神經元特異性烯醇化酶在中樞神經系統損傷中的應用研究進展

齊洪武,曾維俊,劉巖松綜述 趙彩霞審校

神經元特異性烯醇化酶(neuron-specific enolase,NSE)是一種存在于神經元和神經內分泌細胞中的酸性蛋白酶[1],由Moore和McGregor于1965年首次描述,是糖酵解烯醇化酶的一種分子量為78 kDa的二聚體同工酶,主要存在于神經元的細胞質中,參與慢速軸漿運輸。NSE被證明同時具有破壞性和保護性作用,有研究表明它積極參與神經炎性反應、神經變性和神經保護[2];同時NSE還被認為是缺血性腦損傷、創傷性腦損傷、腦卒中、心臟驟停后缺氧腦病、急性脊髓損傷等疾病的生物標志物。文章對NSE在中樞神經系統損傷早期診斷或疾病嚴重程度及預后評估中的作用進行綜述。

1 NSE的分子生物學基礎

NSE又稱γ-γ烯醇化酶、γ-烯醇化酶或人烯醇化酶2,是烯醇化酶的3種同工酶形式之一[3]。NSE參與糖酵解途徑,將2-磷酸甘油酸轉化為磷酸烯醇式丙酮酸。另外2種同工酶形式是α-α烯醇化酶或稱非神經元性烯醇化酶(nonneuronal enolase,NNE)、以及β-β烯醇化酶或稱肌肉特異性烯醇化酶(muscle-specific enolase,MSE),這3種同工酶在健康生物體中具有特定的分布模式。NNE亞型在胎兒和成年哺乳動物組織中最為豐富,而MSE亞型僅限于骨骼肌,NSE存在于神經元起源的細胞中[4]。

NSE的編碼基因名為烯醇化酶2 (enolase 2,ENO2),位于12號染色體上,它由11個編碼外顯子組成,跨度超過9 213個核苷酸。NNE和MSE的基因分別位于1號和17號染色體上。形成3個同工酶的每個亞基(α、β或γ)的蛋白質鏈由位于不同人類染色體上的3個不同基因編碼[5]。NSE的活性形式為二聚體,由2個非共價連接的亞基組成,它可以作為由2個γ亞基組成的同二聚體存在,稱為γ-γ烯醇化酶,也可以作為由α和γ亞基組成的異二聚體存在。γ亞基是一個由433個氨基酸組成的肽,分子量約為39 kDa;α亞基的分子量為48 kDa,蛋白質長度為434個氨基酸殘基。γ-γ亞型是神經元的典型特征,而異二聚體α-γ亞型存在于星形膠質細胞和小膠質細胞中[6]。

2 NSE的功能

NSE在廣泛的中樞神經系統神經元中具有神經營養特性,可以通過激活磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸3激酶(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase,PI3K)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路來控制神經元的存活、分化和軸突再生[7]。此功能是通過該酶C端結構域的PDZ基序與γ-1 syntrophin結合介導的,從而使NSE易位到細胞膜上,這對其神經營養活性至關重要。同時可通過不同刺激如炎性介質、β淀粉樣蛋白(amyloid-β,Aβ)沉積、Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)依賴模式等促進進程[8]。γ-烯醇化酶激活PI3K還可調節RhoA激酶,RhoA激酶影響肌動蛋白細胞骨架重組、誘導神經突生長和神經元細胞生長停滯,這一過程對于NSE參與神經炎性反應也很重要,因為它導致小膠質細胞的激活[9]。近年來已發現NSE在癌癥保護、腫瘤生長和細胞遷移中的作用,腫瘤細胞中NSE水平的增加是對應激條件下癌細胞高能量需求的反應,信號通路的激活被認為促進了癌癥的擴散和生長[10]。然而,NSE在這些過程中發揮作用的確切機制尚未完全闡明。

