创伤性脑损伤的多组学研究进展(上)

   翻译：倪培峰      编辑：蔡学英

摘要
创伤性脑损伤(TBI)不是指一种单一的疾病，而是对一系列与脑损伤相关的疾病进行了描述。虽然一些TBI患者在几天或几个月内就能恢复，但其他患者可能会出现持续性症状，导致残疾、神经心理创伤，甚至死亡。由于多种原因，包括头部撞击的可变生物力学、损伤的严重程度和部位的差异，以及患者个体的特征，TBI的理解、诊断和治疗极其复杂，所以我们依旧难以针对脑损伤开发可靠的诊断标准和靶向治疗方法。我们认为，要制定有效的TBI诊断和治疗策略，需要在分子水平上深入理解人类神经生理学，并且多组学可能会为TBI的诊断和治疗提供一些有效的解决方案。为此，本文对多组学的TBI生物标志物进行了全面的综述，并将其与其他神经心理疾病（包括阿尔茨海默症和帕金森病）的已知特征进行了比较。我们相信这一整合的观点将有助于更深入地理解TBI的病理生理学及其与其他神经系统疾病的潜在联系。
关键词
创伤性脑损伤，生物标志物，多组学，蛋白质组学，代谢组学，神经系统疾病

背景

创伤性脑损伤（TBI）是一种涉及对大脑物理伤害的广义上的损伤的描述。TBI可由头部受到钝器打击或穿透力引起。每年有数百万人发生TBI，它是45岁以下人群死亡的主要原因，根据美国疾病控制和预防中心的数据，在美国仅2019年就有超过6万例TBI相关死亡。在最近的伊拉克和阿富汗战争中，美国士兵的TBI发生率接近20%，其中大多数病例为脑震荡（轻度TBI）。

由于致伤因素、潜在的遗传易感性和其他人口统计学因素（包括无家可归者和种族/少数民族地位）的巨大差异，TBI具有高度的异质性。TBI的即刻症状被称为脑震荡后症状（PCSs），通常包括头痛、炎症、意识模糊、眩晕，以及头重脚轻感。TBI也可产生出现更晚和持续时间更长且不可预测的症状，如持续认知障碍、运动功能损害或丧失，以及行为改变。

TBI可能与其他几种神经系统疾病和精神疾病相关（非病原体致病），包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、创伤后应激障碍(PTSD)、癫痫、慢性创伤性脑病(CTE) 和痴呆。此外，TBI会对人际关系造成深刻而持久的影响，这意味着实际受TBI影响的人数多于自身经历过TBI的人。鉴于其患病率和严重程度，TBI是一个重要的公共卫生问题，值得进一步研究。

由于普遍缺乏信息，尤其是来自低收入和中等收入国家的信息，因此很难估计全球TBI发病率。TBI在官方数据上往往被低估（称为“无声的流行病”），因为许多人可能发生TBI而未就医。想要获得大量TBI病例需要有准确的诊断方法。然而，目前对神经系统疾病的诊断方法非常有限，而且通常是间接的诊断。确诊的神经系统疾病是罕见的。例如，AD只有在尸体解剖后才能确诊，它可以揭示是否存在特征性的β-淀粉样蛋白斑块和tau蛋白缠结。帕金森病等其他神经系统疾病通常依赖于鉴别诊断，或排除可能表现为类似症状的其他疾病。TBI的初筛一般采用认知测试的方法，例如格拉斯哥昏迷量表(GCS)，简易智力状态检查(MMSE)，蒙特利尔认知评估量表(MoCA)和Rivermead脑震荡后症状问卷 (RPQ) 。根据GCS可以对意识障碍进行标准化评估，并通过个体的运动、语言和睁眼反应进行量化。GCS评分根据观察到的意识受损程度将TBI分级为轻度、中度或重度，这个结果由测试管理员判定。美国国防部利用患者创伤后遗忘和意识丧失的持续时间，以及GCS评分确定患者的严重程度。MMSE和MoCA对轻度认知障碍敏感，可检测如言语、视觉、情境感知和回忆等心智能力。相反，RPQ旨在测量患者各种PCS症状的严重程度，包括头痛、眩晕、恶心、注意力差等。复合测试如运动性脑震荡评估工具3(SCAT3)，将多种认知测试结合成一种单一的综合评分，目的是在单个测试中提供多方面的评估。

