研究背景
阿尔茨海默病（AD）是一个连续谱系，其临床前期特征是包括淀粉样β（Aβ）和tau蛋白沉积在内的病理变化，这些变化在症状出现前数十年就开始了。随后是解剖和生理变化（即脑萎缩和低代谢），最终导致明显的认知障碍，标志着疾病的临床发作。脑低代谢通常通过¹⁸F-氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（FDG-PET）来测量，是轻度认知障碍（MCI）和痴呆中的一个公认的标志物，反映了与神经退行性变相关的能量需求减少。然而，AD早期阶段的脑代谢变化尚未得到充分表征。最近几项FDG-PET研究表明，在无症状或早期症状阶段可能存在葡萄糖高代谢，提示AD临床谱系中可能存在双相代谢模式。例如，在淀粉样蛋白水平异常的认知正常个体和具有AD遗传风险的个体中报告了较高的FDG-PET代谢。在两项针对MCI患者或认知正常参与者的研究中，发现较高的FDG摄取与淀粉样蛋白阴性个体中较高的tau-PET负担相关。
然而，大多数先前报告是在横断面设置中进行的，限制了对认知障碍谱系中高/低代谢的时间轨迹的理解。FDG-PET中涉及的电离辐射可能是认知正常参与者纵向研究稀缺的原因。此外，由于缺乏血液采样来测量血浆放射性标记葡萄糖浓度，大多数研究无法对葡萄糖代谢进行绝对量化，这引入了与信号（如非特异性结合或异常）相关的潜在测量偏差。磁共振成像（MRI）技术的最新进展允许在没有辐射或对比剂的情况下对脑氧代谢进行定量成像。在很大程度上，脑氧化代谢是大脑能量产生的主要形式，即氧气和葡萄糖消耗的比例约为6:1，因此氧代谢预计与FDG-PET测量的糖酵解密切相关。在本研究中，我们使用一种PET验证的MRI技术来表征AD临床谱系中脑氧代谢率（CMRO₂）的纵向变化。我们首先比较了认知正常和MCI/痴呆组之间的CMRO₂水平。然后，我们分别在认知正常和受损参与者中检查了CMRO₂的纵向轨迹。为进一步了解AD最早阶段的脑代谢变化，我们还评估了脑脊液（CSF）和血浆生物标志物测量的AD病理水平高低的参与者之间纵向CMRO₂轨迹的差异。
研究方法
参与者和共识诊断
本研究利用了正在进行的纵向"认知正常个体认知衰退生物标志物"（BIOCARD）研究的数据，旨在了解AD的早期阶段。BIOCARD研究最初由美国国立卫生研究院（NIH）于1995年至2005年进行，在2005年至2009年暂停后，由约翰斯·霍普金斯大学（JHU）重新建立。根据设计，约75%的参与者有一级亲属有阿尔茨海默型痴呆病史。自研究开始以来，共识诊断、认知评估和血液血浆测量每年完成一次。脑脊液（CSF）和3T MRI扫描自2015年起在JHU大约每两年收集一次。本分析中的CMRO₂数据是从2015年到2025年收集的。由于目前尚无足够样本量的纵向脑脊液数据，本研究仅使用在初始3T MRI CMRO₂评估同一访问时获得的生物液体数据。
年度共识诊断由BIOCARD临床团队工作人员实施。诊断标准遵循国家老龄化研究所和阿尔茨海默病协会工作组关于MCI和AD痴呆诊断的建议。每个参与者的诊断基于对(1)纵向认知测试分数与已发表规范的比较；(2)与参与者医疗、神经和精神状况相关的临床数据；以及(3)在临床痴呆评定（CDR）访谈中参与者和信息提供者报告的认知变化的审查。有四种可能的诊断：(1)认知正常，(2)受损但非MCI，(3)MCI，和(4)痴呆。如果CDR访谈和认知测试分数之间存在相互矛盾的信息，参与者会获得受损但非MCI的诊断。这些参与者被纳入认知正常组，与先前报告一致。诊断（和确定可能的病因）是在不知道生物标志物测量结果的情况下做出的。
