彌漫性軸索損傷病理改變及病理生理機制的研究進展

張有友，劉 良，任 亮

彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury，DAI)是閉合性顱腦損傷中最常見的損傷形式之一，常見于急性或重復性創傷性顱腦外傷[1-3]。DAI會造成可逆性或不可逆性的腦神經纖維損傷，常合并出現損傷后昏迷；主要損傷部位常見于腦干、胼胝體、腦皮質及白質交界處。DAI的病理診斷標準為腦實質內多發灶性軸索損傷及傷后軸索離斷，可導致認知功能、運動功能及感覺功能障礙。DAI因鏡下可見軸索結構病變而被歸類于器質性疾病，但DAI導致的許多功能性改變被認為不僅與物理因素相關，還與機體代謝、神經電生理、離子通道異常及免疫炎癥等因素相關。其病理生理學機制研究發現，DAI主要與各種外力導致顱腦瞬間加速或減速運動有關，但仍受到其他多種因素的影響，故有關其病理生理機制研究結論尚未達成明確共識。現將DAI的定義演變、流行病學研究、主要病理改變及病理生理機制研究進展綜述如下。

1 DAI相關概念

1.1 DAI的定義 DAI的定義經歷了數十年的演變，首次描述是20世紀50年代神經病理學家Strich通過對1例嚴重腦外傷持續昏迷后死亡病人的腦組織進行病理學觀察發現，病人腦組織中腦白質纖維缺失和明顯變性，并將其定義為彌漫性白質變性[4]。20世紀60年代，Strich[4]再次通過觀察1例腦外傷48 h后死亡病人的腦組織病理改變發現，其腦組織軸索腫脹伴有收縮球形成。這些組織病理學發現為后續臨床觀察和基礎實驗研究的不斷深入奠定了基礎；與此同時，Adams等[5]于1982年正式確立了DAI的定義，定義為突發的外力作用于頭部，各腦組織間因密度不同而發生相對移位，因其產生的剪應力造成神經軸索損傷。目前，隨著對DAI這一最為嚴重的顱腦外傷[6]研究的不斷深入，國際上采用的DAI定義為頭部受到暴力作用后發生的腦白質廣泛性軸索損傷，是一種頭部加速運動引起的深部腦組織出現剪切力和牽拉作用引起的應變性損傷。其中，加速度損傷包括直接加速度損傷、角加速度損傷、離心力損傷及旋轉力損傷[1-2]。

1.2 DAI嚴重程度分級 有關DAI的嚴重程度分級，目前學術界有不同的分級標準，主要是基于組織病理改變、損傷后傷情嚴重程度這兩大類制定的分級標準；同時也有學者提出了其他尚未統一的學術觀點。

1.2.1 基于DAI組織病理改變的嚴重程度分級標準 1982年，Adams等[5]正式確立DAI的定義，同時根據組織病理改變的嚴重程度進行分級，并一直沿用至今。具體分級標準詳見表1。

表1 基于組織病理改變的DAI分級標準

1.2.2 基于DAI后傷情嚴重程度的分級標準 DAI根據其損傷后傷情的嚴重程度可分為輕度、中度、重度3大類型[1，7]。其中均可出現外傷后昏迷，伴或不伴去大腦強直/去皮質強直，且在昏迷階段無法進行鑒別。主要鑒別要點詳見表2。

表2 基于損傷后傷情嚴重程度分級及鑒別要點

1.2.3 其他 目前隨著對DAI研究的不斷深入，有關DAI與原發性腦干損傷和腦震蕩的關系在學術界也引起了一定爭議。有學者認為原發性腦干損傷是最重的Ⅲ級DAI，而腦震蕩是較輕的一類[3]。

2 DAI流行病學研究

DAI是嚴重閉合性顱腦損傷的一種特殊類型[6]，突出的臨床特點是傷后原發性昏迷，嚴重者表現為去腦強直或去皮層強直，意識恢復較慢。目前有關其發病率的報道尚不統一，病變性質多為挫傷、水腫及出血，主要出現在大腦中軸的胼胝體、腦干等部位，DAI多見于交通意外、高處墜落傷等，是顱腦外傷后造成殘疾、植物狀態以及死亡的重要原因，病死率高且預后差[2，8-10]。因此，DAI一直是神經科學及司法鑒定研究領域的熱點和重點，現將其發病率、死亡率、病變分布及病因構成總結如下。

