生物標誌物在創傷性腦損傷臨床鑒別診斷中的應用
曹紅玲 郭悅平 王躍振 李愛民 楊萬超 李文志
150086，哈爾濱醫科大學附屬第二醫院麻醉科（曹紅玲、郭悅平、王躍振、李愛民、楊萬超、李文志）
國際麻醉學與復甦雜誌,2018,39(06):573-578.
DOI：10.3760/cma.j.issn.1673-4378.2018.06.012
基金項目
國家自然科學基金青年基金（81400989）
REVIEW ARTICLES
【綜述】
創傷性腦損傷（traumatic brain injury, TBI）是當今社會年輕人死亡和致殘的主要原因之一 。TBI發生後，對損傷嚴重程度的判斷以及預後轉歸的評估逐漸成為臨床醫師關注的焦點。最近幾年，TBI相關的生物標誌物成為研究熱點之一。這些具有代表性的分子物質對於腦損傷輕重程度的判定及治療過程中顱內壓的監控有著積極的作用 。而理想的生物標誌物應具備高度的特異性（在中樞神經系統表達，並且能反映腦損傷的程度）、敏感性（含量豐富且易於檢測）、有效性（標誌物的含量能有效地反映治療效果） 。就近幾年與TBI相關的生物標誌物的臨床研究進展進行較全面的綜述。
1 神經膠質細胞損傷標誌物
1.1 S100β
S100β是一種相對分子質量（10.5×103）較小的鈣結合蛋白，主要在星形膠質細胞中表達和分泌，並參與許多細胞調節過程（如細胞周期與分化）。中樞神經系統的膠質細胞中S100β含量十分豐富，但S100β並不僅僅存在於中樞神經系統中，還在施萬細胞、軟骨細胞、黑色素細胞、朗格漢斯細胞和脂肪細胞中有所表達。因此，S100β並不是TBI的特異標誌物，如非顱腦損傷的患者（腹部臟器的缺血/再灌注損傷、心肌缺血、骨折、肌肉損傷等），其血清S100β的含量同樣增加 。S100β在腦損傷6 h後逐漸升高，半衰期為30~60 min。S100β含量與TBI損傷程度呈正相關，具有較強的診斷價值。
有研究表明，重度TBI患者，血漿S100β含量＞1.13 mg/L時，患者的病死率（敏感性100%，特異性41%）及不良預後（敏感性88%，特異性43%）將明顯增加 。因為S100β不能通過完整的血腦屏障，所以可以作為血腦屏障破壞的一種標誌物。有研究報道，血清的S100β濃度與顱內高壓具有明顯的相關性，當顱內壓＜25 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）時，其血清中的S100β水平較低 。在預測顱內高壓方面，S100β比神經元特異性烯醇化酶（neuron-specific enolase, NSE）更準確，尤其是在損傷後的早期階段。在一項研究中，對神經科ICU的417例患者進行回顧性分析，發現S100β相比於NSE能更準確地預測TBI患者的預後轉歸，具有較高的臨床應用價值 。
1.2 膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）
GFAP是在星狀膠質細胞骨架中發現的一種纖維絲蛋白的中間單體。目前只在中樞神經系統中發現了GFAP，因此作為膠質細胞損傷的潛在生物標誌物得到了廣泛的關注。TBI患者在傷後1 h即可檢測到血清中的GFAP，1 d左右達到峰值，在7 d之內逐漸降低。臨床研究發現非顱腦損傷的患者，血清含量極低，平均為0.7 ng/L，TBI患者在傷後1 d的血清GFAP水平可升高至6.77 ng/L，約增加10倍 。有研究顯示，局灶性損傷的患者較瀰漫性損傷的患者其血清中GFAP含量高，這說明，GFAP在診斷局灶性腦損傷（如挫傷和顱內出血）方面可能更加敏感和準確。而在預測顱內高壓方面，目前還沒有足夠的數據支持 。對於多種類型的腦損傷，包括神經退行性疾病和打擊傷，GFAP可能是一種有效的生物標誌物 。
2 軸索及神經元損傷
2.1 NSE
NSE是糖酵解酶5種同工酶之一，主要存在於神經細胞的胞質中，參與緩慢的軸漿運輸。然而，NSE在神經內分泌細胞、少突膠質細胞、血小板和紅細胞中也有表達 。在心肺轉流術、休克、創傷、缺血/再灌注損傷及溶血等病理情況下，血清中的NSE水平也相應增加 ，所以單獨觀察血漿中NSE含量的增加並不能說明腦損傷的存在。當軸突損傷時，機體為了維持穩態會使NSE水平上調，從而可以在損傷軸突周圍的細胞質中檢測到NSE。NSE的血漿半衰期大約為24 h，在腦損傷後6 h左右就能檢測到。正常血清NSE的濃度＜12.5 mg/L，在發生TBI後NSE水平增加。當血清NSE的濃度＞21.7 mg/L時，NSE是死亡（敏感性為85%）和不良預後（敏感性為80%）的敏感指標 。當發生瀰漫性軸索損傷時，血清NSE濃度的增加與不良預後呈正相關。由於NSE具有較高的特異性和敏感性，因此可以作為長期預後的生物標誌物 。
