Circulation：胎儿脑体积预测先天性心脏病患儿的神经发育

背景：神经发育障碍在先天性心脏病（CHD）患儿中很常见，但产后变量仅能解释预后中30%的差异。为了探讨神经发育障碍是否可能开始于子宫，我们分析了胎儿脑体积是否能预测CHD儿童未来的神经发育预后。

方法：采用Bayley婴幼儿发育量表（Bayley III）和适应性行为评估系统（ABAS-3），对患有孤立性CHD的胎儿以及匹配的健康对照胎儿进行胎脑MRI检查和2年神经发育评估。利用分层回归，评估了CHD组中Bayley III和ABAS-3结果的潜在预测因素，包括胎儿的全脑体积（校正胎龄和性别、社会学特征、出生参数以及病史）。

结果：CHD(先天性心脏病)组（n=52）的Bayley III认知、语言和运动评分低于对照组（n=26），但两组的胎儿脑体积相似。在CHD组中，胎儿较大的全脑体积与较高的Bayley III认知、语言和运动评分以及ABAS-3适应性功能评分相关（r=0.32-0.47；P<0.05），但在对照组中无显著相关性。在单变量分析中，胎儿脑体积预测了10-21%的神经发育预后指标差异。多变量模型还纳入了社会阶层和产后因素，解释了18-45%的预后差异。此外，在最终的多变量模型中，胎儿全脑体积是跨脑区神经发育预后的最一致预测因子。

结论：较小的胎儿脑体积是2年神经发育评估结果的一个有力的独立预测因子，可能是评估CHD未来神经发育风险的重要影像学生物标志物。未来的研究需要支持这一假设。我们的研究结果支持将胎儿脑体积纳入风险分层模型，并将其作为胎儿神经保护干预研究的可能结果。

临床前景

创新点：

•在患有先天性心脏病（CHD）的儿童中，MRI显示的较小的胎儿脑体积，与各脑区发育和适应性功能的2年神经发育评估结果较差相关。

•包括全脑体积、社会人口学和医学数据在内的预测模型，可解释CHD组神经发育结果中45%的差异。

•与其他社会人口学和医学/外科变量相比，胎儿脑体积是神经发育领域最一致的预后预测因子。

临床意义：

•这些发现表明，较小的胎儿脑体积可能是CHD未来神经发育风险的重要成像生物标志物。

•虽然我们的结果产生于假设，但其支持测试胎儿干预措施的有效性，以保护大脑并改善CHD儿童的发育轨迹。

神经发育障碍在先天性心脏病（CHD）患儿中很常见。CHD幼儿的认知、语言或运动发育受损的风险更大，而学龄儿童通常在执行功能、注意力、视觉空间技能和社会认知方面存在缺陷。鉴于发育障碍的高患病率和严重影响，2012年美国心脏协会发表声明，建议对所有婴儿期接受心脏手术的儿童进行神经发育评估。

早期识别神经发育受损高风险的CHD儿童，可能有助于改善其预后。然而，包括Boston Circulatory Arrest Trial 和Single Ventricle Reconstruction Trial 在内的大规模前瞻性队列研究，它们的预测模型表明，出生后测量的社会人口学、遗传学和医学因素仅能预测27-30%的结果差异。此外，专注于改变手术方法的干预研究只能轻微改善临床结果。

对患有CHD的新生儿和胎儿进行的磁共振成像（MRI）研究证实了，心脏手术前患儿的脑发育发生了改变，且子宫内CHD胎儿的脑体积较小。由于出生后的神经影像学异常与神经发育的不良结局有关，反映产前脑部MRI显示的胎儿大脑发育紊乱，可能也与随后的神经发育障碍有关。建立胎儿脑发育和神经发育结局之间的关联，为将胎儿脑功能紊乱作为神经发育障碍机制，提供了初步证据。

我们的纵向研究，调查先天性心脏病胎儿的脑MRI与出生后神经发育之间的关系。在这项研究中，我们前瞻性地登记了患有CHD的胎儿和不患有CHD的胎儿，以评估胎儿脑体积与2年神经发育评估之间的关系。我们假设胎儿脑体积可以解释CHD组中大部分的神经发育预后差异。

