偏頭痛是世界范圍內(nèi)發(fā)病普遍、致殘率高的疾病之一，產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。然而，偏頭痛的發(fā)病機(jī)制不明，尚無可識別病理改變的診斷標(biāo)志物。針對偏頭痛的特異性標(biāo)志物將有助于診斷及發(fā)病機(jī)制的研究，對開發(fā)新療法存在潛在的臨床價值。在過去數(shù)年中，神經(jīng)影像與遺傳學(xué)的研究對于標(biāo)志物的識別帶來了重要進(jìn)展，越來越多的腦成像研究為研究偏頭痛發(fā)作期及發(fā)作間期臨床癥狀的潛在腦機(jī)制提供了重要信息。同樣，大規(guī)模的全基因組關(guān)聯(lián)分析已識別與先兆偏頭痛與無先兆偏頭痛這一常見偏頭痛形式相關(guān)的遺傳變異。共44個獨立的單核苷酸多態(tài)性位點被發(fā)現(xiàn)與偏頭痛的發(fā)病機(jī)制存在密切相關(guān)，并為血管機(jī)制的參與提供了新證據(jù)。神經(jīng)影像與遺傳作為偏頭痛標(biāo)志物具有極大潛力。本文對現(xiàn)有及潛在的神經(jīng)影像與遺傳標(biāo)志物結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并對標(biāo)志物對于機(jī)制的理解及潛在的神經(jīng)影像及遺傳聯(lián)合進(jìn)行討論。本文由澳大利亞學(xué)者發(fā)表在NATURE REVIEWS NEUROLOGY雜志。

正文：

偏頭痛發(fā)病普遍，在2015年全球疾病負(fù)擔(dān)研究中，偏頭痛因造成長期殘疾在全球310種疾病中排名第7。偏頭痛所造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)在所有中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中排名第2，僅在歐盟國家年經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)達(dá)到1110億英鎊。

        根據(jù)國際頭痛學(xué)會第二版診斷標(biāo)準(zhǔn)，也是目前研究中最為常用的診斷標(biāo)準(zhǔn)，偏頭痛可分為兩種常見類型：無先兆偏頭痛（MO）及典型先兆偏頭痛（MA）。這兩種類型占據(jù)偏頭痛的90-95%，余下5-10%為少見的伴有特異性神經(jīng)系統(tǒng)癥狀的偏頭痛。偏頭痛確切的病因及不同類型之間病理生理差異目前尚不明確，缺乏具有診斷價值的特異性病理改變。因而臨床對于偏頭痛的診斷主要依據(jù)頭痛癥狀的特征及相伴隨的癥狀，其內(nèi)科系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)查體及實驗室檢查通常正常。提高對偏頭痛病理生理機(jī)制的理解對偏頭痛的臨床診治及發(fā)展?jié)撛诘挠行е委煱悬c提供巨大幫助。

挖掘影像及遺傳數(shù)據(jù)

偏頭痛的發(fā)作常伴隨非疼痛癥狀，包括：感覺過敏、惡心、認(rèn)知障礙及情緒異常，表明偏頭痛會影響整個大腦。影像對于理解大腦機(jī)制提供潛在研究價值。同樣，40-60%偏頭痛的遺傳率表明遺傳因素在疾病中發(fā)揮重要作用，識別與偏頭痛相關(guān)的特異性基因變異對于探索疾病病因具有幫助。其他研究方法也可提供對疾病的見解，包括：生物液體分析（血清、唾液、腦脊液），神經(jīng)生理測評分析（誘發(fā)電位），腦磁圖與腦電圖。但目前針對偏頭痛，進(jìn)展迅速且最具穩(wěn)健性及信息量較大的生物標(biāo)志物研究仍為影像學(xué)與遺傳學(xué)研究。
偏頭痛的影像學(xué)研究

偏頭痛存在多種臨床表型，很多方面表現(xiàn)不同，包括：發(fā)作頻率（發(fā)作性或是慢性，慢性包含一個動態(tài)的慢性化過程）、有無先兆、感覺、情緒、運動及自主神經(jīng)系統(tǒng)改變；歷經(jīng)發(fā)作前期、發(fā)作期、發(fā)作后期及發(fā)作間期；先兆癥狀，可出現(xiàn)在發(fā)作前2天，包括疲勞、認(rèn)知、情緒改變或頸強(qiáng)直；性別相關(guān)差異。多數(shù)改變反映大腦狀態(tài)的變化（感覺、情緒、自主神經(jīng)及認(rèn)知）；因此，通過神經(jīng)影像將臨床表現(xiàn)轉(zhuǎn)化為大腦表型，評估大腦功能、結(jié)構(gòu)、代謝是具有意義的（Fig1）。

   

圖1.偏頭痛狀態(tài)進(jìn)展的標(biāo)志物

上兩列為疾病狀態(tài)及潛在的影像標(biāo)志物。“Biomarker criteria”一列總結(jié)每個疾病階段當(dāng)前標(biāo)志物研究進(jìn)展---探索、驗證、描述特征或是替代。標(biāo)志物可被用來評估藥物療效或疾病狀態(tài)，如：慢性化、改善或癥狀治療。

神經(jīng)影像存在的問題在于難以區(qū)分所觀察到的改變是致病性、疾病所造成的，或是兼而有之。隨著年齡增長或偏頭痛發(fā)作頻率增加，大腦存在進(jìn)行性改變表明疾病驅(qū)動大腦變化。相反，腦改變的神經(jīng)影像標(biāo)志物看似是可逆的，至少會隨著發(fā)作的減輕而變化表明標(biāo)志物可表征疾病活動。然而，一些變化所代表的生理意義并不清楚，例如：在藥物使用過度例如阿片類藥物引起的頭痛中，當(dāng)藥物撤退會觀察到一些腦區(qū)變化，但其中因果關(guān)系未知。且這些變化在其他疼痛中是否存在尚未可知。

