腦損傷生物標志物的研究進展

張雨瑩 李利彪

腦損傷有多種原因,主要有創傷性腦損傷(TBI),缺血性腦損傷,神經退行性病變:阿爾茨海默癥(AD),慢性創傷性腦病(CTE)。臨床中面對錯綜復雜的原因導致的腦損傷,目前影像學是臨床常用的診斷方法。腦損傷標志物是發生腦損傷后,在血液或腦脊液中檢測到的化學物質,可以幫忙診斷疾病,在劃分腦損傷嚴重程度,評估預后及幫助治療。根據提取來源分為血液、腦脊液標志物,腦脊液標記物特異性高,但是為侵入性檢查,費用高,不易得;血液生物標記物易得,費用低,微創。根據標記物化學性質可以分為RNA、蛋白類、蛋白酶、神經絲等。本文旨在總結各種原因導致的腦損傷后的生物標志物,用來幫助診斷,預測病情預后,指導治療。

1 RNA類(microRNA,miRNA)

miRNA可以調節細胞增殖、遷移、凋亡、器官形成、先天/適應性免疫反應、缺血-再灌注損傷的反應和衰老過程[1]。血清miRNA比蛋白質釋放早,特異性,敏感性更高[2]。Das Gupta等[3]發現,在大鼠輕度創傷性腦損傷后2 d,腦中的miR-9a-3p和miR-136-3p的血漿水平迅速升高,且血漿miRNA水平與腦損傷的嚴重程度相關。Schindler等[4]也發現,在重度創傷性腦損傷后的前6 h,血清或血漿miR-423-3p表達顯著升高。且miR-423-3p水平與腦外傷后損傷嚴重程度和意識障礙之間也有顯著相關性。所以miRNA作為生物標記物在創傷性腦損傷中有潛在的預測價值。

在缺血性腦損傷中,miRNA在腦海馬角氨-1區(CA1)中的表達存在時間差異,傷后3 h rno-miR100-5p和rno-miR-125b-5p升高,傷后72 h miR-329-3p較高。雖然CA1神經元缺血后更易受損,但其細胞特異性靶向miRNA表達可以保護CA1神經元,改善短暫性前腦缺血幸存者的認知結果,這可能有助于靶向基因治療[1]。Yu等[5]檢測院外心跳驟?；颊咦灾餮h恢復后的48 h,血清中miR-191-5p水平降低與神經系統轉歸不佳以及死亡率升高有關。該實驗還表明,miR-191-5p在自主循環恢復之后33個月的隨訪研究中也具有良好的預測價值,可能成為心臟驟停后神經預后不良的預測因素。Griffiths等[6]在大鼠短暫性腦缺血后2 h或傷后7 d,向海馬角氨-1CA1注射miR-181a拮抗劑,均可見傷后28 d CA1的恢復。所以,抑制miR-181a對CA1區域神經元具有恢復作用。綜上,miRNAs對腦損傷的預測和治療有一定的價值。

2 蛋白類

2.1 Tau蛋白 Tau蛋白通過促進微管聚合與穩定,維持神經細胞,軸突,樹突棘的結構。Tau蛋白磷酸化是其發揮生理功能的一個過程。但病理情況下,Tau蛋白在特定位點發生過度磷酸化及錯誤折疊,微管發生纏結繼而導致神經細胞結構功能破壞,過度磷酸化的Tau蛋白不易被水解,被釋放入腦脊液和血液中。冬眠、低溫、麻醉等因素會導致Tau蛋白短暫的過度磷酸化[7-9]。創傷后應激障礙使Tau蛋白濃度上升,TBI后神經源性外泌體總Tau(t-tau)在外周循環中非常穩定,所以外泌體t-tau或許可以作為腦損傷的特異性診斷生物標志物[10]。Pattinson等[11]發現持續輕度創傷性腦損傷(repetitive mild traumatic brain injury,rmTBI)伴有創傷后應激障礙退伍軍人,外周血漿的Tau蛋白顯著上升,意味著血漿Tau蛋白的急性升高與神經癥狀恢復不良相關。并且在rmTBI時,隨著腦部受到損傷的次數增多,外周血液外泌體磷酸化-tau蛋白(p-tau)濃度更高,慢性神經行為癥狀也增多,所以外泌體p-tau可能成為預測rmTBI不良預后的生物標志物[12]。

