1、 1 弥漫性轴索损伤的发病机制及治疗进展张毅飞（陕西省武功县人民医院外科 陕西 武功）弥漫性轴索损伤(DAI)是颅脑损伤的一种重要形式，1982年Adams等 1研究证实弥漫性轴索损伤是在颅脑创伤之后即发生的一种原发性损伤，独立于脑肿胀、颅内高压等因素而存在。头部遭受剪切力或加速性外力作用后，脑内不同密度的组织产生不同的位移，造成这些界面处轴索的肿胀断裂 2，其主要病理改变集中于神经轴索聚集区，如灰白质交界处、胼胝体、脑干、小脑及内囊基底节区，轴缩球的形成是确认弥漫性轴索损伤的主要依据。弥漫性轴索损伤最突出的临床表现是在没有明确局灶损伤的情况下出现快速的进行性加严的意识障碍。由于缺乏特异的早期
2、诊断和治疗手段，目前弥漫性轴索损伤的致残率和致死率都很高。本文根据最新的研究进展，综述弥漫性轴索损伤的发病机制及特异性治疗方面的新进展。1DAI的发病机制：(1)轴索的机械损伤：人们对弥漫性轴索损伤机制的认识首先来自形态学改变。早期的研究发现损伤后几小时到几天内即可发生轴索肿胀，这种轴索肿胀被认为是轴浆运输障碍造成的；随后更精细的超微结构及免疫组化方面的研究发现损伤后轴膜的通透性改变，并导致继发的亚细胞水平变化：神经微丝致密和线粒体肿胀 3。这些形态学改变下隐藏的生化机制正逐渐被人们所认识。经典的理论认为DAI中损伤的轴索是在损伤发生的瞬间被机械张力撕裂造成的，而最近20多年的研究趋向于，DA
3、I是由损伤时的张力引发的一个进行性病变过程，从局灶性的轴索改变逐渐发展到最终的失联系 4。即机械性的原发损伤引起并与继发性的蛋白水解通路激活共同参与DAI的发生。(2)继发性蛋白水解通路激活：轴索断裂涉及一系列病生理过程。目前的观点是：Ca2+介导的蛋白水解通路的激活是导致轴索断裂的关键环节。在有髓神经纤维中，损伤时的剪切力可造成轴膜的多孔结构，形成局灶性的轴膜通透性变化，导致原发性的Ca 2+内流，细胞内Ca 2+浓度的升高激活钙蛋白酶，降解微管蛋白、微管相关蛋白等细胞骨架蛋白 5。轴膜的完整性被削弱，继发持续的不可逆的 2 通透性变化而引起整个损伤轴索节段的改变，形成级联放大效应 6。有研
4、究认为创伤诱导的局灶性轴膜通透性改变诱发局部钙内流，可通过两条途径激活蛋白水解通路：一是内流的ca“直接激活半胱氨酸蛋白酶、钙蛋白酶和半胱天冬酶，水解膜收缩蛋白(轴膜下细胞骨架的主要成分)，造成轴索细胞骨架的崩解；二是局部钙超载可导致线粒体损伤，线粒体通透性转换孔mPTP打开，细胞色素C释放，从而激活半胱天冬酶，参与细胞骨架的降解，线粒体损伤本身还可引起氧化磷酸化障碍，导致不可控的电生理紊乱 4。细胞骨架崩解体现在形态学上即神经微丝致密和微管丢失。而轴索肿胀的原因在很长一段时间内都被认为是细胞骨架崩解引起轴浆运输障碍造成的。最近的研究却有不同发现，Stone等研究表明轴浆运输障碍和轴膜通透性改
5、变在弥漫性轴索损伤的早期病理过程中是相互独立的两个事件，即二者之间并不存在因果关联。至少存在两种不同的发病机制共同参与弥漫性轴索损伤的发病过程。一种以轴膜通透性改变、线粒体肿胀和细胞骨架崩解为主要特征，在轴索失联系前并未出现轴浆运输障碍，也无轴索的局部肿胀，原因可能是内流的钙离子超过阈值，将顺行性的轴浆运输转变为逆行性的轴浆运输；另一种以轴浆运输障碍和局部轴索肿胀为特征，而无明显的轴膜通透性改变或神经微丝致密 7-9。轴浆运输障碍的机制目前还不太清楚，钙神经蛋白被认为在这一过程中起着关键作用。钙神经蛋白拮抗剂FK506的使用可以明显减少轴浆运输障碍的发生 10。也有研究提出，轴膜通透性改变和轴
6、浆运输障碍并非完全不相关，更微小的膜通透性改变可能参与这一病理生理过程，激活微量钙蛋白酶并导致钙神经蛋白的激活，从而改变微管结构，扰乱局部轴浆运输动力学，引起轴索的肿胀。剪切力引起的局部轴膜多孔结构导致的原发性轴膜通透性改变可能是造成轴浆运输障碍的原因 5。DAI中无髓神经纤维也发生类似有髓神经纤维的病理改变。但与有髓神经纤维不同的是，引起局部钙超载的原因并不是轴膜通透性改变。而是轴膜Na+通道激活后去极化，激活电压门控的钙通道和Na +Ca +“交换体，继而导致钙内流，引起下游的病生理变化。(3)炎症反应：最新的研究提出：炎症反应参与了DAI的发生发展。Kelley等 1利用小鼠的DAI模型
