新生儿期起病的遗传性癫痫中的白质微结构异常

《Annals of Clinical and Translational Neurology》：White Matter Microstructural Abnormalities in Neonatal Onset Genetic Epilepsy

　　

目的：近期研究表明癫痫与白质异常相关。若癫痫发作可改变白质结构，则其对网络功能、癫痫发生及认知的影响在快速发育髓鞘化的新生儿中可能尤为显著。非结构性遗传因素所致癫痫的新生儿为探讨癫痫发作是否导致白质结构异常提供了独特契机。

方法：本研究为2013年至2020年间在四级新生儿重症监护室（Neonatal Intensive Care Unit, NICU）接受治疗的足月新生儿回顾性病例对照研究。病例组为确诊或疑似遗传性癫痫、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）正常且无已知独立影响白质疾病的患儿。健康对照组为MRI正常且无相关临床诊断者。采用基于纤维束的空间统计（Tract Based Spatial Statistics, TBSS）对弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）的分数各向异性（Fractional Anisotropy, FA）和平均弥散系数（Mean Diffusivity, MD）进行白质评估。

结果：共纳入58例新生儿（病例19例，对照39例）。在控制性别和MRI检查时绝经后年龄后，与健康对照相比，遗传性癫痫新生儿的上部放射冠FA显著升高、MD显著降低。其他联络纤维（前部及后部放射冠、毯部、外囊、上部及下部额枕束）趋近显著性（p<0.2）。平均FA或MD与脑电图（Electroencephalogram, EEG）癫痫发作负荷或发育结局之间无显著相关性。

解读：与健康对照相比，遗传性癫痫新生儿主要联络纤维的白质微结构存在异常，表现为FA升高、MD降低。这些结果表明，白质在新生儿癫痫早期即受影响，凸显了早期发作性癫痫的全面影响。

神经网络的结构改变可能促进癫痫发生并导致癫痫患儿认知功能障碍，但其病理生理机制尚不明确。一个尚未充分探索的可能性是癫痫发作本身可改变白质结构。动物及人体研究表明，白质在发育性髓鞘化期间及之后具有动态可塑性，其变化由自发性和刺激性神经元活动所驱动，而此过程对多种形式的学习至关重要。动物模型进一步显示，癫痫发作的神经元活动亦可改变髓鞘结构，进而可能影响后续癫痫发作频率及认知功能。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）技术使人体白质的定量评估成为可能，其中平均弥散系数（Mean Diffusivity, MD）反映弥散方向无关性，分数各向异性（Fractional Anisotropy, FA）指示弥散方向性。MD与FA分别与白质结构完整性呈负相关和正相关。既往研究已在成人颞叶癫痫、额叶癫痫及全面性癫痫，以及儿童颞叶癫痫、伴中央颞区棘波的良性癫痫和特发性癫痫中证实了MD和FA的改变。此外，婴儿半侧巨脑畸形异常半球及部分经胼胝体累及对侧半球的白质加速髓鞘化现象亦有报道。这些发现提示，异常白质可能是导致多种儿童癫痫共病认知障碍和发育迟缓的重要因素，同时亦可影响癫痫发作频率。

若癫痫发作可改变白质，则这一相互作用对癫痫发生和认知功能的影响在快速发育髓鞘化期经历癫痫发作的新生儿和婴儿中可能尤为显著。新生儿期白质于主要脑束（包括胼胝体和内囊）中呈未成熟状态，虽发育尚不完善，但这些纤维束已可测得MD和FA值。然而，此前尚无研究系统评估新生儿癫痫发作与DTI检测到的白质改变之间的关联。遗传性癫痫是新生儿期癫痫发作的主要病因之一，为解答上述问题提供了契机。其他病因如缺氧缺血性脑病、卒中、感染、脑室出血及重大结构畸形所致的白质改变可能通过独立于癫痫发作的机制产生。多种致病性基因突变已在癫痫新生儿中被鉴定，许多新生儿期起病的遗传性癫痫可引起癫痫发作，但在常规神经影像学中并不被认为影响白质结构。然而，细致观察仍可发现差异：前期初步研究表明，不同遗传因素所致癫痫新生儿存在汇聚性的胼胝体微结构异常。

本研究旨在利用DTI确定遗传性癫痫新生儿的白质是否异常，并评估癫痫发作负荷是否影响白质异常。研究人员假设，快速发育髓鞘化期间的新生儿癫痫发作与白质微结构的可测量破坏相关，具体而言，遗传性癫痫新生儿主要白质纤维束的FA高于、MD低于年龄匹配对照，且EEG癫痫发作负荷增加与FA和MD差异增大相关。

