神经外科

动脉瘤性蛛网膜下腔出血患者早期脑损伤生物标志物的研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2022-04-16
导读

         自发性蛛网膜下腔出血(SAH)往往起病急、病情进展快,是极为凶险的神经外科急症。约85%的SAH是由动脉瘤破裂出血引起,即动脉瘤性蛛网膜下腔出血(aneurysmsubarachnoidhemorrhage,aSAH)。 aSAH作为一种出血性卒中,虽然年发病率低,但病死率高。aSAH院前病死率为15%,发病30d内病死率高达30%,幸存者大多会遗留神经功能缺损及心理认知问题。随着神经显微技术及

        自发性蛛网膜下腔出血(SAH)往往起病急、病情进展快,是极为凶险的神经外科急症。约85%的SAH是由动脉瘤破裂出血引起,即动脉瘤性蛛网膜下腔出血(aneurysmsubarachnoidhemorrhage,aSAH)。

        aSAH作为一种出血性卒中,虽然年发病率低,但病死率高。aSAH院前病死率为15%,发病30d内病死率高达30%,幸存者大多会遗留神经功能缺损及心理认知问题。随着神经显微技术及神经介入技术的发展,目前绝大多数动脉瘤可通过开颅夹闭或血管内介入栓塞的方式彻底闭塞,从而有效避免再次破裂。但即使手术成功处理了动脉瘤,仍有20%的患者死于aSAH相关并发症。

        早期脑损伤(earlybraininjury,EBI)是aSAH的病理生理过程中影响预后的关键因素。目前,临床症状结合放射性检查尚无法对EBI进行预判。因此,寻找具有治疗意义和良好预后的EBI生物标志物是必要的。生腱蛋白-C、骨桥蛋白、半乳糖凝集素3(galectin-3,Gal-3)和骨膜蛋白等基质蛋白能提高早期诊断EBI的能力,识别相关通路及可干预的靶点,进而有助于aSAH靶标药物的开发。笔者就EBI的概念、机制及相关生物标志物在aSAH中的应用进行综述,以期为aSAH的诊断和治疗提供新的思路和方向。

1.EBI概念及机制

        EBI强调aSAH发生72h内的脑损伤,包括因血流冲击及局部血肿直接压迫脑组织所导致的原发脑损伤及继发缺血性脑损伤,其病理生理机制包括机械性损伤、全脑低灌注所致的缺血性损伤、血-脑屏障破坏、全脑水肿、离子稳态失衡等。

        当动脉瘤破裂出血时,颅内压在短时间内急剧升高,导致脑灌注压迅速降低,从而引起脑血流减少甚至近乎停滞,全脑处于缺血状态,脑血管自动调节功能受损,脑组织细胞代谢出现异常并进一步导致细胞凋亡及坏死。

        有研究结果表明,在aSAH急性期(aSAH发生的72h内),脑灌注压的降低程度与海马区及基底部皮质神经细胞的变性呈线性相关,即脑灌注压的降低是EBI的诱发因素。

2.EBI生物标志物

        EBI病理机制复杂,涉及面广,如何诊断及评估是临床研究的重点。客观的生物学标志物可协助临床诊断和评估。理想的EBI生物标志物不仅应参与EBI的病理机制,还应与后期的迟发脑血管痉挛(cerebralvasospasm,CVS)有关,可以作为治疗的靶点,能够在急性期通过外周血检测。不仅要具有代表性,还要有特异性。与EBI具有特殊相关性的生物标志物主要包括生腱蛋白-C、骨桥蛋白、S100B、血管生成素(angiopoietin,Ang)、骨膜蛋白、Gal-3等。

        2.1生腱蛋白-C

        生腱蛋白-C是分子量为220~400kDa大分子单体,其通过二硫键连接成六聚体。aSAH后1~3d,血浆内生腱蛋白-C的大剪接体含量[(143.2±16.8)μg/L]显著高于颅内动脉瘤未破裂患者[(39.2±3.5)μg/L],但与CVS无明显关联;aSAH后4~6d,血浆生腱蛋白-C水平达到峰值(均>200μg/L),且此时发生CVS的患者体内生腱蛋白-C水平明显高于非CVS患者(P<0.05)。该研究结果还表明,血浆生腱蛋白-C峰值出现的平均时间早于经颅多普勒发现CVS2.4d,早于迟发性脑缺血发生3.6d。

