李靜,趙璨,2,3,饒家聲,2*,楊朝陽,李曉光,2,
創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)是因?yàn)閯×业耐獠苛α恳鸫竽X結(jié)構(gòu)的損傷從而導(dǎo)致大腦功能受損,常見原因包括交通事故、跌倒、毆打、爆炸傷等。TBI是世界范圍內(nèi)人類死亡和殘疾的主要原因[1],目前在臨床上尚無有效的治療方法。罹患TBI后幸存下來的患者會(huì)遺留許多嚴(yán)重的長期后遺癥,嚴(yán)重影響患者的生命健康和生活質(zhì)量。TBI 與神經(jīng)元的代謝變化有關(guān),損傷初期會(huì)有一系列的病理生理變化過程,包括神經(jīng)元去極化、興奮性神經(jīng)遞質(zhì)釋放、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、水腫及缺氧等,并且會(huì)在數(shù)小時(shí)至數(shù)周的時(shí)間內(nèi)展開,其中每一項(xiàng)都會(huì)對(duì)腦組織損傷有影響。了解損傷后病理生理學(xué)的過程,有利于改善TBI 患者的診斷和預(yù)后,因此臨床上需要能檢測(cè)損傷后神經(jīng)生理化學(xué)變化的更敏感的非侵入性成像技術(shù)。
磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是表征損傷后代謝反應(yīng)的一種無創(chuàng)檢查技術(shù),它可探測(cè)并量化活體腦組織的主要代謝物,評(píng)估損傷后代謝物的變化情況,具有識(shí)別和量化TBI 后生理變化的潛力。在許多疾病中,微觀上代謝物含量的改變要早于宏觀上組織結(jié)構(gòu)的變化。因此MRS 的檢查對(duì)于理解TBI 后腦細(xì)胞的代謝物變化及各種形式的神經(jīng)功能缺損和腦外傷強(qiáng)度很有用,可為臨床治療及預(yù)后判斷提供重要信息。雖然動(dòng)物研究的結(jié)果不能直接套用到臨床研究之中,但也可為臨床研究提供一定的理論基礎(chǔ)。本文以輕度/中重度TBI 為兩條主要線索,綜述近年國內(nèi)外MRS在TBI的臨床研究及動(dòng)物研究中的應(yīng)用。
MRS是利用原子核的化學(xué)位移和J耦合兩種物理現(xiàn)象,其原理在某些方面與磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)相同,將采集到的信號(hào)通過傅立葉轉(zhuǎn)換變成波譜。代謝物的波譜數(shù)據(jù)表示為沿水平譜線的精確位置處的峰,其中共振頻率(或化學(xué)位移)以百萬分率(parts per million,ppm)的等級(jí)表示,縱坐標(biāo)代表代謝物的信號(hào)強(qiáng)度單位,峰下面積代表給定化合物的濃度。MRS 在腦組織中常測(cè)定的代謝物產(chǎn)物主要包括以下幾種:天門冬氨酸(N-acetylaspartate,NAA)、膽堿(choline,Cho)、肌酸(creatine,Cr)、谷氨酸(glutamate,Glu)、谷氨酰胺(glutamine,Gln)、乳酸(lactate,Lac)等[2-5]。
輕度TBI 是最常見的TBI 形式,其癥狀主要包括頭部和頸部疼痛、思維速度下降等,常規(guī)MRI無顯著變化。患有中度或重度TBI的患者可能頭痛不會(huì)消失,并出現(xiàn)意識(shí)不清,常規(guī)MRI 可看到顯著的結(jié)構(gòu)改變[6]。在臨床診斷中,常按照格拉斯哥昏迷評(píng)分(Glasgow coma scale,GCS)標(biāo)準(zhǔn)將患者進(jìn)行分類,GCS 13~15 分為輕度TBI,GCS 3~12分為中重度TBI。