这些认知测试在现代医学实践和研究中被广泛应用，因为它们快速、标准化、廉价、无创，并且易于管理。成像模式如计算机断层扫描(CT)，正电子发射型计算机断层扫描(PET)，单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和磁共振成像可以诊断部分TBI，如颅骨骨折或颅内血肿。然而，并不是所有的脑外伤都会导致后遗症，可以用这些技术进行成像，，并且将患者暴露在电离辐射下（如CT、PET和SPECT）会产生其他的健康问题。这种局限性突出体现在出现延迟症状或PTSD患者的身上。此外，这些临床诊断几乎无法从分子水平了解患者的生化改变，而实际上正是这些改变最终引起TBI的效应。

伴随TBI发生的无数生理和生化改变，可以根据症状出现前的时间长短，将其分为原发和继发阶段（图 1）。原发期描述了在遭受伤害当时发生的变化。挫伤是由冲击-对冲的机制引起的，即挫伤可能发生在损伤部位或附近(coup)，也可能由于对冲力而发生在大脑的另一侧(contrecoup)。这些作用会导致出血、组织损伤和组织变形。中枢神经系统(CNS)细胞可能受剪切力而拉伸和撕裂，从而将高度CNS特异性化合物泄漏到脑脊液(CSF)中。此外，在原发期，血脑屏障(BBB)会被破坏，导致脑脊液和血液混合。这一交叉可能进一步导致CNS蛋白靶向自身抗体的产生，而这些抗体在随后的损伤中可能进入CNS而损伤神经细胞。

继发性损伤阶段描述了在TBI后数小时或数天内发生的各种变化。如果损伤导致血栓形成，则可能发生脑缺血。目前假设脑缺血可增加线粒体内电子传递自由基的浓度，促进其与线粒体内外膜中脂质发生病理反应。神经细胞破裂释放的谷氨酸进入周围组织可引起兴奋性中毒，包括线粒体活性氧的释放和神经元死亡，从而导致多种有害效应。在继发性TBI中可观察到由细胞毒性和血管源性引起的脑水肿，这是由于神经元破裂和BBB破裂后，溶质吸收增加引起的。应激时，上调的促炎和抗炎细胞因子介导炎症级联反应。此外，TBI可导致严重的全身性并发症，这进一步证明了研究TBI及其相关病理生理的重要性。

虽然在TBI的原发损伤阶段无法进行治疗，但在继发性损伤发生期间允许采取措施减轻或预防继发性症状和其他TBI相关并发症。例如，低温可以作为TBI的神经保护剂，α-硫辛酸可通过线粒体信号通路抑制氧化应激相关的凋亡。TBI原发性和继发性损伤阶段发生的特定生化变化为开发诊断方法创造了机会。例如，测定血清中高度神经元特异性化合物或CSF中高度血液特异性化合物的浓度升高可用于推断血脑屏障受到破坏。这些分子水平上的变化构成了基于生物标志物诊断方法的基础。

生物标志物的定义是“作为生物过程的指标而被客观测量和评估的特征”，它有可能补充或最终取代TBI和其他神经疾病的现行诊断方法。候选生物标志物可在多组学的各个分支中找到，多组学是一个宽泛的术语，包括代谢组学、蛋白质组学、转录组学、表观基因组学和基因组学（图2）。生物标志物可以是外源性的（如入侵病原体分泌的毒素），也可以是内源性有差异表达的（如TBI）。理想情况下，生物标志物可直接定量分析机体对损伤或疾病的生化应答反应。基于生物标志物的标准化诊断方法对人类判断的依赖程度不及认知测试，因此它们减少了诊断中的偏倚，从而提高了灵敏度和特异度。除了诊断之外，生物标志物还具有预测疾病严重程度和治疗反应的潜力。

尽管生物标志物具有巨大的潜力，但由于一些原因，它们并不是神经系统疾病诊断的临床标准。神经系统疾病的多组学生物标志物的发现、诊断方法开发和数据整合领域仍然相对年轻，大多数候选生物标志物的报告需要进一步验证。基于生物标志物的诊断方法的验证，在本质上也受到之前所描述的当前诊断方法局限性的限制。一旦确定了候选生物标志物，就必须在更大且多样化的样本中进一步筛选，以确定生物标志物有效使用的特定条件和人群。生物标志物谱通常表现出时间依赖性，部分原因是研究者对体液中的稳定标志物感兴趣，而且不同生物标志物，样本采集位点可能不同。此外，这些时间分布在多组的不同组别之间是不同的，虽然代谢组谱可在几分钟至几小时内发生变化，但其余组别对外部刺激的反应越来越延迟（蛋白质组和转录组的反应慢于代谢组，表观基因组的反应慢于蛋白质组和转录组，基因组的时间弹性最强)，这进一步增加了交叉可比性和普遍应用性的复杂性。此外，根据患者个人病史确定阈值、与生物标记物模块过度拟合的担忧、以及其他统计学方面的担忧使生物标志物检测法的开发和验证进一步复杂化，更不用说从实验室研究到成为临床标准要跨越“死亡之谷”的困难。

