趙建偉，陳世文

作者單位上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院神經(jīng)外科上海200233

1 概述

創(chuàng)傷性顱腦損傷（traumatic brain injuries，TBI）的發(fā)生率在我國占全身創(chuàng)傷的第2位，目前達(dá)到每年100～200人/10萬，其中交通事故是首位原因，顱腦外傷的死殘率高居所有外傷的第1位[1]。對TBI的診治，人們主要集中于急性期。但顱腦外傷可引起多種后遺癥并能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，據(jù)報道腦外傷與阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，但其機(jī)制仍不明確。

阿洛伊斯·阿爾茨海默在1906年首次報告現(xiàn)在以他名字命名的病例，記錄了一位51歲的婦人奧古斯特·D的進(jìn)行性癡呆癥狀[2]。此后，科學(xué)家們對AD的致病因素、臨床分型、病理學(xué)、病理生理學(xué)進(jìn)行了百余年的大規(guī)模研究，但其病因和發(fā)病機(jī)制迄今仍未完全闡明。很多研究表明，TBI是最強(qiáng)的AD的外在致病因素之一[3]。

2 TBI后AD的流行病學(xué)

1928年，美國新澤西病理學(xué)家Harrison Martland首次描述一種特殊類型的癡呆癥狀，經(jīng)歷反復(fù)TBI的拳擊手會出現(xiàn)如震顫、運(yùn)動減緩、語言障礙、思維混亂等表現(xiàn)，當(dāng)時他稱之為“Punch Drunk”[4]。此后，針對TBI后患者罹患癡呆進(jìn)行了大量的流行病學(xué)研究，其中很多結(jié)果證實TBI和AD具有相關(guān)性。2000年，Plassman報道了一個由548例頭部外傷史的實驗組和1 228例正常人的對照組組成的隊列，研究其罹患AD及其他類型癡呆的風(fēng)險。結(jié)果表明，中重度腦外傷史是后期出現(xiàn)AD的重要危險因素[5]。2014年，瑞典的Nordstr?m發(fā)表了一篇由811 622人組成的一項全國性隊列研究，旨在探討TBI與癡呆的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TBI與AD雖無顯著相關(guān)性，但是TBI與其它類型癡呆（慢性創(chuàng)傷性腦損傷、額顳葉癡呆、帕金森病）有強(qiáng)相關(guān)性[6]。但也有些報道顯示TBI與AD并無顯著相關(guān)性[7-9]，原因可能與回憶偏倚、隨訪時間過短、人群異質(zhì)性等多種因素有關(guān)。這也提示TBI后神經(jīng)退行性過程與TBI的嚴(yán)重程度、腦損傷部位和類型、個體基因易感性、基礎(chǔ)健康狀況、生活方式、生活環(huán)境等多方面因素有關(guān)。而TBI是造成包括AD在內(nèi)的癡呆癥狀的最重要環(huán)境因素[10,11]。

3 TBI致AD的機(jī)制

AD是與年齡相關(guān)的常見的神經(jīng)退行性病變，發(fā)病進(jìn)程緩慢，早期常被誤診為正常的衰老，其典型的神經(jīng)病理學(xué)特征是：大腦皮質(zhì)彌散性萎縮、溝回增寬、腦室擴(kuò)大、大量神經(jīng)元丟失、神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangle，NFT）和細(xì)胞間質(zhì)出現(xiàn)β淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉積，形成老年斑和淀粉樣血管病。

急性腦損傷和AD有很多相似的病理學(xué)改變，比如Aβ沉積、tau蛋白磷酸化、軸突退化、突觸損失、小膠質(zhì)細(xì)胞增生[12,13]。神經(jīng)炎癥反應(yīng)是介導(dǎo)急性腦損傷后繼發(fā)性神經(jīng)退行性病變的重要因素。TBI可引起神經(jīng)細(xì)胞軸突損傷，而軸突-突觸前損傷是導(dǎo)致AD發(fā)生的重要機(jī)制[14]，TBI后軸突損傷可引起軸突球樣變、腫脹、軸膜破壞從而引起軸漿運(yùn)輸損傷，繼而出現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）、衰老蛋白-1（Presenilin-1，PS-1）、β-分 泌 酶（B-site APP cleaving enzyme，BACE）聚集[12]。TBI還可誘發(fā)半胱氨酸天冬氨酸酶（caspase-3）表達(dá)，進(jìn)一步引起細(xì)胞凋亡和APP產(chǎn)生，這些蛋白都是AD發(fā)生的關(guān)鍵蛋白，可誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)Aβ級聯(lián)反應(yīng)，促進(jìn)tau蛋白磷酸化和NFT沉積。

