老年人群糖尿病与灰质萎缩模式的相关性

研究设计与方法

研究人群

Hisayama研究是一项正在进行的以人群为基础的心血管疾病观察性研究，于1961年在日本南部福冈大都市区的Hisayama建立。此外，自1985年以来，每隔5-7年对该镇老年居民进行一次全面的痴呆筛查。2012年，在2036名65岁居民中，共有1906人(93.6%)参加了痴呆筛查，其中1342人(70.4%)接受了脑部核磁共振扫描。排除1名拒绝参与研究，41名没有糖尿病，8名没有血糖数据，44名MRI扫描有错误 (25名没有3D-T1加权图像，8名没有液体衰减反转恢复，4名有金属伪影，7名有运动伪影)，59名患有可能影响VBM评估GMV皮质的疾病或小脑梗塞，其余1189名个人(510名男性和679名女性)有资格参加本研究的主要分析(补充图1)。

补充图1. 主要分析(n=1189人)和分析空腹血糖和2hPG(n=887人)、中老年糖尿病分析(n=816人)和propensity score匹配分析(n=538人)的研究参与者。

大脑MRI分析

对于MRI扫描，使用1.5T MRI扫描仪(Intera Pulsar; Philips Medical Systems, Best, the Netherlands)获得大脑的三维T1加权图像、常规T1和T2加权图像、液体衰减反转恢复、T2*加权图像和磁共振血管成像。使用运行在matlab的SPM8 (https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)的VBM8 Toolbox version 435(https://dbm. http://neuro.uni-jena.de/vbm/)对磁共振图像进行处理和检查。使用默认设置，除了正则化（affine regularization）是使用国际脑图联合会东亚大脑模板（East Asian brains）执行的。T1加权图像被分割为灰质、白质和脑脊液。我们还制作了个体化的WMH(白质高信号）模板。考虑到WMH在T1扫描上经常被错误地归类为灰质，灰质和白质使用WMH-mask进行了校正。对分割的灰质进行归一化和调节，以补偿空间归一化中出现的体积效应。最后，使用8 mm全宽、半最大各向同性高斯核对图像进行平滑。用灰质、白质和脑脊液体积之和计算颅内体积(ICV)。利用SPM12提供的神经形态计量学图谱计算来自额叶、颞叶、顶叶、枕叶、脑岛、扣带、深部灰质结构(定义为丘脑、尾状核、壳核、伏隔核和苍白球的总体积)和小脑的GMV。对未分配区域的灰质体素根据5 mm距离限制为最近区域进行标记。在目前的研究中，计算额叶、颞叶、顶叶、枕叶、岛叶、扣带、深部和小脑GMV/ICV(百分比)作为局部灰质萎缩的指标。左右半球的皮质厚度由CAT12 12.8自动估计，并使用12 mm高斯核对图像进行平滑。

糖尿病的定义

在2012年的健康检查中，鼓励年龄在40-79岁之间、没有禁忌症(严重高血糖，即最近测得的血红蛋白A1c[HbA1c]≥9.4%或使用胰岛素治疗)的患者接受OGTT(口服葡萄糖耐量试验)。OGTT也要求80岁以上的患者进行。因此，在总共1189名符合条件的患者中，887人(74.5%)接受了OGTT，其余302人(25.4%)只测量了空腹或餐后血糖浓度。用己糖激酶法测定血糖水平。糖尿病定义为空腹血糖(FPG)≥7.0 mmol/L，2hPG或餐后血糖≥11.1 mmol/L，和/或使用抗糖尿病药物。通过填写调查问卷将糖尿病进一步分类为新诊断的糖尿病和已知的糖尿病，已知糖尿病的患者根据糖尿病的病程(≤9年、10年至16年、≥17年)进一步细分为三种类型。

为了调查空腹血糖和2hPG水平与局部灰质萎缩的关系，在总共1189人中，887名接受OGTT的患者(393名男性和494名女性)被纳入分析(补充图1)。根据2006年世界卫生组织的糖耐量状态标准，将空腹血糖和2hPG水平分为三类(空腹血糖FPG：<6.1、6.1-6.9、≥7.0 mmol/L；以及2hPG：<7.8、7.8-11.0、≥11.1 mmol/L)。