總之，神經(jīng)影像可作為疼痛進(jìn)展的標(biāo)志物，且在偏頭痛領(lǐng)域從功能、結(jié)構(gòu)、代謝方面的影像研究呈指數(shù)增長。在接下來的部分，將著重評估神經(jīng)影像包括功能磁共振（fMRI）、PET用于識別偏頭痛及其進(jìn)展的標(biāo)志物的開發(fā)及應(yīng)用。
動態(tài)偏頭痛大腦成像

偏頭痛大腦成像多數(shù)在發(fā)作間期進(jìn)行，發(fā)作期較少，發(fā)作前期、先兆期及發(fā)作后期的研究更少。盡管如此，偏頭痛發(fā)作期的神經(jīng)影像研究依然為圍發(fā)作期的各個方面提供了新思路。這些觀察有助于對偏頭痛及發(fā)作前、中、后期的潛在機(jī)制的理解（圖2）。

圖2. MRI測量的定義及偏頭痛腦功能及結(jié)構(gòu)示例

血氧水平依賴性（BOLD）功能磁共振成像（fMRI）顯示丘腦激活伴痛覺異常。同一患者的強(qiáng)迫癥狀態(tài)（偏頭痛期間對熱刺激的敏感性增加）和基線狀態(tài)之間的BOLD-fMRI信號差異顯示在紅橙色區(qū)域。

靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)（RSN）fMRI顯示頂額葉靜息狀態(tài)的具體變化。

體素形態(tài)計量學(xué)（VBM）顯示中央后回的區(qū)域皮層厚度增加，高頻偏頭痛組相對對照組皮層厚度增加。擴(kuò)散張量成像（DTI）顯示偏頭痛患兒與健康對照組的白質(zhì)擴(kuò)散率顯著降低（P<0.05，FEW校正），在MNI空間的分?jǐn)?shù)各向異性（FA）模板上可視化。

磁共振波譜（MRS）結(jié)果顯示了偏頭痛患者MRS體素記錄的2D J空間1H MRS數(shù)據(jù)成像，顯示興奮或抑制通道的改變。

  發(fā)作前期成像：識別圍發(fā)作期標(biāo)志物用來預(yù)測發(fā)作期尤其重要，因為發(fā)作早期治療敏感性更高。將這些標(biāo)志物轉(zhuǎn)化為臨床實踐，有助于通過治療穩(wěn)定偏頭痛的發(fā)作閾值，預(yù)防進(jìn)展至發(fā)作期。      

前兆期：目前尚無神經(jīng)影像研究捕捉到一個自發(fā)性偏頭痛的先兆期的腦改變，盡管先兆癥狀出現(xiàn)在7-88%偏頭痛中。在一例偏頭痛患者的研究中，對患者施加疼痛刺激（通過聚四氟乙烯管向鼻腔輸入氣態(tài)氨）后進(jìn)行影像掃描，持續(xù)30天，發(fā)現(xiàn)圍發(fā)作期下丘腦功能連接發(fā)生改變。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)偏頭痛患者存在下丘腦功能異常，包括：下丘腦對不同波長的光的反應(yīng)性發(fā)生改變。偏頭痛患者被認(rèn)為存在潛在的自主神經(jīng)系統(tǒng)異常，加之下丘腦的證據(jù)，及由PET研究所支持的其可引起的自主神經(jīng)系統(tǒng)的異常均表明自發(fā)性偏頭痛發(fā)作后期下丘腦存在受累。

在體神經(jīng)影像研究中，使用硝酸甘油誘發(fā)偏頭痛發(fā)作，發(fā)現(xiàn)后外側(cè)下丘腦、腦干（包括中腦被蓋區(qū)、中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)及腦橋背側(cè)）及部分皮質(zhì)區(qū)域（包括枕葉、顳葉、前額葉）在先兆期存在激活。在同樣的患者進(jìn)行同樣的硝酸甘油刺激下，發(fā)現(xiàn)光過敏現(xiàn)象，表明視覺皮層的超敏性。雖然硝酸甘油的影響是否為癥狀的一部分并不清楚，但這類研究有助于理解先兆期的神經(jīng)基礎(chǔ)。         

先兆期與皮層擴(kuò)散性抑制：2001年一項開創(chuàng)性影像研究發(fā)現(xiàn)了在視覺先兆期間視覺皮層的激活。該觀察揭示了一種類似于皮層擴(kuò)散抑制（CSD）的自發(fā)性電生理事件存在于人類偏頭痛患者中，且這種電活動事件在小鼠中可激活腦膜痛覺感受器。這些研究表明，理解先兆期相關(guān)的廣泛大腦改變的潛在意義及伴隨CSD出現(xiàn)的亞臨床改變的可能性。例如：如動物實驗所驗證的，在人類中CSD出現(xiàn)于皮層及皮層下結(jié)構(gòu)，或可成為以CSD為靶點或限制其敏感性的特異性治療方法。正如在偏頭痛的大鼠模型中CSD樣現(xiàn)象出現(xiàn)在皮層及皮層下結(jié)構(gòu)，通過fMRI，在典型先兆偏頭痛（MA）患者相較MO（無先兆偏頭痛）患者中，已發(fā)現(xiàn)腦功能存在差異，這些差異包括半球間差異（具有固定側(cè)別的先兆患者）、發(fā)作間期視覺皮層對于視覺刺激的高反應(yīng)。        

三叉神經(jīng)系統(tǒng)改變：三叉神經(jīng)系統(tǒng)是具有特異性且被廣泛研究的神經(jīng)解剖通路，包含三叉神經(jīng)節(jié)，可通過fMRI進(jìn)行評估。在一項偏頭痛患者的fMRI研究中，隨著痛覺刺激，三叉神經(jīng)節(jié)激活增加，表明處于偏頭痛發(fā)作的圍發(fā)作期。提出偏頭痛發(fā)作易感性相關(guān)的潛在過程，可能基于與多種因素相關(guān)的穩(wěn)態(tài)，包括睡眠、應(yīng)激、炎癥等。
發(fā)作期成像       

