脑损伤生物标志物的研究进展

张雨莹 李利彪

脑损伤有多种原因,主要有创伤性脑损伤(TBI),缺血性脑损伤,神经退行性病变:阿尔茨海默症(AD),慢性创伤性脑病(CTE)。临床中面对错综复杂的原因导致的脑损伤,目前影像学是临床常用的诊断方法。脑损伤标志物是发生脑损伤后,在血液或脑脊液中检测到的化学物质,可以帮忙诊断疾病,在划分脑损伤严重程度,评估预后及帮助治疗。根据提取来源分为血液、脑脊液标志物,脑脊液标记物特异性高,但是为侵入性检查,费用高,不易得;血液生物标记物易得,费用低,微创。根据标记物化学性质可以分为RNA、蛋白类、蛋白酶、神经丝等。本文旨在总结各种原因导致的脑损伤后的生物标志物,用来帮助诊断,预测病情预后,指导治疗。

1 RNA类(microRNA,miRNA)

miRNA可以调节细胞增殖、迁移、凋亡、器官形成、先天/适应性免疫反应、缺血-再灌注损伤的反应和衰老过程[1]。血清miRNA比蛋白质释放早,特异性,敏感性更高[2]。Das Gupta等[3]发现,在大鼠轻度创伤性脑损伤后2 d,脑中的miR-9a-3p和miR-136-3p的血浆水平迅速升高,且血浆miRNA水平与脑损伤的严重程度相关。Schindler等[4]也发现,在重度创伤性脑损伤后的前6 h,血清或血浆miR-423-3p表达显著升高。且miR-423-3p水平与脑外伤后损伤严重程度和意识障碍之间也有显著相关性。所以miRNA作为生物标记物在创伤性脑损伤中有潜在的预测价值。

在缺血性脑损伤中,miRNA在脑海马角氨-1区(CA1)中的表达存在时间差异,伤后3 h rno-miR100-5p和rno-miR-125b-5p升高,伤后72 h miR-329-3p较高。虽然CA1神经元缺血后更易受损,但其细胞特异性靶向miRNA表达可以保护CA1神经元,改善短暂性前脑缺血幸存者的认知结果,这可能有助于靶向基因治疗[1]。Yu等[5]检测院外心跳骤停患者自主循环恢复后的48 h,血清中miR-191-5p水平降低与神经系统转归不佳以及死亡率升高有关。该实验还表明,miR-191-5p在自主循环恢复之后33个月的随访研究中也具有良好的预测价值,可能成为心脏骤停后神经预后不良的预测因素。Griffiths等[6]在大鼠短暂性脑缺血后2 h或伤后7 d,向海马角氨-1CA1注射miR-181a拮抗剂,均可见伤后28 d CA1的恢复。所以,抑制miR-181a对CA1区域神经元具有恢复作用。综上,miRNAs对脑损伤的预测和治疗有一定的价值。

2 蛋白类

2.1 Tau蛋白 Tau蛋白通过促进微管聚合与稳定,维持神经细胞,轴突,树突棘的结构。Tau蛋白磷酸化是其发挥生理功能的一个过程。但病理情况下,Tau蛋白在特定位点发生过度磷酸化及错误折叠,微管发生缠结继而导致神经细胞结构功能破坏,过度磷酸化的Tau蛋白不易被水解,被释放入脑脊液和血液中。冬眠、低温、麻醉等因素会导致Tau蛋白短暂的过度磷酸化[7-9]。创伤后应激障碍使Tau蛋白浓度上升,TBI后神经源性外泌体总Tau(t-tau)在外周循环中非常稳定,所以外泌体t-tau或许可以作为脑损伤的特异性诊断生物标志物[10]。Pattinson等[11]发现持续轻度创伤性脑损伤(repetitive mild traumatic brain injury,rmTBI)伴有创伤后应激障碍退伍军人,外周血浆的Tau蛋白显著上升,意味着血浆Tau蛋白的急性升高与神经症状恢复不良相关。并且在rmTBI时,随着脑部受到损伤的次数增多,外周血液外泌体磷酸化-tau蛋白(p-tau)浓度更高,慢性神经行为症状也增多,所以外泌体p-tau可能成为预测rmTBI不良预后的生物标志物[12]。

