反復輕型顱腦創傷的顱內病理變化進程及治療策略研究進展

陳芳蓮，葛歆瞳，王棟，雷平

創傷性顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是由外力引起的創傷性顱腦結構損傷和（或）腦功能障礙［1］。根據格拉斯哥昏迷評分（GCS評分），TBI可分為輕（GCS 13～15）、中（GCS 9～12）、重（GCS<9）型。在全部TBI患者中，中、重型TBI患者約占25%，在進行頭CT或MRI等影像學檢查時，有腦挫裂傷、腦出血、硬膜下/外血腫、蛛網膜下腔出血等腦組織損傷的表現［2］。而占TBI大多數的輕型TBI（mild TBI，mTBI）患者，在傷后僅有頭暈、頭痛等癥狀，無急性神經功能損傷表現，亦無腦組織損傷的典型影像學表現。大部分mTBI患者的癥狀會在傷后10 d內好轉，但約15%的患者會出現3個月以上的頭暈、頭痛、疲倦、易怒、注意力集中困難、認知功能障礙等后遺癥［3］，這其中約22%的患者會在傷后12個月仍有神經功能障礙表現，即創傷后綜合征（postconcussion syndrome，PCS）。反復輕型TBI（repetitive mild TBI，rmTBI）會導致更為典型的PCS，即以神經退行性變為主要病理改變，以認知及神經功能障礙為主要表現的慢性創傷性腦病（chronic traumatic encephalopathy，CTE）［4］。盡管mTBI并不少見，但相較于中、重型TBI，其發病率仍被低估，且患者的遠期神經功能障礙癥狀易被忽視，這導致了mTBI顱內病變的不斷進展和患者生活質量的降低［5］。因此，研究mTBI，尤其是rmTBI的病理進展機制和治療策略具有重要的臨床意義。

1 rmTBI的顱內病理改變進程及機制

TBI的顱內病理改變進程分為原發性腦損傷和繼發性腦損傷。原發性腦損傷包括腦實質挫傷、腦血管破壞（腦出血）及軸索剪切損傷等。繼發性腦損傷是由原發性腦損傷引起的一系列相互作用的病理生理變化的總稱，涉及的病理變化主要有谷氨酸興奮性毒性、細胞內鈣穩態失調、腦代謝紊亂、氧化應激（脂質過氧化）、線粒體功能障礙、細胞死亡、神經炎癥反應、血腦屏障功能障礙、彌漫性軸索損傷及髓鞘形成障礙等，最終導致腦白質退行性變［5］。

原發性腦損傷治療干預困難，而繼發性腦損傷進展過程相對較長，其病理變化的進程與TBI預后密切相關，是TBI治療的重要環節。本文主要關注傷后遠期神經功能障礙表現最典型的rmTBI。對比論述其相關病變進展機制，為rmTBI的治療提供幫助。

1.1 谷氨酸興奮性毒性、細胞內鈣穩態失調及腦代謝紊亂 在中、重型TBI中，原發性腦損傷破壞蛋白通道，引起胞膜的去極化和離子穩態的失調，從而導致谷氨酸的非選擇性釋放和依賴性鉀離子（K+）外流，谷氨酸受體的過度激活能夠引起谷氨酸興奮性毒性，電壓門控鈣離子（Ca2+）通道的過度激活能夠促進Ca2+內流，引起細胞質Ca2+的異常升高（鈣超載），伴隨鈣超載發生的線粒體膜去極化，會引起胞膜上的電子“泄漏”到電子傳遞鏈中與氧分子結合，誘發氧化磷酸化解偶聯，從而抑制腦細胞中腺苷三磷酸（ATP）的合成，導致腦代謝紊亂［6］。

對反復中型TBI的研究發現，間隔1～3 d的外傷打擊能夠造成明顯的腦代謝紊亂，mTBI后損傷腦組織出現離子通道失衡和能量代謝紊亂的時間窗與中型TBI一致；對rmTBI小鼠的研究發現，首次外傷造成的急性腦代謝紊亂、線粒體功能障礙及認知功能缺陷會在傷后1周內得到改善；但如果在傷后3 d進行二次打擊，則會引起“累積損傷效應”，加重腦代謝紊亂及認知功能障礙［7］。盡管以上病理進程對mTBI遠期神經功能預后的影響尚未得到充分闡明，但mTBI早期發生的這些病理改變很可能誘導了遠期腦組織代謝級聯反應的發生和進展。

