急性脊髓損傷生物標志物的研究進展

閔令霞，劉宏亮，段霞，黃艷艷，侯景明

脊髓損傷(Spinal Cord Injury，SCI)是人類常見致殘因素之一，平均發病率約為每10萬人10.5例[1]。在臨床實踐中，部分脊髓損傷患者的功能恢復存在明顯的異質性，一些損傷節段和損傷水平相似的患者功能恢復也可能存在明顯差異性[2-3]。目前評估急性脊髓損傷患者嚴重程度和預后的臨床措施主要依靠美國脊髓損傷協會(the American Spinal Injuries Association, ASIA)評分[4]。ASIA評分在臨床實踐中卻存在一定的局限性[5]，主要包括：①評分相對比較耗時；②若患者出現昏迷、鎮靜、插管或伴有多種其他損傷(包括潛在的創傷性腦損傷)都可能影響其參與ASIA評定；③脊髓損傷早期由于脊髓休克的存在，使ASIA評分在早期應用受到一定限制?；谏鲜鱿拗?，目前臨床急需通過尋找其他輔助指標來準確評估脊髓損傷患者的損傷程度和臨床預后。近年來隨著分子生物學實驗和基因組學實驗的進展，眾多文獻發現腦脊液和血清中一些結構蛋白或者炎性因子能夠反映脊髓損傷的程度。本綜述將結合近年來相關文獻進展，對脊髓損傷后常見的生物標記物進行總結回顧，并對接下來的研究方向進行了初步展望。

1 結構生物標志物

脊髓損傷會導致血-脊髓屏障的破裂，同時伴有脊髓神經元和膠質細胞的損害。神經元和膠質細胞的損傷會導致生物標志物(主要是細胞成分)的釋放，并在腦脊液和血液中積累，使這些生物標志物可以作為脊髓損傷嚴重程度和康復預后的指標。

1.1 S100鈣結合蛋白 S100鈣結合蛋白(S100 Calcium-Binding Protein β, S100β)是一種鈣結合蛋白，主要存在于星形膠質細胞和雪旺細胞中，并參與鈣穩態、細胞增殖和分化等功能[6]。動物模型中檢測發現損傷后的6h，S100β蛋白在血清和腦脊液中迅速升高并持續至24h，24h后其在血清中濃度恢復到正常水平，以上結果顯示出S100β作為診斷損傷工具的前景[7]。然而，血清S100β濃度作為衡量損傷嚴重程度的生物標記物指標存在一些爭議。因為S100β還存在于脂肪細胞、軟骨細胞和黑素細胞中，若其在這些組織里釋放可能會混淆對濃度升高的解釋[8]。針對爭議，Du等[9]將60例患者分為良好恢復組(傷后6個月ASIA評分改善1級或1級以上)和中等恢復組(傷后6個月ASIA評分改善小于1級)，動態檢測發現：損傷后2周內兩組血清S100β水平均升高，傷后第4d達到高峰，傷后2周均降至較低水平；兩周監測周期中，良好恢復組的濃度始終明顯低于中等恢復組。由此表明，血清S100β蛋白水平可反映脊髓損傷程度，是急性脊髓損傷預后的潛在生物標志物。

1.2 神經元特異性烯醇化酶 神經元特異性烯醇化酶(Neuron-Specific Enolase, NSE)是一種糖酵解酶，主要分布于神經元和神經內分泌細胞的胞漿中。在正常情況下不會釋放到細胞外介質，只有在軸突受損后釋放，以重建細胞穩態[10]。Wolf等[11]發現，中度和重度脊髓損傷大鼠的腦脊液和血漿中NSE水平在6h明顯高于輕度損傷大鼠。Du等[9]研究顯示與S100β類似，患者脊髓損傷2d后血清NSE濃度達到峰值，隨后逐漸下降；且良好恢復組的NSE濃度明顯低于中等恢復組，表明血清中NSE蛋白水平可反映脊髓損傷程度，可用于急性脊髓損傷預后判斷。

