精准神经外科时代——烟雾病的诊治新思路

张华楸 舒凯 雷霆

随着微侵袭外科概念的提出和推广,神经外科的诊疗领域从技术、设备和理念各方面均发生了巨大变革,神经外科疾病的诊疗也从单纯病灶的切除发展为对病人生活质量的改善和各类神经功能(包括认知等高级功能)的保护。近年来,国内学者提出了精准神经外科的理念,其核心是以神经病理学、神经显微解剖学、神经影像学、神经功能学等多学科知识的融合为基础,以显微手术技术和辅助设备为手段,对相关神经外科病人术前评估、手术诊疗、术后快速康复、远期追踪随访的全流程管理观念。

烟雾病(moyamoya disease,MMD)是一种慢性进行性缺血性脑血管疾病,由于其影像学特征是呈现“烟雾状”的异常新生血管网,被日本人最早以日语“烟雾Moyamoya”命名。由于烟雾病缺乏成熟有效的动物模型,其发病机制和致病原因的研究仍然困难重重。近十年来,随着烟雾病相关知识的普及和发病率的显著升高,针对其基础和临床研究也快速地深入和扩展,但仍存在诸多问题。例如,研究发现,东亚烟雾病病人中RNF213的突变率显著增高,在动物模型中针对该基因的突变,虽然可以观察到部分血管烟雾化的萌芽,仍无法完全复制烟雾病病人血管的病理改变。在临床诊断方面,各类血管造影相关的影像学检查仍然是烟雾病诊断的唯一方法,因此探索高效便捷的检查手段用于早期预警、广泛筛查和预后判断意义重大。在治疗方面,颅内外血流重建术仍旧是首选方案,但是尚缺乏大样本、多中心的长期临床研究用于手术疗效评价和预后评估。此外受制于个体血管条件和血流动力学重建的复杂性,如何开发新的非手术辅助治疗方法,促进代偿血流的重塑也是研究者关注的重点。同时,提升术后病人的康复训练和长期追踪随访水平,评估烟雾病病人术后远期疗效的工作也有待加强。本文针对目前国内外在烟雾病诊断和治疗领域的最新进展和观念开展论述。

一、烟雾病临床诊断新进展

1.影像学评估的改良和发展:尽管存在费用高、有创性等特点,传统脑血管数字减影血管造影(DSA)仍然是评估烟雾病病人病情和病程的重要手段。它不仅可以显示颅底动脉狭窄的程度,同时帮助医生评估颈外系统代偿情况。近年来,在大数据分析技术的支持下,针对DSA影像学的分析方法得到了快速发展。日本学者根据分析成年烟雾病病人DSA数据和预后关系发现,脉络膜吻合和大脑后动脉受累是出血型烟雾病的重要特征[1-2]。也有学者认为,烟雾病侧支循环的纵向改变与脑出血率的发生高度相关[3]。国内学者也发现,大脑中动脉供血区域的血流来源是影响烟雾病血流重建术后并发症的重要因素[4]。

随着影像组学概念的兴起和人工智能算法的开发,为探索烟雾病病人DSA影像学特征提供了更多的方法。通过计算机系统大量学习DSA影像数据或将动态DSA数据经过卷积神经网络的构建来实现特征与预后关联。国内学者通过烟雾病病例数据采用2D-BiConvGRU-3D卷积神经网络的策略来构建预测模型,能够较高精度地诊断烟雾病(准确度0.978 8,敏感性0.978 0和特异性0.979 6)[5]。目前针对DSA来预测烟雾病病人预后特别是认知功能等远期预后改变的深度学习模型尚在研究之中, 未来相关成果可能为指导烟雾病治疗提供重要的依据。

核磁共振以及相关检测序列的开发也为烟雾病的诊断提供了更多手段。小队列研究发现,结构相磁共振通过评估白质等结构能够预测烟雾病病人认知损伤。功能磁共振成像(fMRI)为了解大脑区域之间在神经、区域和网络层面的功能连接提供了机会。血氧水平依赖(BOLD)是评估烟雾病脑血管反应性的新兴技术。它是一种非常有前途的血流动力学评估工具,将来有可能成为烟雾病病人术前和术后评估的常规检查方法。通过静息态 fMRI 检测到工作记忆和表现速度评分与默认模式网络变化的破坏程度成反比,表明高级认知功能与大脑基本网络的有序性之间可能存在关系。对静息态网络的分析可能为烟雾病病人的认知产生潜在的生物标志物。国内学者利用fMRI阐明了烟雾病网络变化背后的静态和动态组织原理,为分析烟雾病病人脑功能的病理改变和治疗评估提供了新的见解。此外,不同类型的灌注序列 MRI 可提供血液动力学信息,最近已成为烟雾病的热门研究课题。Lin等[6]通过灌注加权MRI开发了标准化的时间-峰值图和评分系统,用于评估烟雾病的灌注变化,并证实其在烟雾病病人术前灌注状态的预测价值。动脉自旋标记(ASL)是另一种依赖内源性水分子信号的 MR灌注方法,越来越多地被用于临床上烟雾病脑血流定量检测。作为一种无创监测工具,用于识别烟雾病病人血管再通后的灌注变化,包括脑血流、侧支血流和吻合部位的通畅性[7]。上述神经影像学的进展为高精度评估脑灌注提供了强大的手段,为烟雾病病人远期治疗效果和预后评估带来了广阔的前景。