该回顾性病例对照研究于2013年至2020年间在费城儿童医院（Children's Hospital of Philadelphia, CHOP）NICU开展，经机构审查委员会批准。纳入标准为胎龄≥36周且绝经后年龄≤44周、新生儿期接受DTI检查的足月儿。病例组来自CHOP新生儿癫痫数据库及癫痫神经遗传学倡议（Epilepsy Neurogenetics Initiative, ENGIN）遗传检测数据库，要求确诊或疑似遗传性癫痫、脑MRI正常、无其他预期独立影响白质的疾病（排除先天性心脏病、暴露于已知改变白质的药物、脑膜炎、卒中及缺氧缺血性脑病）。对照组包括临床对照（因临床指征在CHOP NICU行MRI的正常新生儿）和研究对照（来源于既往建立年龄特异性新生儿DTI图谱的研究），两组均排除MRI异常或已知影响白质结构的情况，并与病例组按出生胎龄匹配。

白质评估采用3Tesla弥散MRI（dMRI）数据。病例和临床对照的dMRI采用Siemens 3T扫描仪（Verio和Skyra）获取，参数为：回波时间（TE）=65–78 ms，重复时间（TR）=5780–6850 ms，平面分辨率2×2 mm²，层厚2.5 mm，30个独立扩散编码方向，b=1000 s/mm²，仅接受运动伪影影响少于5个容积的数据。使用DTIStudio处理数据，所有扩散加权像（Diffusion Weighted Images, DWI）经12参数仿射变换配准至b0像以校正运动及涡流畸变，经扩散张量拟合获取FA和MD图，并重采样至与研究对照dMRI数据相同的0.6 mm各向同性分辨率。研究对照的dMRI来源于既往研究，采用3Tesla Philips Achieva MR系统，参数为：TE=78 ms，TR=6850 ms，平面视野168×168 mm²，平面分辨率1.5×1.5 mm²，层厚1.6 mm，60层，30个独立扩散编码方向，b=1000 s/mm²，重复2次，所有DTI衍生图重采样至0.6 mm各向同性分辨率。所有FA和MD值在39周新生儿图谱模板空间的核心白质处测量，共分析53个白质纤维束，采用ComBat方法进行数据协调处理。影像分析由ASK和TZ完成，其对临床病例/对照状态设盲。

临床数据和结局通过电子病历回顾收集，包括胎龄、性别、出生体重、入院年龄、Apgar评分、神经系统检查、抗癫痫药物（Anti-Seizure Medication, ASM）数量、基因检测结果、MRI时年龄及绝经后年龄。研究人员还建立了新生儿表现严重程度分类用于描述性特征分析，基于神经系统检查严重程度、EEG背景分类和ASM数量分为轻、中、重度，但该汇总变量未经验证，也未用作扩散分析的主要预测因子。发育结局根据神经科、发育行为儿科及康复医学科（包括物理、作业和语言治疗）门诊随访信息，分为典型发育或发育迟缓（任一方面迟缓即归入迟缓）。EEG分析方面，所有病例均有完整EEG描记，对照组未行EEG。EEG背景评分采用Clancy等的方法，于记录开始后0、6、12、18、24、36、48、72及96小时各取1小时进行评分，由小儿脑电图医师（A.S.K.）盲法评估。癫痫发作按美国临床神经生理学学会新生儿EEG指南定义，MRI前癫痫发作负荷以三种方式评估：癫痫发作次数、癫痫发作总秒数、以及按低（<5分钟）、中（5–12分钟）、高（≥12分钟）分组的负荷类别。

统计分析首先采用Mann–Whitney U检验比较病例组与对照组的平均MD和FA（经多重比较校正），继而采用线性回归模型调整性别和MRI时绝经后年龄。病例组内癫痫发作负荷与MD/FA的关联采用Spearman等级相关（连续变量）和Kruskal-Wallis检验（分类变量）进行非调整分析，并以线性回归模型调整MRI时绝经后年龄。采用t检验和点二列相关分析平均MD、FA与发育结局的相关性。此外进行了探索性亚组分析，比较KCNQ2/3相关癫痫与其他遗传或疑似遗传病因之间、以及基因检测未明确病因与已明确遗传病因病例之间的差异，并比较临床对照与研究对照以评估对照组内差异。

研究结果显示，共纳入19例病例和39例对照（7例临床对照，32例研究对照）。对照组MRI时年龄显著大于病例组，但MRI时绝经后年龄无差异。病例组中12例（63%）为通道病，包括10例KCNQ2相关癫痫；6例（32%）基因检测未明确病因但经全面诊断评估排除其他病因，视为目前检测方法未能检出的遗传性病因。无病例表现为重度新生儿期表现，9例（47%）存在任一领域发育迟缓。

影像分析显示，病例组与对照组相比，左侧上部放射冠（p=0.017）和右侧上部放射冠（p=0.017）的平均FA显著升高，右侧上部放射冠的MD显著降低（p=0.049）。探索性分析中，p<0.2的区域包括右侧后部放射冠、双侧毯部、双侧外囊、左侧小脑中脚（FA）；以及左侧上部放射冠、双侧前部放射冠、右侧后部放射冠、双侧毯部、双侧外囊、右侧上部额枕束、右侧下部额枕束、双侧脑桥 Crossing tract（MD）。亚组分析显示，KCNQ2/3与其他遗传病因之间、基因检测未明确病因与已明确病因之间，以及临床对照与研究对照之间，均无显著差异。