3.1 TBI與Aβ

1984年，Glenner和Wong等首次從AD患者腦膜血管中分離得到一種淀粉類物質(zhì)，其分子量為4 kD，約含39～43個氨基酸，由于其呈現(xiàn)β折疊而被命名為Aβ[15]。1985年，Masters和Beyreuther從老年斑中分離得到一種與Aβ分子量和氨基酸序列相同的蛋白質(zhì)，從而證實老年斑的核心物質(zhì)就是Aβ[16]。Aβ蛋白是APP經(jīng)蛋白水解酶裂解后的產(chǎn)物，編碼APP的基因位于第21對染色體，Aβ由APP經(jīng)相關(guān)酶加工產(chǎn)生。其存在兩種競爭的切割途徑α分泌酶途徑和β分泌酶途徑[17]。BACE途徑中APP依次由BACE和γ分泌酶切割產(chǎn)生Aβ42。α分泌酶途徑不產(chǎn)生Aβ。PS-1為γ分泌酶的催化亞單位。Aβ42極易聚集，形成不溶性纖維，沉積為老年斑，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞功能紊亂。Aβ沉積還能引發(fā)各種免疫炎癥反應(yīng)和神經(jīng)毒性級聯(lián)反應(yīng)，形成瀑布效應(yīng)，導(dǎo)致廣泛的神經(jīng)元變性。Aβ致病機(jī)理多樣，其在形成可溶性Aβ寡聚體時即可具有神經(jīng)毒性作用，且毒性作用最大[18]，Aβ寡聚體是Aβ片層折疊過程中的一種過渡狀態(tài)。研究證實，AD病情的嚴(yán)重程度與Aβ總量相關(guān)，但并非線性相關(guān)；但是與可溶性Aβ寡聚體呈線性相關(guān)[19]。Aβ的形成、沉積和降解貫穿AD的整個病理生理過程。Aβ假說是AD病因的主要假說之一。

在年輕TBI患者中，Aβ沉積在傷后2～4 h就可出現(xiàn)[20]，TBI發(fā)生后立即死亡的不同年齡的患者中大約30%發(fā)現(xiàn)腦中Aβ沉積，研究者還發(fā)現(xiàn)TBI后軸突變性和軸突內(nèi)Aβ沉積會持續(xù)多年，這提示TBI可誘發(fā)神經(jīng)退行性疾病。免疫組化分析表明TBI后Aβ相關(guān)切割酶（包括PS-1和BACE）在受傷軸突中聚集[21]。Caspase-3是細(xì)胞凋亡過程中最主要的終末剪切酶，其過度激活可導(dǎo)致過度的細(xì)胞程序性死亡，Caspase-3過度激活在AD患者中常見，被認(rèn)為在Aβ產(chǎn)生中起重要作用[22]。大鼠實驗中，腦損傷后，Caspase-3陽性細(xì)胞增加[23]。APP小鼠經(jīng)過控制性皮質(zhì)撞擊，使用Caspase抑制劑可降低Caspase-3介導(dǎo)的APP切割和急性Aβ的升高[24]，Caspase升高Aβ的機(jī)制可能與其減少BACE降解有關(guān)，其機(jī)制還需進(jìn)一步研究。減少Aβ的藥物，如BACE抑制劑和γ-分泌酶抑制劑或許可用于TBI后的治療。