NAA 主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元及軸突中,由天冬氨酸和乙酰輔酶A經(jīng)天冬氨酸N-乙酰轉(zhuǎn)移酶作用形成,NAA 被運(yùn)輸?shù)捷S突釋放,隨后被少突膠質(zhì)細(xì)胞吸收,并被分解成醋酸鹽和天冬氨酸,其具體作用尚不完全清楚,但與線粒體密切相關(guān)[7]。NAA的含量變化反映神經(jīng)元的功能狀態(tài),通常被認(rèn)為是神經(jīng)元的生物標(biāo)志物。
2.1.1 在輕度TBI 中的應(yīng)用 目前NAA 在輕度TBI中的臨床研究主要集中在認(rèn)知障礙和意識(shí)恢復(fù)方面。在認(rèn)知障礙方面,Babikian 等[8]對(duì)20 例輕度 TBI 兒童/青少年損傷 4~6 d 時(shí)進(jìn)行 MRS 檢查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)NAA與認(rèn)知評(píng)分呈中~強(qiáng)度的正相關(guān)性。Sours等[9]在急性輕度TBI患者的丘腦中觀察到NAA/Cr 顯著降低,同時(shí)心理學(xué)評(píng)估結(jié)果顯示患者的認(rèn)知表現(xiàn)降低。Dennis 等[10]使用彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)和 MRS 發(fā)現(xiàn) TBI 兒童長期認(rèn)知方面的差異與NAA有關(guān)。以上研究都顯示NAA或NAA/Cr的含量與認(rèn)知能力的關(guān)系。在意識(shí)恢復(fù)方面,Govind等[11]對(duì)29例輕度TBI和GCS 10~15分的受試者在傷后亞急性期間進(jìn)行的研究顯示 NAA 和 NAA/Cr 減少。Sivak 等[12]對(duì) 21 例輕度 TBI 患者和22 例對(duì)照者進(jìn)行MRS 研究,發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷后無意識(shí)患者的額葉和右額葉及上腦干中NAA/Cr 均顯著降低。Veeramuthu 等[13]對(duì)35 例輕度TBI 患者及13 例對(duì)照者的額葉進(jìn)行MRS 研究,結(jié)果顯示GCS 與NAA 之間存在正相關(guān)。這些研究顯示NAA 的變化與TBI后意識(shí)恢復(fù)情況密切相關(guān)。TBI會(huì)引起神經(jīng)元完整性的紊亂,導(dǎo)致線粒體功能障礙和NAA合成擾動(dòng),從而導(dǎo)致NAA減少,因此NAA含量降低意味著神經(jīng)元的缺失或功能障礙,從而導(dǎo)致認(rèn)知和意識(shí)障礙的發(fā)生。
2.1.2 在中重度TBI 中的應(yīng)用 在中重度TBI 的臨床研究中,目前的研究主要集中在患者的預(yù)后情況。Signoretti等[14]通過測(cè)量嚴(yán)重顱腦損傷患者的NAA水平來證明創(chuàng)傷后大腦的神經(jīng)化學(xué)損傷并評(píng)估線粒體功能障礙,結(jié)果表明,損傷后最初10 d 內(nèi)NAA/Cho 和NAA/Cr 降低;在損傷后40 d,最初降低的NAA/Cho水平恢復(fù)到接近基線的患者預(yù)后良好,NAA/Cho水平恢復(fù)不佳的患者預(yù)后不良。Babikian 等[15]研究2 組中度/重度TBI 患者(年齡12~18 歲)在急性期(傷后5 月,n=10)和慢性期(傷后14.7月,n=8),以及10例年齡匹配的健康對(duì)照者胼胝體的MRS,結(jié)果發(fā)現(xiàn)NAA在TBI急性期降低,慢性期又上升。Tollard等[16]將DTI與MRS相結(jié)合,用于研究嚴(yán)重頭部創(chuàng)傷約3周時(shí)43例患者中成像生物標(biāo)記物的預(yù)測(cè)能力,NAA/Cr 在預(yù)后良好[格拉斯哥預(yù)后評(píng)分(Glasgow outcome scale,GOS)4~5 分]、預(yù)后不良(GOS 1~3分)和對(duì)照受試者之間有顯著性差異(P<0.05),NAA/Cr 在預(yù)后不良的患者中最低,在預(yù)后良好的患者中處于中間,對(duì)照組中最高。