颅脑创伤后的病理生理改变及相关生化标记物研究进展

1、颅脑创伤后的病理生理改变及相关生化标记物研究进展颅脑创伤（TBI）引起的病理生理进程取决于原发性机械损伤（局灶性或弥散性）与继发性脑损伤之间的复杂相互关系。继发性脑损伤是多重细胞因子级联反应（包括炎性因子、氧化应激和兴奋性毒性反应）引起的神经元代谢异常和血流动力学紊乱，继而导致脑组织缺血、颅内压增高、脑组织水肿（血管性和细胞毒性）、弥漫性轴突损伤和出血等。所有这些病理反应会进一步加重炎症反应、氧化应激和细胞毒性反应，并最终导致神经元坏死和凋亡。继发性脑损伤引起的神经元损伤与创伤性轴突损伤（肿胀，断开和沃勒氏变性）一样会持续数周、数月甚至数年。从临床角度来看，TBI患者慢性期的特征主要表现为认知

2、和行为改变，运动和感觉系统（包括触觉，视力，嗅觉，前庭）的功能障碍，植物神经功能紊乱以及疼痛和睡眠障碍等并发症。一些轻度颅脑损伤患者也会出现执行能力障碍、注意力和记忆力下降，大脑处理速度慢，认知灵活性降低，和心理情绪障碍等。本文将着重介绍与TBI后与诊断、预后评估相关的生化标记物及不同标记物评估脑损伤的作用，以及生化标记物在TBI诊断、治疗、预后中的最新研究进展。1.生化标记物在TBI筛选和评估中的应用临床工作中经常通过生化标记物对疾病进行诊断、预后评估和检测治疗效果。TBI中生化标记物可以检测损伤导致的细胞、生化和多种因子水平的改变来发现影像学检查无法显示的早期微病变。格拉斯哥昏迷量表（GC

3、S）是TBI的标准评估分级，该量表将颅脑损伤的程度和预后分为轻度（GCS13-15），中度（GCS9-12）和重度。尽管有大量相关文献，但仅斯堪的纳维亚神经创伤指南提出建议对于怀疑或证实失去意识和/或反复呕吐的低风险轻度TBI患者（GCS14或GCS15）的6小时内使用生物标志物（S100B）作为筛查工具的建议。有meta分析发现急诊通过S100B的筛查有助于识别颅内损伤。此外，泛美素C末端水解酶L1（UCH-L1）和神经胶质原纤维酸性蛋白（GFAP）在评估轻度TBI中的可信度已通过美国食品和药物管理局的验证，其灵敏度和特异度比S100B更高。同时还有其他几种生化标记物或生化标志物的联合应用在

4、检测脑内病变方面时比S100B具有更高的敏感性，目前仍需要进一步的研究得出明确的结论。2.弥漫性/创伤性轴突损伤的检测由于CT上较难检测弥漫性轴突损伤，因此可以使用生化标志物来区分局灶性弥漫性损伤与弥漫性损伤或评估与DAI严重程度。大多数研究集中于轴突蛋白，例如神经丝，血影蛋白降解产物和tau蛋白或淀粉样肽，这些蛋白均在轴突损伤后出现，通过对重度TBI患者进行微透析可以评估。胶质神经元比率（以泛素羧基末端水解酶-L1（UCH-L1）之间的相关性衡量）和神经胶质纤维酸性蛋白（GFAP）被认为是重度TBI的标志，且DAI中比局灶性病变水平更高。一项研究表明金属硫蛋白作为一种神经保护蛋白在脑损伤后3

5、-6天血清水平较高，可以用于DAI的鉴别。最新研究发现脑脊液中微管相关蛋白2（MAP2）水平与DAI损伤程度相关。血清生化标记物的水平可以用于局部病变和弥散性病变的诊断。监测生化标记物对头CT正常的DAI患者具有很好的临床价值，同样也可用于评估血脑屏障（BBB）完整性。无论脑损伤的严重程度如何，均可发生血脑屏障破坏。即使有大量关于BBB通透性的基础研究，但由于不能无创地评估BBB的完整性，其在临床实践中的应用受到限制。白蛋白（QA）是同一时刻CSF和血清中白蛋白的商，是评价BBB功能的金标准。QA与12小时内血清S100B和泛素C末端水解酶1（UCH-L1）水平相关。Vajtr等研究发现血清S

