体外循环脑损伤生化指标的研究现状及应用进展

张从利(综述),李晓红(审校)

体外循环(extracorporeal circulation,ECC)应用于心内直视手术已有半个多世纪,随着基础医学研究和临床试验、实践的逐渐深入,这项技术在不断的发展和完善。该技术极大地推动了心血管疾病外科治疗的发展。目前,ECC心脏直视手术后,因心肌梗死、心力衰竭或致命性心律失常等直接心脏原因引起的死亡率明显下降,但 ECC并发症引起的死亡率却呈逐渐上升趋势[1]。脑损伤是 ECC的常见并发症之一。ECC术后中枢神经系统(CNS)的严重并发症发生率高达 1%～5%[2]。ECC引起脑损伤原因是多方面的。目前认为与 ECC的低灌注状态、脑缺血缺氧、脑栓塞、全身炎症反应综合征(SIRS)、缺血/再灌注损伤以及血液稀释[3]等因素有关。临床工作中,及时发现脑损伤并准确判断其损伤程度十分重要,但如何更好地早期诊断 ECC引起的脑损伤 ,并对其严重程度及预后进行评估,仅仅依靠影像学(CT、MRI、TCD等 )是不够的,脑损伤生化指标作为当前医学发展所关注的热点之一,可作为影像学的重要补充。脑损伤生化指标是指在脑组织发生损伤或脑血管发生病变时,患者血或脑脊液中出现的可测定的且具有标志性的物质。本综述主要讨论近年来一些具有潜力的 ECC脑损伤早期诊断生化指标在临床上的应用进展。

1 S100蛋白

S100蛋白是 Moore于 1965年首次从牛脑中分离出来的一种酸性钙结合蛋白,是一组广泛分布于不同组织的神经组织蛋白,其分子量在(10～12)×103,主要分布于神经胶质细胞及相应肿瘤细胞中。根据其亚单位结构可分为 S100αα、S100αβ、S100 ββ三种,其中 S100ββ(S100B)具有高度神经元特异性,只存在于神经胶质细胞和(或)施旺细胞中,脑皮质中浓度较高可达 96%。正常情况下 S100 B蛋白不能通过血脑屏障(BBB),正常成人及年龄大于 8岁的儿童血浆 S100B含量极低(＜0.05μg/L)。ECC时,多种刺激因素作用下,神经细胞和神经胶质细胞被激活,反应性及膜通透性增加,内皮细胞受损,S100B在病变脑组织表达增加,通过受损的BBB进入血液。

有研究表明 S100B是目前判断早期脑损伤的最特异的生化指标[4]。谷兴华等对 48例心脏手术患者进行的研究发现,ECC组(n=40)血清 S100B水平术后 24 h和 48 h[(0.61±0.18)μg/L和(0.37 ±0.12)μg/L]高于术前水平 (0.05±0.03)μg/L(P＜0.01),而术后 48 h血清 S100B水平与脑损伤指数(DQ)(DQ=异常变量数/总变量数)呈正相关(r=0.739,P＜0.01)[5]。Georgiadis D指出术后24 h S100 B水平诊断脑损伤有 90%的敏感性和特异性[6]。这些数据均表明 S100 B对 ECC所致脑损伤有很高的预测价值。多项研究均证明,ECC结束和术后 24 h内S100蛋白明显增高的患者经 CT或磁共振扫描证实均出现脑梗塞[7]。血浆中的 S100表达升高可作为神经系统损伤特异和敏感的标志物[8],当其血清浓度超过 0.5μg/L时具有病理意义[9]。

