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1.引言

克雅氏病是一种罕见的、致命的神经退行性疾病，由异常折叠的朊蛋白在大脑中的积累引起。由朊蛋白基因致病性突变导致的遗传性克雅氏病约占病例的10%-15%。鉴于某些突变位点几乎完全显性且完全外显的遗传模式，无症状朊蛋白基因致病性突变携带者为研究克雅氏病的早期发病机制提供了理想模型。

越来越多的证据表明，病理生理、结构和代谢改变在克雅氏病患者症状出现之前就已发生。研究揭示了在无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中，弥散加权成像显示颞叶和枕叶皮层局灶性高信号，以及白质束完整性丧失。此外，作为一种检测早期神经退行性病变更敏感的方法，18F-氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描已证明，在临床前克雅氏病患者中，区域性脑代谢减低可先于弥散加权成像异常和结构改变出现。然而，脑功能不仅依赖于孤立的脑区，还依赖于一个高度复杂整合的网络，该网络作为一个整体包含整合和分离功能。从感染细胞或退行性突触释放的PrP^Sc聚集物不仅被邻近细胞摄取，还通过特定的神经元网络传播，通过突触途径扩散到远处脑区并诱导朊蛋白错误折叠。因此，代谢网络拓扑结构能够反映神经元和突触在网络及全脑水平的通讯，可能是评估克雅氏病患者神经退行性过程的更有用指标。既往研究报道，散发性克雅氏病具有特定的代谢连接重组。然而，尚无研究探讨无症状遗传性克雅氏病患者的复杂脑网络改变。

此研究旨在通过图论分析无症状朊蛋白基因致病性突变携带者的¹⁸F-FDG PET/MRI，探讨拓扑属性和连接组完整性改变，阐明克雅氏病早期阶段的代谢网络重构。

2.方法

2.1参与者与数据采集

此研究获得首都医科大学宣武医院伦理委员会批准。所有参与者或其法定监护人均签署了书面知情同意书。

从先前描述的一个中国遗传性克雅氏病家系中招募了7名无症状朊蛋白基因致病性突变 G114V突变携带者。所有这些无症状突变携带者均无神经系统症状，神经心理学测试和神经系统检查正常。此外，从宣武医院招募了43名克雅氏病患者和35名健康对照。所有克雅氏病患者均符合当前世界卫生组织关于很可能或确诊的散发性克雅氏病或遗传性克雅氏病的诊断标准。

参与者接受了临床访谈、神经系统检查、神经心理学评估、基因检测、脑电图、脑脊液14-3-3蛋白、皮肤实时震动诱导转化检测以及脑部¹⁸F-FDG PET/MRI扫描。

2.2. FDG PET/MRI采集参数

使用3.0 T混合PET/MRI扫描仪进行成像。参与者静脉注射18F-FDG，并在成像前在昏暗的房间内休息40分钟。同时采集PET和MR图像，包括3D T1加权图像和弥散加权图像。

高分辨率T1加权成像参数：重复时间/回波时间/反转时间 = 6.9/2.98/450 ms，翻转角=12°，矩阵大小=256×256，视野=256×256 mm²，层厚=1 mm，体素大小=1×1×1 mm³，采集时间=4分48秒，192层，无间隔。PET数据采集参数：矩阵大小=192×192，视野=350×350 mm²，层厚=2.78 mm，并包括随机符合、死时间、散射和光子衰减校正。根据脑MRI进行衰减校正。

2.3.图像预处理

使用SPM12中的CAT12对T1加权结构图像进行预处理。图像空间标准化到MNI空间，并使用8 mm半高全宽高斯核进行平滑。

PET图像共配准到标准化后的结构图像，并类似地平滑。以小脑灰质作为参考区计算标准摄取值比 (SUVR)。

2.4.结构MRI和FDG-PET的体素分析

在SPM12的广义线性模型框架内，使用双样本t检验对灰质体积和FDG-PET SUR进行体素水平分析，以年龄、性别和颅内体积为协变量。统计显著性设定为p < 0.05，FDR校正。

2.5.全脑代谢连接组：稀疏逆协方差估计分析

为了研究代谢连接组，应用稀疏逆协方差估计计算跨172个感兴趣区的代谢连接性。从每个受试者的每个感兴趣区中提取¹⁸F-FDG PET信号，获得受试者×感兴趣区矩阵。然后将SICE算法应用于这些矩阵以生成代谢连接性。从代谢连接性矩阵计算图论度量，并执行自助法程序以检验组间差异。选择参与系数高于平均度中心性一个标准差以上的节点作为hub。

2.6.子网络分析：独立成分分析

子网络分析聚焦于默认模式网络、突显网络和中央执行网络。使用GIFT工具箱进行独立成分分析。每个受试者的成像数据按序列排列，然后使用主成分分析进行白化和降维。使用Infomax ICA算法估计独立空间成分。GIFT软件用于估计最优成分数，基于独立同分布高斯随机过程的熵率评估。体素强度值转换为z分数，并根据解剖和功能标准识别子网络。

