急性脊髓損傷生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展

閔令霞，劉宏亮，段霞，黃艷艷，侯景明

脊髓損傷(Spinal Cord Injury，SCI)是人類常見致殘因素之一，平均發(fā)病率約為每10萬人10.5例[1]。在臨床實(shí)踐中，部分脊髓損傷患者的功能恢復(fù)存在明顯的異質(zhì)性，一些損傷節(jié)段和損傷水平相似的患者功能恢復(fù)也可能存在明顯差異性[2-3]。目前評(píng)估急性脊髓損傷患者嚴(yán)重程度和預(yù)后的臨床措施主要依靠美國(guó)脊髓損傷協(xié)會(huì)(the American Spinal Injuries Association, ASIA)評(píng)分[4]。ASIA評(píng)分在臨床實(shí)踐中卻存在一定的局限性[5]，主要包括：①評(píng)分相對(duì)比較耗時(shí)；②若患者出現(xiàn)昏迷、鎮(zhèn)靜、插管或伴有多種其他損傷(包括潛在的創(chuàng)傷性腦損傷)都可能影響其參與ASIA評(píng)定；③脊髓損傷早期由于脊髓休克的存在，使ASIA評(píng)分在早期應(yīng)用受到一定限制。基于上述限制，目前臨床急需通過尋找其他輔助指標(biāo)來準(zhǔn)確評(píng)估脊髓損傷患者的損傷程度和臨床預(yù)后。近年來隨著分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，眾多文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)腦脊液和血清中一些結(jié)構(gòu)蛋白或者炎性因子能夠反映脊髓損傷的程度。本綜述將結(jié)合近年來相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)展，對(duì)脊髓損傷后常見的生物標(biāo)記物進(jìn)行總結(jié)回顧，并對(duì)接下來的研究方向進(jìn)行了初步展望。

1 結(jié)構(gòu)生物標(biāo)志物

脊髓損傷會(huì)導(dǎo)致血-脊髓屏障的破裂，同時(shí)伴有脊髓神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的損害。神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的損傷會(huì)導(dǎo)致生物標(biāo)志物(主要是細(xì)胞成分)的釋放，并在腦脊液和血液中積累，使這些生物標(biāo)志物可以作為脊髓損傷嚴(yán)重程度和康復(fù)預(yù)后的指標(biāo)。

1.1 S100鈣結(jié)合蛋白 S100鈣結(jié)合蛋白(S100 Calcium-Binding Protein β, S100β)是一種鈣結(jié)合蛋白，主要存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞和雪旺細(xì)胞中，并參與鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞增殖和分化等功能[6]。動(dòng)物模型中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)損傷后的6h，S100β蛋白在血清和腦脊液中迅速升高并持續(xù)至24h，24h后其在血清中濃度恢復(fù)到正常水平，以上結(jié)果顯示出S100β作為診斷損傷工具的前景[7]。然而，血清S100β濃度作為衡量損傷嚴(yán)重程度的生物標(biāo)記物指標(biāo)存在一些爭(zhēng)議。因?yàn)镾100β還存在于脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和黑素細(xì)胞中，若其在這些組織里釋放可能會(huì)混淆對(duì)濃度升高的解釋[8]。針對(duì)爭(zhēng)議，Du等[9]將60例患者分為良好恢復(fù)組(傷后6個(gè)月ASIA評(píng)分改善1級(jí)或1級(jí)以上)和中等恢復(fù)組(傷后6個(gè)月ASIA評(píng)分改善小于1級(jí))，動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：損傷后2周內(nèi)兩組血清S100β水平均升高，傷后第4d達(dá)到高峰，傷后2周均降至較低水平；兩周監(jiān)測(cè)周期中，良好恢復(fù)組的濃度始終明顯低于中等恢復(fù)組。由此表明，血清S100β蛋白水平可反映脊髓損傷程度，是急性脊髓損傷預(yù)后的潛在生物標(biāo)志物。

1.2 神經(jīng)元特異性烯醇化酶 神經(jīng)元特異性烯醇化酶(Neuron-Specific Enolase, NSE)是一種糖酵解酶，主要分布于神經(jīng)元和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞的胞漿中。在正常情況下不會(huì)釋放到細(xì)胞外介質(zhì)，只有在軸突受損后釋放，以重建細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[10]。Wolf等[11]發(fā)現(xiàn)，中度和重度脊髓損傷大鼠的腦脊液和血漿中NSE水平在6h明顯高于輕度損傷大鼠。Du等[9]研究顯示與S100β類似，患者脊髓損傷2d后血清NSE濃度達(dá)到峰值，隨后逐漸下降；且良好恢復(fù)組的NSE濃度明顯低于中等恢復(fù)組，表明血清中NSE蛋白水平可反映脊髓損傷程度，可用于急性脊髓損傷預(yù)后判斷。

