儿童创伤性脑损伤神经功能结局相关标志物的研究进展

常俊丽,程梦,史长松

(河南省人民医院儿科,郑州大学人民医院,河南 郑州 450003)

创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是全球范围内死亡和致残的主要原因之一。全国18项回顾性流行病学研究调查数据显示,2001—2016年共计125 474例TBI患者,其中儿童患者30 713例,约占24.48%[1]。严重TBI不仅具有较高的致残性和致死性,同时还会带来巨大的经济损失和社会负担,因此近年来创伤急救的问题越来越受到大家的关注。创伤时引起的神经组织机械损伤被认为是不可逆的,目前对TBI的管理侧重于检测和治疗相关的继发性损伤。继发性损伤发生在最初损伤后的几分钟到几天甚至几个月,其特征是神经化学、代谢和行为改变,继而会导致行为、情绪和认知缺陷。在TBI早期对神经功能结局进行预测,不仅有利于早期识别病情危重的患儿,制定更加合理的治疗方案,还可以对病情的转归、同患儿及家属的沟通产生积极的影响。本文就近年来儿童TBI神经功能结局相关血清生物标志物及影像学标志物的研究进展作一综述。

1 血清及脑脊液中的生物标志物

生物标志物是一类新兴的与细胞生长、增殖有关的生化指标,可以用于疾病的诊断、严重程度评估、治疗效果监测和预后预测等方面。在TBI早期检测各种体液中的相关生物标志物不仅可以从分子水平探讨发病机制,而且对早期隐匿性损伤的评估具有较高的准确性及敏感性[2]。近年来许多国内外的研究在各种体液中检测到多种具有敏感性和特异性的标志物,以下介绍几种具有研究前景的生物标志物。

1.1 与神经炎症相关的生物标志物

1.1.1核苷酸寡聚样受体蛋白3炎症体 核苷酸寡聚样受体蛋白3炎症体(nucleotide oligomerization-like receptor protein 3,NLRP3)是一种多蛋白复合物,可促进caspase-1的激活,从而诱导促炎细胞因子[如白细胞介素(interleukin,IL)-1β和IL-18]的成熟和分泌,进一步加重炎症反应[3]。TBI后,NLRP3炎症小体激活,促进小胶质细胞活化、白细胞募集和炎性递质分泌,导致持续的神经变性和神经损伤。一项研究表明,在穿透性弹道样脑损伤的啮齿动物中,NLRP3炎症小体急性增加,IL-1β、IL-18、caspase-1、ASC、X连锁凋亡抑制蛋白和NLRP3的表达在48 h左右达到峰值,并持续7 d[4]。Wallisch等[5]研究发现,与健康对照组相比,TBI患儿的脑脊液NLRP3水平在损伤后0～24、25～48、49～72 h均升高,≤4岁的患儿NLRP3峰值水平高于>4岁的患儿,NLRP3>6.63 μg·L-1与创伤后6个月时发生认知障碍独立相关。NLRP3通路可能成为一个改善TBI后神经功能结局的新治疗靶点。Irrera等[6]研究表明,与野生型小鼠相比,NLRP3敲除小鼠在损伤24 h后,出现认知障碍的概率较小并且炎症反应较轻,7 d后,组织学检验显示大脑结构更加完整。TBI后,NLRP3的活化可加重炎症反应,抑制NLRP3炎症小体活化可能会减少小胶质细胞活化和白细胞浸润,减轻炎症反应,改善长期神经功能预后。

1.1.2血浆骨桥蛋白 血浆骨桥蛋白(osteopontin,OPN)也称为分泌型磷蛋白1(secreted phosphoprotein 1,SPP1),属于小整合素结合配体N-链糖蛋白家族,在血液和唾液中具有高度稳定性[7]。骨桥蛋白表达与神经炎症有关,中和其在血清中的表达水平,可以使神经胶质细胞激活减弱,还与保持血脑屏障完整性以及脑水肿减少和出血性转化风险降低有关,从而改善神经功能结果和存活率[8]。Blackwell等[9]研究表明,与其他类型TBI的儿童相比,确诊虐待性头部损伤的儿童的血清OPN显著升高。OPN在血清中的表达可能有助于识别疑似虐待性头部损伤的儿童,以便对可能遭受虐待的儿童进行资源分层和适当干预。最近的一项回顾性研究表明,血浆OPN水平与严重TBI和急性颅内病变相关,中、重度TBI患儿的血浆OPN水平在损伤后72 h内持续升高,并与住院死亡率、呼吸机使用率和重症监护病房住院时间独立相关,血浆OPN峰值越高,6个月后神经功能结局越差[10]。血浆OPN可能是儿童TBI中基于神经炎症的诊断和预后生物标志物。