1.3 神經絲蛋白 神經絲蛋白(Neurofilaments, NF)是軸突細胞骨架的重要組成部分，與其他細胞骨架蛋白相互作用，主要調節軸突運輸和神經元信號[12]。在繼發性損傷的發展過程中，隨著細胞凋亡和神經炎癥達到頂峰，NF會和其他細胞質成分一起泄漏到細胞外。NF可分為3個主要亞基：輕鏈(Neurofilament-light, NF-L)、中鏈(Neurofilament-medium, NF-M)和重鏈(Neurofilament-heavy, NF-H)。磷酸化的NF-H(Phosphorylated NF-H，pNF-H)被認為可能是神經損傷后在血清或腦脊液中最容易檢測到的，因為它對蛋白酶降解具有相對抵抗力[13]。因此，檢測血清或腦脊液中的這種蛋白可能會提供有關神經元丟失的信息。在一項因胸腰椎間盤突出癥引起的犬嚴重脊髓損傷研究中，pNF-H濃度在14d達到峰值，在56d仍可檢測到[14]。Ahadi等[15]的報道顯示35例急性脊髓損傷患者血清中pNF-H升高。這些研究表明，pNF-H有可能成為預測脊髓損傷急性期預后的生物標志物。NF-L也被認為是脊髓損傷的潛在生物標志物。Kuhle等[16]將4例脊髓綜合征患者和23例不同程度運動功能喪失的脊髓損傷患者與67名健康對照者對照，結果顯示NF-L血清水平在最初的24h內顯著增加，并一直保持在較高水平至受傷后一周(預后不佳的患者中，NF-L濃度升高最明顯)。

1.4 膠質纖維酸性蛋白 膠質纖維酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP)是星形膠質細胞中大量存在的不溶性中間絲，其在脊髓損傷后釋放的可溶片段，可在腦脊液和血清中檢測到[17-18]。Olby等[14]研究了犬脊髓損傷模型中GFAP的表達情況：血液中GFAP濃度在1～3d明顯升高，其后逐漸降低，在第14天檢測不到。最近一項針對50名急性脊髓損傷患者的研究發現，腦脊液中的GFAP濃度不僅與損傷的嚴重程度(根據ASIA分級)相關，而且可以預測未來康復預后的情況[5]。Ahadi等[19]針對35名不同嚴重程度的脊髓損傷患者的研究發現，損傷后24h患者血清中GFAP水平明顯高于健康對照組，不同損傷程度之間也有顯著性差異，說明GFAP水平可以評估脊髓損傷的嚴重程度。Yokobori等[18]縱向分析顯示大鼠脊髓損傷后4h腦脊液中GFAP含量最高，傷后24h和48h腦脊液中GFAP含量逐漸降低，慢性期GFAP含量有待進一步研究。

1.5 泛素羧基末端水解酶L-1 泛素羧基末端水解酶L-1(Ubiquitin Carboxy-Terminal Hydrolase L1, UCHL-1)是一種脫泛素酶，參與蛋白質中泛素的添加或去除。一項針對大鼠脊髓損傷的研究發現，脊髓損傷后4h血清中UCHL-1的濃度達到26.2ng/ml，在24h降為4.58ng/ml，為脊髓損傷提供了一個可量化的急性標志物指標[20]。目前，臨床上已研制出可檢測UCHL-1的超靈敏免疫傳感器[21]，這表明其作為生物標記物在檢測脊髓損傷程度中具有一定的實用價值。

1.6 基質金屬蛋白酶 基質金屬蛋白酶(Matrix Metalloproteinases, MMPs)是一類鋅結合蛋白水解酶，組織損傷后其過多的蛋白水解活性可能是有害的，導致內皮細胞的破壞。Moghadam等[22]發現MMP-10和MMP-12血清濃度過低未能檢測到，MMP-2、MMP-8和MMP-9外周血濃度可以用來監測和預測脊髓損傷后的運動恢復情況。

