顱腦創傷(TBI)引起的病理生理進程取決於原發性機械損傷(局灶性或彌散性)與繼發性腦損傷之間的複雜相互關係。繼發性腦損傷是多重細胞因子級聯反應(包括炎性因子、氧化應激和興奮性毒性反應)引起的神經元代謝異常和血流動力學紊亂，繼而導致腦組織缺血、顱內壓增高、腦組織水腫(血管性和細胞毒性)、彌漫性軸突損傷和出血等。所有這些病理反應會進一步加重炎症反應、氧化應激和細胞毒性反應，並最終導致神經元壞死和凋亡。

        繼發性腦損傷引起的神經元損傷與創傷性軸突損傷(腫脹，斷開和沃勒氏變性)一樣會持續數周、數月甚至數年。從臨床角度來看，TBI患者慢性期的特征主要表現為認知和行為改變，運動和感覺係統(包括觸覺，視力，嗅覺，前庭)的功能障礙，植物神經功能紊亂以及疼痛和睡眠障礙等並發症。

        一些輕度顱腦損傷患者也會出現執行能力障礙、注意力和記憶力下降，大腦處理速度慢，認知靈活性降低，和心理情緒障礙等。本文將著重介紹與TBI後與診斷、預後評估相關的生化標記物及不同標記物評估腦損傷的作用，以及生化標記物在TBI診斷、治療、預後中的最新研究進展。

1.生化標記物在TBI篩選和評估中的應用

        臨床工作中經常通過生化標記物對疾病進行診斷、預後評估和檢測治療效果。TBI中生化標記物可以檢測損傷導致的細胞、生化和多種因子水平的改變來發現影像學檢查無法顯示的早期微病變。格拉斯哥昏迷量表(GCS)是TBI的標準評估分級，該量表將顱腦損傷的程度和預後分為輕度(GCS13-15)，中度(GCS9-12)和重度。

        盡管有大量相關文獻，但僅斯堪的納維亞神經創傷指南提出建議對於懷疑或證實失去意識和/或反複嘔吐的低風險輕度TBI患者(GCS14或GCS15)的6小時內使用生物標誌物(S100B)作為篩查工具的建議。有meta分析發現急診通過S100B的篩查有助於識別顱內損傷。此外，泛美素C末端水解酶L1(UCH-L1)和神經膠質原纖維酸性蛋白(GFAP)在評估輕度TBI中的可信度已通過美國食品和藥物管理局的驗證，其靈敏度和特異度比S100B更高。同時還有其他幾種生化標記物或生化標誌物的聯合應用在檢測腦內病變方麵時比S100B具有更高的敏感性，目前仍需要進一步的研究得出明確的結論。

2.彌漫性/創傷性軸突損傷的檢測

        由於CT上較難檢測彌漫性軸突損傷，因此可以使用生化標誌物來區分局灶性彌漫性損傷與彌漫性損傷或評估與DAI嚴重程度。大多數研究集中於軸突蛋白，例如神經絲，血影蛋白降解產物和tau蛋白或澱粉樣β肽，這些蛋白均在軸突損傷後出現，通過對重度TBI患者進行微透析可以評估。膠質神經元比率(以泛素羧基末端水解酶-L1(UCH-L1)之間的相關性衡量)和神經膠質纖維酸性蛋白(GFAP)被認為是重度TBI的標誌，且DAI中比局灶性病變水平更高。

        一項研究表明金屬硫蛋白作為一種神經保護蛋白在腦損傷後3-6天血清水平較高，可以用於DAI的鑒別。最新研究發現腦脊液中微管相關蛋白2(MAP2)水平與DAI損傷程度相關。血清生化標記物的水平可以用於局部病變和彌散性病變的診斷。監測生化標記物對頭CT正常的DAI患者具有很好的臨床價值，同樣也可用於評估血腦屏障(BBB)完整性。無論腦損傷的嚴重程度如何，均可發生血腦屏障破壞。

