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关键词体外循环;脑损伤;标志物 目前,体外循环(Extracorporeal circulation, ECC,或称心肺转流 cardiopulmonary bypass,CPB)心脏直视手术后因心肌梗塞、心力衰竭或致命性心率紊乱等直接心脏原因引起的死亡率已明显下降,但体外循环造成神经系统缺陷引起的死亡率,近年来却从7.2%增加到了19.6%,还有中枢神经系统功能障碍(偏瘫、卒中)的发生率为2%～3%,永久性中枢神经系统功能障碍为1%,而神经精神功能紊乱的发生率则高达33%～79%,其中20%的神经精神功能紊乱持续6个月以上,5%的病人为永久性神经精神功能紊乱[1-2]。体外循环引起脑损伤的原因是多方面的,目前认为主要与体外循环的低灌注状态、脑缺血和/或缺氧、栓塞、体外循环引起的全身炎性反应、缺血再灌注损伤等因素有关。但如何早期发现体外循环引起的脑损伤,并准确判断其严重程度,目前还缺少行之有效的方法。近年来,越来越多的研究表明,应用特异性的生化标志物对脑损伤的评价是可行的。Kern等[3]认为使用血清标志物进行脑代谢状况的监测,可以准确而实时的监测全脑的代谢变化,具有重要的意义。目前,用于监测脑损伤的生化指标众多,且各具特点。如何从众多的指标中筛选出敏感性强、特异性高的指标是目前急需解决的关键问题。本文就目前体外循环期间脑损伤生化标志物的研究进展综述如下。
1S-100β蛋白(S-100βprotein)
S-100蛋白是Moore[4]于1965年在牛脑中发现的一种酸性钙偶联蛋白,在中枢神经系统主要影响神经胶质细胞的生长繁殖、分化、维持钙稳态,并对学习记忆等发挥一定作用。S-100β蛋白是由两个β亚单位组成的二聚体(ββ),浓度特异性地存在于中枢神经系统的神经胶质细胞、星形细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞、胶质细胞以及前部垂体细胞和郎罕细胞。脑损伤后脑S-100β蛋白过度表达和释放并迅速释放入血液。S-100β蛋白分子量大,正常情况下不能通过血脑屏障。颅脑损伤后,脑组织的损伤直接导致脑细胞和血脑屏障的广泛破坏,从而使血中S-100β蛋白迅速升高。
S-100β蛋白水平与CPB持续时间、主动脉阻断、年龄有关,尤其是与主动脉阻断后开放时的微栓数量有关。CPB脑损伤是多因素的,脑部栓塞是最重要的原因,S-100β蛋白与脑部微栓的数量呈正相关,术后认知障碍的程度与脑部微栓的数量及S-100β蛋白的量均相关。Ali等[5]进行的一项临床研究表明,S-100β蛋白在CPB后有早期和晚期释放,早期释放是由于亚临床脑损伤所致,晚期释放是由于围术期脑部并发症引起。许多研究发现,体外循环围手术期血清S-100β蛋白水平发生动态变化:体外循环开始后20min血中即可检测S-100β蛋白,体外循环结束时浓度达峰值,结束5h内浓度变化不大,随后稳定下降,麻醉不引起S-100β蛋白的释放[6]。另有研究发现:非体外冠脉搭桥术只引起血中S-100β蛋白轻微增加[7]。在不需要体外循环的胸外手术中检测不到S-100β蛋白的存在。Gao等[8]研究发现S-100β蛋白浓度在体外循环期间迅速上升,复温末达峰值,手术结束时明显下降,d2恢复至术前水平。