2.分子检测手段:人类基因组中存在大量功能未知的非编码RNA(ncRNA),他们通过细胞外囊泡释放入血,成为多种疾病的潜在标志物。目前已有报道认为,ncRNA可能和烟雾病的发病有关。Dai等[8]发现,烟雾病病人血清中 miR-106b、miR-130a、miR-126 和 miR-125a-3p 的表达和正常人群存在显著差异,而且转移 RNA 衍生片段(tRFs)可能也与该疾病相关[9]。通过分析MMD 病人循环中性粒细胞的 circRNA 转录组发现,hsa-circRNA-100146、hsa-circRNA-102534、hsa-circRNA-036592、hsa-circRNA-405463 和 hsa-circRNA-405324 存在差异表达[8]。另一项研究调查了31例病人和31名健康对照者脑脊液样本中的外泌体 miRNA,结果显示,miR-3679-5p、miR-6165、miR-6760-5p 和 miR-574-5p 可能对烟雾病病人的筛查具有诊断意义[10]。近期我们研究团队也发现,外周血中miR-Let-7C以及CircZXDC的表达水平在烟雾病病人中显著增高,具有潜在的诊断作用[11]。当然还需要大量研究,进一步开发特异性和敏感性更高的ncRNA分子作为烟雾病筛查的标志物。随着人工智能和机器学习(ML)的快速发展,ncRNA结合AI能为医生做出数据驱动的医疗决策。循环 ncRNA 的水平(浓度)可能成为诊断疾病和预测结果的关键。目前学者们已经在尝试使用随机森林算法、支持向量机和 LASSO 来确定它们作为生物标志物的潜力。相信在不久的将来,在分子诊断学方面,通过检测外周血或脑脊液标志物可能成烟雾病病人筛查的新方向。

二、烟雾病临床治疗的新进展

1.烟雾病精准手术治疗:尽管尚缺乏大样本、长期、多中心临床数据研究,颅内外血流重建手术仍是目前烟雾病公认有效的首选治疗方法。在出血型烟雾病中,国内前瞻性的队列研究提示,颅内外血流重建手术能够降低再出血风险。日本一项多中心前瞻性随机对照研究表明,血流重建术能将出血型烟雾病的5年再出血发生率从31.6%降至11.9%。因此积极采取颅内外血流重建手术能更好改善病人的预后已经成为更多学者的共识。经典的血流重建术式包括以下三种:直接血流重建手术[12],间接血流重建手术,联合血流重建手术。直接血流重建是指采取颅内外动脉直接进行吻合的术式,主要包括颞浅动脉-大脑中动脉吻合术,颞浅动脉-大脑前动脉或颞浅动脉-大脑后动脉吻合术等,此外还有枕动脉作为供体血管的枕动脉-大脑中动脉吻合术,枕动脉-大脑后动脉吻合术等。间接血流重建手术基本原理是将颈外动脉系统的动脉及其周边组织覆盖于缺血的大脑表面,较常用的术式包括脑-硬脑膜-动脉血管融合术、脑-肌肉血管融合术、脑-肌肉-动脉血管融合术、脑-硬脑膜-动脉-肌肉血管融合术、脑-硬膜-肌肉-血管融合术、多点钻孔术以及大网膜移植术等。联合血流重建手术则是将直接和间接重建手术结合于一体。目前各大中心根据病人病情特点和自身经验,自行选用不同的手术方式,尚无统一标准。

在术中影像监测技术辅助下,如FLOW800彩色血管荧光、术中MRI/CT、神经导航、皮层电极监测等,越来越多的大型医学中心开始融合血流灌注、神经代谢和脑电功能等监测信息,开展多模态技术下的颅内外精准血管吻合,并获得了更好疗效。例如基于术中吲哚青绿(ICG)-FLOW800彩色荧光技术可以选择性改善缺血严重脑区,同时有效预测STA-MCA术后引起高灌注的风险。此外,随着显微镜增强现实荧光技术的发展,通过在手术中对供体和受体血管的血流进行精准评估,可以在吻合前预测血栓形或血管狭窄可能性,并在术后评估吻合的通畅性。也有学者采用ICG-FLOW800荧光造影技术评估吻合口周围区域微血管的血流动力学变化,评估该项技术在预测烟雾病病人搭桥术后脑过度灌注综合征中的价值。德国研究者则利用术中荧光素钠造影,成功的在体内展示烟雾状病变血管内皮的完整性和血脑屏障损伤情况。他们认为,荧光素钠外漏程度证实烟雾病病人的血脑屏障已经受到破坏,这可能是成年烟雾病病人血管搭桥术后颅内出血或高灌注的原因。在颅内外血管吻合手术方面,各类改良和创新术式也不断涌现。例如颞浅动脉两个分支同时搭桥的“双支搭桥”技术、单只供体血管多次吻合的“序贯搭桥”技术、血流自主调节的“侧侧搭桥”技术等。针对部分病人颞浅动脉直径较粗,血流量过大情况,我们提出了将颞浅动脉的分支一支搭桥一支敷贴的“吻合-融通联合搭桥”技术。改良术式既减少了脑过度灌注的发生,又保证了头皮的血液供应,还增加了一条通过血管融通重建颅内和颅外血流的通路。上述诸多手术方式的改良为烟雾病病人获得高效、安全的手术治疗提供了选择。

