壞死性小腸結腸炎早產兒胼胝體脾微結構改變與神經發育障礙有關

背景

壞死性小腸結腸炎(NEC)是一種具有顯著發病率的早產兒毀滅性疾病，包括神經發育障礙(NDI)。本研究旨在探討NEC是否與(1)腦容量擴張和白質成熟相關(2)與未發生NEC的早產兒比較NDI。

方法

我們納入86例經顱囟超聲和磁共振成像均未發現足月齡(TEA)腦異常的早產兒(20例NEC, 66例非NEC)。采用區域腦容量分析和白質束攝影研究腦微結構改變。在矯正年齡18個月(CA)時使用Bayley嬰幼兒發育量表(BSID-III)評估NDI。

結果

NEC早產兒運動障礙的風險顯著增高(優勢比58.26,95%可信區間7.80-435.12，p< 0.001)。我們發現胼胝體(sCC)脾的平均擴散率(MD)顯著增加(p= 0.001)和左側皮質脊髓束(p= 0.001)。MD增加的sCC與BSID-III語言呈負相關(p= 0.025)和運動得分(p= 0.002)，這意味著sCC完整性與後期NDI的相關性。

結論

NEC與非NEC早產兒的白質微結構不同。sCC網絡參數對TEA的預後價值可能為早產兒NDI的早期發現提供更好的信息。

雖然已經實施了包括母乳喂養在內的標準化喂養方案，但壞死性小腸結腸炎(NEC)仍然是新生兒重症監護室(NICU)的一種毀滅性疾病，可導致早產兒神經發育障礙(NDI)。NEC的發病機製是多因素的，包括腸道不成熟、缺氧缺血性損傷、感染、炎症等，可能通過免疫和神經途徑影響大腦發育[1］．根據之前的一項研究，經證實的NEC (II期或以上)的發病率在3 - 7%之間不等[2］．大約三分之一的NEC患者需要手術治療，並且有很大的死亡風險，從15 - 30%不等[2，3.］．除了對NEC幸存者結果的影響，NDI在經證實的NEC中最近獲得了極大的興趣[4，5，6，7］．

彌散張量成像(Diffusion tensor imaging, DTI)通過檢測水分子在組織中的擴散，提供了有關組織連接和髓鞘形成的微觀結構變化的有用信息。利用擴散各向異性作為DTI中白質束完整性的標誌，反映發育中的早產兒大腦的結構和功能改變，也引起了人們的極大興趣。我們最近報道了小腦中部足蒂延遲成熟可以預測早產兒的NDI。然而，NEC患兒被排除在外，並應評估其與NDI的關係[8］．雖然早產兒疾病相關的預後有顯著改善，但NEC及其合並症與嚴重的NDI相關，尤其是在出生體重< 1500 g的早產兒中[6，7］．然而，從腦白質成熟的改變來看，NEC對出生至足月齡(TEA)之間大腦發育的影響和臨床意義知之甚少。很少有人試圖闡明NEC是否與白質成熟有關;然而，很少有研究顯示出混淆的結果，它們之間的關係尚未確定[9，10］．

在此，我們假設NEC可能與微結構成熟延遲的早產兒NDI相關。這項研究的目的如下:[1]來研究NEC是否與腦容量減少和微結構成熟延遲有關，以及[2]來比較18個月矯正年齡(CA)時NEC與非NEC早產兒的發育結果，並探討其臨床相關性。