Carpentier等[17]也發(fā)現(xiàn)持續(xù)植物人患者的NAA/Cr低于恢復(fù)意識(shí)的患者。Yang等[18]使用結(jié)構(gòu)MRI、DTI及MRS評(píng)估58 例嚴(yán)重TBI 患者的意識(shí)恢復(fù),結(jié)果顯示,共有33 例患者獲得意識(shí)恢復(fù),25 例患者未獲得意識(shí)恢復(fù);未獲得意識(shí)恢復(fù)的患者的腦橋NAA/Cr 顯著低于意識(shí)恢復(fù)組(P=0.037)。這些研究證明中重度TBI后NAA水平的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,在預(yù)后不良的患者中,整個(gè)相關(guān)組織的NAA始終保持低水平,而在預(yù)后良好的患者中NAA水平會(huì)有所恢復(fù),這說明預(yù)后良好的患者存在神經(jīng)元功能恢復(fù)。
在動(dòng)物研究中也有類似發(fā)現(xiàn)。Lescot等[19]使用體內(nèi)MRI和MRS 來評(píng)估 TBI 后 24 h、48 h 和 7 d 的成年雄性 SD 大鼠,發(fā)現(xiàn)TBI后24 h挫傷皮質(zhì)T2值高,同一部位TBI后第7天NAA/Cr降低。Xiao 等[20]將35 只TBI 中國兔隨機(jī)分為對(duì)照組、輕度、中度和重度組。在創(chuàng)傷后1、6、24 h進(jìn)行MRS,結(jié)果顯示,NAA/Cr與撞擊嚴(yán)重程度之間存在顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.83,P<0.01)。Singh等[21]使用體內(nèi)和體外MRS對(duì)照組和TBI組在傷前、傷后4 h、傷后第1 天和第5 天的大鼠海馬區(qū)域進(jìn)行分析,結(jié)果顯示在中度TBI 后4 h 和第1 天NAA 下降。這些研究主要說明中重度TBI造成神經(jīng)元的損失,從而導(dǎo)致NAA降低。目前的動(dòng)物研究主要在急性期和亞急性期,關(guān)于慢性期NAA是否會(huì)和臨床研究一樣出現(xiàn)NAA的升高,仍有待進(jìn)一步研究。
Cho主要由三種代謝物組成,分別是甘油磷酸膽堿、磷酸膽堿和部分游離的膽堿,因?yàn)樗鼈冎饕獏⑴c細(xì)胞膜的合成和降解,因此Cho的含量與細(xì)胞膜的合成和分解有關(guān),是細(xì)胞膜更新的生物標(biāo)志物。
2.2.1 在輕度TBI 中的應(yīng)用 在臨床研究中,Govind 等[11]對(duì)輕度TBI和GCS 10~15分的受試者在傷后亞急性期間進(jìn)行的研究也發(fā)現(xiàn) Cho 和 Cho/NAA 增加。在動(dòng)物研究中,Lyons 等[22]在成年小鼠中關(guān)于輕度閉合性顱腦損傷與損傷后1月的研究中發(fā)現(xiàn)Cho 值先降低后升高,其動(dòng)態(tài)模式取決于傷后時(shí)間。Cho 與細(xì)胞膜磷脂結(jié)合,因其T2太短通常不能被檢測(cè)到,只有當(dāng)它在細(xì)胞膜更新或細(xì)胞產(chǎn)生乙酰膽堿期間釋放時(shí)才能被檢測(cè)到,Cho最開始的降低可能說明損傷導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量減少,緊接著升高,一方面是由于損傷會(huì)導(dǎo)致炎癥發(fā)生,炎癥會(huì)造成炎細(xì)胞浸潤,細(xì)胞膜的合成導(dǎo)致Cho升高,另一方面,炎癥導(dǎo)致更進(jìn)一步的細(xì)胞膜破裂和損傷,細(xì)胞膜的分解也導(dǎo)致Cho升高,因此Cho的變化不具有特異性。
