脑脊液内皮细胞特异性分子-1在评估中-重度颅脑创伤患者伤情及预后中的临床价值

Clinical value of endothelial cell-specific molecule-1 in cerebrospinal fluid on assessment of severity and outcome in patients with moderate to severe traumatic brain injury

摘要

目的 探讨中-重度颅脑创伤（traumatic brain injury，TBI）患者急性期脑脊液中内皮细胞特异性分子-1（endothelial cell specific molecule-1，ESM-1）浓度变化及其与创伤严重程度和预后的关系。 方法 选取2020年1月至2023年12月复旦大学附属金山医院神经外科收治的接受脑室型颅内压（intracranial pressure，ICP）监测的中-重度TBI患者84例作为研究对象，收集其临床资料。根据TBI患者入院格拉斯哥昏迷评分（Glasgow Coma Scale，GCS）分为中度TBI组（9~12分，n=48）和重度TBI组（3~8分，n=36）；根据伤后3个月格拉斯哥预后评分（Glasgow Outcome Scale，GOS）分为预后不良组（1~3分）和预后良好组（4~5分）；根据ICP监测值分为ICP正常组（ICP≤15 mmHg）、ICP升高组（15 mmHg<ICP<25 mmHg）和ICP难治性升高组（ICP≥25 mmHg）。采集医院同期因患痔疮或泌尿系结石行腰麻手术患者的脑脊液作为对照组。采用液相蛋白悬浮芯片法检测脑脊液中ESM-1浓度，并进行比较分析。 结果 与对照组［（259.42±37.07）pg/mL］相比，中-重度TBI组脑脊液ESM-1浓度［（305.08±53.3）pg/mL、（345.79±69.11） pg/mL］均显著升高（P<0.01）；重度TBI组脑脊液ESM-1浓度显著高于中度TBI组（P<0.01）。脑脊液ESM-1浓度与TBI患者NICU住院天数及总住院天数呈正相关，与入院GCS评分呈负相关。同ICP正常组（n=16）相比，ICP升高组（n=43）和ICP难治性升高组（n=25）的脑脊液ESM-1水平均显著升高（P<0.01），且ICP难治性升高组的脑脊液ESM-1水平显著高于ICP升高组。预后不良组（n=21）患者脑脊液ESM-1水平显著高于预后良好组（n=63，P<0.01）。脑脊液ESM-1浓度对TBI患者预后不良预测的曲线下面积（area under the curve，AUC）为0.817（95%CI：0.713~0.922），截断值为339.25 pg/mL，敏感度为80.95%，特异度为76.19%。 结论 中-重度TBI患者伤后急性期脑脊液ESM-1水平明显升高，且可能与TBI严重程度、ICP控制难度以及不良预后密切相关。脑脊液ESM-1水平有望作为判断TBI伤情严重程度和预后的潜在生物标志物。

