肌萎缩侧索硬化下运动神经元损伤临床评估方法进展

  肌萎缩侧索硬化(amytrophic lateral sclerosis,ALS)是一种累及上运动神经元(upper motorneuron,UMN;大脑皮质运动区锥体细胞)和下运动神经元(lower motor neuron,LMN;脑神经核、脊髓前角细胞)的神经系统变性疾病,主要病理改变是运动神经元的减少和残存神经元的变性,临床主要表现为球部(延髓)支配的肌肉和四肢、躯干肌肉无力和萎缩,最终进展至呼吸肌无力而死亡。ALS的UMN和LMN 之间存在复杂的相互作用,LMN损害是ALS的重要的病理生理过程。LMN损害与ALS病情严重程度和病程进展密切相关,评估LMN损害可以帮助诊断、临床分型、判断预后,并且能够评估药物试验的疗效,对临床和科研均有重要意义。目前在传统肌电图检查的基础上,又发展出一些新的检查和评价方法。本文对ALS下运动神经元损伤的临床评估方法研究进展进行综述。


1 ALS的起源和传播

  ALS起源于上运动神经元还是下运动神经元仍然存在较多争议。在神经元-神经元假说中,一直存在顺轴突(dying forward)损害与逆轴突(dying backward)损害两种进展方式的争论,前者认为ALS首先出现上运动神经元受累,沿皮质锥体细胞轴突顺向传播至脊髓前角细胞,而后者认为ALS早期即有下运动神经元功能障碍,这种功能改变可能是从周围神经的远端(突触前神经末梢、神经肌肉接头或者远端轴突)开始,逐渐进展至近端,最长和最大的运动轴突首先受累,随后近端更多的轴突受到累及,这种现象可能与运动神经远端代谢改变和轴浆运输减少有关。逆轴突损害的假说可以很好解释为什么ALS患者远端例如手或足肌肉常见首先受累,但不能解释延髓起病或者与远端肌肉同节段神经支配的椎旁肌肉早期受累的现象。另有一种细胞-细胞假说,该假说认为ALS起源于同一部位的上下运动神经元,同时各自沿着不同解剖结构传播,即上运动神经元向相邻运动皮质细胞,下运动神经元向相邻脊髓前角细胞进展。在脊髓中,支配远端肌肉的前角细胞位于颈膨大和腰膨大外侧,支配近端或中轴肌肉的前角细胞位于内侧,有人认为这种排列的顺序可能与疾病传播模式有关。


2 ALS的LMN损伤

  ALS的LMN损伤主要病理改变是脊髓前角细胞的变性和丢失,近来大量的研究报道提出前角细胞的变性是由于早期皮质运动神经过度兴奋引起,由于LMN的超极化受到皮质下行传导输入调节,长时间和高频率的皮质兴奋发放引起LMN过度超极化,导致神经损伤。ALS患者中常见的分裂手(split hand)的现象,即选择性的手部肌肉损害,其拇短展肌和第一骨间肌受累重于小指展肌,该现象支持皮质兴奋性理论。经颅磁刺激检查发现ALS中支配大鱼际肌的皮质脊髓束受累程度重于支配小鱼际肌的皮质脊髓束,支持皮质运动功能异常参与了ALS分裂手现象。兴奋性氨基酸的毒性作用与LMN易损性相关,运动神经元表达的离子通道,尤其是配体门控兴奋性氨基酸离子通道功能障碍可能导致兴奋性氨基酸毒性增加,引起神经损伤。动物模型发现在ALS疾病早期阶段,在脊髓前角细胞丢失之前,神经突触、神经肌肉接头和远端轴突已经开始出现功能异常,此时脊髓前角运动神经元数量并没有明显减少,提示LMN的病理变化可能从远端开始,逐渐向近端发展,进而导致前角细胞变性和丢失。另外,ALS 的LMN损害还表现出突触特异性,快速易疲劳的神经突触更容易早期受累,提示突触特异性与LMN早期损害相关。


3 ALS下运动神经元损伤的临床评估方法进展


  3.1 束颤电位(fasciculation potentials,FPs)

