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1.引言

重性抑郁障碍常在青春期和成年早期显现。早发性重性抑郁障碍与更高的抑郁发作复发风险以及对教育和职业功能的负面影响相关。尽管有心理治疗和药物治疗等治疗选择，但青少年的应答率仍然有限。因此，更好地理解青少年重性抑郁障碍的潜在病理生理机制，对于提高治疗效果和识别最可能从针对这些标志物的干预措施中获益的患者至关重要。

自由水成像是一种弥散加权磁共振成像技术，建立在常用的弥散张量成像方法之上，能够量化主要存在于细胞外间隙中的自由弥散水分子。虽然传统的重性抑郁障碍弥散张量成像研究一致报告额叶-边缘环路中各向异性分数降低和弥散度增加，但这些指标受到细胞外水的混杂影响，限制了神经生物学解释。自由水成像通过单独量化细胞外水含量并提供组织校正后的指标，解决了这一局限性。自由水升高可能提示神经炎症过程，而组织校正后的指标则揭示独立于炎症的微结构改变。

在成年重性抑郁障碍患者中已有脑白质自由水异常的报道，且自由水值与抑郁症状密切相关。因此，该技术为重性抑郁障碍中弥散张量成像异质性结果背后的炎症特异性机制提供了补充见解。截至目前为止，青少年重性抑郁障碍患者是否存在显著的自由水改变尚未被探索。

此外，目前缺乏评估个体差异因素（尤其是外周炎症）的研究，这些因素可能调节白质自由水对抑郁症状的影响。虽然一些研究报告了白质自由水与抑郁症状之间的显著关系，但另一些研究显示了不一致的结果，提示这种关系可能受到尚未完全理解的潜在因素的影响。动物和人类研究均表明，免疫细胞产生细胞因子，这些细胞因子在血液中循环，并通过多种途径向大脑传递信号，包括迷走感觉神经元、穿过血脑屏障的主动转运，以及在屏障完整性不完整的区域进行被动弥散。人类研究发现，青少年重性抑郁障碍患者中较高的外周IL-6水平与白质纤维连接减少相关。此外，较高的外周IL-8/IL-10比值与白质自由水增加相关。外周细胞因子与青少年重性抑郁障碍的抑郁症状和抗抑郁治疗效果相关。鉴于外周细胞因子与抑郁症状和抗抑郁治疗效果均有关联，青少年重性抑郁障碍中的炎症反应可能调节白质自由水与抑郁症状之间的关系，从而影响该疾病的潜在神经生物学机制。 

此研究检验了青少年重性抑郁障碍患者白质自由水、外周炎症和抑郁症状之间的关联，验证炎性细胞因子是否在白质自由水改变与抑郁症状之间的关系中起调节作用。为探究这一问题，此研究采集了3T多壳弥散磁共振成像数据，并测量了无药物治疗青少年重性抑郁障碍患者和健康对照者中10种促炎和抗炎外周细胞因子的水平。此研究的假设是，炎性细胞因子在无药物治疗青少年重性抑郁障碍患者的白质自由水改变与抑郁症状之间的关系中起调节作用。

2.方法

2.1.参与者

此研究共招募了84名健康对照者和63名被诊断为重性抑郁障碍的患者。广州医科大学附属脑科医院伦理委员会批准了此研究，并获得了所有参与者及其父母或法定监护人的书面知情同意。

重性抑郁障碍患者和健康对照者均接受了基于《精神障碍诊断与统计手册第五版》的结构化临床访谈。重性抑郁障碍患者符合特定的纳入标准，包括年龄在12至18岁之间，17项汉密尔顿抑郁量表评分 ≥ 17分，以及至少4周未接受药物治疗。所有重性抑郁障碍患者均来自广州医科大学附属脑科医院门诊部。年龄和教育程度匹配的健康对照者通过当地社区的定向广告招募。所有参与者的排除标准包括：发育障碍、抽动障碍或注意缺陷多动障碍病史，任何其他精神疾病，神经系统疾病或其他重大躯体疾病，免疫炎症性疾病，以及磁共振成像扫描禁忌症。对于健康对照者，额外的排除标准包括任何重性抑郁障碍或其他精神疾病的病史或当前诊断。

汉密尔顿抑郁量表分为五个症状维度。焦虑/躯体化维度包括与精神和躯体焦虑、胃肠道症状、全身症状、疑病和自我意识相关的六个项目。迟滞维度包括解决抑郁情绪、工作和兴趣、精神运动性迟滞以及性症状的四个项目。认知障碍维度包括与内疚感、自杀念头和激越相关的三个项目。睡眠障碍维度评估入睡困难、睡眠浅和早醒。最后，体重维度通过单个项目评估体重减轻。焦虑症状使用汉密尔顿焦虑量表进行评估。

