5　创伤性脑损伤相关的生物学标志物

创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是当今社会年轻人死亡和致残的主要原因,同时,在老年人群体中其发生率也在逐年增加,这严重阻碍了社会的经济和健康发展。即使我国在重症医学方面取得了较大进展,但重度TBI的死亡率仍旧很高。目前对于TBI的预后评估主要依赖包括年龄、格拉斯哥昏迷评分、瞳孔反射和影像学检查等多个方面,但其敏感性和特异性都较低。鉴于血清中肌钙蛋白-T对于心肌损害具有诊断意义,从而开始研究针对脑损伤具有诊断价值的生物标志物。起初用于诊断TBI的生物指标主要是乳酸脱氢酶和肌酸激酶,但是因为它们缺少特异性、敏感性和选择性而很少应用。检查一种疾病特异性的生物标志物,对于疾病的鉴定、早期诊断及预防、治疗过程中的监控可能起到帮助作用。寻找和发现有价值的生物标志物已经成为目前TBI研究的一个重要热点。本文主要总结了近几年文献报道中与TBI相关的生物标志物。

一、生物标志物

(一)S100β

是一种小分子的钙结合蛋白,作为与TBI相关的生物标志物而被广泛研究。S100β广泛存在于细胞核和细胞质当中,并参与许多细胞调节过程,例如细胞周期与分化。在中枢神经系统的胶质细胞和神经细胞中S100β含量十分丰富,但S100β并不仅仅存在于中枢神经系统中,还在施旺细胞、软骨细胞、黑色素细胞、朗格汉斯细胞和脂肪细胞中有所表达。因此,S100β并不是TBI的特异标志物,例如一些颅外的损伤,像腹部脏器的缺血再灌注损伤、心肌缺血、骨折、肌肉损伤等情况,其血清S100β的含量同样增加。S100β含量与TBI损伤程度呈正相关,所以具有诊断价值。其在脑损伤后6～12h出现,半衰期大约为30～60分钟,也可以作为血-脑屏障破坏的一种标志物,此外它还具有促进神经再生与修复的作用。

(二)神经特异性烯醇(neuron-specific enolase,NSE)

主要存在于神经细胞的胞浆中,参与缓慢的轴浆运输。然而,NSE在神经内分泌细胞少突胶质细胞、血小板和红细胞中也有表达。在心肺转流术、休克、创伤、缺血再灌注损伤、溶血等病理情况下,血清中的NSE水平也相应增加。完整的神经细胞不会将NSE分泌到细胞外液,但当轴突损伤时,机体为了维持稳态会使NSE水平上调,从而可以在损伤轴突周围的细胞浆中检测到NSE。NSE的血浆半衰期大约为24h,在脑损伤后6h左右就能检测到。正常情况下,血清NSE含量约为12.5ng/ml,在发生TBI后NSE水平增加。当NSE含量增加至21.7ng/ml时,这是死亡(敏感性为85%)和不良预后(敏感性为80%)的敏感指标。例如皮质挫伤的患者,NSE在伤后1d达到高峰,4d左右开始下降。正是由于NSE具有较高的特异性和敏感性,因此可以作为长期预后的生物标志物,并且为神经病学重症监护的治疗检测提供理论可能。

(三)髓鞘碱性蛋白(myelin basic protein,MBP)

是中枢神经系统少突胶质细胞和外周神经系统施旺细胞的组成部分,约占髓磷脂的30%。MBP带有大量的正电荷氨基酸残基从而形成紧密的髓鞘。其主要由4种亚型(21.5kDa、18.5kDa、17kDa、14kDa)组成。在弥漫性轴索损伤患者的脑组织中可以发现髓磷脂的降低。在大鼠脑创伤后2h即可观察到MBP明显降低,24h达到最低点,在随后的3～7d逐渐回升至基础值。相应地,MBP氨基末端降解产物(8kDa和10kDa)在损伤后2h开始增加,1～2d内达到峰值,由于小胶质细胞和巨噬细胞的清除作用,因此在6～7d左右降落至基础值。在成人和小儿脑外伤研究中,血清和脑脊液中的MBP水平已经作为一种生物指标和评估结果。然而,对于诊断局灶性和弥漫性脑创伤或者颅内压增高方面,仍没有可靠的依据。