本研究进行了横断面和纵向分析。横断面队列包括至少有一次CMRO₂评估的参与者（N=191）。如果参与者有多次CMRO₂扫描，其第一次时间点用于横断面分析。包括至少有一次后续CMRO₂测量的参与者的子集用于纵向分析（N=157）。纵向队列中的参与者被分为三个诊断组：(1)正常：在初始CMRO₂评估时认知正常并在随访期间保持正常的参与者；(2)进展：在初始CMRO₂评估时认知正常但进展为MCI或痴呆的参与者。对于这些参与者，仅使用最后一次认知正常和之后的时间点进行纵向分析，以便转换时间不会成为混杂因素；(3)受损：在初始CMRO₂评估时被诊断为MCI或痴呆的参与者。由于第2组和第3组的样本量相对较小，我们在下面描述的纵向分析中将它们合并，承认这一进展/受损组中存在异质性。
MRI图像获取和处理
所有MRI扫描均在3T MRI系统（Philips Healthcare，Best，荷兰）上收集。CMRO₂使用以下公式从动静脉氧含量差异估计：
CMRO₂ = CBF × (Yₐ - Yᵥ) × Cₐ
其中CBF指全脑血流量；Yₐ和Yᵥ分别是动脉和静脉血中的氧合；Cₐ表示血液携带O₂的能力。Yₐ接近1，据报道受年龄影响极小，因此在本研究中假设为98%。Cₐ从血细胞比容水平推导。由于据报道女性的血细胞比容低于男性，并且在老年人中随年龄下降，因此假设50岁时女性为8.15 μmol O₂/mL血液，男性为8.56 μmol O₂/mL血液，并根据先前文献，女性每年调整下降0.014 μmol O₂/mL，男性每年调整下降0.034 μmol O₂/mL。
全局CBF通过相位对比（PC）MRI测量（图1A，B）。PC MRI扫描的参数如下：单切片采集与C2/3脊柱相交的颈内动脉和椎动脉；重复时间（TR）/回波时间（TE）= 19 ms/9 ms；视野（FOV）= 200 × 200 × 5 mm³；体素大小= 0.5 × 0.5 × 5 mm³；翻转角= 15°；最大速度编码= 40 cm/s；每条动脉的扫描持续时间= 15秒。总CBF通过汇总四条主要供血动脉（包括左右颈内动脉和左右椎动脉）的通量来量化。通过将总CBF归一化为从磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）图像获得的脑体积来获得单位脑体积的CBF，其参数如下：TR/TE = 6.8 ms/3.1 ms；翻转角= 8°；FOV = 240 × 256 × 204 mm³；体素大小= 1 × 1 × 1.2 mm³；扫描持续时间= 5分59秒。从MPRAGE图像量化的脑体积由自动处理工具MRICloud（JHU，巴尔的摩，MD）进行。
全局静脉血氧饱和度Yᵥ通过T₂-自旋标记下弛豫（TRUST）MRI估计（图1C，D）。TRUST成像的参数如下：TR/TE = 3000 ms/3.6 ms；翻转角= 90°；FOV = 220 × 220 × 5 mm³；体素大小= 3.44 × 3.44 × 5 mm³；四个有效TE（1，40，80和160 ms），CPMG的重聚脉冲间隔（τCPMG）为10 ms；标记厚度= 100 mm；扫描持续时间= 1分12秒。四个TE处的TRUST MRI信号用于拟合静脉血T₂，然后使用校准图将其转换为Yᵥ。估计的1/T₂（delta R₂）的95%置信区间，表示Yᵥ测量的不确定性，被计算。Yᵥ数据中delta R₂大于5 Hz的数据被排除在进一步分析之外。
脑脊液评估
脑脊液样本通过腰椎穿刺从参与者收集，收集后分装到低结合聚丙烯冷冻管中，保持在干冰上，并转移到-80°C冰箱进行长期储存。对于当前分析，样本自收集以来首次解冻，以运行全自动化学发光酶免疫测定（Lumipulse G1200平台；Fujirebio Diagnostics）。总tau（t-tau）、磷酸化tau 181（p-tau181）、淀粉样β 42（Aβ42）和Aβ40用于索引AD病理。
血浆评估
使用NeuroToolKit（cobas Elecsys测定，Roche Diagnostics）测定血浆样本。在初始3T MRI CMRO₂评估的同一访问中收集的血样获得血浆Aβ42/Aβ40比率。高于或低于转换样本均值3个标准差（SD）的值被定义为异常值并从分析中排除（每个生物标志物占0.6%至5.5%）。
