基于彌散張量成像的抑郁癥生物學亞型研究

陳熊鷹，朱 樺，吳 航，程 健，周晶晶，馮 媛，劉 瑞，王 赟，張志芳，豐 雷，周 媛，王 剛*

（1.首都醫科大學附屬北京安定醫院，國家精神心理疾病臨床醫學研究中心&精神疾病診斷與治療北京市重點實驗室，北京 100088；2.北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京 100191；3.北京大數據精準醫療高精尖創新中心，北京 100191；4.中國科學院心理研究所，北京 100101；5.中國科學院大學心理學系，北京 100049 *通信作者：王 剛，E-mail：gangwangdoc@ccmu.edu.cn）

抑郁癥是一種以腦組織連接紊亂為特征的精神疾病，其病因復雜且臨床表現異質性高，給診斷和治療帶來了巨大的挑戰［1］。然而，現有的基于臨床診斷的群體水平組間差異研究忽略了個體之間的生物學異質性［2-3］。神經影像技術為研究抑郁癥的生物學異質性提供了新視角［4-5］。彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技術和各向異性分數（fractional anisotropy，FA）已廣泛應用于大腦白質研究，FA指標的變化可反映白質纖維束的生理特征受損情況［6-7］?，F階段關于抑郁癥患者腦白質研究的結論并不一致。有研究表明，抑郁癥患者在多個腦區中存在FA 值普遍降低［8］，也有研究未發現患者與健康對照組之間的差異［9］。這些研究結果的差異可能涉及多方面原因［10］，包括技術、樣本和方法學等，生物學異質性也是其重要的影響因素之一［11-12］。

隨著神經科學和生物學等領域的不斷發展以及計算能力的提升，越來越多的研究開始關注并應用基于個體生物特征的亞型分析方法。生物學亞型分析是一種根據個體神經生物特征的相似性和差異性對人群進行亞型劃分的新方法。在抑郁癥的研究中，基于功能磁共振成像的亞型分析已經取得了一些進展［13-14］。例如，有研究使用靜息態功能連接將抑郁癥劃分為四個亞型，這些亞型的患者在臨床癥狀和對經顱磁刺激的治療反應方面均存在差異［15］。另有研究聚焦于默認網絡，也發現了具有不同功能連接模式的抑郁癥亞型［16］。這些研究表明，個體的神經生物學信息可以為臨床提供更多有價值的啟示。相比于功能研究，目前基于結構磁共振的抑郁癥亞型探索還相對有限。因此，本研究利用DTI 和半監督學習方法劃分抑郁癥亞型，以期從生物學亞型的角度為抑郁癥的精準診療提供參考。

1 對象與方法

1.1 對象

納入2017 年9 月-2021 年8 月于北京安定醫院就診的抑郁癥患者為研究對象。入組標準：①年齡18～65 歲，性別不限，漢族，右利手；②小學以上受教育程度，能夠理解量表內容；③符合《精神障礙診斷與統計手冊（第4 版）》（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，fourth edition，DSM-IV）抑郁癥診斷標準；④本次發作未接受抗抑郁藥系統治療或近14 天累計使用抗抑郁藥治療不超過7 天；⑤漢密爾頓抑郁量表17 項版（Hamilton Depression Scale-17 item，HAMD-17）總評分≥14分；⑥體內無金屬植入物或電子設備等核磁掃描禁忌。排除標準：①既往有明確躁狂或輕躁狂發作；②既往或目前符合其他精神障礙診斷標準，如雙相情感障礙、精神分裂癥、分裂情感性精神障礙等；③有酒精或藥物濫用史、急性中毒史的患者；④目前存在嚴重自殺風險（HAMD-17自殺風險條目評分≥3分）的患者；⑤患有嚴重的軀體疾??；⑥妊娠期或哺乳期女性。符合入組標準且不符合排除標準的抑郁癥患者共127例。

表1 患者組與健康對照組基本資料Table 1 Demographic and clinical information between the patient group and the healthy control group

同期在醫院附近社區通過廣告招募與患者性別和年齡相匹配的健康人群作為對照組。入組標準：①年齡18～65 歲，性別不限，漢族，右利手；②小學以上受教育程度，能理解量表內容；③體內無金屬植入物或電子設備等核磁掃描禁忌。排除標準：①既往或目前符合DSM-IV任何精神障礙診斷標準；②有精神疾病家屬史；③有酒精或藥物濫用史、急性中毒史；④患有嚴重的軀體疾??；⑤妊娠或哺乳期婦女。符合入組標準且不符合排除標準共80 例。本研究通過北京安定醫院人類研究與倫理委員會批準［倫理審批號：（2017）科研第（24）號］。所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 評定工具

