颅脑损伤后神经代谢多模型成像

李瑞力 杨明飞

(胜利油田中心医院，山东 东营 257000)

颅脑损伤(TBI)是引起人类残疾和死亡的主要原因。TBI的远期影响包括神经脆弱性及神经系统疾病的增加。此外，阿尔茨海默病(AD)风险在不同程度的TBI患者中上升至2.3～4.5倍。越来越多的试验注重用影像学技术研究TBI〔1〕。随着代谢化合物在神经影像学中的发展，用无创或微创技术研究TBI后脑功能成像成为现实，如磁共振成像(MRI)、功能MRI(fMRI)、磁共振波谱(MRS)、弥散加权成像(DWI)、弥散张量成像(DTI)、单光子发射计算机断层成像术(SPECT)、正电子放射断层摄像术(PET)。这些影像技术的联合使用，显著促进了TBI后神经化学及神经生理学的发展〔2〕。但目前仍主要应用于动物实验，研究技术及确切发展机制仍有待进一步提高。本文描述TBI如何影响重要神经化学物质代谢，并总结已证实可用于监测创伤后代谢变化的新方法。

1 缺氧及氧化应激

缺氧和氧化应激作用是TBI后细胞损伤的两种主要驱动因素。由于无法将氧气供给神经元及神经胶质细胞，导致大量生化级联反应启动，并引起继发性损伤。因此，绘制大脑中氧利用度为重要的神经影像目标。一项评测摄氧分数的PET成像方法，将放射性臭氧分子(15O-O2)静脉注射入动物模型，以获取氧利用度〔3〕。17O2MRI成像已在人类试验中进行〔4〕，应用于临床的非侵入性操作仍为主要的发展目标。

TBI后ATP代谢能力对能量产生与消耗的研究有重大意义。磷(P)在氧化磷酸化作用中是必需的，且MRI技术可识别ATP产生异常的脑区域。31P是磷元素的稳定同位素，有关MRS研究表明31P的浓度和空间分布图可反映脑组织ATP水平的变化〔5〕。31P也可用于MRI，但受限于脑组织中相对较低的P浓度，高磁场MRI扫描或许可使31P的应用更普遍。TBI后血肿内的铁元素(Fe)，可通过增加自由基使抗坏血酸进一步加重氧化应激作用。抗坏血酸可通过放射性碳(C)元素监测，特别是13C可用于氧化还原状态变化的研究〔6〕。

TBI后，脑血流量(CBF)降低引起供血区域线粒体损伤，导致神经元由有氧代谢转变无氧代谢状态，并引起活性氧簇(ROS)增加〔7〕。ROS可引起多种代谢途径障碍，如脂质过氧化作用导致的级联反应可破坏细胞膜的完整性。细胞膜的损伤导致花生四烯酸(AA)进入胞质，通过脂氧合酶氧化作用形成白三烯(LT)A4，进一步激活LT受体。LT及其他ROS影响可通过3H放射性同位素〔一种含有3H(氚)的放射性追踪剂〕监测，并可用3H追踪剂反映ROS水平〔8〕。

伤后脑内pH继发性下降导致酸中毒及Fe2+从血红蛋白中分解〔9〕，Fe2+通过分解过氧化氢(H2O2)形成正铁血红蛋白。自由Fe2+浓度的波动可以通过MRI弛豫现象的变化监测。TBI后正铁血红蛋白进一步转化为高铁血红素，而高浓度的高铁血红素对各种细胞均有毒性作用。氧化应激作用可导致脱氧核糖核酸(DNA)部分破坏，同时过高的离子浓度可直接破坏DNA完整性及生物活性。TBI后血肿压迫周围血管，加重脑组织缺血并导致梗死或脑疝形成。通过Fe的磁性特征，可利用梯度回波(GRE)T2加强权及磁敏感加权成像(SWI)排除脑内出血〔10〕。出血部位的血流量可通过磁共振血管造影(MRA)成像，显著提高TBI后监测损伤进展的能力。

2 代谢产物

TBI后主要代谢产物是研究神经代谢成像的基础。通常使用水抑制1H MRS评测N-乙酰天门冬氨酸(NAA)在中枢神经系统(CNS)的水平。NAA与肌酸(Cre)比值的动态变化可作为神经元完整性的标志。TBI后24 h内NAA/Cre下降，且伤后4 h内更为显著〔11〕。NAA水平下降在伤后10 min内即可通过MRS监测，且仅部分可恢复正常。由于NAA及相关代谢产物与神经元完整性破坏及神经递质水平变化密切相关，因此，了解NAA水平影响神经调节机制的过程非常重要。TBI初始研究中，这些化合物可作为神经代谢障碍的生物标志物。重要的是，NAA是合成乙酰辅酶A的必要载体，也为合成髓鞘必需的。脱髓鞘和髓鞘密度降低可采用T1和T2加权(注射含钆的造影剂后)或大分子质子分数成像(PFI)，并通过大分子质子非共振频率的饱度来推断信号强度〔12〕。NAA为乙酰胆碱(Ach)的前体，可调节Ach水平，因此NAA水平的下降往往伴随Ach减少。123I放射性同位素具有逐渐衰减的特性，使得该元素大脑的空间分布可以通过123I-5-IA SPECT技术量化〔13〕。