1.1.3中性粒细胞/淋巴细胞计数 中性粒细胞是先天免疫系统的重要组成部分之一,TBI后进入大脑的中性粒细胞可以释放有毒分子、自由基、促炎因子和蛋白酶,进而引起继发性损伤[11]。中性粒细胞/淋巴细胞计数(neutrophil-to-lymphocyte ratio,NLR)是指中性粒细胞计数与淋巴细胞计数的比率,是一个快速简单的炎症参数。TBI后,中性粒细胞计数通常升高,而淋巴细胞计数在急性期通常无明显变化,NLR可以反映TBI后体内炎症反应的严重程度[12]。近年来,NLR作为炎症的晴雨表和与细胞活化和免疫系统反应相关的继发性损伤的标志物越来越受到关注。一项前瞻性研究发现,白细胞计数>16.1×109L-1、中性粒细胞计数>11.9×109L-1和NLR≥5.02是患儿住院时长和神经功能结局的独立危险因素,将初始白细胞计数纳入TBI预测模型可以改善预后[13]。NLR是一种低成本的炎症预测指标,有望成为儿童TBI后继发性损伤的标志物,并对短期预后具有一定的预测作用。

1.1.4IL-33 IL-33是IL-1家族的新成员,在皮肤、胃肠道和肺的成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞中表达,创伤后从受损细胞释放入脑脊液及血液中,发挥免疫调节作用[14]。IL-33/生长刺激表达基因2蛋白(growth stimulation expressed gene 2,ST2)轴在中枢神经系统疾病和损伤的发病机制中起关键作用。Xu等[15]研究表明,与健康对照组相比,TBI患者入院时IL-33和其受体可溶性ST2(sST2)水平较高,IL33和sST2的水平与院内感染和器官功能障碍的发生呈正相关。动物实验中发现,sST2基因敲除小鼠在TBI后脑损伤面积扩大,并在TBI后出现5 d感觉运动功能障碍,而用IL-33(2 μg/30 g体重,鼻内)治疗3 d的小鼠脑损伤程度显著减轻并改善了神经功能预后[16]。IL-33/ST2轴可以改善脑损伤程度及运动功能结果,可能成为一种新的免疫治疗策略来改善TBI后神经功能结局。

1.2 与神经系统损伤相关的生物标志物

1.2.1钙结合蛋白S100B S100B主要在成熟的星形胶质细胞中表达,具有调节细胞运输、生长、能量代谢和维持钙稳态的作用。TBI后星形胶质细胞活化,促进S100B释放,导致神经细胞损伤和变性[17]。Park等[18]研究发现,TBI后6个月预后不良[格拉斯哥预后评分(Glasgow outcome scale,GOS)1～3分]患儿伤后1周血清S100B水平显著高于预后良好患儿(GOS 4～5分),而且连续监测后发现,预后良好患儿血清S100B水平倾向于迅速下降,而预后不良的患儿S100B水平下降缓慢,甚至出现晚期峰值。这与在成人中的研究结果一致,创伤后连续测量的S100B水平持续升高甚至出现第2次峰值可能与继发性不良反应有关,预示着不良预后。然而,由于其敏感性存在争议,特异性较低,不建议对S100B进行单独测量,将S100B水平与CT结果相结合,可以提高敏感性和阴性预测值。

1.2.2泛素C末端水解酶L1 泛素C末端水解酶L1(ubiquitin C-terminal hydrolase-L1,UCH-L1)是大脑中水平较高的蛋白质,占所有神经元蛋白质的1%～5%,是维持轴突稳定性的必需物质,并且可通过多种机制在损伤后的恢复中发挥重要作用[19]。UCH-L1通过与蛋白质降解的蛋白酶体途径偶联,成为调节脑部蛋白质代谢的重要酶。TBI后UCH-L1水平迅速而短暂地增加,12 h达到峰值,峰值的大小可能与病情严重程度及预后相关[20]。血清UCH-L1和胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)水平能够识别急性TBI中电子计算机断层扫描(computed tomographyg,CT)阳性损伤的患者,与CT阴性患者相比,CT阳性组的GFAP和UCH-L1(而非S100B)水平显著升高,UCH-L1还可以判定TBI的严重程度,在轻度[格拉斯哥昏迷评分(Glasgow coma scale,GCS)13～15分]和中、重度(GCS 3～12分)损伤组之间存在显著差异,且受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线下面积最高(0.94),其次是GFAP(0.91)和S100B(0.83)[21]。最近的一项研究表明,血清UCH-L1水平和认知功能及能量代谢密切相关,与简易精神状态量表有显著相关性,因此血清UCH-L1可能成为脑损伤后神经功能结局的血液标志物[22]。UCH-L1血清水平在区分中、重度TBI患者与健康个体方面具有敏感性。然而,没有足够的证据支持其临床应用,有必要在该领域进行进一步的研究。