统计分析
所有统计分析均使用自制MATLAB（2018b版，MathWorks，Natick，MA，USA）脚本和R（4.3.2版）进行。
为了比较横断面队列和纵向队列中诊断组之间的基线变量，分别对正态分布和非正态分布变量使用t检验和Wilcoxon秩和检验。
使用线性回归分析研究诊断状态与CMRO₂之间的横断面关联，其中CMRO₂是因变量，诊断状态（编码为0表示认知正常，1表示MCI/痴呆）、性别和年龄是自变量。
为了研究认知正常组和进展/受损组中CMRO₂的纵向变化，首先分别对每组应用线性混合效应（LME）模型，纵向CMRO₂作为因变量，随访时间（以年为单位）、初始年龄、性别、初始年龄×时间和性别×时间交互作为自变量。此外，应用了LME模型，其中包含认知正常和进展/受损组的CMRO₂数据，并检查了诊断×时间交互效应。
接下来，我们评估了初始脑脊液AD生物标志物水平（即初始CMRO₂评估时的生物标志物水平）与认知正常参与者子集中CMRO₂纵向变化的关联。在每个诊断组的单独LME中，纵向CMRO₂是因变量，模型包括以下自变量：初始年龄、性别、随访时间、初始AD生物标志物水平（t-tau、p-tau181、Aβ42/Aβ40、t-tau/Aβ42和p-tau181/Aβ42分别在单独模型中）、初始年龄×时间、性别×时间和AD生物标志物×时间项。上述模型还使用脑脊液AD生物标志物的临床衍生截断阈值而不是连续值进行了额外执行。在这些模型中，初始AD生物标志物水平根据Dakterzada等人建立的阈值进行二分，该研究使用了与本研究相同的测定方法。具体而言，较高的t-tau水平（t-tau ≥ 399 pg/mL）、较高的p-tau181水平（p-tau181 ≥ 51 pg/mL）和较低的Aβ42/Aβ40水平（Aβ42/Aβ40 ≤ 0.070）编码为1，所有其他编码为0。
为进一步将分析集中在临床前AD参与者上，我们还评估了初始脑脊液AD生物标志物水平与认知正常和淀粉样蛋白阴性组中CMRO₂纵向变化的关联。参与者根据脑脊液和血浆Aβ42/Aβ40水平进行分层。使用文献中描述的临床截断阈值定义高和低CSF Aβ42/Aβ40组。由于没有为血浆Aβ42/Aβ40水平建立截断阈值，因此使用中位数分割将参与者分为高和低血浆Aβ42/Aβ40组。为高和低Aβ42/Aβ40组分别使用单独的LME模型，其中纵向CMRO₂是因变量，初始年龄、性别、随访时间、初始AD生物标志物水平、初始年龄×时间、性别×时间和AD生物标志物×时间是自变量。
在模型拟合之前，除随访时间外的所有连续自变量均进行均值中心化，性别编码为女性-0.5，男性0.5。所有LME模型均使用随机截距运行。在所有分析中，双尾p值<0.05被认为具有统计学意义。
研究结果
认知正常与受损参与者之间CMRO₂的横断面差异
191名完成至少一次CMRO₂扫描的参与者被纳入横断面分析（平均年龄71.0±7.6岁；120名女性和71名男性；28名MCI/痴呆和163名认知正常）。人口统计信息总结在表1中。认知受损参与者的年龄（p<0.001）大于认知正常参与者。两组诊断组之间的教育年限无显著差异（p=0.69）。
在回归分析中，MCI/痴呆参与者的CMRO₂值低于认知正常的参与者（β=-8.81±3.77，p=0.02）。图2显示了调整性别和年龄后认知正常和MCI/痴呆组的CMRO₂值。此外，女性参与者的CMRO₂高于男性（β=-11.52±2.72，p<0.001），且年龄较大的参与者CMRO₂低于较年轻的参与者（β=-0.42±0.18，p=0.02）。
认知正常和进展/受损老年人中CMRO₂的纵向变化