TBI后，转为磷酸戊糖途径(PPP)代谢产生的乳酸(Lac)比正常脑组织更多。PPP代谢具有神经保护特性，可产生用于细胞修复的生物因子以防止氧化应激作用〔14〕。PPP途径首先产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)，并参与脂质和类固醇的生物合成。NADPH也参与还原型谷胱甘肽(GSH)及硫氧还蛋白(Trx)的形成。GSH及Trx有助于清除过氧化物，从而减少氧化应激作用〔15〕。Trx另一保护性作用为参与核糖核苷酸转换为脱氧核糖核苷酸，有助于外伤后平衡DNA凋亡因子产生。MRS尤其适用于检测神经代谢水平〔NAA、胆碱(Cho)、肌酸(Cr)、乳酸(Lac)〕和神经递质〔谷氨酸(Glu)、γ-氨基丁酸(GABA)〕的变化。TBI后，Cho水平的增加，导致NAA/Cho的比值降低，而Cho/Cre比值由于细胞膜的破坏而增加。由于神经元的完整性破坏，NAA水平下降，为代偿邻近神经元凋亡而增加能量产生，从而导致NAA/Cre比值降低。

通常大脑对Lac的需求通过体循环的吸收代偿，由于屏障间存在梯度差，Lac很容易跨过血脑屏障(BBB)。但TBI后Lac的摄入还需单羧酸转运蛋白辅助，这些协同转运蛋白利用脑组织与血液间梯度差促进Lac转运。TBI后3 d即可出现Lac摄入增加，且可通过MRS 用13C标记Lac动态观察〔14〕。随着Lac浓度的升高，脑细胞外液中Lac/丙酮酸(Pyr)比值(LPR)随之增加，并与缺氧及线粒体功能障碍有关〔16〕。除Lac之外，Pyr对LPR的作用也可通过MRS用13C标记Pyr动态观察〔17〕。水通道蛋白(AQP)4参与维持水平衡，且在TBI后大量表达，导致脑水肿和脑积水〔18〕。AQP4产生的影响可用AQP4配体用11C类似物标记并进行PET成像〔19〕。

轴突的机械拉伸和压缩可导致神经元的变性或破坏，称为弥漫性或外伤性轴索伤(TAI)，并可激活微损伤周围的微管解聚机制〔20〕。这种现象引起受损区域的轴突运输功能降低〔21〕，导致神经代谢产物堆积并沿轴突肿胀。有研究表明，轴索损伤与线粒体肿胀、囊泡运输中断及细胞结构裂解有关联性〔22〕。由于TAI相关变化可影响水分子沿轴突路径扩散的范围和方向，而DTI可评价部分异向性(FA，表示水分子在某方向优先扩散的程度)，因此可监测TAI的相关影响。

3 细胞凋亡

细胞凋亡与存活很大程度上受激素影响，特别是雌激素和睾酮。雌激素对大脑发育包括神经元形态、凋亡及突触建立具有重要作用，研究已证实雌二醇可阻止细胞凋亡及降低BBB的通透性〔23〕。TBI可影响性激素水平，伤后24 h内男性睾酮水平及女性雌激水平素显著下降。

TBI后神经元凋亡最主要原因为原发性损伤导致的受损区域供血不足。雌激素通过增加受损区域血管通透性和一氧化氮(NO)浓度，改善受损区血供。有关TBI后FDG-PET及DTI在雌激素保护作用中的研究，发现提高雌激素水平可提高神经元活性并降低水肿程度〔24〕。雌激素作用于损伤脑组织的关键机制是：(1)雌二醇与雌激素受体结合；(2)磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)活化；(3)内源性NO合酶(eNOS)激活L-精氨酸转化为瓜氨酸。此外，雌二醇与G蛋白耦联雌激素受体结合后激活转录因子(例如cAMP)，并导致eNOS进一步表达〔25〕。雌激素的作用可通过DTI可视化，并改善TBI受损区微循环及水分子运输〔24〕。雌激素水平的变化也与β-连环蛋白-TBI后形成的一种细胞黏附因子有关。通过清除β-连环蛋白并激活神经元存活途径，诱导Wnt信号通路产生，以增加雌激素对糖原合成酶激酶(GSK)-3β的抑制作用。随后β-连环蛋白向细胞核转移，促进存活因子表达〔26〕及Glu代谢。因GSK-3β减少产生的影响可通过FDG-PET研究〔27〕。TBI后睾酮水平的代谢变化与雌激素相似。大脑中的睾酮由胆固醇转化产生，通过芳香酶介导胆固醇转移至线粒体生成类固醇急性调节蛋白(StAR)，并进一步转化为雌二醇。伤后24 h内男性睾酮水平显著下降，且在6 h内更明显，3～6个月后才逐渐恢复至伤前水平，说明抗凋亡为漫长过程。18-kDa转运蛋白(TSPO)也参与此过程，可通过特定PET配体在TBI患者及动物模型中可视化〔28〕。TSPO和StAR参与类固醇合成的稳态调节，而TSPO在小胶质细胞和星形胶质细胞表达的增强，反映了细胞中的炎性激活作用。

综上，TBI后最初几小时为损伤演变的关键，该时间窗内由于潜在不稳定条件及获取影像时运动尾影的存在，仍具有挑战性。由于与人类大脑结构、免疫应答及代谢机制的差异，动物模型仅可部分解释脑外伤后神经代谢演变机制。随着高磁场MRI的广泛应用，涉及创伤后代谢变化的Ca、Mg、C、P等元素的MRI成像显著改善，意味着未来更精密的神经功能成像成为可能。理解重要神经化合物水平及神经代谢成像，对TBI后代谢机制变化并早期应用于临床有深远影响。