中老年糖尿病

为了评估中老年糖尿病诊断对晚年局部灰质萎缩的影响，在2012年的1156名65岁至88岁的患者中，有816人(男性327人，女性489人)参加了1988年的健康检查(1988年年龄41岁至64岁)(不包括33名年龄89岁的患者)(补充图1)。如前所述，患者被分为三类：1)在1988年和2012年两次体检中都没有糖尿病的患者(无糖尿病)；2)1988年未被诊断为糖尿病但在2012年被诊断为糖尿病的患者(老年糖尿病)；3)1988年已被诊断为糖尿病的患者(中年糖尿病)。

协变量和痴呆的定义

在补充材料和方法中提供了在协变量和痴呆状态中的详细定义（以下为补充材料内容）。

在2012年的健康检查中，每个参与者都完成了一份自填式调查问卷，包括教育背景、病史(包括诊断为糖尿病的时间)、降压、降糖和调脂药物的使用、吸烟习惯、酒精摄入量和定期锻炼。低教育水平被定义为≤9年正规教育。当前吸烟和饮酒，或不吸烟和不饮酒。有规律的锻炼被定义为在闲暇时间每周参加≥3次运动。休息≥5min后，用自动血压计测得3次坐位血压，并计算平均值。高血压定义为收缩压和舒张压≥140/90mmHg和/或使用降压药。血清总胆固醇水平采用酶法测定，高胆固醇血症定义为血清总胆固醇水平≥5.69 mmoL/L和/或使用调脂药物。BMI是通过体重和身高计算出来的，而体重和身高是在不穿鞋的情况下穿着轻薄衣服测量的。脑血管病变在MRI上定义为脑梗塞或出血，无论是否有神经症状。脑梗塞包括直径≥3 mm的病灶，在T1加权像(作为低信号病灶)和T2加权像(作为高信号病灶)上均可见，在FLAIR图像上可见周围高信号边缘。脑出血被定义为在T2加权像上任何可见的出血性病变，包括脑微出血(低信号病变)。扫描图像都由两名训练有素的神经科医生查看，他们并不清楚临床信息(评价者间的符合率：脑梗塞为74.6%，脑出血为83.7%)。在解释相互矛盾的情况下，第三位中风神经科医生查看扫描结果，并做出最终决定。痴呆症的诊断是根据《精神疾病诊断和统计手册》第三版修订本（the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders）的标准进行的。在筛查调查中，我们使用了Mini-Mental State Examination和Hasegawa's Dementia Scale-修订，精神科医生对被怀疑有认知障碍的患者进行了二次全面调查，如上所述。

统计分析

分别用t检验和x2检验分析糖尿病患者和非糖尿病患者之间潜在混杂因素的频率和均值的差异。ANCOVA用来估计和比较额叶、颞叶、顶叶、枕叶、岛叶、扣带、深部和小脑GMV/ICV的95%的CIs，调整年龄和性别的影响。在多变量模型中，包括年龄、体重指数、低血压、血压、血清总胆固醇、体重指数、吸烟习惯、饮酒、定期运动、MRI脑血管病变和/或降糖药物。采用Logistic回归模型对年龄、性别、低文化程度、高血压、血清总胆固醇、体重指数、吸烟习惯、饮酒、经常锻炼、MRI脑血管病变等因素进行敏感性分析。然后，糖尿病患者(N=269)和非糖尿病患者(N=269)使用1：1匹配方案(贪婪匹配算法)进行匹配，caliper width（即我们最大能接受的距离范围）等于logit of propensity score的标准差SD*0.2 (补充图1)。在这项分析中，配对t检验来比较患有和不患有糖尿病患者之间的局部GMV/ICV，使用SAS 9.4，P值<0.05被认为是显著的。

