长新冠：肺部病理生理学及其与认知功能障碍的关系 - 认知障碍

摘要

新冠肺炎的急性后遗症（长新冠）包括身体和认知症状，这些症状可能在急性感染后持续很长时间。长新冠中肺部病理生理学与认知功能障碍之间的联系在很大程度上尚未得到探索。本研究从一家新冠后诊所招募了长新冠参与者。参与者在同一研究访问中完成了患者报告结果测量信息系统（PROMIS）症状问卷（睡眠障碍、焦虑、抑郁和认知功能）、国立卫生研究院工具箱认知测试电池（NIHTB-CB）、肺功能测试（肺活量测定、肺扩散能力）、结构和功能性脑磁共振成像（MRI），以及用于评估通气和区域肺气体交换的129Xe MRI。使用Spearman偏相关分析评估了长新冠中肺功能与认知功能之间的二元关系，并对年龄进行调整。评估了12名参与者（年龄=54±11岁；10名女性），他们在感染后32±5个月接受了评估。PROMIS症状评分表明，日常生活中感知认知功能降低，同时疲劳、焦虑、抑郁症状和睡眠障碍增加。然而，NIHTB-CB上的客观认知功能表现总体在正常范围内。较低的129Xe MRI气体交换与更严重的睡眠障碍症状、执行功能表现降低以及通过脑MRI测量的脑灌注升高相关。这些结果提示，在这种长新冠人群中，肺部病理生理学与认知功能障碍之间存在联系，这些人群在感染后两年多仍存在持续的呼吸和认知症状。

引言

从急性新冠肺炎中恢复的相当一部分人继续经历持续的新冠相关症状，这些症状远远超出了初始感染的解决期。这些症状高度异质，影响多个器官系统¹˒²。最常见的症状包括呼吸困难、疲劳、运动不耐受和脑雾¹˒³。症状持续超过三个月通常被称为长新冠，而最新证据表明，这种情况可能持续数年¹。在美国，长新冠估计影响约14%最初感染SARS-CoV-2的人群⁴，尽管一些估计表明患病率可能高达60%，影响数百万人⁵。

呼吸困难是长新冠最常见的症状之一，但不幸的是，传统肺功能测试在大多数患者中无法检测到显著的肺功能障碍，这使诊断和管理变得复杂。超极化氙-129（129Xe）磁共振成像（MRI）是一种技术，可以对包括气体交换在内的肺功能进行敏感的区域性测量。这是因为129Xe可以自由扩散到肺实质、血浆和红细胞（RBC）中，具有MRI上不同的化学位移频率。129Xe MRI已在多项长新冠研究中用于表征通气和气体交换⁶˒⁷˒⁸˒⁹˒¹⁰˒¹¹˒¹²˒¹³，揭示129Xe具有足够的敏感性来检测与长新冠相关的肺功能异常。纵向研究进一步表明，尽管129Xe MRI测量值随时间有所改善，但异常可能持续到感染后长达一年⁸˒¹³。

除了呼吸系统症状外，约40%的长新冠患者报告有脑雾，如记忆力问题和注意力不集中困难¹⁴。脑MRI被用作研究这些认知和中枢神经系统表现的工具。研究结果在各研究之间有所不同，但对25项研究中超过1200名长新冠参与者的综述文章强调，灰质（GM）萎缩、扩散加权成像的变化以及灌注减少是最一致的发现¹⁵。

尽管急性新冠肺炎中有明确的呼吸系统参与，且长新冠中呼吸和认知症状持续存在，但肺部和神经系统异常之间的关系仍 poorly understood。迄今为止，尚无前瞻性研究系统地调查该人群中肺和脑功能障碍之间的联系。在这项探索性研究中，我们有三个主要假设：（1）与对照人群相比，这个长新冠样本的气体交换测量值会更低；（2）肺功能和认知功能之间存在联系，即129Xe肺气体交换指标将与长新冠患者的客观认知功能相关；（3）肺功能的129Xe MRI测量值将与脑MRI测量的体积、灌注和白质（WM）完整性相关。

