摘译自：Workewych AM, Arski ON, Mithani K, Ibrahim GM. Biomarkers of seizure response to vagus nerve stimulation: A scoping review [published online ahead of print, 2020 Aug 30]. Epilepsia. 2020;10.1111/epi.16661. doi:10.1111/epi.16661
摘要：虽然迷走神经刺激术（VNS）已成为一种常见的手术，但疗效各异，尚无有效的方法能在术前确定理想的治疗对象。本文通过回顾文献筛选与药物难治性癫痫病人VNS疗效相关的生物标志物。通过Ovid MEDLINE、Ovid Embase、BIOSIS Previews、Web of Science等数据库检索报道了难治性癫痫病人植入VNS后至少一种生物标志物的文献。提取病人基本信息、癫痫相关资料、生物标志物相关性等。我们从288篇著述中确定了28篇论文认定的16个生物标志物，将其分为4类：基于脑网络/连接的生物标志物、电生理特征、神经影像学的结构性改变、系统性标志物。大脑网络结构、连接、电生理同步性的差异可以有效地识别VNS有效者。神经影像学上的结构性改变与VNS效果之间不相关。至于系统性生物标志物中，心率变异性是预测VNS效果的一个独立标志物，而炎症标志物则没有意义。目前尚无法在术前确定有可能从VNS获益的病人。有些生物标志物显示了预测VNS反应性的潜在价值，尤其大脑网络连接性的测评。现有的这些生物标志物能否指导临床决策尚需进一步验证。
关键词：脑网络连接性；癫痫；神经调控
1 前言
癫痫是一种累及全球数百万人口的严重的神经系统疾病。高达35%的病人用药物治疗无效，但可以从外科手术获益。其中，有一部分病人适合VNS，但疗效差异很大。难以预测哪些病人可以从VNS获益，这导致有些病人承担了不必要的手术风险却无法从中获益。同时，在医疗资源有限的情况下，也使一部分可能从VNS获益的病人被排除。因此，有必要寻找能在术前预测VNS控制癫痫效果的生物标志物，从而指导临床决策和资源分配。
根据患者表型和癫痫症状学无法预测VNS反应性。尽管曾有一些临床特征与VNS疗效相关，但文献报道并不一致，且无法对具体病人的疗效做出区别。例如，一项包含74项研究、3321例难治性癫痫病人的大型meta分析结果发现年龄、癫痫发作类型、病因学与VNS反应性相关，但是，其他一些关于这几种临床指标的研究则得出了相互矛盾的结果。最近一项31个临床变量的主成分分析结合支持向量机学习的结果显示，就预测VNS效果而言，这些参数并未优于随机性本身。此外，绝大多数用于检测临床协变量的统计学方法通过总体分组-均数统计学比较有效者和无效者，不能简单地外推至具体的病人。这些问题更加凸显了寻找能够有效预测哪些病人更有可能从VNS治疗中获益的客观生物标志物的必要性。
美国FDA和NIH将生物标志物定义为生物学行为、病理行为、干预效果的可重复的客观指标，通常被用作临床终点的替代标志物，用于神经外科治疗的预后标志物的近期研究。例如，神经影像学和连接组学的发展已经可以预测Pakinson病和冲动控制障碍的DBS（deep brain stimulation）治疗效果。
关于VNS生物标志物的文献因方法学和选择的生物标志物而各不相同。这也在一定程度上反映了我们对VNS作用机制尚不完全了解。在此，我们对VNS反应性生物标志物做一综述。当研究方法或预后评价结果各异时，这种方法适用于整合现有结果。本文旨在对VNS病人与疗效相关的术前生物标志物的全面的回顾，这不仅有助于为未来探索用于筛选VNS病人的生物标志物提供线索，有而有助于进一步了解VNS的作用机制。
2 资料与方法
2.1 检索（略）
2.2 入选标准
纳入此项综述的论文必须研究至少一种与VNS疗效相关的生物标志物。我们对生物标志物的定义与FDA和NIH一致，即可测定的反映生物学行为或状态、生理或病理过程的指标。我们纳入了因难治性癫痫接受VNS、以减少癫痫发作频次为目标的全部年龄段的病例。排除了综述、评论、会议摘要以及非英文写作的研究。基于全文分析后排除的论文及其原因可见图1。非英文写作的论文、动物实验、综述、评论、增刊文章被排除。
数据提取由两名作者（A.M.W. 和O.N.A.）完成，收集下列参数：研究设计、样本量、性别、年龄、植入VNS时的年龄、对癫痫的影响、癫痫症状学等。根据原始研究数据，癫痫频次减少可判定VNS有效。大多数研究将术后末次随访时癫痫发作频次减少≧50%定义为效果良好。一些与生物标志物相关的参数也被提取，包括生物标志物、选择依据、测定方法、研究结果。
2.2.1 数据分析