2.2 髓磷脂鹼性蛋白（myelin basic protein, MBP）
MBP是組成髓磷脂（約佔30%）的主要結構蛋白，由4種亞型（21.5×103、18.5×103、17×103、14×103）組成。正常血漿含量＜0.3 mg/L，當脊髓白質損傷時，MBP釋放入血及腦脊液中。在大鼠腦創傷後2 h損傷側皮質完整的MBP含量明顯降低，48 h達到最低點（減少了75%），在隨後的3~7 d逐漸回升至基礎值 。MBP氨基末端降解產物（8×103和10×103）在損傷後2 h開始增加，1~2 d內達到峰值，由於小膠質細胞和巨噬細胞的清除作用，因此在6~7 d左右降低至基礎值 。在一項小兒顱腦損傷的研究中發現，血漿MBP水平的升高與不良預後具有相關性，然而這項研究也發現小兒在發生缺血/缺氧性腦病時，MBP含量並沒有增加 。目前仍缺乏MBP可作為診斷局灶性和瀰漫性腦損傷及顱內壓變化的研究證據。
2.3 細胞骨架蛋白神經絲（neurofilaments, NFs）
NFs是神經元軸突和樹突特異的中間絲狀體蛋白，是由3種不同相對分子質量（68×103、150×103、190×103~210×103）的亞單位組裝成的多聚體。NFs的亞基存在於體液中並參與軸漿運輸，所以能夠在互通的軸突內積聚。在嚙齒類動物TBI模型中，早期腦損傷（傷後6 h）即可檢測出血液中的NFs，傷後24~48 h達到高峰，高峰水平與皮質的損傷面積相關。此外，NFs含量的增加與許多中樞神經系統疾病相關（如阿爾茨海默病、多發性硬化和肌萎縮性側索硬化等） 。有研究表明NFs在鑒別局灶性和瀰漫性損傷方面有積極作用。然而，其臨界值尚不清楚。目前缺少相關的研究證明NFs水平與顱內壓之間的關係。
2.4 C-Tau
Tau是一種相對分子質量為48×103~67×103的細胞內微管結合蛋白，主要聚集在軸突內，並參與順行性的軸漿運輸。過度磷酸化的Tau形成的纖維雜聚物稱為神經纖維纏結，這些「Tau纏結」是軸索損傷的病理性標誌。軸索損傷後，激活的鈣蛋白酶使核周體和神經突的微管解聚，MAP-Tau被蛋白酶-1和蛋白酶-3裂解成相對分子質量為17×103和50×103的多肽，這些多肽被稱為C-Tau 。C-Tau是一種理想的生化標誌物，具有相對分子質量低、器官特異性高和溶解性強的特點。在臨床重度TBI患者的研究中，腦脊液中的C-Tau是軸突損傷高度敏感的指標。在發生瀰漫性軸索損傷後1 h，其含量增加500~1 000倍，傷後24 h增至4 000倍，並在3 d之內逐漸降低。
由於生物標誌物的清除率和半衰期影響血漿的終含量，所以血漿中C-Tau含量僅是腦脊液中含量的1/10。因此，瀰漫性軸索損傷患者血清中的C-Tau是更為敏感的生物標誌物 。有研究表明在腦損傷後的10 h內，血清中的C-Tau水平與腦CT顯示的顱腦損傷嚴重程度相關 。因為C-Tau蛋白只聚集在神經軸突內，所以臨床根據檢測血清C-Tau含量作為CT診斷的篩查仍然受限，其敏感性只有53%。此外，Zemlan等 研究表明腦脊液中的C-Tau含量能夠預測顱內壓的升高，顱內壓正常（＜30 mmHg）的患者較顱內壓增高（＞30 mmHg）的患者其血清C-Tau含量低。
3 樹突損傷
微管結合蛋白2（microtubule-associated protein 2, MAP2）是一種磷蛋白，可以調節微管的穩定和聚合，對神經元軸突和樹突的發生、延長、穩定和突觸可塑性具有重要作用。在正常腦組織中，MAP2主要存在於神經元的胞體、樹突和樹突棘，是腦組織中含量最豐富的蛋白質之一。普遍認為MAP2是樹突特異蛋白，因此將其作為樹突損傷的潛在生物標誌物。Mondello等 研究發現16例重度TBI患者的血清中MAP2的含量明顯升高，且與患者格拉斯哥昏迷評分及損傷後6個月的認知功能評分密切相關。
4 蛋白分解產物
4.1 泛素C端水解酶L1（ubiquitin c-terminal hydrolase-L1, UCHL1）
UCHL1也稱為神經特異性蛋白基因產物，在神經元胞體中廣泛分布。血漿中的UCHL1在傷後幾小時即可出現，但其消退的也快，高峰時間大約在傷後8 h左右。Mondello等 的臨床研究表明，血清和腦脊液中UCHL1的水平對於診斷TBI嚴重程度和生存預後具有潛在的臨床實用性。此外，有研究表明瀰漫性腦損傷患者血清UCHL1的含量增多，而GFAP在局灶性腦損傷患者的表達增多，因此將UCHL1和GFAP結合則更有利於局灶性和瀰漫性TBI的急性鑒別診斷 。
