轻度创伤性脑损伤脑脊液及血液生物标记物研究进展

黄雯，李上勋，李学建，徐宏云

（1.武汉市公安局武昌区公安分局，湖北武汉 430060；2.湖北省公安厅，湖北武汉 430070）

轻度创伤性脑损伤脑脊液及血液生物标记物研究进展

黄雯1，李上勋2，李学建1，徐宏云2

（1.武汉市公安局武昌区公安分局，湖北武汉 430060；2.湖北省公安厅，湖北武汉 430070）

轻度创伤性脑损伤（mild traumatic brain injury，MTBI）被认为是轻度脑损伤导致的短暂意识丧失和精神改变，但有时也会导致持久性、进行性的临床症状。MTBI可引起神经系统结构损伤及相应的体液生物标记物改变，但有关其严重程度及个体易感性与意识障碍持续时间的关联程度研究不足，同时，一次打击后脑损伤程度也缺乏可靠的评估方法。本文综述了与TBI有关的脑脊液及血液生物标记物，探讨这些标记物在MTBI诊断中的应用现状及研究前景，为法医学及临床医学中脑损伤的诊断及评估提供参考依据。

法医病理学；脑损伤；综述[文献类型]；脑脊液；生物学标记

轻度创伤性脑损伤（mild traumatic brain injury，MTBI）通常指程度较轻的创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI），被定义为以下情形之一：丧失意识不超过30min，精神状态改变（如眩晕、定向障碍等）达24 h，伤后短暂记忆丧失[1]，临床上常仅表现为头晕、恶心等非特异性症状。MTBI可引起神经元、胶质细胞和轴索等结构损伤[2]，而多次MTBI常导致继发性神经病理改变和持续性临床症状[3]。脑脊液和血液的某些生物标记物往往在TBI出现明显病理改变之前即可出现，可为神经损伤与疾病提供诊断信息[1]。本文介绍TBI主要的脑脊液和血液生物标记物，拟为寻找MTBI诊断生物标记物及神经科学诊断研究提供方向。

1 MTBI病理生理学

MTBI临床上多表现为快速短暂的神经功能障碍，约15%发展为持续性认知障碍[4]。按损伤机制可分为撞击和惯性负荷，后者可引起弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury，DAI）[5]。MTBI临床症状多于伤后1～2周消失，过去认为其代谢、轴索病变也随之消失，但磁共振波谱、电生理及神经生理研究发现，某些指标在伤后30～45 d才恢复正常[6]，而神经病理学研究发现轴突病变可能会在MTBI之后持续数年[7]。

损伤瞬间轴膜牵拉可引起钾离子（K+）外流和钠离子（Na+）内流，导致轴突内钙离子（Ca2+）浓度增加，Ca2+激活钙蛋白酶（calpain），触发钙蛋白酶介导的细胞骨架蛋白水解，导致不可逆转的轴突损伤[5]；刺激谷氨酸释放，激活谷氨酸介导的N-甲基-D-天冬氨酸受体，引起神经元去极化[8]。为维持离子稳态，多种离

子泵激活而导致能量耗竭，Ca2+进入线粒体，引起氧化磷酸化障碍产生乳酸而导致酸中毒和水肿。轴索超微结构研究[5]表明，受伤瞬间微管发生机械性渗漏和变形可以引发渐进性微管解体。这些病理学过程最终导致轴突运输中断及蛋白聚集形成轴索收缩球、膨体，甚至继发轴索断裂，即轴索的第二次切割[7]。

单次或多次重复MTBI引起的慢性神经功能障碍被称为慢性创伤性脑病，多见于职业拳击手，主要表现为认知、情感、人格、行为障碍等[3]。慢性创伤性脑病可致阿尔茨海默病，典型病理征：高度磷酸化的tau蛋白形成神经纤维缠结、β淀粉样蛋白斑块即Aβ斑，进行性的轴突病变被认为是MTBI后Aβ斑形成的病理基础[9]。

2 脑脊液生物标记物

脑脊液与脑细胞外基质接触，其组分变化可敏感地反映脑内代谢及生化改变，因此脑脊液被认为是脑损伤生物标记物的理想来源。脑损伤脑脊液生物标记物，主要针对血脑屏障损伤、神经炎症以及轴索、神经元和星形胶质细胞损伤等[1]。

