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马俊伟,张凯,王志敏,陈刚, "颅脑损伤后弥漫性轴索损伤的研究进展",神经可塑性, 卷。2016, 物品ID9746313, 7. 页, 2016. https://doi.org/10.1155/2016/9746313
颅脑损伤后弥漫性轴索损伤的研究进展
摘要
目前的工作回顾了DAI的概念、病理机制和诊断过程。DAI的病理机制是复杂的,包括轴突回缩球引起的轴突断裂、沿轴突轴的蛋白质运输中断、钙内流和钙蛋白酶介导的结构蛋白水解、降解根据轴突细胞骨架网络、淀粉样前体蛋白等转运蛋白的变化和胶质细胞的变化,基于上述病理机制,DAI的诊断通常采用CT、传统和新的MRI、生化标志物和神经心理学评估等方法。本文综述了DAI的诊断方法,为DAI的临床诊断提供了依据文献作进一步的研究和探讨其病理机制,也可能有助于提高DAI诊断的准确性,这可能对突破DAI临床治疗的瓶颈,通过对DAI的明确认识,提高患者的生存率和生活质量起到至关重要的作用病理机制和准确诊断。
1.介绍
弥漫性轴索损伤(DAI)是以脑白质轴索损伤为主要特征的脑损伤。它通常发生在脑外伤之后,脑外伤导致白质广泛变性、局灶性出血、轴索回缩球和小胶质细胞簇的出现。DAI常伴有其他脑损伤,导致患者严重脑损伤,甚至长期处于植物人状态。根据近年来的报道,DAI的死亡率为42%-62% [1.,2.].DAI已成为神经外科学界公认的独立疾病类别。但是,目前还没有标准的诊断标准,与其他脑损伤的关系需要进一步研究,以开发更好的临床治疗DAI。本文就DAI的概念、病理机制和临床诊断方法作一综述。
2.概念
1982年正式命名并被国际学术界接受。它在历史上经历了三个概念阶段。第一阶段始于1956年,当时Strich研究了5名严重闭合性脑损伤的患者的尸体解剖,并提出弥漫性白质的退化可能归因于神经纤维的物理损伤。第二个阶段始于1961年,当时斯特里希研究了20名死于脑外伤的患者。他发现头部运动的旋转加速剪切力(脑损伤的主要原因之一)导致神经纤维断裂,诱发半球和脑干的弥漫性变性。本研究为DAI的进一步研究提供了理论基础。第三阶段始于20世纪80年代,Adams和Gennerelli对DAI的发展机理和临床病理进行了深入的研究并取得了突出的成果,这在国际学术界为该疾病最终命名时得到了很大的考虑。
3.DAI的病理机制
DAI通常呈现一个渐进的过程。它发生在受外力作用的外伤性损伤后,主要表现为轴突的局灶性变化和轴突断裂。轴索损伤分为原发性轴索损伤和继发性轴索损伤。DAI的病理机制非常复杂,但明确其病理机制对DAI的诊断、临床治疗和预后具有重要意义;病理特征已成为神经外科研究的热点。
3.1.原发性轴突损伤的病理机制
3.1.1。轴突回缩球的形成
原发性轴突损伤的主要原因是轴突断裂、回缩,以及由于轴突轴端肿胀的形状而形成所谓的轴突回缩球,这是由外部剪切力和张力引起的。这些轴突缩回球的形成被认为是导致轴突最终断裂的原因。目前,人们认为轴突回缩球导致轴突断裂,从而中断蛋白质运输,在显微镜下观察到断裂轴突末端的单个轴突回缩球。然而,最近的多项研究表明,大脑中瞬间产生强烈剪切力或张力的部位并不总是与实际受伤的部位相匹配。动物研究表明,脑外伤后轴突没有立即断裂,病理学检查显示轴突的髓磷脂仍然完好无损[3.–6.]这引发了关于通过确定DAI发病后轴突回缩球总数来评估受损轴突数量是否合适的争论。
3.2.继发性轴索损伤的病理机制
3.2.1之上。钙离子(Ca2+)内流和钙蛋白介导的结构蛋白水解和降解轴突的细胞骨架网络
(1)钙2+内流激活了半胱氨酸蛋白的信号通路。体外瞬时剪切力和张力作用于大脑后,轴突膜通透性发生变化,产生大量Ca2+进入细胞。轴突血浆的顺行运输逐渐转变为逆行运输,从而激活半胱氨酸蛋白信号通路和半胱氨酸蛋白酶-3。固有的细胞钙蛋白酶抑制剂钙蛋白酶抑素被水解。细胞内积聚相对较高水平的活化钙蛋白酶,从而降解轴突细胞骨架最近的研究表明,Ca2+轴突细胞骨架网络的降解是渐进式的事件,在此过程中,轴突通常在损伤后数小时内保持其形态[7.–10].