方法

研究参与者和设计

从学术医疗中心的新冠后诊所招募了18岁或以上有持续呼吸困难和/或疲劳的参与者。参与者提供了爱荷华大学伦理委员会（IRB-01-202108151）批准的协议的书面知情同意，该协议包括纵向研究访问。包括完成129Xe MRI、脑MRI和认知测试的参与者子集用于本探索性研究。所有实验均按照已发布的指南、法规和《赫尔辛基宣言》进行。四名参与者在急性感染期间曾住院，其余为门诊患者。纳入标准要求当前鼻咽拭子新冠PCR检测为阴性，以及以下至少一项：急性感染期间住院、肺功能测试异常证据或胸部CT异常。如果存在其他心肺疾病史或任何活动性呼吸道感染，则将参与者排除在外。在一次研究访问中（图1），参与者完成了：症状问卷、客观认知功能测试、肺功能测试（PFT，包括肺活量测定和扩散能力）、脑MRI和129Xe肺部MRI。另一项研究中的健康对照仅接受了129Xe肺部MRI和PFT，被回顾性纳入进行比较。对照组经过筛查以确认无心脏病或肺病史，且无呼吸道或长新冠症状。他们被选择为具有与长新冠样本相似的年龄和性别分布。

图1

研究访问时间线。参与者研究访问的按时间顺序排列。参与者首先进行PFT、PROMIS和NIHTB-CB。然后进行脑部成像，随后进行129Xe MRI。缩写：PFT = 肺功能测试；PROMIS = 患者报告结果测量信息系统；NIHTB-CB = 国立卫生研究院工具箱认知测试电池；MPRAGE = 磁化准备快速梯度回波；ASL = 动脉自旋标记；FLAIR = 流体衰减反转恢复；DTI = 扩散张量成像；MRI = 磁共振成像。

症状测量、认知功能和肺功能测试

审查参与者的医疗记录，以从其新冠后诊所记录中识别长新冠症状，并确定任何记录的合并症。在研究人员监督下管理PROMIS症状问卷，以评估身心健康¹⁶。调查包括认知功能（v2.0，表10a）、疲劳（v1.0，表4a）、焦虑（v1.0，表4a）、抑郁（v1.0，表4a）、睡眠障碍（v1.0，表4a）、呼吸困难严重程度（v1.0，表10a）和疼痛干扰（v1.0，表4a）。使用基于表现的NIHTB-CB评估客观认知功能¹⁷˒¹⁸。PROMIS问卷和NIHTB-CB都有规范样本，可用于计算相对于健康人口统计学匹配个体预期的t分数。t分布以50为中心，标准差为10，这意味着60分表示性能比平均值高一个标准差。

NIHTB-CB上所有个体测试的年龄和教育调整t分数被平均，以创建总认知综合评分。还计算了领域t分数平均值，包括预先确定的以下认知领域：（1）执行功能（Flanker抑制控制和注意力，维度变化卡片分类）；（2）处理速度（模式比较处理速度，口头符号数字）；（3）语言（口头阅读识别，图片词汇）；（4）记忆（图片序列记忆）。在认知评估过程中通常进行表现有效性评估，以识别由于潜在努力不足或参与度不够而导致的不可信表现，确保分数反映参与者的真实能力¹⁹。我们基于NIHTB-CB分数检查了嵌入式有效性指标（EVI），使用Abeare等人概述的方法²⁰。该方法应用于所有参与者的NIHTB-CB配置文件，使用传统EVI的宽松截止值。

肺功能测试由认证呼吸治疗师进行，包括1秒用力呼气容积（FEV1）、用力肺活量（FVC）、FEV1/FVC比值、用力中期呼气流量（FEF25-75）和一氧化碳肺扩散能力（DLCO），符合美国胸科学会和欧洲呼吸学会指南²¹˒²²。

