體外循環(huán)腦損傷生化指標(biāo)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展

張從利(綜述),李曉紅(審校)

體外循環(huán)(extracorporeal circulation,ECC)應(yīng)用于心內(nèi)直視手術(shù)已有半個(gè)多世紀(jì),隨著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和臨床試驗(yàn)、實(shí)踐的逐漸深入,這項(xiàng)技術(shù)在不斷的發(fā)展和完善。該技術(shù)極大地推動(dòng)了心血管疾病外科治療的發(fā)展。目前,ECC心臟直視手術(shù)后,因心肌梗死、心力衰竭或致命性心律失常等直接心臟原因引起的死亡率明顯下降,但 ECC并發(fā)癥引起的死亡率卻呈逐漸上升趨勢[1]。腦損傷是 ECC的常見并發(fā)癥之一。ECC術(shù)后中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生率高達(dá) 1%～5%[2]。ECC引起腦損傷原因是多方面的。目前認(rèn)為與 ECC的低灌注狀態(tài)、腦缺血缺氧、腦栓塞、全身炎癥反應(yīng)綜合征(SIRS)、缺血/再灌注損傷以及血液稀釋[3]等因素有關(guān)。臨床工作中,及時(shí)發(fā)現(xiàn)腦損傷并準(zhǔn)確判斷其損傷程度十分重要,但如何更好地早期診斷 ECC引起的腦損傷 ,并對其嚴(yán)重程度及預(yù)后進(jìn)行評估,僅僅依靠影像學(xué)(CT、MRI、TCD等 )是不夠的,腦損傷生化指標(biāo)作為當(dāng)前醫(yī)學(xué)發(fā)展所關(guān)注的熱點(diǎn)之一,可作為影像學(xué)的重要補(bǔ)充。腦損傷生化指標(biāo)是指在腦組織發(fā)生損傷或腦血管發(fā)生病變時(shí),患者血或腦脊液中出現(xiàn)的可測定的且具有標(biāo)志性的物質(zhì)。本綜述主要討論近年來一些具有潛力的 ECC腦損傷早期診斷生化指標(biāo)在臨床上的應(yīng)用進(jìn)展。

1 S100蛋白

S100蛋白是 Moore于 1965年首次從牛腦中分離出來的一種酸性鈣結(jié)合蛋白,是一組廣泛分布于不同組織的神經(jīng)組織蛋白,其分子量在(10～12)×103,主要分布于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及相應(yīng)腫瘤細(xì)胞中。根據(jù)其亞單位結(jié)構(gòu)可分為 S100αα、S100αβ、S100 ββ三種,其中 S100ββ(S100B)具有高度神經(jīng)元特異性,只存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和(或)施旺細(xì)胞中,腦皮質(zhì)中濃度較高可達(dá) 96%。正常情況下 S100 B蛋白不能通過血腦屏障(BBB),正常成人及年齡大于 8歲的兒童血漿 S100B含量極低(＜0.05μg/L)。ECC時(shí),多種刺激因素作用下,神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞被激活,反應(yīng)性及膜通透性增加,內(nèi)皮細(xì)胞受損,S100B在病變腦組織表達(dá)增加,通過受損的BBB進(jìn)入血液。

有研究表明 S100B是目前判斷早期腦損傷的最特異的生化指標(biāo)[4]。谷興華等對 48例心臟手術(shù)患者進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn),ECC組(n=40)血清 S100B水平術(shù)后 24 h和 48 h[(0.61±0.18)μg/L和(0.37 ±0.12)μg/L]高于術(shù)前水平 (0.05±0.03)μg/L(P＜0.01),而術(shù)后 48 h血清 S100B水平與腦損傷指數(shù)(DQ)(DQ=異常變量數(shù)/總變量數(shù))呈正相關(guān)(r=0.739,P＜0.01)[5]。Georgiadis D指出術(shù)后24 h S100 B水平診斷腦損傷有 90%的敏感性和特異性[6]。這些數(shù)據(jù)均表明 S100 B對 ECC所致腦損傷有很高的預(yù)測價(jià)值。多項(xiàng)研究均證明,ECC結(jié)束和術(shù)后 24 h內(nèi)S100蛋白明顯增高的患者經(jīng) CT或磁共振掃描證實(shí)均出現(xiàn)腦梗塞[7]。血漿中的 S100表達(dá)升高可作為神經(jīng)系統(tǒng)損傷特異和敏感的標(biāo)志物[8],當(dāng)其血清濃度超過 0.5μg/L時(shí)具有病理意義[9]。