Tau蛋白根據微管相關蛋白Tau基因選擇性剪接10外顯子,可以得到含有3個或4個重復微管結合域的亞型(3R)或(4R)。其中3Rtau蛋白在大腦發育中占主導地位,4Rtau蛋白在生命早期增加,并在成年后達到與3R相同的水平[13]。雖然慢性創傷性腦病(CTE)和AD均同時表達3Rtau和4Rtau,但早期病理觀察到4Rtau表達較多,后期3Rtau表達水平劇增[13,14]。將腦海馬區分為4S個不同的區域(CA4,CA2/3,CA1,下丘),Cherry等[13]觀察到CTE擁有獨特的以CA4區Tau蛋白沉積的相對區域優勢,所以CA4區Tau蛋白可能是CTE的一個更好的整體標識。但目前單個PET示蹤劑很難識別Tau蛋白的不同亞型,未來的PET研究可能需要多種示蹤劑來捕捉疾病的全譜。Turk等[15]發現p-tau231水平的升高是CTE的顯著預測因素。在AD中,Tau蛋白亞型均被過度磷酸化且不可逆,p-tau蛋白抑制組裝并破壞與每個Tau亞型預組裝的微管,其效率與這些亞型相互作用的程度直接相關[8]。高水平的腦脊液t-tau是AD的一個特征譜。除了AD,在其他很多種退行性經疾病中,腦脊液t-tau濃度較高,如克雅氏病。因此,腦脊液t-tau水平的升高可能預示著神經退行性變[16]。值得注意的是,Shin等[17]的一項研究證明,在腦損傷后的急性期,tau乙酰化作用顯著,磷酸化作用較小。乙?；痶au(ac-tau)導致軸突初始階段退化,對神經元有直接毒性。有TBI病史的AD患者中的血漿ac-tau顯著增加。低劑量水楊酸二氟尼柳可以抑制p300/CBP乙酰轉移酶,在不改變tau蛋白總量情況下減少血漿ac-tau數量,從而保護神經功能,減少AD的發病。因此,ac-tau可以作為潛在的血液生物標志物,也可以成為預后及治療的靶點。

2.2 淀粉樣蛋白-β(Amyloid-beta,Aβ) Aβ是淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)裂解后產生的一種38-43氨基酸多肽[18]。當發生腦損傷后,軸突發生廣泛損傷,APP和分泌酶PS 1和BACE在損傷處積累,這些酶可以在腫脹的軸突中切割APP形成Aβ肽。游離Aβ寡聚物,原纖維和正在發育的原纖維可能對大腦產生毒性和(或)形成斑塊,并可以在創傷后數小時內觀察到[19]。所以TBI會導致腦脊液中的Aβ多肽升高[20]。Streubel-Gallasch等[21]發現當腦外傷與Aβ的累積同時存在時,對神經元有更大的損害作用。其原因可能是Aβ的直接神經毒性作用和抑制了星形膠質細胞的維持穩態、清除碎片和神經元保護作用的雙重影響。因此Aβ不僅作為腦損傷的生物標記物,還可能參與了腦損傷的進展過程。

Aβ是AD的標志,在AD早期,Aβ斑塊主要由Aβ42構成,呈彌漫性[22]。而低水平的腦脊液Aβ42是AD的一個標志物[23]。有趣的是,與AD及對照組比較,腦脊液Aβ42水平的降低是CTE的顯著預測因素,但這作為結論仍待進一步的研究[15]。TBI后患者的外泌體Aβ42持續數月至數年的慢性升高,載脂蛋白e3/4(APOEe3/4)基因型攜帶者在腦外傷后Aβ42水平升高得更明顯[24],其升高導致神經退行性病變,提示可能與AD和CTE有關。所以外泌體Aβ42可能作為臨床判斷預后的生物標志物,以確定患者在TBI后是否有發展成慢性癥狀的風險[10]。但是Lippa等[25]調查有過腦損傷的服役或退伍軍人,發現血漿Aβ42與神經認知功能、創傷性腦損傷嚴重程度及創傷后應激障礙癥狀報告之間均沒有顯著關系,即反映了血漿Aβ42不是腦損傷的顯著生物標志物。所以同是Aβ42,測定的來源不同,其反映出的結果也會不同。

2.3 S100β S100β是一種鈣通道結合調節蛋白,主要在中樞神經系統膠質細胞中表達。S100β在生理濃度(腦脊液∶血清/18∶1)下有營養神經,保護神經的作用。當發生腦損傷時,由于神經膠質細胞的損傷和血腦屏障的破壞,S100β的濃度會發生病理性升高[26,27]。Seidenfaden等[28]測量輕度創傷性腦損傷(mTBI)患者入院前或院內早期(TBI后6 h內)血清S100β<0.10 μg/L,基本可以排除創傷性顱內病變。這能夠減少后期的腦CT的測量及減少住院時間。當S100β的濃度>0.16 μg/L時,預估mTBI的腦CT陽性的靈敏性和特異性都很高[26,27,29]。但S100β不能單獨用于診斷急性創傷患者的mTBI[30]。血清S100β與TBI嚴重程度及早期預后密切相關,S100β濃度越高,預后越差[31]。Tomasiuk等[32]研究表明,聯合使用S100β蛋白、高斯林搏動指數水平和頸靜脈尖端氧飽和度可以更準確地評估創傷性腦損傷的嚴重程度和治療方式相關的預后,也可以評估TBI患者住院后4 d內的死亡率和發病率。