(四)细胞骨架蛋白神经丝(neurofilaments,NFs)

是神经元轴突和树突特异的中间丝状体蛋白,由三种不同分子量(68kDa、150kDa、190kDa～210kDa)的亚单位组装成的多聚体。NF的亚基存在于体液中并参与轴浆运输,所以能够在互通的轴突内积聚。脑损伤后,钙离子内流激活钙调磷酸酶改变其磷酸化的状态和结构,随后激活的钙蛋白酶和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3能够调节磷酸化的NF使其脱磷酸化和蛋白酶解。在脱磷酸化的过程中,NF裂解成轴索中央的紧密纤维束。这些病理过程降低了磷酸化NF的稳定性,从而促进了NF的降解。NF含量的增加与许多中枢神经系统疾病相关,例如阿尔茨海默病、多发性硬化和肌萎缩性侧索硬化等。有研究表明NF作为一种新兴的生物标志物在鉴别局灶性和弥漫性损伤方面有重要作用。然而,目前缺少相关的临床和基础实验证明NF水平与颅内压增高之间的关系。

(五)C-Tau

Tau是一种分子量为48kDa～67kDa的细胞内微管结合蛋白,主要聚集在轴突内,并参与顺行性的轴浆运输。过度磷酸化的Tau形成的纤维杂聚物称为神经纤维缠结,这些“Tau缠结”是轴索损伤的病理性标志。在正常情况下,轴索内的MAP-tau水平低于免疫染色方法检测到的含量。轴索损伤后,激活的钙蛋白酶使核周体和神经突的微管解聚,MAP-tau被蛋白酶-1和蛋白酶-3裂解成分子量为17kDa和50kDa的多肽,这些多肽被称为C-tau。大量的C-tau通过血-脑屏障扩散到脑脊液和血清当中。C-tau是一种理想的生化标志物,具有分子量低、器官特异性高和溶解性强的特点。在临床重度脑创伤患者研究中,脑脊液中的C-tau是轴突损伤高度敏感的指标。在发生弥漫性轴索损伤后1h,其含量增加500～1000倍,伤后24h急增至4000倍并在3d之内逐步降低。血-脑屏障局部和瞬时开放使C-tau扩散至血清,从而使血清C-tau水平增加。由于生物标志物的清除率和半衰期影响血浆中的最终含量,所以血浆中C-tau含量仅是脑脊液中含量的1/10,因此,弥漫性轴索损伤患者脑脊液中的C-tau是更为敏感的生物标志物。有研究表明在脑损伤后的10h以内,血清中的C-tau水平与脑CT显示的颅脑损伤严重程度相关。然而,临床中根据血清C-tau含量作为CT诊断的筛选条件仍然受限,其敏感性只有53%。

(六)微管结合蛋白2(microtubule-associated protein 2,MAP2)

是一种磷蛋白质,因其调节微管的聚合作用和微管的稳定性,对神经元轴突和树突的发生、延长、稳定和突触可塑性调节具有重要作用。在正常脑组织中,MAP2主要存在于神经元的胞体、树突和树突棘,是脑组织中含量最丰富的蛋白质之一。MAP2主要通过结合于微管蛋白C-末端的酸性区域与微管相互作用。普遍认为MAP2是树突特异蛋白,因此认为它是树突损伤的潜在生物标志物。

(七)胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)

