神经丝光作为创伤性脑损伤的生物标志物

神经丝光作为创伤性脑损伤的生物标志物PMID:32641538研究背景根据患者临床特征，如意识丧失、外伤后失忆和颅脑CT或MRI上的创伤相关异常，TBI通常分为轻度、中度或重度。虽然这种分类方案对急性脑外伤的治疗有一定的实用价值，但在亚急性和慢性期的临床治疗或研究中却没有用处。弥散张量成像（DTI）作为一种评估创伤性轴索损伤（TAI）的潜在技术，是TBI病理生理学的核心。然而，DTI也有其局限性，包括可用性有限、成本高、需要繁琐的图像后处理等。因此，美国国立卫生研究院（NIH）和欧盟委员会等机构已经将损伤和恢复的替代标志物作为TBI的首要研究重点。考虑到TAI是TBI病理生理学的核心，与神经轴索损伤相关的生物标志物是一个重要的研究领域。脑脊液（CSF）中的神经丝光（NfL，Neurofilament light）是神经轴索损伤的敏感生物标志物，已在多种神经退行性疾病中得到证实。然而，患者脑脊液需要通过有创性腰椎穿刺（LP）才可获得。而定量检测外周血中NfL的能力使快速、纵向评估TBI后神经退行性变成为可能。尽管有这些最新的研究，我们的知识仍然存在严重的差距，包括脑脊液和血清NfL的关系、损伤后的时间进程以及NfL与神经影像学结果之间的关系。此外，血清NfL与血脑屏障（BBB）之间的关系尚不清楚，这对于了解NfL释放到血液中有重要意义。在临床中，脑脊液与血清白蛋白比率可用作血脑屏障功能的标志物。在这项研究中，我们检测了冰球运动员与运动相关的重复性脑震荡（RC）、季前对照组和健康非运动对照组（HC）的血清和脑脊液NfL。我们还对亚急性和慢性TBI患者的血清NfL进行了纵向评估，并评估了NfL与脑MRI容积和DTI的关系。我们假设血清NfL水平与脑脊液水平相关，并且在有重复性脑震荡病史的运动员中升高，亚急性和慢性TBI患者的血清NfL浓度会增加，血清NfL与白质（WM）体积和DTI对WM完整性的评估相关。研究方法研究设计和参与者参与者被前瞻性地纳入两项研究：职业曲棍球运动员与运动相关脑震荡和临床为基础的队列与亚急性和慢性TBI。第一组研究对象包括瑞典职业冰球运动员急性脑震荡，非脑震荡曲棍球运动员在季前赛期间提供样本，慢性脑震荡曲棍球运动员，以及在瑞典不同地点登记的健康对照组。我们的第二个队列是以临床为基础的队列，他们在美国马里兰州贝塞斯达的NIH临床中心注册。临床队列参与者还接受了30天（±10天）、90天（±30天）、180天（±30天）和1、2、3、4和5年（±2个月）的纵向血液、影像学和结果评估。脑脊液和血清NfL的定量分析脑脊液NfL采用商业ELISA法测定，而脑脊液和血清白蛋白浓度则在Beckman IMMAGE免疫化学系统（Beckman Instruments，Beckman Coulter，Brea，CA，USA）上通过免疫比浊法测定。脑脊液：血清白蛋白比值按脑脊液白蛋白（mg/L）/血清白蛋白（g/L）计算。临床和神经影像学结果评估在有持续性脑震荡后症状（PCS）和RC病史的运动员中，对运动员是否在一年内进行RTP或因持续性PC而辞职（≤1年vs>1年）来衡量结果。PCS组采用Rivermead脑震荡后问卷（RPQ）评估症状严重程度。在以临床为基础的TBI队列中，根据美国国防部（DoD）和退伍军人事务（VA）指南。采用格拉斯哥预后量表（GOS-E）测量功能性预后。我们测试了血清NfL与GM、WM和胼胝体体积之间的关系。选择这些脑区的基本原理是NfL主要存在于白质轴突中，GM（灰质）、WM（白质）和CC（胼胝体）体积是一般性脑萎缩的替代标志物。CC也是一个中心WM结构，并且已经被证明对TAI非常脆弱。TAI通常采用DTI方法量化，即分数各向异性（FA，慢性期降低）、径向扩散率（RD，增加）和平均扩散率（MD，增加）。研究结果运动员脑脊液与血清NfL（神经丝光）水平呈正相关（r=0.71，p<0.0001）。脑脊液和血清NfL可区分PCS>1年的运动员和PCS≤1年的运动员（受试者操作特征曲线下面积[AUROC]分别为0.81和0.80）。PCS>1年与季前对照组的AUROC为0.97。在以临床为基础的队列中，NfL在登记时区分轻度、中度和重度TBI患者（p<0.001和p=0.048）。血清NfL在5年内降低（ß=–0.09 log pg/mL，p<0.0001），但与对照组相比仍显著升高。血清NfL与功能评估结果、MRI脑萎缩和TAI的DTI估计值相关。