不同年齡組患者的S100β需要取不同閾值,在新生兒腦損傷的診斷和預后中,S100β閾值為1.6 μg/L預示嚴重腦病,閾值11.4 μg/L預示死亡/腦癱[33]。成年人mTBI閾值通常取0.1 μg/L。老年人(≥65歲)隨著年齡增長,mTBI的S100β的中位閾值取值應該隨之升高,以保證其測量的特異性。如>80歲的患者在0.15 μg/L閾值下進行評估比較有意義,可以減少腦CT的使用。這可能是因為年齡增長腦疾病發生率升高,如果仍用相同的S100β閾值評估mTBI,特異性也會下降,所以在同時患有癡呆癥的mTBI的老年人中,最佳閾值需要重新評估[34]。

2.4 神經膠質纖維酸性蛋白(GFAP) GFAP是一種中間體微絲蛋白,構成星形膠質細胞的大部分細胞骨架,在發生TBI時,星形膠質細胞釋放GFAP[26]。血液中GFAP水平在TBI后的幾小時內升高,在sTBI中血液GFAP在傷后幾天均可維持較高的水平[35]。在兒童腦損傷中,血清GFAP水平在傷后6 h達到最高,升高水平與損傷嚴重程度有關,即使癥狀較輕時,GFAP也會升高并且與損傷后的嘔吐密切相關。因此,GFAP有望成為TBI的標記物[36]。但是血清GFAP水平評估早產兒腦損傷及嚴重程度的價值有限[37]。在成人和兒童的mTBI中,可將GFAP作為有前景的預測死亡率和不良后果的標記物[27,38,39]。但是目前還沒有明確定義的預測閾值[35]。而且較長的消除半衰期(24～48 h)也可能會影響對疾病進展和繼發性損傷評估的準確性[40]。在老年人群中,GFAP似乎可以預測認知能力下降以及轉變為顯性癡呆的速度,這使GFAP成為一個有吸引力的標記,可以識別有風險的個體,最終采取治療措施[41]。血清GFAP預測心臟驟停后的神經系統不良預后有很好的特異性,但是其血清水平容易受靶溫度和溶血的影響[42]。腦卒中的前瞻性評估證實了血清GFAP在鑒別腦出血和缺血性腦卒中方面具有較高的準確性。當血清GFAP>789 ng/L,診斷為腦出血的陽性預測值和特異性均為100%[43]。

3 蛋白酶

3.1 泛素羧基末端水解酶(UCH-L1) UCH-L1是一種主要存在于神經元胞質中的蛋白質,幾乎只在大腦中分布[44]。參與蛋白質的泛素化,幫助去除氧化或過剩的蛋白質[45]。在mTBI中,UCH-L1損傷1 h內可在血清中檢測到,與損傷嚴重程度(GCS評分、腦CT病變)相關[44]。mTBI患者的血清消除半衰期較短,有利于監測TBI病情的進展[40]。UCH-L1在mTBI的預后結果的預測方面有一定的特異性和敏感性。有研究顯示,血清(UCH-L1)與GFAP聯合診斷TBI有著更高的特異性和敏感性[46]。UCH-L1在嚴重TBI的長期預后中也有實用價值[47]。雖然UCH-L1與TBI后一年以上的瞬時記憶和延時記憶功能相關性不大,但是UCH-L1對于了解復雜TBI的預后可能是有用的[48]。

在缺血性腦中風和顱內出血時,患者的血清UCH-L1水平在發病后幾個小時內顯著升高[45]。心臟驟停后24 h血清UCH-L1預測神經系統預后不良的特異性,敏感性均較高。在預測心臟驟?；颊叩纳窠涱A后時,UCH-L1與GFAP聯合測量結果的特異性,敏感性較單一生物標記物均有所提高。所以不管是單一還是聯合使用,UCH-L1均有望引入用于臨床實踐[42]。心臟驟停后進行目標性體溫管理(TTM),評估缺血再灌注引發的腦損傷時,腦脊液UCH-L1的敏感性較血清UCH-L1更高。自主循環恢復后立即測量腦脊液UCH-L1,取7.36 ng/ml的臨界值來預測不良神經預后及是否終止生命維持治療,有100.0%特異性,可以減少經濟負擔[49]。Hayhurst等[50]發現重癥幸存者在ICU病程早期血漿UCH-L1濃度升高與譫妄發生率降低相關,在危重癥期間,大腦中蛋白酶體途徑活性的增加可能對急性腦功能有保護作用。血清UCH-L1還可以作為神經損傷的外周生物標記物,評估兒童癲癇發作的病情進展及嚴重程度[51]。