7、发现，损伤后相应部位出现小胶质细胞和巨噬细胞的激活和聚集。Yang等 12研究表明，在轴索损伤部位存在炎症因子白细胞介素(IL)一l的聚集，相关性分析提示IL-1的积聚与轴浆运输标志物-APP的积累 3 具有显著的相关性，即IL-1的积累与轴浆运输障碍在空间上具有相关性。有学者提出：轴索损伤时的髓鞘崩解产物激活炎性细胞如小胶质细胞、巨噬细胞，上调炎症因子如肿瘤坏死因子(TNF)-、IL-1等，参与DAI的发展 12。炎性介质如何介导DAI的发展目前并不是很清楚。有研究发现给DAI的模型小鼠大脑持续灌注IL一1受体拮抗剂IL一1Ra可以显著减少caspase-3的激活，提示IL-1可能参与DAI
8、中蛋白水解通路的激活 13。2治疗策略研究进展：弥漫性轴索损伤因其发病机制的复杂性，目前还没有特异性的治疗手段。根据前文对其发病机制的阐述，弥漫性轴索损伤是一个进行性病变过程，最终导致轴索断裂失联系。因此，在出现轴索结构的不可逆改变之前，有可能通过阻断病变过程中的某些环节提早终止弥漫性轴索损伤的自然病程，最大限度地保留神经功能。弥漫性轴索损伤病变过程中的几个主要环节包括：损伤后即刻发生的原发性剪切伤、继发性蛋白水解通路的激活以及炎症反应。下面主要从这几方面简述治疗策略方面的进展。(1)急性期干预：损伤后早期干预的重点就在于如何阻止即刻损伤后发生的下游级联的病理生理过程。针对剪切伤导致的轴膜多孔
9、结构，有研究表明损伤后尽早进行轴膜修复是可能的治疗手段之一。聚羟体P188是一种非离子型的两性异分子聚合物，具有修复损伤细胞膜的作用。Kilinc等 14研究发现损伤后早期应用P188可以维持轴膜的完整性并抑制微管破坏及轴浆运输障碍。聚乙二醇(PEG)是一种亲水性的化合物，已有研究证实其在脊髓损伤和周围神经损伤方面对神经元细胞膜的修复作用。Koob等 15纠给创伤性轴索损伤的小鼠模型静脉注射PEG后，可以减少-APP的聚集，即减少轴浆运输障碍。Smucker等 16叫实验证实给重型DAI小鼠模型早期静脉注射单剂PEG后，可显著减少DAI后续病变的发生。剪切伤后早期的局部钙内流是胞内蛋白水解通路
10、的启动因子，有研究利用钙螯合剂BAPTA在损伤早期螯合胞外和胞内的Ca +，抑制胞内Ca +浓度升高，结果发现下游病生理改变明显被阻断，钙蛋白酶的激活被抑制。(2)阻断蛋白水解通路：如前文述，蛋白水解通路的激活在轴索损伤病变中起着关键作用。其中，持续的钙蛋白酶激活特异性地降解轴膜下细胞骨架蛋白如膜收缩蛋白，是蛋白水解通路中重要的一种中性半胱氨酸酶，钙蛋白酶的激活因此成为DAI的治疗靶点之一。钙蛋白酶在脑内的基础活性比较低，短期的活性抑制相对其他治疗靶点更安全。Czeiter等 4 6给损伤前的鼠模型静脉注射钙蛋白酶抑制剂，观察损伤后的轴索发现钙蛋白酶介导的膜收缩蛋白降解明显受抑制，防止了轴膜通
11、透性改变的继续扩大。也有研究表明对损伤后的DAI鼠模型给予24 h持续的动脉内钙蛋白酶抑制剂灌注，可以显著降低神经微丝组分和膜收缩蛋白的降解 17。钙神经蛋白也是蛋白水解通路中比较重要的治疗靶点，它可能与轴浆运输障碍相关。前文已经提到过钙神经蛋白拮抗剂FK506的使用可以明显减少轴浆运输障碍的发生，但对神经微丝致密却没有明显改善。也有研究得出相反的结果，对弥漫性脑损伤的未成熟鼠模型应用FK506，结果可以降低神经微丝致密的发生而对轴浆运输障碍没有影响18。局部钙超载引发的线粒体损伤也可间接激活蛋白水解通路，同时线粒体损伤可引发更恶劣的能量衰竭和离子泵功能障碍，因此防治线粒体损伤理论上也是重要的
12、治疗策略之一。免疫抑制剂CsA可以阻止损伤后线粒体通透性转换孔mPTP的开放，显著降低线粒体损伤和轴索内细胞骨架破坏，对轴索起保护作用。CsA不仅能从分子和细胞水平保持轴索结构的完整性，还可以通过降低神经退行性变改善创伤后小鼠的运动功能，这对弥漫性轴索损伤可能导致的逆行性神经改变有远期的治疗意义；同时，通过对轴索复合动作电位的研究提示，CsA对轴索的功能也具有较好的保护作用。以上都是针对蛋白水解通路的某一环节进行阻断，低温干预则是广泛地抑制或减慢这一病变进程。有研究证实低温干预可以有效地限制钙蛋白酶介导的膜收缩蛋白降解，进而减少轴索失联系的发生。有学者利用鼠视神经的创伤性轴索损伤模型发现，伤后