2.7.统计分析

使用SPSS版本25进行统计分析。数值变量以均值±标准差或中位数表示，取决于其分布。使用Mann-Whitney U检验或t检验进行比较，基于方差齐性选择。分类变量以频率（百分比）表示，并使用卡方检验或Fisher精确检验进行比较。对于基本特征分析，双尾p值<0.05被认为具有统计学显著性。

针对结构数据和¹⁸F- FDG PET数据，采用SPM12软件中基于广义线性模型（GLM）的双样本t检验，以年龄、性别和颅内总体积作为协变量，对两组间的全脑体素水平差异进行比较。通过设定p < 0.05（经FDR校正）的体素阈值，确定了存在显著体积变化和 FDG 变化的大脑区域。随后采用5000次置换的非参数置换检验来比较网络指标：具体而言，将受试者在组间随机置换，并对每次置换后的图指标差异重新计算，由此生成组间差异分布。p值通过计算置换分布中超过实际组间观测差异的比例得出。

在脑海科技云平台中，内置了图论分析及独立成分分析模块，支持用户批量处理数据，并确保每一步参数设置都有据可查。此外，平台的项目管理模块可清晰记录数据筛选标准、排除被试原因、分析版本等信息，极大提升了研究的透明度和可复现性。感兴趣可联系咨询以及预约产品演示。

3.结果

3.1.参与者特征

7名无症状朊蛋白基因致病性突变 G114V突变携带者、43名克雅氏病患者和34名健康对照被纳入此研究。三组的人口学和认知数据总结于表1。克雅氏病患者与对照之间在性别或年龄上无显著差异，而无症状朊蛋白基因致病性突变携带者显著年轻于对照和克雅氏病患者。无症状突变携带者的年龄范围为21至46岁。在7名无症状携带者中，有2名分别超过预期发病年龄1.1年和2.1年，但尚未发病，其余5名无症状携带者距症状发作的估计时间中位数为15.9年，范围为1.9至22.9年。克雅氏病患者的认知功能全面受损，但无症状朊蛋白基因致病性突变携带者和对照保持正常。弥散加权成像显示所有克雅氏病患者皮层或基底节区有高信号，但在无症状携带者或对照中未观察到。基因检测在11名克雅氏病患者中鉴定出朊蛋白基因致病性突变，包括7名E200K、1名T188K、1名V180I、1名T95N和1名七八肽重复插入。对15名克雅氏病患者进行了皮肤RT-QuIC检测，结果均为阳性。

3.2.灰质丢失和区域¹⁸F-FDG摄取

使用体素阈值p<0.05，在无症状朊蛋白基因致病性突变携带者或克雅氏病患者中未检测到显著灰质丢失。与对照组相比，无症状朊蛋白基因致病性突变携带者在FDR校正后未显示显著低代谢。相比之下，克雅氏病患者表现出广泛的FDG摄取减少，涉及双侧额叶、颞叶、顶叶和枕叶，以及基底节和丘脑。

3.3.代谢网络的图论分析

3.3.1.全局网络分析

对于全局参数，无症状朊蛋白基因致病性突变携带者与对照组相比表现出显著更高的同配性。在克雅氏病患者中，与对照组相比，同配性和同步性显著更高，而聚类系数、全局效率和局部效率显著更低。

3.3.2. hub区域

在无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中识别出40个hub，在克雅氏病患者中识别出33个hub。与对照组相比，这些hub被分类为丢失、保留或重构。无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中丢失的hub包括右侧前扣带回、左侧腹侧前额叶、左侧海马旁回和左侧舌回，这与在克雅氏病患者中识别的hub一致。无症状朊蛋白基因致病性突变携带者和克雅氏病患者中重构的hub主要位于前额叶，包括右侧腹内侧前额叶皮层、右侧前额叶皮层前部和右侧眶部额中回。

3.3.3.区域节点特征

在局部水平上，分析聚焦于在无症状朊蛋白基因致病性突变携带者和克雅氏病患者中均丢失或重构的hub。在无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中，仅在左侧海马旁回观察到显著变化，与对照组相比，其度中心性和全局效率较低，但最短路径长度较高。重构的hub显示出局部信息处理效率增加的趋势，但结果无统计学显著性。在克雅氏病患者中，与对照组相比，在丢失和重构的hub均观察到较低的局部处理效率。

3.3.4.区域间连接

代谢连接性矩阵显示无症状朊蛋白基因致病性突变携带者和克雅氏病患者均出现全局网络重构。对于无症状携带者，丢失hub（尤其是左侧海马旁回）的连接相对于对照组 减少。相反，重构hub表现出显著增强的连接，包括前额叶皮层、扣带回、边缘皮层、颞叶、顶叶和枕叶区域。在克雅氏病患者中，在丢失和重构的hub均观察到广泛的连接减少。

3.3.5.子网络分析

分析聚焦于三个主要子网络：突显网络、默认模式网络和中央执行网络。对于全局属性，在无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中，突显网络表现出显著更高的同配性和更低的层级性，而默认模式网络和中央执行网络的全局参数无显著改变。代谢连接性分析显示，无症状朊蛋白基因致病性突变携带者的默认模式网络和突显网络内存在部分低连接和高连接，而中央执行网络主要表现为显著增强的连接。相比之下，克雅氏病患者在所有三个子网络中均表现出信息处理全局效率降低和广泛低连接。

