探讨完全性生长激素缺乏(CGHD)患儿与特发性矮小(ISS)患儿大脑结构的灰质体积、皮层表面积及皮层厚度的差异。
回顾性队列研究。纳入2015年1月—2019年1月山东省立医院确诊的12例CGHD患儿(男8例、女4例，年龄5～14岁，生长激素刺激释放试验峰值小于5.0 μg/L)与12例ISS患儿(男9例、女3例，年龄5～14岁，生长激素刺激释放试验峰值大于10.0 μg/L)。在首次就诊时采集患者高分辨率、高信噪比三维T1WI MRI。利用FreeSurfer软件图像后处理方法获得两组患儿左右大脑半球及全脑灰质体积、皮层表面积与皮层厚度值，统计分析组间的差异情况。将每组患儿的上述形态学参数值分别进行平均以获得该组患儿的均值分布图。将两组患儿的测量均值进行相减，即获得两组患儿该测量均值的差异值分布图。
CGHD患儿左、右侧大脑半球的灰质体积分别为(228.50±36.72)cm3、(229.10±34.95)cm3；皮层表面积分别为(737.02±140.48)cm2、(738.68±135.26)cm2；皮层厚度分别为(2.43±0.09)mm、(2.44±0.09)mm。ISS患儿左、右侧大脑半球的灰质体积分别为(272.36±34.77)cm3、(272.54±32.76)cm3；皮层表面积分别为(841.88±141.75)cm2、(839.98±135.69)cm2；皮层厚度分别为(2.55±0.18)mm、(2.57±0.17)mm。CGHD患儿与ISS患儿的双侧半球与全脑的灰质体积(F左＝17.884, F右＝20.115, F全＝19.009)、皮层表面积(F左＝11.105, F右＝11.453, F全＝11.337)及皮层厚度(F左＝5.907, F右＝6.109, F全＝6.066)的差异均有统计学意义(P值均<0.05)。测量值的均值分布图与均值的差异值分布图显示两组患儿的灰质体积、皮层表面积与皮层厚度在诸多脑区存在差异。
CGHD患儿较ISS患儿的大脑灰质体积、皮层表面积与皮层厚度均较小，这可能与其智力、运动或其它功能发育相对落后相关。
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生长激素(growth hormone, GH)及胰岛素样生长因子-1(insulin growth-like factor-1, IGF-1)在人体正常生长发育及神经系统发生与发育中均具有重要作用[1,2]，并直接影响整个生命过程中的认知能力[3,4]。研究表明，GH缺乏与认知缺陷具有相关性[3,4]。在人脑内，海马、壳核、垂体、下丘脑、丘脑和脉络丛是GH受体的密集区，其中海马的GH受体最为丰富，是大脑其他部位的2～4倍[3]。IGF-1具有促进神经元生长、树突分化和突触形成的作用[2]，其受体密集的区域由高到低依次为海马、杏仁核、尾状核、前额叶和海马旁皮质[2,3]。研究表明，GH-IGF-1作用轴直接影响整个生命过程中的认知能力[5,6,7]。因此，GH-IGF-1信号通路在人神经系统发生与脑发育中具有重要作用，GH缺乏必然会引起大脑结构的形态变化，但是对发生变化的区域及差异程度尚知之甚少。
人脑结构形态会受到种族、年龄、性别、身材、疾病、遗传等诸多因素的影响[8]。为探讨GH缺乏对大脑形态的影响，则需要剔除年龄、性别、身材等其他客观因素的不同而引起的大脑结构形态改变。本研究中，选择特发性矮小(idiopathic short stature, ISS)患儿作为对照组，与完全性生长激素缺乏(complete growth hormone deficiency, CGHD)患儿进行对比观察，首要目的是剔除身材因素对大脑结构的影响，以凸显GH缺乏对大脑结构的影响。研究中，采集两组患儿大脑结构的高分辨率、高信噪比三维T1WI MRI，通过FreeSurfer软件获得全脑及双侧半球的灰质体积、皮层表面积、皮层厚度测量数据，并进行组间、组内不同侧别以及不同脑区间的比较，旨在探讨GH缺乏对大脑皮质结构形态学的影响。