Abstract

Objective To investigate the changes in the concentration of endothelial cell-specific molecule-1 （ESM-1） in cerebrospinal fluid during the acute phase of patients with moderate to severe traumatic brain injury （TBI） and its relationship with injury severity and outcomes. Methods Eighty-four patients with moderate to severe TBI who underwent ventriculostomy for intracranial pressure （ICP） monitoring at Department of Neurosurgery，Jinshan Hospital，Fudan University from Jan 2020 to Dec 2023 were selected as the study subjects， and their clinical data were collected. Based on the Glasgow Coma Scale （GCS） upon admission， TBI patients were divided into moderate TBI group （GCS 9-12， n=48） and severe TBI group （GCS 3-8， n =36）. According to the Glasgow Outcome Scale （GOS） at three months post-injury， the moderate to severe TBI patients were categorized into poor outcome group （GOS 1-3） and good outcome group （GOS 4-5）. Patients were also classified based on ICP monitoring values into a normal ICP group （ICP≤15 mmHg）， a mildly elevated ICP group （15 mmHg<ICP<25 mmHg）， and a refractory elevated ICP group （ICP≥25 mmHg）. Cerebrospinal fluid samples from patients undergoing lumbar puncture for hemorrhoids or urinary calculi during the same period were collected as a control group. The concentration of ESM-1 in the cerebrospinal fluid was detected using a liquid phase protein chip method， and comparative analysis was performed. Results Compared with the control group ［（259.42±37.07） pg/mL］， the concentrations of ESM-1 in the cerebrospinal fluid of both the moderate and severe TBI groups ［（305.08±53.3） pg/mL and （345.79±69.11） pg/mL， respectively） were significantly increased （P<0.01）； the concentration of ESM-1 in the severe TBI group was significantly higher than that in the moderate TBI group （P<0.01）. The concentration of ESM-1 in the cerebrospinal fluid positively correlated with the number of days TBI patients spent in the NICU and the total hospital stay， while it negatively correlated with the GCS score at admission. Compared with the group of normal ICP （n=16）， the levels of ESM-1 in cerebrospinal fluid of both the elevated ICP group （n=43） and the refractory elevated ICP group （n=25） were significantly higher （P<0.01）， with the refractory elevated ICP group showing significantly higher levels than the elevated ICP group. The level of ESM-1 in cerebrospinal fluid of the poor outcome group （n=21） was significantly higher than that of the good outcome group （n=63， P<0.01）. The concentration of ESM-1 in cerebrospinal fluid had an area under the curve （AUC） of 0.817 （95%CI：0.713-0.922） for predicting poor outcomes in TBI patients，with a cutoff value of 339.25 pg/mL， a sensitivity of 80.95%， and a specificity of 76.19%. Conclusion In patients with moderate to severe TBI， there is a significant elevation of ESM-1 in cerebrospinal fluid during the acute post-injury phase， which may be closely associated with the severity of TBI， the difficulty in controlling ICP， and poor outcomes. ESM-1 in cerebrospinal fluid is expected to be a potential biomarker for assessing the severity of TBI and predicting outcomes.

Graphical abstract

关键词

颅脑创伤（TBI） / 脑脊液 / 内皮细胞特异性分子1（ESM-1） / 颅内压（ICP） / 临床价值

Key words

traumatic brain injury （TBI） / cerebrospinal fluid / endothelial cell-specific molecule-1 （ESM-1） / intracranial pressure （ICP） / clinical value

随着经济社会的发展和人们出行、工作、生活等方式的转变，由交通事故、高处坠落、意外跌倒等原因导致的颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）呈增长趋势^［1］。据统计，全球每年约有2 700万人遭受TBI，每百万人中就有369人发生过TBI^［2］。在我国，TBI的死亡率超过10%，致残率接近35%^［3］，而中-重度TBI是导致高致残率和致死率的主要原因。如何在伤后急性期精准量化评估中-重度TBI患者的伤情和预后，从而制定相应精准的治疗方案，降低致残致死率，成为临床面临的重要问题。临床上针对TBI急性期的伤情判断及评估主要依赖于格拉斯哥昏迷评分（Glasgow Coma Scale，GCS）和头颅CT。然而，对于中-重度TBI患者而言，频繁的头颅CT检查增加了转运风险且无法实时量化评估患者的病情进展^［4］。此外，中-重度TBI患者急性期往往需要接受镇静和有创机械通气，使得GCS评分的评估效能大大下降^［5-6］。因此，寻找准确、便捷的生物学标志物用来评估中-重度TBI患者病情进展和预后具有重要意义。然而，目前尚缺乏理想的生物学标志物应用于临床。我们前期研究发现，TBI患者伤后早期血浆内皮细胞特异性分子-1（endothelial cell specific molecule-1，ESM-1）浓度升高，且与创伤严重程度及不良预后相关^［7］。但是，血浆中ESM-1浓度容易受到心血管系统、肾脏系统、呼吸系统等诸多因素的影响^［8-9］。近年来，脑室型颅内压（intracranial pressure，ICP）监测在中-重度TBI中的广泛应用实现了在监测ICP的同时可以便捷地获取脑脊液^［10］。由于血脑屏障的存在，脑脊液中ESM-1的水平受外周因素影响较小。然而，国内外均未见针对TBI后脑脊液中ESM-1的相关研究。本研究通过测定中-重度TBI患者伤后急性期脑脊液ESM-1浓度，旨在探讨伤后急性期脑脊液ESM-1水平变化与TBI严重程度、预后等的关系，为TBI患者治疗及预后评估提供参考指标。

