缺血性脑损伤中生物标志物的研究进展

陈静燕1,2 符丽2 董瑞2,3 张高峰2 陈怀龙2 王明山1,2

1南京医科大学青岛临床医学院青岛市市立医院麻醉科，青岛 266071；2青岛大学附属青岛市市立医院麻醉科，青岛 266071；3南京大学医学院附属鼓楼医院麻醉科，南京 210008

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(10):1073-1078.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20220222-00657

 基金项目 

国家自然科学基金（82001132）；

贝朗麻醉科研基金（BBDF‑2019‑010）；

山东省自然科学基金（ZR2021MH365）

REVIEW ARTICLES

【综述】

缺血性脑损伤是多种因素引起的大脑主要动脉血流短期或长期减少，是神经系统的非创伤性局灶性血管损伤，通常导致脑组织发生缺血、缺氧、变性、坏死，最终导致永久性损害。因此，缺血性脑损伤的早期诊断和及时干预治疗对患者预后及转归至关重要。目前临床中常应用CT、MRI等影像学检查方法对缺血性脑损伤进行诊断及预后评估，对生物标志物的应用较少。生物标志物因测量便捷、反应迅速的特点，在疾病的诊断、病情进展和预后中发挥重要作用。在缺血性脑损伤的发生、发展过程中，多种生物标志物可以反映疾病进展的不同阶段，测定相应的生物标志物水平有助于评价患者的病情和预后。本文综述了缺血性脑损伤时不同生物标志物的变化，探讨其临床应用价值。

1 炎症生化反应标志物     

缺血性脑损伤可引起白细胞活化、黏附分子表达及多种细胞因子相互作用等一系列的炎症反应。近年来，炎症反应越来越被认为是加重缺血性损伤的重要因素。在缺血性脑损伤发生早期，炎症细胞（如内皮细胞、小胶质细胞、白细胞和成纤维细胞等）可大量聚集产生氧自由基，可引起周围血管损伤，进而导致颅内各种炎症介质的产生，加重组织损伤。因此，体内炎症介质的表达水平与缺血性脑损伤患者的病情和预后密切相关。

1.1　促炎因子

1.1.1　IL（IL‑6、IL‑8）

IL‑6是一种多效性细胞因子。在生理条件下，IL‑6及其受体在脑组织中持续低浓度表达，参与各种生理活动如介导中枢免疫系统、神经修复、协调代谢等。而当发生缺血性脑损伤时，IL‑6可持续高浓度表达，既可发挥神经保护等生理功能，又可作为炎症介质参与继发性脑损伤。

IL‑8作为一种趋化细胞因子，可通过促进脑实质内白细胞一系列的炎症反应，如白细胞产生自由基、脱颗粒等，促进细胞内Ca2+浓度的迅速升高，进而发挥促炎作用。

缺血性脑损伤发生时，由于脑组织缺血、缺氧，从而导致血清和脑脊液中IL‑6、IL‑8的过度表达，与某些蛋白或血管活性因子发生作用，进而引起血管收缩，出现血栓，加重损伤。有研究结果显示，发生脑损伤后，血清中IL‑6和IL‑8表达水平均显著升高，脑缺血发生24 h时达到峰值，然后逐渐下降。且发现结合改良早期预警评分（modified Early Warning Score, MEWS），IL‑6与IL‑8表达水平可作为判断缺血性脑损伤患者早期病情严重程度的重要指标。多变量分析结果也表明，IL‑6和IL‑8表达水平是影响急性缺血性脑卒中患者预后的独立危险因素，与患者预后密切相关。因此，急性期缺血性脑损伤患者的血清IL‑6和IL‑8表达水平是评估疾病进展的重要指标，对患者预后有一定的预测价值，值得临床应用。