6、100B水平与血脑屏障超微结构（内皮细胞和星形胶质细胞）的变化有关。同样，S100B水平增高与高IL-6相关，表明炎症反应影响血脑屏障通透性。在非手术患者中MMP-9和MMP-2水平增高，提示炎症反应和BBB功能的改变。最近也有研究指出重度TBI患者脑脊液中的磺酰脲受体1与CT水肿和颅内压有关，较低的磺酰脲受体1水平提示患者症状较轻。无论原发性损伤或继发性损伤均可能引起TBI后颅内出血，因为它也与BBB功能障碍有关。微透析结果提示创伤性蛛网膜下腔出血时IL-1，IL-6和IL-10的水平升高，而FGF2和VEGF的浓度更高。进行性颅内出血时ICP升高，脑脊液和尿液S100-B也随之升高，且血清

7、D-二聚体（TBI凝血功能）水平高。在TBI追踪研究中发现NF-L在区分患者CT是否颅内出血敏感性很高，同样可以用于DAI患者。3.TBI生化标志物作为预测死亡率和致残率等相关研究大量文献发现与TBI的预后生物标志物有关，与短期预后有关，尤其是死亡率。由于最新测试的大量生物标志物，我们将其按功能进行分类。3.1神经元损伤和胶质细胞损伤相关生化标记物与神经元损伤和胶质细胞损伤相关生化标记物研究最多的是S100B、GFAP、NSE和UCH-L1等。此外还有少量与细胞凋亡和蛋白水解等相关生化标记物的研究。在TBI中，细胞坏死和凋亡均由继发性损伤引起的生化级联反应触发。凋亡是由促凋亡因子和抗凋亡因子（

8、即cas-pase与Bcl-2家族蛋白）失衡导致的。程序性细胞死亡的终点是DNA断裂和细胞核结构破裂。重度TBI后Caspase-3和其他促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白的增加与患者预后不良相关。Darwish等在重度TBI患者的脑脊液中检测到了激活的cas-pase-9和细胞色素c，这些生物标志物也与预后不良有关。Alpha-血影蛋白是皮层有髓神经元轴突Ranvier结的重要组成部分，calpain和caspase家族蛋白水解酶被激活后被水解为Alpha-血影蛋白分解产物（SBDP）。临床研究对calpain和caspase激活生化标志物进行定量分析结果相似。Calpain酶激活生化标志物SBDP14

9、5和SBDP150的峰值比caspase酶激活生化标志物SBDP120早，并且两种蛋白酶导致的SBDP水平增高均提示预后不良和死亡风险较高。同时，SBDP150和SBDP145的水平比SBDP120更高提示Calpain酶的激活高于caspase酶。此外，caspase酶激活生物标志物与损伤的严重程度和不良的预后相关。3.2与弥散性血管内凝血相关的生化标志物一些TBI研究中发现约50%的患者存在凝血功能异常，且与不良预后相关。凝血酶原时间（PT），部分凝血活酶时间（PTT），纤维蛋白降解产物（FDP）和D-二聚体测试（D-DT）等纤维蛋白溶解标记物的增高与GCS评分低存在相关。此外，PT和FD

10、P与死亡风险增加相关。在另一项前瞻性研究中发现脑脊液和血浆中促凝微粒（MP）持续增高提示预后不良。横田等发现血栓调节蛋白（TM）和血管性血友病因子（vWF）的血清水平与损伤类型和患者年龄相关，颅内血肿患者中内皮细胞激活最明显，其次是局灶性脑损伤患者，而DAI患者水平最低。此外，与年轻患者相比，老年患者的内皮细胞活化程度更高。3.3与颅内压增高和脑关注不足相关的生化标志物高颅内压（ICP）和脑灌注不足（CH）是由继发性损伤中的炎症反应引起的，与发病率和死亡率密切相关。在ICP和CH升高的患者中，血清中的IL-6，IL-8和肿瘤坏死因子（TNF）-水平升高。ICH患者的血浆铜蓝蛋白水平低于无ICH

11、的患者，铜离子载体浓度降低导致血清铜离子水平下降。在TBI急性期自由基增多使铜离子氧化，从而导致铜蓝蛋白释放铜离子，并降低铜蓝蛋白半衰期。游离铜和铜蓝蛋白水平降低会进一步增加氧化应激，导致BBB损伤和水肿。在对DAI（或创伤性轴索损伤（TAI）患者进行的微透析时发现间细胞因子，ICP变化，脑组织氧合作用和水肿之间无明显相关性（同CT表现一致）。另一个与ICP升高相关的生化标志物是肌酸（一种L-精氨酸的代谢产物）。重度TBI患者中合并ICH的血清肌酸水平低于无ICH患者。TBI，脑卒中和蛛网膜下腔出血等急性脑损伤的脑水肿和ICH患者脑脊液中缓激肽的浓度均增高。脑脊液中大量由星形胶质细胞产生的S1