發(fā)作期改變：MRI較難捕捉偏頭痛整個發(fā)作期腦功能改變，因為偏頭痛自發(fā)發(fā)作且較難誘發(fā)。目前尚無針對偏頭痛自發(fā)性發(fā)作的功能成像研究，有部分研究捕捉到正處于發(fā)作中的患者。識別發(fā)作期影像標(biāo)志物，有助于確定受影響且在未來發(fā)作中較為敏感的腦區(qū)。

丘腦（后部）BOLD信號與皮膚觸覺誘發(fā)痛存在關(guān)聯(lián)，并由動物實驗證實。顳葉過度激活也為理解偏頭痛復(fù)雜行為的機(jī)制提供思路。同時在發(fā)作期觀察到下丘腦與三叉神經(jīng)核團(tuán)對傷害刺激反應(yīng)過程耦合改變，表明下丘腦與腦干功能連接的改變對于驅(qū)動發(fā)作十分重要。最后，μ阿片類受體在發(fā)作期間發(fā)生動態(tài)變化，為理解慢性化過程提供了見解。尤其是疼痛調(diào)節(jié)區(qū)域受體數(shù)量的改變（如中腦），參與觸覺誘發(fā)痛生理表現(xiàn)。        

腦干改變：多個腦干核團(tuán)參與自主神經(jīng)功能，例如，孤束核、延髓最后區(qū)（惡心與嘔吐中樞）；迷走神經(jīng)核團(tuán)，包括副交感神經(jīng)及參與應(yīng)激反應(yīng)的藍(lán)斑核。這些腦干核團(tuán)均與偏頭痛相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)硝酸甘油誘發(fā)偏頭痛腦干激活。腦干核團(tuán)的MRI研究仍存在技術(shù)瓶頸，多數(shù)偏頭痛研究尚未得到詳細(xì)的神經(jīng)解剖學(xué)信息及這些核團(tuán)與行為相關(guān)的特異性活動。

發(fā)作期腦干與其他腦區(qū)功能連接發(fā)生特異性改變（如藍(lán)斑核及下丘腦），下丘腦背側(cè)-喙側(cè)腦橋連接支持藍(lán)斑核在偏頭痛中發(fā)揮作用。在偏頭痛發(fā)作中觀察到腦干對傷害性刺激的偏側(cè)激活（中腦、腦橋腹側(cè)、腦橋背側(cè)以及三叉神經(jīng)脊束核）。同時也觀察到腦干疼痛調(diào)節(jié)區(qū)域功能連接發(fā)生改變。腦干可能是關(guān)注疾病變化的潛在標(biāo)志物區(qū)，其多個核團(tuán)參與偏頭痛的主要病理改變，包括：疼痛調(diào)節(jié)（通過中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)及中縫核）、自主神經(jīng)改變（通過迷走神經(jīng)核團(tuán)）、大腦過度興奮（藍(lán)斑核），針對腦干標(biāo)志物的研發(fā)需克服其技術(shù)瓶頸。 

發(fā)作后期成像

偏頭痛發(fā)作后會表現(xiàn)出顯著的困倦及認(rèn)知情緒改變，但目前尚無相關(guān)神經(jīng)影像研究。僅有一項研究評估一例女性患者偏頭痛發(fā)作的整個過程（發(fā)作前、中、后期）BOLD信號改變，其中發(fā)作后期視覺皮層BOLD信號發(fā)生改變，與發(fā)作間期相比，發(fā)作后期視覺皮層對傷害性鼻刺激反應(yīng)活動增加，表明存在光過敏。 

發(fā)作期與發(fā)作間期成像

了解同一患者大腦發(fā)作期及發(fā)作間期變化有助于理解大腦動態(tài)反應(yīng)的機(jī)制，部分研究評估患者發(fā)作期及發(fā)作間期狀態(tài)。其中一項研究觀察到發(fā)作期及發(fā)作間期患者枕葉激活降低。在一項6例被試的PET研究中，發(fā)作期與發(fā)作間期相比較，發(fā)作期多個腦區(qū)激活增加：橋腦背側(cè)、小腦、丘腦、前扣帶、后扣帶、前額葉、島葉及顳葉。另一項研究中，顳葉對熱痛刺激反應(yīng)在發(fā)作期及間期較正常人發(fā)生改變，表明這些腦區(qū)在偏頭痛患者中存在過度興奮。
“靜態(tài)”偏頭痛大腦成像目前多數(shù)關(guān)于偏頭痛腦成像研究多關(guān)注發(fā)作間期，并發(fā)現(xiàn)較健康對照相比，發(fā)作性或慢性偏頭痛患者存在腦功能、結(jié)構(gòu)及代謝改變。這些改變是發(fā)病前已出現(xiàn)或是疾病導(dǎo)致的結(jié)果并不清楚，現(xiàn)有數(shù)據(jù)趨向于認(rèn)為偏頭痛發(fā)作參與改變。支持這一觀點的證據(jù)包括但不限于發(fā)作頻率差異、慢性化逆轉(zhuǎn)、性別差異、圍青春期改變。MRI評估發(fā)作間期腦形態(tài)學(xué)、功能、代謝改變，發(fā)現(xiàn)多種疾病的重要標(biāo)志物。       

腦體積：研究發(fā)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)偏頭痛患者存在多個皮層及皮層下（小腦、基底節(jié)、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)）灰質(zhì)體積的顯著改變（增加或萎縮）。樹突結(jié)構(gòu)復(fù)雜性改變參與這一變化。腦體積的改變可能與偏頭痛患者行為存在相關(guān)（例如：額中回與額下回體積改變與認(rèn)知功能）。研究也刻畫偏頭痛患者白質(zhì)損傷，但其病理機(jī)制及對腦功能所造成的影響并不清楚。在MA患者中，白質(zhì)損傷顯著增多且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)，而因果關(guān)系并不清楚。與偏頭痛相關(guān)的主要事件包括卒中，改變大腦結(jié)構(gòu)與功能。目前存在的問題為作為標(biāo)志物識別大腦隨時間的改變，灰質(zhì)體積萎縮可隨治療逆轉(zhuǎn)，或與發(fā)作頻率、致殘、性別或年齡相關(guān)。     