1.1.2　TNF‑α

TNF‑α是体内的一种促炎因子，促进体内炎症反应的发生，可以在急性期通过介导炎症的级联反应，与其他炎症因子相互作用从而扩大炎症效应，加重炎症反应。TNF‑α还可以通过促进血管内皮细胞释放氧自由基，导致血管内皮细胞发生损伤、血管结构功能破坏，导致动脉粥样硬化的形成；也可促进内皮细胞合成一氧化氮，引起脑水肿，损伤血脑屏障。

内皮细胞死亡是缺血性脑损伤发生后血脑屏障破坏的基本过程之一。Kitagawa等发现TNF‑α的表达水平与血管动脉粥样硬化的严重程度相关，TNF‑α表达水平越高，动脉粥样硬化程度越重，越易发生缺血性脑血管事件。且通过观察急性期缺血性脑病的新生儿血清和脑脊液中TNF‑α的浓度发现，中重度患儿TNF‑α表达水平明显高于轻度组与对照组，升高程度与缺血性脑病的病情严重程度呈正相关。TNF‑α可以参与缺血性脑损伤后脑内发生的炎症反应，关注其表达水平的变化，评估动脉血管粥样硬化的严重程度，可在早期减少心脑血管事件的发生，有效控制缺血性脑损伤的发生，对患者的预后有评估价值。

1.2　抗炎因子

转化生长因子‑β（transforming growth factor‑β, TGF‑β）是一种剂量依赖性神经保护剂，能在体外拮抗谷氨酸所引起的兴奋性毒性,其由脑组织中的神经元、小胶质细胞等多种细胞分泌产生.生理条件下，TGF‑β表达较低，仅在脑膜细胞、脉络膜丛上皮细胞中存在；而病理状态下，其可在脑组织损伤区域中明显表达，发挥神经保护作用。

有研究证实，胚胎干细胞衍生的小细胞外囊泡通过调节性T细胞的转移来调节神经炎症并预防缺血性脑损伤。调节性T细胞可以改善脑缺血后的神经功能缺损，促进神经功能恢复。这一过程是通过TGF‑β、Smad2和Smad4等的富集来实现，细胞外囊泡激活CD4+ T细胞中的TGF‑β/Smad途径，从而诱导调节性T细胞扩增，减少白细胞浸润、炎症因子表达和神经元死亡，减轻缺血性脑损伤后的长期神经功能缺损。综上考虑，TGF‑β水平或可成为脑损伤患者预后评估指标之一。

1.3　基质金属蛋白酶‑9（matrix metalloproteinase‑9, MMP‑9）

MMP‑9是基质金属蛋白酶家族成员之一，在脑组织中主要由星形胶质细胞、血管内皮细胞、小胶质细胞等表达，其正常表达与活化可参与动脉粥样硬化、炎症反应、脑缺血及新生血管的形成，维持脑血管内皮细胞基底膜的完整性，参与脑缺血早期的脑损伤过程，并在后期有助于脑损伤恢复。且MMP‑9具有促炎作用，可促进体内其他炎症介质的大量释放，增加血管的损坏，加重对神经元的损伤。

关于探讨MMP‑9与急性缺血性脑卒中相关性的系统性回顾研究表明，急性脑梗死发生后，患者血清中MMP‑9的表达水平显著升高且与损伤程度呈正相关，提示血清中MMP‑9可以作为脑梗死预后的生物标志物。因此，测量MMP‑9表达水平可以对脑血管疾病进行早期诊断、干预治疗，并可减少脑血管事件的发生。

2 神经系统血清标志物

2.1　髓鞘碱性蛋白（myelin basic protein, MBP）

MBP是一种无糖、无脂的膜蛋白，由中枢神经系统的少突胶质细胞合成，可稳定髓鞘在中枢神经系统中的结构和功能。MBP具有神经组织特异性，正常情况下血清MBP含量较低，而当脑损伤发生时，损伤可累及神经髓鞘，MBP可被大量释放入脑脊液与血液中，含量迅速增加。MBP的丢失会导致髓鞘功能障碍，其水平可以反映中枢神经系统和髓鞘损伤的严重程度。Ning等研究发现，在急性缺血性脑卒中发生24 h内，MBP的峰值浓度越高，CT中脑缺血区的体积越大；发病24 h内MBP变化波动较小的患者3个月预后转归较好。因此，血清中MBP的水平可以部分反映患者是否存在脑损伤，在预测脑损伤的严重程度和预后方面发挥了重要作用，也可以作为判断脱髓鞘的特异性标记蛋白。