1.2 氧化應激（脂質過氧化）TBI后，由于損傷腦細胞中Ca2+蓄積，且酶/非酶氧化物減少，活性氧（ROS）及活性氮（如一氧化氮）的產生會顯著增加［6］。ROS介導的腦組織損傷與TBI嚴重程度呈正相關，其作用與谷氨酸興奮性毒性、細胞內Ca2+蓄積及腦代謝紊亂間存在高度聯系，能夠誘發神經損傷引起的繼發性變性［8］。

TBI后，氧化應激能夠反饋并促進Ca2+蓄積引起的谷氨酸興奮性毒性和線粒體功能障礙［6］，并誘導脂質、蛋白質及DNA氧化為有毒性的代謝產物，導致細胞功能障礙［8］。由于大腦中含有大量的多不飽和脂肪酸，腦組織的氧化應激主要表現為脂質過氧化，在大鼠局灶性腦挫傷和中型TBI模型中，損傷腦組織的脂質過氧化會在傷后進行性增強［9］。

氧化應激也是驅動rmTBI后神經退行性變發生和持續進展的關鍵因素，異前列腺素是多不飽和脂肪酸自由基的過氧化產物；對rmTBI小鼠的研究發現，腦組織中異前列腺素含量在首次打擊后隨即增加，24 h后的第2次打擊可以進一步加重脂質過氧化，并使其持續至傷后4個月，從而導致rmTBI后腦組織淀粉樣蛋白β（Aβ）的沉積及認知功能障礙［10］。

1.3 星形膠質細胞激活 星形膠質細胞是TBI后腦組織的關鍵應答細胞，被激活后具有神經保護和神經毒性雙向作用，兩者的平衡主要取決于損傷的性質和嚴重程度。一方面，星形膠質細胞通過調節神經炎癥反應，抑制TBI后腦損傷的進展；另一方面，星形膠質細胞能夠促進ATP、自由基及促炎細胞因子的釋放，并引起小膠質細胞的激活和Ca2+波的傳播，從而加重腦損傷［11］。

在rmTBI時，星形膠質細胞的激活與打擊嚴重程度、次數和間隔時間密切相關，單次mTBI能夠引起快速消退的或輕度進行性的星形膠質細胞增生［4］。當以24 h間隔予以4次打擊時，星形膠質細胞激活的高峰出現在傷后1、7、14 d，并能夠持續至傷后6個月，同時伴有認知功能缺陷［12］。當以48 h為打擊間隔時，也可以引起星形膠質細胞在傷后慢性期（1、6、12個月）的持續激活，但將打擊間隔延長至1周時，無法觀察到損傷腦組織中星形膠質細胞的激活，這表明較長的打擊間隔可能使腦組織得到了自身修復；在不同rmTBI條件下，星形膠質細胞反應性增生由皮質到海馬區，再到白質結構的漸進性發展過程具有相對一致性［13］。

1.4 小膠質細胞激活 小膠質細胞在其靜息狀態下遍布腦實質。TBI后，小膠質細胞在星形膠質細胞釋放的ATP誘導下發生聚集、增殖，并向損傷腦組織滲透，同時吞噬壞死組織、細胞碎片及毒性物質，與星形膠質細胞相似，小膠質細胞在TBI后具有促炎（M1型）和抑炎（M2型）的雙向作用［14］。一方面，M1型小膠質細胞能夠通過增加促炎細胞因子、氧化代謝產物及蛋白酶的釋放，加重損傷腦組織的氧化應激、神經炎癥及軸突病理性改變；另一方面，M2型小膠質細胞能夠通過釋放抑炎細胞因子，促進傷后神經修復［15］。

在mTBI小鼠模型中，可在傷后2周的大腦皮質中觀察到小膠質細胞反應性增生，其持續時間與腦損傷嚴重程度相關［4］。當以24 h間隔進行2次mTBI打擊時，腦白質中的小膠質細胞激活可持續至傷后7周，當打擊次數增加至4～5次時，在rmTBI的急性期（2 d）、亞急性期（2周）及慢性期（5周）均可觀察到小膠質細胞的激活及其引起的免疫炎癥反應［16-17］。