资 料 和 方 法

临床资料

本研究为单中心、前瞻性观察研究。选取2020年1月至2023年12月复旦大学附属金山医院神经外科收治的接受脑室型ICP监测的中-重度TBI患者作为研究对象。纳入标准：（1）年龄18~80岁；（2）颅脑外伤史明确且临床诊断为中-重度TBI，即入院GCS≤12分；（3）受伤24 h内入我院且接受脑室型ICP监测术；（4）因病情需要入住我院神经重症监护室。排除标准：（1）合并全身严重复合伤、多发伤患者；（2）心跳骤停复苏患者；（3）伤前有颅脑肿瘤或神经系统感染疾患者；（4）妊娠期或哺乳期妇女；（5）伤后1周内死亡或自动出院患者。根据样本量估算，最终纳入84例符合纳入和排除标准的中-重度TBI患者，其中男性55例（65.5%）、女性29例（34.5%），平均年龄（44.26±18.59）岁。根据入院时GCS评分分为中度TBI组（9~12分，n=48）和重度TBI组（3~8分，n=36），具体临床特征见表1。采集医院同期因患痔疮或泌尿系结石行腰麻手术患者的脑脊液共40例作为对照组，其中男性24例，女性16例，平均年龄（51.70±18.46）岁。研究方案通过复旦大学附属金山医院伦理委员会批准（批准号：2019-S32、JIEC 2022-S98）。所有参加者由其法定代理人签署书面知情同意书。

治疗方案

所有患者急诊入院后均由专科医师进行神经系统查体和GCS评分，并完成头颅CT检查。根据中国颅脑创伤颅内压监测专家共识，对符合ICP监测指征的TBI患者，于伤后24 h内置入脑室型ICP探头（美国Codman & Shurtleff公司）并确定脑脊液引流通畅。持续进行ICP监测。当ICP值持续超过20 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa，下同）并排除其他影响ICP的因素时，间断释放脑脊液以降低ICP值。如病情需要，可继续行颅内血肿清除等手术治疗。围手术期治疗按照中国颅脑创伤救治指南执行。连续3天ICP值≤15 mmHg方可拔除ICP监测导管。

ICP值采集及记录

所有TBI患者，在伤后急性期（72 h内）每半小时进行评估并记录一次ICP数值。评估时需要排除气道阻塞、呛咳、脑脊液引流不畅、导管漂移、高血压等因素导致的ICP数值波动，记录相对稳定的ICP数值（5 min内波动在±1 mmHg之间）。72 h内ICP峰值及其前后相邻两次记录值的平均值（持续时间为1 h）作为持续性最高ICP监测值。

预后评估

随访期限为出院后3个月，随访方式为电话或门诊复诊随访。根据格拉斯哥预后评分（Glasgow Outcome Scale，GOS）将TBI患者分为预后不良组（1~3分）和预后良好组（4~5分），其中预后不良组包括住院期间（≥7天）和随访期间的死亡患者。

标本采集及ESM-1浓度检测

严格遵从无菌原则，从脑室ICP监测导管系统采集急性期（伤后72 h内）TBI患者的脑脊液3 mL，置入无菌管，迅速经4 ℃低温离心机离心（1 500×g，5 min）后弃去细胞残渣等成分，-80 ℃ 冰箱贮存待测。采用液相蛋白悬浮芯片法（MILLIPLEX^®MAP 试剂盒，Cat.# HCVD1MAG-67K，美国EMD Millipore公司）检测ESM-1浓度。

统计学分析

用SPSS 18.0软件进行数据统计学分析。采用χ²检验进行组间年龄、性别比较；Pearson检验进行相关性分析；两组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用LSD-t检验。受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic curve，ROC曲线）评估脑脊液ESM-1浓度对TBI患者不良预后的预测价值。计量数据用Mean±SD表示。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

