创伤性脑损伤恢复期的血液生物标志物和疾病进展的相关性研究

来自英国和瑞典的研究学者开展了一项针对创伤性脑损伤恢复期的血液生物学标志物和疾病进展的相关性研究，研究结论发表在2022年的Brain杂志上。

PMID: 35377407 DOI: 10.1093/brain/awac126

研究目的

创伤性脑损伤(TBI)患者生物标志物的测量已在既往研究中进行了广泛的探索，同CT检查联合可以监测疾病进展和并发症的发生，并可作为预后改善的评价手段。虽然许多早期文献都研究了S100钙结合蛋白(S100B)的作用，但其实用性受到相对较差的诊断和预后判断的限制，并且容易受到颅外释放来源的干扰。随着超灵敏测定技术的发展，新的作为TBI诊断和预后辅助手段的生物标志物引起大家的广泛关注，其中包括胶质纤维酸性蛋白(GFAP)、泛素羧基末端水解酶L1(UCH-L1)、神经丝轻链(NFL) 和微管相关蛋白总体水平。每一种生物标志物都具有独特的特征和不同的时间演变水平，可以提供伤后不同时期颅脑损伤严重程度和潜在的灰白质组织体积的补充信息。上述的生物标记物在识别创伤的严重程度或帮助预后评估方面都显示出良好前景。

目前尚需要对生物标志物同远期MRI表现之间的关系进行更详细的分析。弥散张量成像 (DTI)对TBI的疾病演变和预后敏感度较高。但部分上述生物标志物在慢性神经炎症和神经退行性疾病中也会出现升高，另一些生物标志物在慢性神经退行性疾病和神经炎性疾病中的作用正在进一步研究中。例如，GFAP、NFL和微管相关蛋白总体水平已被证明可以预测认知能力下降和阿尔茨海默病的发展，潜伏期长达8年。TBI和认知功能减退的相关性尤为重要，TBI作为认知功能减退的始动因素正在受到越来越多关注，可导致10-30%患者进行性的神经功能恶化，并成为远期慢性神经炎症和/或神经退行性疾病的危险因素。然而，晚期生物标志物水平与大脑组织学改变的动态演变和预后结局相关的数据是有限的。

最近的两项队列研究提供了伤后一年和五年生物标志物水平同弥散张量成像(DTI) 和/或脑萎缩标志物等颅脑微观结构损伤定量监测指标相关性的重要结论。Shahim等人招募了TBI后30天到5年的患者。研究结论显示GFAP和NFL水平在TBI的损伤后期出现升高，具有不同的时间分布曲线。NFL水平在研究期间单向下降，而GFAP呈双相曲线，初始下降，随后出现二次升高。研究还发现，伤后30天的NFL和GFAP水平与90天功能结局相关，伤后30天NFL水平（但不是 GFAP水平）与随后的预后结局以及90天的灰白质萎缩相关。然而，伤后30天的NFL和GFAP水平很大程度上由初始损伤严重程度驱动，伤后90天的预后结局仍然在很大程度上取决于损伤严重程度和急性期的宿主反应，而不是由远期的慢性进行性病理生理学改变驱动。伤后6月的血清NFL水平与伤后1年的颅脑白质体积减少相关以及伤后3年时的NFL水平与伤后4年中央胼胝体体积减少相关显示NFL水平的持续升高似乎反映了远期的脑萎缩。然而，随访被限制在伤后至多5年，并且该研究没有对脑年龄进行估算。

