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脑出血患者血清生物标志物的检测及应用

日期:2019-05-06 01:14:38 来源: 中国现代医生 作者:郭宗培,马大程,任胜辉,郑玲娟,王娜,杜威 点击:

脑出血作为一种高致残率、高致死率的疾病,已然成为中国居民健康的一大杀手,及时准确的诊断并积极开展后续抢救治疗至关重要,但因该疾病发展迅速,不确定性因素众多,许多患者仍遗留神经功能障碍及意识障碍,生活质量严重下降。如若病情进展期不能及时发现并进行药物处理及手术干预,其疗效和后期康复就尤为被动,多数患者可出现记忆力下降、反应能力差、情感障碍、逻辑分析及计算能力降低等。

虽然现代医学发展日新月异,各种手段层出不穷,但临床医师的丰富经验对患者病情演变的判断至关重要,在病情急剧恶化时,准确有效的判断及处理仍是不可替代的,这样观点上的分歧就自然而然的产生。所以,除去医师在人为主观上的判定,研究并开发一种具有简单、易行、外界影响小且客观等优点的血清生物标志物势在必行。

患者脑出血后,受责任血管支配的脑细胞急性受损,占位效应使颅内压增高,周围组织压迫水肿、血管痉挛,血液循环受阻,血脑屏障遭到破坏,不可预知的生化代谢反应释放多种血管活性产物,引发一系列的炎症和生化的级联反应,细胞毒性反应明显;早期负反馈调节血压增高,后期颅内压增高,颅内代偿空间减少,颅内缺血、缺氧明显,血压下降、电解质紊乱,脑细胞受损不可逆。根据胶质细胞的特异性,各国专家均在寻找一种具有较高的灵敏度和特异性的标志物来判断患者的病情演变和预后,本文就以下热门标志物作一综述。

1.血清胶质纤维酸性蛋白(GFAP)

首先介绍位于细胞质和核周的血清胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP),它是组成胶质细胞骨架的重要成分,以可溶性蛋白和中间微丝蛋白的形式存在,营养和支持神经元,并促进中枢和周围神经轴索的生长。其在胶质细胞唯一表达,无脑外干扰,分子量50kDa。损伤应答时反应明显,且在宿主防御和神经修复中发挥重要作用,很多学者认为它是细胞被破坏的标识。

有试验研究表明,脑出血发生时,GFAP mRNA表达增加,随着血脑屏障的破坏脑损伤发生,GFAP进入血液循环,并且其水平与损伤程度呈正相关。因脑出血后,神经胶质细胞遭到破坏致胞浆蛋白质漏出,因血脑屏障被破坏,通透性增加,GFAP通过细胞间液释放入血,根据脑细胞损伤程度而对应不同的应答反应,我们致力于寻找GFAP的血清值与损伤程度的规律。

脑出血是一种占位性体现,脑细胞的水肿与颅内压有密切联系,血肿及水肿的细胞影响周围脑组织,内含的丙氨酸和天冬氨酸分解释放谷氨酸和一氧化氮,而且研究证实血管源性促细胞分裂素明显增高,随着病情的加重渐次达到高峰。“瀑布效应”的产生使损伤严重的脑细胞不可逆,为了减缓外围细胞的继发性死亡,起宿主防御作用的GFAP浓度明显增加。有研究发现GFAP可以作为一种指标预测死亡率,并与预后的残疾程度及植物生存状态息息相关。

Luger等研究只要是脑细胞受损,无论缺血性还是出血性,6h后GFAP浓度开始上升,但24h内增高不明显,随着出血量增加及脑水肿加重,指标逐步上升,待颅内压后期下降后再次回落,且脑出血患者较脑梗死患者更明显。也有实验发现颅脑损伤后30min和2h,星形胶质细胞可能由于自我保护机制的作用,细胞增生和崩解均有数量级变化,且随水肿程度而加速。如果重度高血压脑出血颅内压长期居高不下,患者检测的GFAP阳性率可持续较长时间,有研究测定1.5μg/L可能为一主要节点,这应该与血肿加水肿的体积效应呈正相关。而随着颅内压逐步下降,康复治疗后期病情有所恢复,GFAP回落甚至正常,所以GFAP对预判康复预后有显著效果。

