JAMA Neurology：帕金森病跨疾病阶段的新兴神经成像生物标记物
意义：帕金森病(PD)的成像生物标记物在临床试验中的发病进程监测方面起到越来越重要，也具有改善临床护理和管理的潜力。这篇综述阐述了临床医生和研究人员需要明确在临床过程中使用的PD诊断和发病进程的成像生物标记物的时间相关性。磁共振成像(扩散成像、神经黑素敏感成像、铁敏感成像、T1加权成像)、正电子发射断层扫描/基于多巴胺能、5-羟色胺能和胆碱能单光子发射计算机断层扫描成像以及代谢和脑血流网络神经成像生物标记物在PD临床前、前驱期、早期和中期至晚期被描述在本文中。
观察资料：如果在临床前和前驱阶段进行临床试验，潜在有用的疾病状态生物标记物包括纹状体的多巴胺能成像、代谢成像、游离水、神经黑素敏感和铁敏感成像以及t1加权结构磁共振成像。可以区分异常的帕金森病疾病状态生物标记物是代谢成像、游离水成像和T1加权成像；多巴胺能成像和其他分子成像跟踪前驱症状患者的疾病进程，而其他已建立的生物标记物需要在前驱症状队列中进行评估。早期帕金森病的疾病进程可以通过纹状体的多巴胺能成像、代谢成像、后黑质的水分子活动和神经黑素敏感成像来监测。中期至晚期PD患者的疾病进程可以通过黑质前部的水分子活动成像、黑质的R2*和代谢成像来监测。皮质厚度和褶皱数也可能是有用的标记物或预测疾病进程。多巴胺能成像和水分子成像可检测1年以上的疾病进程，而其他方式检测18个月或更长时间以上的疾病进程。疾病进程性生物标志物的可靠性随疾病分期的不同而变化，而疾病状态的生物标记物在临床前、前驱期、早期、中期至晚期PD个体中相对一致。
结论和相关性：帕金森病不同阶段的成像生物标记物很容易被用作临床试验的结果测量，并可能在与常规临床评估中有用。这篇综述为在临床试验和临床护理环境中实施诊断和监测疾病进程的生物标记物时提供了一个至关重要的模板。
1.引言
帕金森病(PD)中已出现了多种神经影像学生物标记物。然而，特异性的生物标记物更适合于评估帕金森病进展的不同阶段的神经退行性过程。本综述的目的是阐明基于磁共振成像(MRI)和正电子发射断层扫描(PET)/单光子发射计算机断层扫描(SPECT)神经成像生物标志物的时间相关性。
首先描述帕金森病患者与健康对照组和临床前、前驱期、早期、中期至晚期的异常帕金森症状（即疾病状态）的生物标记物。我们还将总结每个阶段疾病进程的生物标记物。以下生物标志物将被描述：（1）PET和黑质纹状体多巴胺能、5-羟色胺能和胆碱能系统的SPECT；（2）代谢成像(18F标记的脱氧氟葡萄糖PET)或脑血流网络成像；（3）结构MRI标记物，包括单张量扩散成像、水分子活动成像、神经黑素敏感成像、铁敏感成像和T1加权方法(皮质厚度、基于体积的形态测量[VBM]和基于变形的形态测量)。
2.多巴胺能PET/SPECT
PD前临床期和前驱期：纹状体多巴胺转运体(DAT)的PET/SPECT成像显示了PD的大约50%的特发性快速眼动睡眠行为障碍(iRBD)(图1A). 不表现性的富亮氨酸激酶2 型(LRRK2)变体载体也减少了DAT结合以及氟多巴摄取减少(图1B)。它也显示了PD在运动症状出现前数年, DAT、氟多巴和囊泡状单胺转运体2型(VMAT2)成像开始下降。然而，这一估计应该谨慎解释，因为它是不稳定的，并与其他因素有关，如发病年龄和使用哪种示踪剂。此外，基于突触前多巴胺能去神经支配的PET标记物显示出作为临床前和前驱期疾病状态标记物的潜力，但有一定的局限性(图2A)。