2.2.2 在中重度TBI中的應(yīng)用 在臨床研究中,Babikian等[15]在中度/重度TBI 患者急性期和慢性期及健康對(duì)照者胼胝體的MRS研究中發(fā)現(xiàn),在TBI組中,急性期的Cho均升高;另一項(xiàng)研究[23]對(duì)72例嚴(yán)重TBI患者及30例對(duì)照者中進(jìn)行額葉后部MRS,結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,TBI患者的Cho/Cr較高,這兩項(xiàng)研究都表明炎癥發(fā)生。在動(dòng)物研究中,Tian 等[24]使用體內(nèi)MRI 和MRS 評(píng)估減壓顱骨切除術(shù)對(duì)受控皮質(zhì)撞擊大鼠模型的療效,MRS 結(jié)果顯示顱骨切除術(shù)組的皮質(zhì)和海馬的Cho/Cr 明顯低于未進(jìn)行顱骨切除術(shù)組,這表明顱骨切除術(shù)可降低炎癥;Li等[25]使用DTI和MRS來分析重度TBI大鼠在損傷后2周內(nèi)腦中的微觀結(jié)構(gòu)和代謝變化情況,結(jié)果顯示,海馬中Cho在傷后第7天顯著增加,作者解釋為星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖。損傷初期,炎細(xì)胞的浸潤導(dǎo)致炎細(xì)胞大量增殖,隨后損傷也導(dǎo)致星型膠質(zhì)細(xì)胞的活化增殖來形成瘢痕,這說明Cho不能被認(rèn)為是特定代謝物,不能區(qū)分損傷情況及預(yù)測(cè)預(yù)后,但Cho可作為損傷初期炎癥反應(yīng)的信號(hào),應(yīng)用到臨床上可用于潛在的新型抗神經(jīng)炎癥治療藥物的開發(fā)。
Cr峰由肌酸和磷酸肌酸兩種代謝物組成,在腦組織中相對(duì)較穩(wěn)定,是細(xì)胞能量儲(chǔ)存的量度。目前發(fā)現(xiàn)Cr有變化的研究主要在輕度TBI中。在臨床研究中,Gasparovic等[26]對(duì)輕度TBI半急性患者的腦代謝物水平進(jìn)行了研究,與健康對(duì)照組相比,Cr在胼胝體壓部和扣帶回中的含量升高。在動(dòng)物研究中,Tang 等[27]使用DTI和MRS對(duì)成年雄性SD大鼠進(jìn)行類似于車載爆炸引起的超加速度(uBIH),結(jié)果顯示內(nèi)囊中Cr減少。大腦的代謝活動(dòng)需要三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)提供能量,TBI后會(huì)造成代謝應(yīng)激反應(yīng),從而產(chǎn)生較高的能量需求,ATP是由肌酸產(chǎn)生的,磷酸肌酸可迅速轉(zhuǎn)化為肌酸,再生成ATP,從而提高能量,因此Cr 的升高代表能量需求的提高。隨后,損傷導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化增殖,需要消耗能量,可能會(huì)引起Cr減少,因此Cr的變化可以代表TBI后大腦能量需求的變化。
Glu和Gln的峰在波譜上重疊并很難分離,這兩種物質(zhì)經(jīng)常被合稱為Glx。Glu是腦內(nèi)重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),存儲(chǔ)在神經(jīng)元囊泡中,釋放后,它被神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞攝取并轉(zhuǎn)化為Gln,Gln負(fù)責(zé)控制和調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的合成。眾所周知,神經(jīng)傳遞過程通過Glu-Gln周期完成。突觸前末梢釋放Glu,主要輸送到星形膠質(zhì)細(xì)胞,在那里它通過谷氨酰胺合成酶途徑轉(zhuǎn)化為Gln,Gln 又被釋放回神經(jīng)元,通過磷酸相關(guān)的谷氨酰胺酶、線粒體酶再生成Glu,由此形成神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞之間的Glu-Gln循環(huán)。