1.3 神經(jīng)絲蛋白 神經(jīng)絲蛋白(Neurofilaments, NF)是軸突細(xì)胞骨架的重要組成部分，與其他細(xì)胞骨架蛋白相互作用，主要調(diào)節(jié)軸突運(yùn)輸和神經(jīng)元信號(hào)[12]。在繼發(fā)性損傷的發(fā)展過程中，隨著細(xì)胞凋亡和神經(jīng)炎癥達(dá)到頂峰，NF會(huì)和其他細(xì)胞質(zhì)成分一起泄漏到細(xì)胞外。NF可分為3個(gè)主要亞基：輕鏈(Neurofilament-light, NF-L)、中鏈(Neurofilament-medium, NF-M)和重鏈(Neurofilament-heavy, NF-H)。磷酸化的NF-H(Phosphorylated NF-H，pNF-H)被認(rèn)為可能是神經(jīng)損傷后在血清或腦脊液中最容易檢測(cè)到的，因?yàn)樗鼘?duì)蛋白酶降解具有相對(duì)抵抗力[13]。因此，檢測(cè)血清或腦脊液中的這種蛋白可能會(huì)提供有關(guān)神經(jīng)元丟失的信息。在一項(xiàng)因胸腰椎間盤突出癥引起的犬嚴(yán)重脊髓損傷研究中，pNF-H濃度在14d達(dá)到峰值，在56d仍可檢測(cè)到[14]。Ahadi等[15]的報(bào)道顯示35例急性脊髓損傷患者血清中pNF-H升高。這些研究表明，pNF-H有可能成為預(yù)測(cè)脊髓損傷急性期預(yù)后的生物標(biāo)志物。NF-L也被認(rèn)為是脊髓損傷的潛在生物標(biāo)志物。Kuhle等[16]將4例脊髓綜合征患者和23例不同程度運(yùn)動(dòng)功能喪失的脊髓損傷患者與67名健康對(duì)照者對(duì)照，結(jié)果顯示NF-L血清水平在最初的24h內(nèi)顯著增加，并一直保持在較高水平至受傷后一周(預(yù)后不佳的患者中，NF-L濃度升高最明顯)。

1.4 膠質(zhì)纖維酸性蛋白 膠質(zhì)纖維酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP)是星形膠質(zhì)細(xì)胞中大量存在的不溶性中間絲，其在脊髓損傷后釋放的可溶片段，可在腦脊液和血清中檢測(cè)到[17-18]。Olby等[14]研究了犬脊髓損傷模型中GFAP的表達(dá)情況：血液中GFAP濃度在1～3d明顯升高，其后逐漸降低，在第14天檢測(cè)不到。最近一項(xiàng)針對(duì)50名急性脊髓損傷患者的研究發(fā)現(xiàn)，腦脊液中的GFAP濃度不僅與損傷的嚴(yán)重程度(根據(jù)ASIA分級(jí))相關(guān)，而且可以預(yù)測(cè)未來康復(fù)預(yù)后的情況[5]。Ahadi等[19]針對(duì)35名不同嚴(yán)重程度的脊髓損傷患者的研究發(fā)現(xiàn)，損傷后24h患者血清中GFAP水平明顯高于健康對(duì)照組，不同損傷程度之間也有顯著性差異，說明GFAP水平可以評(píng)估脊髓損傷的嚴(yán)重程度。Yokobori等[18]縱向分析顯示大鼠脊髓損傷后4h腦脊液中GFAP含量最高，傷后24h和48h腦脊液中GFAP含量逐漸降低，慢性期GFAP含量有待進(jìn)一步研究。

1.5 泛素羧基末端水解酶L-1 泛素羧基末端水解酶L-1(Ubiquitin Carboxy-Terminal Hydrolase L1, UCHL-1)是一種脫泛素酶，參與蛋白質(zhì)中泛素的添加或去除。一項(xiàng)針對(duì)大鼠脊髓損傷的研究發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后4h血清中UCHL-1的濃度達(dá)到26.2ng/ml，在24h降為4.58ng/ml，為脊髓損傷提供了一個(gè)可量化的急性標(biāo)志物指標(biāo)[20]。目前，臨床上已研制出可檢測(cè)UCHL-1的超靈敏免疫傳感器[21]，這表明其作為生物標(biāo)記物在檢測(cè)脊髓損傷程度中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1.6 基質(zhì)金屬蛋白酶 基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix Metalloproteinases, MMPs)是一類鋅結(jié)合蛋白水解酶，組織損傷后其過多的蛋白水解活性可能是有害的，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的破壞。Moghadam等[22]發(fā)現(xiàn)MMP-10和MMP-12血清濃度過低未能檢測(cè)到，MMP-2、MMP-8和MMP-9外周血濃度可以用來監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)脊髓損傷后的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)情況。