图1. 本文综述了神经影像学技术。A.对照组和早期、中期和晚期帕金森病(PD)患者的单光子发射计算机断层扫描成像。B.对照组和早期和晚期PD患者。C.对新生PD患者进行4年以上的纵向游离水成像。D.健康对照组和PD患者的神经黑素敏感成像。E.在特发性快速眼动睡眠行为障碍患者中，使用铁敏感成像,PD由于缺乏黑质体形成低信号。F.通过变形形态测量PD患者大脑萎缩分布。
图2. A.临床前和前驱期、早期和中期至晚期帕金森病患者的疾病状态生物标记物的证据。B.临床前和前驱期、早期和中度至晚期帕金森病患者的疾病进程生物标记物的证据。+表明，仅有1篇文章显示了效果，或研究结果不一致；++，效应为2-3篇文章；+++，效应在3篇或多地点队列中显示一致；−，没有显示生物标记物的影响。在没有研究数据的地方使用灰色的方块。aSN：黑质前部；MRI：磁共振成像；NA：不适用；PET：正电子发射断层扫描；pSN：后黑质；SN：黑质；SPECT: 单光子发射计算机断层扫描。
纹状体DAT成像测量的纵向研究显示，与健康对照组相比，iRBD患者在3年内多巴胺能功能下降(图1A)。类似地，在缺氧和DAT缺乏的个体中，4年后DAT结合逐渐减少。然而，一些研究表明，随着时间的推移，DA成像的变化与临床功能的变化之间的关系很差，这使纹状体DA成像的解释变得复杂。此外，药物对DA成像可能的急性和慢性混淆效应仍尚未解决，在临床试验中作为PD疾病进程的生物标记物具有潜在的显著局限性。虽然通常认为多巴胺能标记物和黑质多巴胺细胞计数之间存在关系，但这可能仅适用于轻微的细胞丢失，而影像学标记物与纹状体多巴胺含量之间的相关性可能更强。最近，有研究表明，纹状体DAT结合与酪氨酸羟化酶黑质细胞计数或纹状体酪氨酸羟化酶免疫标记无关。
PD早期：除了DAT成像，VMAT2成像和氟多巴摄取可用于检测早期帕金森病患者的突触前纹状体多巴胺能去神经支配。这些是PD早期疾病状态的稳健生物标记物。VMAT2成像被认为与DAT或6-[18F]氟-L-DOPA相比和DAT结合往往对多巴胺去神经支配更敏感，但更少受代偿和其他调节变化的影响，但可能对多巴胺肽敏感。然而，所有的多巴胺能示踪剂仅限于检测黑质纹状体的病理，而且在其他帕金森综合征中也有多巴胺能活性的降低，如进行性核上麻痹(PSP)和多系统萎缩(MSA)。此外，帕金森病中异常的多巴胺能结合的差异对于鉴别诊断似乎不可靠，而多巴胺能成像的临床应用仅限于识别多巴胺能缺陷（图3）。
图3.+表明仅有1篇文章显示了效果，或各研究的结果不一致；+++，效应在3篇或3篇以上文章或多地点队列中显示一致；−，没有显示生物标记物的影响。MRI：磁共振成像；MSA：多系统萎缩；NA：不适用；PET：正电子发射断层扫描；PSP：进行性核上麻痹；SN：黑质；SPECT：单光子发射计算机断层扫描。
与随后的3年相比，新生PD的前2年氟多巴摄取在第3年下降得更快。在帕金森病疾病进程标记物研究(PPMI)队列中，有类似的发现纹状体DAT结合发生了更大的变化，在2-4年之间几乎没有变化。此外，纹状体多巴胺能标记物在诊断后5年内呈指数级下降并趋于稳定。此外，现有数据表明，基于多巴胺能的PET/SPECT成像对诊断后2年以上的疾病进程不敏感。一些研究表明，中脑多巴胺能标记物更适合于这一点，也可能更好地与临床功能相关。
