本文为南京大学医学院附属鼓楼医院医学影像科张冰教授团队发表于Age and Ageing的工作，题为“Glymphatic function associates with Alzheimer's disease-signature region volumes, plasma biomarkers and white matter hyperintensity progression in cognitively unimpaired older adults”。DOI：10.1093/ageing/afaf141。

Abstract

Background: 脑类淋巴系统被认为在阿尔茨海默病(AD)的发病机制中起着关键作用。

Objective: 探讨认知正常老年人中类淋巴系统功能与AD特征脑区体积、血浆生物标志物及疾病进展的关系。

Methods: 纳入包含229名认知正常老年人的两个数据集。采用沿血管周围间隙的扩散张量成像评估脑类淋巴功能。分析DTI-ALPS指数与AD特征脑区（包括基底前脑、内嗅皮层和海马）体积及白质高信号体积的关系。在含血浆生物标志物的数据集1中，检验DTI-ALPS指数对血浆生物标志物与认知的中介效应。在含随访数据的数据集2中，分析基线DTI-ALPS指数与AD特征脑区及WMH体积年变化率的相关性。

Results: 在两个数据集中，DTI-ALPS指数与基底前脑、内嗅皮层和海马体积呈正相关，与WMH体积呈负相关。DTI-ALPS指数与血浆磷酸化tau(ptau)蛋白水平负相关，并介导了ptau与认知的关系。基线DTI-ALPS指数与随访期WMH进展呈负相关。

Conclusion: 在出现客观认知障碍前，类淋巴系统功能恶化预示AD特征脑区体积减小、WMH病变加重、血浆ptau水平升高及WMH进展加速。靶向类淋巴系统的治疗方法可能通过清除AD病理蛋白和延缓WMH病变来预防认知衰退。

Keywords: glymphatic system; diffusion tensor imaging; Alzheimer's disease; plasma biomarkers; white matter hyperintensity;older people

Key Points

● Glymphatic dysfunction is associated with reduced volumes in Alzheimer’s disease-signature regions.

● Glymphatic dysfunction is associated with elevated plasma phosphorylated tau (ptau) and mediated the relationship

● between ptau and cognition.

● Baseline impaired glymphatic system function predicts accelerated longitudinal progression of white matter hyperintensities.

Introduction

阿尔茨海默病（AD）已成为全球性健康问题。脑类淋巴系统作为大脑废物清除通道，被证实在AD发病机制中起关键作用。类淋巴系统通过脑脊液（CSF）在血管周围间隙及组织间隙的流动，促进β-淀粉样蛋白（Aβ）等代谢产物的清除。类淋巴清除功能受损可能导致Aβ沉积，继而引发tau蛋白磷酸化及神经退行性病变，最终造成认知障碍与痴呆。近期,基于弥散张量的新技术——沿血管周围间隙弥散张量成像分析法（DTI-ALPS），能够实现对类淋巴系统功能的无创高效评估。

DTI-ALPS技术已被应用于多种神经退行性疾病的研究。在AD研究领域，既往研究表明AD痴呆及轻度认知障碍（MCI）患者的DTI-ALPS指数显著降低。此外，类淋巴系统活性已被证实是Aβ和Tau蛋白这两种AD病理特征与认知功能障碍之间的重要中介因子。然而，目前鲜有研究采用DTI-ALPS技术评估客观认知未受损老年人群的类淋巴功能。鉴于AD病理与神经退行性生物标志物在认知障碍出现前数十年即已存在，针对认知未受损老年人群的研究可能为揭示DTI-ALPS在AD临床前阶段的临床意义提供更深入的见解。

基底前脑、内嗅皮层与海马是AD的典型标志性脑区，这些脑区易受AD病理侵袭，并在疾病最早阶段即出现显著体积萎缩。此外，老年人常见的白质高信号（WMH）会加剧Aβ和Tau蛋白病理沉积，并与认知障碍风险增加相关。以磷酸化Tau181（ptau181）和ptau217为代表的血浆生物标志物，在诊断经CSF或正电子发射断层扫描（PET）确认的淀粉样蛋白阳性AD患者及预测未来认知衰退方面均展现出高度准确性。然而，在认知未受损老年人群中，DTI-ALPS指数与这些经典AD相关标志物的关联尚未得到充分探索。此外，基线DTI-ALPS值能否预测这些生物标志物的纵向变化仍不明确。