1.5 血腦屏障（BBB）功能障礙 BBB主要由無窗孔內皮細胞和緊密連接結構構成，同時被星形膠質細胞終足及周細胞包圍，能夠分隔外周循環及中樞神經系統成分的功能性結構；在生理條件下，BBB可以保護腦組織免受外周循環中有害物質的刺激，并同時保障腦組織的營養供應；在TBI后，BBB的破壞會導致外周循環中的白細胞浸潤到腦實質，加重顱內炎癥反應，并進一步形成炎癥的正反饋循環，引起持續的神經炎癥狀態，最終造成神經變性和認知功能障礙［18］。BBB內皮細胞的損傷還會引起白蛋白由毛細血管的滲漏及小血管通透性的增加，從而加劇白細胞由外周循環向損傷腦組織的浸潤；此外，TBI后損傷腦組織中過量的興奮性氨基酸、氧自由基、一氧化氮及促炎細胞因子的產生和釋放，都會加重BBB功能障礙，進而導致繼發性腦損傷的進展；在彌漫性TBI慢性期，損傷腦組織會發生以輕度白細胞募集及持續的小膠質細胞增生為特征的慢性神經炎癥反應，這提示BBB功能障礙在傷后遠期持續存在［19-20］。

rmTBI后BBB功能障礙的相關研究報道尚少，一項以IgG滲漏評估BBB通透性的rmTBI研究發現，首次打擊后48 h，rmTBI小鼠腦實質會出現小的局灶性BBB損傷；在24 h后予以第2次打擊，則能夠導致皮層和白質BBB的進一步破壞［21］。該研究證實了rmTBI后BBB功能障礙的存在。

1.6 彌漫性軸索損傷（diffuse axonal injury，DAI）DAI是嚴重TBI的病理特征，主要表現為軸突拉伸、線粒體腫脹及運輸功能障礙，其損傷程度取決于TBI的嚴重程度，并與加速或減速期間外力作用到的腦平面密切相關［20］。在中、重型TBI中，機械負荷可以通過破壞其電壓門控Na+通道，開放電壓門控Ca2+通道，逆轉Na+/Ca2+交換，引起過量的Ca2+內流，從而誘發微管解體；同時，第二信使級聯激活蛋白激酶，引起鈣蛋白酶介導的側臂蛋白水解，導致神經絲塌陷及進一步持續的細胞骨架破壞［22］。

DAI是mTBI后常見的重要病理改變，可因反復外傷而加重，在rmTBI小鼠模型中，當打擊間隔為幾小時至5 d時，可以觀察到明顯的DAI及神經功能障礙；而當打擊間隔為7 d時卻無法觀察到該病理表現；在2次打擊、24 h打擊間隔的rmTBI小鼠模型中，腦組織淀粉樣前體蛋白（APP）的表達量在傷后亞急性期開始增加，并在傷后8周回落；在5次打擊、48 h打擊間隔的rmTBI小鼠模型中也可以觀察到胼胝體中APP的長期持續性表達［16-17］。

1.7 髓鞘形成障礙 在中型TBI的損傷腦組織中，可以觀察到髓鞘軸突的亞急性丟失及髓鞘松散的病理改變。少突膠質細胞是構成髓鞘的主要細胞，其與少突膠質細胞祖細胞（oligodendrocyte progenitor cells，OPCs）對TBI后腦組織的谷氨酸興奮性毒性、Ca2+蓄積、氧化應激及代謝紊亂特別敏感。在中型TBI后，損傷腦組織中存在廣泛且持續的髓鞘堿性蛋白降解，髓鞘堿性蛋白降解后形成的髓鞘碎片可以刺激炎性細胞，激活小膠質細胞及星形膠質細胞，進而通過釋放ROS及募集OPCs促進髓鞘的吞噬作用。OPCs能夠對白質損傷進行快速應答，并通過產生和釋放基質金屬蛋白酶-9，打開BBB，引起繼發性腦血管損傷及脫髓鞘病變［23］。

rmTBI后髓鞘形成障礙的相關研究報道尚少。一項對mTBI及rmTBI的體內研究發現，實驗小鼠在傷后1年會出現胼胝體體積變小（白質損傷），同時伴隨神經功能缺陷［24］。在今后的動物實驗中，有必要進一步探明rmTBI打擊嚴重程度、次數及間隔時間對傷后慢性髓鞘病變及神經功能障礙的影響。

1.8 神經退行性變 引起TBI急性期及rmTBI后神經退行性變發生和進展的機制尚未充分闡明。目前已報道的理論假說主要包括認知儲備假說、病理性蛋白降解異常、慢性神經炎癥等。

認知儲備假說認為，TBI能夠影響個體的老化進程，即由腦損傷引起的負面協同作用具有誘導、加快老年性癡呆發生的風險［25-26］。病理性蛋白Aβ和Tau在腦組織中的降解減少是TBI后發生神經退行性變的重要機制。研究表明，腦組織在生理狀態下具有降解和清除病理性蛋白質的功能，而TBI導致的慢性神經炎癥可以引起該功能受損，造成腦組織無法有效清除Aβ和Tau蛋白，引起病理性蛋白沉積［27］。