1.7 髓鞘堿性蛋白 髓鞘堿性蛋白(Myelin Basic Protein, MBP)是一種由少突膠質細胞產生的蛋白質，主要參與軸突髓鞘的形成。Hesp等在脊髓挫傷大鼠和小鼠損傷模型中發現，傷后3個月，MBP在新形成的少突膠質細胞中表達并伴有新髓鞘的形成[23]。Zhang等[24]分析了豬脊髓損傷模型，結果表明傷后3h血清和腦脊液中MBP含量顯著升高。因此，MBP被認為是脊髓損傷后恢復過程中髓鞘再生的潛在指標。

2 炎性生物標志物

脊髓損傷后由于血-脊髓屏障的破壞會導致促炎細胞因子和其他炎癥介質如白細胞介素和腫瘤壞死因子在腦脊液中積聚，最終可能會滲出到血清中，使這些分子成為中樞神經系統損傷嚴重程度或修復的潛在生物標志物。

2.1 白細胞介素1β 白細胞介素1β(Interleukin 1 beta, IL-1β)是炎癥的關鍵調節因子，主要調節細胞粘附分子的表達，進而促進白細胞遷移到損傷部位[25]。Biglari等[26]發現脊髓損傷后IL-1β水平在4h～1周之間波動較大，隨后在2周～12周之間呈下降趨勢，這表明隨時間測定IL-1β水平有助于追蹤脊髓損傷的進程。

2.2 白細胞介素6 白細胞介素6(Interleukin 6, IL-6)是由白細胞產生的細胞因子之一，主要調節和刺激免疫功能和免疫細胞的生長。Bank等[27]的研究顯示脊髓損傷患者的血清中IL-6水平明顯升高。最近，Kwon等[5]證明在人類損傷的急性期(≤48h)，可以通過評估腦脊液中促炎癥細胞因子IL-6和IL-8的濃度，確定損傷的嚴重程度和神經功能的改善情況。上述研究表明，IL-6是脊髓損傷后的一種潛在的炎癥生物標記物。

2.3 腫瘤壞死因子 腫瘤壞死因子(Tumor Necrosis Factor-Alpha，TNF-α)是一種主要由小膠質細胞表達的促炎細胞因子，對細胞增殖分化、免疫、炎癥和凋亡等細胞反應具有多效性作用[28]。創傷后的細胞與常駐的小膠質細胞一起分泌TNF-α，這增加了損傷的整體炎癥壓力[4]。Biglari等[26]測定23例脊髓損傷患者傷后AISA改善組在9h的TNF-α mRNA水平明顯低于無改善組。此外，Xu等[29]發現血清中TNF-α濃度的增加與神經病理性疼痛風險的增加有關，這表明TNF-α可以預測脊髓損傷患者的慢性神經病理性疼痛。

2.4 轉化生長因子β 轉化生長因子β(Transforming Growth Factor-beta, TGF-β)在血管損傷后會阻礙軸突延伸，促進星形膠質細胞增生和蛋白多糖的積累[30]。在實驗動物和人的多種中樞神經系統病變(包括炎癥、退行性疾病和創傷)中，TGF-β1和TGF-β2迅速而豐富地表達[31]。Ferbert等[32]發現TGF-β1在急性和亞急性損傷階段的初始濃度低，隨后顯著升高，提示TGF-β有可能用于預測脊髓損傷的進展。

2.5 胰島素樣生長因子1 胰島素樣生長因子1(Insulin-Like Growth Factor-1, IGF-1)是一種由多種細胞(包括骨髓間充質干細胞)產生和分泌的蛋白質激素，它也是一種重要的生長因子，參與中樞神經系統的發育，以及損傷或病理過程后的恢復[33]。Moghadam等[34]在一項由45名創傷性脊髓損傷患者組成的臨床研究中，對創傷后1周的外周血清中的IGF-1進行了測定，神經功能改善的患者在亞急性和慢性期(脊髓損傷后7、14和56d)升高，這表明IGF-1濃度越高，神經功能恢復越好。