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)是一種可溶性胞漿蛋白,屬于烯醇化酶二聚體同工酶類,因其特異性地存在于神經(jīng)元和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞中,故稱為神經(jīng)元特異性烯醇化酶。腦內(nèi) NSE含量遠(yuǎn)高于周圍神經(jīng)中的含量。正常情況下,體液中 NSE含量很低,當(dāng)腦組織發(fā)生缺血、缺氧等損傷時(shí),腦組織細(xì)胞膜的完整性遭到破壞,大量NSE便可從細(xì)胞內(nèi)釋放出來,繼而進(jìn)入血液循環(huán)。體液中 NSE含量的增高,即可提示神經(jīng)細(xì)胞受損[10]。Johnsson等[11]在對 35名 ECC術(shù)后第二天的患者進(jìn)行 NSE和 S100蛋白檢測時(shí)發(fā)現(xiàn),8名術(shù)后有 CNS功能障礙的患者中 7人 NSE和 S100蛋白水平增高。腦損傷后星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生活化,這種活化先于缺血后的神經(jīng)元變性,因此 NSE的水平要晚于 S100蛋白水平而升高[12]。Woetrgen C在其2001年的研究中就已指出腦缺血損傷后血清NSE水平有明顯升高,且與腦缺血損傷的嚴(yán)重程度明顯相關(guān)[13]。在一比較性研究中,ECC術(shù)后患者血 NSE水平明顯高于術(shù)前(P＜0.01),且與 DQ正相關(guān)(r=0.371,P＜0.05)。研究結(jié)果顯示聯(lián)合檢測血清 S100B與 NSE的特異性最高[5]。

目前臨床上檢測 NSE的方法尚不成熟,不同方法所測 NSE水平存在一定差異。主要檢測方法有放射免疫法(RIA)及 ELISA,國外建立的 ELISA法靈敏度達(dá) 0.98μg/L,國內(nèi)檢測靈敏度為 2μg/L。RIA靈敏度高特異性好,對樣本要求也低,不需進(jìn)行純化可直接測定,但易引起污染[14]。

3 髓鞘堿性蛋白

髓鞘堿性蛋白(myelin base protein,MBP)是脊椎動(dòng)物 CNS少突膠質(zhì)細(xì)胞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)施旺細(xì)胞合成的一種不含脂及糖類的單純蛋白質(zhì),含有多種堿性氨基酸,是髓鞘蛋白的重要成分,約占髓鞘蛋白總量的 1/3。MBP是反應(yīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有無實(shí)質(zhì)性損害特別是髓鞘有無病變的一個(gè)特異性生物標(biāo)志物[15]。當(dāng)腦外傷引起神經(jīng)組織細(xì)胞破壞時(shí),MBP即進(jìn)入腦脊液,少部分隨受損的血腦屏障進(jìn)入血液,此時(shí) MBP會(huì)明顯增加。因此,腦脊液和血液 MBP含量的測定,是反應(yīng)腦、神經(jīng)組織細(xì)胞有無實(shí)質(zhì)性損傷的一個(gè)靈敏而可靠的指標(biāo)[16]。國內(nèi)張鐵錚對 ECC腦損傷患者所進(jìn)行的觀察研究發(fā)現(xiàn):患者術(shù)中和術(shù)后 MBP水平較術(shù)前均有所升高,且差異有顯著意義(P＜0.01)。術(shù)后 6 h,輕度腦損傷組 MBP濃度達(dá)(6.16±2.28)μg/L。術(shù)后 24 h,中重度腦損傷組可達(dá)(10.41±1.65)μg/L。多元回歸分析表明,MBP水平變化與術(shù)后美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表(NIHSS)評分呈高度正相關(guān),且術(shù)后 24 h二者相關(guān)性最高(r=0.87),而線性回歸分析則表明,MBP峰值的變化則與腦損傷的程度密切相關(guān)[1]。