采用自編調查表收集受試者的基本資料，包括年齡、性別、受教育年限和病程。

HAMD-17為他評量表，共17個條目，其中大部分條目采用0～4 分5 級評分，少量條目采用0～2 分3 級評分，總評分越高表明抑郁癥狀越嚴重。該量表中文版Cronbach’s α系數＞0.70［17］。

16 項抑郁癥狀快速自評量表（16-item Quick Inventory of Depressive Symptoms Self-Report Scale，QIDS-SR16）為自評量表，共16 個條目，采用0～3 分4 級評分，總評分越高表明抑郁癥狀越嚴重。該量表中文版Cronbach’s α系數約為0.80［18］。

患者健康問卷抑郁量表（Patient Health Questionnaire-9，PHQ-9）為自評量表，共9 個條目，采用0～3 分4 級評分，總評分越高表明抑郁癥狀越嚴重。該量表中文版Cronbach’s α系數＞0.80［17，19］。

1.3 評定方法

由通過量表一致性培訓和考核的專業精神科醫師使用簡明國際神經精神訪談中文版（Mini-International Neuropsychiatric Interview，MINI 5.0.0）對就診者做出診斷，診斷明確后入組。為避免環境干擾，所有評估均在測評室內完成?；颊咴谌虢M時和抗抑郁藥物治療12 周后完成HAMD-17、QIDS-SR16 和PHQ-9 評定。健康對照組在入組時完成QIDS-SR16 和PHQ-9 評定。受試者在理解主試指導語后自行完成QIDS-SR16 和PHQ-9 評定。量表評定耗時20～40 min。

1.4 影像數據采集

磁共振數據在北京安定醫院影像科完成采集，使用德國西門子3.0 T Prisma 磁共振儀采集T1結構像和彌散加權圖像（diffusion weighted imaging，DWI）。T1結構像：使用3D梯度回波成像（Three-dimensional magnetization-prepared rapid gradient-echo imaging，3D-MPRAGE）序列進行矢狀位掃描。TR（重復時間）=2 530 ms，TE（回波時間）=1.85 ms，層數=192層，層厚=1 mm，FOV（視野）=256 mm×256 mm，矩陣=256×256，翻轉角=9°。

DWI 圖像：采用單次回波平面成像（echo planar imaging，EPI）序列進行軸位掃描。TR（重復時間）=9 200 ms，TE（回波時間）=78 ms，層數75 層，層厚2 mm，無間隔，FOV（視野）=224 mm×224 mm，翻轉角=90°；2次重復掃描，30個b=1 000 s/mm2的彌散加權方向的圖像，6個b=0 s/mm2的無彌散加權方向的圖像。

1.5 影像數據分析

采用FMRIB Software Library（FSL v6.0.5.1）軟件（http：//fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）對DWI 數據進行處理。預處理包括：去除非腦組織、頭動和渦流矯正、FA 指標計算。將所有受試者的FA 圖像非線性配準到FMRIB58_FA 標準空間，得到平均FA圖像，使用纖維束追蹤空間統計（Tract-based spatial statistics，TBSS）方法以0.2 為閾值對其骨架化。然后，將所有受試者的FA 圖像投射到該骨架上，生成每個受試者的FA 圖像骨架。完成上述步驟后，根據約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University，JHU）腦白質概率圖譜［20］提取48 個纖維束標簽的FA平均值，并進行Z分數標準化。采用回歸分析，將排除性別、年齡、受教育年限影響后的FA值作為下一步生物學亞型分析的特征。

1.6 生物亞型分析

采用半監督學習算法-HYDRA（Heterogeneity through discriminative analysis）劃分亞型［21］。該方法基于患者組與健康對照組整體指標的差異，將患者組劃分為不同數量的同質亞組。在本研究中，依據患者組和健康對照組在48條纖維束上FA 值形成的數據分布差異性，將表現出相似差異性的患者聚類為同質的亞型。預先假定存在2～5 種亞型，通過十折交叉驗證計算調整蘭德系數（Adjusted Rand index，ARI），將ARI 作為衡量劃分不同數量亞型的穩定性指標。具體做法：每次選擇90%的樣本進行聚類，計算十次不同的樣本選擇方式中各樣本是否被連續劃分到某一個亞型。選擇ARI最高的亞型數量作為劃分結果。按照Kaczkurkin 等［22］使用的方式進行置換檢驗，以評估劃分亞型的泛化性能。將健康對照組的50%作為偽病人，剩下50%仍作為健康對照組，通過上述流程計算ARI構建零分布，同時將抑郁癥患者的50%作為患者組，與50%的健康對照組構建ARI的實際分布，比較實際分布與零分布的差異，差異越大則認為模型的泛化性能越好。參照與本研究樣本量相近的研究，本研究選擇進行100 次置換檢驗［14］。