对于基于体素和基于顶点的组间分析，在去除其他混杂因素影响后，使用ANCOVA分析在患有和不患有糖尿病的患者之间进行统计分析。VBM分析中，ICV也被作为协变量进行控制。对于基于体素的相关性分析，使用多元回归分析GMV与空腹血糖和2hPG水平的相关性，并对其他混杂因素和ICV作为协变量去除。VBM分析使用VBM8工具箱(TEMPLATE_6_IXI550_MNI152.nii)中包含的灰质模板作为mask规定分析范围，灰质值>0.05，绝对值阈值为0.01。VBM和基于表面的形态统计图在体素或顶点水平上都以未校正的P<0.001作为阈值，cluster水平使用FWE进行校正，P<0.05

结果

表1总结了研究对象按患糖尿病情况划分的临床特征。在1189名研究对象中，272人(23%)患有糖尿病。其中，271例为2型糖尿病，1例为1型糖尿病。在MRI扫描中，BMI平均值以及男性和高血压、调脂药物、饮酒和脑血管病变患者的比例显著高于非糖尿病患者，而平均总胆固醇水平显著低于非糖尿病患者。表1. 2012年糖尿病患者和非糖尿病患者的基线特征

表2显示了按糖尿病状况分类的全脑和局部GMV/ICV。在调整了年龄和性别的模型1中，糖尿病患者的全脑、额叶、颞叶、深部、小脑的GMV/ICV显著低于非糖尿病患者。在调整了模型2中的混杂因素后，这些结果仍是可靠的。此外，在模型2中，糖尿病患者脑岛的GMV/ICV显著低于非糖尿病患者。在以下敏感性分析中观察到类似的相关性：

1）排除107名痴呆症患者(补充表1)；

2）基于propensity score匹配的分析(269名糖尿病患者和269名非糖尿病患者)(补充表2)。

表2. 按糖尿病状况调整的全局GMV/ICV和局部GMV/ICV的平均值(95%CIs)

补充表1. 糖尿病状态下全脑GMV/ICV的平均值(95%CIs)：排除107名痴呆症患者的敏感性分析，去除协变量

缩写：GMV，灰质体积；ICV，颅内体积。

模型1：根据年龄和性别进行调整。

模型2：调整了模型1中的协变量加上低教育程度、高血压、血清总胆固醇、体重指数、吸烟习惯、饮酒、定期锻炼和磁共振成像脑血管病变。

补充表2. 糖尿病状态下全脑GMV/ICV的平均值(95%CI)：基于1：1的propensity score匹配敏感性分析

补充表3显示了糖尿病病程和局部灰质萎缩之间的关系。在272名患有糖尿病的患者中，6名患者被排除在分析之外（病程未知），82名新诊断为糖尿病，其余184名患者已知糖尿病。调整潜在的混杂因素后，糖尿病病程越长，全脑、额叶、颞叶、脑岛、深部和小脑的GMV/ICV越低(P <0.05)。

补充表3. 根据糖尿病病程多变量调整的GMV/ICV总量和局部平均值(95%CIs)

缩写：GMV，灰质体积；ICV，颅内体积。调整了年龄、性别、低教育程度、高血压、血清总胆固醇、体重指数、吸烟习惯、饮酒、定期锻炼和磁共振成像脑血管病变。6名已知糖尿病病程缺失的患者被排除在分析之外。*与无糖尿病组比较，P<0.05。

补充表4显示了816名在1988年参与健康检查的患者中老年糖尿病与局部灰质萎缩的关系(补充图1)。中年糖尿病患者的全脑、额叶、颞叶、脑岛、深部和小脑GMV/ICV均显著低于非糖尿病患者。此外，与老年糖尿病患者相比，中年糖尿病患者脑岛和深部的GMV/ICV显著降低。

补充表4.根据糖尿病诊断时间对全脑GMV/ICV和局部GMV/ICV比率的多变量调整平均值(95%CIs)

缩写：GMV，灰质体积；ICV，颅内体积。调整了年龄、性别、教育程度、高血压、总胆固醇、体重指数、吸烟习惯、饮酒、定期锻炼和磁共振成像脑血管病变。*与无糖尿病组比较P<0.05; †与老年糖尿病组比较P<0.05。