4 興奮性氨基酸

興奮性氨基酸(excitatory am ino acid,EAAs)廣泛存在于哺乳類動(dòng)物 CNS的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),與多種神經(jīng)變性疾病有關(guān)。缺血、缺氧、創(chuàng)傷、中毒等因素均能觸發(fā) CNS的 EAAs過度興奮,當(dāng)能量代謝失衡時(shí),EAAs異常堆積,產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用。EAAs主要包括谷氨酸(Glu)、天冬氨酸 (Asp)。其中,Glu是 CNS內(nèi)含量最高,分布最廣,作用最強(qiáng)的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。谷氨酸作為重要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性神經(jīng)遞質(zhì),其功能是作為中樞興奮性神經(jīng)遞質(zhì)-γ-氨基丁酸(GABA)合成的前身物質(zhì),解氨毒及營養(yǎng)神經(jīng)。有國外研究證實(shí),谷氨酸介導(dǎo)的興奮毒作用對神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞都會(huì)產(chǎn)生明顯的損傷[17]。Kanthan[18]等用顱內(nèi)微透析技術(shù)測定人腦缺血模型細(xì)胞外液 Glu含量,發(fā)現(xiàn)缺血后立即出現(xiàn)Glu水平的升高,且其峰值濃度是正常值的 100倍。Nilsson于第二年用同樣檢測方法對 7例動(dòng)脈瘤破裂致蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的檢測發(fā)現(xiàn),出血發(fā)生后Glu聚集在腦組織的不同區(qū)域,且水平的高低與病情的發(fā)展密切相關(guān)[19]。國內(nèi)最近研究發(fā)現(xiàn)在腦出血的超早期(出血發(fā)生 ＜8 h)出血周圍腦組織中Glu,Asp明顯升高[20]。這些都說明了損傷腦組織周圍有 EAAs的大量聚集。ECC轉(zhuǎn)流的復(fù)溫期是造成腦氧供需失衡的時(shí)期。由于腦缺氧、能量代謝受阻,導(dǎo)致顱內(nèi)興奮性氨基酸與抑制性氨基酸失調(diào),其中 EAAs的毒性作用被認(rèn)為是造成腦損壞的重要因素,復(fù)溫速度越快,EAAs的毒性越大,腦損傷越嚴(yán)重[21]。但EAA能否作為早期診斷ECC腦損傷的生物標(biāo)志物,仍需進(jìn)一步的臨床研究來驗(yàn)證。

5 肌酸激酶同功酶

肌酸激酶(CK)有三種主要的同工酶(CKMM、CK-MB和 CK-BB)。其中,人的肌酸激酶腦型同工酶(CK-BB)在腦和脊髓中含量最高,且均勻地分布于膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中。理論上認(rèn)為,腦脊液 CK-BB活性檢測更直接和準(zhǔn)確,但對于顱腦損傷患者行腦室穿刺或腰穿可增加誘發(fā)腦疝的風(fēng)險(xiǎn)。血清和腦脊液 CK-BB活性密切相關(guān),因而血清 CK-BB分析可取代腦脊液 CK-BB活性檢測。ECC心內(nèi)直視手術(shù)中,尤其當(dāng)主動(dòng)脈夾閉后心肌缺氧,局部代謝產(chǎn)物堆積,微循環(huán)進(jìn)一步酸化,ATP酶活性下降,當(dāng)開放主動(dòng)脈、心臟恢復(fù)血流灌注后,常發(fā)生心肌缺血-再灌注損傷。此時(shí),血清和腦脊液中 CK-BB含量很快升高,作為腦損傷的特異性量化指標(biāo)有很高的臨床價(jià)值。吳英[22]對腦損傷患者進(jìn)行的一前瞻性研究中觀察了 79例腦損傷患者與50例非腦損傷患者血 CK同工酶水平變化情況,發(fā)現(xiàn)腦損傷患者于損傷發(fā)生后 5天內(nèi)出現(xiàn) CK-MB的顯著升高(P＜0.05),而 CK-BB條帶則更早,出現(xiàn)于損傷發(fā)生后的 2天內(nèi)。大部分患者隨著病情的好轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn) CK-MB和 CK-BB的降低,3例持續(xù)增高患者中 2例死亡,另一例病情惡化。進(jìn)一步證實(shí)了 Delanghe JR等在 1990年的研究發(fā)現(xiàn),即:血清 CK-BB活性高低與原發(fā)性腦實(shí)質(zhì)損傷程度成正比,腦損傷程度越重,對實(shí)質(zhì)造成破壞范圍越大,CK-BB活性越高[23]。而 CK-MB的增高可能是由于患者腦組織的嚴(yán)重破壞引起大量炎性介質(zhì)及細(xì)胞因子的釋放,引發(fā)的 SIRS導(dǎo)致多器官功能受損以致衰竭,心臟的受累導(dǎo)致 CK-MB水平升高。

