弥漫性轴索损伤病理改变及病理生理机制的研究进展

张有友，刘 良，任 亮

弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury，DAI)是闭合性颅脑损伤中最常见的损伤形式之一，常见于急性或重复性创伤性颅脑外伤[1-3]。DAI会造成可逆性或不可逆性的脑神经纤维损伤，常合并出现损伤后昏迷；主要损伤部位常见于脑干、胼胝体、脑皮质及白质交界处。DAI的病理诊断标准为脑实质内多发灶性轴索损伤及伤后轴索离断，可导致认知功能、运动功能及感觉功能障碍。DAI因镜下可见轴索结构病变而被归类于器质性疾病，但DAI导致的许多功能性改变被认为不仅与物理因素相关，还与机体代谢、神经电生理、离子通道异常及免疫炎症等因素相关。其病理生理学机制研究发现，DAI主要与各种外力导致颅脑瞬间加速或减速运动有关，但仍受到其他多种因素的影响，故有关其病理生理机制研究结论尚未达成明确共识。现将DAI的定义演变、流行病学研究、主要病理改变及病理生理机制研究进展综述如下。

1 DAI相关概念

1.1 DAI的定义 DAI的定义经历了数十年的演变，首次描述是20世纪50年代神经病理学家Strich通过对1例严重脑外伤持续昏迷后死亡病人的脑组织进行病理学观察发现，病人脑组织中脑白质纤维缺失和明显变性，并将其定义为弥漫性白质变性[4]。20世纪60年代，Strich[4]再次通过观察1例脑外伤48 h后死亡病人的脑组织病理改变发现，其脑组织轴索肿胀伴有收缩球形成。这些组织病理学发现为后续临床观察和基础实验研究的不断深入奠定了基础；与此同时，Adams等[5]于1982年正式确立了DAI的定义，定义为突发的外力作用于头部，各脑组织间因密度不同而发生相对移位，因其产生的剪应力造成神经轴索损伤。目前，随着对DAI这一最为严重的颅脑外伤[6]研究的不断深入，国际上采用的DAI定义为头部受到暴力作用后发生的脑白质广泛性轴索损伤，是一种头部加速运动引起的深部脑组织出现剪切力和牵拉作用引起的应变性损伤。其中，加速度损伤包括直接加速度损伤、角加速度损伤、离心力损伤及旋转力损伤[1-2]。

1.2 DAI严重程度分级 有关DAI的严重程度分级，目前学术界有不同的分级标准，主要是基于组织病理改变、损伤后伤情严重程度这两大类制定的分级标准；同时也有学者提出了其他尚未统一的学术观点。

1.2.1 基于DAI组织病理改变的严重程度分级标准 1982年，Adams等[5]正式确立DAI的定义，同时根据组织病理改变的严重程度进行分级，并一直沿用至今。具体分级标准详见表1。

表1 基于组织病理改变的DAI分级标准

1.2.2 基于DAI后伤情严重程度的分级标准 DAI根据其损伤后伤情的严重程度可分为轻度、中度、重度3大类型[1，7]。其中均可出现外伤后昏迷，伴或不伴去大脑强直/去皮质强直，且在昏迷阶段无法进行鉴别。主要鉴别要点详见表2。

表2 基于损伤后伤情严重程度分级及鉴别要点

1.2.3 其他 目前随着对DAI研究的不断深入，有关DAI与原发性脑干损伤和脑震荡的关系在学术界也引起了一定争议。有学者认为原发性脑干损伤是最重的Ⅲ级DAI，而脑震荡是较轻的一类[3]。

2 DAI流行病学研究

DAI是严重闭合性颅脑损伤的一种特殊类型[6]，突出的临床特点是伤后原发性昏迷，严重者表现为去脑强直或去皮层强直，意识恢复较慢。目前有关其发病率的报道尚不统一，病变性质多为挫伤、水肿及出血，主要出现在大脑中轴的胼胝体、脑干等部位，DAI多见于交通意外、高处坠落伤等，是颅脑外伤后造成残疾、植物状态以及死亡的重要原因，病死率高且预后差[2，8-10]。因此，DAI一直是神经科学及司法鉴定研究领域的热点和重点，现将其发病率、死亡率、病变分布及病因构成总结如下。