脑MRI采集和分析

脑MRI在3T Signa Premier（GE Healthcare，Waukesha，WI）上使用48通道头线圈进行，参与者仰卧，头先进。该方案包括两个结构图像；磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）和T2加权流体衰减反转恢复（FLAIR）。MPRAGE图像使用BRAINS AutoWorkup处理，以量化大脑灰质和白质体积²³。使用Advanced Normalization Tools（ANTs）包进行预处理，包括Rician去噪和N4偏场校正²⁴。该流程还包括适应Desikan-Killiany图谱的迭代脑部分割框架²⁵。FLAIR图像使用FreeSurfer的SAMSEG工具处理，以识别白质高信号体积²⁶。

还采集了两个额外的序列，包括DTI和T1加权伪连续ASL扫描。DTI和ASL数据在FMRIB软件库中处理²⁷。对于DTI，使用Top-up和eddy工具校正相位编码失真和涡流伪影。然后使用DTIfit重建每个体素的扩散张量模型。这些张量用于计算各向异性分数（FA）、平均扩散率（MD）和径向扩散率（RD）。ASL采集包括对照图像和标记图像。这两幅图像相减以估计脑灌注（CP）。解剖和扩散图像归一化到ICBM 2009b空间。

129Xe MRI采集和分析

使用商用超极化器（Model 9820，Polarean，NC）对同位素富集的129Xe进行超极化。超极化后，将氙气在低温下储存，然后升华并分装到1L Tedlar剂量输送袋中。每剂的总体积根据参与者预测FVC的20%计算，基于年龄、性别、身高和种族²⁸。129Xe MRI使用先前用于脑部采集的相同MRI系统获取。129Xe图像使用内部流程和ANTs进行分析。图像使用N4算法进行偏场校正。

参与者仰卧，脚先进，并配备商用单通道胸部线圈（Polarean Xenoview，Raleigh-Durham，NC）。获取了三个129Xe扫描（校准、通气和气体交换采集）；每个都在10秒屏气内完成²⁹。校准扫描用于计算中心频率、发射电压和回波时间（TE），其中肺泡-毛细血管膜（mem）和红细胞（RBC）隔室相位差为90°（TE90）。通气采集是2D多切片快速梯度回波。使用自适应K-means聚类算法³⁰，为每位参与者计算通气缺陷百分比（VDP）。校准和通气扫描均使用高纯度氮气作为缓冲液，产生相当于91.6±9.8 mL 129Xe的剂量体积²⁹。

使用1点Dixon技术获取气体交换图像²⁹˒³¹。这些扫描使用交错3D径向采集，使用先前描述的TE90，以0.5°和20°翻转角获取每个气体和溶解相信号的1000个径向投影。然后通过取每个隔室的比率来量化气体交换，生成RBC:mem、RBC:gas和Mem:gas图和测量值。这些采集使用未缓冲的纯氙气，剂量相当于195.5±28.6 mL 129Xe。表1显示了所有脑部和肺部MRI指标及其生理意义。

表1 成像指标及其生理意义

统计分析

使用R统计软件（V4.3.1，R Core Team，2023）进行统计分析。使用Welch's t检验比较长新冠和健康对照之间的PFT和129Xe MRI指标。使用单样本t检验将PROMIS和NIHTB-CB分数与内部参考分布进行比较。使用Spearman偏相关评估肺功能测量值与脑部结果之间的二元关系，并将年龄作为协变量，这得到了先前工作支持，表明129Xe MRI测量值随年龄下降³²˒³³˒³⁴。PROMIS心理健康（抑郁和焦虑）问卷也被包括作为协变量，特别是用于评估气体交换与执行功能以及气体交换与脑灌注的关系，以确认这些关系。具体而言，在129Xe MRI上的气体交换测量值与PROMIS症状问卷（认知功能和睡眠障碍）、NIHTB-CB（总认知综合和四个认知领域）和脑MRI指标（全脑体积、WM高信号体积、FA、MD、RD和CP）之间进行了相关性分析。