S1皮層與偏頭痛：在發(fā)作性偏頭痛研究中發(fā)現(xiàn)，軀體感覺皮層（S1）及位于感覺區(qū)域中代表頭部部分皮層的厚度增加。后者伴隨應(yīng)對疼痛刺激時功能連接改變。同樣在動脈自旋標(biāo)志物測量腦血流及體感誘發(fā)電位研究中發(fā)現(xiàn)發(fā)作間期S1區(qū)域興奮性增加。這些變化可能參與丘腦-皮層調(diào)節(jié)感覺接收信息增加。因此，三叉神經(jīng)-丘腦-S1系統(tǒng)的狀態(tài)可能預(yù)測治療有效性。      

情緒狀態(tài)：偏頭痛對腦功能最有趣的改變在于對大腦復(fù)雜處理過程的改變，如：情緒。情緒處理腦區(qū)包括基底節(jié)、前腦島、杏仁核、前扣帶皮層，其結(jié)構(gòu)、靜息態(tài)活動發(fā)生改變。除此之外，對于厭惡性刺激的反應(yīng)偏頭痛患者較正常人存在不同。較少有研究評估偏頭痛情緒處理，但是在疼痛領(lǐng)域，情緒處理的改變可以預(yù)測疼痛的慢性化。這些發(fā)現(xiàn)可改變我們對偏頭痛的認(rèn)知，為治療方案的選擇提供參考。       

化學(xué)失衡：應(yīng)用磁共振波譜（MRS）為認(rèn)識疾病提供新的信息，如：測量某些皮質(zhì)興奮性神經(jīng)遞質(zhì)（N-甲基-d-天門冬氨酸，NMDA）與抑制性神經(jīng)遞質(zhì)（GABA），鑒別偏頭痛患者與健康對照。研究發(fā)現(xiàn)在前扣帶皮層和腦島，偏頭痛患者興奮性氨基酸N-乙酰天冬氨酰谷氨酸及谷氨酰胺存在顯著異常。MRS為評估神經(jīng)遞質(zhì)及相關(guān)治療提供技術(shù)支持，未來對于預(yù)測疾病治療的反應(yīng)性具有一定意義。     

內(nèi)源性疼痛調(diào)節(jié)：頭痛嚴(yán)重程度的增加、痛覺超敏及頭痛慢性化為偏頭痛的特性之一，表明內(nèi)源性疼痛調(diào)節(jié)發(fā)生潛在改變。研究發(fā)現(xiàn)偏頭痛患者存在下行性調(diào)節(jié)通路異常，即抑制系統(tǒng)不能有效阻止疼痛。增加下行性抑制作用可能成為治療偏頭痛的潛在方法，這類研究相關(guān)標(biāo)志物可有助于篩選適用于該類治療的患者。
過渡狀態(tài)的成像研究

本文定義的過度狀態(tài)包括：反映生理狀態(tài)（性別、青春期）及疾病狀態(tài)的惡化與改善（發(fā)作頻率與發(fā)作強(qiáng)度的改變）。         

偏頭痛慢性化：偏頭痛慢性化與多種危險因素相關(guān)，包括：基因、環(huán)境因素、并發(fā)癥（壓力、肥胖）、皮膚異常性疼痛、心理異常（抑郁、焦慮）、睡眠障礙、高偏頭痛發(fā)作頻率及藥物的過度使用（包括阿片類藥物和曲坦類藥物）。由發(fā)作性偏頭痛轉(zhuǎn)變?yōu)槁云^痛是一個動態(tài)過程，慢性偏頭痛的影像研究對于幫助理解疾病進(jìn)展的潛在機(jī)制提供幫助。目前，對于偏頭痛慢性化的生物學(xué)研究較少，但腦結(jié)構(gòu)及功能改變與偏頭痛發(fā)作頻率增加相關(guān)。PET研究目前已發(fā)現(xiàn)慢性偏頭痛患者存在腦干代謝增加。慢性偏頭痛MO患者眶額部皮層及左側(cè)枕中回灰質(zhì)體積下降，且眶額皮層灰質(zhì)體積有助于預(yù)測對于藥物過度治療反應(yīng)。在一項23例小樣本慢性偏頭痛的研究中，對于逆轉(zhuǎn)慢性偏頭痛治療存在反應(yīng)的患者較無反應(yīng)顯示出初級軀體感覺皮層、前腦島、左側(cè)顳上回、左側(cè)島蓋部皮質(zhì)增厚，同時疾病病程與額頂、顳枕區(qū)域皮層厚度呈負(fù)相關(guān)。這類針對慢性期、發(fā)作期治療療效的研究可提供預(yù)測影像標(biāo)志物，表明疾病對大腦的調(diào)節(jié)作用。       

青春期及性別：偏頭痛與性別的關(guān)系不僅表現(xiàn)為發(fā)病率的差異(women 7:1 over men)，同時灰質(zhì)體積與功能存在差異。同樣的，青春期男性與女性偏頭痛患者也存在腦功能與結(jié)構(gòu)差異，而這些差異在青春期之前基本不存在。因此，除了遺傳傾向，荷爾蒙水平及其他因素（藥物影響包括抗偏頭痛藥物及節(jié)育治療）的研究有助于理解偏頭痛的易感性及疾病進(jìn)展。       

治療影響：采用神經(jīng)成像評估新型偏頭痛藥物療效具有臨床意義，有助于理解藥物作用機(jī)制，研發(fā)預(yù)測藥物療效及副作用的有效偏頭痛特異性腦影像標(biāo)志物。較少有研究評估抗偏頭痛藥物在健康人群及患者中對于腦功能及結(jié)構(gòu)的影響。已有研究報道通過fMRI及PET評估抗偏頭痛藥物（如曲坦類）對前臨床模型及1次偏頭痛發(fā)作的健康志愿者的影響。在前臨床動物模型中，曲坦類藥物的慢性化治療使大腦狀態(tài)增敏，在應(yīng)激狀態(tài)下（暴露于光照下）產(chǎn)生CSD樣現(xiàn)象。同時，藥物對多個靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生顯著影響，包括：默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、基底節(jié)、凸顯網(wǎng)絡(luò)及感覺運動網(wǎng)絡(luò)。在健康被試中，舒馬曲坦治療顯著增加三叉神經(jīng)核團(tuán)及丘腦活動，同時抑制丘腦-皮質(zhì)連接。曲坦類藥物逆轉(zhuǎn)偏頭痛患者頭痛癥狀，但下丘腦、腦橋及中腦在自發(fā)性偏頭痛發(fā)作中依然被激活。這些研究對于發(fā)展評估藥物療效的影像標(biāo)志物或治療靶點提供潛在參考。 