表3显示了887名接受OGTT的患者在空腹血糖和2hPG水平与局部灰质萎缩的关系(补充图1)。随着2hPG水平的升高，全脑、颞叶、脑岛及深部GMV/ICV经过混杂因素调整后，平均值显著降低。2hPG > 11.1 mmol/L的患者在全脑、颞叶、脑岛和深部的GMV/ICV显著低于2hPG水平<7.8 mmol/L的患者。相反，空腹血糖水平与局部灰质萎缩无明显相关性。

表3. 空腹血糖和2hPG水平在调整混合因素后的全脑和局部GMV/ICV平均值(95%CIs)

如图1所示，VBM分析结果显示在调整其他混杂因素后，糖尿病患者在以下脑区的灰质损失比非糖尿病患者更显著：双侧颞上回、右侧颞中回、左侧颞下回、右侧额中回、双侧丘脑、右侧尾状核和右侧小脑。蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)坐标显示在补充表5中。与非糖尿病患者相比，糖尿病患者的大脑区域没有显示出灰质区域的增加。与空腹血糖和2hPG水平呈负相关的区域如图1所示，MNI坐标显示在补充表6中。与较高的空腹血糖水平相关的灰质区域没有显著减少。相反，2hPG水平的升高与双侧上、中、下回、双侧颞叶、双侧脑岛、左侧顶叶岛盖、额下回右盖部分和右侧丘脑的萎缩有关。与较高的空腹血糖和2hPG水平相关的灰质区域没有明显增加。

如补充图2所示，皮质厚度的表面形态计量学分析显示，与非糖尿病患者相比，糖尿病患者额叶、颞叶、顶叶和脑岛皮质部分明显变薄，MNI坐标见补充表7。

图1. 与糖尿病(A)、空腹血糖(B)和2hPG水平(C)呈负相关的灰质区域。

糖尿病灰质萎缩主要在双侧颞上回、右侧颞中回、左侧颞下回、右侧额中回、双侧丘脑、右侧尾状回和右侧小脑(A)。与较高的空腹血糖水平(B)相关的灰质面积没有明显减少。与2hPG升高相关的脑区包括双侧上、中、下回、双侧颞叶、双侧脑岛、左侧顶盖、右侧额下回顶盖和右侧丘脑(C)。调整了年龄、性别、低教育程度、高血压、血清总胆固醇、体重指数、吸烟习惯、饮酒、定期锻炼、MRI脑血管病变、ICV和/或降糖调节。

补充表5. 与未患糖尿病的受试者相比，糖尿病患者灰质区域减少

缩写：MNI，蒙特利尔神经研究所；L，左；R，右；B，双侧。补充表6. 与负荷后2小时血糖水平呈负相关的灰质区域

缩写：MNI，蒙特利尔神经研究所；L，左；R，右；B，双侧。

补充图2. 糖尿病患者与非糖尿病患者相比，局部皮质厚度降低

补充表7. 与非糖尿病患者相比，糖尿病患者的局部皮质厚度降低

缩写：MNI，蒙特利尔神经研究所；L，左；R，右；B，双侧。

总结

目前的研究表明，在调整潜在混杂因素后，日本一般老年人群中糖尿病患者，特别是那些病程较长或那些中年起病的患者中，额叶、颞叶、脑岛、深部和小脑的GMV显著低于非糖尿病患者。有趣的是，2hPG水平升高与广泛大脑区域的灰质萎缩有关，但空腹血糖水平与灰质萎缩没有显著关联。目前的研究结果表明，较长的糖尿病病程和2hPG，而不是空腹高血糖，可能在与认知功能相关的大脑区域萎缩中发挥重要作用。

在先前的流行病学研究中，社区神经认知研究中的动脉粥样硬化风险(ARIC)研究表明，糖化血红蛋白(HbA1c)≥7.0%的患者的额叶、颞叶、枕叶和顶叶体积小于HbA1c<5.7%的患者。ARIC研究还报告说，患有≥10年病程的糖尿病患者的颞叶和顶叶体积低于＜10年的糖尿病患者。Rotterdam研究表明，糖尿病与小脑萎缩显著相关。对5项病例-对照研究进行全脑VBM的Meta分析显示，与非糖尿病组相比，糖尿病患者左侧颞上回、右侧颞中回、右侧罗兰迪克岛盖和左侧梭状回的GMV降低。先前结构MRI研究一致表明，糖尿病患者的颞叶萎缩，这与我们目前的发现是一致的。相比之下，其他大脑区域的结果却不一致。这种相互矛盾的结果可能与脑体积测量方法、糖尿病诊断标准、年龄分布、种族、糖尿病病程以及协变量差异有关。

