目的：氘代谢成像（Deuterium Metabolic Imaging, DMI）提供了一种基于磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）的无创体内代谢评估手段，可作为相关神经系统代谢疾病的研究工具。本研究旨在建立一个考虑了年龄和性别因素的脑葡萄糖代谢规范参考图谱。
方法：研究人员对30名健康成人（年龄51-84岁，15名女性）在口服氘代葡萄糖（[6,6´-²H₂]glucose）后，使用3T MRI扫描仪获取了DMI数据。通过对图像进行分割分析，确定了氘化水、葡萄糖、乳酸以及谷氨酸和谷氨酰胺（Glutamate plus Glutamine, Glx）的区域分布。采用线性模型研究了年龄、性别及其他探索性调整因素的影响。作为图谱应用的概念验证，研究人员将该规范图谱与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）患者及先前研究中的健康受试者数据进行了比较。
结果：所有代谢物的区域差异均显著（p < 10⁻¹⁵），枕叶区域的代谢水平最高，但乳酸的区域分布模式一致性较低。乳酸产生未表现出整体年龄依赖性，而全局Glx产生量每十年下降13% ± 4%。男性的乳酸产生量高于女性（p = 0.042），但经区域调整后差异不显著（p = 0.084）。要区分健康与AD状态，需要额外对体重、血糖水平和时间因素进行调整。
结论：尽管区域和年龄效应解释了Glx变异性的大部分，但可靠的受试者间比较仍需额外调整。本研究提出的规范图谱为未来的脑代谢DMI研究提供了参考。
葡萄糖是人类大脑的主要能量来源，其代谢障碍在多种疾病中扮演重要角色，包括2型糖尿病、癌症以及帕金森病和阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）等神经退行性疾病。这些疾病多发于晚年，随着人口老龄化，其发病率不断上升，对研究、诊断和监测这些疾病的辅助临床工具的需求日益增长。目前，¹⁸F-氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（¹⁸F-fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography, FDG PET）是研究人脑葡萄糖代谢最广泛的方法。然而，氘代谢成像（Deuterium Metabolic Imaging, DMI）作为一种新型的无创MRI技术，其测量不限于葡萄糖摄取，还包括下游代谢产物，可能提供超越FDG PET的信息。DMI通过使用氘代葡萄糖类似物[6,6´-²H₂]glucose，能够在细胞内代谢，并通过光谱解析区分出氘化水（HDO）、葡萄糖、乳酸以及谷氨酸和谷氨酰胺（Glutamate plus Glutamine, Glx）的信号。这种区分细胞质中糖酵解（乳酸）和线粒体中氧化磷酸化（Glx）的能力，有望提高诊断和预后的特异性。DMI可在现有的3T临床扫描系统上实现，使得在一次扫描中同时获取代谢图像和常规结构图像成为可能。此外，氘代葡萄糖作为稳定同位素产品，易于运输、长期储存和口服，简化了临床操作流程。因此，DMI有望成为一种安全、简便、易于获取且经济的辅助工具。像其他MRI和代谢成像方法一样，要充分发挥DMI的潜力，研究人员和临床医生在评估患者扫描结果时需要参考一个规范化的图谱。此前在临床相关场强下进行的任何DMI脑葡萄糖代谢研究中，从未建立过这样的图谱；先前研究中纳入的最多健康人数仅为九人。鉴于FDG PET研究表明脑葡萄糖摄取和代谢随年龄增长而下降，且依赖于性别和脑区，研究人员假设用DMI评估的脑葡萄糖代谢也表现出类似的年龄、性别和区域差异，这些在构建参考图谱时应予以考虑。因此，本研究的目标是在一个老年人群中，基于DMI建立人类脑葡萄糖代谢的规范参考图谱，同时考虑年龄、性别和区域的影响，并探索次要参数以提升图谱性能。