表2展示了纳入纵向分析的157名参与者的详细人口统计信息（首次评估时平均年龄70.2±7.0岁；99名女性和58名男性；121名正常和36名进展/受损）。纵向队列的平均随访期为5.3±2.2年。平均MRI访问次数为3.1±1.0次。
在LME模型中（表3），进展/受损组的CMRO₂随时间下降（p=0.02），而在认知正常参与者中保持不变（p=0.95）。在认知正常参与者中，女性的CMRO₂水平高于男性（p<0.001），且CMRO₂水平随时间的变化因性别而异（p=0.04），男性随时间CMRO₂的增加比女性更明显。当在模型中同时包含两个诊断组时，观察到显著的诊断×时间交互作用（β=-1.48±0.76，p=0.05），表明两组之间CMRO₂的纵向变化不同。
考虑脑脊液t-tau、p-tau181和淀粉样蛋白的CMRO₂纵向变化
在纳入纵向分析的157名参与者中，127名（95名认知正常和32名进展/受损）在初始CMRO₂扫描的同一访问中收集了脑脊液数据。进展/受损组的脑脊液t-tau和p-tau181略高，Aβ42/Aβ40略低，但差异未达到统计学显著性。图S1显示了两个诊断组中脑脊液t-tau、p-tau181和Aβ42/Aβ40的分布。
在认知正常参与者中（N=95），观察到CMRO₂随时间变化与初始t-tau（p=0.002）或p-tau181（p=0.003）水平之间存在显著关联，但与初始Aβ42/Aβ40水平无关（p=0.21）（表4）。具体而言，t-tau或p-tau181水平较高的参与者比水平较低的参与者CMRO₂增加更多。当使用t-tau/Aβ42（p=0.03）或p-tau181/Aβ42（p=0.06）作为脑脊液生物标志物时，观察到类似但较不明显的关联。在使用Dakterzada等人建立的临床截断阈值对t-tau、p-tau181和Aβ42/Aβ40水平进行二分后，CMRO₂变化与t-tau（β=1.92±0.80，p=0.02）和p-tau181（β=2.49±0.71，p<0.001）的关联仍然显著。CMRO₂变化与二分Aβ42/Aβ40水平之间未观察到关联（p=0.57）。图3显示了根据二分t-tau、p-tau181和Aβ42/Aβ40水平定义的高和低CSF AD生物标志物水平参与者的估计CMRO₂纵向变化，这些变化在调整性别、初始年龄及其与时间的交互作用后得到。
当认知正常参与者根据脑脊液淀粉样蛋白阳性进一步分层时（表S3），在低CSF Aβ42/Aβ40组中观察到CMRO₂纵向变化与基线t-tau（p=0.02）和p-tau181（p=0.02）水平之间的显著关联，而在高CSF Aβ42/Aβ40组中未发现此类关联。同样，当根据血浆Aβ42/Aβ40水平对参与者进行分层时（表S4），在低血浆Aβ42/Aβ40组中观察到CMRO₂纵向变化与基线t-tau（p<0.001）和p-tau181（p=0.003）水平之间的显著关联。在高血浆Aβ42/Aβ40组中未观察到关联。
对于进展/受损组（N=32），CMRO₂变化与初始t-tau（p=0.13）、p-tau181（p=0.10）或Aβ42/Aβ40（p=0.98）水平之间没有显著关联，尽管应注意的是，系数与认知正常组的符号相反。该分析中时间的主要效应仍然存在。
讨论
在本研究中，我们调查了AD临床谱系中前瞻性队列中脑氧代谢的时间依赖性变化，据我们所知，这代表了迄今为止第一个纵向CMRO₂报告。与之前使用无辐射MRI技术的研究结果一致，横断面上MCI/痴呆参与者的脑代谢低于认知正常参与者。在纵向分析中，进展/受损组的脑代谢随时间下降。另一方面，在保持认知正常的认知正常参与者中，脑代谢轨迹因初始脑脊液t-tau和p-tau181水平而异，特别是在淀粉样蛋白阳性个体中。t-tau和p-tau181水平低的参与者表现出相对稳定的代谢率，而t-tau和p-tau181水平高的参与者随时间表现出脑代谢增加。