本研究旨在探讨认知未受损老年人群的DTI-ALPS指数与AD特征脑区体积、WMH、血浆生物标志物及疾病进展之间的关联。

Methods

Participants

本回顾性研究遵循《赫尔辛基宣言》原则，并经南京鼓楼医院伦理委员会批准。研究通过于南京市鼓楼区各社区发布招募广告征集受试者，所有参与者在充分了解研究流程后均签署知情同意书。

纳入标准为：年龄50-79岁、受教育年限≥8年、汉族人群。排除标准包括：卒中史、可能导致认知障碍的其他神经系统疾病（帕金森病、脑炎、癫痫、脑肿瘤等）、严重焦虑/抑郁（汉密尔顿抑郁评分＞24分或汉密尔顿焦虑评分＞29分）、轻度认知障碍（MCI）确诊者及磁共振成像（MRI）禁忌症患者。近5年内主诉记忆衰退并伴有相关担忧的受试者定义为主观认知下降（SCD），无认知主诉及相关担忧者则纳入正常对照（NC）组。详细诊断标准参见中国认知衰退纵向研究（SILCODE）方案。

本研究采用两种不同DTI采集协议的数据集：数据集1包含88名老年人（34名NC、54名SCD），数据集2包含141名老年人（61名NC、80名SCD）。数据集1中48名受试者具有血浆生物标志物数据，数据集2中55名受试者完成平均1.5年±12个月的随访。需特别说明的是，在后续分析中将NC与SCD视为代表认知未受损人群的整体，并将NC/SCD状态作为协变量进行控制。

Neuropsychological evaluation and spatial navigation assessment

所有参与者均接受了一套标准化的神经心理学评估，包括简易精神状态检查（MMSE）、记忆功能、执行功能与语言功能测试。尽管本研究将MMSE评分用于中介效应分析，但认知测试结果仅用于判定认知功能是否正常。

空间导航能力通过Amunet测试套件进行测量。距离误差值越大表明导航能力越差。空间导航测试的详细说明见supplementary text及Supplementary Figure S1。有两名参与者未完成延迟子测试，因此未纳入后续与延迟异中心导航（DAN）相关的分析。

Imaging data acquisition

两个数据集中的图像均采用相同的32通道3T磁共振成像仪（飞利浦医疗，荷兰贝斯特，Ingenia CX型号）采集。数据集1的DTI数据采用60个独立方向采集（b=10001000 s/mm²），而数据集2的DTI图像则沿128个独立方向进行编码（b=10001000 s/mm²）。详细的MRI采集参数已在supplementary text中列出。

Diffusion tensor imaging along the perivascular space index calculation

DTI数据处理采用FMRIB软件库和MRtrix3完成，具体流程参照既往研究]的方法框架，主要步骤归纳于Fig.1。各受试者的ALPS指数通过下列公式进行计算。

Figure 1. Data processing flow chart using the DTI-ALPS methods. The main steps include data preprocessing, FA map extraction, ROI registration to individual diffusion space, tensor fitting and ALPS index calculation.

当血管周围水扩散最小时，ALPS指数接近1；ALPS指数越高则提示类淋巴系统功能越强。研究获取双侧大脑半球的ALPS指数并取平均值进行后续分析，具体数据处理步骤详见 supplementary text。

Volume extraction of the hippocampus and white matter hyperintensity

每位受试者的海马与白质低信号均通过FreeSurfer 7.0平台进行分割。本研究采用T1加权图像中的白质低信号评估白质高信号体积，既往研究证实其与液体衰减反转恢复(FLAIR)序列图像分割所得白质高信号体积呈高度正相关（r ＞ 0.8）。同时提取估计的颅腔总容积(TIV)数据以校正头围尺寸差异。