4.讨论

此研究首次描述了无症状朊蛋白基因致病性突变 G114V突变携带者中代谢脑网络的拓扑重构。发现拓扑属性和代谢连接性的改变可能在症状出现前十多年就已发生，先于灰质结构和区域脑代谢的可检测变化。值得注意的是，左侧海马旁回可能参与疾病的早期阶段。在所分析的三个关键子网络中，突显网络表现出最显著的改变，而中央执行网络可能在临床前阶段起代偿作用。

此研究结果强调了无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中的网络重构，这在以前尚未得到全面研究。这些重构发生在形态或代谢改变之前，表明代谢网络改变（更符合PrPSc的传播模式）可能是研究和监测早期克雅氏病病理学的敏感且有价值的标志物。在无症状突变携带者中观察到同配性（一种全局属性）增加，这与有症状克雅氏病患者的发现一致。同配性反映相似度节点之间的度相关性，并作为网络韧性的指标。然而，过度的同配性可能减少网络捷径连接，损害通信效率和鲁棒性，从而导致性能不佳。增加的连接性和其他拓扑重构可能有助于维持正常的网络效率。随着疾病进展，克雅氏病患者表现出全局网络参数的崩溃，包括同配性、同步性、聚类系数、全局效率和局部效率，表明全局认知破坏。

图论分析揭示了丢失hub中左侧海马旁回的显著局部参数变化。在无症状携带者中，海马旁回表现出降低的中心性和全局效率以及增加的最短路径长度，与克雅氏病患者中的发现相似。海马旁回的代谢连接性降低，特别是在与前额叶区域的连接中，并且在克雅氏病患者中这种降低扩展到其他脑区，表明在克雅氏病早期该区域的信息转换效率下降。海马旁皮层与视空间记忆和情景记忆等认知过程相关，并被公认为阿尔茨海默病的早期生物标志物。在此研究中，约一半的克雅氏病患者以认知障碍起病，表明认知相关脑区在克雅氏病发病机制中的重要作用。既往研究发现，70%的家族性朊蛋白病患者在海马旁回有PrP^Sc沉积，相应地，散发性克雅氏病患者的海马旁回具有更高的PrP^Sc和淀粉样斑块负荷。这些发现与此研究相结合，表明海马旁回可能在克雅氏病的发病机制中发挥关键作用。

无症状携带者中重构的hub主要位于前额叶皮层，包括右侧腹内侧前额叶、右侧前额叶前部和右侧眶部额内侧回。这些区域对社会、认知和情感功能至关重要，如学习、记忆、基于奖励和价值的决策、情绪的产生和调节、面部情绪识别、心理理论能力以及自我相关信息处理。在无症状携带者中，重构的hub显示出全局和局部效率增加的趋势，并且与其他前额叶区域、扣带回、边缘皮层、颞叶、顶叶和枕叶的代谢连接性增强，表明前额叶区域可能在疾病早期阶段对维持认知功能起代偿作用。这也与克雅氏病神经病理学的发展模式相对应，其中初始变化发生在后部皮层，然后随着疾病进展向前部皮层扩散。在克雅氏病患者中，前额叶皮层的信息交换效率及其代谢连接性显著降低，暗示失代偿状态。

突显网络、默认模式网络和中央执行网络已被证明对高级认知功能至关重要，这三个网络的异常内在组织和互连性是许多精神和神经系统疾病的突出特征。此研究揭示了这些网络在克雅氏病患者中也发生重构，与既往研究一致，并且这些改变可以在症状前阶段出现。突显网络有助于刺激驱动的认知和情感信息处理，并在启动网络切换中起关键作用，导致中央执行网络的参与和默认模式网络的脱离。在此研究中，无症状朊蛋白基因致病性突变携带者的突显网络同配性显著增加，层级性显著降低，表明相似度的节点可能更倾向于相互连接。这种重构可能增强信息传递以维持网络效率，但也增加了不稳定性。同时，增强的内在代谢连接性进一步支持了无症状携带者中维持认知功能的代偿机制。

4.1.局限性

此研究有几个局限性。首先，由于朊蛋白基因致病性突变的罕见性，无症状突变携带者的样本量较小。然而，所有携带者均来自同一个中国家庭，最大程度地减少了家系间变异。其次，无症状携带者比健康对照年轻，这可能影响了结果。为解决此问题，在所有分析中将年龄和性别作为协变量纳入。第三，此研究仅聚焦于朊蛋白基因致病性突变 G114V突变携带者，与其他朊蛋白基因致病性突变相关的代谢网络改变需要进一步研究。最后，这是一项横断面研究；未来的纵向研究需要追踪无症状携带者代谢网络变化的进展。

5.结论

此研究提供了对无症状朊蛋白基因致病性突变携带者中脑拓扑和代谢连接性改变的新见解，这些改变发生在灰质或区域代谢的可检测变化之前。这些发现表明代谢拓扑重构可能作为研究早期克雅氏病病理学的敏感影像生物标志物。