2.1 DAI发病率 DAI发病率目前文献报道尚不一致。既往部分研究考虑脑震荡为DAI的最轻型，但缺乏相应的流行病学调查数据，加之DAI诊断标准的不同，目前仍基于重症颅脑损伤乃至死亡病理检查诊断为DAI的病人计算其发病率。同时，因儿童与成年人颅骨硬度及其他因素存在一定差异导致DAI发病率也不尽相同，既往多项研究数据显示，DAI在成年人重型颅脑损伤中占29%～43%；在儿童中DAI发病率约为4%[3，8，11]。

2.2 DAI死亡率 DAI的致死率及致残率很高，据报道，几乎所有植物状态生存的脑外伤病人以及约1/3的脑外伤死亡病例均由DAI引起。国内资料显示，DAI的死亡率高达64%[11]。

2.3 DAI病变分布及病因构成 DAI主要为角加速度损伤，因头部角加速度运动时，脑组织易受剪切力作用发生应变，使神经轴索和血管过度牵拉和扭曲损伤。因此，DAI好发于不同密度组织结构之间的神经轴索聚集区域，常见部位分别为胼胝体、脑干、灰白质结合处、小脑、内囊、基底节等部位。在DAI病因构成统计研究方面发现，交通事故损伤位居首位，其次为坠落伤或打击伤[1-3，12]。

3 DAI病理改变

DAI的基本病理病变可见神经轴索节段性肿胀、断裂、轴索浆外溢、收缩球形成等；DAI三联征包括神经轴索的弥漫性损伤(灰白质交界处)、胼胝体及上脑干背侧局灶性损伤[3]。目前认为大量的轴索收缩球形成为诊断DAI的主要组织病理学依据。

3.1 DAI大体病理改变 根据既往尸检脑组织大体标本检查，组织间隙的血管撕裂性出血灶是DAI最常见的病理改变，较为多见的损伤包括：①胼胝体的局灶损伤，在脑冠状切面标本上胼胝体的损伤常位于下方，向一侧偏，呈偏心性，损伤部通常有2～3 mm以内的出血点，前后延续数厘米；②一侧或两侧脑干上部背外侧1/4的局灶性损伤，并常累及小脑上脚或大脑脚。

3.2 DAI显微及超微结构病理改变 DAI显微镜下可观察到主要受累区在海马、穹窿、内囊、脑室旁和小脑脚等部位的轴索损伤后收缩球改变。同时DAI病人存活时间不同也可出现不同的组织病理学改变。①短期，数天存活病人死后可在大脑半球、小脑和脑干的白质等部位通过一般苏木精-伊红(HE)染色及银染即可看到大量的轴索收缩球；②中期，对几天至几周存活病人死后脑组织用甲酚紫染色，可在同一部位发现成簇的小胶质细胞形成；③长期，对数月存活病人，用Marchi制剂染色，在大脑半球、脑干和脊髓长传导束可见到神经纤维的非特异性退行性变，并可发现脑萎缩改变。采用电镜观察DAI超微结构改变发现，轴索肿胀区有细胞器和轴浆积聚等局部顺行轴浆运输发生障碍的病理改变。

4 DAI病理生理机制研究

DAI的病理生理机制尚未明确，根据前期文献及实验研究的总结分析，目前有学者针对其病理生理机制提出几种可能的学说，包括机械应力学说、沃勒变性学说、线粒体损害学说、Ca2+内流学说等。

4.1 机械应力学说 细胞和组织的力学特性及其对机械力的响应与疾病的发生发展有着密切联系。DAI是瞬时外力(剪切力或牵拉力)作用于头部，外伤后产生剪应力，导致神经轴索和脑组织微血管受到过度牵拉、扭曲而损伤。随着人们对 DAI 生物力学机制的深入研究，研究人员通过设计诸多神经元离体损伤模型验证了机械应力学说在DAI发病中可能存在的病理生理学机制。其中，Lucas 采用钟摆样的装置，产生加速度致神经轴索损伤。Kilinc 等[13]采用流体静力进行轴索损伤后通透性观察，该模型应用特制水槽产生流体静力，使细胞承受静水压力后导致轴索损伤的发生。Morrison 等[14]在实验过程中将细胞置于弹性膜培养基，通过牵拉弹性膜培养基间接损伤细胞，建立了二维牵拉离体细胞模型并发现轴索损伤程度与培养基张力存在一定关联；国内董红梅课题组通过改良Ellis 等的神经元牵拉损伤模型，采用真空负压机代替细胞损伤控制器，利用负压引起弹力膜形变，间接对神经元产生牵拉力建立离体神经元轴索损伤模型[15]。此外，部分研究者也采用平行板流室或锥形板流室等对神经元施加流体剪切力，建立DAI细胞模型。总之，细胞力学模型在DAI病理生理机制研究中起到了重要作用，有关其在DAI病理生理过程中的具体机制仍需进一步研究探索。