2.1 血脑屏障损伤

血脑屏障主要功能为维持中枢神经系统微环境稳态，白蛋白与球蛋白是衡量血脑屏障功能的核心生物标记物[1]，脑脊液中大多数白蛋白来源于血液渗透，白蛋白与球蛋白比值升高常标志着血脑屏障结构性损伤，可见于重度TBI、感染、炎症、脑瘤及脑血管疾病等[10]，但MTBI未发现明显升高[1]，证实MTBI通常无明显血脑屏障结构性损伤。

2.2 神经炎症

TBI常伴有急性神经炎性反应，可导致脑脊液内白介素6（interleukin 6，IL6）、IL8和IL10等炎性介质升高，且上升幅度与血脑屏障完整性及TBI预后有关[11]。血脑屏障损伤后血浆炎性介质也可以渗入脑脊液，因此应用炎性介质评估神经炎症需要慎重。另外，这些研究使用的是脑室脑脊液，其成分与腰穿脑脊液有所不同，由于MTBI多使用腰穿脑脊液，因此这些研究结果能否用于MTBI仍有待进一步研究[1]。

2.3 轴索损伤

2.3.1 tau蛋白和神经丝轻链

脑脊液总tau蛋白和神经丝轻链（neurofilament light chain，NF-L）被认为是DAI最理想的生物标记物，其分布因部位而异，tau蛋白在中间神经元内细小的无髓轴突中高表达，而NF-L在大口径、有髓的投射纤维中最为丰富[1]。

重度TBI患者脑室脑脊液总tau蛋白水平高于对照组腰穿的脑脊液，与损伤程度及临床预后有关，且脑室脑脊液与腰穿脑脊液tau蛋白差异无统计学意义[12]。轴索损伤后tau蛋白可被calpain-1和caspase-3裂解为相对分子质量为17000～50000的多肽（C-tau），C-tau是轴索损伤的另一高度敏感指标，重度颅脑损伤后24h内脑脊液中C-tau可上升至40000倍[13]。

神经丝（neurofilament，NF）是轴索的细胞骨架，由NF-L（68000）、NF-M（160 000）及NF-H（200 000）3条多肽构成。轴索受损后，NF-L最早发生降解，磷酸化NF-L在伤后30min至6h内降低，因而NF-L也是轴索损伤最为敏感及特异性的标记物之一[14]。重度TBI患者脑脊液已证实有高度磷酸化NF-H，而在MTBI患者腰穿脑脊液有高水平NF-L，脑脊液中NFL水平被认为是最灵敏的轴突损伤体液生物标记物[15]。NF-L升高的程度大于总tau蛋白，这表明在MTBI白质内长的有髓轴突损伤重于皮质内短的无髓轴突[15]。

2.3.2 淀粉样前体蛋白

轴索损伤后淀粉样前体蛋白（amyloid protein precursor，APP）在神经元和轴突中累积，TBI动物研究发现，APP在伤后2～3h即可迅速聚集，在MTBI患者也可以出现升高[16]。TBI患者轴突可发生急性Aβ聚集，尤其是Aβ42亚型，继而释放到周围脑组织中而形成Aβ斑，此与阿尔茨海默病的发生发展有关[17]。

重度TBI患者脑室脑脊液Aβ40和Aβ42伤后1周即可出现明显升高，可溶的APP亚型α和β也发现有相似的结果[18]。MTBI患者腰穿脑脊液未发现Aβ40、Aβ42发生明显改变[15]，这些结果提示，MTBI腰穿脑脊液Aβ反映脑损伤不如NF-L和总tau蛋白灵敏。TBI死者脑脊液中Aβ1～42水平增高，而β-APP上升幅度相对较小，血浆Aβ1～42水平变化不明显，推测脑脊液中β-APP裂解产物的出现预示着轴索损伤[18]，但有待进一步研究。

2.4 神经元损伤

γ-烯醇化酶，又称神经元特异性烯醇化酶（neuron specific enolase，NSE），是一种糖酵解酶，富含于神经元胞体。有研究[19]发现，TBI患者血清和脑脊液的NSE升高，并被认为是神经元损伤的重要指征，脑脊液的NSE水平与TBI损伤程度和死亡率有关。但是体外红细胞裂解也能提高NSE水平，因此使用NSE作为神经元损伤的生物标记物时需格外注意溶血的影响[20]。

2.5 星形胶质细胞损伤

S100为钙结合蛋白家族，其主要功能为调节Ca2+水平，主要有S100A1（由两个α亚基组成）、S100B（由两个β亚基组成）及S100 αβ异源二聚体等。S100B最早被认为特定存在于星形胶质细胞，但后来在少