CTE是與rmTBI病史最相關的原發性神經退行性Tau蛋白病，其特征性病理標志為p-Tau蛋白在腦溝深處神經元、小膠質細胞及小血管周圍細胞突起中的簇狀沉積，大腦皮質中連續的Tau蛋白沉積是CTE區分于阿爾茨海默病（AD）的重要病理特征，但同時多達37%的CTE患者也有其他神經退行性疾病（如AD、路易體癡呆及額顳葉癡呆）的病理改變［4］。

2 rmTBI治療策略研究新進展

TBI的臨床治療策略主要針對繼發性腦損傷。對于rmTBI而言，首次mTBI會使腦組織處于脆弱的代謝狀態。因此，在首次mTBI后立即予以治療，可以促進腦組織在損傷急性期病理生理狀態的恢復，從而減輕再次打擊所造成的累積損傷效應。此外，在急性期后給予的治療可以通過靶向作用于繼發性腦損傷特定的病理進程，抑制繼發性腦損傷的進展，從而改善遠期神經功能預后。

在目前已報道的rmTBI臨床前研究中，大部分治療策略均旨在減輕神經炎癥、氧化應激、軸突損傷或神經退行性變。Shultz等［28］發現，CD11d抗體可以通過減輕損傷腦組織中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤，抑制脂質過氧化、星形膠質細胞激活、Aβ沉積及神經元丟失，改善rmTBI的認知、感覺及運動功能預后。研究還發現，應用孕酮治療也可有效減輕rmTBI后損傷腦組織的膠質細胞激活及脂質過氧化，改善遠期神經功能預后［29］。

在2次打擊、24 h打擊間隔的rmTBI小鼠模型中，肝X受體激動劑GW3965能夠通過載脂蛋白E依賴性途徑保護軸突完整性并促進Aβ的清除，從而促進認知功能的恢復［30］。免疫抑制劑FK506（他克莫司）及亞低溫治療（32～33℃，1 h）也被證實能夠通過抑制鈣調磷酸酶、自由基及代謝紊亂介導的級聯反應，減輕rmTBI導致的軸突和腦微血管損傷［31］。

研究表明，對rmTBI大鼠在傷前4周和傷后2周提供富含ω-3脂肪酸的飼料，可以有效提高大鼠傷后的體質量，增加海馬區神經元的數量，從而改善認知功能預后［32-33］。

Tau蛋白病在發生神經退行性變的腦組織中普遍存在，應用順式磷酸化Tau蛋白抗體干預TBI小鼠，可以有效減輕損傷腦組織中軸突微管和線粒體的破壞，抑制Tau蛋白病的進展和認知功能的減退［34］。目前國際上已研發出多種藥物可以通過靶向干預rmTBI后的Tau蛋白病，從而降低傷后遠期神經退行性病變的風險［35］。內源性大麻素2-花生四烯酰甘油代謝酶能夠減輕rmTBI小鼠的CTE樣病理學改變，同時抑制促炎細胞因子的表達及星形膠質細胞的激活，改善認知功能預后［35］。

值得注意的是，目前rmTBI的體內研究成果在向臨床進行轉化時仍存在一定的困難，絕大多數rmTBI研究的實驗對象是嚙齒類動物，而嚙齒類動物與人類在生理結構（打擊輸入）和認知模式（行為輸出）上存在著固有的差異，這導致了部分體內實驗中發現的病理機制或治療策略在臨床前及臨床研究中無法得到證實［36］。

3 總結

TBI導致的神經功能障礙已被證實與星形膠質細胞及小膠質細胞進行性、持續性激活造成的神經炎癥反應密切相關。此外，大量研究表明，mTBI及rmTBI通過引起腦外傷后急、慢性期的谷氨酸興奮性毒性、腦代謝紊亂、氧化應激（脂質過氧化）、BBB障礙、彌漫性軸索損傷及髓鞘形成障礙等病理變化，導致傷后遠期神經退行性變及認知功能障礙。針對上述病理進程設計的旨在改善神經功能預后的治療策略主要包括：（1）通過穩定和改善傷后急性期的腦組織代謝狀態，保護神經元和神經膠質細胞。（2）設計靶向腦血管內皮的藥物，促進BBB損傷后修復。（3）應用先進的影像學和超微結構分析方法，研究彌漫性軸索損傷和白質損傷等髓鞘病變的進展機制，探索相關治療策略。（4）通過增強神經再生和突觸可塑性，促進海馬區學習及記憶功能的恢復。因此，探索rmTBI的病變進展機制及治療新策略，有望成為今后TBI領域的研究熱點。