2.1 DAI發病率 DAI發病率目前文獻報道尚不一致。既往部分研究考慮腦震蕩為DAI的最輕型，但缺乏相應的流行病學調查數據，加之DAI診斷標準的不同，目前仍基于重癥顱腦損傷乃至死亡病理檢查診斷為DAI的病人計算其發病率。同時，因兒童與成年人顱骨硬度及其他因素存在一定差異導致DAI發病率也不盡相同，既往多項研究數據顯示，DAI在成年人重型顱腦損傷中占29%～43%；在兒童中DAI發病率約為4%[3，8，11]。

2.2 DAI死亡率 DAI的致死率及致殘率很高，據報道，幾乎所有植物狀態生存的腦外傷病人以及約1/3的腦外傷死亡病例均由DAI引起。國內資料顯示，DAI的死亡率高達64%[11]。

2.3 DAI病變分布及病因構成 DAI主要為角加速度損傷，因頭部角加速度運動時，腦組織易受剪切力作用發生應變，使神經軸索和血管過度牽拉和扭曲損傷。因此，DAI好發于不同密度組織結構之間的神經軸索聚集區域，常見部位分別為胼胝體、腦干、灰白質結合處、小腦、內囊、基底節等部位。在DAI病因構成統計研究方面發現，交通事故損傷位居首位，其次為墜落傷或打擊傷[1-3，12]。

3 DAI病理改變

DAI的基本病理病變可見神經軸索節段性腫脹、斷裂、軸索漿外溢、收縮球形成等；DAI三聯征包括神經軸索的彌漫性損傷(灰白質交界處)、胼胝體及上腦干背側局灶性損傷[3]。目前認為大量的軸索收縮球形成為診斷DAI的主要組織病理學依據。

3.1 DAI大體病理改變 根據既往尸檢腦組織大體標本檢查，組織間隙的血管撕裂性出血灶是DAI最常見的病理改變，較為多見的損傷包括：①胼胝體的局灶損傷，在腦冠狀切面標本上胼胝體的損傷常位于下方，向一側偏，呈偏心性，損傷部通常有2～3 mm以內的出血點，前后延續數厘米；②一側或兩側腦干上部背外側1/4的局灶性損傷，并常累及小腦上腳或大腦腳。

3.2 DAI顯微及超微結構病理改變 DAI顯微鏡下可觀察到主要受累區在海馬、穹窿、內囊、腦室旁和小腦腳等部位的軸索損傷后收縮球改變。同時DAI病人存活時間不同也可出現不同的組織病理學改變。①短期，數天存活病人死后可在大腦半球、小腦和腦干的白質等部位通過一般蘇木精-伊紅(HE)染色及銀染即可看到大量的軸索收縮球；②中期，對幾天至幾周存活病人死后腦組織用甲酚紫染色，可在同一部位發現成簇的小膠質細胞形成；③長期，對數月存活病人，用Marchi制劑染色，在大腦半球、腦干和脊髓長傳導束可見到神經纖維的非特異性退行性變，并可發現腦萎縮改變。采用電鏡觀察DAI超微結構改變發現，軸索腫脹區有細胞器和軸漿積聚等局部順行軸漿運輸發生障礙的病理改變。

4 DAI病理生理機制研究

DAI的病理生理機制尚未明確，根據前期文獻及實驗研究的總結分析，目前有學者針對其病理生理機制提出幾種可能的學說，包括機械應力學說、沃勒變性學說、線粒體損害學說、Ca2+內流學說等。

4.1 機械應力學說 細胞和組織的力學特性及其對機械力的響應與疾病的發生發展有著密切聯系。DAI是瞬時外力(剪切力或牽拉力)作用于頭部，外傷后產生剪應力，導致神經軸索和腦組織微血管受到過度牽拉、扭曲而損傷。隨著人們對 DAI 生物力學機制的深入研究，研究人員通過設計諸多神經元離體損傷模型驗證了機械應力學說在DAI發病中可能存在的病理生理學機制。其中，Lucas 采用鐘擺樣的裝置，產生加速度致神經軸索損傷。Kilinc 等[13]采用流體靜力進行軸索損傷后通透性觀察，該模型應用特制水槽產生流體靜力，使細胞承受靜水壓力后導致軸索損傷的發生。Morrison 等[14]在實驗過程中將細胞置于彈性膜培養基，通過牽拉彈性膜培養基間接損傷細胞，建立了二維牽拉離體細胞模型并發現軸索損傷程度與培養基張力存在一定關聯；國內董紅梅課題組通過改良Ellis 等的神經元牽拉損傷模型，采用真空負壓機代替細胞損傷控制器，利用負壓引起彈力膜形變，間接對神經元產生牽拉力建立離體神經元軸索損傷模型[15]。此外，部分研究者也采用平行板流室或錐形板流室等對神經元施加流體剪切力，建立DAI細胞模型。總之，細胞力學模型在DAI病理生理機制研究中起到了重要作用，有關其在DAI病理生理過程中的具體機制仍需進一步研究探索。