13、即刻给予短期(3 h)的低温(32)处理可以明显减少轴索变性的发生，且这一保护效应至少可持续到伤后2周 18。(3)控制炎症反应：最新的研究提出炎症反应可能参与DAI的发展。如果这一理论被证明是正确的，那么积极地控制炎症反应也是治疗DAI的策略之一。研究发现白血病抑制因子LIF可以抑制TNF-生成，并促进巨噬细胞吞噬崩解的髓鞘，提示LIF可能对DAI具有一定的治疗意义。关于炎症反应如何参与DAI的发展目前并不清楚，因此这方面的治疗靶点的提出还有赖于对机制的进一步研究。(4)长期神经营养及保护：弥漫性轴索损伤发生以后，可以继发一系列非特异性的改变，如缺血、水肿、高颅压及氧自由基损伤等 4。同时，
14、炎症反应的参与也将病变升级为系统性的病理过程。因此，仅仅针对轴索损伤的治疗是不够的，而应该从整体出发，进行长期的神经营养和保护。对弥漫性脑损伤的 5 鼠模型给予生理量的孕激素干预后，明显降低了轴索损伤发生的概率，同时改善了运动及认知功能。其他非特异性的神经保护剂如EPO也在研究之中，但目前对于其有效性还在争论之中，在此不展开讨论。3展望：弥漫性轴索损伤的发病机制还有待继续探索，尤其是在轴索损伤后导致的逆行性神经改变和可能存在的轴索重组与修复方面。另外，炎症反应的参与使其发病过程更为复杂，这可能与弥漫性轴索损伤继发或伴发的其他病理改变如缺血、水肿、高颅压等密切相关。目前针对弥漫性轴索损伤尚无特异
15、性的治疗手段，这与其发病机制的复杂性有关。但更重要的原因可能是目前的治疗策略都仅仅是从其发病过程的某一个环节人手，而没有综合考虑整个病变过程。同一个病人多环节多靶点的联合治疗可能是以后的发展方向。不同病人因其个体差异及损伤时的复杂情况，可能需要考虑不同的联合治疗策略。参考文献1 Adams JH，Graham DI，Murray LS，et a1Diffuse axonal injurydue to nonmissile head injury in humans：an analysis of 45 casesAnn Neurol，1982 ，12：557-5632 Li xY，Feng DF
16、Diffuse axonal injury：Novel insights intodetection and treatmentJ Clin Neumsci，2009，16：614-6193 Stone JR，Okonkwo DO，Dialo AO，et a1Impaired axonaltransport and ahered axolenmlalpermeability occur in distinctpopulations of damaged axons following traumatic brain injuryExp Neurol，2004190：59-69 4 Btiki
17、A，Povlishock JTAll roads lead to disconnection 一?Traumatic xonal injuryrevisitedActa Neurochir，2006，148：1811935 Kiline DGallo G，Barbee KA，et a1Mechanical membraneinjury induces axonal beading through localized activation ofcalpainExp Neur012009，219：553-561 6 Czeiter E，Btiki A，Bukofias P，et a1Calpain
18、 inhibition reducesaxolemmal leakage in traumatic axonal injuryMolecules ，2009，14：5115_5123 7 Marmarou CR，Walker SA，Davis CL，et a1Quantitative analysisof the relationship between intraaxonal neurofilament compactionand impaired axonal transport following diffuse traumatic braininjuryJ Neumtrauma2005