由于各种原因，虽然已经确定了许多TBI的候选生物标志物，但没有一个生物标志物在医学领域广泛应用于TBI诊断。目前，已有TBI生物标志物的综述，重点关注其潜在的临床应用。然而，多组学生物标志物研究的一个有同等价值且更为基础的应用是深入了解TBI的基础病理生理学。随着我们更全面地理解TBI的生化改变，诊断方法和治疗靶点将自然而然地出现，TBI与其他神经系统疾病之间的潜在联系也将自然而然地出现（图2）。我们撰写这篇综述的重点是通过生物标志物，对TBI及其与其他神经系统疾病的潜在机制联系进行基本的理解。在这里，我们研究了多组学学科的主要候选生物标志物的特征，并探索了它们的相关功能如何（1）提供对TBI病理生理学的见解，以及（2）提示与其他神经系统疾病的联系。

代谢组学生物标志物

代谢组学是对参与代谢的小分子的研究，包括脂质（脂质组学是代谢组学的一个分支）、氨基酸、糖等。代谢组位于其他组学的下游，这意味着上游的变化在代谢组中被最大程度地放大。代谢组是多组学中对外部环境/刺激反应最快的组分，因此成为快速诊断的有利靶点。代谢组生物标志物的常用分析工具包括用于代谢物分离的气相色谱(GC)和液相色谱(LC)，以及用于代谢物鉴定的核磁共振(NMR)谱和质谱(MS) 。混合分析方法和串联分析方法如GC-MS、LC-NMR-MS和MS/MS等因其通量和灵敏度而广受欢迎。许多多变量统计技术，如主成分分析(PCA)、聚类分析和logistic回归，通常被用于代谢组学数据分析。这些统计学方法有两个主要目的：（1）对离群值或错误识别的代谢物进行数据验证，（2）确定代谢物样本之间的变化趋势。

目前正在广泛探索TBI的代谢组学生物标志物。由于尚未发现具有充分诊断能力的单一代谢物，因此大多数文章关注能解释TBI患者/模型（典型的控制皮质冲击，液体冲击和体重下降模型）和对照组（典型的健康个体或“假”开颅手术模型）之间显著差异的代谢物组合。水平发生改变的代谢物见表1。

在表1列出的69种代谢物中，仅4-半乳糖（人类代谢物数据库标识符：HMDB0000143）、硬脂酸（HMDB0000827）、亚油酸（(HMDB0000673）和花生四烯酸（HMDB0001043）——在多项研究中被用于预测，这可能是由于数据库有限，以及样本类型、样本处理方法和数据采集方法的差异。一些TBI后水平改变的代谢物仍未确定，并且相对较小的样本量和较大的代谢物模块有过度拟合的风险。尽管存在这些富有挑战的局限性，但在报告中观察到的总体趋势（如血清磷脂酰胆碱的普遍降低）具有很好的一致性，证明收集这些数据的方法是有效的。

表1中列出的代谢组生物标志物可以帮助我们了解TBI发生的生化改变。例如，牛磺酸脱氧胆酸(TUDCA)是一种与预防凋亡和保护线粒体相关的分子，它的降低有助于在分子水平上解释在TBI中观察到的细胞死亡和线粒体损伤。此外，氧化应激标志物甲硫氨酸亚砜在TBI后随时间推移而增加，这证明了之前讨论的一些继发性损伤的症状是合理的。综上所述，表1中列出的候选生物标志物表明氨基酸代谢（通路00250、00260、00270、00280、00330、00360和京都基因和基因组百科全书中的00430，KEGG)、脂代谢（KEGG：00061、00062、00071、00100、00561、00564、00565、00590、00591、00600、01040）、碳水化合物代谢（KEGG：00010、00052和00053）和柠檬酸循环（KEGG：00020）均可能发生紊乱，提示TBI患者存在广泛的代谢紊乱。虽然广泛的代谢紊乱不能提供关于TBI与其他神经系统疾病之间联系的具体见解，但初步代谢组学分析提示，TBI与PD之间通过谷氨酸介导的兴奋性毒性存在关联。因此，代谢组是关于生理变化的丰富信息来源。随着TBI代谢组学领域的发展，未来的研究工作将继续推进我们对TBI及其与其他疾病关系的理解。

（未完待续）