4.2 沃勒變性學說 顱腦外傷時軸索局部腫脹，其遠端與胞體中斷聯系，軸漿運輸中斷導致沃勒變性的發生。沃勒變性通常是指遠離損傷部位的軸突變性[16]；基于大量實驗研究發現，沃勒變性病變發生部位外傷時并未受到急性軸突變性的影響，且損傷后24～72 h仍較好地保持了組織形態的穩定，但隨著時間的演變會產生類似急性變性的變化。既往體外實驗研究發現，在原代神經元細胞培養過程中沃勒變性的發生速度約為0.4 mm/h，其發生方向也因神經損傷部位不同而存在一定差異，在外周神經橫斷性損傷中沃勒變性呈順行性發生，而在外周神經擠壓性損傷中沃勒變性卻呈逆向發生，由損傷部位的遠側端向損傷部位發生，繼而形成軸索收縮球[16-17]。目前，軸索收縮球形成作為繼發的病理過程的觀點得到廣泛認可。

4.3 線粒體損害學說 線粒體的形態學改變包括線粒體峭與膜的腫脹和破裂，這一病理改變與線粒體膜通透性轉換孔的開放密切相關[18]。顱腦外傷后過量Ca2+超載可導致線粒體跨膜電位的消失，使線粒體膜通道孔開放，另外鈣蛋白酶本身可直接開放線粒體膜通道孔，使得小分子量物質進入導致水的攝入和線粒體腫脹。軸膜損傷部位擴展介導的線粒體滲透轉運通道的開放，可導致維持軸膜離子泵所必需的高能磷酸化合物的破壞、氧化磷酸化合物的分解[19]。線粒體的進一步腫脹與死亡也是軸索損傷和裂解的重要標志。

4.4 Ca2+內流學說 顱腦損傷瞬時產生的剪切力和張力可牽拉軸索骨架，造成軸索膜通透性增加，啟動Ca2+通道，發生Ca2+超載后可促進凋亡前體物質釋放，進一步加重顱腦損傷[20-22]。這一學說得到了大量研究證實，發現DAI后腦組織神經細胞內總鈣及游離鈣含量均明顯上升。國內一項基于原子吸收分光技術檢測發現，大鼠腦挫裂傷后腦組織總鈣含量損傷后2 h即顯著增高，24 h左右達高峰，持續約48 h，這可能與血漿鈣進入受傷腦組織有關[23]。在實驗性顱腦外傷模型中發現，受傷神經細胞外鈣含量在傷后數秒鐘降低90%，傷后1周內腦脊液Ca2+濃度呈下降趨勢且與顱腦損傷程度呈正相關[24]。總之，前期研究結果認為顱腦外傷后細胞外鈣含量降低的主要原因與細胞外鈣大量流入神經元內有關；后期隨著鈣成像技術在DAI中的研究發現，神經元牽拉損傷后軸索內Ca2+濃度在損傷后2h明顯增加，24h達到峰值后持續至48 h[25-26]；熒光離子成像法檢測大鼠DAI后不同時間段神經元鈣離子濃度的實驗研究證實DAI存在嚴重Ca2+超載現象，且Ca2+超載是導致軸索結構變化的重要原因[27]。同時，宋玉成等[28-29]通過建立DAI動物模型在體內實驗水平證實鈣離子拮抗劑尼莫地平可減輕DAI時軸索及血管損傷；倪柯[30]通過系統評價尼莫地平治療DAI的有效性和安全性，發現尼莫地平能夠改善DAI病人預后，降低病死率。總之，以上研究證實了Ca2+內流在DAI病理生理機制中的重要性，且目前Ca2+內流學說在DAI發病中的核心作用已基本達成共識。

5 小 結

DAI因其較高的發病率、死亡率一直是顱腦外傷臨床鑒定研究領域的重點與難點。臨床觀察及尸檢病理發現，DAI病理改變的嚴重程度與預后存在顯著關聯，故DAI的早期發現、早期治療對于改善預后有著十分重要的意義；這一關鍵科學問題的解決很大程度上需要確切的DAI病理生理機制作為理論支撐，目前上述幾種學說在DAI病理生理機制研究進程中起著一定的推動性作用，后期希望開展更多的動物實驗研究和臨床研究驗證上述幾種潛在機制；同時也希望總結分析更多的臨床治療經驗和藥物治療安全性評價支持上述結論。