2.基因治疗进展:基因治疗(gene therapy)定义是将外源正常基因导入靶细胞,以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病,以达到治疗目的。任何治疗都无法阻止或逆转烟雾病原发性疾病的进展。目前烟雾病的治疗仍以手术为主,但由于烟雾病目前被发现与基因突变具有重要关联,因此基因治疗可能是未来具有前景的治疗方式。

烟雾病的基因易感性报道较晚,基于首个关于烟雾病GWAS 发现,烟雾病与一个新的一级易感基因 RNF213(又称Mysterin神秘蛋白)有关,该基因编码 591 kDa蛋白“环指蛋白 213”,具有两个AAA +模块(与多种细胞活动相关的ATP酶)和一个环指泛素连接酶结构域[13]。RNF213(位于染色体17q25上)的突变分析表明,95%的烟雾病家族、73%的非家族性烟雾病病例和1.4%的对照组中存在一个创始变体p.R4859K(即RNF213第60外显子中的单碱基置换c.14576G >A)。然而基于外显子测序的病例对照研究表明,在东亚人群(251例病例和707例对照)中,p.R4810K与烟雾病密切相关,OR值高达111.8。在日本和韩国,p.R4810K变体的分布情况相似,频率为67.4%～90%,同源携带者的频率为 5.3%%～7.9%。在中国,p.R4810K变异体的分布与日本和韩国截然不同,同型和杂合子携带者的比例远远低于野生型携带者[14]。一项针对中国汉族病人的大规模病例对照研究显示,22例病人22/170 (13%)存在p.R4810K 变异,其中包括21例杂合型携带者和一例家族性杂合型携带者[15]。在生理功能方面, RNF213在人和小鼠的全身都有表达,在免疫组织中的表达量最高。RNF213蛋白在细胞质中呈弥散分布,部分与未确定的细胞内结构有关。RNF213具有形成环状寡聚体和水解 ATP的能力,但其功能及其与烟雾病的联系仍未确定。近年的重磅研究发现,RNF213与细胞降解细菌脂多糖的功能直接相关。敲除或者突变细胞内RNF213能够显著抑制细胞对泛素化降解细菌表面蛋白的能力[13]。而RNF213缺陷小鼠在服用氨甲酰基二肽(MDP)-Lys(L18)后,调节性T细胞的比例显著下降,干扰素β也会上调RNF213,这都表明RNF213进一步参与了免疫系统的调节[16]。以上这些研究结论说明,针对RNF213治疗可能能为烟雾病提供一种可逆性治疗方式。而基因治疗目前的治疗方法范式的变化趋势:从病毒载体到非病毒载体,从基因转移到整个机体到定向转移到细胞和组织,从单一基因使用到基因组合;从DNA疗法到RNA疗法,从体内疗法到体外疗法。希望未来基于全新基因替换编辑方法的治疗手段能够延缓烟雾病的进展。

3.细胞移植治疗:烟雾病病人颅底大动脉的进展性狭窄和闭塞是导致脑缺血症状的主要原因。既往研究发现,干细胞移植在治疗脑缺血性疾病(包括慢性脑缺血,卒中等)中显示出巨大的潜力,可改善神经系统疾病的后遗症[17]。干细胞具有强大的分化潜能,在用于治疗中枢神经系统疾病时,可增殖成神经元和神经胶质细胞,从而取代坏死细胞,发挥神经保护作用。间充质干细胞是一种多能成人干细胞,主要存在于包括骨髓、脂肪组织和脐带等多种组织中。与其他干细胞疗法相比,间充质干细胞具有提取和分离简单、培养成本较低、可塑性高、成瘤性低等优势[17]。目前有大量研究表明,间充质干细胞可通过增强血管生成和神经发生以及调控免疫功能、抑制炎症反应来改善神经-血管的修复。此外其旁分泌作用可通过直接和间接作用加速神经功能康复。目前干细胞移植疗法仍停留在临床实验阶段,对其安全性和有效性评估尚不完善,期待在不久的将来可以投入到临床应用中来。

综上所述,在精准神经外科时代,烟雾病研究虽然从基础到临床各个方面均有飞速的发展,但是仍然迷雾重重。特别是在病理机制、临床治疗、预后评估等方面有待于进一步深入探索。希望随着越来越多学者将研究目光聚焦于这一新兴的领域,早日拨开烟雾病的神秘面纱。