糖尿病是痴呆症，特别是阿尔茨海默病(AD)的公认危险因素，脑萎缩是AD的一个形态特征。目前的研究表明，与非糖尿病患者相比，患有糖尿病的患者在与认知障碍相关的几个大脑区域（即颞叶、脑岛、额中回、尾状核和丘脑）的GMV较低。颞上回参与听觉处理和理解，包括语言，并与社会认知有关。颞中回和颞下回在语义记忆处理、视觉知觉和多模式感觉整合方面起辅助作用。颞叶还与语义记忆和语言流畅性相关，并参与社会和情绪处理。脑岛是一个以广泛的连接和不同的功能角色为特征的中枢区域，众所周知，脑岛萎缩与各种神经退行性疾病有关。额中回是执行功能和选择性注意的重要区域。尾状核是控制学习和记忆系统的重要组成部分。丘脑是支持认知功能的关键节点，包括记忆以及注意力和信息处理的执行功能。先前研究表明，糖尿病与执行功能、处理速度、语言流畅性和记忆力的快速下降有关。在目前的研究中，与糖尿病相关的大脑区域萎缩可能与此类大脑功能丧失的风险增加有关。在敏感性分析中，排除痴呆症患者后，这些区域的GMV有强烈的下降趋势，表明这些区域的灰质萎缩很可能发生在糖尿病患者痴呆发病之前。

在目前的研究中，2hPG水平升高与广泛脑区的灰质萎缩有关，如颞上回、颞中回、颞极和脑岛。负荷后血糖水平被认为是反映餐后高血糖的指标。我们的研究小组先前报告，2hPG水平升高与MRI数据显示的全脑和海马区萎缩显著相关，使用尸检数据显示神经炎斑块的可能性较高，使用纵向数据显示AD发生的风险较大，但未观察到空腹血糖水平与这些结果之间的显著关联。因此一系列研究结果表明，对餐后高血糖的管理可能会降低大脑形态异常的风险，以及随后在晚年患痴呆症的风险。

在目前的研究中，较长的糖尿病病程和较短的糖尿病发病与不同脑区的萎缩显著相关，如额叶、颞叶和脑岛。我们之前报告了该人群的全脑萎缩和海马体萎缩的类似结果。因此，这些区域的脑萎缩很可能是长期暴露于葡萄糖毒性、胰岛素代谢异常和微血管疾病的结果。

目前的研究有几个局限性。首先，由于目前的分析采用横断面设计，因此很难估计糖尿病和灰质萎缩之间的因果联系。然而，我们认为糖尿病会导致灰质萎缩，因为糖尿病或中年糖尿病病程越长，灰质萎缩越严重。第二，糖尿病的诊断和空腹血糖和2hPG水平的测量是基于每次健康检查中的一次血糖水平测量或一次75g口服葡萄糖耐量试验(1988年和2012年)。这一局限性可能导致对糖尿病诊断和空腹血糖和2hPG水平的错误分类。这种错误的分类可能削弱了这种联系。因此，真实的关联可能比在本分析中观察到的更强。第三，虽然这项研究的参与率不同，大约有三分之一的居民没有参与这项研究。没有参与这项研究的人比参与研究的人更有可能是女性和年龄更大的人，患痴呆症的比例更高，这可能是导致选择偏见的原因。此外，这项研究的参与者是来自日本单一社区的老年人。因此，本发现的普遍性可能是有限的。

总而言之，目前的研究表明，较长的糖尿病病程和中年糖尿病发作是不同大脑区域灰质萎缩的重要风险因素，这些区域可能在认知功能中发挥重要作用。此外，2hPG水平升高与大脑不同区域灰质萎缩之间的显著关联可能表明，仔细控制餐后血糖水平对于预防糖尿病患者灰质萎缩和随后发展为痴呆症非常重要。需要进一步的临床和基础研究来验证当前结果。