        即使有大量關於BBB通透性的基礎研究，但由於不能無創地評估BBB的完整性，其在臨床實踐中的應用受到限製。白蛋白(QA)是同一時刻CSF和血清中白蛋白的商，是評價BBB功能的金標準。QA與12小時內血清S100B和泛素C末端水解酶1(UCH-L1)水平相關。Vajtr等研究發現血清S100B水平與血腦屏障超微結構(內皮細胞和星形膠質細胞)的變化有關。同樣，S100B水平增高與高IL-6相關，表明炎症反應影響血腦屏障通透性。

        在非手術患者中MMP-9和MMP-2水平增高，提示炎症反應和BBB功能的改變。最近也有研究指出重度TBI患者腦脊液中的磺酰脲受體1與CT水腫和顱內壓有關，較低的磺酰脲受體1水平提示患者症狀較輕。無論原發性損傷或繼發性損傷均可能引起TBI後顱內出血，因為它也與BBB功能障礙有關。微透析結果提示創傷性蛛網膜下腔出血時IL-1β，IL-6和IL-10的水平升高，而FGF2和VEGF的濃度更高。進行性顱內出血時ICP升高，腦脊液和尿液S100-B也隨之升高，且血清D-二聚體(TBI凝血功能)水平高。在TBI追蹤研究中發現NF-L在區分患者CT是否顱內出血敏感性很高，同樣可以用於DAI患者。

3.TBI生化標誌物作為預測死亡率和致殘率等相關研究

        大量文獻發現與TBI的預後生物標誌物有關，與短期預後有關，尤其是死亡率。由於最新測試的大量生物標誌物，我們將其按功能進行分類。

        3.1神經元損傷和膠質細胞損傷相關生化標記物

        與神經元損傷和膠質細胞損傷相關生化標記物研究最多的是S100B、GFAP、NSE和UCH-L1等。此外還有少量與細胞凋亡和蛋白水解等相關生化標記物的研究。在TBI中，細胞壞死和凋亡均由繼發性損傷引起的生化級聯反應觸發。凋亡是由促凋亡因子和抗凋亡因子(即cas-pase與Bcl-2家族蛋白)失衡導致的。程序性細胞死亡的終點是DNA斷裂和細胞核結構破裂。重度TBI後Caspase-3和其他促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白的增加與患者預後不良相關。

        Darwish等在重度TBI患者的腦脊液中檢測到了激活的cas-pase-9和細胞色素c，這些生物標誌物也與預後不良有關。AlphaⅡ-血影蛋白是皮層有髓神經元軸突Ranvier結的重要組成部分，calpain和caspase家族蛋白水解酶被激活後被水解為AlphaⅡ-血影蛋白分解產物(SBDP)。

        臨床研究對calpain和caspase激活生化標誌物進行定量分析結果相似。Calpain酶激活生化標誌物SBDP145和SBDP150的峰值比caspase酶激活生化標誌物SBDP120早，並且兩種蛋白酶導致的SBDP水平增高均提示預後不良和死亡風險較高。同時，SBDP150和SBDP145的水平比SBDP120更高提示Calpain酶的激活高於caspase酶。此外，caspase酶激活生物標誌物與損傷的嚴重程度和不良的預後相關。

        3.2與彌散性血管內凝血相關的生化標誌物

        一些TBI研究中發現約50%的患者存在凝血功能異常，且與不良預後相關。凝血酶原時間(PT)，部分凝血活酶時間(PTT)，纖維蛋白降解產物(FDP)和D-二聚體測試(D-DT)等纖維蛋白溶解標記物的增高與GCS評分低存在相關。此外，PT和FDP與死亡風險增加相關。在另一項前瞻性研究中發現腦脊液和血漿中促凝微粒(MP)持續增高提示預後不良。

        橫田等發現血栓調節蛋白(TM)和血管性血友病因子(vWF)的血清水平與損傷類型和患者年齡相關，顱內血腫患者中內皮細胞激活最明顯，其次是局灶性腦損傷患者，而DAI患者水平最低。此外，與年輕患者相比，老年患者的內皮細胞活化程度更高。