在亚临床水平脑损伤时,血清S-100β蛋白是发现脑损伤的有效标记物。据临床观察,11%～87%患者体外循环术后无明显神经精神功能障碍,但血清S-100β蛋白明显升高,24h内降低[9],有意义的是约70%的患者在体外循环术后出现早期敏感认知功能障碍,与体外循环术后S-100β蛋白增高水平密切相关[5],Farsak等[10]通过围手术期监测S-100β蛋白水平和术前术后进行神经精神学评分,发现S-100β蛋白浓度与神经精神学评分有着良好的相关性,S-100β蛋白可作为早期评价亚临床脑损伤的有效指标。另有研究显示,心脏手术后7h的S-100β蛋白浓度显著升高可与术后明确记忆功能减退有着显著相关性[11],在术后亚临床水平脑损伤可能是由于大脑弥漫性微栓及血脑屏障通透性增加所致,并没有不可逆的神经细胞坏死。
2神经元特异性烯醇化酶(Neuron Specific Enolase,简称NSE)
1975年Bock等[12]研究发现仅存在于神经组织中的一种蛋白且具有烯醇化酶活性,故命名为神经元特异性烯醇化酶(Neuron Specific Enolase,简称NSE)。其含量由高到低依次为脑、脊髓、周围神经节,具有一定的脑特异性。近十几年来的研究进一步表明,NSE除具烯醇化酶共有的催化活性外,它与神经及神经内分泌细胞的分化、成熟密切相关[13]。
Borone[14]等用免疫组化法观察到脑缺血前NSE存在于神经元细胞浆内,缺血24h后,梗死区NSE弥散分布到细胞间隙中,甚至在对侧大脑半球的血管内也观察到NSE。提示NSE从缺血损伤的神经元滤出后经血脑屏障进入体循环,因此可在外周血检测到NSE浓度的升高。研究观察:脑脊液中NSE含量的变化,对发现检测血清或血浆NSE同样有意义[15]。Cunningham[16]等在研究中发现,发病后第48、96小时及4d内,最大血清NSE浓度与脑梗死的体积相关,脑梗死面积大者, 其血清NSE浓度的峰值出现较晚。血清NSE浓度与脑梗死体积及国立健康研究院中风计分指数评分显著相关。Scharschmidt[17]等动态检测脑梗死患者血浆NSE的结果显示,脑梗死发病后72h内血浆NSE值与临床预后相关。
Yamazaki[18]对25例急性脑外伤的研究结果发现,死亡病人的血清NSE明显高于存活病人,结果表明:血清NSE水平测定为脑损伤程度的判断提供了一个可靠的实验室指标,并可用于预测急性脑外伤病人的预后。另外轻度脑损伤血清NSE升高者占18～31%,它的测定为轻度脑损伤提供客观指标。
Johnsson在35名体外循环病人术后的第二天检测NSE和S-100蛋白时发现,8名术后有中枢神经系统功能障碍的病人中有7人NSE和S-100蛋白增高。有人报道NSE的血浆半衰期为48小时,Johnsson在体外循环病人血中测定的NSE半衰期>20小时(unpublished results),并且在体外循环术后早期(20分钟)NSE水平与溶血的程度相关(测定游离血红蛋白),而在后期则无相关性,这可能说明在NSE总浓度中亦包括脑中的释放。NSE已被用作判断CPB手术后神经元和神经胶质细胞损的生化标记物。
3髓鞘质碱性蛋白(myelin base protein,MBP)
MBP是少突胶质细胞中发现的一种蛋白,当脑损害或脱髓鞘疾病时可释放入CSF和血中,常用于神经外科。髓鞘碱性蛋白约占髓鞘蛋白质总量的30%,是不含糖和脂质的单纯蛋白质,与髓鞘脂质紧密结合。除神经组织外,肝、肾、骨骼肌、心、肾上腺等器官、组织MBP含量极低,难以测出。MBP在维持CNS髓鞘结构和功能的稳定、髓鞘形成和脑分化发育过程中起着重要作用,在神经纤维中起着绝缘和快速传导的作用。
大量研究资料表明,髓鞘碱性蛋白与急慢性脑血管病、实验性变态反应性脑脊髓炎、多发性硬化及其他许多神经疾病有关,是反映中枢神经系统有无实质性损害,特别是有无髓鞘脱失的一个较特异的生化指标,另外,它还可以作为评价治疗及预后的指标之一。杨荣椿等[19]研究表明测定脑卒中患者血清髓鞘碱性蛋白含量的变化可以从生化指标来反映脑实质损害与血脑屏障破坏的程度,结合影像学对判断脑卒中的病情和预后有较好的临床实用价值.