6 其 它

He ZJ等探討基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrixmetalloproteinase-9,MMP-9)及 MMP-9 mRNA在行心肺復(fù)蘇術(shù)(CPR)大鼠表達(dá)情況的一前瞻性研究,復(fù)蘇組大鼠在 CPR 3 h后表達(dá)水平顯著上調(diào),24 h達(dá)高峰。BBB也有明顯改變。這些改變與假手術(shù)對照組相比具有顯著意義[24]。國內(nèi)宋林杰[25]等積累了充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),證實(shí)彌漫性腦損傷(DBI)大鼠早期 MMP-9及其抑制劑(TIMP-1)表達(dá)水平的上調(diào)會(huì)引起甚至加重繼發(fā)性腦損害。然而對 MMP-9在人腦損傷尤其 ECC腦損傷表達(dá)情況及其臨床診斷價(jià)值的相關(guān)報(bào)道卻很少。最近,有學(xué)者提出 γ-氨基丁酸(GABA)[26],乳酸脫氫酶(LDH)同工酶作為腦損傷患者早期診斷,療效觀察的檢測指標(biāo)在臨床上有重要價(jià)值。這些都需要進(jìn)一步的臨床研究,尤其是多中心協(xié)作研究,以確認(rèn)這些生物標(biāo)志物在ECC腦損傷早期診斷中的實(shí)際應(yīng)用效果。

7 結(jié) 語

近年來,盡管對腦損傷的診斷和治療取得了一定的進(jìn)展,但由于高難度手術(shù)開展的增多,對于ECC術(shù)后,特別是術(shù)后尚未清醒、仍需呼吸機(jī)輔助呼吸的患者,是難以依靠臨床神經(jīng)檢查(CT、MRI、TCD等)來診斷其腦損傷程度的,此時(shí),上述生化指標(biāo)的監(jiān)測即可發(fā)揮重要作用。在臨床上,生化指標(biāo)的檢測與臨床影像的聯(lián)合應(yīng)用,可以早期、準(zhǔn)確的反映 ECC術(shù)后腦損傷程度,并可采取及時(shí)、有效的預(yù)防和治療等措施,改善 ECC術(shù)后腦損傷患者的預(yù)后。聯(lián)合監(jiān)測使得多中心協(xié)作成為可能,可更好地進(jìn)行有潛質(zhì)的 ECC腦損傷生物標(biāo)志物的對比研究,其目標(biāo)就是建立有效的 ECC腦損傷生物標(biāo)志物評估體系,以便早期診斷、早期治療,最大限度減少腦損傷程度,改善轉(zhuǎn)歸及預(yù)后是眾多研究者的共同追求。

[1]張鐵錚,張宇鵬,鄭斯聚 .體外循環(huán)腦損傷生化標(biāo)志物研究進(jìn)展.中國體外循環(huán)雜志 [J],2008,6(2):119-121.

[2]Arrowsm ith JE,Grocott HP,Reves JG,et al.Central nervous system complications of cardiac surgery[J].Br J Anaesth,2000,84(3):387-393.

[3]Raimondo A,Arup G,Barnaby C,et al.Retinal and cerebral Microembolization during coronary artery bypass surgery[J].Cardiovascu Surg,2005,112(12):3833-3838.

[4]Herrmann M,Ebert AD,Galazky I,et al.Neurobehavioral outcome prediction after cardiac surgery:role of neurobiochenical marker of damage to neuronal and glial brain tissue[J].Stroke,2000,31(3):645-650.

[5]谷興華,張供,張希全,等.血清蛋白 B亞型和神經(jīng)元特異性烯醇化酶對早期判斷體外循環(huán)術(shù)后腦損傷的意義[J].中華醫(yī)學(xué)雜志,2007,87(14):975-977.