  FPs是运动单位的自发放电,其触发涉及从运动皮层到远端神经末梢不同的机制。FPs通常被认为是ALS患者肌电图上的早期典型改变,可以反映运动单位的早期功能障碍,出现时间早于其他肌电图异常。ALS相关的FPs波形具有多时相、时限长,发放频率慢的特点,而且波形不稳定,常表现出增加的抖动(Jitter)。这种形态学特征可以作为ALS诊断的生物标志物。在Awaji诊断标准中将FPs纳入ALS的电生理诊断标准,使ALS诊断的敏感性得到提高。尤其当FPs出现在既有失神经支配现象又有慢性神经再生现象的肌肉时更具有诊断意义,而若临床查体没有发现肌肉束颤现象或电生理检查没有发现束颤电位,则应怀疑ALS的诊断是否正确。值得关注的是健康人有时也可以出现FPs,称为良性FPs,其形态单一、时限短、波幅小,波形稳定,且不伴有其他神经源性损害的表现,这些特点可与异常FPs鉴别。但临床如果发现患者出现广泛的FPs,即使没有神经功能缺损,也应该进行随访以排除ALS。由于ALS相关FPs的发放频率可能很慢,在终板肌肉上使用表面活化电极可使其更容易被检测到。

 

  3.2 复合肌肉动作电位(compound muscle action potential,CMAP)

  CMAP是超强刺激后神经中所有运动轴突的同时去极化引起。CMAP通过波幅和面积来衡量大小,是功能性运动单位数量的替代指标,可反映LMN损伤和LMN损伤后的神经重新再支配(reinnervation)。慢性LMN损伤有足够代偿时间产生神经再支配,可产生CMAP正常的运动电位。而在LMN损伤快速进展的情况下,功能性神经再支配作用有限,当运动单位数量减少到正常的50%以下时,CMAP的波幅和面积均趋于减少。CMAP可用于追踪疾病进展,但因为神经再支配作用的影响,对于病情进展相对较慢的ALS患者,CMAP的变化对运动神经元损失的检测敏感性不如其他技术。目前,已有临床试验采用多组肌肉的CMAP波幅总和的变化研究ALS发展。Eisen等的研究中描述了一种新方法,通过逐渐递增刺激强度,记录从低阈值至高阈值轴突募集运动单位得出的指数曲线,该曲线能够了解运动单位存活的数量,并且从响应增量的大小可以估计运动单位的大小,但这种方法的灵敏性和可靠性尚不明确,仍待进一步研究。尽管CMAP波幅的下降不能完全反映运动神经元的丢失情况,但它是ALS神经传导检查中的重要指标,是开发其他电生理指标的基础。而且,基于LMM功能障碍先出现在神经远端的假说,CMAP下降可能反映下运动神经轴索早期损害情况,故对研究ALS疾病进程仍具有重要意义。

 

  3.3 神经生理指数(neurophysiological Index,NI)

  由于CMAP测量的局限性,目前已开发了若干新的电生理指标,其中之一是NI。NI是2000年de Carvalho等首先提出的一种评估方法,通过将CMAP波幅除以远端运动潜伏期并乘以F波的频率得到NI值,以此评估LMN 损害的程度。CMAP反映失神经和神经再支配,远端运动潜伏期反映运动轴突末端的退化,F波反映前角细胞的兴奋性,随着ALS病情进展,LMN损伤逐渐加重,出现CMAP波幅降低,远端运动潜伏期增加,F波数量减少的变化。因此该方法的优势是将被研究的神经-肌肉系统的电生理指标表示为一个整体值,综合评估LMN的损害。目前大多数研究选取尺神经支配的小指展肌(ADM)作为检测部位,研究者倾向认为尺神经在ALS疾病进程中相对保留较好,可以作为长期随访的检测部位。NI还可以用于ALS患者病情进展速度的评估,一项研究观察了进展迅速和进展缓慢的两组ALS患者,以6个月和1年为观察期,将尺神经NI与其他变量包括ALS功能量表评分、用力肺活量、肌力评分进行比较,发现尺神经NI对于ALS病情进展速度的判断较其他变量敏感性更高。

 

  3.4 运动单位估数(motor unit number estimation,MUNE) 

  MUNE技术是McComas等于1971年开发的,是衡量LMN功能障碍的生物标志物之一,其基本原理是根据运动神经具有不同的兴奋阈值,在同一刺激点逐渐递增刺激强度,可获得连续的独立的运动单位电位(motor unit potential,MUP),将同一肌肉中全部运动单位的某参数(波幅或面积)除以该肌肉中单个运动单位(single motor unit potential,SMUP)的相应参数平均值,可以得出功能性运动单位的数量。

 