(2) 钙蛋白酶介导的结构蛋白水解。幽灵蛋白,又称细胞幽灵,是一种存在于细胞膜内侧的结构蛋白。它不仅支持脂质双分子层,而且维持红细胞的形状。它在细胞膜的浆层下面形成了一个可转换的网络,因此维持了红血球的双凹面盘状。在损伤早期,通过光镜和电镜的免疫组织学检查,观察到钙蛋白酶介导的局灶轴突频谱蛋白水解。损伤后1-2小时,大多数轴突显示calpain介导的spectrin水解迹象。相关的病理改变包括微管缺失、线粒体肿胀、神经丝状结等,表明calpain介导的结构蛋白水解和细胞骨架降解在DAI病理的发生发展中发挥了重要作用[11–13].
3.2.2.线粒体损伤、离子稳态失衡、促凋亡因子释放和半胱天冬酶介导的程序性细胞死亡激活
DAI后线粒体损伤主要表现为线粒体嵴和膜的肿胀和断裂,这种线粒体的局灶性损伤与Ca密切相关2+涌入Ca2+内流导致线粒体膜通透性的改变,并影响前述膜上开关孔的打开。小分子的摄入导致线粒体肿胀和破裂,进一步破坏能量代谢和离子稳态,释放caspase和凋亡激活因子,触发caspase介导的细胞进行性死亡。Caspases在受损的轴突中严重水解蛋白质[14–17].因此,线粒体受损、离子稳态失衡、促凋亡因子的释放和caspases的激活是DAI高死亡率和预后差的关键因素。
3.2.3。转运蛋白的变化,如淀粉样前体蛋白(APP)
淀粉样前体蛋白是一种存在于大多数细胞和组织中的单一跨膜蛋白,因其可转化为有毒物质而备受关注β淀粉样蛋白(β)使用免疫组织学评估轴突中APP的变化是DAI神经病理学和创伤模型诊断的金标准[18,19]一旦发生病理变化,APP的顺行运输就会中断,导致APP的局灶性聚集。
3.2.4。胶质细胞的变化
越来越多的证据表明,胶质细胞的变化在DAI的发生发展中起着非常重要的作用。DAI发病后星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞的形态和功能改变,称为“胶质反应”。DAI进展后,胶质细胞被激活并参与清除和吞噬从损伤部位排出的颗粒,延长突出物填充空腔,形成胶质瘢痕,并产生基质金属蛋白(MMPs)重建受损的细胞外基质。神经胶质细胞还表达胰岛素样生长因子-1、上皮生长因子和其他神经营养生长因子,以降低DAI进展后神经元死亡和神经损伤的发生率[20.,21].
星形胶质细胞(Astroglia, AS)是起源于神经外胚层的一种中枢神经系统胶质细胞。脑内AS分布有规律(海马和齿状回GFAP阳性细胞分布规律明显)。这种顺序有助于AS与神经元之间的固定关系的定位和稳定关系的功能。阿斯伯格综合症还可能参与大脑活动的复杂功能,包括学习和记忆。脑损伤常导致AS反应性增生。近期研究表明,AS通过巨噬细胞清除早期损伤出血和退行性坏死组织,从而促进创面修复[22,23].与不同的神经递质和神经肽相对应,AS中有许多受体,如5-HT和γ伽马氨基丁酸。近年来,我们认为它(至少在体外条件下)具有几乎所有可能的神经递质功能性受体[24].神经元受损后产生的神经递质比正常情况下多,因此AS上的受体可以上调并产生更多的生长因子,促进损伤的修复。
少突胶质细胞(Oligodendrocyte, OLG)是位于中枢神经系统的髓鞘胶质细胞,富含大脑和脊髓灰质和白质。OLG损伤对脑白质有深远影响。机械损伤、缺血或轴突变性可引起OLG的损伤和凋亡;反之,脑损伤后轴索变性与OLG细胞凋亡有很大的相关性[25]Fas和p75受体的激活可能参与细胞凋亡[26].