[6]GeorgiadisD,BergerA,Kowatschev E,et al.Predictive value of S-100beta and neuron-specific enolase serum levels for adverse neurologic outcome after cardiacsurgery[J].JThorac Cardiovasc Surg,2000,119(1);138-147.

[7]高國棟,龍村.體外循環(huán)術(shù)后早期評價(jià)腦損傷的指標(biāo):S100蛋白[J].中國體外循環(huán)雜志,2003,1(1):54-57.

[8]Lardner D,Davidson A,McKenzie I,et al.Delayed rises in serum S100B levels and adverse neurological outcome in infants and children undergoing cardiopulmonary bypass[J].Paediatr Anaesth,2004,14(6):495-500.

[9]Jonsson H,Johnsson P,Hoglund P,etal.Elimination of S100B and renal function after cardiac surgery[J].JCardiothoracVasc Anesth,2000,14(6):698-701.

[10]王淑貞,馬馳騁,曹麗麗,等.老年腦卒中患者血清神經(jīng)元特異性烯醇化酶的測定及意義[J].中國老年學(xué)雜志,2006,26(3):410-411.

[11]Johnsson P,BlomquistS,Luhrs C,et al.Neuron specific enolase increases in plasma during and immediately after extracorporeal circulation[J].Ann Thorac Surg,2000;69(3):750-754.

[12]Kleine TO,Benes L,Zofel P.Studies of the brain specificity of S100B and neuron specific enolase(NSE)in blood serum of acute care patients[J].Brain Res Bull,2003,61(3):265-279.

[13]Wocktgem C,Roberil RD.Neuron-specific enolase serum levels after controned corial impact injury in the rat[J].Journal of Neurotrauma,2001,8(5):569-573.

[14]董懷平,李慶敏.腦脊液神經(jīng)元特異性烯醇化酶的檢測在顱腦外傷中的意義[J].國際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志,2006,27(6):561-563.

[15]Wunderlich MT.Wallesch CW,Goertler M.Release ofneurobiochem icalmarkersofbrain damage is related to the neurovascular status on admission and the site ofarterial occlusion in acute ischem ic stroke[J].JNeurol Sci,2004,227(1):49-53.

[16]王忠誠.王忠誠神經(jīng)外科學(xué)[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2005:169-179.

[17]Verkhratsky A,Kirchhoff F.Glutamate-mediated neuronal-glial transmission[J].JAnat,2007,210(6):651-660.

[18]Kanthan R,Shuaib A,GriebelR,etal.Intracerebralhuman microdialysis:in vivo study ofan acute focal ischemicmodel of the human brain[J].Stroke,1995,26(5):870-873.

[19]Nilsson OG,Saveland H,Boris-Moller F,et al.Increased levels of glutamate in patients with subarachnoid haemorrhage asmeasured by intracerebral microdialysis[J].Acte Neurochir Suppl,1996,67:45-47.

[20]尹曉亮,張新慶,張智敏,等.腦出血后腦組織中興奮性氨基酸與腦損傷的關(guān)系[J].中國卒中雜志,2008,3(8):572-575.

[21]李雯,王祥瑞.體外循環(huán)復(fù)溫速度對顱內(nèi)血漿氨基酸、氧自由基及乳酸代謝的影響[J]臨床麻醉學(xué)雜志,2004,20(7):393-396.

[22]吳英.腦損傷患者血清肌酸激酶及乳酸脫氫酶同工酶的分析與臨床應(yīng)用[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,33(3):113-115.

[23]Delanghe JR,DeWinter HA,De Buyzere ML,et a l.Mass concentration measurements of creatine kinase BB isoenzyme as an index of brain tissue damage[J].Clin Chim Acta,1990,193(3):125-135.

[24]He ZJ,Zou ZJ,Chen XT.Exploration of the effect of inhibitor ofmatrix metalloproteinase-9 on blood brain barrier in cardiopulmonary resuscitation in rats[J].Zhongguo Wei Zhong Bing Ji Jiu Yi Xue,2009,21(6):337-339.

[25]宋林杰,張秀萍,王翀,等.MMP-9/TIMP-1在大鼠彌漫性腦損傷后早期的表達(dá)及意義[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2008,46(11):1041-1044.

[26]黃甫,陳余碩,劉見希,等.大鼠彌漫性腦損傷后 MMP-9和 GABA表達(dá)變化的研究[J].心腦血管病防治,2009,9(1):23-25.