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1.引言

脊髓小脑共济失调3型，也称为马查多-约瑟夫病，是最常见的常染色体显性遗传脊髓小脑共济失调类型。这种神经退行性疾病是由14q32.1染色体上ATXN3基因第10外显子的三核苷酸重复扩增引起的。突变基因编码一种含有扩展多聚谷氨酰胺片段的神经毒性形式的ATXN3蛋白；这种神经毒性蛋白在大脑中积累。脊髓小脑共济失调3型患者通常表现出一系列进行性神经退行性症状，如小脑共济失调、眼肌麻痹、构音障碍、吞咽困难和远端肌肉萎缩。迄今为止，尚无治愈脊髓小脑共济失调3型的方法，也没有有效的缓解症状的治疗方法。

微量元素失调与神经退行性脑病变相关。硒缺乏产生无活性的硒蛋白，增强氧化应激易感性，并最终导致认知能力下降。此外，硒与金属离子的螯合可以阻碍活性氧的氧化，从而加剧神经元中的氧化损伤。补充硒可降低小鼠的氧化应激，调节炎症细胞因子的表达，抑制胶质细胞活化，并影响小胶质细胞的 M1/M2 极化。在亨廷顿病患者的血液中检测到必需元素如铁、铬、硒和锌的水平升高。此外，锂治疗报告改善脊髓小脑共济失调1型小鼠模型的运动协调。先前的研究表明，微量元素在退行性神经系统疾病患者的进展中发挥关键作用，如亨廷顿病、阿尔茨海默病和脊髓小脑共济失调2型。

有证据表明，血液中微量元素水平的改变会影响脑结构和功能连接；微量元素失调可引起灰质神经元和白质纤维束的显著变化。磁共振成像能够显示白质纤维束破坏和脑功能连接的变化，可用于评估中枢神经系统损伤和监测脊髓小脑共济失调3型进展。弥散张量成像可以无创地评估单个白质纤维的取向、完整性和位置。通过弥散张量成像上部分各向异性测量的水弥散各向异性反映了白质的以下特征：纤维结构完整性、纤维束连贯性、髓鞘形成和堆积密度。此外，静息态功能磁共振成像技术可用于绘制脑功能回路；它已被用于研究多种神经退行性疾病。弥散张量成像和静息态功能磁共振成像已揭示在某些类型的脊髓小脑共济失调中白质和脑内存在异常功能连接。因此，这些磁共振成像技术可用于量化脑结构和功能变化，然后观察它们与体内微量元素的关系。

此研究假设，脊髓小脑共济失调3型患者存在血液微量元素失调，这种失调通过特定途径影响脑结构和功能，从而促进脊髓小脑共济失调3型的发病机制。在此，此研究探讨了微量元素失调与ATXN3基因中CAG重复长度以及脑内结构和功能连接的关系。据此研究所知，微量元素对神经损伤的影响尚未在脊髓小脑共济失调3型患者中得到阐明。这项研究揭示了脊髓小脑共济失调3型患者脑中微量元素诱导神经退行性变的程度和位置。此研究的发现可能为该患者群体管理微量元素的治疗干预提供新的途径。

2.材料与方法

2.1研究设计与参与者

总共90名参与者在西南医院入组：46名脊髓小脑共济失调3型患者和44名健康对照者。脊髓小脑共济失调3型患者的纳入标准为年龄≥18岁并经临床检查和分子检测确诊为脊髓小脑共济失调3型。患者的排除标准为：(1) 临床诊断为脊髓小脑共济失调3型但无分子确认；(2) 长期使用富含微量元素的药物；(3) 有脑刺激、脑外科手术、严重精神疾病或其他遗传疾病史；(4) 由于运动伪影、占位性病变等原因无法用于进一步分析的磁共振成像图像。健康对照者的纳入标准为年龄≥18岁且无神经系统疾病个人史或小脑疾病家族史。健康对照者的排除标准为长期使用富含微量元素的药物。两组中的个体若为左利手或存在磁共振成像禁忌症则被排除。一名脊髓小脑共济失调3型患者因长期使用富含微量元素的药物被排除；因此，45名患者被纳入分析。使用共济失调评估与评定量表评分将脊髓小脑共济失调3型患者分为症状前期组和显性组。所有研究参与者通过电话招募和随访；他们接受了磁共振成像扫描、临床评估和静脉穿刺用于外周血采集。研究方案见图1。