4.2 α-Ⅱ血影蛋白分解產物（α-Ⅱ spectrin breakdown product, SBDP）
α-Ⅱ血影蛋白是一種廣泛存在於軸突和神經元突觸前末端的細胞骨架蛋白 。當細胞受損和壞死時，血影蛋白分解成SBDP，鈣蛋白酶將其裂解為相對分子質量150×103和145×103兩種產物，而半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3將其裂解為相對分子質量150×103和120×103兩種產物。然而，αⅡ血影蛋白並不僅存在於腦組織，同時也在淋巴細胞和造血細胞凋亡過程中表達 。有研究發現腦脊液中的SBDP與顱內高壓相關，尤其是SDBP150，在鑒別急性期的局灶性和瀰漫性TBI方面可能有很大作用 。
5 新興TBI標誌物
5.1 微RNA（microRNA, miRNA）
miRNA是一種非編碼的小分子RNA，能夠調節轉錄後的基因表達。在TBI大鼠的腦皮質和海馬區發現明顯升高的miR-93、miR-191、miR-499，然而並沒有在TBI患者的血清中發現這些miRNA 。Redell等 比較了重度TBI患者（格拉斯哥昏迷評分≤8分）與正常人血漿中miRNA的表達，發現TBI後25~48 h，miR-16和miR-92a水平降低而miR-765水平升高，這對鑒別損傷類型和顱內壓增高很有幫助。
5.2 脂肪酸結合蛋白（fatty acid blinding proteins, FABPs）
FABPs在許多組織中都有表達，但除外腦型脂肪酸結合蛋白（brain fatty acid binding proteins, B-FABPs），其在腦組織的表達具有特異性。Pelsers等 在一項臨床中發現約68%的輕度腦損傷患者血清中能夠檢測到B-FABPs的表達，而在健康志願者血清中則無法檢測到。雖然FABPs的敏感性不高，但是在鑒別輕度腦損傷方面較S100β和NSE更為準確。
5.3 血漿銅藍蛋白
血漿銅藍蛋白是一種氧化還原酶，在血液中以銅結合蛋白的形式存在，對銅和鐵的代謝發揮著重要作用。作為一種急性期蛋白，當機體發生損傷和感染時，血漿銅藍蛋白的含量增加，通過其抗氧化性能發揮保護作用。目前研究認為，血漿銅藍蛋白對預測TBI患者顱內壓增高可能有意義 。
5.4 C反應蛋白（C-reactive protein, CRP）
CRP是一種敏感但缺乏特異性的生物標誌物，各類炎症反應均可促使其表達增高（如感染、腫瘤、手術、燒傷、組織梗死、癌症晚期以及慢性炎症等）。之前CRP被認為是TBI繼發性損傷的生物標誌物。研究認為TBI後CRP的水平升高與進行性的心理及認知功能障礙具有相關性 。
5.5 基質金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinase-2, MMP-2）
MMP-2是鋅結合蛋白家族的成員之一，主要參與細胞外的基質重塑。在腦組織中MMP-2和MMP-9的含量最為豐富，是由浸潤的炎症細胞、神經細胞、內皮細胞產生和分泌。金屬蛋白酶的超活化與損傷所致的細胞壞死及凋亡相關。有研究表明MMP-2水平在大鼠腦損傷之後的1、3、5 d均有明顯的升高 。
6 問題與展望
雖然生物標誌物對於TBI具有一定的診斷價值，但是許多標誌物缺乏相應的特異性。因此，目前傾向於聯合使用多個生物標誌物綜合評估TBI。如S100β不具備神經系統特異性，而GFAP被認為是TBI原發性腦損傷的標誌物，將GFAP與S100β結合起來對於預測TBI的預後轉歸具有良好的價值。而將SBDP與UCHL1聯合檢測有助於提高對腦損傷程度及預後評估的準確性。此外，由於每種生物標誌物獨特的生物動力學特徵，對鑒定損傷類型和顱內壓變化也發揮著不同的作用（如NF、S100β、GFAP、UCHL1在鑒別局灶性和瀰漫性腦損傷方面具有潛在價值，而C-Tau、NSE、GFAP、SBDPs可能反映顱內壓的變化）。還有一些新興的TBI標誌物，如miRNA、FABPs、血漿銅藍蛋白、CRP和MMP-2等仍需要進一步研究。隨著檢測技術的不斷發展，將會有更多的生物標誌物被檢測到。但是在多發傷的情況下，單一的生物標誌物對診斷或者評估預後缺乏相應的說服力。所以，將多種生物標誌物與臨床數據（如格拉斯哥評分和頭部CT）結合起來則更能提高診斷的準確性，從而為臨床治療及預後提供新的思路和方法。
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