本研究的一个主要发现是AD临床前期tau依赖性脑代谢增加。具体而言，在保持认知正常的认知正常参与者中，较高的初始脑脊液t-tau和p-tau181水平与随后5年CMRO₂增加相关。这种效应在CSF/血浆Aβ42低的认知正常个体中似乎更为明显，这可能代表临床前AD个体。这一发现增加了越来越多的证据，表明高代谢先于AD的临床发作。先前的研究报告了无症状阶段AD相关病理条件下类似的高代谢模式。例如，先前的PET研究报告了认知正常成人中tau和淀粉样蛋白沉积水平与脑葡萄糖代谢之间的正相关。先前在常染色体显性阿尔茨海默病患者中的报告表明，症状预计发病年龄前约25年的突变携带者比非携带者具有更高的葡萄糖摄取，揭示了由AD相关遗传因素引起的AD最早阶段中存在脑高代谢。此外，鉴于代谢和神经活动相关，有报告显示通过功能MRI（fMRI）检测到与tau相关的脑高激活，其中较高的海马活动与认知正常老年人中较高的tau-PET和CSF tau水平相关。然而，大多数先前的研究是在横断面设置中进行的。因此，尚不清楚那些具有高水平病理的个体是否一直具有高代谢，例如由于遗传变异和体温，或者在晚年是否出现代谢增加。本研究的观察表明，高tau和低tau组在初始评估时CMRO₂水平没有差异，但随着时间的推移表现出不同的轨迹。虽然CMRO₂和CMRglu测量基于不同的底物，但两者似乎都显示了AD早期阶段水平升高的证据。我们研究的一个注意事项是我们没有观察到CMRO₂变化的淀粉样蛋白依赖性差异。根据ATN时间轨迹，神经退行性变/脑代谢更紧密地跟随tau病变而不是淀粉样病变。此外，仍需研究具有高tau、CMRO₂增加的参与者是否更容易发生未来的认知下降。
哪些病理因素导致高代谢仍然是一个开放性问题，因为先前的研究涉及多种机制，包括遗传风险、tau聚集、淀粉样斑块以及tau和淀粉样蛋白的可溶形式。本研究表明CSF tau可能是AD早期高代谢的主要贡献者之一。Tau是一种微管相关蛋白，与神经元微管结合并使其稳定。在疾病的早期阶段，tau主要以低分子量可溶形式存在，可以通过CSF测量，正如本研究所做的那样。随着AD的进展，可溶性tau形成寡聚体并最终聚集成不溶性神经原纤维缠结，通过PET成像测量，如大多数先前研究中那样。虽然不溶性tau聚集物在神经退行性疾病的晚期占主导地位，但可溶性tau被认为是早期疾病阶段改变神经元功能的最有毒物种。因此，通过CSF评估的可溶性tau可能代表检查AD病理对早期代谢变化影响的特别相关目标。tau病变与神经活动升高之间的关系也在几项动物研究中得到建议。
本研究还使我们能够表征MCI和痴呆参与者的CMRO₂变化。与认知正常组的发现相反，我们观察到认知受损参与者的CMRO₂随时间下降。这一观察结果与先前的FDG-PET报告一致，表明低代谢是疾病过程后期的事件。在考虑CSF t-tau和p-tau181水平时，进展/受损组中的高tau个体没有表现出代谢升高。事实上，与低tau参与者相比，高t-tau和p-tau181水平的受损参与者CMRO₂下降略快，尽管不显著。还应注意的是，在考虑t-tau或p-tau181后，随访时间对CMRO₂的主要效应仍然存在。这可能意味着，在疾病晚期，突触功能受损，因此脑代谢独立于CSF AD生物标志物下降，代表疾病过程中的明显神经退行性变。作为未来工作的一部分，研究CMRO₂变化是否与tau-PET测量的tau聚集相关将很有趣，tau-PET代表晚期疾病中tau负担的主要形式。
虽然本研究主要关注纵向CMRO₂发现，但也进行了横断面比较。我们观察到受损参与者的CMRO₂较低，这与先前研究一致。然而，应注意的是，正常和MCI/痴呆组之间的CMRO₂水平有相当大的重叠。通过将正常组细分为"认知正常"和"受损但非MCI"参与者进行的进一步调查显示，重叠主要是由于"受损但非MCI"子组造成的，因为他们的CMRO₂低于"认知正常"参与者。因此，单次时间点的CMRO₂不足以成为MCI的临床诊断生物标志物。