研究人群

這是一項前瞻性觀察隊列研究，涉及到漢陽大學醫學院漢陽發育障礙包容性診所收治的早產兒的產後隨訪。本研究中所有兒童的父母均給予知情同意。入選標準如下:[1早產兒體重< 1500g，診斷NEC II期或以上[2];沒有證據顯示有先天性畸形[3.];沒有證據顯示宮內生長遲緩[4];腦室內出血(IVH)和腦室周圍白質軟化(PVL)無明顯程度[5];無自發性腸穿孔(SIP)證據;和[6]提供腦部核磁共振成像(MRI)。前瞻性地記錄人口統計學和臨床數據，包括產婦信息、胎齡(GA)、出生體重、分娩類型、性別、胎盤組織學、產前類固醇和阿普加評分。分析新生兒NEC、呼吸窘迫綜合征(RDS)、經培養證實的敗血症、低血壓、動脈導管未閉(PDA)、支氣管肺發育不良(BPD)、早產兒視網膜病變(ROP)和全腸外營養(TPN)持續時間。BPD的診斷依據是28天齡和36周經後齡時的氧支持需求(PMA) [11］．所有經囟門超聲掃描評估IVH和PVL由單一的兒科放射科醫生。出生後3天內、出生後1周和3周進行早期跨囟門超聲掃描。在PMA 36 - 41周之間的TEA，我們進行了腦MRI和DTI來評估腦網絡結構。最後，在CA的18個月進行Bayley嬰幼兒發展量表iii (BSID-III)，包括認知、語言和運動綜合評分。BSID-III測試由每個綜合得分的平均值100和標準差15組成。NEC組被定義為根據Bell改良分期標準被診斷為NEC II期及以上的早產兒[12］．對照組為無NEC、先天性畸形、IUGR、IVH、PVL和SIP證據的早產兒。

核磁共振研究

使用3.0-T MRI掃描儀(Philips實時緊湊型磁體3.0-T MRI係統;Achieva 3.0 T x係列)，16通道SENSE頭線圈。T1加權圖像包括矢狀位和軸向位T1 spin-echo序列(400/25/2，重複時間[TR]/回波時間[ms]/信號強度平均值)和軸向T2 turbo spin-echo序列(3000/100/1)。在圖像采集過程中，緩衝被放置在受試者和射頻線圈之間。DTI采用單發自旋-回聲-平麵序列，SENSE因子為2，回聲-平麵成像因子為51 (TR/TE, 8100/75 ms;基體尺寸:112 × 112;視場:224毫米;74軸部分)。切片方向為軸向，厚度為2.0 mm，平行於前後聯合線。40 - 50片覆蓋了整個腦半球和腦幹。 Fifteen directions using an electrostatic gradient model (b = 800) were used for diffusivity measurement. The subjects were well-fed before the scan, and sedative medications were not used.

腦容量

利用一種先進的分割技術測量早產兒的腦容量:形態學適應新生兒組織分割(MANTiS;http://developmentalimagingmcri.github.io/man-tis)，以統計參數映射(SPM)軟件加以修正[13］．它對使用新生兒模板的新生兒成像進行了修改[14］．該方法將腦t2加權MRI圖像分為以下六個子區域:皮層灰質、大腦白質、小腦、皮層下灰質(包括核深層灰質、海馬和杏仁核)、腦幹和腦脊液。使用FMRIB軟件庫(FSL;http://www.fmrib.ox.ac.uk/)．然後，使用“新分割工具”spm12，根據MANTiS中包含的新生兒概率圖對初始組織進行分類。針對大腦室或高強度白質進行形態學分水嶺分割和濾波，以獲得可靠的分割結果。除BET外，上述過程均使用MANTiS管道自動執行(圖3)。1)．

DTI處理

利用FMRIB軟件庫中的擴散工具箱(FDT)對擴散加權圖像進行處理。2)．利用FMRIB的線性圖像配準工具，將每個擴散加權圖像歸一化為非擴散加權圖像(b0)，從而校正運動偽影和渦流畸變[15，16］．BET用於去除非腦組織[17］．使用最小二乘優化估計擴散張量中的每個體素[18］．得到了包含三個值(λ1、λ2、λ3)、分數各向異性(FA)和平均擴散率(MD)的標量圖。基於約翰霍普金斯大學的jhu -新生兒圖譜，我們使用了閾值為0.1的纖維通路概率圖[19］．我們利用DTI tractography構建的已建立的纖維通路概率圖，測量大腦區域的平均跡值，概率大於10%。將白質束的概率圖疊加在jhu -新生兒圖譜上，以量化與認知、語言和運動功能相關的興趣通路的FA和MD。感興趣的區域包括胼胝體膝(gCC)、胼胝體脾(sCC)、左側皮質脊髓束(ltCST)、右側皮質脊髓束(rtCST)、左側下縱束(ltILF)和右側下縱束(rtILF)。此外，為了理解原理圖，我們為每組選擇了一名受試者，並使用用於MRI分析的tractography軟件工具(DSI Studio，http://dsi-studio.labsolver.org/)(圖。3.)．