2 神经元特异性烯醇化酶

神经元特异性烯醇化酶(neuron-specific enolase,NSE)是一种可溶性胞浆蛋白,属于烯醇化酶二聚体同工酶类,因其特异性地存在于神经元和神经内分泌细胞中,故称为神经元特异性烯醇化酶。脑内 NSE含量远高于周围神经中的含量。正常情况下,体液中 NSE含量很低,当脑组织发生缺血、缺氧等损伤时,脑组织细胞膜的完整性遭到破坏,大量NSE便可从细胞内释放出来,继而进入血液循环。体液中 NSE含量的增高,即可提示神经细胞受损[10]。Johnsson等[11]在对 35名 ECC术后第二天的患者进行 NSE和 S100蛋白检测时发现,8名术后有 CNS功能障碍的患者中 7人 NSE和 S100蛋白水平增高。脑损伤后星形胶质细胞发生活化,这种活化先于缺血后的神经元变性,因此 NSE的水平要晚于 S100蛋白水平而升高[12]。Woetrgen C在其2001年的研究中就已指出脑缺血损伤后血清NSE水平有明显升高,且与脑缺血损伤的严重程度明显相关[13]。在一比较性研究中,ECC术后患者血 NSE水平明显高于术前(P＜0.01),且与 DQ正相关(r=0.371,P＜0.05)。研究结果显示联合检测血清 S100B与 NSE的特异性最高[5]。

目前临床上检测 NSE的方法尚不成熟,不同方法所测 NSE水平存在一定差异。主要检测方法有放射免疫法(RIA)及 ELISA,国外建立的 ELISA法灵敏度达 0.98μg/L,国内检测灵敏度为 2μg/L。RIA灵敏度高特异性好,对样本要求也低,不需进行纯化可直接测定,但易引起污染[14]。

3 髓鞘碱性蛋白

髓鞘碱性蛋白(myelin base protein,MBP)是脊椎动物 CNS少突胶质细胞和周围神经系统施旺细胞合成的一种不含脂及糖类的单纯蛋白质,含有多种碱性氨基酸,是髓鞘蛋白的重要成分,约占髓鞘蛋白总量的 1/3。MBP是反应中枢神经系统有无实质性损害特别是髓鞘有无病变的一个特异性生物标志物[15]。当脑外伤引起神经组织细胞破坏时,MBP即进入脑脊液,少部分随受损的血脑屏障进入血液,此时 MBP会明显增加。因此,脑脊液和血液 MBP含量的测定,是反应脑、神经组织细胞有无实质性损伤的一个灵敏而可靠的指标[16]。国内张铁铮对 ECC脑损伤患者所进行的观察研究发现:患者术中和术后 MBP水平较术前均有所升高,且差异有显著意义(P＜0.01)。术后 6 h,轻度脑损伤组 MBP浓度达(6.16±2.28)μg/L。术后 24 h,中重度脑损伤组可达(10.41±1.65)μg/L。多元回归分析表明,MBP水平变化与术后美国国立卫生研究院卒中量表(NIHSS)评分呈高度正相关,且术后 24 h二者相关性最高(r=0.87),而线性回归分析则表明,MBP峰值的变化则与脑损伤的程度密切相关[1]。

4 兴奋性氨基酸

兴奋性氨基酸(excitatory am ino acid,EAAs)广泛存在于哺乳类动物 CNS的兴奋性神经递质,与多种神经变性疾病有关。缺血、缺氧、创伤、中毒等因素均能触发 CNS的 EAAs过度兴奋,当能量代谢失衡时,EAAs异常堆积,产生神经毒性作用。EAAs主要包括谷氨酸(Glu)、天冬氨酸 (Asp)。其中,Glu是 CNS内含量最高,分布最广,作用最强的兴奋性神经递质。谷氨酸作为重要的中枢神经系统兴奋性神经递质,其功能是作为中枢兴奋性神经递质-γ-氨基丁酸(GABA)合成的前身物质,解氨毒及营养神经。有国外研究证实,谷氨酸介导的兴奋毒作用对神经元与神经胶质细胞都会产生明显的损伤[17]。Kanthan[18]等用颅内微透析技术测定人脑缺血模型细胞外液 Glu含量,发现缺血后立即出现Glu水平的升高,且其峰值浓度是正常值的 100倍。Nilsson于第二年用同样检测方法对 7例动脉瘤破裂致蛛网膜下腔出血患者的检测发现,出血发生后Glu聚集在脑组织的不同区域,且水平的高低与病情的发展密切相关[19]。国内最近研究发现在脑出血的超早期(出血发生 ＜8 h)出血周围脑组织中Glu,Asp明显升高[20]。这些都说明了损伤脑组织周围有 EAAs的大量聚集。ECC转流的复温期是造成脑氧供需失衡的时期。由于脑缺氧、能量代谢受阻,导致颅内兴奋性氨基酸与抑制性氨基酸失调,其中 EAAs的毒性作用被认为是造成脑损坏的重要因素,复温速度越快,EAAs的毒性越大,脑损伤越严重[21]。但EAA能否作为早期诊断ECC脑损伤的生物标志物,仍需进一步的临床研究来验证。