偏頭痛的遺傳標(biāo)志物

單基因遺傳

早期對于偏頭痛遺傳機(jī)制的研究是通過家族性偏癱型偏頭痛（FHM）進(jìn)行的，這是一種罕見的符合孟德爾遺傳定律的具有先兆癥狀的偏頭痛。目前存在3種FHM相關(guān)的基因突變：FHM1型，CACNA1A錯義突變，編碼電壓門控鈣通道α亞單位；FHM2型是ATP1A2突變，編碼ATP酶Na+/K+交換泵亞單位α2；FHM3型是SCN1A突變，編碼電壓門控鈉通道α1亞單位。這三種FHM相關(guān)基因均參與離子通道轉(zhuǎn)運，細(xì)胞及動物實驗表明，神經(jīng)元超興奮是FHM頭痛及先兆癥狀的一種潛在細(xì)胞機(jī)制。FHM的主要癥狀頭痛、先兆癥狀伴隨惡心、畏光、聲音恐懼癥與先兆偏頭痛癥狀類似，表明FHM相關(guān)基因或編碼其他金屬離子通道基因參與MO及MA易感性。

多基因遺傳

相對于FHM，多數(shù)偏頭痛并非單個高影響力基因突變所致，MA、MO均為多種基因、環(huán)境及其相互作用的復(fù)雜疾病。目前有兩種方法用于識別MA、MO特異性基因變異：候選基因關(guān)聯(lián)研究（CGAS）及全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）。

CGAS涉及對候選基因變異頻率在偏頭痛患者和一般人群或非偏頭痛人群的比較。CGAS由于設(shè)計簡單且成本較低成為研究偏頭痛遺傳變異的主要方法。候選基因的選擇是基于基因已知或預(yù)測生物學(xué)功能及其與偏頭痛病理機(jī)制理論的相關(guān)性。然而，CGAS一般在小樣本（100-200病例對照組）對少數(shù)變異進(jìn)行檢測，缺乏穩(wěn)健性，導(dǎo)致假陰性及假陽性率較高。本文對此不進(jìn)行綜述。

由于對大樣本大量基因多態(tài)性分析的需求，成立國際頭痛遺傳學(xué)聯(lián)盟。對基因分析技術(shù)的改善使得IHGC進(jìn)行大規(guī)模關(guān)聯(lián)分析確定常見偏頭痛的危險基因。首批IHGC研究分析841例患者及884例健康對照的155個編碼離子通道基因的5257個單核苷酸多態(tài)性（SNPs）。SNP均經(jīng)過精心挑選，確保出現(xiàn)所有的等位基因（次等位基因頻率MAF>0.01）并通過微陣列分型。對于所出現(xiàn)的最強(qiáng)信號的SNPs在4組獨立病例對照樣本進(jìn)行驗證，共包含2835例MA或MA患者及2740例對照。該研究發(fā)現(xiàn)所檢測的離子通道基因常見變異（MAF>0.1）具有中等效應(yīng)量（基因型相對風(fēng)險1.40-1.65），不影響常見偏頭痛的易感性。
GWAS（全基因組關(guān)聯(lián)研究）

基因分型陣列技術(shù)的發(fā)展，可進(jìn)行超過300,000 SNPs測序分型，使得大規(guī)模GAWS成為可能。GWAS可檢測基因組中大多數(shù)常見的SNP變異，結(jié)合大量遺傳數(shù)據(jù)，嚴(yán)格的統(tǒng)計，使得所得SNP危險位點具有穩(wěn)健性，誤差較少。       

 基于臨床中心研究：最早兩項IHGC GWAS病例來自?？茪W洲頭痛臨床中心。首項2010年IHGC GWAS包含2731例MA患者及10747例匹配的對照。研究確定來自8q22.1染色體的SNP（rs1835740）基因，編碼異粘蛋白（MTDH）及羧肽酶Q（CPQ）。該關(guān)聯(lián)基因在3203例僅MA患者，MO患者或MA及MO患者與40062例對照組進(jìn)行了驗證。研究rs1835740基因型如何影響臨近基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)rs1835740是MTDH基因的順式調(diào)節(jié)元件。有趣的是2011年一項歐洲GWAS研究中未發(fā)現(xiàn)達(dá)到顯著性的位點，但是先前鑒定候選基因中MTDH與偏頭痛顯著相關(guān)性（Bonferroni-adjusted gene-based P = 0.026）。

2012年IHCGGWAS研究較2010年樣本量減少，確定6個MO患者SNP危險位點：MEF2D基因rs3790455 (肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2D), TGFBR2 附近rs7640543 (轉(zhuǎn)化生長因子β受體2), PHACTR1基因rs9349379(磷酸酶和肌動蛋白調(diào)節(jié)器1), ASTN2基因rs6478241(星形肌動蛋白2), TRPM8基因rs10166942(瞬時電位陽離子通道受體亞家族M成員8)，LRP1基因rs11172113(LDL受體相關(guān)蛋白1)。TRPM8及LRP1基因SNP，及PRDM16基因rs2651899在另一項女性大樣本偏頭痛研究中被驗證。       

基于人群的研究：2011年IHCGGWAS研究5122例女性偏頭痛患者較18108例女性對照的基因變異，并確定了7個SNPs。結(jié)合驗證隊列，得到PRDM16, TRPM8 及LRP1 位點與偏頭痛的相關(guān)性。隨后對前述3項GWAS研究及其他研究進(jìn)行Meta分析得到12個與偏頭痛相關(guān)位點。除新發(fā)現(xiàn)的5個SNP位點，對前述2010年IHCG GWAS研究MA相關(guān)位點得到驗證，除rs1835740 SNP（MTDH附近）。