統計分析

采用SPSS (21.0;SPSS，芝加哥，IL，美國)。早產兒分為兩組:有NEC的早產兒和無NEC的早產兒。統計學和臨床特征比較使用學生t檢驗和Mann-Whitney U檢驗連續變量和Fisher精確檢驗的分類變量。我們使用一般線性模型來比較腦容量、性別控製、MRI的GA、PMA和經多重比較校正後的顱內體積的差異。在MRI上調整性別、GA和PMA後，使用一般線性模型分析組間網絡參數的差異。比較網絡參數的差異，我們進行了額外的兩步分析，第一步控製MRI的GA和PMA，並使用Quade的非參數協方差秩分析將控製營養方麵的TPN持續時間作為第二步的協變量。在腦容量和網絡參數分析中，進行Bonferroni校正以減少由於多次比較造成的錯誤。在發育評估中，采用多因素logistic回歸模型分析NDI的顯著危險因素。每項綜合評分(認知、語言、運動)小於70(標準差<−2)的早產兒被定義為NDI。 In addition, of network parameters that were statistically significant in the NEC group, we conducted multiple linear regression analysis of the association between network parameters and a composite score of BSID-III, including GA and PMA at MRI as covariates. Variables withp值< 0.05為顯著。

臨床特點

表格1介紹研究人群的基線人口學特征和臨床特征。109例早產兒中，我們排除了23例早產兒，其詳細特征如下:8例早產兒在NICU入院時診斷為IVH和PVL;6名患兒失訪，9名患兒MRI成像質量不足。共納入86例早產兒(20例NEC患兒，66例非NEC患兒)。在被診斷為NEC的20名嬰兒中，有3名被診斷為嚴重NEC並需要手術。NEC組和非NEC組平均GA分別為27.03周和28.88周(p= 0.026)。NEC組MRI平均PMA為37.90周，無NEC組為36.91周(p= 0.210)。新生兒特征方麵，NEC組TPN持續時間明顯延長(p= 0.003)。最後，其他新生兒發病率，包括RDS、BPD、PDA和ROP，沒有顯示顯著差異。

腦容量

表格2顯示了兩組的腦容量分析的比較。在每個子區域，NEC早產嬰兒與對照組相比體積減小。然而，在Bonferroni校正後，其減少無統計學意義。此外，在調整了包括性別、MRI PMA和總顱內體積在內的幾個協變量後，其不顯著性仍然存在。

DTI分析

本研究DTI分析的代表性圖像如圖所示。1．表格3.顯示兩組之間的網絡參數。sCC的MD顯著升高(p= 0.001)。CST導致半球差異，顯示ltCST的MD明顯高於NEC組(p= 0.001)。最後，在ILF中，有NEC和無NEC的早產兒兩個半球的網絡參數沒有差異。

發展的結果

表格4報告有和沒有NEC的早產兒的神經發育結果。在86例MRI分析的早產兒中，75例(87%)在18個月的CA期接受了BSID-III(19例有NEC, 56例沒有NEC)。我們的邏輯回歸模型顯示NEC是運動損傷的顯著危險因素(優勢比58.26,95%可信內7.80-435.12)。從BSID綜合得分來看，NEC組早產兒在認知方麵的BSID- iii得分明顯較低(87.00±15.52 vs. 99.04±13.95，p= 0.002)、語言(82.03±14.03和92.45±16.42,p= 0.016)和電機(74.42±15.75和100.36±14.41,p< 0.001)。我們對BSID-III的各綜合評分與尿道MD進行多元線性回歸分析，該綜合評分在尿道造影分析中具有顯著性。sCC的MD與語言得分呈顯著負相關(p= 0.025)和運動評分(p= 0.002)。同樣，在ltCST中，MD與運動評分略微相關(p= 0.058)(表5)．

據我們所知，這是第一個研究白質成熟延遲和無明顯腦異常的NEC早產兒NDI之間的關係的研究。與未發生NEC的早產兒相比，NEC組在CA 18個月時出現了顯著的NDI。DTI分析顯示NEC組sCC和ltCST的MD增加，提示TEA時微結構成熟延遲。此外，sCC的MD與BSID-III語言和運動綜合評分呈負相關。