PD中晚期：基于DA的PET/SPECT测量是中期至晚期PD患者良好的疾病状态生物标记物。然而，他们不太可能追踪中期至晚期帕金森病的疾病进程（图2）。
- 非多巴胺能PET成像
PD前临床期和前驱期：一些非多巴胺能的PET测量对疾病状态敏感，包括5-羟色胺能和胆碱能系统和神经炎症的标记物，并与非运动性帕金森病的病理生理学相关。与非表现LRRK2变异携带者和特发性PD携带者相比，非表现LRRK2变异携带者的血清素转运体表达上调，这可能是一种代偿或保护机制。相比之下，与对照组相比，未表现的A53Tα-突触核素(SNCA)携带者的脑干和皮层下区域的5-羟色胺转运体的结合减少(图1B)。未表现的LRRK2变异携带者的胆碱酯酶活性增加。相比之下，iRBD患者胃肠道外周胆碱酯酶活性降低，并显示出心脏交感神经去神经支配和中枢神经系统去甲肾上腺素能活性降低。在不同的前驱期和临床前PD模型中，血清素能和胆碱能PET都有不同的变化，但它们作为早期疾病状态生物标记物的潜力仍不清楚。此外，易位蛋白(TSPO)PET在未表现的LRRK2变异携带者和iRBD患者中显示出小胶质细胞激活，表明神经炎症可能在PD前驱期中发挥作用。TSPO配体有几个具有挑战性的局限性，包括低信噪比，并且在第二代配体的情况下，结合在很大程度上受到一种与疾病无关的多态性的影响。
使用氟脱氧葡萄糖PET的代谢成像或使用PET、SPECT和灌注MRI的脑血流网络成像显示，在PD前驱期也存在PD相关的模式(PDRP)。此外，PDRP存在于LRRK2和GBA载体中。PDRP在临床前期和前驱期跟踪进展的能力尚未确定。
PD早期：5-羟色胺能成像显示早期帕金森病患者（病程小于5年的患者）的结合性降低，且与疾病的严重程度或持续时间无关。此外，早期帕金森病中的5-羟色胺能去神经支配与多巴胺周转增加和左旋多巴恢复减少相关。胆碱能去神经支配也发生在早期帕金森病（病程小于3年），但在帕金森病伴痴呆中更为明显。这些标记物在跟踪进展(图2B)或帕金森病的异常诊断中的应用尚不清楚。
最近一项关于新生帕金森病的大型多位点研究表明，PDRP可以在多巴胺能治疗之前检测到疾病状态以及诊断帕金森病。此外，PDRP在早期帕金森病（病程小于2年）中进展超过24个月，这表明它也是早期帕金森病中一个良好的疾病进程标记物。一个关键的限制是多巴胺能治疗的急性效应，它显著降低了PDRP。
PD中晚期：在中期至晚期帕金森病（病程分别为5-10年和10年或以上）中，与对照组相比，5-羟色胺能转运体结合减少。5-羟色胺能病理程度与轻度至中度PD患者的认知能力下降有关。表现为LRRK2变异携带者的皮质和丘脑的胆碱能活性增加，但对特发性帕金森病（病程7年）有不同程度的影响。这可能是因为帕金森病的胆碱能病理与临床症状密切相关，如认知障碍或姿势和步态障碍。PD中去甲肾上腺素能活性降低，并与RBD和认知功能障碍的存在相关。此外，在进一步开发和利用血清素能和胆碱能示踪剂方面还应考虑PD的变异和临床亚型。
除了PDRP外，PD相关认知模式随着时间的推移而发展，PDRP通常比PD相关认知模式早几年。这些代谢网络对于中期至晚期帕金森病患者的病情进展尤其值得关注。
- 单张量弥散成像
PD前临床期和前驱期：黑质弥散成像(SN)测量帕金森病前驱期的早期神经退行性变化。利用单张量扩散成像，iRBD患者的黑质、中脑和桥脑各向异性分数均有变化。最近，在iRBD中实施了一种先进的2室扩散模型，即游离水成像，表明后SN中游离水的增加。这特别有趣，因为这个亚区域也增加了早期帕金森病患者的游离水，iRBD患者的后黑质游离水表明PD早期神经退行性过程，是疾病改善临床试验的潜在良好目标(图2A)。