多中心BIO-AX-TBI研究对TBI急性期及受伤后一年的生物标志物轨迹进行了全面评估。这项开创性研究发现，NFL在受伤后10天到6周达到峰值，并且在一年时仍然保持异常，峰值NFL水平与DTI显示的轴突损伤程度相关，并预测受伤后6到12个月的白质萎缩程度。峰值NFL和GFAP水平在受伤后的前六个月可预测灰质萎缩程度。研究结论显示初始损伤的严重程度（由生物标志物水平定义）可预测损伤后六个月的灰质和白质萎缩程度。然而，研究没有提供萎缩的影像学指标同晚期生物标志物水平之间的相关性。NFL峰值水平（通常在受伤后30天内获取）可能只反映急性脑损伤的严重程度，并反映TBI早期的改变。反应进行性脑萎缩的慢性过程的依据是证明晚期生物标志物水平的升高（表明持续的神经损伤）与脑容量减少有关。

在非TBI神经退行性变的患者中，关于生物标志物的大部分数据都集中在NFL上。然而，对GFAP同退行性疾病的探索也很重要，最近的研究表明血浆GFAP水平可能是淀粉样蛋白沉积的重要标志，而淀粉样蛋白沉积是TBI晚期神经退行性变进展的重要指标。人们对这些生物标志物在TBI后亚急性期（数月）和慢性期（数年）的变化越来越感兴趣。然而，这些晚期生物标志物升高的机制和病理学意义仍不清楚，生物标记物与后阶段的临床病程的相关性也不清楚。既往关于TBI和慢性神经退行性变的研究提出了一种有趣的可能性，即生物标志物，特别是 NFL，或许能够在TBI后标记逐渐进展的神经系统退行性改变。需要找到对应的生物标志物来识别晚期疾病进展的TBI患者，这些患者显示出进行性脑萎缩和不良预后。将TBI晚期生物标志物的升高作为进行性或晚期神经系统疾病的标志将需要长达十年的纵向研究，但此类研究通常难以组织和进行（且成本高昂）。在开展这项长期研究之前，需要初步证据表明晚期生物标志物升高确实同进行性神经功能恶化的某些中间指标（例如神经影像学或认知变化）相关，或者在理想情况下可以预测神经功能的恶化。为了提供此类数据，该研究探讨了横断面和纵向随访的晚期（TBI 后>6个月）GFAP和NFL水平与两个时间点的影像学检查和功能预后之间的相关性。其中第一个随访时间点是受伤后六个月（通常用于明确TBI预后结局的时间点），第二个是在受伤后5年以上，以确定生物标志物升高与神经影像学和功能预后的关系是否仍然存在。最后，研究探讨了另外一部分患者的数据，这些患者数据在伤后8个月和5年以上，以探讨8个月的生物标志物水平是否可以预测超过5年的脑容量损失和功能康复的结局。

研究方法

研究在两个不同的队列中招募了203名患者；受伤后六个月患者165例；受伤后>5年患者38例；其中12例患者还提供了TBI后8个月的数据。受试者接受了血液生物学标志物采样（n=199）和磁共振成像（n=172；包括弥散张量成像）。来自患者队列的数据与59例健康对照和21例非颅脑创伤患者进行对比。分别计算了皮质灰质、深部灰质和全脑白质的平均弥散率和部分各向异性。脑年龄差值以652例健康受试者的影像数据作为参考，并在基于体素水平的灰白质计算出按年龄匹配的局部体积萎缩指数，并通过全脑水平的T1加权图像计算出受试者颅脑的预测年龄差异。

研究纳入了两个中心（图尔库大学医院和剑桥大学）的204例严重程度不同的TBI患者。纳入患者必须参加至少一次后续评估；在图尔库大学医院约 8 个月，在剑桥大学>5年。在这次随访评估中，患者进行血液生物标志物采样、磁共振成像扫描、预后结局问卷评估和认知测试。剑桥大学的12例受试者在这两个时间点均参加了后续随访。健康志愿者（n=59，在剑桥大学扫描）和 21 例骨科创伤对照（未发生颅脑外伤，在图尔库大学医院扫描）被作为对照组分析。对健康志愿者进行两次成像，间隔约5年，为脑萎缩的随访评估提供对照数据。