我們發現NEC組的白質和深灰質體積更小，腦總體積也更小，盡管這兩者之間的聯係沒有統計學意義。在以往的研究中，我們認為NEC早產兒腦容量受損是由於混雜因素造成的，包括顱內總體積或頭圍[20.，21］．雖然NEC與腦容量的關係不明顯，但提示NEC組腦容量減少是由於腦生長延遲所致，而非NEC引起的繼發性萎縮或腦損傷所致。

在發育評估中，NEC僅在運動功能方麵是NDI的顯著危險因素。考慮到我們的研究將NDI的分界值設定在−2個標準差以下，我們的結果可能反映了中度到重度的NDI。NEC組各指標BSID綜合得分均較差，需要進一步大樣本量研究來闡明二者之間的關係。本研究顯示NEC早產兒腦白質成熟延遲作為DTI分析的網絡參數差異。MD延長的sCC和ltCST成熟延遲明顯，反映出NEC組神經元纖維連接鬆散，整合不良。這意味著NEC在白質成熟過程中起著重要作用，並與白質早熟一起導致了NDI。胼胝體(CC)是最大的白質束，傳導半球間信息。特別是，鱗狀細胞癌是連接顳、頂葉和枕葉皮質最完整的病變。它在視覺和聽覺數據的跨腦處理中起著重要作用，並在3-4個月大時形成髓鞘[22，23］．在以往的DTI研究中，CC的成熟延遲與認知功能有關[22，24步態和運動協調[24]。我們的研究與這些研究一致，強調了CC的成熟與NEC早產兒NDI相關。此外，我們發現sCC的MD可能是晚期NDI的一個生物標誌物，尤其是在認知和語言功能方麵，反映了其與BSID-III綜合評分的相關性。

有趣的是，在CC中，MD的增加並不意味著FA的減少。雖然FA和MD主要是反映髓鞘化程度的計算參數，但它們可以包含不同的特征。FA測量體素內各向異性的程度，暗示髓鞘形成的方向，而MD測量水分子擴散的平均程度[25］．CC在3-4月齡時有髓鞘，提示本研究中TEA時各向異性和有髓鞘較少。因此，我們假設NEC組的成熟延遲會在TEA早期表現為MD的增加，而不是FA的減少[26］．考慮到大腦發育的改變是成熟依賴脆弱性的基礎，兩組gCC成髓鞘的差異不顯著可以用後向前向成髓鞘的一般模式來解釋[25］．

白質成熟與NEC之間的關係可能反映了NEC的多因素病因，包括腸不成熟、缺氧缺血性損傷、感染和炎症。特別是炎症被假設為NDI的主要原因。先前的研究表明，炎症條件伴隨敗血症與大腦微結構改變有關，影響白質微結構完整性[27，28］．此外，Alshaikh等人[29研究表明，炎症條件在白質異常中起著至關重要的作用，即使在沒有明顯腦損傷的薈萃分析中也是如此。更不用說嬰兒時期的異常了，Dubner等人[30.]表明新生兒期的炎症條件改變了CC的白質微結構，6歲時認知功能延遲。由於NEC與新生兒疾病之一的感染和炎症的發病機製有關，我們的研究結果與以往強調炎症在NEC嬰兒NDI中的作用的報道一致。NEC白質延遲成熟的機製尚不清楚。然而，多項研究報道NEC動物模型中炎症細胞因子水平升高和血腦屏障破壞[31，32］．我們認為，隨著NEC的進展，全身炎症反應在大腦中引起廣泛的氧化應激。隨後，在星形膠質細胞和小膠質細胞的激活下，前少突膠質細胞受到細胞因子損傷和活性氧的明顯損傷。受損的前少突膠質細胞可能無法進化成產生髓鞘的少突膠質細胞，從而導致白質成熟延遲和NDI [33］．此外，繼發NEC的情況包括酸血症、敗血症，繼發NEC的處理包括機械通氣、全身抗生素和留置導尿管可能會加重全身炎症，破壞腸道微生物群對早期大腦發育的影響。

越來越多的證據表明，NICU期間出生後早期生長和營養影響腦容量擴張和白質成熟[4，34，35］．這些結果提示營養和生長可能是NEC嬰兒NDI的混淆因素。為了反映它們的混雜效應，我們分析了經過TPN天數調整的白質成熟。經TPN天數調整後仍然顯著，表明NEC是NDI的獨立危險因素;然而，營養不良可能同時增加神經發育結果惡化的風險。

