輕度創(chuàng)傷性腦損傷腦脊液及血液生物標記物研究進展

黃雯，李上勛，李學建，徐宏云

（1.武漢市公安局武昌區(qū)公安分局，湖北武漢 430060；2.湖北省公安廳，湖北武漢 430070）

輕度創(chuàng)傷性腦損傷腦脊液及血液生物標記物研究進展

黃雯1，李上勛2，李學建1，徐宏云2

（1.武漢市公安局武昌區(qū)公安分局，湖北武漢 430060；2.湖北省公安廳，湖北武漢 430070）

輕度創(chuàng)傷性腦損傷（mild traumatic brain injury，MTBI）被認為是輕度腦損傷導致的短暫意識喪失和精神改變，但有時也會導致持久性、進行性的臨床癥狀。MTBI可引起神經系統(tǒng)結構損傷及相應的體液生物標記物改變，但有關其嚴重程度及個體易感性與意識障礙持續(xù)時間的關聯(lián)程度研究不足，同時，一次打擊后腦損傷程度也缺乏可靠的評估方法。本文綜述了與TBI有關的腦脊液及血液生物標記物，探討這些標記物在MTBI診斷中的應用現(xiàn)狀及研究前景，為法醫(yī)學及臨床醫(yī)學中腦損傷的診斷及評估提供參考依據。

法醫(yī)病理學；腦損傷；綜述[文獻類型]；腦脊液；生物學標記

輕度創(chuàng)傷性腦損傷（mild traumatic brain injury，MTBI）通常指程度較輕的創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI），被定義為以下情形之一：喪失意識不超過30min，精神狀態(tài)改變（如眩暈、定向障礙等）達24 h，傷后短暫記憶喪失[1]，臨床上常僅表現(xiàn)為頭暈、惡心等非特異性癥狀。MTBI可引起神經元、膠質細胞和軸索等結構損傷[2]，而多次MTBI常導致繼發(fā)性神經病理改變和持續(xù)性臨床癥狀[3]。腦脊液和血液的某些生物標記物往往在TBI出現(xiàn)明顯病理改變之前即可出現(xiàn)，可為神經損傷與疾病提供診斷信息[1]。本文介紹TBI主要的腦脊液和血液生物標記物，擬為尋找MTBI診斷生物標記物及神經科學診斷研究提供方向。

1 MTBI病理生理學

MTBI臨床上多表現(xiàn)為快速短暫的神經功能障礙，約15%發(fā)展為持續(xù)性認知障礙[4]。按損傷機制可分為撞擊和慣性負荷，后者可引起彌漫性軸索損傷（diffuse axonal injury，DAI）[5]。MTBI臨床癥狀多于傷后1～2周消失，過去認為其代謝、軸索病變也隨之消失，但磁共振波譜、電生理及神經生理研究發(fā)現(xiàn)，某些指標在傷后30～45 d才恢復正常[6]，而神經病理學研究發(fā)現(xiàn)軸突病變可能會在MTBI之后持續(xù)數年[7]。

損傷瞬間軸膜牽拉可引起鉀離子（K+）外流和鈉離子（Na+）內流，導致軸突內鈣離子（Ca2+）濃度增加，Ca2+激活鈣蛋白酶（calpain），觸發(fā)鈣蛋白酶介導的細胞骨架蛋白水解，導致不可逆轉的軸突損傷[5]；刺激谷氨酸釋放，激活谷氨酸介導的N-甲基-D-天冬氨酸受體，引起神經元去極化[8]。為維持離子穩(wěn)態(tài)，多種離

子泵激活而導致能量耗竭，Ca2+進入線粒體，引起氧化磷酸化障礙產生乳酸而導致酸中毒和水腫。軸索超微結構研究[5]表明，受傷瞬間微管發(fā)生機械性滲漏和變形可以引發(fā)漸進性微管解體。這些病理學過程最終導致軸突運輸中斷及蛋白聚集形成軸索收縮球、膨體，甚至繼發(fā)軸索斷裂，即軸索的第二次切割[7]。