        脑脊液中生腱蛋白-C水平也能在aSAH发生后很快达到峰值,其不仅与患者的世界神经外科联盟(worldfederationofneurosurgicalsocieties,WFNS)分级中SAH分级呈正相关(r=0.43,P=0.02),而且还可作为预测CVS(OR=4.352,95%CI:1.095~17.301,P=0.037)及预后(OR=1.070,95%CI:1.032~1.109,P<0.01)的指标,这些结果均表明,生腱蛋白-C有一定的EBI预测价值。而阻断生腱蛋白-C可以阻断细胞内丝裂原活化蛋白激酶的活化,抑制细胞凋亡并减轻血-脑屏障的破坏。

        Fujimoto等的研究表明,敲除生腱蛋白-C,不仅可以降低基质金属蛋白酶9和闭锁连接蛋白1的表达,还能抑制SAH后脑毛细血管内皮细胞中丝裂原活化蛋白激酶的激活,从而减轻SAH后的神经损伤、脑水肿形成以及血-脑屏障的破坏。

        同时,该研究将敲除生腱蛋白-C小鼠脑室内注射生腱蛋白-C建立外源性生腱蛋白-C模型,外源性生腱蛋白-C能消除小鼠因敲除生腱蛋白-C所产生的神经保护作用。上述研究结果表明,生腱蛋白-C可能是SAH后脑水肿和血-脑屏障破坏的重要中介和分子靶点。生腱蛋白-C不仅与脑水肿等的形成有关,还与炎性反应激活关系密切。

        Fujimoto等在研究中建立生腱蛋白-C敲除小鼠SAH模型,敲除生腱蛋白-C的SAH小鼠蛛网膜下腔炎性细胞浸润明显减少,白细胞介素6水平明显降低。有实验研究发现,诱导血管壁内生腱蛋白-C的表达可导致CVS的产生,aSAH后急性期生腱蛋白-C通过激活Toll样受体4形成正反馈而上调自身表达并导致CVS的产生,进一步导致迟发性脑缺血。

        沉默生腱蛋白-C基因可通过激活磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B-核因子κB信号通路缓解神经细胞凋亡和神经炎性反应,生腱蛋白-C诱导的神经炎性反应可能是改善SAH后预后的新靶点。

        2.2骨桥蛋白

        骨桥蛋白由星形胶质细胞、毛细血管内皮细胞、脑动脉平滑肌细胞在EBI恢复期及CVS发生时分泌产生,主要作用是减轻血-脑屏障破坏、细胞凋亡及CVS。临床上,aSAH后1~3d患者血浆骨桥蛋白水平显著高于同期健康体检者[(912.0±383.4)pmol/L比(467.2±205.8)pmol/L,P=0.001],并于第4~6天达到峰值[(978.1±467.3)pmol/L],随后下降。

        有研究表明,aSAH后1~3d,血浆高水平的骨桥蛋白能反映EBI的严重程度并预测EBI的发生。SAH后90d使用改良Rankin量表(mRS)对预后进行评估,mRS0~2分为预后良好,mRS3~6分为预后不良。

        预后不良患者在aSAH后第1天至第12天血浆骨桥蛋白水平均显著高于预后良好者,受试者工作特征曲线分析结果显示,截断值为915.9pmol/L,第10~12天的骨桥蛋白水平最具预测价值(敏感度0.694,特异度0.845,受试者工作特征曲线下面积为0.815),Logistic回归分析结果显示,aSAH患者第1~3天血浆骨桥蛋白≥955.1pmol/L是预后不良的独立预测因素(OR=10.336,95%CI:2.563~56.077,P<0.01)。

        Wu等研究发现,患者SAH后24、72h,脑动脉血管平滑肌表型转化标志物α平滑肌肌动蛋白显著降低,胚胎平滑肌肌球蛋白重链显著升高。而重组骨桥蛋白通过介导整合素受体-整合素激酶-Rac1通路来阻止α平滑肌肌动蛋白和胚胎平滑肌肌球蛋白重链的改变,增加脑动脉横截面积和管腔直径,降低脑含水量和脑肿胀,改善脑动脉壁厚度,从而改善神经功能。与此同时,3h鼻内应用重组骨桥蛋白也能减少aSAH后神经功能缺损。