1.7 髓鞘堿性蛋白 髓鞘堿性蛋白(Myelin Basic Protein, MBP)是一種由少突膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，主要參與軸突髓鞘的形成。Hesp等在脊髓挫傷大鼠和小鼠損傷模型中發(fā)現(xiàn)，傷后3個(gè)月，MBP在新形成的少突膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)并伴有新髓鞘的形成[23]。Zhang等[24]分析了豬脊髓損傷模型，結(jié)果表明傷后3h血清和腦脊液中MBP含量顯著升高。因此，MBP被認(rèn)為是脊髓損傷后恢復(fù)過程中髓鞘再生的潛在指標(biāo)。

2 炎性生物標(biāo)志物

脊髓損傷后由于血-脊髓屏障的破壞會(huì)導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子和其他炎癥介質(zhì)如白細(xì)胞介素和腫瘤壞死因子在腦脊液中積聚，最終可能會(huì)滲出到血清中，使這些分子成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷嚴(yán)重程度或修復(fù)的潛在生物標(biāo)志物。

2.1 白細(xì)胞介素1β 白細(xì)胞介素1β(Interleukin 1 beta, IL-1β)是炎癥的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，主要調(diào)節(jié)細(xì)胞粘附分子的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)白細(xì)胞遷移到損傷部位[25]。Biglari等[26]發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后IL-1β水平在4h～1周之間波動(dòng)較大，隨后在2周～12周之間呈下降趨勢(shì)，這表明隨時(shí)間測(cè)定IL-1β水平有助于追蹤脊髓損傷的進(jìn)程。

2.2 白細(xì)胞介素6 白細(xì)胞介素6(Interleukin 6, IL-6)是由白細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子之一，主要調(diào)節(jié)和刺激免疫功能和免疫細(xì)胞的生長(zhǎng)。Bank等[27]的研究顯示脊髓損傷患者的血清中IL-6水平明顯升高。最近，Kwon等[5]證明在人類損傷的急性期(≤48h)，可以通過評(píng)估腦脊液中促炎癥細(xì)胞因子IL-6和IL-8的濃度，確定損傷的嚴(yán)重程度和神經(jīng)功能的改善情況。上述研究表明，IL-6是脊髓損傷后的一種潛在的炎癥生物標(biāo)記物。

2.3 腫瘤壞死因子 腫瘤壞死因子(Tumor Necrosis Factor-Alpha，TNF-α)是一種主要由小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的促炎細(xì)胞因子，對(duì)細(xì)胞增殖分化、免疫、炎癥和凋亡等細(xì)胞反應(yīng)具有多效性作用[28]。創(chuàng)傷后的細(xì)胞與常駐的小膠質(zhì)細(xì)胞一起分泌TNF-α，這增加了損傷的整體炎癥壓力[4]。Biglari等[26]測(cè)定23例脊髓損傷患者傷后AISA改善組在9h的TNF-α mRNA水平明顯低于無改善組。此外，Xu等[29]發(fā)現(xiàn)血清中TNF-α濃度的增加與神經(jīng)病理性疼痛風(fēng)險(xiǎn)的增加有關(guān)，這表明TNF-α可以預(yù)測(cè)脊髓損傷患者的慢性神經(jīng)病理性疼痛。

2.4 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(Transforming Growth Factor-beta, TGF-β)在血管損傷后會(huì)阻礙軸突延伸，促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞增生和蛋白多糖的積累[30]。在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人的多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變(包括炎癥、退行性疾病和創(chuàng)傷)中，TGF-β1和TGF-β2迅速而豐富地表達(dá)[31]。Ferbert等[32]發(fā)現(xiàn)TGF-β1在急性和亞急性損傷階段的初始濃度低，隨后顯著升高，提示TGF-β有可能用于預(yù)測(cè)脊髓損傷的進(jìn)展。

2.5 胰島素樣生長(zhǎng)因子1 胰島素樣生長(zhǎng)因子1(Insulin-Like Growth Factor-1, IGF-1)是一種由多種細(xì)胞(包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞)產(chǎn)生和分泌的蛋白質(zhì)激素，它也是一種重要的生長(zhǎng)因子，參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，以及損傷或病理過程后的恢復(fù)[33]。Moghadam等[34]在一項(xiàng)由45名創(chuàng)傷性脊髓損傷患者組成的臨床研究中，對(duì)創(chuàng)傷后1周的外周血清中的IGF-1進(jìn)行了測(cè)定，神經(jīng)功能改善的患者在亞急性和慢性期(脊髓損傷后7、14和56d)升高，這表明IGF-1濃度越高，神經(jīng)功能恢復(fù)越好。