方法

研究设计和参与者

我们分析了一项前瞻性胎儿脑MRI和神经发育纵向研究的数据。胎儿MRI的合格标准和方法发表在之前的研究中。简言之，研究纳入了患有孤立性CHD的胎儿和有CHD家族史的健康胎儿。纳入标准为孕妇 18-45岁和胎儿18-30周。排除标准包括母婴两方面因素。母亲排除标准为多胎妊娠、CHD、MRI禁忌症或被临床医生认为不合适的（例如考虑终止妊娠）。胎儿排除标准为Hoffman及其同事定义的轻微/轻度CHD、19例心外畸形、脑畸形、已知基因异常或临床发现的先天性感染。为了符合当前的神经发育研究，受试者还必须有至少一个可用的胎儿脑MRI数据，并且该儿童必须神经发育评估。如果参与者出生后在进行神经发育评估之前被诊断出有基因异常，则将其排除。由于安全问题以及新冠肺炎的未知影响，本研究于2020年3月结束注册。波士顿儿童医院机构审查委员会批准了该研究，家长提供了书面知情同意书。数据、分析方法和研究材料将被提供给其他研究人员，以便其复制研究结果或程序。

MRI图像获取及处理

虽然纵向研究包括多个胎儿脑MRI，但本研究分析了胎儿脑MRI的首次扫描数据。我们通过3-T西门子MRI扫描仪获取了多平面重复T2加权单激发快速自旋回波序列，并使用超分辨率体积重建和基于图谱的半自动分割软件处理图像，以计算区域和全脑体积；细节如前所述（图1）。全脑体积包括所有脑实质，并排除脑脊液。检查了15例磁共振成像。

注解 图1：28周时，在轴向（左）、冠状面（中）和矢状面（右）重建胎儿大脑MRI，第二行：大脑结构分割图示。

红色=胎儿皮质；靛蓝=白质；黄色=皮质下灰质核团；绿色=间脑；紫色=脑干；天蓝色=小脑。

2年神经发育（ND）评估

儿童于18-24个月大时接受神经发育评估。通过调查问卷确定了患者及其家庭的人口学特征。贝利婴幼儿发展量表第三版（Bayley-III）是一种发育标准，由一名临床心理学家（AS）实施。某些情况下，心理学家可能会无视孩子的健康状况。然而，在一些情况下，由父母透露了他们孩子的心脏状况，这可能是临床护理的一部分（占CHD组的33%）。计算认知、语言和运动领域的综合得分（平均值±标准差：100±15）和子量表得分（10±3）。父母接受了适应性行为评估系统第三版（ABAS-3）评估，这是一种居家观察的适应性功能标准问卷，从中我们计算了整体适应性功能的综合得分（GAC：一般适应性综合得分）。为了评估可能与神经发育结果相关的临床因素，通过图表审查提取出生参数（如出生体重）、心脏解剖和神经（如中风/癫痫发作）数据。

统计分析

为了解释妊娠期间胎儿大脑的显著增长和MRI检查时的不同胎龄，以及子宫内出现的大脑结构的性别差异，对MRI大脑总体积进行了性别、线性和胎龄校正。全脑体积残差反映了个体全脑体积与线性回归期望值之间的差异。对于给定胎龄和性别，大脑体积小于线性回归预测值的胎儿，其总全脑体积残差为负值，而根据回归方程，大脑体积大于预期值的胎儿，其全脑体积残差为正值。所有分析都使用了全脑体积残差，为简单起见，随后统称为“全脑容量”（total brain volume）。通过相关性和相互作用模型评估了各组（CHD组和对照组）全脑体积改变对神经发育预后的潜在影响。