        自噬作为一种高度动态的细胞成分降解过程,其在SAH后的EBI中通过抗凋亡作用,对神经细胞具有保护作用。Sun等研究发现,重组骨桥蛋白还可以通过上调自噬相关蛋白(自噬相关蛋白Beclin1、自噬基因蛋白5、微管相关蛋白1轻链3Ⅰ型与Ⅱ型比值)和凋亡抑制蛋白B淋巴细胞瘤2的表达,抑制促凋亡蛋白(裂解半胱氨酸蛋白酶3、B淋巴细胞瘤2相关X蛋白),调节自噬-凋亡间的相互作用,从而抑制神经细胞凋亡,减轻EBI。

        Sun等在后续探索性研究中发现,重组骨桥蛋白可以调节激酶1/2的磷酸化水平诱导自噬,从而减轻海马损伤,改善长期神经行为结果。综上所述,早期给予重组骨桥蛋白可能是SAH后EBI的预防和治疗策略之一。

        2.3S100B蛋白

        S100B蛋白是一种主要表达在星形胶质细胞、少突胶质细胞、神经祖细胞及施万细胞中的钙结合蛋白,其在神经细胞中的作用与自身浓度有关。当小鼠脑损伤组织中S100B蛋白浓度较低时,其通过激活磷脂酰肌醇3激酶-丝氨酸-苏氨酸激酶信号通路发挥抗细胞凋亡作用;当其浓度相对较高时,其通过产生活性氧及神经炎性反应发挥促细胞凋亡作用。

        Kellermann等研究发现,aSAH发生后,血-脑屏障被破坏,大量S100B蛋白被分泌进入血清,导致血清S100B蛋白水平明显增高,血清S100B蛋白的表达水平越高,细胞损伤程度越严重,其中血清初始S100B浓度>7μg/L的患者15d内均死亡。血清S100B蛋白水平对预测EBI的严重程度有一定价值,尤其是针对昏迷患者。

        杨波等在研究中发现,aSAH后24h患者血清S100B蛋白水平较同期体检健康的对照组明显增高(中位数:28.55pg/L比21.20pg/L,P<0.01);以患者出院时为患者短期预后终点,其中mRS评分3~6分视为预后不良,0~2分为预后良好,单因素分析结果显示,预后不良患者(37/118)发病初期血浆S100B浓度高于预后良好患者(8/118),差异具有统计学意义(中位数:47.71pg/L比26.24pg/L,P=0.003)。

        Lai和Rose纳入了13项研究对S100B蛋白在aSAH后EBI中的作用价值进行分析,结果显示,血清S100B蛋白水平升高与CT诊断的迟发性脑梗死和较差的格拉斯格昏迷量表评分相关(P值分别为3.1×10-4、5.5×10-11),而与影像学检查显示的血管痉挛或迟发性缺血性神经功能缺损之间无明显相关性(P=1.0)。因此,S100B蛋白被认为是神经特异性生物标志物,能反映中枢神经系统受损的严重程度,是aSAH预后不良的潜在靶标。

        Kumagai等发现,分子氢能减少S100B蛋白的表达,保护神经细胞免受活性氧侵害,改善aSAH后EBI程度,但该结论仍需通过进一步大样本研究证实。

        2.4Ang

        微血管内皮完整性对维持血-脑屏障具有重要意义。Ang作为一种促进血管生成的内皮生长因子蛋白,通过激活内皮连接受体酪氨酸激酶Tie-2磷酸化水平来调节血管稳态。Ang包括Ang-1和Ang-2两种类型,二者作用相反。Ang-1通过磷脂酰肌醇3激酶-丝氨酸-苏氨酸激酶信号途径促进血管平滑肌细胞成活,稳定血管通透性;而Ang-2与Ang-1竞争结合共同受体,促进血管平滑肌细胞坏死及凋亡。

        Ang-1和Ang-2通过平衡彼此的表达来调节微血管通透性。正常生理状态下,Ang-2水平极低,但当aSAH导致血-脑屏障被破坏后,小鼠大脑皮质、海马和微血管中Ang-1表达水平降低,Ang-2表达水平迅速增加,Ang-1与Ang-2比值在SAH后6h迅速下降,于SAH后第1天达到最低,其较肿瘤坏死因子α达峰值的时间(SAH后2d)更早,表明Ang-1和Ang-2在SAH后的早期阶段起着至关重要的作用。