由于CT等影像学检查在长期重度昏迷患者中的应用困难,尤其对依靠呼吸机等搬动难度增加的呼吸微弱患者,不能实时动态观察病情演变,血液检验成为一个有效可行的手段。许多患者脑出血后继发脑血管痉挛的迟发性脑缺血,GFAP作为第二峰值亦有所表现。因此,由于神经胶质细胞的唯一性,血清GFAP水平可反映神经细胞受损程度,对病情演变及预后有很大作用,但对壳核、丘脑、脑干等出血部位尚无定位性差异。

而脑室积血的病例,因GFAP释放到脑脊液及入血时间更短,其表达水平相应增高,比单纯实质性出血患者的指标更高,可以作为单独的预测值进行归纳。GFAP要成为体现神经胶质细胞损伤范围及程度的预测指标,且具体定位到脑白质和灰质等部位,需要大量的数据性研究。

2.血清S100β蛋白

现在对S100β蛋白的研究也比较深入,S100β是一种钙结合酸性蛋白,位于中枢神经系统的星形细胞和雪旺细胞,脑干和小脑也有明显分布,分子量是21kDa,最早是通过心脏手术的指标进行研究的,后来神经外科医师发现术后30%~50%的患者有神经功能障碍,且约5%的患者存在脑卒中,经研究该类患者体内的S100β显著增高,从而应用于神经科患者。

有研究证实脑细胞受损后,一氧化氮合酶的mRNA水平增高,钙调蛋白磷酸化,神经系统的稳定和突触反应灵敏性受到影响,进而可以诱导胶质细胞的死亡。脑出血后血管痉挛,Ca2+的细胞膜通透性增加,S100β释放入血调节细胞内钙的依赖性,稳定血压,平衡细胞内外的钙离子浓度。由于细胞膜受到攻击,表面磷脂分布不均、细胞骨架和抗过氧化功能受损,S100β分泌增加可以加强ATP酶的活性,并通过解聚维管和微丝进行修复。

S100β的神经再生和修复功能强大,可以促进神经营养因子和神经轴突延长因子调节细胞增殖、代谢和分化。发病时S100β无明显增高,这与GFAP相像,但是S100β与早期病情的演变和预后关系密切,3d左右达到第一个高峰,但是和脑水肿无关,在颅脑损伤的儿童中最明显,Golime等的研究亦有证实。因此S100β对患者血肿量体积及逐步增加的血肿更加敏感,但对水肿测定不明显。但是S100β也同样存在于肌肉和脂肪组织中,如接受多系统手术的患者其指标可能受到较大干扰。


目前针对S100β蛋白的脑脊液研究也开始展开,但脑出血早期颅内压高,腰椎穿刺存在一定的禁忌,安全性评估受限,且不能深入的提供病理机制的分类信息,所以尚为成为一种独立且广泛的替代标志而努力。

3.裂隙Tau蛋白

裂隙Tau蛋白(Cracked Tau protein,C-Tau)是微管相关Tau蛋白(Microtubule-associated Tau protein,MAP-Tau)的一种水解片段,它定位于神经元的细胞骨架中,并参与组成神经元的轴突部分,在轴浆运输中起到重要作用。MAP-Tau是半胱天冬酶-3反应底物,人类神经元受损后MAP-Tau从C端和N端进行分解,并使分子量减少18kDa,其数值明显上升,并且随着病情加重,C-Tau不断的分解产生,释放到脑脊液及血清中。这种C-Tau也是神经退行性疾病的特征,而且是细胞凋亡、神经炎症和微血管病变的重要影响因素,其与神经元受损具有相关性,可能是脑白质变化造成的微血管损伤,并参与了血脑屏障的延迟机制。

Pelin等报道C-Tau<1000ng/mL者预后良好,而C-Tau>1600ng/mL则预后差,但这并不能作为一个定量的分析指标,不过对定性的敏感性接近100%。Kim等在小鼠模型试验中发现,C-Tau在海马和皮质中表达时,学习能力和空间记忆能力严重缺陷,并且出现了Tau寡聚物和Tau聚集物。C-Tau在神经元损伤和神经保护中有部分作用,与神经后遗症的组织学和生化障碍有关,但临床应用尚达不到特异性。鉴于以上研究结果,尚需大量的样本和近期、远期的预后评估,才可明确C-Tau的作用。

4.神经元特异性烯醇化酶(NSE)

目前已知的神经元特异性烯醇化酶(Neuronspecific enolase,NSE)最常应用于肺癌,尤其是小细胞肺癌的判定,特异性高达80%。因其存在于神经元胞浆中,属于神经内分泌细胞的酸性糖酵解酶,正常情况下在血清、脑脊液及非神经组织中含量少,故较少受外界影响。正常人平均NSE血清浓度为(4.2±1.1)ng/mL,一般>12.3ng/mL有临床意义。