PD早期：使用单张量扩散成像，在新生PD和早期PD中，整个SN或后/尾亚区的各向异性分数均降低，尽管研究显示了相互矛盾的结果。一项对10项研究的荟萃分析发现，单张量各向异性分数与SN没有显著的相关性。相比之下，新生帕金森病和早期PD的后SN的游离水增加，这在多个研究和多个部位中得到了一致的发现。此外，基底神经节、中脑和小脑的游离水成像可以区分PSP、MSA与PD。游离水成像是一种很有前途的疾病状态生物标记物，具有潜在的临床应用价值。
从多站点PPMI队列，PD从基线到1年和2年到4年的后SN游离水增加，并且超过1年游离水变化可预测4年后的Hoehn和Yahr量表变化(图1C)。此外，后SN游离水是一个稳定的PD早期疾病进程生物标记物。游离水成像反映了神经退行性变和/或神经炎症，其他先进的弥散成像模型可能同样能够指示神经炎症。
PD中晚期：中期至晚期PD患者的弥散成像通常显示在前侧和吻侧SN受损。使用单张量弥散成像，晚期PD（病程10年）患者除了尾侧SN外，吻侧/前SN的各向异性分数降低。在中期至晚期PD（病程7年）患者中也有类似的发现，PD后SN和前SN的游离水均增加。相比之下，中期PD患者（病程为3年）与对照组相比，吻侧SN的各向异性分数没有差异。此外，基底神经节的弥散成像显示可预测认知障碍得分，这暗示了其他黑质区域可能指示了临床亚型的疾病状态。
中期至晚期PD（病程7年）患者的游离水成像显示，3年后前SN的游离水逐渐增加，而后SN没有增加。本研究提示，在晚期PD患者中，应监测前SN，而不是后SN对疾病进程的影响(图2B)。
- 神经黑素敏感MRI
PD前临床期和前驱期：对iRBD患者使用神经黑素敏感MRI的多项研究显示，SN中的神经黑素信号减少，特别是在腹外侧与后亚区。此外，蓝斑/蓝斑下复合体的成像是一种混杂的早期非多巴胺能标记物。降低信号对iRBD识别的敏感性为82.5%，特异性为81%。此外，腹侧或后侧SN和蓝斑的神经黑素敏感MRI有望作为PD前驱期疾病状态的标志物(图2A)。
PD早期：早期PD（病程1.5年）患者的神经黑素成像显示后层（即腹外侧层）SN信号降低。此外，后SN中的神经黑素敏感MRI似乎也是帕金森病的一个强有力的早期标志物。初步证据表明，SN和蓝斑中的神经黑素信号可以检测到MSA和PSP的一些差异，尽管与PD相比，敏感性和特异性并不是最佳的（图3）。
PD中晚期：与对照组相比，中期至晚期PD（病程为4至6年）患者的神经黑素信号降低(图1D)。此外，晚期PD患者（病程为10年）的SN的前内侧和腹外侧部分信号降低。这种从腹外侧到前内侧检测到的游离水成像的神经退行性变模式，与SN中确定的细胞丢失的神经病理模式相一致。总之，中期至晚期PD患者疾病状态的结构影像学标记物同时表现为前、后SN的神经退行性变。神经黑素敏感的MRI也能追踪晚期PD的进展。
- 铁敏感MRI
PD前临床期和前驱期：铁敏感技术在iRBD中显示出了前景，包括R2弛豫成像、磁化率加权成像(SWI)和定量磁化率作图(QSM)。QSM显示，iRBD患者的SN中双侧铁含量增加。相比之下，一项研究显示，黑质R2定位并不能将iRBD患者与对照组区分开来；然而，这可能是由于使用了2-mm3的分辨率和成像序列。R2*成像显示未显性LRRK2和Parkin携带者的SN中铁含量增加。SWI也强调了背外侧SN致密部的黑质体形成。在大约60%的iRBD患者中检测到背外侧黑质高强度(DNH)的信号丢失(图1E)。虽然这些成像方法很有前途，但还是需要未来的研究来证实它们作为PD前驱期疾病状态生物标记物的有效性。