對于146項關(guān)聯(lián)度最強(qiáng)的SNP指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)效應(yīng)量在MA及MO亞群之間、基于臨床中心及基于人群之間、男性與女性之間相似。由于146個SNP是通過固定效應(yīng)meta分析確定的，該模型假設(shè)在所有研究具有同等效應(yīng)，因此結(jié)果是可以接受的。但是對于超過23000的SNPs，效應(yīng)一致性分析對整體遺傳重疊的評估發(fā)現(xiàn)，主要亞組遺傳風(fēng)險的一致性并不限于全基因組顯著性及已被鑒定的SNP。因此，不同亞組間遺傳風(fēng)險的差異被相似性所掩蓋，其他偏頭痛GWAS數(shù)據(jù)集的meta分析，不考慮其亞組構(gòu)成，可有助于確定新的易感位點。

因此，IHGC進(jìn)行第4次GWAS研究并發(fā)表于2016年，數(shù)據(jù)來自59674例患者及316078例對照。該研究確定了與偏頭痛相關(guān)的38個基因組區(qū)域包含44個獨立的SNPs位點。3個SNP位點具有全基因顯著性(rs1835740 near MTDH115, rs10915437 near AJAP1 and rs10504861near MMP1)。這些SNP位點是分別通過與偏頭痛各亞型的相關(guān)性確定的（MA、臨床MO或MO及MA）。因此，目前尚需要在同質(zhì)化組內(nèi)最終確定這些位點的穩(wěn)健性。

2016IHCG GWAS對800萬個常見SNPs（MAF>0.01）基因型進(jìn)行分析，提供了一個對常見SNP變異的更全面的評估，其與偏頭痛風(fēng)險相關(guān)的變異及更準(zhǔn)確的關(guān)聯(lián)信號定位。除此之外，計算分析SNP可信致病集，對于認(rèn)識偏頭痛的病理生理機(jī)制提供幫助。一般來說, 在GWAS鑒定的基因組區(qū)域的連鎖不平衡導(dǎo)致難以確定可能的致病SNP及變異可能的生物學(xué)功能。以往偏頭痛GWAS研究討論相關(guān)SNP可能的生物學(xué)效應(yīng)是通過最為顯著相關(guān)的位點所在的基因或SNP最接近的基因。然而，基因?qū)ζ^痛的生物學(xué)作用除物理位置以外的證據(jù)較少。2016IHCGGWAS采用貝葉斯方法，包含關(guān)聯(lián)分析及連鎖不平衡結(jié)構(gòu)，確定得到一個99%概率包含致病性SNP的可信SNP集?？尚?/span>SNP的位置被用來確定與偏頭痛最有可能相關(guān)的基因。除此之外，采用DEPICT（數(shù)據(jù)驅(qū)動，對復(fù)雜特性的優(yōu)先級集成的表達(dá)）方法確定每個GWAS位點的致病基因。這種方法對預(yù)測功能與其他相關(guān)位點的基因共享頻率比期待較高的基因進(jìn)行優(yōu)先排序，得到基因列表（Table1）?？尚?/span>SNPs分析及DEPICT的基因優(yōu)化得到37個基因可能是致病基因，其中27個相關(guān)區(qū)域各一個基因，5個相關(guān)區(qū)域2個基因。

        

表1. 2016年IHGC GWAS中發(fā)現(xiàn)的4個遺傳風(fēng)險基因位點

可能的致病基因

      為了描述37種可能的致病基因（表2）的特征，有研究應(yīng)用g:GOSt工具，一種基于網(wǎng)絡(luò)的基因功能譜分析軟件g:Profiler128 (http://biit.cs.ut.ee/gprofiler/)，應(yīng)用GeneOntology(GO), Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)及Reactome數(shù)據(jù)庫進(jìn)行富集分析，高度可靠，人工選擇人類基因的功能注釋（圖3）。表2.Genesimplicated in the 2016 IHGC GWAS of 59,674 migraine cases and 316,078 controls

圖3.37中偏頭痛相關(guān)基因GO、KEGG、Reactome通路富集詞云圖 

對于37種基因，富集出102種通路。其中血管相關(guān)通路明顯富集。實際上，9種基因與“循環(huán)系統(tǒng)發(fā)育”相關(guān)。相反，僅有兩個金屬離子通道通路富集，分別為“鉀離子跨膜轉(zhuǎn)運體活性”(GO:0015079; REST, KCNK5, and SLC24A3)及“響應(yīng)鈣離子的RNA聚合酶II啟動子轉(zhuǎn)錄的正調(diào)控”(GO: 0061400;CARF)。

通過生物信息學(xué)方法研究納入的GO功能注釋為血管相關(guān)通路富集提供更多證據(jù)，添加4種基因（CCM2L、FGF6、GJA1、YAP1）將“循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展”基因注釋數(shù)量提高至13。有趣的是，這種分析也強(qiáng)調(diào)了5種新的金屬離子相關(guān)通路：“細(xì)胞鈣離子穩(wěn)態(tài)”、“鈣離子穩(wěn)態(tài)”、“金屬離子跨膜轉(zhuǎn)運體活性”、“離子通道活性”及“鉀離子運輸”。

擴(kuò)展通路分析至所有人類基因，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)血管相關(guān)通路，例如：“循環(huán)系統(tǒng)發(fā)育”及“脈管系統(tǒng)發(fā)育”。實際上，共有25種血管相關(guān)通路在15種血管相關(guān)基因中高度富集。最受關(guān)注的金屬離子相關(guān)通路是“金屬離子結(jié)合”，富集在11種金屬離子相關(guān)基因中。這些結(jié)果表明離子通道功能紊亂可能并非為偏頭疼發(fā)病機(jī)制的主要部分，但基因引起的金屬離子穩(wěn)態(tài)變化可能會促成偏頭疼易感性。