這項研究有幾個局限性。一個主要的限製是NEC組的小樣本量，這可能會導致受試者異質性和數據的扭曲解釋。更均衡的樣本量或多中心成像數據可以獲得更大的統計能力。其次，由於圖像質量較差，帶有運動偽影，在圖像處理過程中會丟棄大量數據;因此，在解釋結果時必須謹慎。然而，在本研究中，所有的掃描都是在自然睡眠期間進行的，所有的嬰兒都在熟練的醫生的監督下進行脈搏血氧測量，以確保MRI掃描過程中的安全。與成人圖像相比，獲得新生兒MRI圖像存在許多方法學上的挑戰。最後，遺傳和出生後環境因素對DTI和NDI之間聯係的影響仍然是重要的問題。雖然我們糾正了重要的混雜因素，如GA和TPN營養天數，但反映炎症狀態的變量，包括經培養證實的敗血症和BPD，可能會影響NDI。

NEC明顯的早產兒在TEA中白質成熟延遲。發育中的早產兒大腦中sCC白質成熟的延遲與CA 18個月時較低的發育分數有關，這意味著sCC完整性作為晚期NDI的生物標誌物的相關性。我們的結果表明，沒有明顯腦損傷的早產兒可能表現出運動和語言障礙，並損害結構連接的DTI。這些發現將通過對早產兒如何克服發育遲緩和白質連接改變的大人群和長期隨訪研究得到加強和闡述。

本研究中所使用和分析的數據集，可根據合理要求從通訊作者處獲得。

NEC公司:

壞死性小腸結腸炎

NICU:

新生兒重症監護病房

NDI:

神經發育障礙

DTI:

擴散張量成像

CA:

校正年齡

茶:

Term-equivalent年齡

IUGR:

宮內生長遲緩

IVH:

腦室內出血

PVL:

室周的腦栓塞

SIP:

自發的腸穿孔

核磁共振成像:

磁共振成像

RDS:

呼吸窘迫綜合征

PDA:

動脈導管未閉

桶:

支氣管肺的發育不良

羅普:

早產兒視網膜病變有

TPN:

全靜脈營養

PMA:

Postmenstrual年齡

BSID-III:

嬰兒和學步兒童發展貝利量表- iii

注:

大腦提取工具

FDT:

FMRIB擴散的工具箱

費爾南多-阿隆索:

分數各向異性

MD:

意思是擴散係數

gCC:

膝胼胝體

鱗狀細胞癌:

胼胝體的脾

ltCST:

離開皮質脊髓束

rtCST:

對皮質脊髓束

ltILF:

左下縱束

rtILF:

右下縱束

不適用。

該研究得到了韓國國家研究基金的資助，該基金由韓國政府MSIT (NRF-2020-R1F1A1048529和M3E5D9080787)和漢陽大學研究基金(HY-2017)資助。

作者指出

1. 車正浩和林正善對這部作品做出了同樣的貢獻。

作者和聯係

1. 漢陽大學醫學院兒科，漢城城東區王七裏路222-1，韓國，04763

   車鍾浩，黃宰均，羅宰允，李玄珠和安子惠

2. 韓國成均館大學醫學院江北三星醫院家庭醫學係，首爾，韓國

   Jung-Sun Lim

3. 漢陽大學生物醫學工程係，首爾，韓國

   Jang Yong Hun & Lee Jong-Min

4. 韓國首爾漢陽大學醫院發育醫學臨床研究所

   張勇渾，羅宰允，李玄珠和安子惠

貢獻

J.H.C.起草了手稿，J.H.A.對本研究的設計做出了實質性的貢獻。y.h.j參與數據采集和分析。H.J.L.和J.S.L在論文的研究構想和批判性修訂方麵都很活躍。J.Y.N、j.m.l.j.k.h和J.H.A.起草並修改了手稿。作者閱讀並批準了最終稿。

相應的作者

對應到Ja-Hye安．

倫理認可和同意參與

漢陽大學首爾醫院機構審查委員會(IRB No. 2017-04-004)批準了該研究方案和掃描程序。所有入組兒童的父母均給予書麵知情同意。

相互競爭的利益

作者聲明他們之間沒有利益衝突。

出版商的注意

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