19、。22：106610808 DiLeonardi AM，Huh JW，Raghupathi R，et a1Impaired axonaltransport and neurofilament compaction Occur in separatepopulations of injured axons following diffuse brain injury in theimmature ratBrain Res，20091263：174一1829 Andriessen TM，Jacobs B，Vos PE，et a1Clinical characteristicsand pathoph
20、ysiologlcal mechanisms of focal and diffuse traumatic brain injuryJ Cell M01 Med，2010，14：2381-239210 Malinarou CRPovlishock JT.Administration of the immunophilin ligand FK506 6 differentially attenuates neurofilament compaction and impaired axonal transport in injured axons following diffuse traumat
21、ic brain injuryExp Neural，2006，197：353-36211 Kelley BJ，Lifshitz J，PovlishockIT，et a1 Neuminflammatory responses after experimental diffuse traumatic brain injuryJNeuropathol Exp Neurol，2007，66：989100112 Yang XF，Wang H，Wen L，et a1From myelin debris to inflammatory responses：a vicious circle in diffus
22、e axonal injuryMed Hypotheses，201 1，77：60-6213 Kadhim HJ，Duchateau J，Sebire GCytokines and brain injury：invited reviewJ Intensive Care Med，2008，23：236-249 14 Kilinc D，Gallo G，Barbee KA，et a1Mechanicallyinduced membrane poration causes axonal beading and localized cytoskeletal damageExp Neur012008，21
23、2：422-43015 Koob AO，Borgens RBPolyethylene glycol treatment after traumatic brain injury reduces beta-amyloid precursor protein accumulation in degenerating axonsJ Neurosei Res，2006，83：1558 156316 Smucker P，Hekmatyar SK，Bansal N，et a1Intravenous Polyethylene Glycol Successfully Treats Severe Acceler
24、ationInduced Brain 16ury in Rats as Assessed by Magnetic Resonance ImagingNeumsurgery ，2009，64：984-99017 Saatman KE，Creed J，Raghupathi R，et a1Calpain as a therapeutic target in traumatic brain injuryNeurotherapeutics，2010，7：314218 Ma M，Matthews BT，Lampe JW，et a1Immediate short-duration hypotllermia provides longterm protection in an in vivo model of traumatic axonal injuryExp Neurol，2009，215：119127