1.7 統計方法

使用R 4.1.3 進行統計分析。符合正態分布的計量資料以（±s）表示，兩組比較采用獨立樣本t 檢驗，三組比較采用單因素方差分析；不符合正態分布的數據以［M（Q1～Q3）］表示，組間比較采用Mann-Whitney U檢驗。計數資料以［n（%）］表示，使用χ2檢驗進行組間比較。P＜0.05認為差異有統計學意義。

對于全腦纖維束的FA 值，首先使用獨立樣本t檢驗比較健康對照組與患者組之間的差異并進行FDR 校正。再基于亞型分析結果，通過方差分析比較健康對照組與不同亞型患者組的差異并進行FDR 校正。對存在差異的纖維束進行事后檢驗并通過Turkey 檢驗進行校正，統計顯著性水平設定為校正后P＜0.01。

使用線性混合效應模型評估不同亞型患者組的療效，將HAMD-17 總評分作為因變量，性別、年齡和受教育年限作為協變量，分析組別（亞型Ⅰ、亞型Ⅱ）和時間（基線和治療12周后）的主效應和交互效應，將受試者作為隨機截距加入模型。

2 結 果

2.1 患者組與健康對照組基本資料

基線時，患者組與健康對照組的受教育年限、PHQ-9 總評分以及QIDS-SR16 總評分差異均有統計學意義（P均＜0.05），年齡和性別差異均無統計學意義（P均＞0.05）。見表1。

2.2 不同亞型的抑郁癥患者基本資料比較

將抑郁癥患者劃分為2、3、4、5 種亞型時，ARI分別為0.64、0.51、0.44、0.36。當劃分為兩種亞型時，ARI最大，且置換檢驗后與零分布差異有統計學意義（P＜0.05）。故將患者劃分為兩種亞型：亞型I（n=76）和亞型II（n=51）。

亞型I 患者組和亞型II 患者組的年齡、性別、受教育年限、PHQ-9 總評分、QIDS-SR16 總評分、HAMD-17 總評分以及病程，差異均無統計學意義（P均＞0.05）。對不同亞型患者組HAMD-17總評分進行分析，存在時間主效應（F=12.930，P＜0.01）以及組別和時間的交互效應（F=4.288，P＜0.05）。事后檢驗顯示，兩種亞型的患者HAMD-17 總評分在治療后均降低（P＜0.05），治療12 周后，亞型Ⅰ患者組HAMD-17 總評分低于亞型Ⅱ患者組（t=2.410，P＜0.05）。見表2。

表2 不同亞型的抑郁癥患者基本資料比較Table 2 Comparison of demographic and clinical information among different subtypes of patients

2.3 抑郁癥患者及各亞型組與健康對照組FA 值比較

患者組共有11 條纖維束的FA 值低于健康對照組（P＜0.01，FDR 校正），包括雙側內囊豆狀核后部、雙側前放射冠、左側上放射冠、雙側后放射冠、雙側丘腦后放射冠、右側上縱束以及右側上額枕束。見圖1A。

圖1 患者組及各亞型組與健康對照組纖維束FA值比較Figure 1 Comparison of FA values among the patient group，subtypes，and the healthy control group

對不同亞型的患者組和健康對照組進行方差分析，結果顯示，三組除穹窿、左側內側丘系、左側鉤束、左側胼胝體神經氈外的44 條纖維束FA 值的差異均有統計學意義（P＜0.01，FDR校正）。

事后檢驗顯示，亞型I 患者組共有35 條纖維束的FA 值低于健康對照組（P＜0.01，FDR 校正），包括小腦中腳、胼胝體膝部、體部、壓部、右側皮質脊髓束、右側小腦下腳、雙側大腦腳、雙側內囊前肢、雙側內囊后肢、雙側內囊豆狀核后部、雙側前放射冠、雙側上放射冠、雙側后放射冠、雙側丘腦后放射冠、雙側下縱束及下額枕束、雙側外囊、雙側扣帶回、左側海馬、雙側終紋、雙側上縱束、雙側上額枕束、右側鉤束。見圖1B。