2.2.细胞因子测量 

在入组时，采集参与者的全血样本。所有血样本均在至少禁食4小时后采集，这与既往研究一致。每个参与者的禁食状态均得到确认。采集后30分钟内使用标准离心方案分离血浆，并立即储存于-80°C直至分析。随后分离血浆，分装到Eppendorf管中，并储存于-80°C以备进一步分析。使用人高灵敏度T细胞磁珠 panel和人神经退行性疾病磁珠 panel 2，通过基于Luminex Magpix的检测方法，按照制造商的说明检测十种外周细胞因子的水平。检测生成的数据通过三次曲线拟合进行评估，并使用Millipore Analyst 5.1软件校正背景读数。为了满足统计分析的normality 要求，对所有外周细胞因子值进行自然对数转换。批内和批间变异系数分别低于10%和15%。

2.3.弥散磁共振成像采集

使用配备64通道头线圈的Siemens Magnetom Prisma 3.0 T磁共振扫描仪，在广州医科大学附属脑科医院磁共振中心对参与者进行扫描。多壳弥散磁共振成像从后向前采集，包含b = 1000 s/mm²和2000 s/mm²的64个梯度方向，以及10个交错采集的b = 0 s/mm²图像。另外采集了b = 3000 s/mm²的64个梯度方向用于纤维束成像研究。然而，此b = 3000壳层被排除在所有自由水模型计算之外，以避免可能使双室模型估计产生偏倚的非高斯弥散效应。为校正磁敏感性诱导的畸变，使用从前向后的相位编码采集了10个b = 0 s/mm²的图像。

弥散序列采集设置如下：重复时间 = 2500 ms，回波时间 = 83 ms，视野 = 220 mm²，层厚 = 2 mm，体素大小 = 2 × 2 × 2 mm³。

2.4.白质影像数据处理

扫描期间，所有弥散磁共振成像图像均由训练有素的技术人员进行视觉筛查，以识别任何异常放射学或结构特征。使用SPM将所有弥散磁共振成像图像配准到第一个b0图像以进行进一步验证。没有参与者基于这些筛查被排除在后续分析之外。对于弥散磁共振成像数据，使用平均b0图像进行归一化。使用两个相反相位编码图像和FSL中的“topup”工具校正b0图像的不均匀性畸变。此外，使用FSL中的“eddy”工具在单次重采样步骤中校正每个全脑图像的涡流导致的场不均匀性和头动。

使用DIPY进行自由水建模和张量估计，使用dipy.reconst.fwdti.FreeWaterTensorModel（默认参数）将双室自由水模型拟合到预处理的弥散数据。在每个体素中，将信号拟合到双室模型，该模型由自由水室和各向同性张量以及组织室组成。自由水测量值表示每个体素中自由水的相对贡献，范围从0到1。组织室的张量反映了去除自由水贡献后的组织微结构。此研究评估了自由水成分和组织校正后的各向异性分数。值得注意的是，与大多数既往研究不同，该模型是根据多壳弥散成像数据估计的，与弥散磁共振成像研究中常用的单壳数据相比，该模型具有更高的稳定性和稳健性。

使用TBSS进行体素级分析。首先，使用模板图像将个体各向异性分数图像(FA)非线性配准到标准空间，该模板图像为最具代表性的各向异性分数图像（使用参数flag -n 指定）。此选项推荐用于青少年和幼儿的研究。所选模板图像来自重性抑郁障碍组中一名15岁的参与者。图像配准后，生成者平均各向异性分数图像，用于指导白质纤维束“骨架”的创建。骨架的阈值设置为各向异性分数 > 0.2，以纳入主要白质通路，同时排除更容易受部分容积效应和受试者间变异性影响的外周纤维束。随后，将每个受试者的自由水和组织校正后的各向异性分数数据投射到群体骨架上进行体素水平分析。

对于统计分析，使用FSL中的randomize函数进行基于置换的非参数统计检验，置换次数为5000次。设定p < 0.01，以识别显著性，通过无阈值团块增强 (TFCE)进行空间多重比较校正。使用ICBM-DTI-81图谱识别解剖位置。

2.5.统计分析

人口学特征

连续变量以均值和标准差或中位数和四分位距表示，分类变量以频数和比例表示。人口学和临床变量分别使用独立t检验、Mann-Whitney U检验和卡方检验进行分析。使用Shapiro-Wilk检验评估数据的正态性。统计学显著性定义为p < 0.05。