  MUNE技术最初采用递增法,通过从阈下刺激递增强度的方式进行神经电刺激,在其相应支配的肌肉上获得M波,取每次递增刺激时增加的波幅平均值,得到SMUP平均波幅。但是研究者们后来很快认识到同一运动神经不同轴突可能具有相同的阈值,递增刺激不一定激活另一个运动单位,而可能交替激活两个具有相同阈值的同一神经的不同运动轴突,这一现象被称为“交替”(alternation)。为克服该问题,随后开发了多点刺激技术,使用低强度脉冲沿神经走行的不同点刺激以获得一系列低阈值运动单位电位,取其平均值来作为SMUP参数。另外,Henderson等开发了用F波响应来定义平均SMUP的大小,称为重复F波技术;由于MUNE方法通常使用表面电极,难以应用于深部肌肉,因此还开发了一种使用针级电极与表面电极相结合的方法,通过识别引起针极肌电图上棘波触发的对应表面肌电图SMUP,计算出平均值,但是此方法有侵入创伤性。高密度表面肌电图是一种快速而无创的方法,能够计算近端和远端肌肉的平均SMUP,但需要特定的设备和软件,限制了其在临床的应用。

 

  运动单位指数(motor unit number index,MUNIX)是一种相对新颖的评估运动单位计数的方法,该方法将电极放置在正中或尺神经支配的手部肌肉上,手部主动力量逐渐增强产生肌电图表面干扰模式(surface interference pattern,SIP),重复测试5个不同力量级别,分别确定SIP。将SIP和CMAP导入到特定软件中,确定最大CMAP和每个SIP的波幅和面积,以最大M波波幅与其面积的比率乘以SIP面积与波幅的比率而计算出MUNIX。该技术容易培训和操作,目前已在多中心研究中得到标准化,在检测LMN损失时与多点刺激方法灵敏度相当,可能是目前用于评估功能性运动单位数量的最佳方法,已作为ALS中LMN功能障碍的生物标志物之一用于临床试验。

 

  3.5 单纤维肌电图(single fiber EMG,SFEMG) 

  SFEMG使用的是特制的针电极,在针管旁边开一个小口安置活动电极,这种电极只能收集大约200-300μm半径范围内的电活动,因此针电极可以被放在两条由同一运动神经元支配的肌纤维之间而同时收集到两者的动作电位。在距离单纤维针电极尖端300μm的半径内,SFEMG可以量化纤维密度(即单个运动单位的肌纤维数量)。这种方法对于量化神经再支配非常敏感。纤维密度在ALS早期受累肌肉中明显增加,提示该部位存在轴突末端芽生和神经再支配,但随病情进展,运动单位神经元池神经元存活不足5%时神经再支配发生崩溃,此时纤维密度明显降低。SFEMG还可以测定颤抖(Jitter),即两个重复发放属于同一运动单位的肌肉纤维动作电位开始之间的间隔变化,Jitter可反映神经肌肉接头传递稳定性。在2000年修订的ElEscorial诊断标准中将SFEMG作为检测ALS 患者肌肉慢性失神经支配的证据之一。

 

  3.6 重复电刺激(repetitive nerve stimulation,RNS) 

  RNS是一种用来评价神经肌肉接头之间功能状态的电生理检查。它采用的是在低频或者高频重复频率刺激神经干后,观察该神经干所支配动作电位波幅递增或增减情况,来判断是否存在神经和肌肉接头之间的病变,因此最常用于重症肌无力诊断和鉴别。ALS患者RNS出现频率递减也较为常见,发生机制推测是ALS中轴突退化导致的神经肌肉接头的不稳定传导和轴突末端不成熟芽生的结果。ALS患者出现低频波幅递减的比例少于重症肌无力患者,重症肌无力RNS递减呈现U型,而ALS无此特点。尽管ALS多为远端肌肉萎缩,但近端肌肉如斜方肌、三角肌比远端肌肉更容易检测到RNS低频递减,上肢近端肌肉的RNS低频递减可以帮助与颈椎病、平山病等疾病鉴别,后两者RNS通常正常。CMAP波幅越低的患者RNS递减越明显,并且与所检测的肌肉在针极肌电图中的FPs等失神经改变相关,但也有研究发现ALS患者的RNS递减幅度与FPs无相关性,提示二者有不同的发生机制。因此RNS作为评估ALS下运动单位损伤的可能指标之一,其发生机制以及与疾病进程的关系尚有待进一步研究。

 

  3.7 电阻抗肌电图(electrical impedance myography,EIM) 

  EIM是一种新兴的非侵入性方法,该方法中,放置两对激励电极和两对检测电极,对两对激励电极施加高频低强度电流,在两对检测电极之间测量所得的表面电压,从中获得组织的电阻和电容特性。该方法的原理是,当肌肉成分和结构发生改变时,电流方向都会出现异常,肌纤维损伤、萎缩或水肿,神经再支配以及肌内膜结缔组织和脂肪的沉积均可影响电阻抗。该技术不依赖组织的固有电活动,而是依赖组织如何影响所施加的外部电流,因此该技术对ALS的肌肉萎缩、肌肉内脂肪增加等结构变化敏感,进而评估患者的病情。动物试验和人体研究表明,EIM对ALS疾病进展的评估与手持式握力计、MUNE、ALS功能评分量表等标准方法相比具有一致性并且敏感性优于它们,可使临床试验要求的样本量减少5倍。此方法还具有快速、耐受性良好、易操作、设备价格相对低的优点,现已尝试用于基于家庭结果测量的ALS研究中。但是EIM不是针对肌病和神经源性肌病的特异性检测方法,尚需更多关于灵敏度和可靠性的研究。此外,该技术是否能够在神经再支配之前检测到运动单位的初始损失尚不清楚,因此尚不能用于检测ALS的早期LMN损伤。