        补充外源性Ang-1能减轻SAH相关血-脑屏障渗透性,改善SAH后大鼠的神经功能。因此,检测血清中Ang-2与Ang-1的比值有助于评估EBI的严重程度,维持Ang-1和Ang-2的动态平衡可能是预防SAH患者EBI的潜在治疗策略。

        2.5骨膜蛋白

        骨膜蛋白是分子量约为90kDa的糖蛋白,主要表达于灵长类动物的大脑皮质海马中,能促进成年皮质神经细胞神经突触的生长以及颗粒神经细胞和背根节神经细胞的发育,显著增强神经干细胞缺血缺氧后的增殖与分化。在小鼠SAH模型中,骨膜蛋白在内皮细胞及神经细胞中表达均上升,骨膜蛋白与生腱蛋白-C相互作用介导了血-脑屏障的破坏,导致EBI。

        Liu等在研究中发现,SAH24h后,血管内皮细胞和神经细胞产生了大量骨膜蛋白,其通过诱导生腱蛋白-C、p38蛋白激酶、细胞外信号调节激酶1/2和基质金属蛋白酶9上调导致血-脑屏障破坏,加剧脑水肿及神经系统损伤。

        尽管目前鲜有骨膜蛋白与aSAH相关的临床研究,但Dong等在临床研究中发现,重型脑损伤患者血清中骨膜蛋白浓度较健康对照组明显升高[246.5(164.5,328.6)μg/L比61.8(37.9,77.9)μg/L,P<0.01],与格拉斯哥昏迷量表评分呈独立负相关(t=-6.199,P<0.01);尤其当血清骨膜蛋白浓度高于308.2μg/L时,其预测30d病死率的敏感度为72.4%,特异度为78.2%(受试者工作特征曲线下面积为0.815,95%CI:0.737~0.878)。综上,血清骨膜蛋白可能与EBI密切相关。

        2.6Gal-3

        Gal-3是一种半乳糖凝集素,分子量约为30kDa,可以形成五聚体,主要在小胶质细胞、星形胶质细胞和少树突细胞中表达,是中枢神经系统主要的炎性反应介质。临床上,aSAH后24h血浆Gal-3水平增高者入院CT检查多显示SAH出血量大,且发病后6个月预后不良。

        另有研究表明,aSAH后第1~3天血浆Gal-3水平显著升高,急性期血浆Gal-3表达水平越高,迟发性脑缺血、脑梗死等神经血管事件的后续进展迅速,发病后90d预后越差;受试者工作特征曲线分析结果显示,血浆Gal-3水平预测迟发性脑缺血的敏感度达到90.9%;多因素分析结果显示,血浆Gal-3水平升高是不良预后的独立危险因素(OR=3.08,95%CI:1.58~6.00,P=0.001)。

        Gal-3在aSAH中的作用机制目前尚不明确,但其由胶质细胞分泌后可以发挥促炎作用,作为Toll样受体4的配体,可能与生腱蛋白-C结合,进一步活化小胶质细胞释放促炎因子,最终导致EBI。Nishikawa等建立SAH小鼠模型,进行反向研究后发现,Gal-3抑制剂改性柑橘果胶可以显著改善SAH小鼠的脑水肿和神经元评分,并减轻SAH后所致的血-脑屏障破坏,机制可能是通过抑制Toll样受体4结合并激活细胞外信号调节激酶1/2、信号转导和转录激活因子3及基质金属蛋白酶9来实现。

        综上,Gal-3可能是SAH后EBI的一个新的治疗靶点。EBI的发病机制十分复杂,其生物标志物与细胞损伤、代谢变化和血管张力等密切相关。目前针对上述生物标志物的研究主要集中在基础研究领域,临床研究相对较少。针对生物标志物的多中心研究将有助于EBI诊断和治疗监测,从而给aSAH患者带来福音。

        来源:张杰,彭俊.动脉瘤性蛛网膜下腔出血患者早期脑损伤生物标志物的研究进展[J].中国脑血管病杂志,2021,18(12):876-880.

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