EEG分析显示，病例组癫痫发作负荷中位数为：发作次数3.5次（IQR 3.0–8.3），总持续时间268.5秒（IQR 173.0–482.5），低负荷11例、中负荷5例、高负荷3例。控制MRI时绝经后年龄和性别后，癫痫发作负荷与FA或MD均无显著关联（所有p>0.05）。事后样本量分析提示，检测观察到的平均FA与癫痫发作负荷关联所需样本量约为88例。发育结局方面，典型发育与发育迟缓病例相比，右侧扣带海马部的平均FA存在显著差异（p=0.001），但鉴于样本量小且区域比较次数多，此发现应谨慎解读。

讨论部分，研究人员指出本研究的主要发现为：与健康对照相比，多种遗传病因所致癫痫新生儿的白质微结构存在异常，表现为主要纤维束FA升高、MD降低，在控制性别和MRI时绝经后年龄后仍显著。FA升高提示病例组白质结构完整性异常增加，MD降低同样支持这一判断。这些发现与既往报道的遗传性癫痫新生儿主要连合纤维胼胝体MD降低的研究结果一致。基于活动依赖性髓鞘化原理，癫痫发作的过度神经元活动可能影响白质结构并导致异常网络形成；但本队列未识别出发作负荷与扩散指标的显著关联，鉴于样本量有限，此阴性结果可能反映真实无关联或检验效能不足，尚不能得出关于活动依赖性髓鞘化或其他发作相关效应的确定性结论，有待更大样本的前瞻性研究进一步验证。

上部放射冠是唯一在FA和MD上均显示双侧显著差异的区域。作为连接大脑皮层与脑干的主要投射纤维，放射冠在多种神经认知障碍中均有牵涉，如双相障碍抑郁发作患者前部放射冠FA降低、精神分裂症患者放射冠FA降低、注意缺陷多动障碍儿童放射冠白质异常等。缺血性卒中研究显示放射冠受累可导致功能网络改变并与成人卒中后步态恢复不良相关，提示该结构在更广泛网络功能中的重要作用。探索性分析还发现后部放射冠、毯部、外囊、小脑中脚等结构FA升高（p<0.2），以及前部放射冠、后部放射冠、毯部、外囊、额枕束、脑桥交叉束等MD降低（p<0.2），虽未达到显著性，但亦提示癫痫发作新生儿的白质结构完整性异常，需更大样本研究进一步探讨。毯部为胼胝体压部的一部分，外囊和额枕束为皮层间联络纤维与语言处理相关，脑桥交叉束和小脑中脚含向小脑的传入纤维与协调运动相关，这些区域的异常可能对运动及语言领域的神经发育结局产生重要影响。

本研究未发现胼胝体的显著差异，与既往应用表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient, ADC）图谱发现遗传性癫痫新生儿胼胝体MD显著降低的研究结果不一致。此差异可能源于成像分析技术不同：胼胝体可能已充分髓鞘化而遮蔽了组间差异，而较小的联络纤维正处于更活跃的髓鞘化和修剪期，在此阶段更为敏感；此外本研究评估的是左右整个胼胝体而非特定区域，可能因此掩盖了差异。关于机制，病例组多数为KCNQ2致病性变异，目前尚无证据表明此类通道病 Independently 影响白质。未发现FA或MD与癫痫发作负荷的关联可能源于样本量小而非真实无关联，未来需更大样本明确。发育结局方面，发育迟缓与典型发育病例相比，右侧扣带海马的FA存在显著差异，该结构连接额、顶、颞叶，其海马部与记忆相关，此前在精神分裂症和强迫症中亦有报道，但其临床意义尚不明确。

本研究局限性包括样本量小、潜在遗传改变可能独立于发作负荷影响白质发育、FA和MD并非髓鞘化的直接指标（FA升高和MD降低可能反映异常增加的髓鞘化、加速成熟、正常轴突修剪缺乏和/或其他轴突异常）、临床对照来源于NICU患者可能不完全代表真正健康人群（尽管临床对照与研究对照无显著差异），以及神经发育结局评估工具亦有待更精确验证。尽管如此，本研究的核心结论为：与健康对照相比，多种遗传病因所致癫痫新生儿的白质微结构存在异常，表现为FA升高、MD降低。这一发现具有重要的潜在临床意义，因该人群的异常白质微结构可能是异常网络形成和功能的早期生物标志物，未来或可用于神经认知及神经发育结局的临床预测，但尚需进一步研究验证。该论文发表于《Annals of Clinical and Translational Neurology》。