先天性心脏病术后脑损伤生物标志物的研究进展

夏良锋，安永

（重庆医科大学附属儿童医院胸心外科/儿童发育疾病研究教育部重点实验室/国家儿童健康与疾病临床医学研究中心/儿童发育重大疾病国家国际科技合作基地/儿科学重庆市重点实验室，重庆 400014）

0 引言

与心脏手术（CS）相关的神经系统并发症（NC）很常见（6.1%），在成人和儿科人群中都会导致发病率和死亡率的大幅增加[1,2]。尽管外科技术、体外循环（CPB）系统和心脏手术（CS）患者的临床管理有所进步，围手术期并发症仍然影响中枢和外周神经系统。一项国外研究指出，在过去十年中，心脏手术术后发生脑血管意外的总风险已从3.3%降至1.3%。然而，在心脏手术术后数月内，40%的患者仍出现神经系统并发症[1]。术后神经系统并发症的发生是由于手术相关因素（栓塞或低灌注）对易受损伤的神经组织造成的继发性神经元损伤所致。围手术期的高热、高血糖和全身炎症反应等可促使发生脑损伤。实施的心脏手术类型（冠状动脉、瓣膜或联合）、更复杂的升主动脉和主动脉弓手术和/或应用的手术技术（是否使用CPB、主动脉阻断时间、搭桥等）对术后发生脑损伤有直接影响[3]。例如，是否使用体外循环及其使用时间、体循下的血流动力稳态对术后神经功能结果至关重要。

大多数作者认同术后发生脑损伤是多因素导致的这一观点[4]。临床神经学表现取决于受损区域的范围，范围从智力和认知功能的细微变化（记忆和行为障碍），到术后的迟醒、精神运动兴奋、昏迷、抽搐、运动性轻瘫甚至持续昏迷。Basel RamLawi等[5]的研究将其分为两类：第一类包括主要的局灶性神经事件、意识障碍和昏迷，通常由术中低灌注或栓塞现象引起的可识别的脑缺氧引起；2型表现为无局灶性损伤的证据下出现整体认知缺陷，如智力减退、记忆力下降和精神错乱，且2型的病因尚不清楚，可能是多因素的；如缺氧、体外循环时间、年龄、手术类型、术前肌酐水平，围手术期炎症反应与其病理生理有关。最后，CS后的这些并发症导致医疗支出增加，包括住院时间增加和进一步的康复计划[6]。

1 S100B蛋白

S100B蛋白是一种具有同源二聚体结构蛋白（21 kDa），属于钙介导蛋白（S100蛋白）的多基因家族成员。S100B二聚体对中枢神经系统具有特异性，S100a存在于心脏和主动脉中[7]。S100B具有细胞内和细胞外靶点，对胶质细胞、神经元和小胶质细胞具有自分泌和旁分泌作用。这种蛋白在中枢神经系统损伤后由星形胶质细胞表达并分泌到脑脊液（CSF）中，目前被作为全身血脑屏障（BBB）功能障碍的标志物[8]。然而，其确切功能仍然是未知的。在中枢神经系统梗死、创伤或中毒性损伤后，可观察到血清和脑脊液中S100B水平升高[9,10]。值得注意的是，血清S100B浓度似乎受到年龄、性别、慢性高血压、心脏切开抽吸或血液回收机的使用、体循或非体循手术以及检测方法的影响[11-13]。体外循环期间和之后S100B蛋白的释放与年龄和灌注时间呈正相关[12]。

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）是一种参与糖酵解过程的二聚体酶，分布于神经元和神经内分泌细胞中[7]。血清和脑脊液中均可检测出NSE。动物实验表明，脑皮质损伤后NSE升高[14]。NSE可有效预测心脏骤停后的神经功能结局和存活率[15,16]。在反复严重头部创伤和颞叶癫痫患者中NSE也会增加[17-19]。在缺血性中风患者中，NSE的释放与神经功能结果和梗死体积相关[20]。体外循环心脏手术期间血清和脑脊液NSE浓度升高，术后24h恢复到基线值[21]。NSE存在于红细胞和血小板中；因此，CPB期间的溶血和心脏切开抽吸可能导致NSE释放[22]。较低的温度可能会加重这种影响，因为在轻度或深低温体外循环的心脏手术中，NSE浓度比常温体外循环更容易增加[7]。NSE的起源一直受到质疑；然而，一项早期研究表明，CPB期间脑脊液中NSE的浓度增加[23]。术后神经认知功能障碍与血清NSE水平之间存在显著相关性[11]。但在主动脉瓣置换术患者中，NSE、磁共振成像病变与预后之间没有相关性[24]。

3 Tau蛋白

Tau蛋白是一种稳定轴突微管的微管相关蛋白，存在于大脑和脊髓中。Tau的磷酸化与神经死亡相关，并且在阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）等神经退行性疾病中观察到[7]。AD患者的脑脊液中磷酸化Tau增加，可能有作为术后神经功能结果的标志物的潜能[25]。心脏手术围手术期Tau蛋白升高，但其浓度可能不受心脏切开抽吸和使用血液回收机影响。一项研究发现，Tau蛋白水平在术后6h达到峰值，并在术后第4天恢复到基线水平[26]。重要的是，术后认知障碍的患者的血清Tau水平较高[27]。