此项研究按照《赫尔辛基宣言》进行，研究方案已获西南医院伦理委员会批准。该研究已在中国临床试验注册中心注册。所有参与者均获得知情同意书。

2.2血样中微量元素的测量与统计分析

所有参与者全血样品中微量元素镉、钙、镁、铅、铜、铁、锰、硒、锌和锂的浓度通过电感耦合等离子体质谱法测定。这些评估由金域医学诊断中心进行。

全血样品收集在喷涂有肝素钠的6 mL Becton Dickinson真空管中。所有样品在分析前储存在-80°C。开始分析时，将所有全血样品置于高速混合器中2分钟。接下来，收集100 μL等份的全血样品，用0.1%硝酸和0.1% Triton X-100溶液稀释20倍，然后涡旋混合≥30秒。仪器启动和调试后，制备标准曲线。在达到r值≥0.995后测量质控样品，随后测试质控数据。采用标准曲线法进行定量检测，并使用在线内标对结果进行校准。

在数据分析之前，排除了可能的技术偏倚来源。缺失数据通过剔除成对案例进行处理。连续变量以均值±标准差（范围）表示。采用独立样本t检验分析两组间微量元素差异，统计显著性阈值为p < 0.05。采用Pearson相关分析评估SCA3组中微量元素与CAG重复长度之间的相关性。这些分析使用R软件3.5.3版本进行。

2.3磁共振成像数据采集

所有影像学研究均使用西门子3 T TIM Trio磁共振成像系统进行。该系统配备标准西门子八通道头线圈。使用自旋回波平面回波成像序列采集弥散张量图像，参数如下：64个方向；翻转角=90°；重复时间/回波时间=8000/80.8 ms；矩阵=128×128；轴位平面分辨率=2 mm×2 mm，插值至1 mm×1 mm；67层；层厚=2 mm，无层间距；30个体积具有非共线弥散加权梯度方向；以及另外5个无弥散加权的体积。

参与者在仰卧位闭眼状态下进行扫描；在每个参与者头部周围固定泡沫垫以尽量减少静息态磁共振成像扫描期间的移动。采用梯度回波平面回波成像，参数如下：240个volume；重复时间/回波时间=2000/30 ms；36层；体素大小=3 mm×3 mm×3.99 mm。使用扰相梯度回波脉冲序列进行配准以采集高分辨率结构图像，参数如下：重复时间/回波时间=1900/2.52 ms；翻转角=9°；视野=256×256；反转时间=900 ms；层厚=1 mm；连续轴位层数=176；体素大小=1 mm×1 mm×1 mm。此研究常规扫描T1WI、T2WI、FLAIR和DWI序列图像以排除偶然发现。

2.4磁共振成像数据分析

使用FSL的Diffusion Toolbox 2.0对每位参与者的弥散加权图像进行头部运动和涡流失真校正。原始弥散加权图像通过使用FSL中的FLIRT工具将每个弥散加权图像体积线性配准到第一个体积来校正运动伪影；此配准使用六自由度进行，并进行适当的b向量旋转。随后，使用FSL中的BET工具箱分割脑组织。在eddy校正过程中应用仿射变换进行b矩阵重定向。接下来，通过CAMINO软件中的约束非线性最小二乘程序将张量模型拟合到原始图像。通过对数欧几里得域中的张量插值去除残差非正定张量。使用DTI-TK软件从估计的张量场计算部分各向异性数据。

使用FSL中的TBSS工具对部分各向异性数据进行体素水平统计分析。首先，对部分各向异性图像应用非线性配准，并将最具代表性的图像识别为扭曲最少的图像。其次，将识别出的图像仿射对齐到MNI152空间，并通过将个体非线性配准结果合并到识别出的图像中，将所有其他图像转换到相似的标准空间。第三，创建平均部分各向异性图像和平均部分各向异性"骨架"；将所有参与者的对齐部分各向异性数据投影到此骨架上。在广义线性模型内进行基于置换的非参数推断以校正多重比较。第四，基于每个参与者组内的个体差异，确定部分各向异性值与血液中微量元素之间的体素水平Pearson积矩相关性。使用团块水平推断策略评估所得团块，团块范围阈值为p < 0.05。使用TBSS分析的平均骨架和JHU-白质标签白质图谱定义弥散张量成像上白质中的感兴趣区。