        3.3與顱內壓增高和腦關注不足相關的生化標誌物

        高顱內壓(ICP)和腦灌注不足(CH)是由繼發性損傷中的炎症反應引起的，與發病率和死亡率密切相關。在ICP和CH升高的患者中，血清中的IL-6，IL-8和腫瘤壞死因子(TNF)-α水平升高。ICH患者的血漿銅藍蛋白水平低於無ICH的患者，銅離子載體濃度降低導致血清銅離子水平下降。

        在TBI急性期自由基增多使銅離子氧化，從而導致銅藍蛋白釋放銅離子，並降低銅藍蛋白半衰期。遊離銅和銅藍蛋白水平降低會進一步增加氧化應激，導致BBB損傷和水腫。在對DAI(或創傷性軸索損傷(TAI))患者進行的微透析時發現間細胞因子，ICP變化，腦組織氧合作用和水腫之間無明顯相關性(同CT表現一致)。另一個與ICP升高相關的生化標誌物是肌酸(一種L-精氨酸的代謝產物)。

        重度TBI患者中合並ICH的血清肌酸水平低於無ICH患者。TBI，腦卒中和蛛網膜下腔出血等急性腦損傷的腦水腫和ICH患者腦脊液中緩激肽的濃度均增高。腦脊液中大量由星形膠質細胞產生的S100B與ICP和CH均相關，而NSE水平僅與CH相關。此外，ICH與腦脊液中C-Tau蛋白升高與ICH有相關性。血清S100B水平增高與TBI患者IL-6水平和出血有關。微透析研究表明乳酸/丙酮酸比值升高的患者發生ICP的風險增加，而CH患者的細胞外甘油水平升高。

        3.4與神經炎性反應和氧化應激相關的生化標誌物

        神經炎性反應在TBI的第二階段起著至關重要的作用。臨床研究中多采用微透析技術分析TBI患者腦脊液中白介素因子和趨化因子的水平。IL-18在重度損傷和認知障礙的患者中升高，也與神經炎性反應和神經變性有關。此外，多項研究對ICU患者進行微透析發現白細胞介素水平與損傷程度存在相關性。MMP對細胞因子和細胞因子受體具有調節作用。微透析液中MMP-8和MMP-9升高與IL-1α，IL-2和TNF-α的升高有關，而MMP-7降低與IL-1β，IL-2，IL-6升高有關。最近有研究認為IL-33是重度TIBI患者潛在的神經炎性生物標誌物，與嚴重程度和預後不良有關。

        除了與細胞因子之間相互作用外，MMP-7和MMP-8還與ICP變化相關，ICP患者MMP-7降低而MMP-8升高。此外，MMP-8和MMP-9升高還與死亡率增加相關。血清脂聯素也與炎症調節有關，其水平增高提示死亡率增加和預後不良。硝基酪氨酸是由酪氨酸經活性氮介導硝化作用後產生的，腦損傷72h內可以在腦脊液中檢測到硝基酪氨酸，其水平增高與不良預後相關。

        氧化應激的另一個指標是F(2)-異前列腺素8-異前列腺素F(2α)(8-異-PGF[2α])，它是由花生四烯酸的非酶自由基催化的過氧化作用產生的。TBI後第1~8天每天檢測兩次血清和CSF中8-iso-PGF(2α)水平發現CSF水平顯著高於血清水平且與其他氧化應激標記物(包括CSF穀氨酸和甘油)水平相關。在一項對106名重度TBI患者的研究中也發現血漿8-iso-PGF(2α)水平與臨床預後相關，其對患者1年內的預後準確性與GCS相似。

4.新型生化標記物的檢測，多種生化標記物的聯合及生化標記物與其他預後評估方法的比較

        有學者通過將生化標記物與其他預後評估方法相結合進行研究，與血清生化標記物(S100B，NSE，IL-6，IL-8，IL-10，L-選擇素，SICAM和內皮素)或GCS相比，兩者聯合使用能更好的評估患者預後。對於輕度TBI患者聯合S100B及NSE和臨床危險因素(如惡心，健忘，嘔吐和意識喪失)也能更好地評估患者預後。