对于回归模型，我们基于先前的研究，考虑了几个神经发育预后的潜在临床预测因素：主护理人员的教育、白人、男性、单心室解剖、左心发育不全综合征（HLHS）或大动脉转位（TGA）、体外膜肺氧合（ECMO）、心脏解剖（心脏双心室与单心室手术，有/无弓形障碍）、出生体重、出生时胎龄、住院时间、中风、癫痫发作、总支持时间、体外循环氧合（ECMO）、首次手术年龄大于30天。当预测因子具有高度共线性时，择一个因素用于回归模型。例如，由于该队列中胎龄的变异性有限，出生体重可能反映母体环境的信息，因此选择将出生体重纳入研究，而不是胎龄；来自单心室重建试验的数据表明，出生体重可能与神经发育结果有更大的关联。类似地，将心脏类别作为心脏解剖分类的单一变量，因为它捕捉了心室状态和系统性流出道梗阻，并且与神经发育结果相关。

对于CHD(先天性心脏病)组的分层回归模型，我们从胎儿全脑体积（主要变量）开始，然后分阶段考虑其他候选变量，以反映数据可用的顺序。第一阶段包括胎儿全脑体积，第二阶段包括人口学特征（主护理人员的教育、种族和胎儿性别），第三阶段包括心脏分级，第四阶段包括出生体重，第五阶段包括产后医学变量（首次手术年龄、总支持时间、中风或癫痫发作、ECMO和住院时间）。为了进入模型，需要各阶段的候选变量改进Akaike信息标准（Akaike Information Criterion ，AIC），偏相关系数R2为正值。于给定阶段进入模型的变量，在后续阶段被保留。为了以图形方式显示分层回归结果，我们通过将校正R2除以校正后的正R2之和，然后用模型的总校正R2进行分级，来计算每个变量对总校正R2的相对贡献。

我们还采用了两种回归分析方法，以解决分析方法可能会放大胎脑MRI预测价值的可能性，这是为了早期引入了模型，并保留在后续阶段。对于第一种替代方法，“替代层次回归”，我们根据临床可用的顺序引入所有变量：第1阶段：人口学特征；第2阶段：心脏分级；第3阶段：胎儿全脑体积；第4阶段：出生体重；第五阶段：产后医学变量。对于第二种替代方法“逐步向前选择”，我们应用了逐步向前选择回归模型，该模型基于AIC的显著改善，不限制变量的顺序。

结果

人口学和医学特征

在90名符合随访条件的受试者中，78名受试者（CHD=52，对照=26）完成了评估（保留率87%；图2）。在CHD组，与未随访者相比，接受随访的受试者出生时的胎龄更高（38.6±1.6周 Vs 37.1±2.4周，P=0.04）。在对照组中，随访者的母亲年龄较大（32.5±4.1岁 Vs 26.5±3.0岁，P=0.01），且受过大学教育的比例更高（69% Vs 0%，P=0.01）。其他胎儿/母亲特征和脑体积，在随访组与未随访组之间具有可比性。

注解 图2：CHD组和对照组受试者的招募及保留。

该图描述了两组受试者的招募、排除标准，以及神经发育评估。

表1 人口统计学和医学特征。

表1显示了人口统计学和医学特征。未对任何受试者进行母体高氧治疗。在CHD组中，32%的患者患有单心室心脏病，8%的患者接受了胎儿心脏干预，63%的患者接受了新生儿手术。表S1报告了每位参与者的诊断和心脏干预。首次住院时间的中位数为21天。CHD组的出生体重略低于对照组，但两组的母亲、胎儿和产后特征具有可比性。胎脑MRI检查的胎龄范围为20-37周。两组在全脑体积方面没有差异，MRI显示没有胎儿出现实质性脑损伤。

神经发育评估

于2016年6月至2020年3月，进行神经发育评估，于2020年5月前得到所有问卷的反馈。两组的平均评估年龄具有可比性（CHD，22.9±4.3个月；对照组，24.1±4.2；P=0.24）。在Bayley III上，CHD组的认知、语言和运动综合得分低于对照组（d=−6.8, −12.9, −9.7分；所有P<0.05，表2）。CHD组的语言和运动综合方面的得分低于对照组的标准平均值（CHD=17%，21%；对照组=4%，0%）。在所有子量表（即表达性语言、接受性语言、粗大运动、精细运动）中，CHD组的得分显著低于对照组。与对照组相比，CHD组的适应性功能（由GAC测量）更差，尽管这种差异没有达到统计学意义（P=0.06）。