2.2　神经元特异性烯醇化酶（neuron specific enolase, NSE）

NSE是神经元的标志酶，是一种二聚糖酵解酶，主要存在于神经元和神经内分泌细胞的细胞质内，有高度的组织特异性。当神经元损伤或坏死后，NSE从胞内释放出，进入脑脊液和血液，患者的脑脊液与血清中均可检测到NSE的异常表达。且当发生缺血性脑损伤时，患者血清中的NSE表达水平显著升高，可作为衡量患者预后的参数之一。研究表明，在急性缺血性脑卒中发生96 h内，NSE的峰值水平可反映最终脑梗死体积，与疾病的严重程度和预后转归密切相关。因此，脑脊液或血清中NSE的表达可作为神经元损伤或坏死的客观性指标，并且可以在一定程度上对缺血性脑损伤患者神经功能损伤程度进行初步诊断，可作为反映神经元损伤的特异性指标。

2.3　神经胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）

GFAP是星形胶质细胞骨架的重要组成成分，可维持星形胶质细胞形态和功能，是星形胶质细胞分化和反应性标记物。有研究证实，GFAP水平的升高可在一定程度上反映脑损伤的严重程度，因此其可以作为一种较为敏感的脑损伤指标。急性缺血性脑损伤患者血清GFAP水平与急性发作（<72 h）、第7天和第30天的脑损伤程度呈正相关，提示血清GFAP水平与急性缺血性脑损伤的发生、发展密切相关。其可作为缺血性脑损伤后1个月临床预后的预测指标。有研究建议血清GFAP水平超过0.112 μg/L可能可以预测脑卒中的严重程度。

2.4　生长分化因子‑15（growth differentiation factor‑15, GDF‑15）

GDF‑15是TGF‑β超家族成员之一，是一种分泌蛋白，具有抗炎、保护心脑血管等作用，可调节细胞反应，进而影响中枢神经系统的功能，虽然具体作用及机制暂不清楚，但其在临床应用潜力较大。

研究发现，高表达的GDF‑15与急性缺血性脑卒中的不良临床结局呈独立相关，由此提示血清GDF‑15的表达水平可识别预后不良的高危缺血性脑损伤患者。有研究证实，GDF‑15表达减少会使神经元坏死程度降低，细胞间质水肿与胶质细胞增生程度减轻。因此认为其表达减少有助于减轻脑损伤时神经元凋亡，延缓病理进展，减轻神经功能缺损。近年来，GDF‑15表达水平与脑损伤、脑血管病的关系逐渐受到关注。虽然GDF‑15表达水平在脑损伤和脑血管病中升高，与脑损伤程度有关，但其保护作用及相关机制尚需大量临床和基础实验证实。

3 非编码RNA（non‑coding RNAs, ncRNAs）

ncRNAs是一类不编码蛋白质的RNA，广泛存在于生物体内，参与多种重要的生物过程，如基因印记，染色质修饰，细胞周期的调控、转录、剪接，mRNA降解等。根据其长度，ncRNAs可分为长度小于200 nt的微RNAs（microRNAs, miRNAs）和长度大于200 nt的长链非编码RNAs（long noncoding RNAs, lncRNAs），其中lncRNAs占多数。

3.1　lncRNAs

lncRNAs广泛分布于哺乳动物中，几乎不具有蛋白质编码能力，其可与蛋白质、DNA、其他RNA相互作用而发挥作用（如染色质状态调节、蛋白质折叠等）。缺血性脑损伤可影响脑组织和血液中lncRNAs的表达，且具有不同的表达特征，这可能是缺血性脑损伤病例过程进展的基础。近年来研究表明，lncRNAs参与了脑缺血的损伤、血管新生与神经再生等多种病理生理反应，已被确定为卒中的潜在生物标志物。