亞型II 患者組共有3 條纖維束的FA 值高于健康對照組（P＜0.01，FDR 校正），包括小腦中腳、左側小腦上腳和左側大腦腳。見圖1C。

對兩種亞型的患者進行比較，除穹窿、左側內側丘系、雙側鉤束外和左側胼胝體神經氈之外，亞型II 患者組其他43 條纖維束FA 值均高于亞型I患者組（P＜0.01，FDR校正）。見圖1D。

3 討 論

本研究結合DTI 技術和機器學習方法，將抑郁癥患者劃分為兩種具有不同白質損傷模式的生物學亞型。其中，亞型I 表現為廣泛腦區的纖維束FA值降低，亞型II 表現為少數腦區的纖維束FA 值升高。盡管兩種亞型患者組人口學資料和基線期抑郁癥狀嚴重程度差異無統計學意義，但二者對急性期抗抑郁藥物治療的應答程度有所不同。

抑郁癥腦影像學研究結果的可重復性受眾多因素的影響，如不同的研究設計、樣本量差異以及臨床異質性等［23-25］。亞型分析有助于發現相同臨床診斷標簽下的不同生物學病理機制。本研究將抑郁癥患者與健康對照組進行比較，結果顯示，在內囊、上額枕束、放射冠等一系列纖維束上，抑郁癥患者的FA 值更低，與既往部分研究的結論一致［8，26］。van Velzen 等［6］對ENIGMA 的公開數據進行分析，結果表明，成年抑郁癥患者存在大面積的纖維束FA值降低。但也有研究報道了不同的、甚至相反的結果［27-28］。本研究將患者劃分為兩個亞型，亞型I患者組以在更為廣泛的腦區中表現出纖維束FA 值降低為特征，這與ENIGMA 大樣本研究結果的相似性更高，提示該亞型的抑郁癥患者可能存在更嚴重的纖維束損傷和結構異常，推測可能與早期神經發育障礙、遺傳因素、慢性炎癥等機制相關。同時，這些受損部位與其他嚴重精神障礙（精神分裂癥、雙相情感障礙等）患者的白質損傷模式存在重合，如都存在扣帶回、前放射冠、胼胝體體部和穹窿等部位的FA 值降低［9］，提示這些受損腦區可能與更復雜的癥狀以及疾病的慢性遷延有關。而亞型II患者組大部分纖維束的FA 值相比于健康對照組沒有改變，甚至少數纖維束的FA值更高，提示亞型II可能不具有以白質損傷為核心的生物學特征。

既往研究顯示，不同生物學基礎的抑郁癥患者在臨床癥狀、治療反應等方面存在巨大差異［29］。本研究中，兩種亞型的抑郁癥患者也表現出不同程度的治療應答。雖然不同亞型的患者組基線期抑郁癥狀嚴重程度差異無統計學意義，但推測可能在認知功能等其他維度上存在表型差異。Liang 等［30］的一項結構磁共振研究將抑郁癥劃分為三種亞型，雖然不同亞型患者的臨床癥狀差異均無統計學意義，但在注意和記憶等認知維度上，患者表現出不同的認知缺陷模式，這提示在研究中開展多維度表型測量的重要性。一些研究顯示，基線期右側上縱束、右側皮質脊髓束以及扣帶回的FA 值越大，抗抑郁藥物的療效更好［31-32］，終紋的FA 值與療效呈負相關［31］，本研究結果與之不一致，本研究認為，研究生物表現更同質的亞型患者組能夠更好地反映治療與生物標志物之間的真實關聯。后續研究可以利用公共數據對此加以驗證。此外，還有研究表明，未服用抗抑郁藥物的患者其扣帶回、右側下縱束及下額枕束、外囊和穹隆的FA 值低于健康對照組，而服用SSRIs類藥物的患者未觀察到這種差異［6］，基于這些結果，推測抗抑郁藥物的療效可能與修復抑郁癥患者的白質損傷有關。在本研究中，亞型I 患者組表現出更好的治療反應，可能是因為在接受抗抑郁藥物治療后，其受損的白質纖維得到了一定程度的修復，從而改善了臨床癥狀，但這些推測同樣還需要后續研究的驗證。

綜上所述，本研究為解析抑郁癥這一復雜疾病的生物學異質性提供了新的證據，為臨床的精準治療提供了新的方向，未來的治療策略可以考慮針對不同亞型采取個體化的干預措施。本研究局限性：①納入的部分患者曾經服用過抗抑郁藥物，但由于樣本量的限制本研究未加以嚴格區分，后續研究應將藥物因素納入考量；②本研究只采用了FA 指標，未來可以融合多模態指標深度挖掘抑郁癥的生物異質性；③亞型分析的穩定性和泛化性還有待在大樣本研究中進行獨立驗證。