对于遭受颅脑外伤的患者，纳入标准是：年龄≥16岁，临床诊断为TBI，以及进行了头颅CT扫描。排除标准是爆炸伤或穿透性损伤、慢性硬膜下血肿、由于先前存在的脑部疾病而无法独立生活、无需头颅CT扫描的TBI，或者未获得知情同意。

大脑年龄

为了比较大脑年龄的实际值和估测值的脑年龄差异 (PAD)，研究访问了Cam-CAN MRI数据库，选择具有广泛的年龄分布（18 至 88 岁）的652例健康志愿者。使用Cam-CAN中的MPRAGE扫描开发了基于脑年龄回归的机器学习模型。脑年龄回归器的输入是基于MRI图像的全脑灰质 (WBGM) 和全脑白质（WBWM）估计值。这种基于MRI的年龄预测值被用于该研究队列进行脑年龄的推算。大脑年龄推算值与实际年龄之间的差值为预测年龄差 (PAD)，PAD为正表示大脑比实际年龄大，PAD为负表示大脑比预期年龄小。研究测算了不同受试者队列PAD值之间的差异，并将PAD值与获得的生物标志物水平相关联（以检查早期的生物标志物水平是否预测加速脑老化）。

横断面基于体素的脑形态学差异

为了评估损伤后超过 5 年的患者全脑萎缩的分布，研究分析了基于体素的T1加权颅脑图像的形态学测量。这涉及将颅脑组织分类为灰质和白质部分，并使用Shoot软件将图像分类为灰质和白质。在组织分类后对颅内各组织体积进行估计。TBI 患者和对照组之间的体素组间比较使用以年龄、性别和总颅内容量作为协变量的t检验。P<0.05被认为是具有显著统计学差异。

探索性分析：前瞻性基于体素的局部体积损失指数

为了提供更敏感的区域体积损失测量，研究在两个时间点都随访的12例患者中比较了约8个月和>5年的生物标志物水平及局部体积萎缩指数。研究对每例受试者的基线和随访图像进行量化，计算出平均年化体积变化率。对白质和灰质分别计算了局部体积萎缩比率。在15例健康对照中进行了相同的成像分析，这些对照以相似的时间间隔使用相同的方案进行成像，使用的扫描仪需要一致以确保所看到的任何变化都是脑损伤的继发性改变。研究目的是将体积变化与生物标志物水平进行比较。生物标志物水平和DTI指标之间关系的评估也支持这一决定，白质损失没有区域偏好（即所有区域都受到影响）。

研究结果

慢性期早期NFL浓度升高。GFAP数值在约8个月时处于正常范围，但许多患者在受伤后超过5年表现出二次和暂时性升高。六个月时的生物标志物升高与弥散张量成像的微观结构损伤指标显著相关。约8个月的生物标志物水平预测>5年后的白质体积减少以及约8个月至5年的年化脑容量减少比率。在约8个月至5年之间功能恶化的患者表现出高于预期的脑年龄和升高的NFL水平。

图1 与创伤性脑损伤约8个月和>5年的患者相比，健康志愿者的GFAP和NFL测量值比较

图2 GFAP和NFL对数值在颅脑创伤后的每个时间点都具有相关性，这种相关性的强度随着时间的推移而降低

图3 患者亚组中GFAP和NFL测量值的时间变化

TBI后约8个月和>5年的数据（绝对值）红实线代表健康志愿者的平均值，虚线代表标准差

图4 约8个月的GFAP和NFL对数值与DTI成像参数的部分各向异性和全脑白质中的平均弥散率、全脑皮质灰质和全脑深部灰质中的平均弥散率显著相关

图5 预测的脑年龄，损伤5年以上患者的预测脑年龄差异，以及纵向随访成像的患者和健康对照的平均区域脑萎缩比率

图6 TBI后5年以上的患者和对照组的灰质（图 A）和白质（图 B）基于体素水平的形态学分析

图7 TBI 后约8个月的NFL水平，根据年龄、性别和TBI病程进行调整，预测使用区域萎缩比率的约8个月至>5 年之间的全脑年度白质体积损失率

图8 在5年随访中GOSE显示改善（改善；GOSE 增加 > 1 分）、稳定（GOSE 无变化）或在受伤后约8个月至>5年内恶化（更糟；GOSE 降低>1 分）的患者GFAP和NFL测量值差异及全脑白质、全脑灰质预测年龄差值的差异