3.1.1　长链非编码 RNA 转移相关肺腺癌转录物1 （metastasis‑associated lung adenocarcinoma transcript, MALAT1）

MALAT1是一种lncRNAs，长度超过8 000 nt，位于11q13染色体上，在哺乳动物中大量表达，其序列在物种间高度保守。MALAT1不仅在多种肿瘤中表达上调，影响细胞增殖、迁移、侵袭和凋亡，也在脑缺血中发挥重要作用。

多项研究表明，体外实验中降低脑源性血管内皮细胞中MALAT1的表达可增加氧糖剥夺诱导的细胞死亡和凋亡相关蛋白半胱氨酸天冬氨酸蛋白激酶‑3的表达。体内实验也发现缺血性脑损伤后促炎因子（如IL‑6、MCP‑1、E‑选择素）的表达及促凋亡蛋白Bim表达水平的增加，提示MALAT1在脑微血管疾病中具有抗炎和抗凋亡作用。MALAT1在促进脑损伤后血管内皮细胞存活、血管完整性和血管生成中发挥作用，可以作为潜在的生物标志物。

3.1.2　H19

H19是一种定位于人类11号染色体的母体表达的印记基因，在癌症、氧化应激和缺氧等条件下，H19的表达水平显著增加，并且已被证实中国人群与卒中的易感性相关。在大鼠实验模型中，H19过表达可减少神经细胞凋亡，减轻认知功能障碍。考虑这与大脑和血浆中促炎细胞因子TNF‑α和IL‑1β表达水平降低以及大脑中抗炎介质TGF‑β和血浆中抗炎介质TGFL‑10表达水平的升高有关。且在缺血性脑组织中H19大量表达，诱导促炎因子TNF‑α表达水平明显增高，脑梗死面积增大，神经功能缺损加重。因此，可通过调节H19的表达而抑制炎症，减轻神经功能损伤，发挥脑保护作用。

当前对于lncRNAs的研究仍在进展中，其在缺血性脑损伤发生、发展过程中均发挥重要作用，并参与多种细胞的调控，可成为缺血性脑损伤潜在的治疗靶点，但其在临床研究中仍存在诸多挑战，未来可着重开展作为新型标志物的lncRNAs在缺血性脑损伤中的研究。

3.2　miRNAs

miRNAs是一种内源性非编码RNA，以大多数蛋白质编码转录本为靶标，可以参与各种关键的生理病理过程。随着对miRNAs在细胞凋亡、免疫炎症等方面研究的逐渐展开，加深了对miRNAs功能调控和分子机制的认识，使得miRNAs有望成为缺血性脑损伤诊断和预后的新型潜在生物标志物。目前已被证实与缺血性脑卒中相关的miRNAs已达40多个，研究较多的如miR‑21、miR‑146a、miR‑124、miR‑210等。

3.2.1　miR‑146a

miR‑146a是一种多效性和高度敏感的miRNAs。据报道，miR‑146a参与了许多病理生理过程，包括免疫反应、侵袭、转移、炎症和凋亡。有研究表明miR‑146a多态性与缺血性脑损伤存在关联。miR‑146a可参与炎症过程，下调肿瘤坏死因子受体相关因子6的表达，促进缺血性脑损伤小鼠未成熟的内皮细胞的增殖、迁移和血管生成，为急性缺血性脑损伤的治疗和恢复提供理论基础。

3.2.2　miR‑124

miR‑124是大脑皮质和小脑中优先表达的miRNAs，在神经前体细胞中低水平表达，在分化和成熟神经元中高水平表达，从而认为其在神经元发育中发挥重要作用。缺血性脑损伤患者血浆中miR‑124的表达水平在缺血24 h内迅速下降，缺血48~72 h及缺血后第7天逐渐升高，且miR‑124也广泛参与缺血性脑损伤后的病理生理活动，是缺血脑损伤后神经元分化、神经血管重构、神经突生长和突触发生的决定因素。