3 NSE在中樞神經系統損傷中的應用

3.1 NSE與創傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI) Mozafari等[11]研究發現NSE水平在診斷輕度頭部外傷所致腦損傷時的受試者工作特征(ROC)曲線下面積為0.992。此外,以6.97 μg/L為閾值,檢測腦損傷的敏感度為0.936,特異度為1.000。這種高度準確的診斷生物標志物可推薦用于評估兒童輕度TBI。中度至重度TBI 常伴有彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury,DAI),考慮到計算機斷層掃描檢查對微出血和軸突損傷的敏感性低,在急性期使用常規診斷方法難以識別DAI。一項研究發現,入院時的血清 NSE 水平與入院格拉斯哥昏迷評分(Glasgow coma scale,GCS)比值 (NSE level to admission GCS score ratio,NGR)可作為中度至重度TBI患者DAI的獨立預測指標,NGR較高的TBI患者更有可能遭受不利的神經學結果[12]。Slavoaca等[13]評估了蛋白質生物標志物S100和NSE與損傷后10 d和90 d的神經認知狀態之間的相關性,在 62 例中重度 TBI 患者中,受傷后4 h和 72 h進行2種生物標志物測試,并通過一系列神經認知測試對患者進行評估。結果表明,傷后4h的NSE與中短期神經心理學結果之間存在顯著相關性,建議使用該生物標志物來篩選認知功能障礙風險較高的患者。一項前瞻性研究發現,GCS評分≤5分、損傷嚴重程度評分(ISS)評分>25分、多臟器功能障礙綜合征及S100B、NSE、親環素A(cyclophilin A,CypA)水平升高是影響重度TBI合并譫妄及多發傷轉出ICU患者預后的獨立危險因素[14]。因此NSE可能是一種敏感而準確的工具,不僅可以評價TBI患者的嚴重程度和預后,也可以使臨床醫師更準確地篩查無神經系統體征的顱腦創傷患者。

3.2 NSE與腦卒中 腦卒中是腦血管發生破裂或意外阻塞而導致的急性腦損傷,包括出血性和缺血性卒中。研究發現出血性腦卒中患者的血腫直接壓迫周圍腦組織,血腫內的炎性物質開始釋放,繼發出現缺血缺氧,造成神經元損傷甚至壞死,細胞膜通透性增加,NSE透過血腦屏障進入血液[15]。一項回顧性研究探討了NSE水平與高血壓腦出血(hypertensive cerebral hemorrhage,HICH)患者顱內壓之間的關系,回顧分析了83例HICH患者的臨床資料,所有患者均行有創顱內壓探頭置入術進行顱內壓實時監測。結果發現NSE水平與顱內高壓的發生密切相關,血清NSE的水平越高,顱內壓越高,對于判斷HICH患者是否需要實施開顱血腫清除術具有指導意義[16]。缺血性腦卒中本質上是由于短時間或長時間的缺氧和缺血導致內皮細胞死亡和血腦屏障損傷,損傷腦組織釋放的胞質內容物可以穿過血腦屏障,故測定血清NSE水平可能是預測此類腦損傷預后的一種方法[17]。Kurakina等[18]研究發現腦卒中發病后48 h內患者血漿NSE水平與缺血灶體積呈正相關(r=0.49,P=0.003),與神經系統癥狀的嚴重程度呈正相關(r=0.33,P=0.02)。急性疾病期NSE低于2 μg/L是腦卒中發作后12～14 d神經功能良好結果的預測指標。Arca等[19]發現癥狀性新生兒動脈缺血性卒中 (neonatal arterial ischaemic stroke,NAIS) 新生兒腦脊液NSE (cerebrospinal fluid neuron-specific enolas,cNSE)水平與梗死的動脈分布、梗死體積和結局相關聯。與大腦中動脈(middle cerebral artery,MCA)-M2-M3-M4 區域的病例相比,多灶性NAIS和NAIS位于MCA-M1動脈區域的新生兒顯示出更高的cNSE水平。cNSE水平與相對梗死體積之間存在顯著相關性,與發育良好的嬰兒相比,具有不良后果的癥狀性NAIS嬰兒的cNSE值更高。cNSE值高于55 μg/L嬰兒的不良結果優勢比(odds ratio,OR) 值為 6.48。cNSE水平是NAIS潛在的早期預后生物標志物?？傮w來說,在急性腦卒中的早期階段,NSE水平的測定較其他諸如影像學檢查更為方便和經濟,能夠較好地評估腦卒中的嚴重程度、警示顱內高壓以及預測結局。

3.3 NSE與脊髓損傷(spinal cord injury,SCI) SCI是常見的中樞神經系統疾病,患者常常產生神經功能缺失以及肢體功能障礙,具有高病死率、高致殘率、預后差的特點。SCI進行性病理變化包括復雜的分子級聯反應,脊髓神經元和神經膠質細胞被破壞,細胞表面烯醇化酶激活纖溶酶原,纖溶酶原是血清中作為無活性酶原存在的絲氨酸蛋白酶,通過組織型纖溶酶原激活劑(tissue-type plasminogen activator,tPA)或尿激酶纖溶酶原激活劑(urokinase plasminogen activator,uPA)轉化為活性纖溶酶,并降解細胞外基質(Extracellular matrix,ECM)蛋白,然后纖溶蛋白降解纖維連接蛋白,穿透內皮,激活基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)[20]。細胞表面烯醇化酶也影響MMPs,MMP-2和MMP-9在炎性反應過程中發揮重要作用,可以幫助將炎性細胞因子TNF-α和IL-1β加工成其生物活性形式,這反過來可能進一步增強炎性反應[21]。MMPs在促炎微環境的產生和維持中發揮重要作用,促炎微環境上調NSE,促進ECM降解,加重缺血性神經病理。因此,針對ECM降解和進行性神經炎性反應的治療方法可以通過抑制NSE來達成[22]。NSE 對免疫細胞應答、神經元和膠質細胞的下調可能是抑制SCI繼發性神經炎性反應的新途徑,因此可以靶向烯醇化酶來限制SCI后ECM和MMP介導的損傷。