12、00B与ICP和CH均相关，而NSE水平仅与CH相关。此外，ICH与脑脊液中C-Tau蛋白升高与ICH有相关性。血清S100B水平增高与TBI患者IL-6水平和出血有关。微透析研究表明乳酸/丙酮酸比值升高的患者发生ICP的风险增加，而CH患者的细胞外甘油水平升高。3.4与神经炎性反应和氧化应激相关的生化标志物神经炎性反应在TBI的第二阶段起着至关重要的作用。临床研究中多采用微透析技术分析TBI患者脑脊液中白介素因子和趋化因子的水平。IL-18在重度损伤和认知障碍的患者中升高，也与神经炎性反应和神经变性有关。此外，多项研究对ICU患者进行微透析发现白细胞介素水平与损伤程度存在相关性。MMP对细胞

13、因子和细胞因子受体具有调节作用。微透析液中MMP-8和MMP-9升高与IL-1，IL-2和TNF-的升高有关，而MMP-7降低与IL-1，IL-2，IL-6升高有关。最近有研究认为IL-33是重度TIBI患者潜在的神经炎性生物标志物，与严重程度和预后不良有关。除了与细胞因子之间相互作用外，MMP-7和MMP-8还与ICP变化相关，ICP患者MMP-7降低而MMP-8升高。此外，MMP-8和MMP-9升高还与死亡率增加相关。血清脂联素也与炎症调节有关，其水平增高提示死亡率增加和预后不良。硝基酪氨酸是由酪氨酸经活性氮介导硝化作用后产生的，脑损伤72h内可以在脑脊液中检测到硝基酪氨酸，其水平增高与不

14、良预后相关。氧化应激的另一个指标是F（2）-异前列腺素8-异前列腺素F（2）（8-异-PGF2），它是由花生四烯酸的非酶自由基催化的过氧化作用产生的。TBI后第18天每天检测两次血清和CSF中8-iso-PGF（2）水平发现CSF水平显著高于血清水平且与其他氧化应激标记物（包括CSF谷氨酸和甘油）水平相关。在一项对106名重度TBI患者的研究中也发现血浆8-iso-PGF（2）水平与临床预后相关，其对患者1年内的预后准确性与GCS相似。4.新型生化标记物的检测，多种生化标记物的联合及生化标记物与其他预后评估方法的比较有学者通过将生化标记物与其他预后评估方法相结合进行研究，与血清生化标记物（S1

15、00B，NSE，IL-6，IL-8，IL-10，L-选择素，SICAM和内皮素）或GCS相比，两者联合使用能更好的评估患者预后。对于轻度TBI患者联合S100B及NSE和临床危险因素（如恶心，健忘，呕吐和意识丧失）也能更好地评估患者预后。一种联合生化标记物的评估TBI的方法是通过检测血清GFAP与UCH-L1的比率推断胶质细胞/神经元的比率。重度TBI局灶性病变患者的GNR高于DAI患者，且GNR与GCS和死亡率存在相关性。此外还可以通过磷酸化的tau蛋白比率对TBI患者进行评估。TRACK-TBI研究表明，在196例所有记性重度TBI患者血浆P-tau蛋白，T-tau蛋白以及P-tau/T-

16、tau高于健康对照组。与Tau蛋白相比，急性期血浆P-tau蛋白和P-tau/T-tau之比可以更好地评估与后（6个月时的GOSE）。将UCH-L1和GFAP联合使用对于诊断和评估与后具有更好的敏感性和特异性。当UCH-L1，GFAP和II血影蛋白分解产物升高时，将其联合使用有助于对神经认知功能障碍进行评估。有研究证实CK-BB与S100-B联合使用比单独使用S100B更好地反应患者预后。此外，将IMPACT扩展评分与UCH-L1，aII-血影蛋白分解产物（SBDP150，SBDP145，SBDP120），MAP-2，S100b和MBP等生化标记物联合使用可以更好地预测6个月后的死亡率。有研究