是在星状胶质细胞骨架中发现的一种纤维丝蛋白的中间单体。目前只在中枢神经系统中发现了GFAP,因此作为胶质细胞损伤的潜在生物标志物得到了广泛的关注。临床研究发现非脑部损伤的患者,血清含量极低,平均为0.7pg/ml,TBI患者在伤后1d的血清GFAP水平可升高至6.77pg/ml,约增加10倍。TBI患者血清中GFAP含量在伤后1d达到峰值,之后在7d之内逐渐降低。对于多种类型的脑损伤,包括神经退行性疾病和打击伤,GFAP可能是一种有效的生物标志物。

(八)泛素C端水解酶L1(ubiquitin c-terminal hydrolase-l1,UCHL1)

也称为神经特异性蛋白基因产物,在神经元胞体中广泛分布,约占脑内可溶性蛋白含量的1%～2%。UCHL1功能损害与家族性帕金森病息息相关。在局灶性脑缺血和脊髓损伤时,能够观察到蛋白含量的增加和蛋白酶活性的降低,这说明在神经病理情况下,例如退行性疾病包括脑创伤,UCHL1对于清除过量的、过氧化或者折叠错误的蛋白质都具有重要作用。另外,UCHL1也存在于周围神经系统、神经内分泌系统和动脉内皮细胞、平滑肌细胞、肿瘤细胞中。有研究表明血清和脑脊液中的UCHL1水平对于诊断脑创伤的严重程度和生存预后具有潜在的临床实用性。

(九)α-Ⅱ血影蛋白分解产物(α-Ⅱspectrin breakdown sroduct,SBDP)

α-Ⅱ血影蛋白是一种广泛存在于轴突和神经元的突触前末端的细胞骨架蛋白。当细胞受损和坏死时,血影蛋白分解成SBDP,钙蛋白酶将其裂解为150kDa和145kDa两种产物,而半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3将其裂解为150kDa和120kDa两种产物。然而,αⅡ血影蛋白并不仅存在于脑组织,同时也在淋巴细胞和造血细胞凋亡过程中的表达。

(十)MicroRNA

miRNA是一种非编码的小分子RNA,能够调节转录后的基因表达。有研究表明,在脑损伤大鼠的大脑皮质和海马区发现明显升高的miR-93、miR-191、miR-499,然而并没有在TBI患者的血清中发现这些miRNA。此外,还发现在重度脑创伤后25～48h,miR-16和miR-92a水平降低,miR-765水平升高。在有关损伤类型和颅内压增高的鉴别诊断中,miRNA可能是很好的生物标志物。

二、问题与展望

在脑创伤发生之后,有许多生物标志物都具有判断危险分级和结果预测的潜在价值。一般来说,中枢神经系统特异性的生物标志物可通过受损的血-脑屏障进入外周血液循环。或者,脑创伤后血清中某些指标的增加可能反映外周循环的产物,例如中枢神经系统损伤后导致的肝脏急性期反应。具有代表性的分子物质主要来源于脑部的直接创伤(例如急性神经元损伤、轴突损伤、星状胶质细胞损伤)或者来源于二次炎症和修复过程(例如神经炎症、氧化应激、兴奋性中毒和其他的病理生理机制)。虽然生物标志物对于创伤性脑损伤具有很高的诊断价值,但是其特异性和生物动力学特征仍不容忽视。

目前仍然没有一种精确的临床方法可以评估TBI患者的预后和损伤的严重程度,尤其是轻度TBI。NF、S100β、GFAP和UCHL1是具有鉴别局灶性和弥漫性轴索损伤的潜在诊断指标,而C-tau、NSE、S100β、GFAP和SBDPs则是反应颅内压的生物指标。对于创伤性脑损伤来说,诊断性生物标志物应具有敏感性、特异性和对不良后果的预测能力。随着蛋白质组学的不断发展,检测技术的不断改进,例如目前应用较为广泛的高效液相色谱质谱法,将会发现更多种类的生物标志物。受部分生物标志物的特异性和敏感性影响,多种标志物的联合检测往往比单一成分分析更具有说服力。把多种生物标志物的病理生理学特性结合起来,能够提高诊断的有效性,从而形成一套个体化的治疗方案。

(曹红玲　郭悦平　王跃振　李爱民　杨万超　李文志)

参考文献

1.Roozenbeek B,Maas AI,Menon DK.Changing patterns in the epidemiology of traumatic brain injury[J].Nat Rev Neurol,2013,9(4):231-236.