1.2.3GFAP GFAP是星形胶质细胞的主要中间丝,发挥着支持和加强细胞结构的功能。目前尚未发现其在除星形胶质细胞以外的细胞中表达,可能成为预测星形胶质细胞损伤的独立标志物。Fraser等[23]研究发现,血清GFAP水平与入院时的GCS评分呈负相关,并且在预测中、重度TBI患儿短期神经功能预后方面具有88%的敏感度和71%的特异度;连续测量发现,血清和脑脊液GFAP水平在TBI第1天达到最大值,但正常化的时期不同:脑脊液GFAP水平在第7天恢复到正常范围,而血清GFAP水平在第10天恢复正常。另有研究表明,TBI后,在多个时间点测量的血清GFAP水平没有显著变化,这可能表明,单个时间点测量的血清GFAP水平可能足以进行TBI诊断或结果预测。一项研究分别对伤后0～8 h(初始)和12～32 h(延迟)采集的血样进行GFAP、UCH-L1和S100B水平分析,发现GFAP在预测头部CT阳性方面比UCH-L1、S100B或3种生物标志物的任何组合具有更大的效用[24]。GFAP在首次评估TBI中起着重要作用,单时间点测量可用于评估危险分层,指示损伤严重程度,并且可以早期识别CT阳性的患者,减少不必要的辐射。

2 神经影像学标志物

影像学检查可以更加直观地显示出损伤的部位,因此在TBI的早期诊断和预后评估中发挥着重要的作用。目前,针对儿童TBI的影像学检查方法主要包括CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)等。

2.1 CTCT是利用X线对机体某一厚度的层面进行扫描,经过专业医生对最终图像的解读获取病灶信息的一种影像学检查方法[25]。CT具有快速、便捷、准确等优势,且扫描时间相对较短,不仅可以显示病理性改变,还可明确定位颅内、颅骨等损伤,被视为确定颅脑损伤的首选检查方法。Kayhanian等[26]研究表明,基底池体积是一个基于CT的可量化的参数,与初始颅内压显著相关,确定的阈值(相对体积为0.005 5)可以预测出最能从侵入性神经外科监测中受益的患儿。然而,该研究的样本量较小,在临床实践中使用之前,需要在更大的队列中进行验证。马歇尔分类系统和鹿特丹评分系统是基于CT结果计算出的2种评分系统,已广泛应用于儿童TBI预后预测。Mohamed等[27]研究表明,马歇尔分类系统对TBI患儿的早期死亡率及神经功能结局具有一定的预测性,分级越高,神经功能结局不良的可能性越大,分级≥3的患者,死亡风险较大。CT可以在TBI早期明确病变位置,并对早期死亡率有一定的预测作用,但在检测小型和慢性出血过程以及早期证实缺氧缺血性脑病方面的敏感性低于MRI。

2.2 MRIMRI可直接显示各断层图像,且不会出现伪影,与其他影像学检查相比,MRI包含的信息量较多,在颅脑损伤诊断方面具有明显优势[28]。MRI在检测轴外出血、脑室内出血和蛛网膜下腔出血方面表现出100%的敏感性,并且在检测硬膜外血肿、硬膜下血肿和脑实质出血方面具有78%或更高的敏感性,对所有类型的颅内出血产生了100%的特异性,相应的阴性预测值超过了CT[29]。MRI及其相关应用(扩散加权和扩散张量成像、磁化率加权成像和磁共振波谱)为TBI后结构病理学的研究提供了依据。Smitherman等[30]发现了基于MRI的神经影像标志物与TBI后神经功能结局相关,多个区域的病变、液体抑制反转恢复序列(fluid attenuated inversion recovery sequence,FLAIR)总病变体积和特定脑区内病变的体积等,可用于预测中、重度TBI患者的长期神经系统功能结局。MRI在特异性、敏感性和对所有测量的损伤病理的阴性预测值方面优于CT(颅骨骨折除外),可用于早期识别重症患者并预测神经功能结局,同时最可以大限度地减少辐射暴露。

2.3 SWISWI是基于T2加权梯度回波序列的新兴磁共振对比成像技术,它可以根据器官组织的不同磁化率,清晰的显示病灶轮廓、形态和位置[31]。SWI与常规MRI相比,对微小出血点的敏感性更高,可以更好地识别外伤性轴索损伤相关的出血性病变,临床应用前景广阔。脑微出血是公认的创伤性轴索损伤的生物标志物,它的数量和位置与TBI患者的长期预后密切相关,与T2、梯度回波、弥散加权成像或流体衰减反转恢复序列相比,SWI对微出血更敏感,可用来预测患者的认知功能结果和继发性损伤[32]。Ryan等[33]研究表明,SWI损伤的亚急性体积与所有神经功能障碍症状域独立相关,SWI损伤的体积可能代表一种新的、独立的TBI后神经功能障碍标志物,这可能有助于识别可能受益于有针对性的心理教育和/或预防策略的高危儿童,以最大限度地降低长期神经功能障碍的风险。

3 小结

TBI具有较高的致死率和致残率,早期识别危重患儿、评估预后有助于为临床决策提供依据。不同生物标志物和影像学标志物对神经功能结局的预测各有其独特的优势,也存在一定的局限性。由于儿童神经系统发育尚不成熟,损伤后的临床表现也各不相同,尚未发现单一的、理想的标志物。在未来的研究中应该鼓励更动态化和个性化地进行评估,可基于临床表现、生物标志物和影像学标志物构建一个复合的预测模型,从而确定更加准确的诊断和预后工具。