 

  3.8 阈值跟踪(threshold tracking)技术 

  阈值跟踪技术可用于检测ALS运动神经轴突兴奋性。该方法先对周围神经进行刺激测试,确定刺激的最佳位置(即以最小电流唤起CMAP的位点)然后用亚阈值刺激和超阈值刺激结合的方法,先从亚阈值刺激开始,逐渐增加刺激强度来刺激运动神经获得刺激-反应(stimulus-response,SR)曲线,随后以相反的方式从超大刺激开始,逐渐小幅降低刺激强度,使得计算机程序可以使S形曲线拟合反顺序记录的SR曲线。这样能够确定用于阈值跟踪的最佳CMAP幅度(从基线到负峰值测量)。该最佳CMAP振幅用作轴突兴奋性保留的目标电位,目标阈值对应于拟合SR曲线上的最陡点,接近超大CMAP幅度的40%(图1)。随后记录评估轴突兴奋性的其他一系列参数包括强度持续时间常数、阈值电压、恢复周期等。


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  ALS患者中轴突兴奋性改变特点是持续钠离子电流上调和钾离子电流减少,随着ALS进展这种异常变得更明显。轴突兴奋性变化是轴突损伤的标志物,与肌肉痉挛、肌束震颤和运动神经元变性有关,并且与ALS不良预后有关。但是阈值跟踪反映的是电刺激位点的变化,而不是整条神经的变化。该技术难以应用于下肢,因此观察仅限于上肢。轴突兴奋性有可能在未来ALS的临床试验中具有潜在价值,但其特异性、预测疾病进程的敏感性以及是否提示神经再支配尚未可知,尚需进一步研究。

 

  3.9 肌肉和周围神经的超声检查 

  肌肉超声可以检测到浅表和深部肌肉的肌束震颤。现有研究证实,与肌电图(EMG)相比超声更容易检测到肌束震颤,甚至在肌电图正常的肌肉上,即使在舌肌上超声也可探测到肌束震颤。肌肉超声检测肌肉体积损失和受损肌肉回声强度增加是敏感的,肌肉厚度在疾病进展期间显著下降,基线肌肉回声强度可能与预后有关,但个体差异较大,整体变化率通常与功能衰退无关,因此肌肉超声用于评估ALS患者预后的价值有限。但是在早期正常强度的肌肉中和EMG正常的肌肉中可以检测到肌肉回声强度增加,这可能对早期诊断有帮助,因此EMG与肌肉超声相结合可提高诊断准确性。

 

  周围神经超声可测量ALS患者周围神经的横截面积,以此推测周围神经受损程度。神经超声可发现多灶性运动神经病的局灶神经肥大,被认为是多灶性运动神经病与疑似ALS患者的重要鉴别方法。但是目前尚缺少周围神经超声检查在ALS中的敏感性和特异性的研究。

 

  3.10 脊髓和周围神经的磁共振(MRI)检查 

  脊髓磁共振波谱研究发现,ALS患者和SOD1基因突变的无症状携带者天冬氨酸/胆碱和天冬氨酸/肌酐比值较正常对照组下降。脊髓弥散加权成像可能有助于发现ALS患者脊髓持续病变,某些良性下运动神经元综合征的患者发现轴位上脊髓前角结构异常,提示与微循环障碍有关。有研究发现MRI上表现可反映ALS周围神经的变化,但与疾病的严重程度相关性较差。脊髓和周围神经MRI在ALS诊断和病情评估方面的潜力尚未可知,仍需进一步研究。

 

  综上所述,随着神经电生理技术和影像技术的不断发展,越来越多的方法用于评估ALS的LMN损害,有些方法已作为生物标志物应用于临床。这些方法除了具有诊断效用之外,还有助于ALS预后判断,并且在临床药物试验中具有监测疗效的价值。但是由于ALS的发病机制的复杂性和表型异质性,仍需大样本多中心研究来不断验证和完善这些评估方法。


  来源:中国神经免疫学和神经病学杂志  2019年7月第26卷第4期


    2020/6/24 12:55:26     访问数:112
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