4.2 沃勒变性学说 颅脑外伤时轴索局部肿胀，其远端与胞体中断联系，轴浆运输中断导致沃勒变性的发生。沃勒变性通常是指远离损伤部位的轴突变性[16]；基于大量实验研究发现，沃勒变性病变发生部位外伤时并未受到急性轴突变性的影响，且损伤后24～72 h仍较好地保持了组织形态的稳定，但随着时间的演变会产生类似急性变性的变化。既往体外实验研究发现，在原代神经元细胞培养过程中沃勒变性的发生速度约为0.4 mm/h，其发生方向也因神经损伤部位不同而存在一定差异，在外周神经横断性损伤中沃勒变性呈顺行性发生，而在外周神经挤压性损伤中沃勒变性却呈逆向发生，由损伤部位的远侧端向损伤部位发生，继而形成轴索收缩球[16-17]。目前，轴索收缩球形成作为继发的病理过程的观点得到广泛认可。

4.3 线粒体损害学说 线粒体的形态学改变包括线粒体峭与膜的肿胀和破裂，这一病理改变与线粒体膜通透性转换孔的开放密切相关[18]。颅脑外伤后过量Ca2+超载可导致线粒体跨膜电位的消失，使线粒体膜通道孔开放，另外钙蛋白酶本身可直接开放线粒体膜通道孔，使得小分子量物质进入导致水的摄入和线粒体肿胀。轴膜损伤部位扩展介导的线粒体渗透转运通道的开放，可导致维持轴膜离子泵所必需的高能磷酸化合物的破坏、氧化磷酸化合物的分解[19]。线粒体的进一步肿胀与死亡也是轴索损伤和裂解的重要标志。

4.4 Ca2+内流学说 颅脑损伤瞬时产生的剪切力和张力可牵拉轴索骨架，造成轴索膜通透性增加，启动Ca2+通道，发生Ca2+超载后可促进凋亡前体物质释放，进一步加重颅脑损伤[20-22]。这一学说得到了大量研究证实，发现DAI后脑组织神经细胞内总钙及游离钙含量均明显上升。国内一项基于原子吸收分光技术检测发现，大鼠脑挫裂伤后脑组织总钙含量损伤后2 h即显著增高，24 h左右达高峰，持续约48 h，这可能与血浆钙进入受伤脑组织有关[23]。在实验性颅脑外伤模型中发现，受伤神经细胞外钙含量在伤后数秒钟降低90%，伤后1周内脑脊液Ca2+浓度呈下降趋势且与颅脑损伤程度呈正相关[24]。总之，前期研究结果认为颅脑外伤后细胞外钙含量降低的主要原因与细胞外钙大量流入神经元内有关；后期随着钙成像技术在DAI中的研究发现，神经元牵拉损伤后轴索内Ca2+浓度在损伤后2h明显增加，24h达到峰值后持续至48 h[25-26]；荧光离子成像法检测大鼠DAI后不同时间段神经元钙离子浓度的实验研究证实DAI存在严重Ca2+超载现象，且Ca2+超载是导致轴索结构变化的重要原因[27]。同时，宋玉成等[28-29]通过建立DAI动物模型在体内实验水平证实钙离子拮抗剂尼莫地平可减轻DAI时轴索及血管损伤；倪柯[30]通过系统评价尼莫地平治疗DAI的有效性和安全性，发现尼莫地平能够改善DAI病人预后，降低病死率。总之，以上研究证实了Ca2+内流在DAI病理生理机制中的重要性，且目前Ca2+内流学说在DAI发病中的核心作用已基本达成共识。

5 小 结

DAI因其较高的发病率、死亡率一直是颅脑外伤临床鉴定研究领域的重点与难点。临床观察及尸检病理发现，DAI病理改变的严重程度与预后存在显著关联，故DAI的早期发现、早期治疗对于改善预后有着十分重要的意义；这一关键科学问题的解决很大程度上需要确切的DAI病理生理机制作为理论支撑，目前上述几种学说在DAI病理生理机制研究进程中起着一定的推动性作用，后期希望开展更多的动物实验研究和临床研究验证上述几种潜在机制；同时也希望总结分析更多的临床治疗经验和药物治疗安全性评价支持上述结论。