Plasma biomarker testing

数据集1中48名参与者的血样可用。研究人员使用单分子阵列（Simoa）HD-X平台测量了血浆生物标志物，包括ptau181、ptau217、Aβ40、Aβ42、神经丝轻链和胶质纤维酸性蛋白。血液采集、储存和处理的详细流程已在supplementary text中说明。

Follow-up data analysis

在平均间隔1.5年±12个月的随访期内，数据集2中有55名参与者完成了随访（中位时间=511天）。采用以下公式计算了每位受试者的基底前脑、内嗅皮层、海马体和白质高信号（WMH）体积的年变化率（APC）。

Statistical analysis

采用两样本t检验比较两组数据集的人口统计学和结构影像数据，并通过卡方检验比较性别及NC/SCD状态的分布情况。体积测量值与血浆生物标志物数据均进行Z分数标准化。分别在两个数据集中以性别、年龄、受教育年限、NC/SCD状态及TIV作为协变量，计算ALPS指数与AD特征区域、WMH体积之间的偏相关分析。

在数据集1中，将受试者对称分为低ALPS指数组（L-alps）与高ALPS指数组（H-alps）。比较两组间的血浆生物标志物水平，并对多重比较进行错误发现率（FDR）校正。评估ALPS指数与血浆生物标志物的关联性，同时分析DTI-ALPS在血浆生物标志物与认知关系中的中介效应。所有涉及血浆生物标志物的比较、相关及中介分析均针对性别、年龄、受教育年限和NC/SCD状态进行校正。

在包含随访数据的数据集2中，我们以性别、年龄、受教育年限、NC/SCD状态状态及颅内总体积作为控制变量，对基线ALPS指数与基底前脑、内嗅皮层、海马及WMH体积的APC进行了相关性分析。统计分析采用SPSS 26.0版和PROCESS 3.3版完成，设定双尾检验显著性水平为P ＜ 0.05。

此外，为评估白质完整性对ALPS指数测量的影响，我们从联合纤维和投射纤维的感兴趣区中提取了平均弥散率值。将这些平均弥散率值作为协变量纳入后，我们对前述分析进行了重复验证。

Results

Demographic and structural imaging data

在人口统计学特征、MMSE评分及体积测量指标方面，两组数据集未观察到显著差异（Table 1）。然而，数据集1的DTI-ALPS指数显著高于数据集2，这表明DTI数据采集参数可能对ALPS指数产生重要影响。

Correlations between diffusion tensor imaging along the perivascular space index and Alzheimer’s disease-signature region and white matter hyperintensity volumes

在数据集1和数据集2中，ALPS指数均显示与基底前脑（r = 0.256，P = 0.019；r = 0.199，P = 0.020）、内嗅皮层（r = 0.295，P = 0.007；r = 0.202，P = .019）及海马（r = 0.266，P = 0.015；r = 0.237，P = 0.005）体积呈正相关。与此同时，ALPS指数在两个数据集中均与白质高信号体积呈负相关（r = −0.300，P = 0.006；r = −0.305，P < 0.001；Supplementary Figure S2）。

Supplementary Figure 2. Correlations of DTI-ALPS index with AD-signature region and white matter hyperintensity volumes. Dataset 1, pink dots and pink lines; dataset 2, blue dots and blue lines. P values were adjusted for sex, age, education years, NC/SCD status, and total intracranial volumes.

Associations between diffusion tensor imaging along the perivascular space index and plasma biomarkers

数据集1中48名参与者的血样数据可用。与H-alps组相比，L-alps组的血浆ptau181（P ＜ 0.05，未校正）和ptau217（P < 0.05，FDR校正）水平更高，Aβ42/40水平更低（P < 0.05，未校正）（Supplementary Figure S3）。

Supplementary Figure 3. Comparison of plasma biomarkers between the low ALPS index (L-alps) group and high ALPS index (H-alps) group. *, p < 0.05, uncorrected; **, p < 0.05, FDR corrected. The solid black lines and dashed black lines represent medians and quartiles respectively. P values were adjusted for sex, age, education years, and NC/SCD status.