5 肌酸激酶同功酶

肌酸激酶(CK)有三种主要的同工酶(CKMM、CK-MB和 CK-BB)。其中,人的肌酸激酶脑型同工酶(CK-BB)在脑和脊髓中含量最高,且均匀地分布于胶质细胞和神经元中。理论上认为,脑脊液 CK-BB活性检测更直接和准确,但对于颅脑损伤患者行脑室穿刺或腰穿可增加诱发脑疝的风险。血清和脑脊液 CK-BB活性密切相关,因而血清 CK-BB分析可取代脑脊液 CK-BB活性检测。ECC心内直视手术中,尤其当主动脉夹闭后心肌缺氧,局部代谢产物堆积,微循环进一步酸化,ATP酶活性下降,当开放主动脉、心脏恢复血流灌注后,常发生心肌缺血-再灌注损伤。此时,血清和脑脊液中 CK-BB含量很快升高,作为脑损伤的特异性量化指标有很高的临床价值。吴英[22]对脑损伤患者进行的一前瞻性研究中观察了 79例脑损伤患者与50例非脑损伤患者血 CK同工酶水平变化情况,发现脑损伤患者于损伤发生后 5天内出现 CK-MB的显著升高(P＜0.05),而 CK-BB条带则更早,出现于损伤发生后的 2天内。大部分患者随着病情的好转会出现 CK-MB和 CK-BB的降低,3例持续增高患者中 2例死亡,另一例病情恶化。进一步证实了 Delanghe JR等在 1990年的研究发现,即:血清 CK-BB活性高低与原发性脑实质损伤程度成正比,脑损伤程度越重,对实质造成破坏范围越大,CK-BB活性越高[23]。而 CK-MB的增高可能是由于患者脑组织的严重破坏引起大量炎性介质及细胞因子的释放,引发的 SIRS导致多器官功能受损以致衰竭,心脏的受累导致 CK-MB水平升高。

6 其 它

He ZJ等探讨基质金属蛋白酶-9(matrixmetalloproteinase-9,MMP-9)及 MMP-9 mRNA在行心肺复苏术(CPR)大鼠表达情况的一前瞻性研究,复苏组大鼠在 CPR 3 h后表达水平显著上调,24 h达高峰。BBB也有明显改变。这些改变与假手术对照组相比具有显著意义[24]。国内宋林杰[25]等积累了充分的实验数据,证实弥漫性脑损伤(DBI)大鼠早期 MMP-9及其抑制剂(TIMP-1)表达水平的上调会引起甚至加重继发性脑损害。然而对 MMP-9在人脑损伤尤其 ECC脑损伤表达情况及其临床诊断价值的相关报道却很少。最近,有学者提出 γ-氨基丁酸(GABA)[26],乳酸脱氢酶(LDH)同工酶作为脑损伤患者早期诊断,疗效观察的检测指标在临床上有重要价值。这些都需要进一步的临床研究,尤其是多中心协作研究,以确认这些生物标志物在ECC脑损伤早期诊断中的实际应用效果。

7 结 语

近年来,尽管对脑损伤的诊断和治疗取得了一定的进展,但由于高难度手术开展的增多,对于ECC术后,特别是术后尚未清醒、仍需呼吸机辅助呼吸的患者,是难以依靠临床神经检查(CT、MRI、TCD等)来诊断其脑损伤程度的,此时,上述生化指标的监测即可发挥重要作用。在临床上,生化指标的检测与临床影像的联合应用,可以早期、准确的反映 ECC术后脑损伤程度,并可采取及时、有效的预防和治疗等措施,改善 ECC术后脑损伤患者的预后。联合监测使得多中心协作成为可能,可更好地进行有潜质的 ECC脑损伤生物标志物的对比研究,其目标就是建立有效的 ECC脑损伤生物标志物评估体系,以便早期诊断、早期治疗,最大限度减少脑损伤程度,改善转归及预后是众多研究者的共同追求。

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