除了肺癌,在神经母细胞瘤中特异性也非常高,还常用于癫痫及克雅病等神经元损伤中。脑出血后由于血脑屏障被破坏,NSE由脑细胞释放至细胞间隙和脑脊液中,因细胞表型转换后代谢异常,磷酸烯醇式丙酮降解纤黏蛋白,提高血脑屏障通透性而进入血液循环。

血清NSE的浓度与颅内压增高和灌注压降低相关,并发现NSE的两个特性,一是大量血肿的患者其NSE在第2~5天到达高峰,随着血肿进行性增加而升高;二是如果患者恶性颅内高压,NSE还会出现第二个高峰,根据水肿情况可持续10~14d。NSE与脑出血的部分无特异性关系,且颅脑外伤及脑梗死等脑细胞受损也有明显变化,随着细胞毒性和血管源性水肿的作用,长期持续性增高对功能康复的预后影响巨大,故NSE对脑血肿量、脑水肿和预后恢复有显著意义。在判断病情演变时结合影像学结果可逐步应用于临床,同时需大量样本针对出血后生存期的质量问题可进一步探讨。

5.脑源性神经营养因子(BDNF)

脑源性神经营养因子(Brain derived neural nutrition factor,BDNF)是一种二级结构的小分子碱性蛋白质,主要从杏仁核、海马和大脑皮质中探知,对中枢神经系统的生长发育、成熟分化,感觉神经及脊髓运动神经的维护及再生方面有重要作用。神经营养因子可以调整神经元的活性及促进突触形成来调节脑皮质的可塑性。

BDNF在儿童生长发育期较活跃,成人期因神经系统成熟而无明显波动,随着脑出血后脑细胞受损,同样通过血脑屏障的通透来测得血清BDNF,颅脑外伤及肿瘤中也有相应变化。Bücker等认为神经元受损后,保持功能的神经细胞通过自分泌或旁分泌使BDNF增加,进而维护半暗区的神经元。脑出血后血管痉挛、钙离子通道受阻、脑组织缺血缺氧加剧、氧自由基释放增多,氨基酸毒性增加,致使神经元受损乃至细胞坏死,BDNF作为神经保护剂,可以减少神经元受损并刺激轴突细胞增生及突触的敏感性。

BDNF对血肿量早期预测无明显意义,但对水肿期神经元的维护和后期神经元的再生具有特殊的指导意义。所以在影像学方面较稳定、无明显意义时,BDNF可以作为对认知功能缺陷和神经康复治疗的判断指标。因BDNF在神经系统的特殊性,可以从感觉及运动神经元再生、语言和肢体功能康复及神经干细胞的增殖、分化方面入手深入研究。

6.多胺氧化酶(PAO)

多胺氧化酶(polyamine oxidase,PAO)是一种黄素腺嘌呤二核苷酸依赖酶,分子量62kDa,不仅存在于动物和微生物,在植物中也广泛存在,主要用于调节多胺(包括腐胺、精胺和亚精胺)互变的分解代谢,尤其在腐胺的代谢平衡中起到关键作用。现真核细胞中PAO均有发现,活性程度高,在调控细胞增殖分化中有重要作用。PAO作为关键酶可以催化精胺转化为腐胺,同时过氧化氢、3-氨基丙醛被逐步释放,正常浓度的PAO还可以清除氧自由基,保护脑细胞。脑出血后血脑屏障通透性增加,多胺代谢紊乱,神经元坏死和凋亡,PAO随脑脊液循环入血保护神经元,PAO水平和颅内血肿体积及病情恶性程度有关,一般在出血第3天高峰期最明显。

当脑水肿严重且合并再灌注损伤,PAO活性受到抑制,氧自由基增多,细胞代谢受抑制,多胺代谢产生的腐胺可加速破坏血脑屏障,影响其修复并遗留神经功能缺损。患者功能区受损,早期应用药物抑制PAO的产生,可缓解脑缺血的进程并减少脑细胞的死亡数量,在患者预后康复中起到重要作用。但是,目前因PAO的生物广泛性,缺乏明显特异性,但可以对患者进行及时的干预、抢救做出一定贡献。