3.4 NSE與心臟驟停后腦損傷 檢測血液中的腦源性標記物可能是最直接和最明顯的量化心臟驟停后腦損傷的方法,NSE是歐洲復蘇委員會(European Resuscitation Council,ERC)和歐洲危重病醫學會(European Society of Intensive Care Medicine,ESICM)目前惟一推薦的標記物[23]。Reuter等[24]對連續接受靜脈—動脈體外膜肺氧合技術(vnoarterial extracorporeal membranous oxygenation,VA-ECMO)治療的難治性心源性休克和院內難治性心臟驟停成年患者進行了研究,發現第3 d血清NSE濃度升高與短期病死率及不良功能結果獨立相關。在接受頭顱CT檢查的患者亞組中,與未患腦卒中的患者相比,診斷為腦卒中患者的NSE濃度顯著升高。一項關于血清NSE水平預測心臟驟停后長期不良神經預后的研究,對368例心臟驟停復蘇患者 2～6 個月的神經系統結果根據腦功能分類 (cerebral performal cecategory,CPC) 量表進行分析,結果發現NSE閾值在48 h>101 μg/L和在72h>80 μg/L時,預測不良神經系統結果的假陽性率≤2%。而按照最近歐洲復蘇委員會(ERC)建議的 48 h和/或72 h>60 μg/L的閾值,則產生了4.3% 的假陽性率(95%CI0.9%～7.4%)[25]。Kang等[26]比較了血清NSE (serum neuron-specific enolase,sNSE)、cNSE和腦脊液 S100B (cerebrospinal fluid S100 calcium-binding protein B,cS100B) 在院外心臟驟停(out-of-hospital cardiac arrest,OHCA)幸存者中的預后表現,這項前瞻性觀察研究入組了45例患者,每24h采集一次樣本,直至自主循環恢復后72h。在所有時間點,神經功能不良結果組的sNSE、cNSE和cS100B顯著高于良好結果組。不良結果組的cNSE和cS100B隨時間顯著增加(基線與24、48和72 h)。sNSE在24、48和72 h的靈敏度顯著低于cNSE或cS100B。cNSE和cS100B與0假陽性率 (false-positive rate,FPR)相關的敏感性在基線時分別為66.6%和45.5%、24h分別為80.0%和80.0%、48h分別為84.2%和94.7%、72 h(FPR,5.0%)分別為88.2%和94.1%。其結論為高cNSE和cS100B是OHCA幸存者神經系統預后不良的強有力預測因素。腦損傷是心臟停搏后神經系統預后不良以及死亡的最主要原因,評估心臟停搏患者能否恢復腦功能是臨床決定后續治療、判斷預后的重要手段,目前尚無公認評估心肺復蘇術預后標準的NSE標本留取時間以及NSE閾值。

3.5 NSE與心血管術后腦損傷 Kimura等[27]采用中低溫停循環聯合順行性腦灌注,分別對 37 例和 23 例患者進行了全弓置換和半弓置換。測量手術前和手術后 1 d抽取的靜脈血樣本中的血清 NSE 水平。根據神經損傷的嚴重程度分為無神經功能障礙(n=48)、暫時性神經功能障礙(n=5)、永久性神經功能障礙(n=7)。通過計算機斷層掃描或磁共振成像估計腦卒中的程度。研究發現血清 NSE 水平是胸主動脈手術后不良神經系統結局和腦卒中程度的重要預測因子。但也有研究發現NSE不是心血管手術對先天性心臟缺陷兒童神經發育模式影響的可靠神經標志物[28]。由于NSE評估心血管術后腦損傷病情及預后的特異性不高,所以難以獨立進行評價,需與其他指標聯合。