2.4.1 在輕度TBI中的應(yīng)用 在臨床研究中,Gasparovic等[26]研究顯示輕度TBI受試者的灰質(zhì)Glx水平顯著降低。Yasen等[28]使用MRS對(duì)9例輕度TBI患者和9例對(duì)照者的兩個(gè)感興趣腦區(qū)域[初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和背外側(cè)前額皮質(zhì)(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)]在傷后3個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)(傷后72 h、2周、2月)中獲得Glu的濃度。結(jié)果顯示,在DLPFC中,輕度TBI組的Glu濃度在受傷后72 h低于對(duì)照組。這些研究說明這是對(duì)Glu興奮性毒性抑制的一種神經(jīng)保護(hù)作用。
2.4.2 在中重度TBI中的應(yīng)用 在臨床研究中,Xu等[29]發(fā)現(xiàn)在損傷后2 h Glu/Cr顯著減少,Gln/Cr略微升高。在動(dòng)物研究中,F(xiàn)ievisohn等[30]對(duì)成年雌性小型豬進(jìn)行平移撞擊以及平移和旋轉(zhuǎn)組合撞擊兩種模式誘導(dǎo)TBI,之后進(jìn)行MRS 分析,與對(duì)照組相比,結(jié)果顯示,平移組發(fā)現(xiàn)損傷后1 h和24 h Gln顯著增加,這可能是Glu被轉(zhuǎn)化為Gln,防止Glu興奮性毒性。而平移和旋轉(zhuǎn)組Glu顯著增加,Glu/Gln增加,這可能是Glu興奮性毒性及Glu降解的一個(gè)折中。
TBI 誘導(dǎo)神經(jīng)元去極化,導(dǎo)致Glu 興奮性毒性發(fā)生,造成Glu的快速產(chǎn)生和過度升高;隨后,損傷也會(huì)導(dǎo)致星型膠質(zhì)細(xì)胞活化,過量的Glu 被星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取轉(zhuǎn)化成Gln,造成Gln 升高,TBI 導(dǎo)致線粒體功能障礙,從而影響谷氨酰胺酶活性,又造成Glu 減少;同時(shí),損傷會(huì)導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)保護(hù)作用(清除Glu)的發(fā)生,三者共同作用就使得損傷Glu 可能出現(xiàn)升高或降低兩種情況,所以說Glu含量的變化也不具備特異性。
Lac被認(rèn)為是糖酵解的過程,由葡萄糖代謝生成丙酮酸,丙酮酸再生成Lac,一般在正常腦組織中不能測(cè)到,當(dāng)產(chǎn)生無氧代謝的時(shí)候才會(huì)有Lac的升高。
2.5.1 在輕度TBI 中的應(yīng)用 在臨床研究中,Chen 等[31]使用DTI 和MRS 對(duì) 21 例輕度 TBI 患者(12~51 歲)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)7例患者額葉Lac增加。在動(dòng)物研究中,Lescot等[19]使用體內(nèi)MRI和MRS來評(píng)估TBI后SD大鼠,在TBI后第7天發(fā)現(xiàn)大鼠損傷皮質(zhì)的Lac/Cr升高,這都表明氧化代謝受損,提示缺氧。
2.5.2 在中重度TBI中的應(yīng)用 在臨床研究中,對(duì)10例創(chuàng)傷后48~72 h TBI患者進(jìn)行MRS檢查,發(fā)現(xiàn)5例患者的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)Lac水平升高,且與初始臨床嚴(yán)重程度和短期疾病結(jié)果成正比[32]。在動(dòng)物研究中,Tian等[24]使用體內(nèi)MRI和MRS評(píng)估減壓顱骨切除術(shù)對(duì)受控皮質(zhì)撞擊大鼠模型的療效,MRS 結(jié)果顯示,未進(jìn)行顱骨切除術(shù)組的Lac/Cr的比值上升;Xiao等[20]對(duì)不同損傷程度以及對(duì)照組的TBI兔模型進(jìn)行MRS,結(jié)果顯示,重度TBI組Lac/Cr 比率增加最明顯;Singh 等[21]對(duì)TBI 大鼠海馬區(qū)域進(jìn)行MRS分析發(fā)現(xiàn)在中度TBI后第5天Lac上升,這些研究都說明能量消耗導(dǎo)致厭氧途徑的開始。