表2 神经发育结果

胎儿脑MRI和神经发育预后的联系

我们分别研究了CHD组与对照组的全脑体积和神经发育预后之间的关系，然后评估了组间的相互作用。在CHD组中，较大的全脑体积与较高的Bayley III和ABAS-3 GAC得分相关（r=0.32-0.47；P<0.05；图3，表3）。相比之下，对照组的全脑体积与任何结果指标均无相关性。在Bayley III粗运动和ABAS-3 GAC评分方面，CHD组的大脑总体积与神经发育结果的相关性更强。

表3 CHD组脑容量残差与神经发育结果之间的相关性

注解 图3：胎儿全脑体积残差与神经发育预后之间的关系。

CHD组显示为红色，对照组显示为蓝色。全脑体积是指校正性别和胎龄（线性项和二次项）后的胎儿全脑体积残差。显示了组内相关性。交互项显著性显示在右下角*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001

胎儿脑体积和神经发育的分层回归

分层回归模型确定了与CHD组Bayley III和ABAS-3低评分有关的危险因素。第一阶段（单变量），全脑体积解释了10-21%的发育差异，考虑所有其他风险因素后，略降至6-21%（表4，图4）。最终的分层模型，包括全脑体积和其他重要的风险因素，解释了神经发育评分中18-45%的差异。被解释差异的最高百分比出现在粗运动领域（45%），全脑体积解释15%的差异。对于适应性功能，全脑体积是唯一有意义的预测因子，可解释21%的差异。不同的临床因素对发育的影响程度不同。例如，护理人员的教育程度分别占表达性语言和接受性语言得风差异的5%和9%，而心脏分类占粗运动得分差异的25%。无论是基于临床的替代分层回归方法，还是基于AIC的逐步向前选择方法，胎儿大脑可解释方差率都没有明显变化。具体来说，这两种模型中，全脑体积预测了神经发育评分差异的6-21%（表S2和S3）。

表 4. 预测 CHD 组神经发育结果的最终分层回归模型

注解 图4：条形图描述了在各神经发育域的分层回归模型中，由每组预测因子的方差解释率。

第一阶段包括胎儿全脑体积残差，第二阶段可以添加人口统计信息（护理者教育、种族或胎儿性别），第三阶段可以添加心脏分级，第四阶段可以添加出生体重，第五阶段可以添加产后医学变量（总维持时间、中风或癫痫发作、ECMO或住院时间）。

ECMO=体外膜肺氧合

讨论

最近的报告显示，患有CHD(先天性心脏病)的胎儿大脑发育不良，但尚未研究胎儿大脑发育对出生后神经发育的影响程度。本研究试图通过一组孤立性CHD胎儿和一组对照组（社会人口学上具有可比性），来评估胎儿脑体积是否能预测2年的神经发育。胎儿全脑体积与CHD组所有神经发育评分相关，而与对照组无关。预测模型包括全脑体积以及社会人口学和医学数据，解释了CHD组神经发育结果中45%的变异。这些发现表明，CHD胎儿较小的脑体积可能是未来神经发育风险的重要影像学生物标志物。这些发现强调了进一步研究的必要性，以评估胎儿脑体积作为成像生物标记物的作用、其机制，以及作为胎儿神经保护干预试验结果标记物的有效性。

这项研究首次揭示了，CHD胎儿脑MRI测量值与神经发育结局之间的直接关系。在分层回归模型中，仅胎儿脑体积就可以预测神经发育评分差异的10-21%。值得注意的是，在考虑了其他产前和产后风险因素后，它仍然是重要的预测因子。尽管在所有领域的发育中都观察到了这些关联，但两岁仍然是发育轨迹的早期阶段；因此，无法明确胎儿脑体积与长期功能之间的关系。对这一群体的研究正在进行中，以确定这些关联是否在学龄期持续存在。值得注意的是，胎儿脑体积是预测适应性功能的唯一变量，它解释了21%的变异。鉴于功能性结果（如自我护理、沟通和社交技能）的缺陷通常会贯穿一生，这一发现尤其令人感兴趣。