结果

研究样本

评估了12名参与者（10名女性；年龄=54±11岁，范围=30-64岁）和10名健康对照（8名女性；年龄=47±12岁，范围=28-65岁）。长新冠参与者在急性新冠感染后32±5个月（范围=24-43个月）。一名参与者因使用方法中描述的EVI标准识别出不可信的表现有效性而被排除在国立卫生研究院工具箱V3认知测试电池（NIHTB-CB）分析之外。由于研究访问期间的时间限制，并非所有神经影像扫描都为每位参与者获取。扩散张量成像（DTI）为12名参与者中的9名获取，动脉自旋标记（ASL）为12名参与者中的10名获取。然而，所有参与者都获取了结构脑扫描。

人口统计学、病史和肺部测量

队列人口统计学和肺功能如表2所示。长新冠参与者和健康对照在年龄（p=0.17）、性别（p=0.85）和BMI（p=0.36）方面匹配良好。预先存在的合并症和长新冠症状摘要见表3。在有完整医疗记录的参与者中，报告的预先存在的合并症包括高血压（3/11）、哮喘（3/11）、纤维肌痛（2/11）、抑郁（2/11）、神经病变（2/11）、糖尿病（1/11）和睡眠呼吸暂停（1/11）。每位参与者至少有两种可归因于长新冠的症状，报告最多的症状是疲劳（8/11），其次是呼吸困难（6/11）和头痛（5/11）。除一名长新冠参与者外，所有参与者的PFT均正常，该参与者FVC正常（>80%预测值），但FEV1、FEV1/FVC、FEF25-75和DLCO异常（均≤70%预测值）。长新冠参与者和健康对照在PFT测量值或129Xe肺部MRI方面没有显著差异（所有p>0.35）。

表2 人口统计学和肺功能

表3 合并症和长新冠症状

症状问卷和客观认知功能

患者报告结果测量信息系统（PROMIS）症状问卷和NIHTB-CB的t分数的箱线图如图2所示。长新冠参与者的平均PROMIS分数（表S1）表明，与健康个体的规范预期相比，日常生活中的感知认知功能显著降低（µt分数=33.9，p<0.001），疲劳症状升高（µt分数=62.7，p<0.001）、焦虑（µt分数=58.2，p=0.005）、抑郁（µt分数=56.8，p=0.001）和睡眠障碍（µt分数=59.9，p<0.001），但呼吸困难严重程度平均（µt分数=47.2，p=0.33）和疼痛干扰（µt分数=53.9，p=0.28）。与日常生活中报告显著认知困难的主观报告相反，参与者在客观NIHTB-CB任务上的表现显示，11名参与者中有10名的总认知综合评分在正常范围内（即在平均值的一个标准差内或更好）。总认知综合评分比平均值低一个标准差以上的单个参与者在执行功能（EF）、处理速度（PS）和语言领域表现较低。样本的平均t分数在总认知综合（µt分数=55.5，p=0.08）、EF（µt分数=49.8，p=0.95）、PS（µt分数=52.5，p=0.22）、语言（µt分数=52.8，p=0.13）和记忆（µt分数=57.0，p=0.01）方面均在正常范围内。

图2

客观和主观认知评估的箱线图。顶部：PROMIS t分数表明认知功能降低（33.9[29.6-38.7]）以及疲劳（62.7[56.6-66.8]）、焦虑（58.2[55.2-63.3]）、抑郁（56.8[52.0-60.9]）和睡眠障碍（59.9[53.4-64.1]）升高。底部：NIHTB-CB年龄和教育调整t分数表明执行功能略低（49.8[44.3-57.3]），处理速度（52.5[50.0-56.8]）、语言（52.8[51.3-55.8]）、记忆（57.0[52.3-62.0]）和总认知综合评分（55.5[51.0-61.0]）略高。所有值报告为（中位数[第1四分位数-第3四分位数]）。缩写：PROMIS = 患者报告结果测量信息系统；NIHTB-CB = 国立卫生研究院工具箱认知测试电池。