17、通过检测49例重度TBI患者血清MMP-9和c-Fn为评估患者住院时间和死亡率提供了评估价值。将生化标记物与基因组学结合也可以对患者进行评估。有研究在对重度TBI患者进行颞叶切除的解剖病理学研究中分析了患阿尔茨海默氏病的潜在风险，重度TBI和皮质斑块的患者具有较高的可溶性Abeta（1-42）水平，但没有Abeta（1-40），其中一半是apoEepsilon4（4）等位基因携带者。此外apoE4等位基因会增加外伤造成损伤的敏感性，apoE4阳性患者更容易发生脑组织细胞损伤，外伤后血清S-100B和NSE血清水平升高更明显。蛋白质组学，代谢组学和microRNA是当前研究TBI诊断和预后评估的

18、热门方法。MicroRNA是低分子量非编码RNA，在转录后基因调控中起重要作用。基因与microRNA之间的关系具有多重性（一个microRNA可以调节数百个基因，有时甚至具有逆功能）和协作性（一个基因由一个以上的microRNA调节），从而形成了多个水平调节的动态网络。对TBI患者外周血或CSF中不同microRNA（表达增加或减少）的检测均提示对疾病的诊断和预后有很好的特异性和敏感性。蛋白质组学通常使用质谱法通过自上而下或自下而上的方法进行研究。自下而上的蛋白质组学分析是指通过从复杂蛋白混合物中分离酶蛋白进行分析，通常会产生大量具有生物标志物价值和干扰的分子。自上而下的分析是指无需进行酶分

19、离即可进行完整蛋白的分析。这种方法有可能忽略重要的新蛋白质分子。在TBI的诊断和预后评估中蛋白质是一个新兴领域。尽管有研究认为与对照相比TBI的蛋白质组学变化，但是蛋白质组学分析作为一种预后工具的作用的研究还不够。类似于蛋白质组学，代谢组学定义为对大量低分子代谢化合物（代谢物）的分析，包括核磁共振波谱法和质谱法检测目的代谢物；而非通过气相色谱法或液相色谱法标记。通过尿液，血液或CRF的代谢组学分析进行了几种类型的研究，在诊断和预后价值方面均取得了令人满意的结果。5.生化标记物对TBI后认知功能的预后价值大多数关于TBI中生化标记物的临床研究目的都在于研究其对诊断（尤其是在轻度TBI中）和预后（

20、死亡率或低GOS/Glasgow）的评估。但是，创伤性伤害的长期后果还多方面的认知障碍和情绪障碍。有综述和meta分析探讨了S100B，NSE和脑震荡后症状（包括认知功能）之间的相关性，两项评价均得出这些生化标记物不是轻度TBI后长期预后的有效独立预测因素。在重度TBI患者中，我们发现只有两项关于急性或亚急性期的生化标记物水平与认知功能的研究。一项研究通过检测血液IL18（检测时间点不详）发现其与损伤后长达216天内的认知功能无明显相关性。另一项研究在创伤后遗忘症患者2周内检测S100B并进行神经心理学测试，发现反应时间，信息处理效率，口头和视觉记忆，概念性问题解决和口头流利度之间存在显著相关

21、性，其中相关性最明显的是在S100B和反应时间，没有发现生化标记物与抑郁焦虑压力量表之间的相关性。在对无脑震荡的美式足球运动员的研究发现S100B与认知测试结果之间存在显著相关性，而在反复发生脑震荡事件的受试者中S100B水平较高。在TBI慢性期对血清代谢组学的测试发现有无认知障碍的患者之间血清代谢组学存在显著差异。6.TBI生化标记物作为监测工具的潜力已有多项研究将生化标记物用于监测针对维持脑灌注压（CPP）和降低ICP的治疗。肌酐清除率，乳酸与丙酮酸（L/P）之比，氧化应激生物标志物，S100B和NSE等多用于评估治疗效果。最近一项研究中，通过S100B评估接受高渗盐水和甘露醇的患者，发现接受甘露醇治疗的患者血清S100B水平较低，GCS评分更高。Shore等比较了在严重TBI后接受连续或间歇性CSF引流的患者的神经元损伤（NSE），神经胶质损伤（S100B），炎症（IL-6）和再生（VEGF）的CSF生物标志物水平。间歇性引流与脑脊液中NSE，S100B，IL-6和VEGF的浓度升高有关。Taguy等通过微透析检测重型TBI手术治疗中分别使用丙泊酚和咪达唑仑的