然而,随着DAI的发展,胶质细胞进一步被激活,达到过度激活的程度。过度激活的胶质细胞不断释放炎症因子,如IL-1β和肿瘤坏死因子-α,释放氧自由基和细胞毒物质,引起炎症反应,引起脑组织氧化应激,并直接或间接诱发神经元死亡。神经胶质细胞的过度激活会导致硫酸软骨素蛋白聚糖的释放,阻止神经胶质细胞重建细胞外基质,抑制轴突生长,削弱神经胶质细胞清除从损伤部位排出的产物的能力。通过这种方式,过度激活的胶质细胞促进了神经元损伤。
神经胶质细胞的激活也可以促进神经元-神经胶质细胞和神经胶质细胞-神经胶质细胞的相互作用。前期研究表明星形胶质细胞释放的趋化因子CXCL-12促进谷氨酸的释放,谷氨酸的释放进一步促进大量TNF-的释放α小胶质细胞。高浓度的TNF-α损害小胶质细胞消除谷氨酸的能力,引起兴奋性毒性,损伤神经元[13]星形胶质细胞还释放抗炎因子IL-10,抑制TGF的释放-β并促进少突胶质细胞的成熟[27–30.].
然而,目前尚不清楚胶质细胞的激活是否促进损伤或修复。胶质细胞激活的实际作用需要进一步研究。
4.戴的诊断
4.1.成像检查
以下4.4.1。计算机断层扫描(CT)和传统的MRI检查
CT可以快速、可靠地定位与轴索损伤相关的局灶性出血,但除了出血外,很难发现其他损伤,尤其是体积较小或涉及针状出血的损伤。
传统的MRI检查不仅可以快速定位出血,而且是一种敏感可靠的非出血定位方法。它比CT扫描具有更好的分辨率,尤其适用于后颅窝和深白质损伤。然而,对于小病灶和轻度DAI,其假阴性率仍然很高。此外,由于时间要求较长,患者往往无法完成检查。
4.1.2。弥散加权MRI (DWI)和弥散张力成像(DTI)
随着医学的进步,DAI的诊断方法也越来越精确。其中一些是基于DWI和DTI的。DWI涉及使用蛋白的各向异性来识别DAI发病后白质的变化。研究表明,DWI是检查非出血损伤的准确方法,特别是在颅穹窿内部位。然而,这种方法对胼胝体和灰质损伤的检查和诊断往往不够准确。DTI是DWI的一种改进形式,可以有效地评估神经排列、损伤背景和白质微结构。它还可以直接观察神经排列,收集主要神经纤维的异常形态信息。这样,DTI可以以一种高灵敏度的方式检测DAI,并允许估计从损伤到检查所经过的时间。
4.1.3。梯度回波脉冲序列磁化率加权成像(grei - swi)
与其他方法相比,grei - swi能检测出更多的小出血,更准确地指示DAI的严重程度,特别适合DAI的早期诊断。
gres - swi不同于质子密度和T1、T2加权成像。这种新的成像方法是利用不同组织和成像技术不同的磁化率。成像的关键是磁敏材料;在一些组织中,如静脉血、出血和钙化,其磁化率与周围组织不同。一方面,它可以缩短;另一方面,它可能导致血管和周围组织的不同相位对比。
弥漫性轴索损伤(DAI)占重型颅脑损伤的30%以上,是导致植物状态或严重神经功能障碍的主要原因。进一步的临床研究发现,DAI出血比出血少预后差。然而,CT和常规MRI对小出血灶均不敏感。GRE-SWI对血红蛋白代谢物如DNA、高铁血红蛋白、血红蛋白和含铁血黄素非常敏感。因此,grei - swi可以比传统MRI更有效地检测这些代谢物[31,32].因此,grei - swi在创伤性脑损伤的评估、治疗和预后判断中具有重要作用。
gres - swi虽然在临床上对发现颅内小出血有一定的价值,但仍不能区分高血压等患者相关疾病引起的其他小出血。而采集和处理技术仍需进一步改进,以提高扫描速度,减少伪影,提高信噪比。
4.2.神经电生理学
神经电生理学是研究DAI的一种无创工具。动物研究表明,轻度DAI大鼠的神经电生理异常,无论其是否遭受轴突损伤[33].其他研究表明,脑外伤小鼠胼胝体轴突轴的病理改变和动作电位降低。胼胝体中有髓神经纤维和无髓神经纤维的动作电位均降低。在这些神经纤维中,发现有髓神经纤维随着轴突修复而逐渐恢复其动作电位,而无髓神经纤维则不能[34–38].这些结果表明,无髓鞘神经纤维的异常动作电位可能在DAI致残中起重要作用。