2.6 趨化因子 趨化因子是脊髓損傷后立即釋放的第一批炎癥介質(zhì)，在脊髓損傷后第二階段的單核細(xì)胞募集中發(fā)揮重要作用，對(duì)神經(jīng)功能的緩解有重要影響。單核細(xì)胞趨化蛋白1(Monocyte Chemoattractant Protein-1, MCP-1)，也被稱為CCL-2，主要在脊髓損傷第二階段開始和軸突退變開始期間表達(dá)，其在I型單核細(xì)胞募集中起重要作用。Kwan等[5]對(duì)27例不同ASIA分級(jí)的完全性脊髓損傷患者進(jìn)行追蹤，結(jié)果表明腦脊液中MCP-1水平與損傷嚴(yán)重程度相關(guān)。Heller等[35]還發(fā)現(xiàn)，在入院后1h和9h，神經(jīng)改善患者的CCL-2和CCL-4的水平顯著降低，而CCL-3和CXCL-5的水平?jīng)]有顯著變化。趨化因子CXC基序配體12(CXCL12)，原名基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(Stromal cell-Derived Factor-1, SDF-1)越來越受到人們的關(guān)注。SDF-1通過與趨化因子受體CXCR4相互作用介導(dǎo)干細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的趨化遷移[36-37]。另一項(xiàng)研究表明脊髓損傷組SDF-1和CXCR4的表達(dá)在術(shù)后28d低于空白對(duì)照組和假手術(shù)組[38]。

3 其他炎性生物標(biāo)志物

脊髓損傷可以影響干擾素γ、巨噬細(xì)胞遷移抑制因子(Migration Inhibitory Factor, MIF)和星形細(xì)胞磷酸蛋白(Astrocytic Phosphoprotein 15, PEA15)水平。Wang等研究顯示，脊髓損傷組干擾素-γ的表達(dá)在術(shù)后28d高于空白對(duì)照組和假手術(shù)組[38]。PEA15也被證明從受傷的小鼠和人類的星形膠質(zhì)細(xì)胞中釋放出來，這與受損的星形膠質(zhì)細(xì)胞的耗竭有關(guān)[39-40]。有趣的是，在小鼠擠壓脊髓損傷后，PEA15也急劇耗盡，并在隨后的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生過程中表達(dá)上調(diào)[40]。sCD95L又稱Fas配體，在脊髓損傷的急性期和亞急性期，細(xì)胞凋亡對(duì)神經(jīng)元的損傷較多，它是驅(qū)動(dòng)這種凋亡反應(yīng)的關(guān)鍵[41]。Biglari等[42]以23例創(chuàng)傷性脊髓損傷患者為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后24h內(nèi)血清中sCD95L濃度明顯下降，然后濃度上升，在8周時(shí)變得明顯高于入院水平。Ferbert等[32]分析了sCD95L水平在傷后12周神經(jīng)功能恢復(fù)較差的患者中顯著升高。

4 總結(jié)和展望

在本綜述中，我們總結(jié)了脊髓損傷領(lǐng)域生物標(biāo)記物的現(xiàn)狀，文中提到的生物標(biāo)志物可以為脊髓損傷的早期評(píng)估提供更多的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而當(dāng)前的生物標(biāo)記物研究依然存在以下方面的不足：①目前脊髓損傷早期的生物標(biāo)志物有很多，很少有臨床研究能夠表明生物標(biāo)記物中哪些與病情嚴(yán)重程度或預(yù)后之間最相關(guān)，明確哪些生物標(biāo)記物最適合對(duì)損傷早期嚴(yán)重程度和預(yù)后的評(píng)估是今后臨床脊髓研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。②雖然研究結(jié)果表明結(jié)構(gòu)蛋白和炎癥指標(biāo)可能有助于評(píng)估脊髓損傷的嚴(yán)重程度和預(yù)測(cè)神經(jīng)預(yù)后，但目前證據(jù)水平普遍較低。未來還需要高質(zhì)量的前瞻性臨床研究，對(duì)生物標(biāo)志物的敏感性、特異性和預(yù)測(cè)性進(jìn)行嚴(yán)格的分析。③腦脊液生物標(biāo)志物雖然濃度遠(yuǎn)高于血清中的濃度，但在臨床實(shí)踐中獲取腦脊液操作比較復(fù)雜，且可能導(dǎo)致硬膜外血腫。因而，血液中生物標(biāo)記物的建立將具有更為重要的臨床實(shí)用意義。④許多潛在的生物標(biāo)記物大部分在動(dòng)物階段，臨床研究相對(duì)缺乏[43]。由于人體和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在脊髓損傷性質(zhì)上的差異，導(dǎo)致在人體上并不一定能夠適用。鑒于以上不足，探索更加準(zhǔn)確、方便的生物標(biāo)志物依然是未來脊髓損傷研究的重點(diǎn)方向之一。