参照黄颖等[9]研究方法，本研究设立的CGHD的诊断标准：(1)身高和生长速度低于年龄平均值2个标准差；(2) GH刺激释放试验峰值小于5.0 μg/L；(3)骨龄延迟2岁及以上；(4)符合下述本研究CGHD的影像诊断标准。参照贾秀川等[10]研究，本研究CGHD的影像诊断标准：(1)垂体窝浅平；(2)垂体前叶低矮、体积小，高度低于同年龄、同性别组2个标准差，正常垂体测量值参考前期研究[11]；(3)垂体柄纤细或缺如及垂体后叶异位。
ISS的诊断标准：(1)身高低于年龄平均值2个标准差，伴有正常的身高增长速度；(2)MRI显示正常大脑结构和垂体形态、正常的年龄和性别的IGF-1浓度；(3)GH刺激释放试验峰值大于10 μg/L；(4)骨龄与实际年龄相符；(5)影像检查垂体形态未见异常。
纳入标准：符合CGHD或ISS诊断标准的患者，结合临床血化验均排除促肾上腺皮质激素缺乏症、低血糖症、甲状腺相关疾病、家族性遗传与代谢性疾病。排除标准：出生时伴有宫内生长受限患儿、骨龄大于14岁或已进入青春期的儿童；其它病因所致矮小的异质性患者。
本研究为回顾性队列研究。纳入2015年1月—2019年1月山东省立医院确诊CGHD及ISS的住院患儿各12例。CGHD组男8例、女4例，年龄5～14岁，GH刺激释放试验峰值小于5.0 μg/L；ISS组男9例、女3例，年龄5～14岁，GH刺激释放试验峰值大于10.0 μg/L。在研究对象初次就诊且尚未开始使用GH治疗时进行MRI扫描。两组患儿性别与年龄分布差异均无统计学意义(χ性别2＝0.202, U年龄＝59.000, P值均>0.05)。所有儿童均是右利手，无异常神经病学发现，且为在园/校学生；家族中未存在遗传性或代谢性疾病。所有受试者的全脑MRI未见明显异常。CGHD患儿中，9例存在垂体前叶发育不良；2例垂体前叶发育不良伴Rathke裂残留；1例垂体后叶异位。ISS患儿垂体MRI均未发现明显异常。所有患儿的甲状腺功能测试、皮质醇或血糖均处于正常水平。
本研究经山东省立医院伦理委员会批准与监督(NSFC: NO. 2019-0010)。图像采集工作均征得患儿家长或监护人的同意。
采用德国西门子Vero 3.0 T MR仪。首先进行全脑(轴位T2WI)和垂体常规MRI数据采集(包含矢状位与冠状位T1WI、冠状位T2WI)。扫描参数：轴位全脑T2WI，TR 3 700 ms，TE 96 ms，反转角150°，矩阵256×256，FOV 220 mm×220 mm，扫描层数20，空间分辨率0.7 mm×0.7 mm×5.0 mm，总时间1 min 12 s。垂体矢状位与冠状位T1WI，TR 400 ms，TE 10 ms，反转角150°，矩阵256×256，FOV 200 mm×200 mm，扫描层数10，空间分辨率0.8 mm×0.6 mm×3.0 mm，总时间1 min 25 s。垂体冠状位T2 WI，TR 2 000 ms，TE 103 ms，反转角150°，矩阵256×256, FOV 200 mm×200 mm，扫描层数10，空间分辨率0.8 mm×0.6 mm×3.0 mm，总时间1 min 46 s。然后进行三维T1WI磁化准备快速梯度回波序列扫描，获得矢状位薄层各向同性图像，扫描参数：TR 1 900 ms，TE 2.45 ms，TI 900 ms，反转角9°，矩阵256×256，FOV 250 mm×250 mm，扫描层数176，空间分辨率1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，总时间8 min 36 s。最后进行垂体增强扫描，获得矢状位与冠状位T1WI MRI(扫描参数同上)。