3.2 神經元特異性烯醇化酶(NSE) NSE通常在細胞外液中檢測不到,當神經細胞受損時,體液中NSE含量升高[27,52]。NSE腦特異性高,血清釋放迅速,且與年齡、性別無關[40]。NSE也在紅細胞、神經內分泌、小細胞肺癌細胞中表達,因此當機體出現溶血反應,出血性休克,腎功能不全,神經內分泌腫瘤時,NSE的診斷特異性會降低[53]。NSE在輕度TBI中敏感性不高,有研究顯示在輕度TBI時,傷后24 h內NSE血清閾值≥9 μg/L(成人),血清閾值≥15 μg/L(兒童)與腦CT陽性有關[27,54,55]。血清NSE水平可以客觀的評估中重度TBI不良的神經功能預后和不同嚴重程度的死亡率,但是最佳NSE閾值仍未知[27,56,57]。中重度TBI患者,受傷后4 h血清NSE水平與傷后3個月內神經系統預后有顯著相關性,但是NSE有價值的時間線比較窄,所以盡量采用早期血液標本進行測量,預測相關性更高[58]。重度TBI慢性期(TBI后超過1年)患者的血清NSE水平降低,這可能是因為慢性期腦萎縮導致神經元減少。AD的患者血清NSE水平也降低,這與TBI后AD發生風險升高一致[59]。血漿NSE水平為早期識別新生兒腦損傷提供有用信息,閾值為38.8 μg/L時可以準確地預測患兒中重度腦損傷[33]。心臟驟停可能導致腦缺血性損傷,心臟驟停后檢測到血清NSE水平正常有助于預測神經預后良好。血清NSE閾值≤17 ng/ml時,預后良好的準確性約80%,且對于心臟驟停后72 h仍昏迷的患者確定其神經預后良好仍有幫助[60]。

4 神經絲輕鏈(neurofilament light chain,NFL)

NFL是軸突細胞骨架的組成部分,主要在大口徑有髓鞘的皮質下軸突中表達。傷后48 h內的血清NFL可以區分是否為CT陽性患者。嚴重TBI患者傷后1年的血清NFL水平與格拉斯哥評分相關。腦損傷后5年內,隨著時間越長,血清濃度越低。所以單一的TBI可能導致長期的軸突變性,NFL作為生物標志物可以在受傷后數月到數年的血清中檢測到[61]。Moseby-Knappe等[62]在心臟驟停后24、48和72 h對NFL進行測量,顯示出69%～73%的敏感性和98%的特異性,這比迄今為止調查的任何其他生物標志物都要高然而,但是與GFAP、UCH-L1和NSE相比,NFL分析采用的是種新型超靈敏分析方法,這種方法還沒有廣泛應用。

5 其他

除以上生物標志物,還有一些物質與腦損傷相關,如血液D-二聚體也可以作為TBI有效的生物標志物評估腦損傷嚴重程度,但是單獨使用時特異性不高[63]。缺血性中風或一過性腦缺血患者的24 h內血液D-二聚體水平升高與死亡率或不良預后有關。中風后90 d內的D-二聚體水平是預后不良的獨立危險因素,與死亡率有關[64]。血清SERPINE1抗體,是絲氨酸蛋白酶抑制劑超家族中的一種單鏈糖蛋白,與血栓形成有關。在急、慢性腦梗死、一過性腦缺血患者中均升高,SERPINE1抗體是急性腦梗死的獨立預測因子,所以SERPINE1抗體水平可能是檢測急性腦梗死和動脈粥樣硬化的一個有用的生物標志物。結合臨床其他獨立危險因素(年齡,性別,高血脂)可以提高急性腦梗死的預測精確度。有望成為幫助預測性治療的腦損傷生物標志物[65]。

目前單一生物標記物或敏感性,或特異性差,沒有一個確切的,優先的標記物用來評估腦損傷[66]。每一種標記物都有其自身的優勢和局限性。血液生物標記物可以計量并且客觀,但我們也不能完全依賴其進行判斷,因為有些鎮靜下腦外組織也可以釋放生物標記物,造成誤差[60]。最具有臨床價值的生物標記物的特點是發現迅速,高敏感性,高特異性,易獲得,成本低,臨床相關性強。未來的研究方向傾向于縱向研究,發現目前研究的標記物或新型標記物的更多特點,在眾多種類中發現更具代表性的腦損傷標記物。