肺功能与脑功能之间的关联

图3显示了两名示例参与者的代表性肺气体交换和ASL灌注图像。参与者A的肺气体交换129Xe MRI测量值高于参与者B（RBC:mem = 0.49 vs. 0.27），但脑灌注（CP；26.8 ml/min/100 g vs. 46.9 ml/min/100 g）较低。参与者A的客观认知功能也较高（t分数=65.0 vs. 45.0），并通过PROMIS评估的睡眠障碍较低（t分数=59.3 vs. 52.8）。如图4所示，RBC:mem和RBC:gas与通过ASL测量的总CP呈负相关（ρ=-0.70，p=0.04，两个测量值）。当使用焦虑和抑郁PROMIS问卷分数作为协变量时，每个测量值仍具有统计学意义。同样在图4中，RBC:mem（ρ=-0.54，p=0.09）和RBC:gas（ρ=-0.91，p<0.001）与问卷上睡眠障碍的严重程度呈反比相关。有趣的是，CP也与睡眠障碍显示出强烈的正相关关系（ρ=0.85，p=0.004）。

图3

气体交换和ASL灌注图像。36岁女性（参与者A）和58岁女性（参与者B）的129Xe气体交换[RBC:mem，RBC:gas，mem:gas]和脑ASL灌注叠加在解剖T1图像上的代表性图像。功能性129Xe图基于健康参考分布平均值的标准差着色（绿色表示正常健康参考）。缩写：RBC = 红细胞；mem = 膜；ASL = 动脉自旋标记。

图4

肺气体交换、睡眠障碍和脑灌注之间的关系。顶行：PROMIS睡眠障碍与RBC:Mem（ρ=-0.54，p=0.09）和RBC:Gas（ρ=-0.91，p<0.001）呈反比相关。较高的PROMIS睡眠障碍分数表示睡眠质量更差。底行：CP与RBC:Mem（ρ=-0.699，p=0.036）和RBC:Gas（ρ=-0.701，p=0.035）呈反比相关。相关性是控制年龄的Spearman偏相关。缩写：RBC = 红细胞；Mem = 膜；CP = 脑灌注。

129Xe MRI测量值也与客观认知测试相关（图5）。具体而言，RBC:mem与EF（ρ=0.67，p=0.03）呈正相关，并显示出与总认知综合评分的趋势（ρ=0.55，p=0.10）。当使用焦虑和抑郁PROMIS问卷分数作为协变量时，这些关联仍具有统计学意义。

图5

肺气体交换与认知之间的关系。顶行：总认知综合t分数与RBC:Mem（ρ=0.55，p=0.10）有趋势关系，但与RBC:Gas（ρ=0.23，p=0.52）无关。底行：执行功能认知构念t分数与RBC:Mem（ρ=0.67，p=0.03）相关，但与RBC:Gas（ρ=0.50，p=0.14）无关。相关性是控制年龄的Spearman偏相关。缩写：RBC = 红细胞；Mem = 膜。

相比之下，129Xe MRI测量值与日常生活中的认知困难主观报告（即PROMIS认知功能）无关。对脑叶体积的初步分析显示与129Xe肺部MRI有显著关系，但在考虑年龄后不再显著（表S2）。同样，当评估WM高信号体积和脑扩散指标（FA、MD、RD）时，在控制年龄时关系不显著。

讨论

在这项对12名急性感染后两年多的长新冠患者的探索性研究中，我们观察到129Xe MRI上的肺功能与自我报告的症状调查、定量认知表现和脑灌注之间存在显著关联。在这项研究中，我们最初提出了三个假设。最显著的发现是，129Xe MRI气体交换减少与更大的睡眠障碍、通过ASL增加的脑灌注以及执行功能测试表现降低相关，这与第二和第三假设一致。然而，与第一个假设相反，这些参与者在与对照组比较时没有显示出显著差异。值得注意的是，虽然参与者在主观问卷上报告了认知症状和睡眠障碍，但他们的客观认知测试分数保持在正常范围内。