Tau蛋白根据微管相关蛋白Tau基因选择性剪接10外显子,可以得到含有3个或4个重复微管结合域的亚型(3R)或(4R)。其中3Rtau蛋白在大脑发育中占主导地位,4Rtau蛋白在生命早期增加,并在成年后达到与3R相同的水平[13]。虽然慢性创伤性脑病(CTE)和AD均同时表达3Rtau和4Rtau,但早期病理观察到4Rtau表达较多,后期3Rtau表达水平剧增[13,14]。将脑海马区分为4S个不同的区域(CA4,CA2/3,CA1,下丘),Cherry等[13]观察到CTE拥有独特的以CA4区Tau蛋白沉积的相对区域优势,所以CA4区Tau蛋白可能是CTE的一个更好的整体标识。但目前单个PET示踪剂很难识别Tau蛋白的不同亚型,未来的PET研究可能需要多种示踪剂来捕捉疾病的全谱。Turk等[15]发现p-tau231水平的升高是CTE的显著预测因素。在AD中,Tau蛋白亚型均被过度磷酸化且不可逆,p-tau蛋白抑制组装并破坏与每个Tau亚型预组装的微管,其效率与这些亚型相互作用的程度直接相关[8]。高水平的脑脊液t-tau是AD的一个特征谱。除了AD,在其他很多种退行性经疾病中,脑脊液t-tau浓度较高,如克雅氏病。因此,脑脊液t-tau水平的升高可能预示着神经退行性变[16]。值得注意的是,Shin等[17]的一项研究证明,在脑损伤后的急性期,tau乙酰化作用显著,磷酸化作用较小。乙酰化tau(ac-tau)导致轴突初始阶段退化,对神经元有直接毒性。有TBI病史的AD患者中的血浆ac-tau显著增加。低剂量水杨酸二氟尼柳可以抑制p300/CBP乙酰转移酶,在不改变tau蛋白总量情况下减少血浆ac-tau数量,从而保护神经功能,减少AD的发病。因此,ac-tau可以作为潜在的血液生物标志物,也可以成为预后及治疗的靶点。

2.2 淀粉样蛋白-β(Amyloid-beta,Aβ) Aβ是淀粉样蛋白前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)裂解后产生的一种38-43氨基酸多肽[18]。当发生脑损伤后,轴突发生广泛损伤,APP和分泌酶PS 1和BACE在损伤处积累,这些酶可以在肿胀的轴突中切割APP形成Aβ肽。游离Aβ寡聚物,原纤维和正在发育的原纤维可能对大脑产生毒性和(或)形成斑块,并可以在创伤后数小时内观察到[19]。所以TBI会导致脑脊液中的Aβ多肽升高[20]。Streubel-Gallasch等[21]发现当脑外伤与Aβ的累积同时存在时,对神经元有更大的损害作用。其原因可能是Aβ的直接神经毒性作用和抑制了星形胶质细胞的维持稳态、清除碎片和神经元保护作用的双重影响。因此Aβ不仅作为脑损伤的生物标记物,还可能参与了脑损伤的进展过程。

Aβ是AD的标志,在AD早期,Aβ斑块主要由Aβ42构成,呈弥漫性[22]。而低水平的脑脊液Aβ42是AD的一个标志物[23]。有趣的是,与AD及对照组比较,脑脊液Aβ42水平的降低是CTE的显著预测因素,但这作为结论仍待进一步的研究[15]。TBI后患者的外泌体Aβ42持续数月至数年的慢性升高,载脂蛋白e3/4(APOEe3/4)基因型携带者在脑外伤后Aβ42水平升高得更明显[24],其升高导致神经退行性病变,提示可能与AD和CTE有关。所以外泌体Aβ42可能作为临床判断预后的生物标志物,以确定患者在TBI后是否有发展成慢性症状的风险[10]。但是Lippa等[25]调查有过脑损伤的服役或退伍军人,发现血浆Aβ42与神经认知功能、创伤性脑损伤严重程度及创伤后应激障碍症状报告之间均没有显著关系,即反映了血浆Aβ42不是脑损伤的显著生物标志物。所以同是Aβ42,测定的来源不同,其反映出的结果也会不同。

2.3 S100β S100β是一种钙通道结合调节蛋白,主要在中枢神经系统胶质细胞中表达。S100β在生理浓度(脑脊液∶血清/18∶1)下有营养神经,保护神经的作用。当发生脑损伤时,由于神经胶质细胞的损伤和血脑屏障的破坏,S100β的浓度会发生病理性升高[26,27]。Seidenfaden等[28]测量轻度创伤性脑损伤(mTBI)患者入院前或院内早期(TBI后6 h内)血清S100β<0.10 μg/L,基本可以排除创伤性颅内病变。这能够减少后期的脑CT的测量及减少住院时间。当S100β的浓度>0.16 μg/L时,预估mTBI的脑CT阳性的灵敏性和特异性都很高[26,27,29]。但S100β不能单独用于诊断急性创伤患者的mTBI[30]。血清S100β与TBI严重程度及早期预后密切相关,S100β浓度越高,预后越差[31]。Tomasiuk等[32]研究表明,联合使用S100β蛋白、高斯林搏动指数水平和颈静脉尖端氧饱和度可以更准确地评估创伤性脑损伤的严重程度和治疗方式相关的预后,也可以评估TBI患者住院后4 d内的死亡率和发病率。