2.Yokobori S,Hosein K,Burks S,et al.Biomarkers for the clinical differential diagnosis in traumatic brain injury—a systematic review[J].CNS Neurosci Ther,2013,19(8):556-565.

3.Strathmann FG,Schulte S,Goerl K,et al.Blood-based biomarkers for traumatic brain injury:evaluation of research approaches,available methods and potential utility from the clinician and clinical laboratory perspectives[J].Clinical Biochemistry,2014,47(10-11):876-888.

4.Wolf H,Frantal S,Pajenda G,et al.Analysis of S100B serum levels in different types of traumatic intracranial lesions[J].Journal of neurotrauma,2015,32(1):23-27.

5.Papa L,Silvestri S,Brophy GM,et al.GFAP Out-Performs S100beta in Detecting Traumatic Intracranial Lesions on Computed Tomography in Trauma Patients with Mild Traumatic Brain Injury and Those with Extracranial Lesions[J].Journal of neurotrauma,2014,31(22):1815-1822.

6.Cheng F,Yuan Q,Yang J,et al.The prognostic value of serum neuron-specific enolase in traumatic brain injury:systematic review and meta-analysis[J].PLoS One,2014,9(9):e106680.DOI:10.1371/journal.pone.0106680.

7.Sharma R,Laskowitz DT.Biomarkers in Traumatic Brain Injury[J].Curr Neurol Neurosci Rep,2012,12(5):560-569.

8.Al Nimer F,Thelin E,Nyström H,et al.Comparative Assessment of the Prognostic Value of Biomarkers in Traumatic Brain Injury Reveals an Independent Role for Serum Levels of Neurofilament Light[J].PLoS One,2015,10(7):e0132177.

9.Gaiottino J,Norgren N,Dobson R,et al.Increased neurofilament light chain blood levels in neurodegenerative neurological diseases[J].PLoS One,2013,8(9):e75091.

10.Neher MD,Keene CN,Rich MC,et al.Serum Biomarkers for Traumatic Brain Injury[J].Southern Medical Association,2014,107(4):248-255.

11.Czeiter E,Mondello S,Kovacs N,et al.Brain injury biomarkers may improve the predictive power of the IMPACT outcome calculator[J].Neurotrauma,2012,29(9):1770-1778.

12.Papa L,Lewis LM,Silvestri S,et al.Serum levels of ubiquitin C-terminal hydrolase distinguish mild traumatic brain injury from trauma controls and are elevated in mild and moderate traumatic brain injury patients with intracranial lesions and neurosurgical intervention[J].Trauma Acute Care Surg,2012,72(5):1335-1344.

13.Brophy GM,Mondello S,Papa L,et al.Biokinetic analysis of ubiquitin C-terminal hydrolase-L1(UCH-L1)in severe traumatic brain injury patient biofluids[J].Neurotrauma,2011,28(6):861-870.

14.Kulbe JR,Geddes JW.Current status of fluid biomarkers in mild traumatic brain injury[J].Experimental Neurology,2016,275(3):334-352.

15.Yang T,Song J,Bu X,et al.Elevated serum miR-93,miR-191,miR-499 are noninvasive biomarkers for the presence and progression of traumatic brain injury[J].Neurochem,2016,137(1):122-129.

16.Hu Z,Yu D,Almeida-Suhett C,et al.Expression of miRNAs and their cooperative regulation of the pathophysiology in traumatic brain injury[J].PLoS ONE,2012,7(6):e39357.

17.Mondello S,Muller U,Jeromin A,et al.Blood-based diagnostics of traumati brain injuries[J].Expert Rev Mol Diagn,2011,11(1):65-78.