研究结论

创伤性脑损伤后，胶质纤维酸性蛋白和神经丝轻链水平可以保持数月至数年的升高，并显示出不同的时间分布曲线。这些生物标志物水平的升高与同期的定量弥散张量成像中灰质和白质的微结构损伤密切相关。约8个月时的神经丝轻链水平升高可预测超过5年持续的白质和脑容量萎缩。这些发现表明，颅脑损伤恢复期的血液生物标志物水平可用于识别创伤性脑损伤幸存者中具有高风险的进行性神经退变的患者人群。

个人体会

研究纳入了多中心的患者队列（总受试者=203）来检查TBI后长达13年的GFAP和NFL测量值变化（图 S6）。研究表明，在 TBI 后长达13年的随访中，这些生物标志物中表现出持续的明显升高。虽然这两种生物标志物在所有时间点都显示出持续的相关性，但这种相关性的强度会随着时间的推移而减弱，表明病理生理学的异质性正在演变。两个晚期时间点都有测量值的患者亚组中，GFAP水平在约8个月时正常，但在5年后趋于上升；而NFL水平则相反，约8个月时升高，5年后稳定到正常水平。约8个月时GFAP和NFL的持续升高与DTI微观结构损伤显著相关，如全脑白质中的平均弥散率和部分各向异性以及皮层灰质和深部灰质中的平均弥散率。TBI患者的预测年龄差异比正常人更显著（提示 TBI 队列中的大脑加速老化）。在两个随访时间点都有随访数据的患者亚组中，研究显示NFL水平在约 8月预测损伤后>5年的白质体积损失，并可以预测约8个月至5年之间年化区域颅脑体积损失率。最后，研究表明晚期蛋白质生物标志物和影像学改变可能具有临床相关性。与GOSE改善或保持稳定的患者相比，约8个月至5年之间GOSE恶化的患者显示出更高的脑年龄差异和升高的NFL水平。

研究发现NFL测量值在颅脑创伤后约8个月持续升高，伤后>5年后GFAP的继发性升高提供了TBI后数年持续损伤的客观证据。尽管这项研究结论需要重复验证，因为涉及的患者人数很少，而且在较大的横断面分析中缺乏显著性差异。两种生物标志物的升高在两个时间点都具有相关性，但这种相关性的强度随着时间的推移而减弱（R2值为0.32和0.16，图2）。两种生物标志物之间最初的强相关性与它们反映急性损伤严重程度的不同方面（可能是神经胶质和轴突组织区别）有关。然而，随着时间的推移，宿主因素变得更加占主导地位，胶质细胞和轴突病理生理学的区别在后期逐渐分离。损伤后>5年的GFAP升高有两种可能的解释。这可能代表了颅脑损伤多年后新的病理演变和/或星形胶质细胞增生症。约8个月时的GFAP水平（尽管大部分在正常范围内），与随后 GFAP 水平在>5 年时的升高密切相关。这表明导致 GFAP 升高超过5年的过程可能已经在约8个月时被激活。

晚期生物标志物升高的病理学和神经生物学机制尚不清楚。六个月时，研究发现GFAP和NFL测量值与灰质和白质中微观结构损伤的DTI指标相关。在TBI后8个月，GFAP和NFL都与平均各向异性呈反相关并同白质的平均弥散率呈正相关。表明它们反映了正在进行的轴突病理的不同方面，NFL可能反映了持续的轴突损失，而GFAP代表神经胶质对这种不断发展的损伤的反应。伤后大于5年NFL水平的相对正常可能表明轴突病理学改变向不太活跃的潜在过程发展。NFL持续下降至正常值与Shahim等人的研究结论一致，他们发现NFL在五年内呈线性下降。尽管如此，与DTI参数的明确和持久的相关性提供了晚期生物标志物升高反映持续神经损伤的证据。虽然其他学者已经描述了这种晚期 MRI变化，这项研究中仍然能够证明DTI参数变化与血液生物标志物的关系。