本前瞻性临床研究获得了丹麦中部伦理委员会的批准。通过公开招募，共招募了30名健康志愿者（HC），男女各15名。纳入标准为年龄50-85岁并能提供书面知情同意。排除标准包括MRI禁忌症（如起搏器、神经刺激器或人工耳蜗植入物；金属异物；不安全的医疗植入物；幽闭恐惧症；包括手臂在内的最大身体围度> 160 cm）、代谢性疾病（如糖尿病或甲状腺功能减退）以及神经系统疾病（如肿瘤、癫痫、卒中史、慢性小血管病或神经退行性/神经炎症性疾病）。作为图谱应用的概念验证，研究人员回顾性分析了先前发表论文中的10名AD患者和5名HC的数据。
所有参与者在检查前至少禁食4小时。在使用即时检测设备测量基线血糖后，参与者口服75克溶于200毫升自来水中的[6,6′-²H₂]glucose。随后要求其保持最小活动量，避免交谈和阅读约50分钟，然后再次测量血糖并进入MRI扫描仪。研究使用配备双调谐质子-氘鸟笼头线圈的3T临床MRI扫描仪（GE HealthCare），目标是在摄入葡萄糖后90-105分钟开始DMI扫描。在DMI之前，使用BRAVO序列进行解剖学质子成像，这是一个T1加权3D反转恢复快速破坏梯度回波序列。DMI数据使用3D磁共振波谱成像（Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging, MRSI）采集，采用硬脉冲和密度加权相位编码。DMI光谱图像在MATLAB中使用MNS Research Pack进行重建。使用基于张量的Marchenko-Pastur主成分分析（tensor-based Marchenko-Pastur principal component analysis, tMPPCA）进行去噪，然后对四个信号采集进行平均。应用部分容积校正（Richardson-Lucy迭代反卷积）和乘法内在分量优化（multiplicative intrinsic component optimization, MICO）进行偏差场校正。随后，DMI MRSI使用SPM12与T1加权图像进行配准，并归一化到MNI152标准空间，然后使用自动标注图谱进行分割。该标注图谱包含170个脑区，被汇总成更大的区域（大脑叶）用于分析。DMI区域光谱使用MATLAB改编的AMARES算法进行时间域拟合，以确定各种代谢物（HDO、葡萄糖、Glx、乳酸和脂质）的信号分量。为研究葡萄糖向氧化磷酸化产物（Glx）和有氧糖酵解产物（乳酸）的转化，这些代谢产物的信号被归一化到葡萄糖和HDO的合并峰值。统计分析在R中进行。使用线性回归研究年龄和性别对归一化后的Glx和乳酸的影响。为评估区域差异，将每个脑区的平均代谢值转换为Z分数。应用线性混合效应回归模型结合区域、年龄和性别因素。通过参数自举法评估模型性能。使用来自先前研究的AD和HC数据进行外部验证。3D大脑图谱渲染使用Python中的Pyvista完成。
研究共纳入30名健康成人，平均年龄64.3 ± 11岁（范围51-84岁），男性和女性在年龄、BMI、基线血糖和等待时间上匹配良好。男性显著高于女性，体重更重，摄入葡萄糖后血糖升高更显著。在简单线性模型中，年龄与Glx产生量显著相关，全局Glx产生量相对于均值每十年下降13% ± 4%（p = 0.005）。除了在枕叶观察到显著增加外，乳酸产生量与年龄无整体关联。Glx产生量在性别间无差异，但男性全局乳酸产生量显著高于女性（p = 0.042）。在年龄分析中对性别进行调整，或在性别分析中对年龄进行调整，不会改变所述测量的显著性或大小。然而，额外对脑区进行调整消除了乳酸性别项的显著性（p = 0.084）。所有四种代谢物（HDO、葡萄糖、Glx、乳酸）的区域Z分数差异均显著（p < 10⁻¹⁵）。HDO、葡萄糖和Glx的Z分数在受试者间相对一致，均表现为额叶低值和枕叶高值，而乳酸的一致性较低。通过将规范图谱（30名HC的平均Z分数）与回顾性AD数据（10名AD患者）进行比较，发现AD组的Glx分布更为均匀，在额叶相对更多，而在枕叶和丘脑相对更少。
通过构建包含脑区、年龄和性别的线性混合效应模型，最终为Glx产生量选择了包含区域和年龄的简约模型，为乳酸产生量选择了包含区域和性别的简约模型。这两个模型的性能有限。在内部验证中，预测值与观测值之间的相关性较弱。在外部验证中，这两个模型无法区分测试数据中的HC和AD。在探索性分析中，将体重、血糖升高值和从摄入葡萄糖到DMI扫描的时间纳入综合模型。综合模型在Glx预测方面显示出显著的性能提升，在乳酸方面也有小幅改进。此外，综合Glx模型能够区分测试数据中的HC和AD（p < 10⁻⁷），因为几乎所有HC的观测均值都在模型的95%预测区间内，而AD的观测均值在所有脑区（小脑除外）均低于预测区间。