組織表達(dá)富集分析同樣在2016IHGC GWAS中進(jìn)行：在50kb以內(nèi)的可信SNPs基因集表達(dá)在42個不同的組織中。研究結(jié)果表明，這些與偏頭痛相關(guān)的基因在動脈及胃腸組織中顯著富集。進(jìn)一步研究將分析的組織分為4組：腦、血管、胃腸及其他，8種基因在血管組織中顯著富集。

上述通路及組織表達(dá)富集分析的研究結(jié)果為偏頭疼易感性的血管功能障礙提供強(qiáng)力的證據(jù)。這個結(jié)論對于存在爭議的偏頭疼是否為原發(fā)血管功能障礙或大腦異常繼發(fā)血管改變十分重要。并且，偏頭痛的血管機(jī)制可以解釋其與卒中及心血管疾病并發(fā)以及遺傳的重疊。實際上，9種與偏頭疼相關(guān)的基因與血管疾病均有相關(guān)性。一個特殊的發(fā)現(xiàn)是位于17q25的RNF213蛋白的伴有煙霧病的基因突變，此病臨床特點具有偏頭疼樣頭痛發(fā)作的特點。
與其他表型關(guān)聯(lián)

一些與偏頭疼相關(guān)的基因位點也可能與其他表型相關(guān)。例如，偏頭痛相關(guān)SNP rs11624776位于ITPK1附近，也是與甲狀腺激素減低相關(guān)的SNP。甲狀腺功能減低與頭痛之間的相關(guān)性研究最早自1948年，相較于發(fā)作性偏頭疼患者，甲狀腺功能減低在慢性偏頭疼患者中的發(fā)病率更高；并且患有偏頭疼的患者其將來患有甲狀腺功能減低的可能性更大。偏頭痛相關(guān)的SNP rs9349379位于PHACTR1基因，與冠心病、冠狀動脈鈣化及頸動脈夾層等相關(guān)；與SNP rs9349379 存在連鎖不平衡的SNP與早發(fā)性心肌梗塞（rs12526453）、冠脈疾病和大動脈缺血性腦卒中（rs4714955）相關(guān)。偏頭疼相關(guān)SNP rs11172113位于基因LRP1，其與肺功能及頸動脈夾層相關(guān)，與rs11172113連鎖不平衡的SNP rs1466535與腹主動脈瘤相關(guān)。

與附加偏頭痛位點上存在連鎖不平衡的SNPs可能與其他表型相關(guān)。SNP rs10789369與偏頭痛相關(guān)rs1572668存在連鎖不平衡，位于LRRIQ3附近與精神分裂癥相關(guān)。另一SNP（rs2341263）與rs1572668存在連鎖不平衡，與血清代謝物X-11787水平相關(guān)，后者為急性心臟事件的危險因素。與rs1268083存在連鎖不平衡的SNP rs9388451位于HEY2附近的與Brugada綜合征相關(guān)，后者為一種致死性心律失常疾??；與rs10166942存在連鎖不平衡的兩種SNPs位于TRPM8附近（rs10187654及rs7577262）與肺功能減低及冷刺激試驗下血壓反應(yīng)性相關(guān)。SNP rs7940646與rs4910165存在連鎖不平衡，位于MRVI1基因，與血小板聚集相關(guān)。與rs138556413存在連鎖不平衡的SNP rs6725887位于CARF基因，與早發(fā)性心肌梗塞、冠心病及冠狀動脈疾病相關(guān)。與rs138556413存在連鎖不平衡的SNP rs7582720與冠脈疾病及大動脈缺血性卒中相關(guān)。與rs6478241存在連鎖不平衡的SNP rs7852872位于ASTN2基因，與海馬體積相關(guān)；值得注意的是，因為此該SNP位于編碼星形肌動蛋白2的基因內(nèi)含子上，星形肌動蛋白2為一種表達(dá)在神經(jīng)元上的細(xì)胞黏合分子，被認(rèn)為在膠質(zhì)介導(dǎo)的神經(jīng)元遷移中發(fā)揮作用，在ASTN2位點的基因突變可能會導(dǎo)致偏頭疼患者腦結(jié)構(gòu)及功能異常。

雖然鑒別偏頭痛相關(guān)風(fēng)險因子與其他表型的相關(guān)可能提供新的偏頭疼并發(fā)癥的生理機(jī)制，單個偏頭疼變異僅增加很小的相關(guān)并發(fā)癥風(fēng)險。如表型本就罕見（如煙霧?。?，那這些相關(guān)性僅存在于比例很少的人群中。

基因相關(guān)性作為偏頭疼標(biāo)志物在過去的幾年，證實與偏頭疼相關(guān)的風(fēng)險基因位點顯著增加。隨后有研究致力于發(fā)現(xiàn)致病基因，研究發(fā)現(xiàn)多種不同通路異常，包括血管通路、電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)及神經(jīng)元遷移等等。基于以上研究結(jié)果，未來的研究需致力于全面闡明偏頭疼患者每個基因位點的功能影響，區(qū)別該位點是否具有診斷性或預(yù)測性價值，為偏頭疼患者提供個體化治療方案。為了達(dá)到此目的，大樣本量、根據(jù)不同表現(xiàn)細(xì)分的臨床表型群組需在未來的研究中得到應(yīng)用，以達(dá)到明確每個位點獨立的作用及其相互之間的作用。
結(jié)合影像學(xué)及基因研究

生物遺傳標(biāo)志物的可能性

過去幾年中針對偏頭痛的影像學(xué)研究或遺傳方面的研究已有許多發(fā)現(xiàn)，如可以將二者結(jié)合則可能對偏頭疼的發(fā)病機(jī)制有更進(jìn)一步的探索（圖4）。