中、重度TBI组和对照组间脑脊液ESM-1浓度比较

中、重度TBI组在脑脊液样本采集时间差异无统计学意义；经χ²检验，各组年龄、性别构成无统计学差异。对照组脑脊液ESM-1浓度为（259.42±37.07） pg/mL （1 pg/mL=1×10^-9 g/L，下同）；中、重度TBI组脑脊液ESM-1浓度分别为（305.08±53.37）pg/mL、（345.79±69.11）pg/mL。中、重度TBI组脑脊液ESM-1浓度均显著高于对照组（P<0.001）；重度TBI组脑脊液ESM-1浓度显著高于中度TBI组（P<0.000 1），详见图1。

TBI患者脑脊液ESM-1水平与临床因素间的相关性分析

重度TBI患者NICU住院时间及总住院时间均显著长于中度TBI患者。Pearson相关分析结果显示：中-重度TBI患者脑脊液ESM-1水平与NICU住院天数及总住院天数呈正相关，而与入院时GCS评分呈负相关，详见表2。

不同ICP组TBI患者脑脊液ESM-1浓度比较根据中-重度TBI患者伤后急性期（72 h）的持续性最高ICP监测值，将TBI患者分为ICP正常组（ICP≤15 mmHg，n=16）、ICP升高组（15 mmHg<ICP<25 mmHg，n=43）和ICP难治性升高组（ICP≥25 mmHg，n=25）。不同ICP组脑脊液ESM-1水平比较分析结果显示：同ICP正常组［（264.38±36.42）pg/mL］相比，ICP升高组［（315.70±48.83）pg/mL］和ICP难治性升高组［（371.97±63.48）pg/mL］的脑脊液ESM-1水平均显著升高（P<0.01）；ICP难治性升高组的脑脊液ESM-1水平显著高于ICP升高组（P<0.01），详见图2。

TBI患者脑脊液ESM-1水平与预后的关系

根据伤后3个月GOS评分将TBI患者分为预后不良组（1~3分）和预后良好组（4~5分），两组患者脑脊液ESM-1浓度比较结果显示：预后不良组TBI患者脑脊液ESM-1水平［（381.14±66.07） pg/mL，n=21］显著高于预后良好组［（302.99±49.45） pg/mL，n=63，P<0.01］。

ROC曲线预测脑脊液ESM-1浓度和入院GCS评分对中-重度TBI患者不良预后的诊断价值

结果显示，入院GCS评分对中-重度TBI患者预后不良预测的AUC为0.719，敏感度为67.14%，特异度为85.71%，95%CI为0.576~0.862；脑脊液ESM-1水平对中-重度TBI患者预后不良预测的AUC为0.817，截断值为339.25 pg/mL，敏感度为80.95%，特异度为76.19%，约登指数为0.571，95%CI为0.713~0.922，详见图3。

讨 论

内皮细胞特异性分子-1（ESM-1）最早从人脐静脉内皮细胞中被分离出来^［11］，主要在肺、肾、脑组织等血管内皮中表达，其合成和分泌受肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-1β的正向调节^［12］。ESM-1的激活可以促进细胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）等黏附分子的表达，调节淋巴细胞功能相关抗原与ICAM-1的结合，在炎性反应中发挥重要作用，被认为是内皮细胞损害或激活的标志^［13］。此外，ESM-1的激活可以减少血脑屏障紧密连接相关蛋白的表达^［14］，可能和血脑屏障功能及完整性的破坏密切相关。