單次或多次重復MTBI引起的慢性神經功能障礙被稱為慢性創(chuàng)傷性腦病，多見于職業(yè)拳擊手，主要表現(xiàn)為認知、情感、人格、行為障礙等[3]。慢性創(chuàng)傷性腦病可致阿爾茨海默病，典型病理征：高度磷酸化的tau蛋白形成神經纖維纏結、β淀粉樣蛋白斑塊即Aβ斑，進行性的軸突病變被認為是MTBI后Aβ斑形成的病理基礎[9]。

2 腦脊液生物標記物

腦脊液與腦細胞外基質接觸，其組分變化可敏感地反映腦內代謝及生化改變，因此腦脊液被認為是腦損傷生物標記物的理想來源。腦損傷腦脊液生物標記物，主要針對血腦屏障損傷、神經炎癥以及軸索、神經元和星形膠質細胞損傷等[1]。

2.1 血腦屏障損傷

血腦屏障主要功能為維持中樞神經系統(tǒng)微環(huán)境穩(wěn)態(tài)，白蛋白與球蛋白是衡量血腦屏障功能的核心生物標記物[1]，腦脊液中大多數白蛋白來源于血液滲透，白蛋白與球蛋白比值升高常標志著血腦屏障結構性損傷，可見于重度TBI、感染、炎癥、腦瘤及腦血管疾病等[10]，但MTBI未發(fā)現(xiàn)明顯升高[1]，證實MTBI通常無明顯血腦屏障結構性損傷。

2.2 神經炎癥

TBI常伴有急性神經炎性反應，可導致腦脊液內白介素6（interleukin 6，IL6）、IL8和IL10等炎性介質升高，且上升幅度與血腦屏障完整性及TBI預后有關[11]。血腦屏障損傷后血漿炎性介質也可以滲入腦脊液，因此應用炎性介質評估神經炎癥需要慎重。另外，這些研究使用的是腦室腦脊液，其成分與腰穿腦脊液有所不同，由于MTBI多使用腰穿腦脊液，因此這些研究結果能否用于MTBI仍有待進一步研究[1]。

2.3 軸索損傷

2.3.1 tau蛋白和神經絲輕鏈

腦脊液總tau蛋白和神經絲輕鏈（neurofilament light chain，NF-L）被認為是DAI最理想的生物標記物，其分布因部位而異，tau蛋白在中間神經元內細小的無髓軸突中高表達，而NF-L在大口徑、有髓的投射纖維中最為豐富[1]。

重度TBI患者腦室腦脊液總tau蛋白水平高于對照組腰穿的腦脊液，與損傷程度及臨床預后有關，且腦室腦脊液與腰穿腦脊液tau蛋白差異無統(tǒng)計學意義[12]。軸索損傷后tau蛋白可被calpain-1和caspase-3裂解為相對分子質量為17000～50000的多肽（C-tau），C-tau是軸索損傷的另一高度敏感指標，重度顱腦損傷后24h內腦脊液中C-tau可上升至40000倍[13]。

神經絲（neurofilament，NF）是軸索的細胞骨架，由NF-L（68000）、NF-M（160 000）及NF-H（200 000）3條多肽構成。軸索受損后，NF-L最早發(fā)生降解，磷酸化NF-L在傷后30min至6h內降低，因而NF-L也是軸索損傷最為敏感及特異性的標記物之一[14]。重度TBI患者腦脊液已證實有高度磷酸化NF-H，而在MTBI患者腰穿腦脊液有高水平NF-L，腦脊液中NFL水平被認為是最靈敏的軸突損傷體液生物標記物[15]。NF-L升高的程度大于總tau蛋白，這表明在MTBI白質內長的有髓軸突損傷重于皮質內短的無髓軸突[15]。

2.3.2 淀粉樣前體蛋白

軸索損傷后淀粉樣前體蛋白（amyloid protein precursor，APP）在神經元和軸突中累積，TBI動物研究發(fā)現(xiàn)，APP在傷后2～3h即可迅速聚集，在MTBI患者也可以出現(xiàn)升高[16]。TBI患者軸突可發(fā)生急性Aβ聚集，尤其是Aβ42亞型，繼而釋放到周圍腦組織中而形成Aβ斑，此與阿爾茨海默病的發(fā)生發(fā)展有關[17]。

