"Poszukiwanie biomarkerów zapalnych udaru niedokrwiennego mózgu"

Streszczenie:Od wielu lat prowadzone są poszukiwania markerów biochemicznych udaru mózgu. Wciąż brakuje jednak ogólnie dostępnego i wystarczająco czułego biomarkera udaru niedokrwiennego mózgu, którego obecność byłaby przydatna zarówno we wczesnej diagnostyce udaru, jak i w monitorowaniu skuteczności jego leczenia. Idealny biomarker udaru mózgu powinien charakteryzować się wysoką specyficznością (tzn. pozwolić na odróżnienie udaru od innych podobnych klinicznie chorób takich jak np. migrena skojarzona, przemijający atak niedokrwienny (TIA, transient ischaemic attac), stwardnienie rozsiane lub porażenie ponapadowe), być łatwo oznaczalny we krwi, a jego stężenie we krwi powinno korelować ze stężeniem w płynie mózgowo-rdzeniowym (PMR). Ponadto powinien on pojawiać się w krótkim czasie od zachorowania i umożliwić różnicowanie TIA z udarem dokonanym, a udar krwotoczny- z niedokrwiennym. Powinien także być wskaźnikiem prognostycznym dla oceny skuteczności leczenia. W niniejszej pracy przedstawiamy przegląd potencjalnych biomarkerów zapalnych badanych w klinicznym i doświadczalnym udarze niedokrwiennym mózgu. Najczęściej analizowanymi biomarkeramizapalnymi sąbiałko C-reaktywne [CRP, C-reactive protein], interleukiny 1, 6, 8, metaloproteinaza 9 [MMP-9, metalloproteinase 9], śródbłonkowy czynnik adhezji komórek-1 [VCAM-1, vascular cell adhesion molekule 1], wewnątrzkomórkowy czynnik adhezji komórek [ICAM, intracellular cell adhesion molekule], czynnik martwicy nowotworów alfa [TNF-alfa, tumor necrosis factor alfa). Dostępne obecnie wyniki badań sugerują, że istnieje kilka potencjalnie interesujących biomarkerów zapalnych udaru mózgu jednak dalsze badania są niezbędne aby potwierdzić ich przydatność w tym zakresie.

Słowa kluczowe:udar niedokrwienny mózgu, biomarkery, miażdżyca, zapalenie, cytokiny

Wstęp

Udar mózgu jest drugą, po zawale mięśnia sercowego, przyczyną zgonu oraz pierwszą przyczyną inwalidztwa w populacji osób dorosłych na świecie. Statystyki wskazują, że udar niedokrwienny występuje znacznie częściej od krwotocznego i stanowi około 80-85% wszystkich przypadków udarów mózgu.

Ogniskowe niedokrwienie mózgu wywołane jest miejscowym zanikiem bądź spadkiem przepływu krwi, spowodowanym zwykle przez zator lub zakrzep, co prowadzi do deficytu tlenowo-energetycznego tkanki w obszarze niedokrwienia [1]. Choroba ta poza uszkodzeniem naczyniopochodnym mózgu, charakteryzuje się również odpowiedzią immunologiczną związaną z rozwojem reakcji zapalnej. Aktywowane komórki glejowe (mikroglej i astroglej), a także komórki układu krwionośnego (endoteliocyty i leukocyty) syntetyzują szereg molekuł, wśród których zasadniczą role odgrywają cytokiny, chemokiny, cząsteczki adhezyjne oraz enzymy prozapalne [1].

W większości przypadków do rozpoznania udaru niedokrwiennego mózgu dochodzi na podstawie obrazu klinicznego choroby oraz badania mózgu metodą tomografii komputerowej (TK). Proces diagnostyczny nie eliminuje jednak zawsze wszystkich schorzeń, które mogą imitować udar mózgu klinicznie lub radiologicznie, takich jak np.: migrena skojarzona, porażenie ponapadowe, przemijający atak niedokrwienny (TIA), niektóre guzy mózgu, zaburzenia metaboliczne czy stwardnienie rozsiane. Okazuje się, że mimo dość jasnej definicji udaru i typowych objawów aż 20-25 % wszystkich rozpoznań udaru to schorzenia imitujące udar [2, 3]. Czułość badania TK mózgu w świeżym udarze niedokrwiennym ocenia się na ok. 30-35% [4]. Najnowsze techniki neuroobrazowe jak rezonans magnetyczny (MRI) czy perfuzja TK są czulsze w stosunku do zmian niedokrwiennych w mózgu ale trudniej dostępne w podstawowej praktyce klinicznej.

Podobnie jak w diagnostyce zawału serca i ostrych zespołów wieńcowych, również w diagnostyce udarów mózgu intensywnie poszukuje się pośrednich i bezpośrednich markerów uszkodzenia mózgu związanych z jego niedokrwieniem. Mózg jest znacznie bardziej heterogenny pod względem budowy od serca, zawiera bowiem komórki nerwowe i glejowe charakteryzujące się różnym stopniem wrażliwości na niedotlenienie. Wobec powyższego potencjalna liczba biomarkera może być większa.