血管源性脑水肿等继发性脑损伤是影响TBI患者急性期病程发展及预后的主要因素。目前认为，脑微血管内皮细胞的损伤活化和血脑屏障的破坏是造成血管源性脑水肿的主要原因^［15］。ESM-1作为重要的炎症介质，在调节脑微血管内皮细胞与白细胞黏附、内皮细胞活化等过程中起重要作用。因此，探索ESM-1与TBI之间的关系，有助于探究TBI后脑组织缺血水肿的机制，为及时有效地治疗TBI后继发性脑损伤提供指导，改善预后。脑损伤灶处血管中ESM-1在TBI后损伤灶处脑炎性反应中起重要作用。Isaksson等^［16］发现ESM-1可能和TBI后损伤灶处脑组织中血管内皮细胞黏附、微循环功能紊乱及脑水肿形成相关。Whalen等^［17］发现在ESM-1基因缺失的小鼠中伤灶处脑水肿程度明显减轻。Mckeating等^［18］研究了22位入住ICU的TBI患者血清中ESM-1的浓度，发现其浓度变化可能与患者的GCS评分及预后有相关性，这与我们的前期研究结果相一致。然而，血浆中ESM-1浓度容易受到外周循环系统因素的影响，而TBI患者脑脊液中ESM-1的浓度变化情况尚未见报道。本研究分析了84例中-重度TBI患者伤后急性期脑脊液中的ESM-1浓度变化，结果显示：中-重度TBI患者脑脊液ESM-1浓度显著升高，且重度TBI患者脑脊液ESM-1浓度明显高于中度TBI患者。进一步分析发现，中-重度TBI患者脑脊液ESM-1水平与入住NICU天数及总住院天数呈正相关，而与入院时GCS评分呈负相关。这个结果与先前的研究结果相一致，说明中-重度TBI患者脑脊液ESM-1浓度变化趋势与血浆中相似，且脑脊液ESM-1水平增高与TBI患者的伤情严重程度密切相关。

脑水肿所致的颅内压增高是TBI患者急性期面临的重要问题。明确ESM-1与ICP的关系，可以为探索ICP升高的生理病理机制提供新的思路。本研究根据ICP值进行分组分析，结果提示：ICP升高组和ICP难治性升高组的脑脊液ESM-1水平均显著高于ICP正常组；ICP难治性升高组的脑脊液ESM-1水平显著高于ICP升高组。这表明，中-重度TBI患者脑脊液ESM-1水平变化与ICP升高密切相关，且脑脊液ESM-1水平越高，ICP控制难度越大。其机制可能是ESM-1水平升高所引发的炎症级联反应导致脑微血管内皮细胞活化和血脑屏障破坏，毛细血管通透性增加，水和蛋白成分渗出增多，使血管周围和脑细胞间隙水分聚积，从而形成血管源性脑水肿，最终致使ICP升高。

先前一项针对儿童TBI的研究提示重度TBI患儿血浆ESM-1浓度升高且与不良预后相关^［19］。目前，仅检索到一项针对成人TBI患者血清中ESM-1的研究，发现其浓度升高且与GCS评分及预后可能相关^［18］。然而，有关成人TBI患者脑脊液中ESM-1与预后关系方面的研究尚未见报道。我们在研究中对不同预后的TBI患者进行分组分析，结果显示预后不良组TBI患者脑脊液ESM-1浓度显著高于预后良好组。脑脊液ESM-1水平升高可能与中-重度TBI患者的不良预后相关，这提示靶向降低ESM-1的治疗有希望改善TBI患者的预后。我们进一步通过ROC曲线分析发现：脑脊液ESM-1水平对中-重度TBI患者预后不良预测的AUC为0.817，敏感度为80.95%；而入院GCS评分对中-重度TBI患者预后不良预测的AUC为0.719，敏感度为67.14%。这表明脑脊液ESM-1对中-重度TBI预后不良的预测敏感度较入院GCS评分更高，有望成为预测其不良预后的潜在生物标志物。

本研究存在一些不足之处：首先，为单中心研究，样本量相对较小，也可能存在地域性和医院特异性的影响，这些因素可能导致研究结果的外部推广性受限，将来需要进一步采用多中心、大样本量研究数据进行验证；其次，仅关注了患者出院后3个月的预后情况，未能对患者的长期预后进行评估，无法了解脑脊液ESM-1水平与长期预后的关系，后续研究会进一步延长随访时间。

总之，中-重度TBI患者伤后急性期脑脊液ESM-1水平明显升高，且可能与TBI严重程度、ICP控制难度以及不良预后密切相关。脑脊液ESM-1水平有望作为判断TBI伤情严重程度和预后的潜在生物标志物，值得进一步研究。

参考文献

[1] GINER J， MESA GL，YUS TS，et al.Traumatic brain injury in the new millennium：new population and new management［J］.Neurologia，2022，37（5）：383-389.