不同年龄组患者的S100β需要取不同阈值,在新生儿脑损伤的诊断和预后中,S100β阈值为1.6 μg/L预示严重脑病,阈值11.4 μg/L预示死亡/脑瘫[33]。成年人mTBI阈值通常取0.1 μg/L。老年人(≥65岁)随着年龄增长,mTBI的S100β的中位阈值取值应该随之升高,以保证其测量的特异性。如>80岁的患者在0.15 μg/L阈值下进行评估比较有意义,可以减少脑CT的使用。这可能是因为年龄增长脑疾病发生率升高,如果仍用相同的S100β阈值评估mTBI,特异性也会下降,所以在同时患有痴呆症的mTBI的老年人中,最佳阈值需要重新评估[34]。

2.4 神经胶质纤维酸性蛋白(GFAP) GFAP是一种中间体微丝蛋白,构成星形胶质细胞的大部分细胞骨架,在发生TBI时,星形胶质细胞释放GFAP[26]。血液中GFAP水平在TBI后的几小时内升高,在sTBI中血液GFAP在伤后几天均可维持较高的水平[35]。在儿童脑损伤中,血清GFAP水平在伤后6 h达到最高,升高水平与损伤严重程度有关,即使症状较轻时,GFAP也会升高并且与损伤后的呕吐密切相关。因此,GFAP有望成为TBI的标记物[36]。但是血清GFAP水平评估早产儿脑损伤及严重程度的价值有限[37]。在成人和儿童的mTBI中,可将GFAP作为有前景的预测死亡率和不良后果的标记物[27,38,39]。但是目前还没有明确定义的预测阈值[35]。而且较长的消除半衰期(24～48 h)也可能会影响对疾病进展和继发性损伤评估的准确性[40]。在老年人群中,GFAP似乎可以预测认知能力下降以及转变为显性痴呆的速度,这使GFAP成为一个有吸引力的标记,可以识别有风险的个体,最终采取治疗措施[41]。血清GFAP预测心脏骤停后的神经系统不良预后有很好的特异性,但是其血清水平容易受靶温度和溶血的影响[42]。脑卒中的前瞻性评估证实了血清GFAP在鉴别脑出血和缺血性脑卒中方面具有较高的准确性。当血清GFAP>789 ng/L,诊断为脑出血的阳性预测值和特异性均为100%[43]。

3 蛋白酶

3.1 泛素羧基末端水解酶(UCH-L1) UCH-L1是一种主要存在于神经元胞质中的蛋白质,几乎只在大脑中分布[44]。参与蛋白质的泛素化,帮助去除氧化或过剩的蛋白质[45]。在mTBI中,UCH-L1损伤1 h内可在血清中检测到,与损伤严重程度(GCS评分、脑CT病变)相关[44]。mTBI患者的血清消除半衰期较短,有利于监测TBI病情的进展[40]。UCH-L1在mTBI的预后结果的预测方面有一定的特异性和敏感性。有研究显示,血清(UCH-L1)与GFAP联合诊断TBI有着更高的特异性和敏感性[46]。UCH-L1在严重TBI的长期预后中也有实用价值[47]。虽然UCH-L1与TBI后一年以上的瞬时记忆和延时记忆功能相关性不大,但是UCH-L1对于了解复杂TBI的预后可能是有用的[48]。

在缺血性脑中风和颅内出血时,患者的血清UCH-L1水平在发病后几个小时内显著升高[45]。心脏骤停后24 h血清UCH-L1预测神经系统预后不良的特异性,敏感性均较高。在预测心脏骤停患者的神经预后时,UCH-L1与GFAP联合测量结果的特异性,敏感性较单一生物标记物均有所提高。所以不管是单一还是联合使用,UCH-L1均有望引入用于临床实践[42]。心脏骤停后进行目标性体温管理(TTM),评估缺血再灌注引发的脑损伤时,脑脊液UCH-L1的敏感性较血清UCH-L1更高。自主循环恢复后立即测量脑脊液UCH-L1,取7.36 ng/ml的临界值来预测不良神经预后及是否终止生命维持治疗,有100.0%特异性,可以减少经济负担[49]。Hayhurst等[50]发现重症幸存者在ICU病程早期血浆UCH-L1浓度升高与谵妄发生率降低相关,在危重症期间,大脑中蛋白酶体途径活性的增加可能对急性脑功能有保护作用。血清UCH-L1还可以作为神经损伤的外周生物标记物,评估儿童癫痫发作的病情进展及严重程度[51]。

