的易感性，并限制了亚组分析（例如，按AQP4状态或治疗分组）。另一个需要强调的重要点是，所有患者在扫描时均正在接受免疫抑制治疗；不能排除药物对弥散指标的影响。此外，缺乏疾病对照组（例如，MS）使得无法直接声称ALPS变化对NMOSD具有特异性。样本量较小（n = 21）以及NMOSD队列的临床异质性——包括NMO、LETM和rON表型——代表了一项局限性。然而，这些临床表现现在被认为是由AQP4-IgG介导的星形胶质细胞损伤所驱动的同一基础疾病过程的表现[9]。LETM和rON等表型通常代表早期复发，而经典NMO表型则反映同一谱系内更为播散的临床表达。虽然这种纳入提供了NMOSD谱系的代表性视角，但小样本量可能夸大相关系数，例如观察到的疾病持续时间与DTI-ALPS之间的强关系（R = −0.799）。未来需要更大、更 homogeneous 的队列研究来验证这些探索性发现，并尽量减少统计效应被夸大的可能性。此外，硫唑嘌呤的药理学特征支持以下解释：我们的发现反映的是疾病相关病理而非药物效应。硫唑嘌呤及其活性代谢物6-巯基嘌呤（6-MP）脂溶性差，对完整血脑屏障的穿透有限[33]。它们在NMOSD中的治疗疗效主要归因于外周免疫抑制——减少系统性自身免疫驱动——而非在中枢神经系统微环境中的直接作用。因此，硫唑嘌呤治疗不太可能直接干扰或“掩盖”DTI-ALPS指数所捕获的水弥散模式。这表明所观察到的这一探索性成像标志物的降低，稳健地反映了NMOSD特征性的基础星形胶质细胞病和血管周围损伤[40]。

如图2所示，在个体患者之间也观察到DTI-ALPS值存在相当大的变异性。虽然这种变异性支持将DTI-ALPS用作组间比较的可靠指标，但它引发了关于其用于个体患者特征描述的担忧。需要进一步研究以确定DTI-ALPS是否可以被改进或辅以其他指标，从而提高其用于个体评估的精确度。最后，DTI-ALPS指数提供的是对脑流体动力学和白质完整性的整体评估。然而，它缺乏精确定位特定脑区变化所需的特异性。虽然这些因素要求对个体评分进行谨慎解读，但我们的结果有力地证明了DTI-ALPS作为组水平影像标志物的实用性。未来采用更大规模、多中心队列的纵向研究将有助于进一步完善该指数的临床特异性，并确立其在个性化患者管理中的作用。需要强调的是，虽然我们观察到DTI-ALPS指数与EDSS和疾病病程均存在显著相关性，但本研究的横断面设计无法确立时间或因果关系。我们的研究结果证明了在单一时间点上较低的ALPS值与较重的临床残疾之间存在关联，但我们不能 definitively 得出结论认为ALPS指数在个体内随着疾病进展而“下降”。这些相关性可能反映的是既往神经炎症发作的累积负担，而非持续性的生理“进展”。未来需要在多年内对同一批患者进行追踪的纵向研究，以确认DTI-ALPS指数是否可作为临床恶化的预测标志物。

结论

总之，本研究表明DTI-ALPS指数是评估NMOSD血管周围微环境改变的一种敏感且具有临床相关性的探索性标志物。在NMOSD中观察到的与EDSS和疾病病程的显著相关性——与MS队列中未发现相关性形成对比——凸显了该指标追踪NMOSD特异性病理累积影响的潜力。虽然NMOSD与MS之间这种临床相关性差异的原因仍无定论，但我们的结果支持将DTI-ALPS用作有价值的组水平工具。未来需要纵向研究来确认这些发现是否反映了NMOSD中类淋巴功能与临床恶化之间的特定联系。