日常生活中的认知困难主观报告与客观认知测试表现之间的差异很有趣。一些先前使用大型研究队列的研究记录了长新冠患者在包括推理和执行功能在内的客观认知测量方面表现下降³⁵˒³⁶˒³⁷。但我们的发现与报告在问卷测量上日常生活中显著的主观认知困难但在长新冠中平均客观认知测试分数的文献一致³⁸˒³⁹。Ryan等人³⁸建议，认知效应可能是亚临床的，并在短时间爆发中得到补偿，可能导致患者报告结果捕捉到但简短的客观测试无法捕捉到的一天中认知功能的下降。Whiteside等人³⁹观察到认知投诉与心理困扰之间存在显著关系，从而得出结论，情绪和焦虑可能是感知认知缺陷的重要促成因素。

我们的研究通过强调肺功能和呼吸疾病过程对这些症状的潜在贡献，增加了新的视角。呼吸工作量增加可能会加剧心理困扰和健康状况不佳的感知。睡眠障碍在长新冠患者中也很常见³⁸˒⁴⁰，并可能导致认知症状和心理健康问题。较差的129Xe气体交换与睡眠障碍升高和脑灌注增加相关。呼吸困难可能导致睡眠质量下降，但我们发现长新冠和健康对照在PFT或129Xe MRI方面没有统计学差异。可能在我们研究时，急性感染后的肺功能已经恢复正常，而自主控制仍然紊乱，影响睡眠，反之亦然。睡眠障碍的多因素性质，包括压力和心理困扰，使得建立与横断面数据的直接因果联系变得复杂。

先前的脑灌注研究观察到长新冠与健康对照相比脑灌注减少⁴¹˒⁴²，类似于COPD患者中脑血流量同样较低的发现⁴³。我们发现129Xe MRI上的气体交换与脑灌注呈负相关，即气体交换较差，这一点值得进一步提及，并表明脑灌注在长新冠中的重要性。我们强调，所有脑MRI研究都发生在Xe MRI之前，因此任何残留的亚临床麻醉效应都不是因素。肺功能和脑灌注之间的负相关可能是正常的补偿效应，通过增加流向大脑的血流量来抵消气体交换效率的降低。脑灌注与睡眠障碍评分的正相关进一步支持了脑灌注的重要性。肺气体交换和脑灌注彼此之间以及与睡眠障碍评分的相关性表明，可能存在共同的潜在机制，如全身血管损伤或自主功能障碍导致这两种效应。已发现一种称为"胎儿脑保护"⁴⁴的机制，其中静息低氧会导致胎儿脑血管床的血管舒张和外周的血管收缩。然而，这些参与者在Xe MRI期间通过手指体积描记术没有显示出静息低氧的迹象。这些复杂发现强调了在更大、特征明确的队列中进行进一步研究的必要性，可能结合运动或压力测试来揭示生理缺陷。此外，它们还表明，针对血管调节和睡眠质量的干预措施可能对管理持续的长新冠症状有希望。

我们的研究有几个重要局限性。这是一个小样本，意味着可能统计功效不足。此外，缺乏对照组的脑MRI和认知表现研究，无法评估与长新冠样本的组间差异。虽然我们可以显示肺功能在两组之间相似，但无法确认脑灌注是否与健康对照样本不同。因此，我们无法确定这些关系是长新冠病理生理学特有的，还是睡眠障碍或肺气体交换减少的正常补偿机制。此外，已经确定肺功能和脑功能随年龄变化。本研究中的一些变量有参考标准（PFT，NIHTB-CB），但成像指标没有，需要未来与年龄匹配的对照组进行比较。最近有研究试图确定年龄和其他人口统计学因素如何影响129Xe气体交换，但这项工作仍在进行中³²˒³³˒³⁴。小样本量进一步限制了我们生成多元模型的能力，因此在本研究中我们通过偏相关来考虑年龄。评估长新冠患者的另一个常见局限性是他们症状明显。将此样本与感染新冠后无症状恢复的个体组进行比较可能有助于区分新冠恢复特征。最后，使用PROMIS和NIHTB的整体分数是另一个局限性。虽然我们观察到主观症状报告（即PROMIS）和客观认知测试（即NIHTB）之间的不一致，但这种缺乏关联可能部分是由于这些评估的全面性；小样本中的详细问题可能无法捕捉到。