[2] WILSON L， STEWART W， DAMS-O'CONNOR K，et al.The chronic and evolving neurological consequences of traumatic brain injury［J］.Lancet Neurol，2017，16（10）：813-825.

[3] GAO G， WU X， FENG J，et al.Clinical characteristics and outcomes in patients with traumatic brain injury in China：a prospective，multicentre，longitudinal，observational study［J］.Lancet Neurol，2020，19（8）：670-677.

[4] BAZARIAN JJ， BIBERTHALER P， WELCH RD，et al.Serum GFAP and UCH-L1 for prediction of absence of intracranial injuries on head CT （ALERT-TBI）：a multicentre observational study［J］.Lancet Neurol，2018，17（9）：782-789.

[5] BODIEN YG， BARRA A， TEMKIN NR，et al.Diagnosing level of consciousness：the limits of the glasgow coma scale total score［J］.J Neurotrauma，2021，38（23）：3295-3305.

[6] REITH FC， VAN DEN BRANDE R， Synnot A，et al.The reliability of the Glasgow Coma Scale：a systematic review［J］.Intensive Care Med，2016，42（1）：3-15.

[7] 茹德文，颜玉峰，沈晓，等.颅脑创伤患者伤后早期血浆中内皮细胞特异性分子-1浓度变化及临床价值［J］.复旦学报（医学版），2021，48（5）：648-652.

[8] QIU CR， FU Q， SUI J，et al.Serum endothelial cell-specific molecule 1 （endocan） levels in patients with acute myocardial infarction and its clinical significance［J］.Angiology，2017，68（4）：354-359.

[9] KECHAGIA M， PAPASSOTIRIOU I， GOURGOU-LIANIS KI.Endocan and the respiratory system：a review［J］.Int J Chron Obstruct Pulmon Dis，2016，11：3179-3187.

[10] ROBBA C， GRAZIANO F， REBORA P，et al.Intracranial pressure monitoring in patients with acute brain injury in the intensive care unit （SYNAPSE-ICU）：an international，prospective observational cohort study［J］.Lancet Neurol，2021，20（7）：548-558.

[11] LASSALLE P， MOLET S， JANIN A，et al.ESM-1 is a novel human endothelial cell-specific molecule expressed in lung and regulated by cytokines［J］.J Biol Chem，1996，271（34）：20458-20464.

[12] CHEN J， JIANG L， YU XH，et al.Endocan：a key player of cardiovascular disease［J］.Front Cardiovasc Med，2021，8：798699.

[13] LAWSON C， WOLF S.ICAM-1 signaling in endothelial cells［J］.Pharmacol Rep，2009，61（1）：22-32.

[14] YUCEL M， KOTAN D， GUROL CG，et al.Serum levels of endocan，claudin-5 and cytokines in migraine［J］.Eur Rev Med Pharmacol Sci，2016，20（5）：930-936.

[15] JHA RM， KOCHANEK PM， SIMARD JM.Pathophysiology and treatment of cerebral edema in traumatic brain injury［J］.Neuropharmacology，2019，145（Pt B）：230-246.

[16] ISAKSSON J， HILLERED L， OLSSON Y.Cognitive and histopathological outcome after weight-drop brain injury in the rat：influence of systemic administration of monoclonal antibodies to ICAM-1［J］.Acta Neuropathol，2001，102（3）：246-256.

[17] WHALEN MJ， CARLOS TM， DIXON CE，et al.Reduced brain edema after traumatic brain injury in mice deficient in P-selectin and intercellular adhesion molecule-1［J］.J Leukoc Biol，2000，67（2）：160-168.

[18] MCKEATING EG， ANDREWS PJ， MASCIA L.The relationship of soluble adhesion molecule concentrations in systemic and jugular venous serum to injury severity and outcome after traumatic brain injury［J］.Anesth Analg，1998，86（4）：759-765.

[19] LELE AV， ALUNPIPATTHANACHAI B， QIU Q，et al.Plasma levels，temporal trends and clinical associations between biomarkers of inflammation and vascular homeostasis after pediatric traumatic brain injury［J］.Dev Neurosci，2019，41（3-4）：177-192.