圖4. 整合影像學(xué)與遺傳學(xué)偏頭痛標(biāo)志物
發(fā)現(xiàn)一種新的生物標(biāo)志物需以下步驟：研究探索，發(fā)現(xiàn)可能的潛在生物標(biāo)志物，鑒定該生物標(biāo)志物的有效性，最終代替成為新的生物標(biāo)志物。結(jié)合多種方法，如影像學(xué)及基因技術(shù)，對偏頭痛臨床亞型進(jìn)行分類，提高精確度，并為精準(zhǔn)醫(yī)療作出貢獻(xiàn)。偏頭疼領(lǐng)域的研究目前已到達(dá)需結(jié)合影像學(xué)發(fā)現(xiàn)及基因研究的地步。解決二之間的連接問題可能提高治療效果、早期介入使偏頭疼不進(jìn)入慢性化過程等。
方法整合

一些基因已證明與一些定義明確的偏頭疼亞型相關(guān)（如偏癱型偏頭疼），同樣存在MRI研究。但是這些研究并不能將存在割裂的研究結(jié)果聯(lián)系在一起：MRI研究發(fā)現(xiàn)多腦區(qū)在疾病中受累，而GWAS研究發(fā)現(xiàn)變異基因與血管平滑肌相關(guān)。顯而易見未來的研究方向應(yīng)致力于將二者割裂的結(jié)果整合在一起，并明確其與偏頭痛易感性、疾病亞型、藥物治療效果及并發(fā)癥之間的關(guān)系。

醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究傾向于大數(shù)據(jù)采集與分析，從生物系統(tǒng)模式理解疾病，如基因組學(xué)研究及腦影像學(xué)的行為過程研究。上述大數(shù)據(jù)研究方法已有許多有關(guān)人腦的研究，例如人類連接組計劃。相較于基因研究，影像學(xué)大數(shù)據(jù)采集更加困難，因此，結(jié)合并分析基因數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)目前困難重重。盡管如此，腦影像學(xué)研究仍為一種可高度重復(fù)的方法，并且應(yīng)用廣泛，可與基因組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合研究腦結(jié)構(gòu)與功能；這些方法可用以研究偏頭疼。隨著結(jié)合二者的技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，這些技術(shù)可以用來發(fā)展疾病預(yù)測、疾病恢復(fù)及藥物療效的基因及影像學(xué)標(biāo)志物。例如，決定樹突棘密度的基因可能與偏頭疼患者的大腦形態(tài)動態(tài)改變相關(guān)，并與藥物治療療效相關(guān)。
結(jié)論及展望：

近年來針對偏頭痛腦功能及基因相關(guān)性的研究結(jié)果讓我們對偏頭痛有了更多的認(rèn)識?？偟膩碚f，神經(jīng)影像學(xué)研究為我們提供偏頭疼發(fā)作周期中腦功能、結(jié)構(gòu)及化學(xué)改變的重要信息。這些研究的目的在于將臨床所觀察到的各種偏頭疼亞型與影像學(xué)發(fā)現(xiàn)相關(guān)聯(lián)，并發(fā)現(xiàn)新的神經(jīng)影像標(biāo)志物。fMRI及PET對于動態(tài)及靜息態(tài)偏頭疼患者大腦的研究為我們對于偏頭疼發(fā)生及發(fā)展的理解提供顯著的幫助，但多數(shù)相應(yīng)研究僅為描述性研究。隨著未來納入更多樣本的影像學(xué)研究發(fā)展，更多的標(biāo)志物可能被發(fā)現(xiàn)。

迄今，對于偏頭痛GWAS研究的結(jié)果對我們今后精簡研究設(shè)計提供幫助，并且為偏頭痛血管功能提供新的焦點。更大規(guī)模的GWAS研究可能發(fā)現(xiàn)更多的偏頭痛風(fēng)險基因位點；未來更大的GWAS研究樣本可能由大型商業(yè)或公立的數(shù)據(jù)庫中。新近的來自商業(yè)數(shù)據(jù)庫的基因組學(xué)研究已發(fā)現(xiàn)更多新的風(fēng)險基因位點。

盡管研究成功發(fā)現(xiàn)多種風(fēng)險基因位點，整合這些研究發(fā)現(xiàn)并非簡單，表明偏頭疼具有異質(zhì)性特點。這些異質(zhì)性在大樣本數(shù)據(jù)研究中更加顯著。為了明確這些基因位點的致病性變異，未來基于特定偏頭痛亞型的相關(guān)基因功能的研究需要進(jìn)一步探索。

結(jié)合基因及影像學(xué)數(shù)據(jù)研究將對進(jìn)一步理解目前偏頭疼研究結(jié)果提供幫助，并可能對未來進(jìn)一步研究帶來啟發(fā)。對于特定基因結(jié)合影像學(xué)的研究可以用ASTN2基因多態(tài)性研究為例，ASTN2基因影響膠質(zhì)介導(dǎo)神經(jīng)元遷移過程，并可能與影像學(xué)發(fā)現(xiàn)的海馬體積變化相關(guān)。相似的結(jié)合基因及影像學(xué)的研究潛力巨大。目前已有例如IHGC及ENIGMA等組織應(yīng)用結(jié)合兩種技術(shù)的方法研究偏頭疼基因與MRI皮層下、顱內(nèi)及海馬體積等的相關(guān)性。這些大型研究具顯著的統(tǒng)計可信度，并可能確定全局的影響及特定SNPs對于偏頭疼風(fēng)險及腦功能的影響。

“偏頭疼組學(xué)”研究的發(fā)展將偏頭疼研究帶入到了影像學(xué)及基因組學(xué)結(jié)合的層面，并對偏頭疼的復(fù)雜性及多樣性的了解提供幫助。這種研究方法對于具有明確基因特征的偏頭疼提供幫助最大（例如FHM：家族遺傳性偏癱性偏頭疼），對于其他散發(fā)性偏頭疼也可能發(fā)現(xiàn)新的標(biāo)志物。成功將影像學(xué)及基因技術(shù)結(jié)合的研究將會加深我們對于偏頭疼發(fā)病機(jī)制的理解并提高我們對偏頭疼治療的把握。并且可能幫助我們提供新的偏頭痛緩解通路，發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點。一旦發(fā)現(xiàn)新的標(biāo)志物，進(jìn)一步的研究應(yīng)當(dāng)致力于發(fā)掘其所具有的診斷性及預(yù)測性價值。

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