突胶质细胞、软骨细胞和脂肪细胞等也被发现。MTBI患者腰穿脑脊液中S100B的水平轻微升高[19]。DAI动物模型，伤后7.5 h脑脊液的S100B达峰值；重度TBI患者脑脊液中S100B峰值时间为6 h[14]，S100B＞2000ng/mL被认为是重度TBI死亡的生化标志[21]。

胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）在星形神经胶质中特异性表达，也表现为相似研究结果[15]。

3 血液生物标记物

一些在中枢神经系统内高表达的蛋白可在外周血中检测到，但由于分布广、血浓度非常低，新技术的发展使这些标记物的检测成为可能。然而，血脑屏障可能会降低血中生物标记物反映TBI的敏感性，一些生物标记物在血液会发生蛋白水解作用或者经肝、肾消除，受生物标记物与转运蛋白结合的影响，因此，建立MTBI生物标记物血浓度体系仍任重道远。

3.1 星形胶质细胞损伤

S100B和GFAP作为星形胶质细胞的外周血标记物被广泛关注。研究[22]认为，TBI患者血清S100B和GFAP增加，且与GCS评分、神经影像学结果有关。一些研究注意到，TBI患者血清中S100B水平增加可能源于外周组织损伤如骨折、骨骼肌损伤、血脑屏障功能障碍等[23]。由于无外周表达，GFAP可能比S100B更为理想，MTBI患者血清中GFAP可出现轻度升高[1]。

3.2 轴索和神经元损伤

其他的外周血TBI生物标记物主要有神经元烯醇化酶（neuron specific enolase，NSE）、髓鞘碱性蛋白（myelin basic protein，MBP）和高磷酸化NF-H等。外周血红细胞裂解可导致血NSE水平增高是限制其应用的重要原因，MBP可能是一个比NSE更特异的TBI标记物，其特异性分别为96%、64%，但是灵敏度不够理想（MBP灵敏度为44%，NSE为71%）[24]。在重度TBI患者，血清NF-H水平在伤后6d内持续升高，但S100B的水平增加得更为迅速，这可能与其释放差异有关[25]。数字化免疫技术使得测定血清tau蛋白成为可能，其检测限可低至0.02 pg/mL，心肺复苏的患者多为10～400pg/mL，而且该蛋白的变化与其预后有关[26]。tau蛋白血清浓度有两个峰值：一是在复苏后的最初24 h，另一则是在24～48 h之后，最后因TBI死亡的患者中，第二个峰值较高[25]。

4 新型体液生物标记物

αⅡ血影蛋白，主要存在于神经元，在轴突和突触末梢丰富表达，是calpain-1、calpain-2和caspase-3主要的作用底物。轴索损伤后，α-Ⅱ血影蛋白被calpain和caspase分别分解成相对分子质量为150000和145000、120 000和150 000的血影蛋白裂解产物（spectrin breakdown products，SBDP），被广泛用于大鼠和人类脑损伤的研究[27-28]。研究发现，TBI患者脑脊液中SBDP-150和SBDP-145于伤后6 h达峰值，并分别持续升高至伤后24 h和72 h[28]；大鼠TBI后脑脊液中SBDP水平2h达峰值[29]，脑脊液中SBDP水平与损伤程度、部位等具有相关性[14]。

泛素羧基末端水解酶L1（ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase L1，UCH-L1）是一种去泛素化酶，在神经元内高表达，研究[30]发现，联合检测UCH-L1和SBDP有助于提高对脑损伤程度及预后评估的准确度，但血UCH-L1水平可因血脑屏障完整性受损而增加。

另外，已有研究发现MTBI军人的外周血液单核细胞非编码小RNA的表达发生改变，其中三种小RNA与MTBI相关，但仍需要进一步证实[31]。

5 展望

本文系统介绍了TBI常用的脑脊液及血液生物标记物，这些生物标记物有各自的时空规律特征，有助于TBI的诊断、治疗及预后评估，其中部分生物标记物可用于MTBI的发现与诊断，但是目前针对MTBI的体液生物标记物研究仍较为有限，且由于定量方法敏感性的不足，在一定程度上限制了其在动物TBI模型中的应用。在法医学，针对死后脑脊液及血液的TBI生物标记物的研究较为匮乏，其中血液受死后自溶等因素的影响，其化学结果应用价值备受争议，而脑脊液由于受污染及自溶的影响较小，将为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）

（本文编辑：刘宁国）

黄雯（1984—），女，主检法医师，主要从事法医现场勘查及脑损伤研究；E-mail：huangwen124@sohu.com