TBI 后,大腦可能出現(xiàn)明顯的代謝失敗、缺氧和神經(jīng)炎癥等,乳酸會(huì)因?yàn)槿毖?、缺血或巨噬?xì)胞浸潤而升高[33],當(dāng)使用長TE(TE=144 ms)時(shí)可以獲得,它可表現(xiàn)為1.3 ppm 的特征性雙峰,但Lac 的信號(hào)實(shí)際上可根據(jù)核磁共振條件消失[34],因此Lac并非在所有研究中都能被檢測(cè)到。
綜上所述,無論是在臨床研究還是動(dòng)物研究中,不管是輕度還是中重度TBI,NAA 可能是最具有臨床價(jià)值的一種代謝物,因?yàn)樗c患者預(yù)后相關(guān),可以區(qū)分患者的預(yù)后良好和預(yù)后不良情況。神經(jīng)元數(shù)量的改變可直接導(dǎo)致NAA 含量的變化,另外,TBI 導(dǎo)致線粒體功能的障礙,從而導(dǎo)致NAA 合成的減少,NAA 又是髓鞘合成過程中乙酸鹽的來源,而髓鞘修復(fù)需要NAA 增加水解來提供乙酸鹽,進(jìn)而造成NAA 進(jìn)一步降低,因此,TBI后NAA的減少是由于神經(jīng)元的數(shù)量減少還是由于線粒體功能障礙亦或是髓鞘修復(fù)導(dǎo)致的依然值得進(jìn)一步研究,這將提高我們對(duì)TBI患者腦MRS改變的認(rèn)識(shí)。
隨著社會(huì)的發(fā)展,腦損傷已經(jīng)成為危害人類生命健康的重要問題。而醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展,使得MRS為腦損傷提供了更為直觀科學(xué)的影像學(xué)資料??梢园l(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)的影像學(xué)表現(xiàn)正常的腦區(qū)域仍然存在腦損傷,這些損傷對(duì)于患者的病情及治療或許具有重要的意義。及時(shí)和準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這些損傷的范圍和程度,從而給患者及時(shí)的治療,對(duì)于評(píng)估受傷嚴(yán)重性及改善預(yù)后有重要的價(jià)值。因此MRS 對(duì)于理解大腦微觀結(jié)構(gòu)和腦細(xì)胞死亡的代謝機(jī)制及各種形式的神經(jīng)功能缺損和人類腦外傷強(qiáng)度很有意義。
MRS檢查具有無輻射且可多次重復(fù)的特點(diǎn),適合大部分患者,因此在腦損傷的檢測(cè)方面,MRS 具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著磁共振硬件及軟件的不斷進(jìn)步及其他影像檢查方法的發(fā)展完善,對(duì)于腦損傷各方面的認(rèn)識(shí)會(huì)更加深入,對(duì)患者的診治也會(huì)取得更大的進(jìn)步。由于MRS應(yīng)用于臨床的時(shí)間尚短,還存在著一些問題,例如掃描時(shí)間較長、傷后最佳檢查時(shí)間點(diǎn)及最佳檢查部位的確定等,但是相信隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展和在TBI 方面研究的深入,以及MRS 與DTI、動(dòng)態(tài)磁敏感增強(qiáng)灌注成像以及血氧水平依賴功能磁共振成像等序列相結(jié)合的多模態(tài)的發(fā)展研究,MRS 必將會(huì)在TBI 的診斷、分期、療效評(píng)估及預(yù)后評(píng)價(jià)等方面發(fā)揮更大的作用,并為未來的新療法評(píng)估奠定基礎(chǔ)。