ALPS指数与ptau181（r = −0.355，P = 0.018；Fig.2A）、ptau217（r = −0.419，P = 0.005；Fig.2B）及Aβ40（r = −0.391，P = 0.009；Fig.2C）呈负相关，而与Aβ42/40（r = 0.310，P = 0.040；Fig.2D）呈正相关。

研究发现DTI-ALPS对血浆ptau与认知功能之间的相关性具有显著中介效应。具体而言：DTI-ALPS介导了血浆ptau181与MMSE评分[β=−0.1370，95% CI (−0.3331,−0.0084)]、ptau217与MMSE评分[β=−0.1347，95% CI (−0.3238,−0.0251)]之间的关联（Fig.2E）；同时在ptau181与DAN错误率[β=5.2021，95% CI (0.2117,12.1760)]、血浆ptau217与DAN错误率[β=5.5036，95% CI (0.6093,13.8721)]之间也发挥中介作用（Fig.2F）。

Figure 2. Correlations of DTI-ALPS index with plasma biomarkers and mediation effects of DTI-ALPS index on plasma ptau and cognition in dataset 1. The values for plasma biomarkers were z-scored. Two subjects did not complete the DAN test. MMSE, minimental state examination; DAN, delayed allocentric navigation. P values were adjusted for sex, age, education years and NC/SCD status.

Correlations between diffusion tensor imaging along the perivascular space and the annual percentage change of Alzheimer's disease-signature region and white matter hyperintensity volumes

数据集2中有55名参与者完成了随访。随访数据显示，基线DTI-ALPS指数与基底前脑（r = −0.173，P = 0.229；Fig.3A）、内嗅皮层（r = −0.196，P = 0.173；Fig.3B）和海马（r = 0.102，P = 0.479；Fig.3C）的体积年化变化率均无显著相关性。基线DTI-ALPS指数与脑白质高信号体积的年化变化率呈负相关（r = −0.387，P = 0.006；Fig.3D）。Fig.4展示了具有较高DTI-ALPS指数和较低DTI-ALPS指数受试者的基线及随访期脑白质高信号代表性图像。

Figure 3. Correlations of baseline DTI-ALPS index with the APC of AD-signature region and WMH volumes in dataset 2. P values were adjusted for sex, age, education years, NC/SCD status and total intracranial volumes.

Figure 4. Representative images of baseline and follow-up WMH in subjects with relatively high baseline DTI-ALPS (A) and low baseline DTI-ALPS (B).

Impact of white matter integrity on along the perivascular space index evaluation

如Supplementary Tables S1–S4所示，在对ROI的MD值进行校正后，关于DTI-ALPS指数的这些发现仍保持稳健，包括其在两个数据集中与内嗅皮层和海马体积的正相关性、与血浆ptau181和ptau217的负相关性、在血浆ptau与空间导航能力关系中的中介作用，以及与WMH纵向进展的负向关联。然而，对MD值的校正影响了DTI-ALPS与血浆Aβ的相关性，且DTI-ALPS在血浆ptau与MMSE关系中的中介效应不再显著。

Discussion

本研究采用无创性DTI-ALPS方法对认知正常老年人的类淋巴系统活动进行综合性探究，结果显示：（i）ALPS指数与基底前脑、内嗅皮层及海马等AD特征区域的体积呈正相关，而与WMH体积呈负相关；（ii）较低的ALPS指数与血浆ptau181、ptau217、Aβ40水平升高及Aβ42/40比值降低存在关联；（iii）DTI-ALPS介导了血浆ptau与认知功能之间的关联；（iv）基线DTI-ALPS指数较低会加剧WMH的进展。

基底前脑、内嗅皮层与海马是公认的AD特征性脑区，在疾病最初阶段就已受到病理影响。DTI-ALPS指数与这些特征脑区体积呈现显著正相关，表明ALPS指数降低可作为敏感影像学标志物，在客观认知障碍出现前捕捉典型AD相关脑区的体积萎缩。然而从纵向数据视角来看，基线DTI-ALPS指数或无法有效预测这些结构的体积变化。近期研究指出较低基线ALPS指数可预测内嗅区、颞下回、颞中回与梭状回等AD特征区域的加速萎缩。本研究与该结论的差异可能源于随访间隔较短，尤其对于认知正常人群，现有观察期可能不足以捕捉纵向脑萎缩进程。另一潜在解释在于AD特征结构不同亚区的萎缩模式存在异质性。未来研究可通过延长随访周期、采用更精细的脑区分割方法，深入探索基线DTI-ALPS指数在预测AD全病程灰质萎缩中的作用。