        一種聯合生化標記物的評估TBI的方法是通過檢測血清GFAP與UCH-L1的比率推斷膠質細胞/神經元的比率。重度TBI局灶性病變患者的GNR高於DAI患者，且GNR與GCS和死亡率存在相關性。此外還可以通過磷酸化的tau蛋白比率對TBI患者進行評估。TRACK-TBI研究表明，在196例所有記性重度TBI患者血漿P-tau蛋白，T-tau蛋白以及P-tau/T-tau高於健康對照組。與Tau蛋白相比，急性期血漿P-tau蛋白和P-tau/T-tau之比可以更好地評估與後(6個月時的GOSE)。將UCH-L1和GFAP聯合使用對於診斷和評估與後具有更好的敏感性和特異性。

        當UCH-L1，GFAP和αII血影蛋白分解產物升高時，將其聯合使用有助於對神經認知功能障礙進行評估。有研究證實CK-BB與S100-B聯合使用比單獨使用S100B更好地反應患者預後。此外，將IMPACT擴展評分與UCH-L1，aII-血影蛋白分解產物(SBDP150，SBDP145，SBDP120)，MAP-2，S100b和MBP等生化標記物聯合使用可以更好地預測6個月後的死亡率。

        有研究通過檢測49例重度TBI患者血清MMP-9和c-Fn為評估患者住院時間和死亡率提供了評估價值。將生化標記物與基因組學結合也可以對患者進行評估。有研究在對重度TBI患者進行顳葉切除的解剖病理學研究中分析了患阿爾茨海默氏病的潛在風險，重度TBI和皮質斑塊的患者具有較高的可溶性Abeta(1-42)水平，但沒有Abeta(1-40)，其中一半是apoEepsilon4(ε4)等位基因攜帶者。此外apoEε4等位基因會增加外傷造成損傷的敏感性，apoEε4陽性患者更容易發生腦組織細胞損傷，外傷後血清S-100B和NSE血清水平升高更明顯。

        蛋白質組學，代謝組學和microRNA是當前研究TBI診斷和預後評估的熱門方法。MicroRNA是低分子量非編碼RNA，在轉錄後基因調控中起重要作用。基因與microRNA之間的關係具有多重性(一個microRNA可以調節數百個基因，有時甚至具有逆功能)和協作性(一個基因由一個以上的microRNA調節)，從而形成了多個水平調節的動態網絡。

        對TBI患者外周血或CSF中不同microRNA(表達增加或減少)的檢測均提示對疾病的診斷和預後有很好的特異性和敏感性。蛋白質組學通常使用質譜法通過自上而下或自下而上的方法進行研究。自下而上的蛋白質組學分析是指通過從複雜蛋白混合物中分離酶蛋白進行分析，通常會產生大量具有生物標誌物價值和幹擾的分子。自上而下的分析是指無需進行酶分離即可進行完整蛋白的分析。這種方法有可能忽略重要的新蛋白質分子。

        在TBI的診斷和預後評估中蛋白質是一個新興領域。盡管有研究認為與對照相比TBI的蛋白質組學變化，但是蛋白質組學分析作為一種預後工具的作用的研究還不夠。類似於蛋白質組學，代謝組學定義為對大量低分子代謝化合物(代謝物)的分析，包括核磁共振波譜法和質譜法檢測目的代謝物;而非通過氣相色譜法或液相色譜法標記。通過尿液，血液或CRF的代謝組學分析進行了幾種類型的研究，在診斷和預後價值方麵均取得了令人滿意的結果。

5.生化標記物對TBI後認知功能的預後價值

        大多數關於TBI中生化標記物的臨床研究目的都在於研究其對診斷(尤其是在輕度TBI中)和預後(死亡率或低GOS/Glasgow)的評估。但是，創傷性傷害的長期後果還多方麵的認知障礙和情緒障礙。有綜述和meta分析探討了S100B，NSE和腦震蕩後症狀(包括認知功能)之間的相關性，兩項評價均得出這些生化標記物不是輕度TBI後長期預後的有效獨立預測因素。在重度TBI患者中，我們發現隻有兩項關於急性或亞急性期的生化標記物水平與認知功能的研究。