数据提取后，进行主题分析，根据生物标志物组织文献。根据所研究的生物标志物、检测生物标志物的方法将各项研究分为4类。主题分析和生物标志物分类有助于识别、综合、概括现有证据。
3 结果
28项研究确定了16个独立的VNS抗癫痫作用生物标志物（表1、2，图2）。这些生物标志物分为4类。首先，5项研究报道了5种基于脑网络或连接组学的指标，包括DTI（弥散张量成像）上的解剖连接组、MEG（脑磁图）上的功能连接组、fMRI（功能MRI）上的功能连接组、PET上的代谢连接组、全脑神经磁网络拓扑学图论测评。其次，16项研究描述了7种电生理特征，包括发作期和发作间期EEG活动的焦点和定位、EEG同步性、事件相关电位（ERPs）、皮层慢电位（SCP）改变、MEG上的体感诱发场（somatosensory evoked fields， SEFs）、成对衍生的脑对称指数（pairwise-derived brain symmetry index，pdBSI）、多导睡眠图上的非快速眼动（non-rapid eye movement，NREM）睡眠。第三，6项研究报道了神经影像学上的结构性改变。最后，6项研究报告了3种系统性（全身性）生物标志物，心电图（ECG）上的包括心率变异度（HRV）、细胞因子水平、色氨酸代谢水平。
3.1 基于脑网络的连接组学
有5项研究通过多种方法总结VNS有效者和无效者代谢、解剖和功能脑网络连接组学，探讨了脑网络拓扑学与VNS疗效之间的相关性。尽管所有研究都报道了VNS有效者和无效者之间在连接组学上有显著性差异，但不同研究报道的脑区各不相同。
有些研究着眼于特定脑环路对VNS的反应。Mithani等应用DTI观察术前白质微结构，发现有效者与无效者之间，在左侧偏侧化的边缘系统、联络纤维和投射纤维，包括内囊、外囊、放射冠局部、丘脑后幅射、穹窿以及其他白质束，有显著性差异，表现为这些通路较高的功能性各向异性值。作者们发现VNS有效者与无效者相比，静息状态MEG上同一脑区内的连接性增强，表现为左侧丘脑、岛叶、颞叶节点之间的连接性增强。Ibrahim等也发现，与无效者相比，VNS有效者术前静息状态功能MRI上涉及岛叶和前扣带回皮质的丘脑皮质连接加强。还有一项用PET测定术前代谢活性的研究发现VNS有效者的岛叶至脑干、扣带回、小脑的连接性增强。值得注意的是，Mithani和Ibrahim分别用支持向量机学习算法证明了他们确定的生物标志物的有效性，可以区分VNS有效者和无效者，准确性分别达到了89.5%和86%。
两项研究将脑网络拓扑的全局度量作为VNS的生物标志物。 Babajani-Feremi等用θ、α、β频带的相位锁定值以及计算下列全局图度量如模块化（代表一个孤立的网络的坚固性）、可传递性（代表网络节点与其相邻节点之间的连接强度）、特征路径长度（CPL，代表功能完整性，是脑网络中所有成对节点之间平均最短路径长度的一项指标）来评价术前静息状态MEG功能连接。他们发现，与无效者相比，VNS有效者θ、α、β频带的模块化更高、可传递性更低，但CPL无显著性差异。
Fraschini等应用相位滞后指数、计算最小生成树（MST）指标如直径（表示网络内任意成对节点之间的最远距离）、偏心性（表示网络内一个节点与其他节点之间的最大距离）、归一化叶数（表示被网络内节点总数平均后为1度的节点数，度是一个节点与其他节点之间边线的数量）、层级（表示网络集线器节点的平衡）以评价术前和术后EEG功能连接。他们观察到，与无效者相比，VNS有效者θ频带的MST直径和偏心性降低、MST叶数和层级增高。
3.2 电生理特征
第二类生物标志物与脑电生理活动的模式有关，结果常不一致。所有这些研究都将EEG或MEG作为评价脑电活动的手段。研究者们将EEG的聚焦和定位作为术前评估VNS效果的生物标志物，但结果不一。 Marras和Dede分别报道了局灶性癫痫或多灶性癫痫VNS疗效较好，但Lagae等报道EEG定位与VNS疗效之间无显著相关性。同样，Dede等报道双侧发作间期痫样放电与良好预后相关，但Janszky等的报告结论相反。Kim等报告发作间期EEG局灶性或多灶性放电预示VNS疗效良好。Ghaemi等报道单侧而非双侧发作间期痫样放电（IEDs）的存在可以作为预测VNS术后远期达到癫痫完全无发作的标志物。Casazza等报道某些部位的脑电活动可能与VNS良好效果相关，比如起源于颞叶的发作。对全脑EEG活动的研究结果显示，VNS有效者比无效者在多个频段的去同步化程度更高。
大多数研究针对整个EEG活动，但De Taeye等开展了对EEG某些特定成分的研究。他们研究了事件相关电位的P3（即P300）成分,后者与蓝斑（LC）-去甲肾上腺素能活性相关。他们只在VNS有效者观察到P3波幅的增高。Wostyn等报道了类似的研究结果。Hödl等研究了P3的一个亚成分，发现VNS有效者在开机期间基线的P3b波幅比关机期间更低。