本研究还观察到男性和女性参与者之间CMRO₂的差异。与男性相比，女性的CMRO₂较高。CMRO₂的性别差异与先前显示女性比男性具有更高的脑氧/葡萄糖代谢的横断面研究一致。女性和男性也表现出CMRO₂变化的不同速率，与病理因素无关。一个可能的混杂因素是血细胞比容。由于本研究中血细胞比容值基于假设，并且血细胞比容对CMRO₂估计有影响，我们对男性与女性差异的观察可能部分依赖于这些假设。然而，根据我们的模拟，血细胞比容假设不能完全解释观察到的CMRO₂性别差异。我们实验室正在进行的工作集中在使用MRI同时估计CMRO₂和血细胞比容，从而避免假设和相关混杂因素。
有几个技术要点值得注意。本研究使用一种非侵入性MRI技术测量脑代谢。与FDG-PET相比，这代表了一个主要的技术优势，因为MRI技术不涉及电离辐射，可以频繁重复而无需安全顾虑。这种MRI序列可以在不到5分钟内完成，因此代表了一种评估脑代谢的经济有效方法。这些特点使脑代谢变化的纵向评估能够在延长的随访期内进行，特别是在疾病的临床前阶段。MRI技术也更具定量性，因为它能够以微摩尔氧/100克组织/分钟为单位提供生理值。FDG-PET中的此类量化需要继续采血以提供动脉输入函数。据我们所知，很少有FDG-PET研究进行了血样采集，并且在这些研究中，样本量往往很小。
本研究有几个局限性。首先，我们队列中75%的参与者有痴呆家族史，因此我们的结果或效应大小可能无法推广到社区人群。第二，我们没有检查脑代谢变化与认知表现之间的关联。由于本研究中大多数参与者认知正常，他们的认知功能变化缓慢，我们尚未有足够的参与者进展到MCI。第三，我们约5年的随访时间尚未使我们能够在个体层面上观察疾病整个过程中代谢变化。进行一项随访时间更长的研究以观察高tau参与者的CMRO₂增加轨迹是否最终会随着疾病进展而下降将很重要。第四，本研究使用了CSF p-tau181和t-tau；然而，较新的测量方法，如p-tau217，可能代表tau病变的更准确测量。我们的团队正在开展这些测定，并将在未来的报告中报告相关发现。
本研究的一个技术限制是我们只进行了全局（主要是皮质组织）的CMRO₂测量。已经提出了几种新兴的MRI技术来评估区域性CMRO₂，这些技术可能促进对AD病理与脑生理变化之间关联的区域特异性调查。随着这些新技术得到充分验证，它们应用于研究区域性脑氧代谢的纵向变化将很有价值。鉴于AD病理以区域特异性方式进展，调查区域性代谢变化是否遵循tau或淀粉样蛋白扩散的轨迹或表现出自己的空间模式将很有意义。
总之，本研究描述了AD广泛临床谱系中脑代谢的纵向变化。我们的发现表明，脑代谢在疾病过程中遵循双相变化。除了AD晚期众所周知的代谢减慢（即低代谢）外，脑在临床前期表现出与CSF t-tau和p-tau181水平相关的高代谢。这些结果为tau对AD无症状阶段脑功能的影响提供了新的见解。这项工作的发现可能为AD提供早期治疗策略，并强调对代谢变化的解释必须考虑疾病阶段和相关病理生物标志物。
致谢
本工作得到了美国国立卫生研究院（资助编号：U19 AG033655，R21 AG055153，R01 AG091312，R01 AG085299，R01 AG064792，R01 AG071515，R01 NS106711，R01 NS106702，P41 EB031771和S10 OD021648）的支持。
利益冲突声明
Kenichi Oishi是AnatomyWorks和Corporate-M的顾问。这一安排正由约翰斯·霍普金斯大学根据其利益冲突政策进行管理。其他作者声明无利益冲突，包括相关财务利益、活动、关系和从属关系。作者披露可在支持信息中获得。
同意声明
研究方案获得了约翰斯·霍普金斯大学机构审查委员会的批准。所有参与者均获得书面知情同意。
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