顱腦損傷后神經(jīng)代謝多模型成像

李瑞力 楊明飛

(勝利油田中心醫(yī)院，山東 東營(yíng) 257000)

顱腦損傷(TBI)是引起人類(lèi)殘疾和死亡的主要原因。TBI的遠(yuǎn)期影響包括神經(jīng)脆弱性及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的增加。此外，阿爾茨海默病(AD)風(fēng)險(xiǎn)在不同程度的TBI患者中上升至2.3～4.5倍。越來(lái)越多的試驗(yàn)注重用影像學(xué)技術(shù)研究TBI〔1〕。隨著代謝化合物在神經(jīng)影像學(xué)中的發(fā)展，用無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)技術(shù)研究TBI后腦功能成像成為現(xiàn)實(shí)，如磁共振成像(MRI)、功能MRI(fMRI)、磁共振波譜(MRS)、彌散加權(quán)成像(DWI)、彌散張量成像(DTI)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù)(SPECT)、正電子放射斷層攝像術(shù)(PET)。這些影像技術(shù)的聯(lián)合使用，顯著促進(jìn)了TBI后神經(jīng)化學(xué)及神經(jīng)生理學(xué)的發(fā)展〔2〕。但目前仍主要應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，研究技術(shù)及確切發(fā)展機(jī)制仍有待進(jìn)一步提高。本文描述TBI如何影響重要神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)代謝，并總結(jié)已證實(shí)可用于監(jiān)測(cè)創(chuàng)傷后代謝變化的新方法。

1 缺氧及氧化應(yīng)激

缺氧和氧化應(yīng)激作用是TBI后細(xì)胞損傷的兩種主要驅(qū)動(dòng)因素。由于無(wú)法將氧氣供給神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致大量生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)啟動(dòng)，并引起繼發(fā)性損傷。因此，繪制大腦中氧利用度為重要的神經(jīng)影像目標(biāo)。一項(xiàng)評(píng)測(cè)攝氧分?jǐn)?shù)的PET成像方法，將放射性臭氧分子(15O-O2)靜脈注射入動(dòng)物模型，以獲取氧利用度〔3〕。17O2MRI成像已在人類(lèi)試驗(yàn)中進(jìn)行〔4〕，應(yīng)用于臨床的非侵入性操作仍為主要的發(fā)展目標(biāo)。

TBI后ATP代謝能力對(duì)能量產(chǎn)生與消耗的研究有重大意義。磷(P)在氧化磷酸化作用中是必需的，且MRI技術(shù)可識(shí)別ATP產(chǎn)生異常的腦區(qū)域。31P是磷元素的穩(wěn)定同位素，有關(guān)MRS研究表明31P的濃度和空間分布圖可反映腦組織ATP水平的變化〔5〕。31P也可用于MRI，但受限于腦組織中相對(duì)較低的P濃度，高磁場(chǎng)MRI掃描或許可使31P的應(yīng)用更普遍。TBI后血腫內(nèi)的鐵元素(Fe)，可通過(guò)增加自由基使抗壞血酸進(jìn)一步加重氧化應(yīng)激作用?？箟难峥赏ㄟ^(guò)放射性碳(C)元素監(jiān)測(cè)，特別是13C可用于氧化還原狀態(tài)變化的研究〔6〕。

TBI后，腦血流量(CBF)降低引起供血區(qū)域線粒體損傷，導(dǎo)致神經(jīng)元由有氧代謝轉(zhuǎn)變無(wú)氧代謝狀態(tài)，并引起活性氧簇(ROS)增加〔7〕。ROS可引起多種代謝途徑障礙，如脂質(zhì)過(guò)氧化作用導(dǎo)致的級(jí)聯(lián)反應(yīng)可破壞細(xì)胞膜的完整性。細(xì)胞膜的損傷導(dǎo)致花生四烯酸(AA)進(jìn)入胞質(zhì)，通過(guò)脂氧合酶氧化作用形成白三烯(LT)A4，進(jìn)一步激活LT受體。LT及其他ROS影響可通過(guò)3H放射性同位素〔一種含有3H(氚)的放射性追蹤劑〕監(jiān)測(cè)，并可用3H追蹤劑反映ROS水平〔8〕。

傷后腦內(nèi)pH繼發(fā)性下降導(dǎo)致酸中毒及Fe2+從血紅蛋白中分解〔9〕，F(xiàn)e2+通過(guò)分解過(guò)氧化氫(H2O2)形成正鐵血紅蛋白。自由Fe2+濃度的波動(dòng)可以通過(guò)MRI弛豫現(xiàn)象的變化監(jiān)測(cè)。TBI后正鐵血紅蛋白進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高鐵血紅素，而高濃度的高鐵血紅素對(duì)各種細(xì)胞均有毒性作用。氧化應(yīng)激作用可導(dǎo)致脫氧核糖核酸(DNA)部分破壞，同時(shí)過(guò)高的離子濃度可直接破壞DNA完整性及生物活性。TBI后血腫壓迫周?chē)?，加重腦組織缺血并導(dǎo)致梗死或腦疝形成。通過(guò)Fe的磁性特征，可利用梯度回波(GRE)T2加強(qiáng)權(quán)及磁敏感加權(quán)成像(SWI)排除腦內(nèi)出血〔10〕。出血部位的血流量可通過(guò)磁共振血管造影(MRA)成像，顯著提高TBI后監(jiān)測(cè)損傷進(jìn)展的能力。