Yamazaki[18]对25例急性脑外伤的研究结果发现,死亡病人的血清髓鞘碱性蛋白(MBP)明显高于存活病人。结果表明,血清MBP水平测定为脑损伤程度的判断提供了一个可靠的实验室指标,并可用于预测急性脑外伤病人的预后。李拴德等[20]研究表明,在颅脑损伤早期,患者血和CSF中MBP质量浓度增高,其上升水平与脑损伤的程度和类型密切相关。CSF中MBP质量浓度变化主要代表着神经细胞的损害程度,而血清MBP水平则反映着血脑屏障破坏的范围。同步检测脑外伤患者血和CSF中MBP质量浓度变化,不仅可对脑损伤的程度和类型做出初步判断,而且还能间接了解血脑屏障的受损程度;动态观察患者血和CSF中MBP水平变化,还能客观评估脑损伤的演变过程及预后,同时对临床用药选择也有一定的指导意义。临床上血管性认知损害患者常常伴有不同程度的白质损伤,测定患者血清MBP含量,可以反映患者白质损伤程度,与认知损害程度密切相关[21]。血清及CSF中MBP水平可以作为中枢神经系统感染的一项诊断指标[22]。
4胶原纤维酸性蛋白(GFAP)
GFAP是中枢神经系统中星形细胞所独有的细胞骨架蛋白,是星形细胞的特征性标志。星形胶质细胞在脑出血病理生理过程中的作用近几年来受到人们的关注[23-24],以前的实验结果表明在实验性脑出血后有明显的具有独特时间和空间模式的胶质细胞反应[25]。在正常组织、损伤区及血管之间起着特殊的运输作用,并分泌多种神经营养因子[26],以促进中枢神经和周围神经轴索的生长和存活[27],利于损伤的修复。GFAP的表达增强是星形细胞在保护和隔离神经元免遭变性危险及神经元再生过程中起积极作用。
5兴奋性氨基酸(Excitatory amino acid,EAA)
EAA是广泛存在于哺乳类动物中枢神经系统的正常兴奋性神经递质,参与突触兴奋传递、学习记忆形成以及与多种神经变性疾病有关[28]。缺血、缺氧、创伤、中毒等因素能触发中枢神经系统的EAA过度兴奋,在能量代谢失衡的基础上,异常堆积,产生神经毒性作用。EAA包括谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)、亮氨酸等,其中谷氨酸(Glu)是中枢神经系统内含量最高的一种氨基酸。
Castillo等[29-30]在128例急性缺血性卒中患者的EAA检测中,发现血浆Glu、Asp含量在急性期明显升高,并与脑梗死体积和病情轻重正相关。缺血性脑卒中的发病过程中,在能量耗竭的缺血中心,EAA的毒性引起神经元坏死;在能量相对缺乏的半暗带区,则导致神经细胞凋亡。李燕珍等[31]用高效液相色谱法测定42例出血性脑血管病患者血清证实Glu、Asp含量在急性期(1～5天)显著高于对照组,且与出血量呈正比。急性颅脑损伤后脑内兴奋性氨基酸的浓度变化与脑损伤的程度有关,损伤(根据格拉斯哥昏迷分级计分)越重,升高越明显[30]。赵宝东等[32]通过实验证实:给离体培养的大鼠小脑神经元培养液中添加EAA后24h,可以引起细胞的急性损伤作用,导致细胞的贴壁能力下降,突起减少;胎盘兰染色见死亡细胞明显增多,与对照组存在显著差异。
6游离基的改变
目前,氧自由基、一氧化氮、细胞因子等的测定对疾病诊断均缺乏特异性,但对缺血性脑损伤的发病机制以及预后判断具有重要的临床价值。
近年一些反映脑损伤的生化标记物受到人们的重视,这些分子标志物能较为准确的预示脑组织损伤的程度。特异性生化标志物应符合以下特点:①对脑损伤有高度敏感性;②再脑脊液和外周血中迅速出现;③与性别.年龄关系不大;④属脑组织不可逆损害的释放物。
综上所述,缺血性脑损伤实验室检测指标颇多,一些神经组织特异性蛋白标志物,如MBP、NSE 和S-100β蛋白的检测,能早期判断脑损伤程度,估计预后,并指导临床治疗,可作为缺血性脑损伤尤其是大面积脑梗死早期的外周标志物,其临床价值甚至是神经放射学也不能取代的。
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