本研究的主要成果是利用DMI建立了脑葡萄糖代谢的规范参考图谱。研究发现代谢高度依赖于脑区和年龄，而性别效应的证据较弱。一项探索性分析表明，额外对体重、血糖升高值和从摄入葡萄糖到DMI扫描的时间进行调整可以提升规范图谱的性能，使其能够在回顾性数据集中区分健康受试者和AD患者。本研究在DMI中发现的代谢物区域分布与先前的FDG PET和碳-13（¹³C）MRI研究具有可比性。例如，FDG PET研究显示枕叶的葡萄糖摄取和代谢水平高，本研究同样将枕叶识别为Glx和葡萄糖水平最高的脑区。而在额叶，本研究测得的Glx和葡萄糖值较低，这与报告额叶高水平的FDG PET研究形成对比。这种差异可能部分归因于研究队列的年龄差异，因为额叶对与年龄相关的葡萄糖代谢变化特别敏感。年龄分析显示额叶的Glx产生量随年龄下降最陡峭，这与上述观点一致。其他解释可能与实验设置的差异有关，例如参与者在扫描前进行的认知任务可能影响结果。
使用比值（如Glx/(Glucose+HDO)）可减少硬件相关误差，但也增加了变量解释的复杂性。男性乳酸产生量高于女性的表观结果，可能源于葡萄糖而非乳酸较低，这或许与男女对葡萄糖摄入的生理反应差异有关。在年龄分析中，观察到的全局Glx产生量每十年下降13% ± 4%，与Uthayakumar等人报道的碳酸氢盐（氧化磷酸化标志物）产生量下降幅度（每十年9% ± 4%）接近。这些发现支持了随年龄增长，氧-葡萄糖指数增加不仅是因为有氧糖酵解减少，也因为替代能量底物（如酮体）氧化代谢增加的理论。关于乳酸，研究结果与Uthayakumar等人的研究不同，未发现一致的分布模式或与年龄相关的整体变化，仅在枕叶观察到孤立性增加。对DMI中乳酸测量的解释应持谨慎态度，因为存在量化不确定性。
作为规范参考图谱应用的示例，与规范图谱相比，AD患者的Glx相对分布（Z分数）变异更小。Glx产生量模型则揭示了AD大脑全局性的Glx产生量降低，小脑除外，这与小脑在AD中通常被保留的已知事实相符。然而，观察到的组间差异在个体水平上不够显著，这表明DMI不应被视为独立的诊断工具，而应作为综合临床和辅助临床框架的一部分。只有在额外对体重、血糖升高值和从摄入葡萄糖到DMI扫描的时间进行调整后，才能实现对健康组和疾病组的适当区分，这表明除了脑区、年龄和性别外，其他变量可能是更强的预测因子。尽管本研究样本量足以检测到年龄相关的Glx产生量下降（统计功效86%），但有限的样本量限制了可纳入模型的变量数量，以避免过度拟合。未来使用DMI的研究建议尽可能标准化协议设置中的变量（如至少4小时禁食、固定75克葡萄糖剂量、等待期间最小活动），而对于不可改变或难以精确控制的变量（如参与者体重、血糖升高值、等待时间）则应作为协议设置的一部分进行测量，并系统性地纳入规范模型。
本研究的其他主要局限包括DMI固有的低信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）带来的技术挑战，这限制了空间分辨率。在临床常规使用的3T或以下场强的扫描仪中，保持临床相关性，未采用更高场强。与超高场强DMI研究相比，关于氘化水的结果存在一些矛盾，但关于Glx的结果更为一致（均显示枕叶高于额叶）。对于乳酸，其信号最低且与脂质信号重叠，可能导致测量不确定性。
综上所述，本研究为DMI的临床转化迈出了关键一步。建立的规范参考图谱发现脑葡萄糖代谢受年龄和脑区影响很大，但受性别影响较小。随着年龄增长，观察到谷氨酸和谷氨酰胺产生量下降，提示氧化磷酸化逐渐减少。乳酸产生量测量提示男性有氧糖酵解率高于女性，但经区域调整后差异不显著。研究发现，可靠的受试者间比较需要对体重、血糖升高值和从摄入葡萄糖到DMI扫描的时间进行额外调整。这些额外调整的效果尚需在更大研究中确认，但它们使得区分健康受试者和表现出氧化磷酸化受损的AD患者成为可能。这些发现共同表明，基于DMI的规范图谱能够支持具有生理信息的受试者间比较，前提是考虑了关键的生物学和采集相关协变量。