细胞因子的组间差异

使用一般线性模型检验诊断对个体外周细胞因子水平变异的主效应，同时在模型1中控制年龄和性别作为混杂因素。模型2额外调整了吸烟状态、饮酒状态、躯体合并症和家族史，以基于模型1评估稳定性。对十种外周细胞因子分别进行独立检验，并应用Bonferroni进行多重比较校正。

白质微结构的组间差异

使用FSL中的Randomise进行白质弥散磁共振成像参数（特别是自由水和组织校正后的各向异性分数）的组间比较。进行体素水平的一般线性模型分析，以评估重性抑郁障碍组和健康对照组之间自由水和各向异性分数的差异，同时将年龄和性别作为协变量。应用无阈值团块增强对所有骨架体素进行多重比较校正。

细胞因子与白质微结构在重性抑郁障碍中的关联

使用偏相关检验白质微结构（从显示显著组间差异的体素中提取的平均自由水值）与抑郁症状之间的关联。此研究基于以下原因对显著体素的自由水值进行平均：(1) 系统性炎症对脑组织影响的全局特征；(2) 增加统计功效同时减少多重比较负担。然后，此研究构建了一般线性模型，用于检验细胞因子水平与白质微结构的主效应及其交互作用。使用简单斜率进行进一步分析显著交互作用，并使用Johnson-Neyman方法识别调节作用显著的脑区。

补充分析

此研究重复了所有回归分析，控制额外的混杂变量，并排除异常值以检验结果的稳健性。鉴于此研究数据集中男性患者的比例较小，此研究在排除他们后进行了分析。此研究还使用汉密尔顿焦虑量表评分而非汉密尔顿抑郁量表评分作为结局变量，以检验症状特异性。

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3.结果

3.1.人口学特征

表1显示了参与者的人口学和临床信息。与健康对照者相比，重性抑郁障碍患者的男性比例显著较低，汉密尔顿抑郁量表17项评分也显著较低。重性抑郁障碍患者与健康对照者在年龄、利手、吸烟和教育程度方面无显著差异。

表1研究参与者的人口统计学与临床特征

3.2.重性抑郁障碍患者中血清细胞因子失调

图1展示了重性抑郁障碍患者与健康对照者之间外周细胞因子水平的比较。在校正性别和年龄后，与健康对照者相比，重性抑郁障碍参与者表现出显著较低水平的IFN-γ、IL-2、IL-4和TNF-α。此外，在控制吸烟状态、饮酒状态、躯体合并症和家族史后，重性抑郁障碍患者的IFN-γ、IL-2、IL-4和TNF-α浓度仍显著低于健康对照者。

图1采用Bonferroni校正法进行外周血细胞因子水平的组间比较，并对年龄和性别进行校正分析。

图2白质自由水（FW）的组间比较

3.3.重性抑郁障碍中自由水改变

图2描绘了在控制年龄和性别的体素水平TBSS分析中，重性抑郁障碍组与健康对照组之间自由水的比较结果。在各向异性分数和组织校正后的各向异性分数结果中，没有体素在多重比较校正后存活，因此这两个参数未进行进一步分析。将显著团块平均以计算每个受试者的单一团块均值。结果显示，重性抑郁障碍患者的自由水值显著降低。这些改变是广泛的，影响了约38.5%的白质骨架，包括胼胝体膝部、内囊前肢、内囊后肢、前放射冠、上放射冠和上纵束等区域。

3.4.细胞因子与重性抑郁障碍中异常自由水的关联

图3显示了骨架平均自由水值与抑郁症状之间的关系。在校正年龄和性别后，偏相关分析显示，重性抑郁障碍患者的自由水与汉密尔顿抑郁量表之间存在显著正相关，而在健康对照者中则无此相关性。经过多变量调整后，结果保持不变。

在重性抑郁障碍组和健康对照组之间有差异的四种炎性细胞因子中，只有IFN-γ影响了自由水与汉密尔顿抑郁量表之间的关系。IFN-γ的主效应和自由水的主效应均可预测汉密尔顿抑郁量表评分。同时，在预测汉密尔顿抑郁量表评分时，IFN-γ水平与自由水之间存在显著的交互作用。简单斜率分析表明，在IFN-γ水平较高的重性抑郁障碍青少年中，较高的自由水与更严重的抑郁症状相关；而在IFN-γ水平较低的重性抑郁障碍青少年中，方向相反。IFN-γ显著调节自由水-汉密尔顿抑郁量表关系的Johnson-Neyman区间为[3.15, 3.81]。