我们的研究结果建立已有文献的基础上，这些文献提出了胎儿大脑健康与出生后神经发育之间的关系。Williams及其同事发现，子宫内CHD胎儿脑血管阻力与Bayley III神经发育评分相关。一项针对高危胎儿（包括12例CHD）的探索性研究发现，胎儿大脑的超声测量值与基于问卷调查的神经发育之间存在关联。最后，在其他人群中，如早产儿和患有CHD的较大儿童，脑部MRI测量值与长期大脑结构和神经发育有关。

本研究采用分层回归方法进行分析，首先评估胎儿脑体积预测值（即感兴趣的变量），然后依次添加产前、出生和产后数据。采用这种方法是为了确定神经发育风险的生物标志物，这些生物标志物可在无法获得出生和出生后的医学数据时，用于产前咨询或产前医疗。两种替代方法，即基于临床的替代层次回归模型和逐步向前选择模型产生了类似的结果。

虽然本研究不是为了确定导致胎儿大脑和神经发育受损的潜在机制，但现有文献提出了几种可能性。发育中的胎儿大脑高度依赖于氧/营养物质的输送，可能特别容易受到生理障碍的影响。心脏解剖结构异常可直接减少向胎儿大脑输送的氧/营养物质；事实上，低耗氧量与CHD患者的大脑体积较小有关。胎儿脑血流动力学的重要性得到了不同研究的支持。先前的研究（与本研究所用队列相同）发现，诊断为HLHS和TGA的胎儿在产前脑氧/营养传递中断的程度最大，局部脑体积的减少最为显著。单心室状态也与较小的全脑体积有关。虽然本研究无法通过诊断来解释差异，但III类和IV类（单心室解剖）患者的粗大运动评分最低。值得注意的是，在目前的研究中，对神经发育结果，胎儿脑体积的可解释方差率高于心脏类别。

胎盘异常也可能影响发育中的大脑，母体因素（如先兆子痫、糖尿病）会影响胎盘发育和功能，从而导致生理发育障碍。此外，社会经济因素可能通过改变胎盘的母体环境（如吸烟或糖尿病）或通过社会决定因素（如护理、家庭环境）导致不利的母婴环境。无论机制如何，我们的数据表明，胎儿脑体积可能是有用生物标志物，未来可用于不同生理途径的胎儿神经保护试验。

除了生理环境，遗传因素也是导致先天性心脏病胎儿脑发育不良的潜在因素。遗传可能会改变心脏和大脑的发育，例如通过单基因疾病（如CHARGE）、拷贝数变异（如DiGeorge）或具有较温和表型的基因变异。目前的研究排除了心外或基因异常的儿童。然而，通用基因检测并不是这项研究的一部分。影响心脏和大脑发育的新生突变或罕见变异可能仍存在于我们的队列中，并有助于大脑体积和神经发育之间的关联。

对照组为胎儿脑体积和神经发育之间的关系提供了更多的见解。该组由有CHD家族史的健康胎儿组成，他们与CHD组的社会人口学特征相似，脑体积相似。在对照组中，脑体积与神经发育无关，而在CHD组中，脑体积与神经发育有关。由于社会人口学变量具有可比性，且CHD家族史可能会提供两组之间遗传背景和子宫/母亲因素的某些重叠，我们的研究结果该假设一致，即胎儿循环障碍直接或间接解释胎儿脑体积与神经发育结局之间的关系。先前的研究支持了这一假设，即胎儿脑氧/营养物预期输送量最低的胎儿，其脑发育障碍最严重，特别是对缺氧敏感的脑区。

最后，本研究强调了CHD神经发育障碍的多因素病因。多变量模型解释了45%的神经发育结局差异，而产后研究最多只能解释30%的差异。根据现有文献，心脏解剖结构、母亲教育和住院时间都有助于构建神经发育结果的预测模型。心脏解剖结构与较差的运动得分相关，而母亲教育程度较低与较差的语言技能相关。明显的脑损伤，如癫痫或中风，与神经发育结果的显著恶化无关；然而，患者没有进行常规术后脑电图或神经影像学检查。考虑到CHD病人群中隐匿性脑损伤的高发病率，我们观察到的发病率可能代表一个下限，改进检测方法可能会产生更大的预测价值。尽管如此，在本研究中，胎儿脑体积是神经发育结果的最一致预测因子。