利用FreeSurfer 6.0.0软件(https：//surfer.nmr.mgh.harvard.edu/)获得CGHD患儿与ISS患儿全脑与双侧半球灰质体积、皮层表面积与皮层厚度的测量值。图像预处理包括：头动校正、与蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)标准脑模板进行配准、磁场的不均匀性校正、去除颅骨和非脑组织、分割灰质白质边界、重建双侧大脑半球皮层、计算基于表面的形态学参数如灰质体积、皮层表面积、皮层厚度。
FreeSurfer软件颅脑T1WI MRI处理流程见图1。
注：A为颅脑轴位MR初始T1WI ；B为空间标准化后，去除颅骨和非脑组织；C为分割大脑灰、白质；D为灰、白质皮层外表面的三维重建图；E为基于灰、白质分割图进行形态学参数计算；F为形态学参数结果
FreeSurfer软件自动提取灰质的内、外表面，对每个被试分割得到的内、外表面进行检查，并手动校正。左右半球各采样163 824个顶点，全脑共有327 648个顶点。每个顶点计算得到灰质体积、皮层表面积、皮层厚度的形态学参数值，具体方法如下：利用T-average-near算法计算皮层厚度值，对于灰质表面上任意一点A，在相对应的白质表面上找到距离点A最近的点B，然后再在灰质表面上找到距离点B最近的点C(由于脑回的弯曲与皮层厚度的变化，点A、C可以不在同一个位置)，将AB和BC的平均欧式距离定义为A点的厚度[12,13] ，见公式1。对于每个顶点，皮质表面积为其六个邻接三角形面积的平均值，见公式2。体积值为每个顶点的厚度值与表面积的乘积，见公式3。
其中，xA、yA、zA为顶点A的空间坐标值，xB、yB、zB为顶点B的空间坐标值，xC、yC、zC为顶点C的空间坐标值。
其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6分别是与顶点A相邻的6个三角形面积。
将所有顶点的灰质体积、皮层表面积值求和即得到全脑的灰质体积、皮层表面积测量值，将所有顶点的皮层厚度值求平均值即得到全脑的皮层厚度值。将同组患儿每一顶点的测量值求平均值，并映射于皮层表面，即获得该测量值的均值图。将ISS患儿与CGHD患儿每一顶点的均值相减，并映射于皮层表面，即得到两组间均值差异分布图。
影像诊断内容主要观察垂体、垂体窝形态；垂体前叶高度或体积；垂体后叶位置；垂体柄形态；鞍区和鞍旁的其他异常。两位工作经验5年以上的放射学医师同时对垂体发育状况进行评估，诊断结果存在分歧时，由另一位工作经验10年以上的医师综合分析并做出诊断。
应用SPSS 25.0统计软件进行数据分析。采用Kappa检验对两位放射学医生的影像诊断结果进行一致性检测。两组患儿的年龄、性别比较采用秩和检验、χ2检验。组间比较采用协方差分析，以统计两组患儿间的全脑与两侧半球灰质体积、皮层表面积、皮层厚度测量值的差异，分析过程中年龄和性别作为协变量。以P<0.05为差异有统计学意义。
两位放射学医生对CGHD组患儿有1例影像诊断结果存在分歧(后核实为垂体测量选择断面错误所致)，Kappa值＝0.92；对ISS组患儿影像诊断结果不存在分歧，Kappa值＝1.00。
与ISS组相比，CGHD组全脑及左右大脑半球灰质体积、皮层表面积与皮层厚度均较小，差异均有统计学意义(P值均<0.05)。组内比较：两组患儿左右两侧大脑半球的灰质体积、皮层表面积与皮层厚度差异均无统计学意义(P值均>0.05)。见表1。
CGHD组和ISS组患儿全脑及两侧大脑半球形态学测量值比较(
±s)