3.2 神经元特异性烯醇化酶(NSE) NSE通常在细胞外液中检测不到,当神经细胞受损时,体液中NSE含量升高[27,52]。NSE脑特异性高,血清释放迅速,且与年龄、性别无关[40]。NSE也在红细胞、神经内分泌、小细胞肺癌细胞中表达,因此当机体出现溶血反应,出血性休克,肾功能不全,神经内分泌肿瘤时,NSE的诊断特异性会降低[53]。NSE在轻度TBI中敏感性不高,有研究显示在轻度TBI时,伤后24 h内NSE血清阈值≥9 μg/L(成人),血清阈值≥15 μg/L(儿童)与脑CT阳性有关[27,54,55]。血清NSE水平可以客观的评估中重度TBI不良的神经功能预后和不同严重程度的死亡率,但是最佳NSE阈值仍未知[27,56,57]。中重度TBI患者,受伤后4 h血清NSE水平与伤后3个月内神经系统预后有显著相关性,但是NSE有价值的时间线比较窄,所以尽量采用早期血液标本进行测量,预测相关性更高[58]。重度TBI慢性期(TBI后超过1年)患者的血清NSE水平降低,这可能是因为慢性期脑萎缩导致神经元减少。AD的患者血清NSE水平也降低,这与TBI后AD发生风险升高一致[59]。血浆NSE水平为早期识别新生儿脑损伤提供有用信息,阈值为38.8 μg/L时可以准确地预测患儿中重度脑损伤[33]。心脏骤停可能导致脑缺血性损伤,心脏骤停后检测到血清NSE水平正常有助于预测神经预后良好。血清NSE阈值≤17 ng/ml时,预后良好的准确性约80%,且对于心脏骤停后72 h仍昏迷的患者确定其神经预后良好仍有帮助[60]。

4 神经丝轻链(neurofilament light chain,NFL)

NFL是轴突细胞骨架的组成部分,主要在大口径有髓鞘的皮质下轴突中表达。伤后48 h内的血清NFL可以区分是否为CT阳性患者。严重TBI患者伤后1年的血清NFL水平与格拉斯哥评分相关。脑损伤后5年内,随着时间越长,血清浓度越低。所以单一的TBI可能导致长期的轴突变性,NFL作为生物标志物可以在受伤后数月到数年的血清中检测到[61]。Moseby-Knappe等[62]在心脏骤停后24、48和72 h对NFL进行测量,显示出69%～73%的敏感性和98%的特异性,这比迄今为止调查的任何其他生物标志物都要高然而,但是与GFAP、UCH-L1和NSE相比,NFL分析采用的是种新型超灵敏分析方法,这种方法还没有广泛应用。

5 其他

除以上生物标志物,还有一些物质与脑损伤相关,如血液D-二聚体也可以作为TBI有效的生物标志物评估脑损伤严重程度,但是单独使用时特异性不高[63]。缺血性中风或一过性脑缺血患者的24 h内血液D-二聚体水平升高与死亡率或不良预后有关。中风后90 d内的D-二聚体水平是预后不良的独立危险因素,与死亡率有关[64]。血清SERPINE1抗体,是丝氨酸蛋白酶抑制剂超家族中的一种单链糖蛋白,与血栓形成有关。在急、慢性脑梗死、一过性脑缺血患者中均升高,SERPINE1抗体是急性脑梗死的独立预测因子,所以SERPINE1抗体水平可能是检测急性脑梗死和动脉粥样硬化的一个有用的生物标志物。结合临床其他独立危险因素(年龄,性别,高血脂)可以提高急性脑梗死的预测精确度。有望成为帮助预测性治疗的脑损伤生物标志物[65]。

目前单一生物标记物或敏感性,或特异性差,没有一个确切的,优先的标记物用来评估脑损伤[66]。每一种标记物都有其自身的优势和局限性。血液生物标记物可以计量并且客观,但我们也不能完全依赖其进行判断,因为有些镇静下脑外组织也可以释放生物标记物,造成误差[60]。最具有临床价值的生物标记物的特点是发现迅速,高敏感性,高特异性,易获得,成本低,临床相关性强。未来的研究方向倾向于纵向研究,发现目前研究的标记物或新型标记物的更多特点,在众多种类中发现更具代表性的脑损伤标记物。