2.6 趨化因子 趨化因子是脊髓損傷后立即釋放的第一批炎癥介質，在脊髓損傷后第二階段的單核細胞募集中發揮重要作用，對神經功能的緩解有重要影響。單核細胞趨化蛋白1(Monocyte Chemoattractant Protein-1, MCP-1)，也被稱為CCL-2，主要在脊髓損傷第二階段開始和軸突退變開始期間表達，其在I型單核細胞募集中起重要作用。Kwan等[5]對27例不同ASIA分級的完全性脊髓損傷患者進行追蹤，結果表明腦脊液中MCP-1水平與損傷嚴重程度相關。Heller等[35]還發現，在入院后1h和9h，神經改善患者的CCL-2和CCL-4的水平顯著降低，而CCL-3和CXCL-5的水平沒有顯著變化。趨化因子CXC基序配體12(CXCL12)，原名基質細胞衍生因子1(Stromal cell-Derived Factor-1, SDF-1)越來越受到人們的關注。SDF-1通過與趨化因子受體CXCR4相互作用介導干細胞、淋巴細胞、單核細胞和樹突狀細胞的趨化遷移[36-37]。另一項研究表明脊髓損傷組SDF-1和CXCR4的表達在術后28d低于空白對照組和假手術組[38]。

3 其他炎性生物標志物

脊髓損傷可以影響干擾素γ、巨噬細胞遷移抑制因子(Migration Inhibitory Factor, MIF)和星形細胞磷酸蛋白(Astrocytic Phosphoprotein 15, PEA15)水平。Wang等研究顯示，脊髓損傷組干擾素-γ的表達在術后28d高于空白對照組和假手術組[38]。PEA15也被證明從受傷的小鼠和人類的星形膠質細胞中釋放出來，這與受損的星形膠質細胞的耗竭有關[39-40]。有趣的是，在小鼠擠壓脊髓損傷后，PEA15也急劇耗盡，并在隨后的反應性星形膠質細胞增生過程中表達上調[40]。sCD95L又稱Fas配體，在脊髓損傷的急性期和亞急性期，細胞凋亡對神經元的損傷較多，它是驅動這種凋亡反應的關鍵[41]。Biglari等[42]以23例創傷性脊髓損傷患者為研究對象，發現脊髓損傷后24h內血清中sCD95L濃度明顯下降，然后濃度上升，在8周時變得明顯高于入院水平。Ferbert等[32]分析了sCD95L水平在傷后12周神經功能恢復較差的患者中顯著升高。

4 總結和展望

在本綜述中，我們總結了脊髓損傷領域生物標記物的現狀，文中提到的生物標志物可以為脊髓損傷的早期評估提供更多的客觀評價指標。然而當前的生物標記物研究依然存在以下方面的不足：①目前脊髓損傷早期的生物標志物有很多，很少有臨床研究能夠表明生物標記物中哪些與病情嚴重程度或預后之間最相關，明確哪些生物標記物最適合對損傷早期嚴重程度和預后的評估是今后臨床脊髓研究的一個重點方向。②雖然研究結果表明結構蛋白和炎癥指標可能有助于評估脊髓損傷的嚴重程度和預測神經預后，但目前證據水平普遍較低。未來還需要高質量的前瞻性臨床研究，對生物標志物的敏感性、特異性和預測性進行嚴格的分析。③腦脊液生物標志物雖然濃度遠高于血清中的濃度，但在臨床實踐中獲取腦脊液操作比較復雜，且可能導致硬膜外血腫。因而，血液中生物標記物的建立將具有更為重要的臨床實用意義。④許多潛在的生物標記物大部分在動物階段，臨床研究相對缺乏[43]。由于人體和實驗動物在脊髓損傷性質上的差異，導致在人體上并不一定能夠適用。鑒于以上不足，探索更加準確、方便的生物標志物依然是未來脊髓損傷研究的重點方向之一。