CGHD组和ISS组患儿全脑及两侧大脑半球形态学测量值比较(±s)
| 组别 | 例数 | 灰质体积(cm3) | 皮层表面积(cm2) | 皮层厚度(mm) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 左半球 | 右半球 | 全脑 | 左半球 | 右半球 | 全脑 | 左半球 | 右半球 | 全脑 | ||
| CGHD | 12 | 228.50±36.72a | 229.10±34.95 | 457.67±71.54 | 737.02±140.48a | 738.68±135.26 | 1475.70±275.27 | 2.43±0.09a | 2.44±0.09 | 2.44±0.09 |
| ISS | 12 | 272.36±34.77a | 272.54±32.76 | 544.90±67.47 | 841.88±141.75a | 839.98±135.69 | 1681.86±277.14 | 2.55±0.18a | 2.57±0.17 | 2.56±0.17 |
| F值 | 17.884 | 20.115 | 19.009 | 11.105 | 11.453 | 11.337 | 5.907 | 6.109 | 6.066 | |
| P值 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | |
注：CGHD为完全性生长激素缺乏；ISS为特发性矮小；与右半球组内比较，aP>0.05
两组患儿脑灰质体积测量值在双侧颞极、额极水平最大，次之为双侧颞中下回、双侧额上中下回的前下区域，在中央前后回、中央旁小叶、双侧顶上小叶邻近区域最小(图2A、图2B)。在双侧颞中下回、额上中下回偏前下区域、双侧顶下小叶、左侧缘上回、双侧角回，CGHD组平均灰质体积值均小于ISS组(图2C)。
CGHD组患儿脑皮层表面积在左侧枕颞内外侧回后部最大，次之为双侧额极、枕极、双侧颞下回、左侧颞中回后部、双侧舌回、右侧枕颞内外侧回后部，双侧楔叶，在双侧中央前后回、顶上小叶、中央旁小叶区域最小；ISS组患儿脑皮层表面积最大的区域为双侧额极、左侧枕极、双侧颞下回中部、双侧舌回、枕颞内外侧回后部、双侧楔叶，次之为上述大脑结构的邻近区域，在双侧中央前后回、顶上小叶、中央旁小叶区域表现为最小(图3A、图3B)。两组患儿皮层表面积测量值在多个脑区存在差异，均表现为CGHD组小于ISS组，差异最大的区域为右侧颞下回后部、右侧枕颞外侧回后部、左侧枕颞内侧回中部，其次为双侧额上中下回前下部、双侧颞中下回、双侧中央后回、右侧中央前回、双侧顶下小叶、双侧楔叶、右侧舌回、右侧角回(图3C)。
GH-IGF-1轴在大脑形态及其认知功能发育中起重要作用，GH缺乏会引起大脑结构、功能的改变，这在成人与儿童中均有体现[2,3,4,14]，但对两者的影响结果存在差异：成人GH缺乏主要引起注意力和记忆障碍[2,3]，而在儿童中则主要表现为智力、认知和运动技能的改变[3,14]，这可能与大脑灰质体积、皮层表面积、皮层厚度测量值的差异相关。本研究中，CGHD组患儿和ISS组患儿两侧大脑半球灰质体积、皮层表面积、皮层厚度差异均有统计学意义，支持上述观点。
IGF-1是在GH作用下，由肝细胞和软骨细胞分泌的多肽，刺激骨骺板增值，并促进胶原和硫酸黏多糖合成，亦参与蛋白代谢的调节[2]。IGF-1受体最丰富的大脑结构为海马[2,3]。有研究发现，CGHD患儿大脑总体积较ISS患儿没有显著下降，而海马、苍白球和左丘脑的体积显著减小，表明了海马、苍白球和左丘脑结构可能更容易受到GH-IGF-1轴变化的影响[3]。本研究中发现CGHD患儿的全脑灰质体积、皮层表面积、皮层厚度均明显小于ISS组患儿，这可能是引起CGHD患儿脑功能改变的解剖学因素之一。