3.2 TBI與tau蛋白

Tau蛋白是神經(jīng)細(xì)胞中含量最高的微管相關(guān)蛋白，具有正常的生理功能。Tau蛋白形成微管束，對于形成軸突細(xì)胞骨架和細(xì)胞內(nèi)蛋白的軸漿運(yùn)輸有重要作用。人類tau蛋白基因位于17號常染色體的長臂上，由單基因mRNA選擇性剪切形成的，有15個外顯子，外顯子2，3和10可選擇性剪接，得到六個亞型，主要在神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)而少見于其他細(xì)胞。正常tau蛋白高度可溶。AD患者腦中tau蛋白過度磷酸化，稱為異常磷酸化tau蛋白（p-tau）。P-tau形成成對的雙螺旋纖維細(xì)絲（paired helical filament，PHF），最終在神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)形成神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs）。P-tau蛋白不僅本身促微管組裝活性低，還可與正常tau蛋白及其他大分子微管相關(guān)蛋白競爭結(jié)合，導(dǎo)致微管功能受損。AD患者腦中tau蛋白總量更多，但正常tau蛋白減少而p-tau蛋白大量增加。P-tau有兩種構(gòu)象，即順式（cisP-tau）和反式（transP-tau）。TransP-tau是生理性的，可促進(jìn)微管組裝，而cisP-tau是病理性的，其不僅不與微管結(jié)合，反而可組裝成PHF，導(dǎo)致進(jìn)一步的tau蛋白病變[25]。

TBI發(fā)生后，微管tau蛋白裂解成30～50 kD的cleaved tau（c-tau）蛋白，隨著損傷的軸突膜釋放到腦脊液（cerebro-spinal fluid，CSF）中。研究表明，TBI后腦脊液中c-tau的含量上升1 000多倍[26]。CSF中c-tau含量增高提示TBI神經(jīng)細(xì)胞微管損傷。

實驗證實，TBI后的人類和小鼠組織中表達(dá)大量的cisP-tau蛋白。實驗中，當(dāng)小鼠經(jīng)受TBI，神經(jīng)元立即大量產(chǎn)生cisP-tau，擾亂軸突的微管網(wǎng)絡(luò)和線粒體運(yùn)輸，并且可以傳播至其他神經(jīng)元，導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡[25]。Kondo等[25]發(fā)現(xiàn)了一種cis-tau蛋白抗體，在TBI小鼠中用此抗體能阻斷順式tau蛋白化，可阻止tau蛋白病進(jìn)一步擴(kuò)散，并且使許多TBI導(dǎo)致障礙的結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)。因此，cisP-tau蛋白過表達(dá)是TBI發(fā)生后疾病進(jìn)展的主要早期驅(qū)動因素，最終導(dǎo)致AD中的tau蛋白病。此順式抗體有可能進(jìn)一步開發(fā)用于檢測和治療TBI，阻止腦外傷后的神經(jīng)退行性變。

3.3 TBI與神經(jīng)炎癥

近年來，神經(jīng)炎癥在AD發(fā)病過程中的作用逐漸受到重視。在AD患者與AD轉(zhuǎn)基因動物模型中，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和炎癥因子周圍的Aβ明顯增加。同時研究表明，死亡的AD患者腦中抗炎分子減少[27]。流行病學(xué)證據(jù)也證實，神經(jīng)炎癥可能參與AD的發(fā)病過程：長期大劑量應(yīng)用非甾體類抗炎藥，可降低AD發(fā)病風(fēng)險30%～60%[28]。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生、炎性因子活化等均可由Aβ異常沉積引起；Aβ還可激活膠質(zhì)細(xì)胞釋放促炎因子，而促炎因子又在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元和老年斑間相互誘導(dǎo)，誘發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥級聯(lián)放大反應(yīng)，進(jìn)一步損傷神經(jīng)元；炎癥反應(yīng)又能促進(jìn)Aβ生成，形成炎癥級聯(lián)瀑布效應(yīng)。

TBI發(fā)生后，腦內(nèi)膠質(zhì)細(xì)胞（小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞）激活，發(fā)生免疫炎癥反應(yīng)[29]。同時，在剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力等外力打擊的作用下，腦組織挫碎、血管結(jié)構(gòu)損傷以及血腦屏障破壞，外周免疫細(xì)胞進(jìn)入腦實質(zhì)內(nèi)也參與神經(jīng)炎癥的過程[30]。在TBI急性期，炎癥反應(yīng)可發(fā)揮保護(hù)作用，將急性損傷局灶化并參與神經(jīng)元的修復(fù)。但如果炎癥急性期未能充分消散，將會形成AD中常見的難以控制的慢性炎癥，并可長期存在。此時膠質(zhì)細(xì)胞的激活通常會加強(qiáng)神經(jīng)元的氧化應(yīng)激作用，并且推動腦內(nèi)異常蛋白的擴(kuò)散，導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙進(jìn)而產(chǎn)生退行性變[31]。