4 金属蛋白酶

金属蛋白酶（Met alloproteases，MMPs）是一种锌依赖性内肽酶，能降解所有细胞外基质蛋白。MMPs可分为多个亚型，其中MMP-9被认为是血脑屏障功能障碍的标志物，因为白细胞释放这种肽后导致血管水肿[7]。重要的是，在渗漏的血管周围MMP-9的表达是增加的[28]。脑卒中患者早期MMP-9浓度达到峰值[29]。此外，术后MMP-9的增加代表全身炎症反应、动脉粥样硬化斑块操纵引起的局部蛋白释放、微栓塞或短暂缺血导致血脑屏障损伤[30]。在发生术后认知障碍的患者中发现术前该指标更高可能提示代表存在更高基线水平的炎症状态或与亚临床血脑屏障功能障碍相关的无症状缺血区域，说明术前MMP-9更高水平的无症状患者比无高水平MMP-9的患者更多出现神经影像学上的脑损害[31]。

5 泛素C末端羟化酶-L1

泛素C末端羟化酶-L1（Ubiquitin C terminal hydroxylase-L1，UCH-L1）是一种高度特异性的神经元蛋白，主要分布在灰质的胞体周围，其分子量约为24kda，其催化功能与中枢神经系统中移除错误折叠和氧化的蛋白有关[32]。与NSE和S100B相比，UCH-L1只有少量来自其他组织，如睾丸，这使其成为中枢神经系统损伤的特异生物标志物[33]。在蛛网膜下腔出血（SAH）患者的脑脊液中也检测到UCH-L1。在蛛网膜下腔出血后的第二周内，其浓度一直升高，且超过该浓度后，与S100B峰值相关[34]。一项研究发现，在深低温停循环组患儿的UCHL1水平迅速升高，表明其有可能作为神经损伤的标志物[35]。

6 神经胶质纤维酸性蛋白

神经胶质纤维酸性蛋白（Glial fibrillary acidic protein，GFAP）是星形胶质细胞中来自中间丝细胞骨架的单体蛋白（40-53kDa），参与星形胶质细胞增殖、突触可塑性、谷氨酸稳态、神经突起生长、髓鞘形成等过程[36]，其存在于中枢神经系统、周围神经系统及在非神经细胞、肌上皮细胞、软骨细胞和成纤维细胞、心脏瓣膜和淋巴细胞中[37,38]。对血清GFAP的研究应考虑先前或心脏手术导致肝损伤的影响，因为肝星状细胞与星形胶质细胞具有共同的特征，可能是污染源[39]。啮齿类动物脑缺血和神经毒性损伤的实验模型已经证明胶质纤维酸性蛋白在星形胶质细胞增生中增加，这一事实支持胶质纤维酸性蛋白浓度作为脑损伤的敏感标志物的使用[40]。GFAP已在其他急性脑损伤疾病（中风、TBI、蛛网膜下腔出血）中进行了研究，观察到所有病例中的生物标志物水平均增加[41]。一项先天性心脏手术领域的前瞻性观察研究[42]发现在接受体外循环修复先天性心脏异常的儿童中观察到GFAP显著增加，且观察到GFAP浓度与旁路时间、主动脉阻断时间和心脏手术中使用的低温呈正相关，可推测GFAP可能是心脏手术后急性脑损伤的特异性生物标志物。

7 神经丝

神经丝（Neurofilaments，NF）参与构成最丰富的神经细胞骨架蛋白，由整合在神经元和轴突细胞骨架结构中的不同亚单位组成，广泛参与同其他细胞骨架成分相互作用[43]。Nf容易在许多神经系统疾病中积聚[44]。高分子量神经丝亚单位（pNfH）的次磷酸化形式增加其对蛋白酶分解的抵抗力，使其容易被检测到并可用作生物标志物[45]。Siman等[46]的初步研究将pNFH作为急性脑损伤的一种新标志物。与UCH-L1一样，pNFH水平在建立循环或主动脉阻断后12～36h内均匀升高。

此外，在神经危重症患者的研究中，髓鞘碱性蛋白[47]、脑源性神经营养因子、肾上腺髓质素、激活素A等生物标志物也反应脑损伤的情况,但目前尚缺乏足够的证据说明其与心脏术后相关[48]。

8 结语

目前有关围手术期神经相关生物标志物的研究已取得一定进展。遗憾的是，尚未出现可以用于推荐的完全适用于心脏术后脑损伤的生物标志物的统一意见。有的脑损伤发生后其症状可能是多变或不典型的，不同研究之间在诊断时缺乏共识，即使都实施类似的心脏手术，但个体差异也可能是其变化的原因。脑损伤生物标志物可为医师提供体术后发生脑损伤的客观数据，为是否采取相关脑保护措施提供依据；其次，也可以作为了解发生脑损伤严重程度等相关研究提供新的方向。