表1：职业运动员和对照组的人口学和临床特征

表2：受试者入组时的人口统计学特征

图1： 研究参与者流程图。流程图显示了两个研究队列中的研究参与者。第一组包括45名急性脑震荡的职业冰球运动员，在运动相关脑震荡后6天取样，31名职业冰球运动员因重复性脑震荡而有PCS，28名冰球运动员在季前赛时接受血液取样，14名健康对照。重复性脑震荡导致持续性脑出血的运动员和健康对照组也进行了配对脑脊液和血清评估。第二个队列包括162名亚急性和慢性TBI患者和68名健康对照组，排除17名因筛查失败的参与者。162人中，102人接受了长达5年的反复血液、影像学和功能评估。缩写：TBI，创伤性脑损伤；PCS，脑震荡后症状；NfL，神经丝光。

图2：血清NfL对急性脑震荡和慢性重复性脑震荡具有诊断和预后价值。图（A）显示了由于重复性轻度外伤性脑损伤（n=28）和健康对照组（n=14）而获得的脑脊液和血清NfL之间的关系。图（B）显示了在季前赛期间提供血样的球员、急性脑震荡球员的血清NfL浓度，图（C）显示了血清浓度与RTP和PCS持续时间的关系。图（D）显示了血清NfL在多大程度上区分急性脑震荡运动员和赛前对照组、RTP≥10天和RTP<10天的运动员、PCS>1的运动员个人电脑≤1年者为年，而个人电脑>1年的球员来自季前赛控制组。图（E）显示高浓度的脑脊液或血清NfL与脑震荡的次数有关。图（F）显示NfL随着症状严重程度评分的增加而增加。季前赛样本来自专业曲棍球运动员，他们在季前赛期间提供样本。p值来自Kruskal-Wallis检验，使用Benjamini-Hochberg程序对多个比较进行调整。ρ—斯皮尔曼秩相关系数。拟合线来自线性回归模型（为了视觉清晰而叠加）。图（E）和（F）的y轴标准化，以比较CSF和血清值。缩写：NfL，神经丝光；CSF，脑脊液；AC，急性脑震荡；PCS，脑震荡后症状；RTP，恢复游戏；AUROC，受试者下面积-操作特征曲线；RPQ，Rivermead脑震荡后问卷。

图3：血清NfL对亚急性和慢性TBI患者有诊断价值。图（A）显示了在入组时（损伤后7个月的中位数）测量的损伤TBI严重程度和对照组的NfL血清浓度。p值来自Kruskal-Wallis检验，使用Benjamin-Hochberg程序对多个比较进行了调整。曲线图（B）显示了患者血清NfL随时间的纵向数据。图（A）和（B）的y轴被对数变换以获得清晰的视觉效果。图（C）显示了损伤后不同时间点测定的血清NfL与对照组的诊断准确性（接收器工作特性曲线下的面积[AUROC]，误差条表示95%置信区间）。方框图显示中值和四分位间距。缩写：TBI，创伤性脑损伤；NfL，神经丝光。

图4：入组时血清NfL与GM、WM和CC容积横截面测量值之间的关联。图（A-F）显示了入组时测得的血清NfL与入组时评估的GM、WM和CC体积（所有TBI患者）之间的关联。ß估计值和p值来自于回归模型，年龄、教育程度、性别和颅内总容积均为协变量。我们还评估了与单变量Spearman秩相关的关系。ρ—斯皮尔曼秩相关系数。在进行Spearman秩相关分析之前，将脑区标准化为颅内总容积。缩写：TBI；创伤性脑损伤；NfL；神经丝光；GM，灰质；WM，白质；CC，胼胝体。

图5：入组时血清NfL浓度与横截面DTI白质完整性相关。行（A-C）显示了入组时测得的血清NfL与入组时测得的CC完整性的DTI测量值（所有TBI严重程度）之间的关联。ß估计值和p值来自于回归模型，年龄、教育程度和性别均为协变量。研究结论血清NfL（神经丝光）有望作为急性和重复性运动性脑震荡以及亚急性和慢性TBI患者的生物标志物。讨论本研究的主要发现有：（1）脑脊液NfL与血清值高度相关；血清NfL与季前赛期间提供样本的运动员（AUROC为0.97）有显著差异；脑脊液和血清NfL水平与脑震荡次数和症状严重程度相关；（2） 在以临床为基础的队列研究中，与对照组相比，在长达5年的时间里，脑外伤患者的NfL浓度升高，中重度患者的NfL浓度更高；血清NfL在30、90和180天将TBI患者与对照组区分开来，并显示出与功能预后的关联性；入组时测得的血清NfL与脑容量、DTI测量WM轴突完整性相关；最后，慢性损伤后期间测定的血清NfL与脑萎缩和TAI进展的可能率相关。我们的研究结果表明，血清中NfL的浓度为评估和预测TBI患者的神经元损伤提供了一种快速、可行的方法。在曲棍球运动员中，我们观察到脑脊液和血清NfL之间有很强的相关性。自从血液中NfL超灵敏定量分析方法的发展以来，我们观察到了拳击运动员伤后几天测量的CSF与血清样本之间的相关性，以及严重TBI患者血清NfL与心室CSF之间的相关性。在其他神经退行性疾病中也观察到类似的结果。总之，这些结果表明，血清NFL反映脑脊液NFL。因此，可以用血清NfL代替CSF中NfL检测。