研究观察到血浆ptau蛋白与ALPS指数之间存在显著关联。ptau181和ptau217在淀粉样蛋白PET出现异常的同时段发生异常，且早于tau蛋白PET异常，这表明它们可能反映的是对淀粉样斑块而非tau蛋白聚集体的反应。类淋巴清除功能衰竭导致Aβ累积，继而引发血浆ptau蛋白升高。此外，既往研究显示ALPS指数与MMSE评分呈显著正相关，揭示了类淋巴功能与AD严重程度的关联。本研究进一步通过发现DTI-ALPS对血浆ptau蛋白与MMSE评分关联的中介效应拓展了这一结论。除认知量表外，DTI-ALPS还介导了血浆ptau蛋白与AD行为标志物的关联。空间导航障碍自临床前阶段即是AD典型且敏感的行为风险因子。纵向研究提供科学证据表明，空间导航能力可预测从正常认知向轻度认知障碍或痴呆的转化，且在区分进展者与非进展者方面比情景记忆更精准]。我们的发现提示类淋巴清除不足可能在血浆Ptau蛋白与认知行为功能障碍的关联中起重要作用。

与既往研究一致，本结果支持类淋巴功能障碍与WMH严重程度的相关性。WMH作为脑小血管病(CSVD)的标志，存在于大多数老年人（>90%）中，预示更高卒中与认知下降风险。AD与CSVD在衰老过程中共存现象相当普遍，是痴呆最常见的病理机制。这究竟是两种病理对认知功能的叠加效应，还是存在相互作用机制，目前尚存争议。DTI-ALPS研究为AD与CSVD混合病理的高发生率提供了合理解释：类淋巴系统受损一方面导致Aβ清除障碍使其逐渐沉积于大脑皮层；另一方面可能削弱炎症因子清除能力，加剧缺血缺氧反应，最终引发CSVD。基于相似的类淋巴病理机制，AD与CSVD呈现共现关系，共同成为认知衰退的诱发与加重因素。

研究还发现较低的基线DTI-ALPS指数与WMH进展加速相关。近期研究显示脉络丛扩大会通过类淋巴功能障碍加剧WMH增长，但该研究仅通过随访体积与基线体积差值评估WMH进展，未充分考虑随访间隔。另一项使用1.5T MRI配备8通道头线圈的研究曾报道基线DTI-ALPS与WMH体积变化的关联。而本研究所有参与者均采用同一台3.0T MRI配备32通道头线圈进行扫描，且严格校正随访天数的影响。结果表明类淋巴功能损伤可能通过加重WMH病变导致未来认知障碍。

需指出本研究存在若干局限性。首先，研究对象仅限认知正常的老年人群，且仅部分队列可获得血浆生物标志物及随访数据。其次，尽管血浆生物标志物在未来临床应用中前景广阔，但目前尚无判定阳性或阴性的金标准阈值。第三，随访间隔为1.5年±12个月，观察窗口期不足以致难以追踪AD连续谱系中的渐进性认知衰退，因此无法判定较低的基线ALPS指数能否预测向MCI或痴呆转化的更高风险。此外，短期随访也可能限制了我们发现基线ALPS指数与纵向脑容积变化之间关联的能力。最后，DTI-ALPS技术作为类淋巴系统功能的间接评估手段，其结果可能部分受白质完整性的影响。

Conclusion

总之，本研究对认知未受损老年人中经DTI-ALPS测量的类淋巴系统功能进行了相对全面的研究。我们的研究结果提供科学证据表明：在客观认知障碍发生前，较低的DTI-ALPS指数可能有助于提示AD特征区域体积减小、WMH病变加重、血浆ptau蛋白水平升高以及WMH进展加速。针对类淋巴系统的治疗方法或可通过清除阿尔茨海默病病理蛋白及延缓白质高信号病变，从而预防认知功能下降。