抗菌肽是具有抗菌作用的多肽，是人體天然免疫的重要組成部分?？咕牟粌H有抗微生物活性，還具有許多其他生物學(xué)功能，如調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)免疫、調(diào)控凋亡以及參與組織修復(fù)等。Kumar等[32]研究證實，在小鼠、線蟲和培養(yǎng)細(xì)胞的AD模型中，Aβ表達(dá)可抵抗真菌和細(xì)菌感染。Aβ寡聚體具有類似抗菌肽活性，其抗菌活性與LL-37（人類抗菌肽）相似，在先天免疫中具有保護(hù)作用[33]。反過來，感染也會導(dǎo)致Aβ升高，過量Aβ沉積促進(jìn)AD的發(fā)生。Aβ起到保護(hù)與損傷雙重作用。需要進(jìn)一步的研究證實，是否與炎癥反應(yīng)類似，TBI后急性期腦內(nèi)Aβ的升高，對于外傷的免疫調(diào)節(jié)和組織修復(fù)起到有益作用。

研究者對如何減少神經(jīng)系統(tǒng)慢性炎癥已經(jīng)進(jìn)行了很多實驗。代謝型谷氨酸受體（metabotropic glutamate receptors，mGluRs）的亞型mGluR5與小膠質(zhì)細(xì)胞激活密切相關(guān)。激活mGluR5后磷脂酶C被激活，進(jìn)一步激活MAPK及其下游信號通路，從而影響細(xì)胞的生理功能[34]。炎癥刺激會導(dǎo)致mGluR5表達(dá)減少，激活mGluR5可以抑制小膠質(zhì)細(xì)胞所誘導(dǎo)的細(xì)胞炎癥[35]。2-氯-5-對羥基苯甘氨酸[(RS)-2-chloro-5-hydroxyphenylglycine，CHPG]是mGluR5的特異性激動劑。局灶性腦損傷1月的小鼠在給予CHPG后，可減輕神經(jīng)炎癥，保護(hù)大腦白質(zhì)，改善神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)，4月時可發(fā)現(xiàn)神經(jīng)退行性變減輕[36]。類似的抗炎治療如對液壓損傷大鼠使用磷酸二酯酶抑制劑異丁司特6月后，可降低膠質(zhì)細(xì)胞的增生并減少大鼠焦慮樣行為[37]。

4 存在問題與展望

目前對于TBI后大腦具體的病理生理變化及其機(jī)制還不甚了解。國內(nèi)外對TBI尤其是輕型TBI、慢性創(chuàng)傷性腦損傷（chronic traumatic encephalopathy，CTE）后致AD癡呆普遍認(rèn)識不足。雖然急性腦外傷和AD有許多相似的病理學(xué)特征，但是TBI后大腦Aβ的產(chǎn)生位置與分布與傳統(tǒng)AD患者并不相同。這提示AD相關(guān)的神經(jīng)病理學(xué)理論有助于了解TBI后出現(xiàn)AD類型癡呆的機(jī)制。Aβ寡聚體的產(chǎn)生對于腦外傷急性期大腦是否也起到保護(hù)作用值得進(jìn)一步研究。TBI后腦內(nèi)即出現(xiàn)Aβ沉淀、CSF中出現(xiàn)大量tau蛋白，但許多疾病都有類似的病理變化，研究其具有特異性與敏感性的生物標(biāo)志物對于判斷患者TBI后AD具有重要意義。最近的流行病學(xué)及動物試驗均提示神經(jīng)炎癥在AD發(fā)生發(fā)展中起重要作用[38]，但哪些特異性炎癥基因和通路可能導(dǎo)致TBI后AD的發(fā)生尚不清楚。TBI后AD與其他類型的神經(jīng)退行性疾病存在相似的病理生理變化[10]，理解TBI后出現(xiàn)AD的機(jī)制可以幫助我們更深入地了解其他神經(jīng)退行性疾病的病理生理過程，對于衰老機(jī)制的研究也會有所裨益。