PD早期：在早期（病程小于1年）和中期至晚期PD患者中，SN中的R2和QSM与健康对照组有显著差异。一项研究使用瑞士患者早期帕金森病（病程9个月）发现信号损失DNH的鉴别准确性达94%。另一个SWI研究使用了更大的患者样本复制了PD的这一发现，发现88%的患者存在DNH信号损失。此外，在早期和新生PD中，R2成像、SWI和QSM似乎是可靠的疾病状态生物标记物。然而，一些研究表明，MSA和PSP在壳核中存在重叠，限制了其临床应用的实用性。
总的来说，没有足够的证据表明铁敏感技术可以跟踪早期PD患者的进展(图2B)。随访2年后，早期PD患者纹状体和黑质R2弛豫时间迅速增加。另一项研究也发现，在早期帕金森病中，苍白球和尾状核的R2增加。相比之下，另一组新生PD在3年随访中显示R2*没有纵向变化。作者认为，这些不一致可能是由于胶质细胞增生和神经退行性变，这可能具有延长弛豫时间的效果。
PD中晚期：SN致密部中的R2*和QSM在中期至晚期PD中显示出了作为疾病生物标记物的前景。一项对10项使用铁敏感MRI序列(SWIMRI、多回声数据图像组合、液体衰减反转MRI恢复、T2加权MRI)研究的荟萃分析发现，使用中期PD 的DNH缺乏作为预测因子，导致了PD患者与对照组的敏感性和特异性分别为97%和94%。一种新的高级SWI序列实现在中晚期PD患者与对照组中也具有较高的敏感性和特异性。
一项研究使用R2观察了中期PD患者（病程为5年），观察时间超过3年，发现SN的弛豫时间增加。在早期PD患者（病程0.5年）、中期PD患者（病程3年）和晚期PD患者（病程10年）的大队列个体中，在SN致密部和SN网状部中观察到不同的疾病进展模式。在致密区，只有晚期PD患者的R2的增加速度快于健康对照组。相比之下，在网状病变中，仅在晚期PD患者中，R2有纵向下降的趋势。在本研究中，QSM没有检测到任何疾病阶段的疾病进程，这暗示了R2可能是晚期PD患者中更敏感的疾病进程标记物。
- T1加权结构MRI
PD前临床期和前驱期：基于T1的结构MRI方法，如皮质增加和VBM，为前驱期PD患者提供了敏感的疾病状态测量。VBM显示iRBD患者的海马体积减少。此外，iRBD患者的额叶、颞叶、扣带和枕叶皮质厚度减少，并伴有轻度认知障碍的患者出现明显萎缩。对这些发现进行进一步的研究和验证是必要的，特别是在没有认知障碍的iRBD患者中。
PD早期：基于T1的结构方法对无痴呆的新生或早期PD患者的疾病状态敏感。在PPMI中使用基于变形的形态测量学和独立成分分析，在新生帕金森病中发现了萎缩模式，并能够预测了4.5年的疾病进展(图1F)。皮质厚度和VBM应用于新诊断的帕金森病患者队列，发现皮层下和皮质区域萎缩，在认知障碍个体中更为明显。此外，最近的一项多中心队列使用机器学习结合体积测量，并实现了PSP和MSA的高精度区分，这是基于T1方法的一种潜在有益的临床应用（图3）。
结构成像可以跟踪无痴呆的早期PD患者的疾病进展，尽管它还需要进一步探索。在基于张量的形态测量学中，与对照组相比，其前额叶皮层和扣带皮层、尾状核和丘脑的萎缩得更快。使用皮质厚度，18个月后，无额叶认知障碍的轻度PD（病程为2年）患者与健康对照组相比，萎缩程度更大。相比之下，另一项对个体进行了18个月的随访研究中发现，轻度帕金森病（病程2年）在全脑萎缩或脑室扩大方面与对照组无差异。