4.3.基于生化指标的诊断
目前,用于急性DAI诊断和分析DAI相关病情及预后的常用生化标志物有β-APP、spectrin及其分解产物SBDP145和SBDP150。其他标志物包括神经丝及其tau亚基的磷酸化产物和髓鞘碱性蛋白的水解。
4.3.1.β应用程序
的检测β-APP目前被认为是法医和实验室DAI检测的黄金标准。常用于DAI的早期诊断。
在正常情况下β-APP存在于轴突,免疫组化检测不出来。然而,DAI发病后,轴浆运输中断导致β-APP在轴突中聚集,使其浓度达到可检测水平。这使得它适合作为DAI早期诊断的标志物。然而,检测β-在DAI发病后通过免疫组织化学检测APP可导致低估轴突损伤的范围β-APP695,是β-APP,可提供更可靠、更敏感的DAI诊断[39].必须注意可引起临床轴突代谢异常的疾病,其中β-APP已通过免疫组化显示。因此,必须考虑患者的病史,提高免疫组化检查诊断的准确性β-应用程序。
4.3.2。Spectrin-II亚基
spectrin-II亚基存在于神经元体、树突和轴突中。它与神经丝和微管相关蛋白一起,在维持神经元的形态和功能方面起着重要的作用。DAI后在大脑皮层、皮质髓质交界处、胼胝体和脑脊液中检测到的钙蛋白酶降解产物(calpain降解产物SBDP)的spectrin-II亚基主要包括SBDP-150和SBDP-120。大脑皮层和胼胝体中SBDP-150和SBDP-120浓度的变化趋势已被证明是相似的[40]这表明,在DAI发病后,钙蛋白酶诱导的坏死是DAI的重要病理机制。然而,脑脊液中SBDPs浓度的趋势与大脑中SBDPs浓度的趋势并不同步,并且来自思百吉蛋白不同亚单位的降解产物浓度的趋势也不同。一个可能的原因是,从脑实质释放的蛋白质必须通过细胞间液运输到脑脊液中,而从蛛网膜下腔受损神经元释放的蛋白质可以直接释放到大脑中[41].这样,测量不同亚基的频谱蛋白表达,可以评估DAI的严重程度,显示其是否与局灶性或弥漫性功能损害有关,并为预测DAI的病理机制提供一定的依据。
4.3.3。神经纤维细丝
神经丝参与细胞骨架并在轴突运输中发挥重要作用。神经丝主要由轻链(NF-L)、中链(NF-M)和重链(NF-H)组成。DAI发病后,根据DAI的严重程度,NF-L、NF-M和NF-H肽的空间构型不同。在轻度和中度DAI中,三种类型的NF亚基表现为局灶性障碍。中度DAI时,NF表现为致密区。轴突和微管蛋白明显减少。磷酸化的神经丝被水解,最终导致神经丝塌陷。因为DAI发病后血清中可检测到NF-H, NF-H从6 h开始升高,12 h和48 h达到峰值,在第7天下降到正常水平[42,43].NF-H被认为是最方便的DAI诊断标志物。NF-L是诊断DAI最敏感、最特异的标志物。如果NF-M可以作为DAI诊断的特异性标志物,则必须进一步研究。
4.3.4.Tau蛋白
Tau蛋白是微管相关蛋白中含量最丰富的蛋白。Tau含有一个磷酸基团。每个tau分子包含2-3个磷酸基团。过度磷酸化的tau蛋白组在轴突失去了正常的运输功能,进而抑制了微管的组装,促进了微管的拆卸,最终导致轴突断裂。DAI发病后,calpain将tau解聚为C-tau,在脑脊液中大量检测到。脑脊液中C-tau蛋白的检测水平与临床DAI患者的严重程度呈负相关[44,45]通过这种方式,脑脊液中C-tau的检测被用于定量评估轴突损伤的严重程度。调查显示,一旦患者脑脊液中的C-tau水平达到2.126 mg/mL,死亡率的预后准确率达100%,特异性提高80%以上[46].然而,血清中检测到的C-tau蛋白并不能有效评价预后。因此,脑脊液中C-tau水平的检测被认为是临床诊断DAI最合适的生化标志物之一。
4.3.5. 髓鞘碱性蛋白(MBP)