由于当前对miRNAs表达谱在缺血性脑损伤中的研究仍侧重于细胞调控机制，临床试验中的数据尚不充分，且在超急性期中的表达谱仍未有广泛研究，但考虑miRNAs的临床研究意义及相关调控机制，认为其未来可能作为缺血性脑损伤的生物标志物之一进行诊断治疗及评估预后。

4 氧化应激标志物

缺血性脑损伤病理机制复杂，其中就包括氧化应激反应。细胞在正常代谢活动中可产生高活性分子即自由基，而氧化应激过程则是细胞内自由基生成和清除能力的失衡。缺血性脑损伤发生后，活性氧自由基增加，通过不同的细胞分子机制引起组织的损伤。自由基可诱发细胞坏死或凋亡，而抗氧化剂的存在可减轻脑组织的损伤。丙二醛和超氧化物歧化酶分别是脂质过氧化物的分解产物和超氧阴离子自由基清除酶，故检测二者可了解体内脂质过氧化反应及钙超载水平，反映自由基活性及其对组织损害程度。Rac1（Ras‑related C3 botulinum toxin substrate 1）蛋白是Rho GTPase信号蛋白家族的成员，是一种多功能蛋白，在大脑中广泛表达，参与从发育到病理的不同途径。活性氧自由基引起的连锁反应是全脑缺血后神经元损伤的核心病理环节。通过构建小鼠脑缺血模型发现，内皮细胞Rac1通过P21活化激酶1信号通路，激活细胞外调节蛋白激酶、丝裂原活化蛋白激酶1/2和环磷酸苷效应元件结合蛋白，进而改善血管生成、功能恢复以及刺激脑源性神经营养因子的生成。因此认为靶向内皮细胞Rac1可介导脑缺血后诱导的大脑血管生成，有利于功能恢复。 

当前关于调节活性氧的酶类介导的抗氧化作用的研究较少，炎症反应和氧化应激联合作用可能影响缺血性脑损伤患者的预后。

5 其 他

铁作为人体必需的微量元素，主要以血清铁蛋白（serum ferritin, SF）的形式存在于大脑中。SF可以参与脑损伤氧自由基的形成，在缺血性脑损伤中起到重要作用。发生脑缺血时，受损的脑细胞释放大量铁，通过产生自由基，在受伤组织的局部环境中发生氧化应激反应，线粒体膜电位降低，神经元活力降低，加重缺血期间组织损伤。有研究表明，SF会加剧由谷氨酸兴奋性毒性引起的神经毒性作用，且体内铁超载与缺血性脑损伤的严重程度有关。

研究证实，急性缺血性脑损伤患者在第7天和第30天时SF水平明显升高，其他脑出血严重程度指标（如格拉斯哥昏迷评分）明显降低、脑损伤体积明显增加。急性缺血性脑损伤患者短期和长期预后较差，因此SF可能是急性缺血性脑损伤的预后指标。

6 结 语

综上所述，目前可供选择的检测缺血性脑损伤的生物标志物很多，也是当前的研究热点。炎症生化反应标志物的检测可以帮助对患者病情的临床发展予以相对应的干预策略，建立最佳治疗时间窗，起到判断预后及评估病情的作用；MBP、NSE、GFAP等标志物可以早期判断脑损伤程度，预测预后，指导临床治疗，可作为缺血性脑损伤（特别是大面积脑梗死）早期的外周生物标志物。同时体内ncRNAs的调控通过参与缺血性脑损伤后的病理生理过程，可作为一种潜在的预后生物标志物。然而，目前的研究多侧重于单一指标检测，对时间与空间动态变化的研究尚不完整，因此同时开展多指标检测、动态检测将更有助于综合判断缺血性脑损伤的发生和病理改变，对阐明缺血性脑损伤的发病机制、选择合理的治疗方法具有重要意义。

国际麻醉学与复苏杂志

International Journal of Anesthesiology and Resuscitation

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