重度TBI患者腦室腦脊液Aβ40和Aβ42傷后1周即可出現(xiàn)明顯升高，可溶的APP亞型α和β也發(fā)現(xiàn)有相似的結果[18]。MTBI患者腰穿腦脊液未發(fā)現(xiàn)Aβ40、Aβ42發(fā)生明顯改變[15]，這些結果提示，MTBI腰穿腦脊液Aβ反映腦損傷不如NF-L和總tau蛋白靈敏。TBI死者腦脊液中Aβ1～42水平增高，而β-APP上升幅度相對較小，血漿Aβ1～42水平變化不明顯，推測腦脊液中β-APP裂解產物的出現(xiàn)預示著軸索損傷[18]，但有待進一步研究。

2.4 神經元損傷

γ-烯醇化酶，又稱神經元特異性烯醇化酶（neuron specific enolase，NSE），是一種糖酵解酶，富含于神經元胞體。有研究[19]發(fā)現(xiàn)，TBI患者血清和腦脊液的NSE升高，并被認為是神經元損傷的重要指征，腦脊液的NSE水平與TBI損傷程度和死亡率有關。但是體外紅細胞裂解也能提高NSE水平，因此使用NSE作為神經元損傷的生物標記物時需格外注意溶血的影響[20]。

2.5 星形膠質細胞損傷

S100為鈣結合蛋白家族，其主要功能為調節(jié)Ca2+水平，主要有S100A1（由兩個α亞基組成）、S100B（由兩個β亞基組成）及S100 αβ異源二聚體等。S100B最早被認為特定存在于星形膠質細胞，但后來在少

突膠質細胞、軟骨細胞和脂肪細胞等也被發(fā)現(xiàn)。MTBI患者腰穿腦脊液中S100B的水平輕微升高[19]。DAI動物模型，傷后7.5 h腦脊液的S100B達峰值；重度TBI患者腦脊液中S100B峰值時間為6 h[14]，S100B＞2000ng/mL被認為是重度TBI死亡的生化標志[21]。

膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）在星形神經膠質中特異性表達，也表現(xiàn)為相似研究結果[15]。

3 血液生物標記物

一些在中樞神經系統(tǒng)內高表達的蛋白可在外周血中檢測到，但由于分布廣、血濃度非常低，新技術的發(fā)展使這些標記物的檢測成為可能。然而，血腦屏障可能會降低血中生物標記物反映TBI的敏感性，一些生物標記物在血液會發(fā)生蛋白水解作用或者經肝、腎消除，受生物標記物與轉運蛋白結合的影響，因此，建立MTBI生物標記物血濃度體系仍任重道遠。

3.1 星形膠質細胞損傷

S100B和GFAP作為星形膠質細胞的外周血標記物被廣泛關注。研究[22]認為，TBI患者血清S100B和GFAP增加，且與GCS評分、神經影像學結果有關。一些研究注意到，TBI患者血清中S100B水平增加可能源于外周組織損傷如骨折、骨骼肌損傷、血腦屏障功能障礙等[23]。由于無外周表達，GFAP可能比S100B更為理想，MTBI患者血清中GFAP可出現(xiàn)輕度升高[1]。

3.2 軸索和神經元損傷

其他的外周血TBI生物標記物主要有神經元烯醇化酶（neuron specific enolase，NSE）、髓鞘堿性蛋白（myelin basic protein，MBP）和高磷酸化NF-H等。外周血紅細胞裂解可導致血NSE水平增高是限制其應用的重要原因，MBP可能是一個比NSE更特異的TBI標記物，其特異性分別為96%、64%，但是靈敏度不夠理想（MBP靈敏度為44%，NSE為71%）[24]。在重度TBI患者，血清NF-H水平在傷后6d內持續(xù)升高，但S100B的水平增加得更為迅速，這可能與其釋放差異有關[25]。數字化免疫技術使得測定血清tau蛋白成為可能，其檢測限可低至0.02 pg/mL，心肺復蘇的患者多為10～400pg/mL，而且該蛋白的變化與其預后有關[26]。tau蛋白血清濃度有兩個峰值：一是在復蘇后的最初24 h，另一則是在24～48 h之后，最后因TBI死亡的患者中，第二個峰值較高[25]。