为了进一步表征由于局部连接特性导致的脑区间结构连接的差异，此研究还进行了基于感兴趣区的概率纤维束示踪分析，种子点位于与血液中微量元素显著相关的脑区。使用FSL版本2.4进行分析，参数估计通过图形处理单元上的并行计算进行。BedpostX用于计算每个体素中纤维方向的概率分布，将弥散信号建模为球和棒分量，以生成每个体素中可能纤维取向的分布。然后，使用ProbractX从感兴趣区生成用于结构连接的概率纤维束。当发生以下情况之一时，流线终止：达到默认的2000步限制，下一步曲率相对于上一步过高，或自身循环。对于概率纤维束示踪图的组间对比和相关分析，此研究进行了置换检验，其中参与者标签被置换10,000次，团块大小阈值设为100体素。

在统计分析之前，使用Gretna 2.0对静息态功能图像进行预处理。预处理程序包括去颅骨、运动校正、空间平滑、带通滤波以及去除无关信号。头部运动>2.5 mm的参与者被排除在最终分析之外。

为了评估静息态连接，此研究比较了两组之间从两个皮质运动控制相关区域到小脑的功能连接。此研究定义了四个9 mm球形感兴趣区，其质心分别位于左、右侧背侧前运动皮层和左、右侧顶下小叶。选择这些区域是因为它们是参与运动控制的典型皮质区域。此研究从感兴趣区提取时间序列信号，并计算这些信号与小脑内所有体素时间序列的皮尔逊交叉相关，然后将此交叉相关用作四个感兴趣区与小脑之间功能连接强度的指标。进行体素水平组间对比分析以确定两组之间区域特异性功能连接是否存在显著差异。

为了进一步表征功能连接异常与血液中微量元素之间的相关性，此研究通过静息态动态因果模型分析了包含顶下小叶、背侧前运动皮层和小脑的运动反馈和控制网络的连接模式。具体而言，此研究使用涉及双手的复杂手指敲击任务来定义感兴趣区。此研究定义了四个9 mm球形感兴趣区，其质心分别位于左、右侧背侧前运动皮层，左、右侧小脑，以及左、右侧顶下小叶。使用SPM12中的体积感兴趣区提取程序提取四个感兴趣区的血氧水平依赖时间序列。此研究将左侧背侧前运动皮层、左侧顶下小叶和右侧小脑视为一个网络；对侧脑区构成第二个网络。此研究使用SPM12软件中的动态因果模型工具箱估计每个网络中三个区域之间基于频谱密度的功能因果强度。此研究应用全连接模型来估计三个区域中任意两个区域之间的因果连接强度。此研究为每位参与者估计了两个网络。

使用MATLAB 2019b软件估计脑结构形态或功能连接指数与血液中微量元素水平之间的关系。最初，进行多元回归以建立基于独立变量的年龄和性别特异性预测模型。在建立预测模型后，将这些模型的残差用作Pearson相关分析中的统计变量。

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3.结果

3.1研究人群的人口学特征

45名脊髓小脑共济失调3型患者和44名健康对照者被纳入此项研究；两组的人口学特征见表1。在脊髓小脑共济失调3型组中，平均年龄为39.98 ± 12.01岁，58%的患者为男性。在对照组中，平均年龄为42.02 ± 11.38岁，57%的参与者为男性。两组之间在年龄或性别上没有显著差异（p > 0.05）。44名患者完成了量表和临床评估，显示有肌张力障碍、神经病变、帕金森综合征和无症状期病例。

3.2脊髓小脑共济失调3型组和对照组中微量元素的浓度

如图2A所示，两组之间几种微量元素的浓度存在显著差异。脊髓小脑共济失调3型组的锂浓度显著低于对照组（p = 0.0045）；铜（p = 0.002）和硒（p = 0.0103）的浓度在脊髓小脑共济失调3型组中也低于对照组。移除极端异常值并未改变脊髓小脑共济失调3型患者和健康对照者之间锂和硒浓度变化的统计显著性（p = 0.0001，p = 0.003）。分析的其他微量元素没有显著差异（p > 0.05）。