        一項研究通過檢測血液IL18(檢測時間點不詳)發現其與損傷後長達216天內的認知功能無明顯相關性。另一項研究在創傷後遺忘症患者2周內檢測S100B並進行神經心理學測試，發現反應時間，信息處理效率，口頭和視覺記憶，概念性問題解決和口頭流利度之間存在顯著相關性，其中相關性最明顯的是在S100B和反應時間，沒有發現生化標記物與抑鬱焦慮壓力量表之間的相關性。

        在對無腦震蕩的美式足球運動員的研究發現S100B與認知測試結果之間存在顯著相關性，而在反複發生腦震蕩事件的受試者中S100B水平較高。在TBI慢性期對血清代謝組學的測試發現有無認知障礙的患者之間血清代謝組學存在顯著差異。

6.TBI生化標記物作為監測工具的潛力

        已有多項研究將生化標記物用於監測針對維持腦灌注壓(CPP)和降低ICP的治療。肌酐清除率，乳酸與丙酮酸(L/P)之比，氧化應激生物標誌物，S100B和NSE等多用於評估治療效果。最近一項研究中，通過S100B評估接受高滲鹽水和甘露醇的患者，發現接受甘露醇治療的患者血清S100B水平較低，GCS評分更高。Shore等比較了在嚴重TBI後接受連續或間歇性CSF引流的患者的神經元損傷(NSE)，神經膠質損傷(S100B)，炎症(IL-6)和再生(VEGF)的CSF生物標誌物水平。間歇性引流與腦脊液中NSE，S100B，IL-6和VEGF的濃度升高有關。

        Taguy等通過微透析檢測重型TBI手術治療中分別使用丙泊酚和咪達唑侖的患者發現，兩組患者之間的L/P比例，穀氨酸或葡萄糖水平沒有差異。最近一項有關重度TBI患者左旋肉堿影響的研究發現盡管治療7天後神經行為功能和腦水腫程度有所改善，但未能降低NSE水平。對中重度TBI患者促紅細胞生成素治療對UCH-L1和NF-L水平的影響結果也未見明顯差異。

7.結論

        生化標記物可以提供有關TBI病理生理過程的可靠信息，並用於患者的評估。然而是否存單個理想生物標誌物實現這一目的仍然未知。目前研究結果是研究隨臨床症狀、影像學結果變化的多種生化標記物的變化趨勢，對不同狀態、不同影像學表現的TBI患者進行動態的個體化評估。此外，生化標記物的連續檢測可以提供患者受傷後更準確的分子生物學改變。

        盡管有關生化標記物的研究很多，但仍有一些主題需要進一步研究：

        ①目前已明確在TBI中單一檢測不能反映患者的整體狀態。因此，需要在不同的時間進行一係列複雜的神經心理學評估。為了獲得更好的結果，應該在急性/亞急性階段評估生化標記物，並與多種預後評估手段聯合應用。

        ②蛋白質組學，代謝組學和microRNA是新興領域。其共同的挑戰是所有這些化合物都在高度複雜的網絡中發揮作用，因此需要研究這些實驗室領域的生物信息學和係統生物學之間的相互作用。

        在研究複雜的相互關聯的分子過程中，最新的生物信息學和係統生物學是必不可少的，它提供了有關分子相互作用和途徑的綜合觀點。由於這些實驗室分析的複雜性和高昂成本，目前大多數臨床研究中此類生化標記物的價值有限。但是，即使不可能大規模應用，這類研究也可用於研究低成本生化標記物的進一步應用。

        ③神經營養蛋白，生化標記物和基因組學的結合以及將生化標記物用作治療監測工具需要進一步研究，以及如何明確生化標記物檢測可以使患者從中受益。

        來源：姚慶海,劉保龍.顱腦創傷後的病理生理改變及相關生化標記物研究進展[J].嶺南現代臨床外科,2020,20(05):642-649.