有两项研究将pdBSI（成对衍生的脑对称指数，一种反映EEG对称性的指标）作为评估VNS疗效的客观指标，其中，第一项研究报告若干频带较高的pdBSI值与较差的VNS疗效相关，但其后的研究则推翻了这一结论，发现pdBSI值与VNS疗效之间无显著相关性。
Hödl等用睡眠多导图研究睡眠波与VNS疗效之间的关系，发现VNS有效者和无效者之间，在术前深度睡眠NREM3模式存在显著性差异。也就是说，他们发现有效者在基线和VNS术后的NREM3深度睡眠时间较无效者更长。
近期一项研究拟根据正中神经刺激后MEG上体感诱发场（SEFs）确定适合VNS的人群，依据是正中神经传入通路与迷走神经传入网络有部分重叠。作者们发现VSN有效者在正中神经刺激后，SEFs分布更广泛，且边缘系统和感觉运动皮质的功能连接更多。
Bayasgalan等的研究将皮层慢电位（SCPs）作为VNS疗效的标志物。EEG上的阳性SCPs表示抑制性突触后电位和神经元活性抑制，其存在与癫痫发作抑制相关。使用时间常数为10秒的脑电图，他们发现正极性SCPs提示VNS效果良好。
3.3 神经影像学结构性改变
旨在明确影像学（如MRI）上是否存在脑病损与VNS疗效之间的相关性的神经影像学结构性改变的研究同样结果不一。
Arya等发现MRI上没有脑病损的病人VNS术后癫痫控制效果更好，但Dede、Janszky、Lagae等分别发现，MRI上有无脑病损与VNS预后无关。
Elliott等报告神经元迁移障碍预示着VNS疗效欠佳，而Ghaemi等指出皮质发育不良与术后癫痫完全缓解相关。
3.4 系统性生物标志物
有6项研究将术前心率变异度（HRV）、细胞因子水平、色氨酸代谢水平作为VNS疗效的系统性生物标志物。
Liu等报道，VNS无效者ECG上的术前HRV比有效者更低。HRV的判定包括：（1）时域测定RMSSD（心搏间期连续差异的均方根）和pNN50（相邻窦性R-R间期差大于50毫秒的连续心跳除以总的心跳间隔数），反映心率的副交感控制；（2）频域测定HF（频率范围0.15-0.40赫兹之间的高频功率），被呼吸介导，是迷走神经活性的标志；（3）非线性域测定SD1（即刻心搏间期变化的标准差），反映呼吸引起的短期HRV。他们在第二项研究中重复了这些结果，他们还发现VNS无效者术前下列频域更低，包括：（1）TP（频率0.0033-0.40Hz之间的总功率）；（2）VLF（频率0.0033-0.04Hz之间的极低频功率），这是生理活动的一个重要影响因素，反映交感神经活性； (3) LF (频率范围0.04-0.15Hz之间的低频功率），同时反映心率的交感和副交感控制；(4) LF/HF，反映整体交感活性。而且，VNS无效者术前复杂度（反映心脏动力学的复杂结构）较有效者更低。此外，Hödl等报道有效者与无效者相比，无论VNS术前的基线还是术后一年，HF功率更低。
在一项VNS疗效炎症生物标志物的研究中，Aalbers等比较了随机划分的高强度和低强度VNS刺激的病人术前和术后的血浆细胞因子水平，虽然他们未能确定组间的显著性差异，但他们发现较低的血浆IL-6（一种参与发热和急性期反应的促炎和抗炎细胞因子）基线水平与更好的癫痫控制效果相关。Majoie等报道，与对照组相比，VNS有效者的IL-6基线水平更高，VNS术后降低，而IL-10基线水平更低，VNS术后增高，无效者表现为相反的趋势。他们还发现，癫痫病人的色氨酸代谢物含量较对照组更低，但VNS有效者和无效者之间无显著性差异。Klinkenberg等也评价了色氨酸代谢水平，发现VNS术后邻氨基苯甲酸（AA）水平增高与癫痫发作频次减少相关。
并非所有的研究都报道了所研究的生物标志物识别对治疗有效和无效者的能力（见表3）。重要的是，在一个多中心队列中，只有3个生物标志物被外部验证，队列来自未曾生成学习算法的患者。
4 讨论
4.1 生物标志物为了解VNS作用机制提供了线索
（略）
4.2 生物标志物说明神经功能状态更接近正常者常对VNS有效
（略）
4.3 系统性生物标志物不确定地支持关于VNS作用机制的某些理论
（略）
4.4 缺陷和未来的研究方向
（略）
5 结论
尽管这一领域的研究少且差异较大，现有工作已经展现了VNS疗效生物标志物的全景，为未来研究奠定了基础。根据这篇综述，虽然系统性标志物的结果尚无定论，但与基于脑网络的连接组学相关的生物标志物是大有希望的。随着近年神经影像学和计算能力的发展，机器学习越来越多地被用于预测VNS疗效。尽管尚无一个可重复的单个临床指标被确定为VNS疗效的预测指标，但生物标志物组合可以对VNS疗效优劣提供一定的可能性，以便医生为癫痫病人做出个体化的治疗决策。
参考文献（略）
吕健 译
（翻译不当或错误之处，烦请各位同道指正）