3.3脊髓小脑共济失调3型患者中 ATXN3基因 CAG 重复长度与微量元素浓度的相关性

对SCA3患者血液中ATXN3基因CAG重复长度与微量元素浓度之间相关性的进一步分析显示，锂浓度（r = -0.4935，p = 0.0006）和硒浓度（r = -0.4013，p = 0.0063）与CAG重复长度呈显著负相关（图2B）。在排除极端异常值后，这些相关性仍具有统计学显著性（锂：r = -0.5593，p = 0.00001；硒：r = -0.3738，p = 0.0124）。铜浓度与CAG重复长度无显著相关性（p = 0.4176）。

在SCA3显性症状亚组中，CAG重复长度与锂浓度（r = -0.5067，p = 0.0016）和硒浓度（r = -0.3984，p = 0.0161，图2B）呈负相关；在排除极端异常值后，这些相关性仍具有统计学显著性（锂：r = -0.6477，p < 0.00001；硒：r = -0.3644，p = 0.0314）。在SCA3症状前亚组中，无论是否排除极端异常值，CAG重复长度与锂、硒或铜浓度均无显著相关性。

3.4脊髓小脑共济失调3型患者部分各向异性值的变化及部分各向异性值与微量元素浓度的相关性

首先，此研究发现，与健康对照相比，SCA3患者在多个区域（包括脑干、小脑、内囊后肢、穹窿以及上部和前部放射冠）的各向异性分数值显著降低（置换检验阈值p < 0.001，团块大小>10），且没有区域显示SCA3患者的各向异性分数值高于健康对照（图3A）。然后，结果显示，经年龄和性别校正后的体素相关性分析表明，锂浓度与左侧额叶至顶叶区域以及顶叶区域白质中的各向异性分数值呈显著负相关（p < 0.001，置换检验，团块大小>10）。在应用校正阈值后（p < 0.05，经错误发现率校正，团块大小>10），这些结果仍具有统计学显著性。这些结果见图3B。

3.5脊髓小脑共济失调3型患者与对照组之间从锂相关皮质区到皮质下区的结构连接差异

如图3C所示，与血锂水平显著相关区域（p < 0.001，置换检验，团块大小>10）的纤维追踪成像图谱显示，SCA3患者神经纤维通路的结构连接既有减少也有增强（p < 0.01，经置换检验校正）。结构连接减少最多的通路主要分布在脑干，而结构连接增强最多的通路主要分布在小脑白质。

3.6小脑和顶下小叶的因果连接与脊髓小脑共济失调3型患者微量元素浓度的相关性

动态因果模型分析显示，脊髓小脑共济失调3型患者与健康对照者之间的因果连接强度没有显著差异。进一步分析显示，从左侧小脑到右侧顶下小叶的因果连接与脊髓小脑共济失调3型患者血液中的锂水平显著相关(p = 0.44, p < 0.01)；从右侧顶下小叶到左侧小脑的因果连接与该患者群体血液中的锂水平也显著相关（图4A）(p = 0.44, p < 0.01)。

3.7脊髓小脑共济失调3型患者中背侧前运动皮层/顶下小叶与小脑功能连接减弱

基于时间序列相关性的功能连接分析显示，与健康对照相比，SCA3患者双侧背侧运动前区和顶下小叶与局部小脑区域的内在连接显著较弱（p < 0.05，置换检验，团块大小>10）。这些结果见图4B。

4.讨论

此项研究有四个主要发现。第一，此研究首次报道脊髓小脑共济失调3型患者全血中锂、硒和铜的浓度低于健康对照者。第二，锂和硒浓度与ATXN3基因中的CAG重复长度呈负相关，尤其是在显性亚组中。第三，在脊髓小脑共济失调3型患者的多个脑区观察到部分各向异性值显著降低，体素水平相关分析显示锂浓度与双侧白质区域的部分各向异性值呈负相关，表明结构连接受损。第四，动态因果模型分析显示顶下小叶与小脑之间的双向因果连接与血锂水平显著相关，而功能连接分析显示脊髓小脑共济失调3型患者皮质运动控制区域与小脑之间的内在连接弱于健康对照者。此研究的结果突显了微量元素失调，特别是锂，在导致脊髓小脑共济失调3型患者脑改变和临床表现中的作用，表明锂可作为监测脊髓小脑共济失调3型的潜在生物标志物和治疗靶点，用于辅助治疗。