7.丙烯醛

丙烯醛(acrolein)是一种无色透明、恶臭,且易挥发、不稳定的化学毒性物质,是化工中的合成中间体,曾被用于生化武器,也可用于生产甘油和丙烯酸。工业性丙烯醛由外界摄入,人体暴露下可致伤皮肤、呼吸道、眼角膜损伤等。脑出血后体内多胺代谢紊乱,产生精胺和环磷酰胺,并可探及丙烯醛,因具有神经毒性,影响并消耗人体还原型谷胱甘肽,诱导产生大量活性氧,影响细胞膜的结构和功能。Noerager等研究发现如人体内谷胱甘肽失衡,引起机体氧化过度等一系列生化反应,细胞内钙超载,电解质紊乱,脑水肿进一步加重而病情恶化。

丙烯醛的代谢途径:呼吸系统和泌尿系统,过量的丙烯醛可使呼吸道水肿、肾毒性增加。现有研究表明,丙烯醛水平与颅内血肿的量和脑水肿的面积呈正相关,而且浓度高低和持续时间长短,直接决定预后,故丙烯醛在判断出血量有无增加和脑水肿恶性程度方面较敏感,但未具体到量化的程度,可以进一步深入研究。

8.基质金属蛋白酶(MMPs)

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是一种以Ca2+和Zn2+作为辅助因子的蛋白水解酶,目前MMP-2、MMP-9研究较广。主要由巨噬细胞、平滑肌细胞、中性粒细胞和内皮细胞产生,在脑细胞受损等病理状态下,受基因转录的调节MMPs活性及表达增加并立即作用到细胞基底膜,同时受特异性抑制因子(TIMP)的影响。

胶质细胞受损后MMPs分泌到细胞外间隙,血脑屏障破坏致脑血管通透性增加,炎性细胞侵入和脑水肿形成等,激活并降解脑血管上的关键蛋白质。这其中MMP-2和MMP-9起主导作用,早期主要是MMP-2参与组织修复;后期颅内压升高,脑灌注不足,脑缺血、缺氧进一步加重,形成恶性循环,血管基底膜和紧密连接蛋白被降解,离子通道使细胞内外饱和度功能紊乱,血脑屏障完整性破坏形成血管源性水肿的恶性循环,神经元遭到不可逆性损伤。

郑克彬等研究,TIMP-1和TIMP-2可以选择性对MMP形成抑制,并对蛋白分解的严重性和时间演变形成正相关,尤以MMP-9最明显。脑细胞损伤后,TIMPs分泌增多,打破了与MMPs之间的生物平衡,脑脊液中的浓度逐步增高,血脑屏障完整性减弱,MMPs进入血液,检测中MMP-9和MMP-2浓度相对升高,参与组织修复工作,故考虑TIMPs可能作为内生源性保护因子起保护作用。因此,基质金属蛋白酶可以作为病患康复预后的标志物进行深入研究。

9.总结

综上所述,国内外学者均致力于寻找一种可以有助于病情的早期诊断、演变的预知,更重要的是能够评估治疗效果和预后并指导个体化治疗的生物学敏感标志物。但数十年研究并无实质性突破,正在研究中的血清标志物很多,但是很少能直接应用于临床。已知研究结果显示:列入的所有标志物均对脑出血神经细胞受损的程度有一定意义,其中GFAP、S100β、NSE研究较深入,且成效大。

在脑水肿的恶性程度探测方面GFAP、NSE、裂隙Tau蛋白、PAO和丙烯醛较敏感,但对颅脑外伤、脑梗死和颅脑肿瘤等水肿效应也有相对应,无明显区别。BDNF、S100β和MMPs在神经元的维护及再生方面有明显效果,部分成果正逐步应用于受损的感觉神经及脊髓运动神经元修复中,所以对临床患者的认知功能障碍和指导预后康复治疗方案有重要意义。


大脑精密且复杂,脑出血并非一个孤立的器官性疾病,病情演变迅速,恶化程度快,心、肺、肾等多脏器易出现并发症,尤其近年对患者后期生存质量的研究更加深入,所以寻找一种具有标志性意义的血清生物标志物迫不及待。总结前期的各项临床试验研究,以后要从以下几方面着手:①寻找大规模样本量,使数据更加详实、可靠。②完善试验设计及研究方法,使观察指标和阳性结果更加标准化。③做好后期随访工作,对患者预后及康复训练等不同阶段的生物标志物进行归纳、总结。

来源:郭宗培,马大程,任胜辉,郑玲娟,王娜,杜威.脑出血患者血清生物标志物的检测及应用[J].中国现代医生,2019,57(02):164-168.

 

(责任编辑:zqg)

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