基于汉密尔顿抑郁量表的五个症状维度，此研究进一步探讨了哪些症状维度参与了自由水与炎性细胞因子之间关系的调节。只有IFN-γ以相同方向显著调节了自由水与认知障碍之间的关系。简单斜率分析表明，在IFN-γ水平较高的重性抑郁障碍青少年中，较高的自由水与更严重的认知障碍相关；而在IFN-γ水平较低的重性抑郁障碍青少年中，方向相反。IFN-γ显著调节自由水-认知障碍关系的Johnson-Neyman区间为[2.88, 3.89]。没有其他炎性细胞因子显著调节自由水与其余四个症状维度之间的关系。

图3异常自由水（FW）与临床症状之间的关联

3.5.进一步分析 

敏感性分析揭示了类似的显著结果模式。此研究数据集包含少量男性患者，在排除他们之后，IFN-γ水平与自由水的交互作用在女性中仍然稳定。此外，在排除异常值后，交互作用仍然显著，表明这些发现不受异常IFN-γ值的影响。在特异性分析中，当结局变量改为汉密尔顿焦虑量表评分时，自由水与IFN-γ之间的交互作用不再显著，表明观察到的效应是针对汉密尔顿抑郁量表的。

4.讨论

截至目前为止，这是首次报告青少年重性抑郁障碍患者白质自由水、外周炎症和抑郁症状之间关联的研究。此研究发现，青少年重性抑郁障碍患者表现出较低水平的IFN-γ、IL-2、IL-4和TNF-α，同时白质自由水广泛降低。此外，此研究观察到IFN-γ水平显著调节了青少年重性抑郁障碍患者白质自由水改变与抑郁症状之间的关系。具体而言，在IFN-γ水平较高的青少年重性抑郁障碍患者中，白质自由水越高与抑郁症状越严重相关，而在IFN-γ水平较低的患者中，自由水越高与症状较轻相关。这些发现为青少年重性抑郁障碍患者白质自由水的潜在病理生理学提供了有价值的见解，特别提示IFN-γ水平可能调节这一过程。

此研究观察到四种外周细胞因子成分（即IFN-γ、IL-2、IL-4和TNF-α）血液水平的显著差异，为青少年重性抑郁障碍患者涉及抗炎和促炎过程的免疫失调提供了进一步证据。重要的是，值得注意的是，此研究中的患者未接受药物治疗，并且此研究控制了吸烟和饮酒等潜在混杂因素。此研究的发现与既往研究一致，这些研究报告青少年重性抑郁障碍患者与健康对照者相比，IFN-γ、IL-2、IL-4和TNF-α水平较低。以典型神经植物症状为特征的抑郁与下丘脑-垂体-肾上腺轴功能亢进相关，导致皮质醇水平升高。促肾上腺皮质激素释放激素水平升高有助于增强去甲肾上腺素能活性，而皮质醇水平升高则下调5-羟色胺1A受体的功能，导致5-羟色胺可用性降低。这些神经递质系统的变化，特别是去甲肾上腺素能信号增强和5-羟色胺活性降低，可能导致Th1细胞因子如IL-2和IFN-γ的产生减少。

此研究与各向异性分数相关的发现与既往大样本量研究一致，这些研究报道在比较青少年重性抑郁障碍患者与健康对照者时，各向异性分数没有差异。重要的是，在此研究中，此研究使用细胞外水校正了部分容积效应以提高各向异性分数测量的特异性，但仍然未发现重性抑郁障碍患者与健康对照者之间组织校正后的各向异性分数存在显著差异。既往研究表明，成年重性抑郁障碍患者中广泛的各向异性分数异常主要是由复发性重性抑郁障碍发作驱动的。因此，此研究假设，重性抑郁障碍患者与健康对照者之间白质组织校正后的各向异性分数缺乏显著差异，可能与青少年患者病程相对较短和抑郁发作次数较少有关。

此研究是首次探究青少年重性抑郁障碍患者白质自由水异常的研究，而对成年患者的相关研究相对有限。然而，与此研究的发现相反，既往研究报告了成年重性抑郁障碍患者白质自由水显著增加。有趣的是，在成年精神分裂症患者中也观察到白质自由水增加。重要的是，白质自由水水平与年龄密切相关。一项纳入25-94岁健康个体的研究显示，白质自由水随年龄呈U形曲线变化，在早期阶段迅速下降，随后在达到谷底后增加。这表明，在青春期，年龄增长与自由水减少相关，而在较年长年龄，年龄增长与自由水增加相关。非灵长类动物的弥散磁共振研究同样显示，从儿童早期到成年晚期，白质自由水呈U形轨迹。这些发现表明，精神疾病患者白质自由水发育的轨迹可能发生改变，特别是在青春期，可能发生早期发育变化。应激加速理论认为，以慢性应激为特征的早期不良经历可能通过增加糖皮质激素来影响大脑发育。