研究使用DTI和T1加权MRI的颅脑体积分析证明的晚期和渐进性脑萎缩改变同既往文献结论一致，研究显示脑损伤和全脑体积减少在颅脑损伤数月至数年后不断发展。TBI 幸存者的整体颅脑体积减少、白质减少或大脑加速老化。影像学研究结论验证了最近两篇文献的结果，结论显示晚期生物标志物水平和同期成像指标与Shahim等人提供的结论一致。

考虑神经影像学这些晚期变化背后的病理变化是有用的。TBI晚期病理机制复杂，包括tau蛋白、β淀粉样蛋白和TDP-43蛋白沉积；神经炎症、轴突变性、白质退化、神经元丢失和血脑屏障破坏。尤其是进行性白质丢失的神经影像学报告也见于神经病理学研究，可能是由小胶质细胞激活导致及针对神经细胞的有害免疫反应或沃勒变性驱动的。研究观察到的NFL水平的变化，以及它们的与DTI显示的进行性白质损伤的相关性表明这些生物标记物可能反应表示这些演变过程。此外，已知反应性星形胶质细胞的存在是损伤后数年晚期TBI病理学的标志，并且星形胶质细胞增生已被证明与DTI 异常相关。星形胶质细胞增生与血液中GFAP水平的直接联系尚未完全确定，但组织切片上星形胶质细胞 GFAP免疫反应性的增加是反应性星形胶质细胞增生的标志。

虽然尸检组织学对这些过程的最终病理进展提供了明确的描述，但它并不适合本研究，反应不了颅脑组织的动态演变过程。MRI可以记录动态演变过程，但解决潜在的病理生理学机制需要其他工具，例如PET扫描，它可以成像tau蛋白和淀粉样蛋白并绘制小胶质细胞激活图像。MRI和PET都是昂贵的研究和临床工具，并不适合在TBI后的患者中普遍使用。如果血液生物标志物可用于识别更有可能遭受进行性神经损伤的患者，则可以更合理地选择进行性神经系统损伤的受试者和进行MRI和PET研究，以进行更深入的随访和/或招募试验。

无论潜在的病理学机制如何，这些生物标志物的升高似乎都反映了大脑组织学改变的过程。研究中预测年龄差异的增加提供了TBI加速脑老化的证据。血液生物标志物水平可能是更容易获取的标志物。脑容量损失的成像指标在约8个月时没有异常这一事实表明，这是一个缓慢发展的过程，并且与循环蛋白质生物标志物的关系需要在几年内才显现出来。六个月时NFL的升高与未来5-9年的年化脑萎缩率相关这一事实更加有力地支持了生物标志物的预测作用。老年患者的GFAP、NFL和tau的升高反映了认知能力下降、轻度认知障碍和阿尔兹海默症的发展，潜伏期约为8年。研究数据将TBI添加到越来越多的退行性疾病列表中，包括几种典型的神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和其他形式的痴呆症），GFAP、tau、NFL和磷酸化tau的外周血测量值正在被探索作为诊断和疾病进展的标志物。

初步证据表明GFAP和NFL在TBI后数月至数年仍可保持升高，并显示出明显的时间分布。这些升高与同期定量弥散张量成像中灰质和白质的微观结构损伤密切相关。约8个月的NFL升高可能预示未来5-9年持续的白质和脑萎缩。晚期血液生物标志物水平可用于识别由初始 TBI 引发的具有进行性神经损伤高风险的TBI幸存者。

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