GH缺乏会引起全脑葡萄糖代谢显著降低，在神经元聚集区域(如丘脑、海马及皮层灰质)更加显著[15,16]。这些区域的神经元对葡萄糖代谢降低的高敏感性与易受损性可能是认知功能受损的内在机制。研究发现，成人时期认知功能、记忆和注意力受损可能与其在儿童时期的GH缺乏有关[2,3,4]，且可以通过GH替代治疗改善临床症状[16]。虽然GH缺乏的儿童智商大多在正常范围，但是较高比例的儿童存在阅读、拼写和数学计算方面的学习困难[3,14]。
GH-IGF-I轴对大脑结构的影响存在半球间不对称性，且不仅仅局限于GH和IGF-1受体高表达的脑区，如丘脑、壳核、海马、尾状核等；反之亦然，并非所有高表达GH和IGF-1受体的大脑结构均受到影响[3]。
IGF-1在皮质脊髓束的发育中起重要作用，可特异性地促进运动神经元轴突的生长、发育和成熟，IGF-1信号中断可导致皮质脊髓束轴突生长的停止[2,3,17]；CGHD患儿胼胝体的各向异性分数值、体积值较ISS患儿显著减小，且与IGF-1、认知、运动技能评分下降显著相关，归根结底是由GH缺乏严重程度决定的[3]。本研究结果显示：CCHD和ISS两组患儿中央前后回及其邻近脑区的平均灰质体积、皮层表面积、皮层厚度测量值低于其他脑区，且均非两组患儿测量均值差别最大的区域，这可能从侧面解释了前期研究结果，IGF-1对患儿运动功能的影响可能集中于皮质脊髓束或白质区，而非皮层运动中枢；同时发现，两组患儿的灰质体积、皮层表面积、皮层厚度测量值在语言中枢(额颞叶)存在差异，这可能是两组患儿语言功能存在差异的原因。
CGHD患儿GH治疗的主要目的是提高最终身高，但在婴儿期GH不是生长的主要驱动因素，此时往往不会开始治疗[18]。但是，CGHD患儿早期GH干预治疗以评判其能否纠正大脑结构、认知功能异常及GH治疗之后所带来的人体宏观与微观变化的监测随访，均会对临床治疗实践产生重大影响[18,19]。
人脑结构形态会受到种族、年龄、性别、身高、疾病、遗传等诸多因素的影响[20,21,22,23,24]。为探讨GH缺乏对大脑形态的影响，则需要剔除年龄、性别、身高等其他客观因素的不同而引起的大脑结构形态改变。本研究中选择ISS患儿作为对照组，首要目的是剔除身高因素对大脑结构的影响，以凸显GH缺乏对大脑结构的影响。CGHD患儿与ISS患儿虽然均存在身材矮小，但两者内在机制的不同决定了其本质差别[3]。
本研究中，MRI扫描过程中增加了图像采集次数，延长扫描时间，以增加图像分辨率。观察项目设为全脑及两侧大脑半球灰质体积、皮层表面积、皮层厚度，较单一径线测量值更加准确，且可宏观、准确地发现两组患儿大脑结构测量值的具体差异脑区及大小，为脑功能差异分析提供了解剖学依据。
本研究局限于5岁以上的儿童，是因为在儿童早期髓鞘发育变化迅速，可能会对图像分割、测量结果产生影响。
GH缺乏所导致的儿童大脑结构宏观形态学变化可通过影像学方法显示出来，但后者却无法揭示该变化背后的细胞、分子机制。因此，探索GH-IGF-1轴导致的两组患儿大脑结构微观改变，是下一步更为重要的工作。
本研究为回顾性分析，筛选确诊的病例较少，且未对不同大脑脑区的测量均值及其差值进行统计分析，亦未对皮质下结构进行测量分析；此外，对测量结果与行为学指标之间的相关性未行进一步分析，尚不足以支持CGHD患儿智力、运动功能异常与这些脑结构的改变有直接关系的结论。
总之，CGHD患儿与ISS患儿相比，表现出显著小的全脑灰质体积、皮层表面积与皮层厚度测量值，这些形态学参数的平均值及其差值在大脑皮质存在分布差异、大小差异，笔者推断这可能与CGHD患儿智力、运动或其它功能发育相对落后相关。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