2 代謝產(chǎn)物

TBI后主要代謝產(chǎn)物是研究神經(jīng)代謝成像的基礎(chǔ)。通常使用水抑制1H MRS評(píng)測(cè)N-乙酰天門(mén)冬氨酸(NAA)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的水平。NAA與肌酸(Cre)比值的動(dòng)態(tài)變化可作為神經(jīng)元完整性的標(biāo)志。TBI后24 h內(nèi)NAA/Cre下降，且傷后4 h內(nèi)更為顯著〔11〕。NAA水平下降在傷后10 min內(nèi)即可通過(guò)MRS監(jiān)測(cè)，且僅部分可恢復(fù)正常。由于NAA及相關(guān)代謝產(chǎn)物與神經(jīng)元完整性破壞及神經(jīng)遞質(zhì)水平變化密切相關(guān)，因此，了解NAA水平影響神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的過(guò)程非常重要。TBI初始研究中，這些化合物可作為神經(jīng)代謝障礙的生物標(biāo)志物。重要的是，NAA是合成乙酰輔酶A的必要載體，也為合成髓鞘必需的。脫髓鞘和髓鞘密度降低可采用T1和T2加權(quán)(注射含釓的造影劑后)或大分子質(zhì)子分?jǐn)?shù)成像(PFI)，并通過(guò)大分子質(zhì)子非共振頻率的飽度來(lái)推斷信號(hào)強(qiáng)度〔12〕。NAA為乙酰膽堿(Ach)的前體，可調(diào)節(jié)Ach水平，因此NAA水平的下降往往伴隨Ach減少。123I放射性同位素具有逐漸衰減的特性，使得該元素大腦的空間分布可以通過(guò)123I-5-IA SPECT技術(shù)量化〔13〕。

TBI后，轉(zhuǎn)為磷酸戊糖途徑(PPP)代謝產(chǎn)生的乳酸(Lac)比正常腦組織更多。PPP代謝具有神經(jīng)保護(hù)特性，可產(chǎn)生用于細(xì)胞修復(fù)的生物因子以防止氧化應(yīng)激作用〔14〕。PPP途徑首先產(chǎn)生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)，并參與脂質(zhì)和類(lèi)固醇的生物合成。NADPH也參與還原型谷胱甘肽(GSH)及硫氧還蛋白(Trx)的形成。GSH及Trx有助于清除過(guò)氧化物，從而減少氧化應(yīng)激作用〔15〕。Trx另一保護(hù)性作用為參與核糖核苷酸轉(zhuǎn)換為脫氧核糖核苷酸，有助于外傷后平衡DNA凋亡因子產(chǎn)生。MRS尤其適用于檢測(cè)神經(jīng)代謝水平〔NAA、膽堿(Cho)、肌酸(Cr)、乳酸(Lac)〕和神經(jīng)遞質(zhì)〔谷氨酸(Glu)、γ-氨基丁酸(GABA)〕的變化。TBI后，Cho水平的增加，導(dǎo)致NAA/Cho的比值降低，而Cho/Cre比值由于細(xì)胞膜的破壞而增加。由于神經(jīng)元的完整性破壞，NAA水平下降，為代償鄰近神經(jīng)元凋亡而增加能量產(chǎn)生，從而導(dǎo)致NAA/Cre比值降低。

通常大腦對(duì)Lac的需求通過(guò)體循環(huán)的吸收代償，由于屏障間存在梯度差，Lac很容易跨過(guò)血腦屏障(BBB)。但TBI后Lac的攝入還需單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白輔助，這些協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用腦組織與血液間梯度差促進(jìn)Lac轉(zhuǎn)運(yùn)。TBI后3 d即可出現(xiàn)Lac攝入增加，且可通過(guò)MRS 用13C標(biāo)記Lac動(dòng)態(tài)觀察〔14〕。隨著Lac濃度的升高，腦細(xì)胞外液中Lac/丙酮酸(Pyr)比值(LPR)隨之增加，并與缺氧及線粒體功能障礙有關(guān)〔16〕。除Lac之外，Pyr對(duì)LPR的作用也可通過(guò)MRS用13C標(biāo)記Pyr動(dòng)態(tài)觀察〔17〕。水通道蛋白(AQP)4參與維持水平衡，且在TBI后大量表達(dá)，導(dǎo)致腦水腫和腦積水〔18〕。AQP4產(chǎn)生的影響可用AQP4配體用11C類(lèi)似物標(biāo)記并進(jìn)行PET成像〔19〕。