4 新型體液生物標記物

αⅡ血影蛋白，主要存在于神經元，在軸突和突觸末梢豐富表達，是calpain-1、calpain-2和caspase-3主要的作用底物。軸索損傷后，α-Ⅱ血影蛋白被calpain和caspase分別分解成相對分子質量為150000和145000、120 000和150 000的血影蛋白裂解產物（spectrin breakdown products，SBDP），被廣泛用于大鼠和人類腦損傷的研究[27-28]。研究發(fā)現(xiàn)，TBI患者腦脊液中SBDP-150和SBDP-145于傷后6 h達峰值，并分別持續(xù)升高至傷后24 h和72 h[28]；大鼠TBI后腦脊液中SBDP水平2h達峰值[29]，腦脊液中SBDP水平與損傷程度、部位等具有相關性[14]。

泛素羧基末端水解酶L1（ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase L1，UCH-L1）是一種去泛素化酶，在神經元內高表達，研究[30]發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合檢測UCH-L1和SBDP有助于提高對腦損傷程度及預后評估的準確度，但血UCH-L1水平可因血腦屏障完整性受損而增加。

另外，已有研究發(fā)現(xiàn)MTBI軍人的外周血液單核細胞非編碼小RNA的表達發(fā)生改變，其中三種小RNA與MTBI相關，但仍需要進一步證實[31]。

5 展望

本文系統(tǒng)介紹了TBI常用的腦脊液及血液生物標記物，這些生物標記物有各自的時空規(guī)律特征，有助于TBI的診斷、治療及預后評估，其中部分生物標記物可用于MTBI的發(fā)現(xiàn)與診斷，但是目前針對MTBI的體液生物標記物研究仍較為有限，且由于定量方法敏感性的不足，在一定程度上限制了其在動物TBI模型中的應用。在法醫(yī)學，針對死后腦脊液及血液的TBI生物標記物的研究較為匱乏，其中血液受死后自溶等因素的影響，其化學結果應用價值備受爭議，而腦脊液由于受污染及自溶的影響較小，將為TBI的研究提供新的研究方向。

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Advances in Biomarkers of Mild Traumatic Brain Injury in Cerebrospinal Fluid and Blood

HUANG Wen1,LI Shang-xun2,LI Xue-jian1,XU Hong-yun2
（1.Wuchang Public Security Sub-bureau,Wuhan Public Security Bureau,Wuhan 430060,China;2.Hubei Province Public Security Department,Wuhan 430070,China）

Mild traumatic brain injury（MTBI）is defined as a mild brain trauma resulting in a short loss of consciousness and alteration of mental status.It may also occasionally develop persistent and progressive symptoms.It has been confirmed that MTBI causes changes of anatomic structures in central nervous system and biomarkers in the body fluid.However,there is no sufficient research on relevance among threshold for the brain injury,individual vulnerability and duration of disturbance of consciousness.Furthermore,there are no reliable diagnostic methods to establish whether a blow to the head is sufficient to cause the brain injury.This review provides

for biomarkers in cerebrospinal fluid and blood associated with TBI.It also provides application status and potential prospects for further assessment and diagnosis of MTBI.

forensic pathology;brain injuries;review[publication type];cerebrospinal fluid;biological markers

DF795.1

A

10.3969/j.issn.1004-5619.2015.06.013

1004-5619（2015）06-0466-04

2014-03-31）

（本文編輯：劉寧國）

黃雯（1984—），女，主檢法醫(yī)師，主要從事法醫(yī)現(xiàn)場勘查及腦損傷研究；E-mail：huangwen124@sohu.com