此研究揭示了一个需要澄清的明显悖论：虽然重性抑郁障碍青少年与对照组相比整体白质自由水降低，但在重性抑郁障碍组内，自由水与症状严重程度之间的关系被IFN-γ水平双向调节。群体水平的自由水降低可能反映了青少年抑郁中的一般病理生理过程，例如胶质细胞密度增加或组织组织改变。然而，在此降低的范围内，自由水值的临床意义关键取决于炎症状态。在IFN-γ水平较高的青少年中，相对较高的自由水值与更差的症状相关，提示涉及血脑屏障破坏或炎症浸润的活跃神经炎症过程。相反，在IFN-γ水平较低的青少年中，较低的自由水值与更严重的症状相关，可能反映了没有活跃炎症的结构性改变。这种双向调节表明，青少年重性抑郁障碍包含具有不同病理生理学的异质性亚型：一种炎症亚型，其中相对自由水增加标志着活跃的炎症和更差的结果；以及一种非炎症亚型，其中更大的自由水降低指示与症状严重程度相关的结构改变。这些发现强调，相同的自由水值可能根据患者的炎症特征具有相反的临床意义，突显了在解释青少年抑郁的神经影像生物标志物时考虑个体炎症状态的重要性。

IFN-γ的双向调节揭示了自由水的神经生物学意义根本上是依赖于背景的。在高炎症状态下，自由水升高反映了适应不良的过程——血脑屏障破坏、小胶质细胞激活和血管源性水肿——驱动神经元功能障碍和症状恶化。具体而言，在高IFN-γ背景下，这些过程伴随着细胞因子诱导的兴奋性毒性、氧化应激和神经元-胶质细胞相互作用的中断。相反，在低炎症状态下，相对较高的自由水可能表明保存完好的稳态机制，包括完整的胶质支持和髓鞘完整性，可能发挥保护功能。在IFN-γ水平较低的青少年中，较高的自由水值可能反映了适应性神经可塑性或更规范的发育过程，例如维持的突触修剪效率、保存的少突胶质细胞功能和完整的神经营养支持。这与新出现的证据一致，即自由水是一个敏感但非特异性的生物标志物，其临床意义取决于神经免疫环境。IFN-γ作为一个生物学“开关”，改变了自由水改变的病理生理学意义——在一个背景下适应性的东西在另一个背景下变成病理性的。这一框架强调了将炎症谱分析与神经影像学相结合以准确解释青少年抑郁中白质变化的必要性，朝着对抑郁异质性的系统层面理解迈进。

此研究存在若干局限性。(1) 虽然此研究在分析中控制了年龄、性别、吸烟和饮酒等变量，但未考虑其他潜在混杂因素，如体重指数、社会经济地位和青春期阶段，这些因素可能影响外周免疫状态。未来的研究应控制更广泛的混杂变量。(2) 自由水在低b值范围内可见，此研究未使用高b值壳层，因为它们不适合纳入自由水-弥散张量成像高斯弥散模型。来自高b值壳层的信息有待未来使用非高斯模型或纤维追踪技术的研究进一步探索。未来的研究也可以专注于优化序列参数。(3) 考虑到抑郁中的免疫激活和细胞因子反应可能表现出时间动态性，未来的研究纳入纵向调查将很有价值。患者的长期随访可以为抑郁病程中外周细胞因子和自由水的改变提供有价值的见解。(4) 此研究的重性抑郁障碍样本以女性为主，反映了临床环境中青少年女性抑郁患病率较高。考虑到炎症反应和白质发育中已确定的性别差异，此研究结果对男性青少年重性抑郁障碍患者的普适性可能有限。未来需要具有平衡性别代表性的研究来验证这些结果在不同性别中的有效性。

5.结论

此研究的发现表明，IFN-γ水平显著调节了青少年重性抑郁障碍患者白质自由水改变与抑郁症状之间的关系。这些结果强调了在解释青少年重性抑郁障碍的生物和心理功能时考虑个体外周炎症状态的重要性。此外，此研究的发现为制定靶向治疗策略提供了有价值的见解，强调了炎症在青少年重性抑郁障碍中的作用。