在脊髓小脑共济失调3型患者大脑和小脑中观察到的部分各向异性值显著降低强调了广泛的白质损伤，这与已知的脊髓小脑共济失调3型神经病理学特征一致，包括对运动协调、感觉处理和认知至关重要的白质退化。脑干和小脑的受累与共济失调和构音障碍等运动症状一致，而内囊和放射冠的部分各向异性降低表明皮质脊髓束完整性受损，导致运动缺陷。此外，穹窿的部分各向异性降低可能与认知或情感症状有关。这些发现突显了脊髓小脑共济失调3型对白质微结构的广泛影响，为其神经机制和潜在治疗靶点提供了见解。

使用体素水平相关分析，此研究在脊髓小脑共济失调3型患者中识别出与血锂浓度相关的脑区，而这些区域在健康对照者中不存在。传统上，较高的部分各向异性值表示体素内水分子弥散方向更均匀，表明大多数脑区之间的连接更强健。然而，某些脑区，包括此项研究中讨论的锂相关白质区域，在解剖学上以高密度的交叉纤维为特征。当特定方向的纤维受损时，这些区域的部分各向异性值可能保持不变甚至增加。Szeszko等人发现，近期发作精神病患者的额叶和顶叶之间白质区域中的交叉纤维数量较高。Williams综合征中上纵束的部分各向异性值增加与较差的视觉空间能力相关。因此，此研究推测，血锂水平降低导致锂相关白质区域内特定方向交叉纤维的破坏。这一假设得到了进一步分析结果的支持，包括结构连接破坏、动态因果模型分析以及脊髓小脑共济失调3型患者功能连接降低等。

此研究旨在探讨并解释锂失调损害白质微结构的潜在机制。有证据表明，脊髓小脑共济失调3型患者白质微结构的变化与共济失调症状严重程度密切相关。星形胶质细胞对白质功能至关重要；它们促进在许多神经退行性疾病中积累的突变聚集倾向蛋白的清除。此外，锂调节星形胶质细胞中的特定分子变化和增殖，并且优先储存在白质中。因此，此研究推测，在脊髓小脑共济失调3型患者发生严重白质损伤时，锂被消耗，减弱了这种微量元素的星形胶质细胞保护作用。最终，星形胶质细胞功能降低，神经病变加剧。星形胶质细胞中的热休克蛋白β-8-BAG辅助伴侣蛋白3复合物，对清除突变聚集倾向蛋白至关重要，在脊髓小脑共济失调3型患者中表达上调。锂缺乏可能通过与热休克蛋白β-8-BAG辅助伴侣蛋白3复合物的相互作用促进脊髓小脑共济失调3型进展，但这种关系需要在未来的研究中得到证实（图5）。

先前的研究表明，锂治疗在脊髓小脑共济失调1型动物模型和脊髓小脑共济失调3型细胞模型中具有积极作用。此外，碳酸锂在脊髓小脑共济失调3型患者中是安全的且耐受性良好，但使用脊髓小脑共济失调神经学检查评分评估时不影响疾病进展。此研究推测，白质损伤在疾病进展过程中加剧；这一过程会减少星形胶质细胞的数量，从而减少锂的治疗靶点数量。这种减少可能解释了在脊髓小脑共济失调3型细胞模型中观察到的碳酸锂治疗的积极作用；然而，在显性亚组中没有明显效果。此外，CAG重复序列越长，突变型ATXN3蛋白的聚集越明显，导致脊髓小脑共济失调3型中线粒体功能障碍和氧化应激更严重。这些病理过程可能进一步破坏包括锂在内的微量元素稳态。锂的减少反过来又通过增强蛋白质聚集、线粒体功能障碍和氧化应激而加剧疾病进展，从而减少神经保护并形成恶性循环。因此，微量元素失调既是疾病进展的结果，也是促成因素。

此项研究有几个局限性。第一，这是一项横断面观察性研究；需要来自同一患者的长期随访数据和涉及分子机制的实验来验证此研究的发现。第二，此项研究未分析脑脊液样本，但未来的研究将包括脑脊液采集以检查微量元素变化，因为它对神经病变评估更有价值。第三，此项研究使用了传统的弥散张量成像序列，未来可以使用针对交叉纤维成像的先进磁共振成像技术来提高成像准确性。最后，此研究将收集更大的样本量并构建多变量分析模型，以探索微量元素与疾病进展之间的动态关系，包括共济失调评估与评定量表评分。

5.结论