3.6 NSE與一氧化碳中毒后并發癥 遲發性神經精神后遺癥 (delayed neuropsychiatric sequelae,DNS) 是一氧化碳中毒 (carbon monoxide poisoning,COP) 的主要并發癥,可由炎性反應引起,炎性反應是心臟驟停和卒中時神經元損傷的一種機制。NSE被認為是急性COP中DNS的預測因子,臨床上早期識別急性COP患者是否經歷DNS對后續治療至關重要[29]。Nah等[30]研究發現 48 h時間點的NSE水平 >20.98 μg/L 可作為DNS的獨立預測因子。Xu等[31]探討了NSE基因多態性與急性一氧化碳中毒后遲發性腦病(delayed encephalopathy after acute carbon monoxide poisoning,DEACMP)的關系,結果表明rs2071419和rs3213434是DEACMP的易感位點,NSE rs2071419的 C等位基因和rs3213434的T等位基因以及單倍型GGTTTC和CCTTTC可能是DEACMP的危險因素。在臨床急救的過程中,能夠反映中毒患者腦損傷程度的特異度及敏感度生化指標至關重要,血清NSE濃度變化可以反映患者中毒嚴重程度及預后,同時指導臨床治療,尤其對于COP并發癥具有較高的臨床實用價值。

3.7 NSE與其他神經系統疾病 神經退行性疾病的病理過程導致神經變性并誘導神經膠質細胞活化,導致促炎性細胞因子(IL-1β、TNF-α和IL-6)的分泌。反應性星形膠質細胞還分泌甲殼質酶蛋白40(chitinase protein 40,YKL-40),刺激細胞遷移,從而維持慢性炎性反應[32]。另外活化的神經膠質細胞通過釋放炎性細胞因子來促進神經變性,充當反饋回路。相反,腦脊液中NSE的易位和釋放是由于神經元變性引起的,并可能誘導炎性細胞因子的釋放[33]。Lee等[34]的研究前瞻性納入了48例短暫性全面遺忘癥(transient global amnesia,TGA)患者,分析了血清NSE水平升高和正常患者之間臨床特征的差異。在48例TGA患者中,16例患者 (33.3%) 的血清NSE水平升高 (25.0 μg/L±11.5 μg/L),而32例患者 (66.7%) 的血清NSE水平正常 (12.8 μg/L±2.1 μg/L)。血清NSE水平升高的患者比血清 NSE 水平正常的患者表現出更嚴重的認知障礙。血清NSE水平在有和沒有認知障礙的患者之間顯示出相對較高的區分度,曲線下面積(AUC)為 0.684,在臨界值為17.3 μg/L 時具有 0.800的敏感度和0.744的特異度。表明神經元細胞功能障礙可能與TGA發病機制有關,此外它可能與認知障礙有關。血清NSE與癲癇發作的時間、頻率以及發作后的認知功能有關[35]。Hanin等[36]研究腦損傷生物標志物NSE和S100B是否可以反映腦電圖活動并有助于評估癲癇發作風險,結果發現只有NSE水平與腦電圖評分呈正相關,NSE水平高于17 μg/L的患者與癲癇發作相關,另外NSE水平增加超過15%與患者的癲癇發作復發相關。β螺旋蛋白相關性神經變性病(Beta-propeller protein-associated neurodegeneration,BPAN)是神經變性與腦組織鐵沉積的一種遺傳性神經變性病,其典型特征是兒童期非進行性整體發育遲緩和癲癇發作,隨后在青春期或成年早期出現進行性神經功能衰退,伴有帕金森病和癡呆癥[37]。研究發現血清NSE水平可能是兒童BPAN的診斷生物標志物,但在識別兒童期后患有BPAN的患者方面價值較低[38]。帕金森病(Parkinson's disease,PD)和路易體癡呆(dementia with Lewy bodies,DLB)是常見的神經退行性疾病,tau蛋白、磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau,p-tau)和NSE的腦脊液水平可用于區分PD/DLB和非PD/DLB[39]。腦脊液NSE水平在肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)中升高,并可有效區分ALS和脊髓型頸椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)[40]。腦脊液中NSE和S100含量的聯合檢測可用于鑒別診斷合并無菌性腦膜炎或化膿性腦膜炎的川崎病(Kawasaki disease,KD),KD合并無菌性腦膜炎比合并化膿性腦膜炎患兒的S100蛋白和NSE水平低[41]。

4 小結與展望

目前對中樞神經系統損傷患者的預后主要基于行為評估、神經電生理評估、神經影像學和臨床經驗。然而,評估者的主觀判斷可能會干擾行為評估和臨床經驗,神經電生理檢查易受臨床藥物干擾,因此,中樞神經系統損傷的預測需要全面的評估。NSE水平變化和中樞神經系統損傷關系密切,檢測NSE水平在判斷中樞神經系統損傷程度、鑒別診斷、評估預后等方面有很大的臨床應用前景,然而由于采集樣本的時間點不同、人群異質性以及缺乏長期數據,目前尚無統一和標準化的方案,有待進一步開展研究深入探究。