PD中晚期：T1加权MRI方法在无痴呆的中期到晚期PD患者中有不同的和相互矛盾的结果(图2A)。健康对照组和无痴呆的晚期帕金森病患者（病程14年）之间的VBM差异没有报道。另一项研究发现中期帕金森病患者的额叶灰质减少（病程为3.5年）。目前，基于T1的结构MRI生物标记物在PD无痴呆患者中的应用尚不清楚。相反，结构变化在轻度认知障碍和痴呆症患者中更为明显。在轻度认知障碍和痴呆患者中，额叶、颞叶、顶叶皮质以及海马体均存在一致的灰质萎缩。
无认知障碍的中期至晚期帕金森病患者（病程5年）的纵向皮质厚度研究中，显示PD患者枕叶和梭状区域萎缩。而伴随有认知障碍的PD患者在补充运动区、颞叶、顶叶和枕叶皮质有更广泛的萎缩。此外，当前证据表明T1加权MRI方法在神经退行性疾病过程高级阶段表现更敏感。T1加权MRI方法作为疾病进展的生物标记物的研究仍被需要的。
- 结论与临床护理管理和意义
总之，在临床试验中，当选择一种成像生物标志物作为结果测量指标时，考虑疾病阶段是至关重要的。如果在PD临床前和前驱期进行临床试验，建议使用DA成像和其他分子成像跟踪疾病进展。需要进一步的研究来评估PD临床前和前驱期的其他成像生物标记物的表现。早期PD患者的疾病进展可以通过纹状体DA成像（诊断后不到2年）、代谢成像和后SN中游离水或神经黑素敏感成像进行监测。中期至晚期PD患者的疾病进展可以通过前SN、SN的R2*和代谢成像来监测。推荐使用DA成像和游离水成像检测超过1年的PD患者的疾病进展，使用其他代谢成像检测超过18个月或更长时间的疾病进展。皮质厚度和褶皱数也可能跟踪更晚期的进展。可以区分帕金森病的异常疾病状态生物标记物是代谢成像、游离水成像和T1加权成像。对于这些新兴的生物标记物的临床应用，采用统一的方法大型多中心研究将有助于建立规范的范围和标准化，这将有助于联邦机构的批准。此外，美国食品和药物管理局的生物标记物资格项目要求生物标志物的统计严格性，包括质量控制和标准操作程序、性能报告（如平均值、范围、置信区间、敏感性、特异性和准确性）、建议的截止点以及操作者之间和操作者内部的可变性。此外，其他重要的标准将包括生物标记物如何与临床结果相关或预测相关的临床结果。联邦机构将更有可能批准一种药物用于疾病改善，以减缓临床进展和临床进展的生物标记物。
最后一个需要考虑的问题是，在临床试验或临床护理中，人们想要考虑的疾病机制。例如，游离水成像反映了神经退行性变和/或神经炎症，并与PD小鼠模型中的突触核蛋白病理有关，这为多巴胺能和其他神经元亚型提供了证据。与多巴胺成像相比，弥散成像可能是非多巴胺相关治疗疾病进展的一个更好的标记物。神经黑素成像也反映了SN内多巴胺能神经元的完整性，SN是DA神经退行性变的另一个标记物。帕金森病非临床核心表现的非运动特征将通过非多巴胺能成像方式更好地被监测。与此同时，结构(MRI)、功能(DA和代谢成像)以及潜在的其他模式（炎症、其他神经递质）的多模态组合将为疾病改善治疗提供更有力的解释。未来的临床试验和临床管理应在试验设计和患者护理中考虑这些特点。
参考文献：Emerging Neuroimaging Biomarkers Across Disease Stage in Parkinson Disease