髓鞘碱性蛋白(Myelin basic protein, MBP)是中枢神经系统(CNS)髓鞘中的主要蛋白。它存在于髓磷脂的血浆一侧,在那里它保持蛋白质的结构和功能稳定。它是特定于神经组织的。由于血脑屏障(BBB), MBP很容易被释放到脑脊液中,并且只有非常少量的MBP被释放到血液中。DAI发病后,中枢神经系统受损,血脑屏障完全破坏。血脑屏障通透性的改变导致血清MBP水平升高[47].血清中MBP水平的测定可及时显示MBP的数量,且样品易于采集。国内外学者报道MBP可以作为衡量中枢神经系统损伤严重程度的合适指标[48].同样,血清和脑脊液中MBP水平的测定可以初步判断DAI的严重程度,为DAI的进展和预后提供客观评价。然而,血清MBP检测的灵敏度目前并不理想,MBP检测在临床环境中的应用受到限制。
4.3.6.其他
其他诊断DAI的生物标志物包括环氧化酶-2、水通道蛋白-4、炎症反应因子(如IL-1)β如IL-6和TNF)和碱性成纤维细胞生长因子。这些因素有助于诊断持续性损伤、炎症反应和DAI的发展和进展。
4.4。神经心理评估
尽管神经心理学评估作为一种非侵入性诊断形式不能用于量化DAI,但它可以根据急性和亚急性状态患者意识和认知障碍的差异,间接显示临床治疗的疗效。研究表明,认知障碍与损伤部位有关,在某种程度上与特定功能区的白质状态有关。越来越多的研究者试图通过数字化神经元评估直接识别临床疗效。
根据不同的标准,可对神经心理测试进行各种分区。最常见的测试分为单个测试和电池组测试。下面列出两种常见的神经心理测试。
4.1.1。Halstead-Reitan神经心理测验
该测试包括婴儿、儿童和成人三个版本。测试分为语言测试部分和非语言测试部分。修订后的HRB测试系列主要考察了以下十个方面:类别测试、触摸操作测试、音乐节奏测试、手指敲击测试、Halstead-Wepman失语症筛查测试、语音感知测试、一侧边缘测试、握力测试、依恋测试、知觉障碍测试。每个子测试有不同的年龄常模。这组测试使用分界点作为标准(临界点)来区分病理。然后根据异常试验计数损伤指数损伤指数=异常试验次数/总次数。HRB评价量表如表所示1..
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10/24/11。Luria-Nebraska神经心理学电池组,LNNB
LNNB有1980年和1985年两个版本。第一个版本包括269个项目,总共有11个子测试。第二个版本增加了中间内存子测试。
第一版LNNB共有11个子测试,包括运动测试、节奏测试、触觉测试、视觉测试、情感打字测试、表达词测试、写作测试、阅读测试、数学测试、记忆测试和智力过程测试。LNNB有三个额外的量表,分别为疾病症状特征量表(定性量表)、左半球侧化量表、右侧量表。这些量表来自于之前的11个子测试。LNNB的每个项目采用3级评分模式:“0”为正常,“1”为边缘状态,“2”为异常状态。每个子测试分数累积为LNNB原始分数。分数越多,损失可能就越大。
附加分
DAI发生在外部瞬时机械力(如剪切力和张力)导致轴突肿胀并进展为轴突断裂时。DAI的病理机制复杂:轴突肿胀导致轴突回缩球的形成,钙内流引起一系列离子失衡,损害线粒体,激活caspase介导的程序性细胞死亡。钙蛋白酶水解结构蛋白并降解细胞骨架网络。胶质细胞也参与整个过程。DAI后发生病理性级联反应。其病理机制尚不清楚。由于DAI的病理机制复杂,其临床诊断没有统一的标准。目前,大多数常用的诊断标准是无创性方法,如神经心理学评估、CT/MRI成像和生化标记物。然而,每种诊断DAI的方法都有其特定的局限性。未来,在进一步研究和评估DAI的病理机制后,可能会有一种多机制的诊断形式。理想情况下,该方法将更加可靠和敏感,便于确定DAI的损伤部位和范围,并实现DAI治疗临床疗效的提高。
相互竞争的利益
两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。
作者的贡献
马俊伟、张凯对这项工作做出了同样的贡献。
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