軸突的機(jī)械拉伸和壓縮可導(dǎo)致神經(jīng)元的變性或破壞，稱(chēng)為彌漫性或外傷性軸索傷(TAI)，并可激活微損傷周?chē)奈⒐芙饩蹤C(jī)制〔20〕。這種現(xiàn)象引起受損區(qū)域的軸突運(yùn)輸功能降低〔21〕，導(dǎo)致神經(jīng)代謝產(chǎn)物堆積并沿軸突腫脹。有研究表明，軸索損傷與線粒體腫脹、囊泡運(yùn)輸中斷及細(xì)胞結(jié)構(gòu)裂解有關(guān)聯(lián)性〔22〕。由于TAI相關(guān)變化可影響水分子沿軸突路徑擴(kuò)散的范圍和方向，而DTI可評(píng)價(jià)部分異向性(FA，表示水分子在某方向優(yōu)先擴(kuò)散的程度)，因此可監(jiān)測(cè)TAI的相關(guān)影響。

3 細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡與存活很大程度上受激素影響，特別是雌激素和睪酮。雌激素對(duì)大腦發(fā)育包括神經(jīng)元形態(tài)、凋亡及突觸建立具有重要作用，研究已證實(shí)雌二醇可阻止細(xì)胞凋亡及降低BBB的通透性〔23〕。TBI可影響性激素水平，傷后24 h內(nèi)男性睪酮水平及女性雌激水平素顯著下降。

TBI后神經(jīng)元凋亡最主要原因?yàn)樵l(fā)性損傷導(dǎo)致的受損區(qū)域供血不足。雌激素通過(guò)增加受損區(qū)域血管通透性和一氧化氮(NO)濃度，改善受損區(qū)血供。有關(guān)TBI后FDG-PET及DTI在雌激素保護(hù)作用中的研究，發(fā)現(xiàn)提高雌激素水平可提高神經(jīng)元活性并降低水腫程度〔24〕。雌激素作用于損傷腦組織的關(guān)鍵機(jī)制是：(1)雌二醇與雌激素受體結(jié)合；(2)磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)活化；(3)內(nèi)源性NO合酶(eNOS)激活L-精氨酸轉(zhuǎn)化為瓜氨酸。此外，雌二醇與G蛋白耦聯(lián)雌激素受體結(jié)合后激活轉(zhuǎn)錄因子(例如cAMP)，并導(dǎo)致eNOS進(jìn)一步表達(dá)〔25〕。雌激素的作用可通過(guò)DTI可視化，并改善TBI受損區(qū)微循環(huán)及水分子運(yùn)輸〔24〕。雌激素水平的變化也與β-連環(huán)蛋白-TBI后形成的一種細(xì)胞黏附因子有關(guān)。通過(guò)清除β-連環(huán)蛋白并激活神經(jīng)元存活途徑，誘導(dǎo)Wnt信號(hào)通路產(chǎn)生，以增加雌激素對(duì)糖原合成酶激酶(GSK)-3β的抑制作用。隨后β-連環(huán)蛋白向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移，促進(jìn)存活因子表達(dá)〔26〕及Glu代謝。因GSK-3β減少產(chǎn)生的影響可通過(guò)FDG-PET研究〔27〕。TBI后睪酮水平的代謝變化與雌激素相似。大腦中的睪酮由膽固醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)生，通過(guò)芳香酶介導(dǎo)膽固醇轉(zhuǎn)移至線粒體生成類(lèi)固醇急性調(diào)節(jié)蛋白(StAR)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為雌二醇。傷后24 h內(nèi)男性睪酮水平顯著下降，且在6 h內(nèi)更明顯，3～6個(gè)月后才逐漸恢復(fù)至傷前水平，說(shuō)明抗凋亡為漫長(zhǎng)過(guò)程。18-kDa轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(TSPO)也參與此過(guò)程，可通過(guò)特定PET配體在TBI患者及動(dòng)物模型中可視化〔28〕。TSPO和StAR參與類(lèi)固醇合成的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，而TSPO在小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的增強(qiáng)，反映了細(xì)胞中的炎性激活作用。

綜上，TBI后最初幾小時(shí)為損傷演變的關(guān)鍵，該時(shí)間窗內(nèi)由于潛在不穩(wěn)定條件及獲取影像時(shí)運(yùn)動(dòng)尾影的存在，仍具有挑戰(zhàn)性。由于與人類(lèi)大腦結(jié)構(gòu)、免疫應(yīng)答及代謝機(jī)制的差異，動(dòng)物模型僅可部分解釋腦外傷后神經(jīng)代謝演變機(jī)制。隨著高磁場(chǎng)MRI的廣泛應(yīng)用，涉及創(chuàng)傷后代謝變化的Ca、Mg、C、P等元素的MRI成像顯著改善，意味著未來(lái)更精密的神經(jīng)功能成像成為可能。理解重要神經(jīng)化合物水平及神經(jīng)代謝成像，對(duì)TBI后代謝機(jī)制變化并早期應(yīng)用于臨床有深遠(yuǎn)影響。