Stężenie danego markera biochemicznego we krwi chorego może zależeć od czasu trwania niedokrwienia/niedotlenienia, wielkości uszkodzenia mózgu, jego lokalizacji oraz czasu od początku naczyniopochodnego uszkodzenia do pobrania krwi. Pojawienie się we krwi obwodowej markerów uszkodzenia mózgu zależy też od sposobu uszkodzenia bariery krew-mózg [5, 6].

Cel poszukiwań biomarkerów udaru mózgu

Celem badań biochemicznych we wczesnym udarze mózgu może być jego potwierdzenie, ułatwienie diagnostyki różnicowej, ocena ryzyka lub korzyści leczenia (np. przy pomocy rt-PA, recombinant tissue plazminogen activator), ustalenie dalszego rokowania czy ocena ryzyka wystąpienia obrzęku złośliwego w udarach z rejonu tętnicy środkowej mózgu (MCA, middle cerebral artery). Optymalnym testem biochemicznym w diagnostyce udarów mózgu byłby taki test, który lekarz pogotowia ratunkowego mógłby wykonać podczas wizyty u pacjenta z podejrzeniem tej choroby.

Według Biomarkers Definition Working Group [7] biomarker to charakterystyczna cecha biologiczna, którą można obiektywnie zmierzyć i jest ona wskaźnikiem prawidłowych procesów biologicznych, patologicznych lub odpowiedzi farmakologicznej na interwencję terapeutyczną. Idealny marker biochemiczny w udarze powinien charakteryzować się wysoką specyficznością (tzn. pozwalać na odróżnianie udaru od innych chorób), być oznaczalny we krwi lub w osoczu a jego stężenie we krwi powinno korelować ze stężeniem w płynie mózgowo-rdzeniowym(PMR).

Ponadto taki biomarker powinien pojawić się we krwi w krótkim czasie od zachorowania a także być wskaźnikiem prognostycznym dla powodzenia leczenia trombolitycznego. Dotychczasowe analizy wykazały, iż żadne znane dotąd badanie biochemiczne nie charakteryzuje się tak wysoką czułością i specyficznością, aby być przydatne w diagnostyce udaru mózgu [8,9].

Potencjalne markery udaru mózgu

Markery glejowe i neuronalne:białko S100B, kwaśne włókienkowe białko gleju [GFAP- glial fibrillary acidic protein], białko tau, specyficzna enolaza neuronalna [NSE- neuron specific enolase], czynnik wzrostu nerwów [NGF- nerve growth factor].

Elementy układu krzepnięcia: czynnik VIIc, VIIIc, czynnik von Willebranda [vWF, von Willebrands factor], inhibitor aktywatora plazminogenu 1 [PAI-1, plazminogen activator inhibitor-1], inhibitor aktywowanej fibrynolizy [TAFI, trombin-activable fibrinolysis inhibitor], D-dimery.

Mediatory zapalenia: białko C-reaktywne [CRP, C-reactive protein], interleukiny 1, 6, 8, metaloproteinaza 9 [MMP-9, metalloproteinase 9], śródbłonkowy czynnik adhezji komórek-1 [VCAM-1, vascular cell adhesion molekule 1], wewnątrzkomórkowy czynnik adhezji komórek [ICAM, intracellular cell adhesion molekule], czynnik martwicy nowotworów alfa [TNF-alfa, tumor necrosis factor alfa).

Inne:mózgowy peptyd natriuretyczny [BNP, brain natriuretic peptide], neurotropowy czynnik wzrostu B [BNGF, brain nerve growth factor B-type], kaspazy, [caspases], białka szoku termicznego [HSP, heat shock proteins], PARK7, NDKA, chimeryny [chimerins].

Wybrane biomarkery zapalne udaru niedokrwiennego mózgu

IL-1beta jestcytokiną o działaniu prozapalnym i prozakrzepowym. Jest ona produkowana przez komórki śródbłonka, makrofagi, mikroglej, keratynocyty, chondrocyty, komórki Langerhansa, komórki gleju, komórki mezangium i neurony [1, 10, 11]. Jej głównym źródłem mózgowym są astrocyty [12]. We krwi chorych w ostrej fazie udaru niedokrwiennego mózgu obserwowano podwyższone stężenie IL-1ra [13]. Opisywano również zwiększony poziom IL-1beta w PMR chorych w ostrej fazie udaru niedokrwiennego [14]. Wykazano ponadto, iż zwiększony poziom tej cytokiny w PMR i w surowicy nie koreluje z objętością zawału mózgu [14]. Zauważono jednak, iż wzrost ekspresji mRNA dla IL-1beta w monocytach krwi obwodowej chorych z udarem mózgu koreluje ze stopniem nasilenia objawów neurologicznych [15]. Wiele danych przemawia za neuroprotekcyjnym działaniem IL-1beta, głównie w badaniach przeprowadzanych na zwierzętach [16].

IL-6 charakteryzuje się wielokierunkowością oddziaływań i może być uznana za jeden z centralnych czynników regulujących mechanizmy obronne [17]. Wytwarzana jest przede wszystkim przez monocyty i makrofagi ale także przez fibroblasty, komórki śródbłonka, limfocyty T i B, keratynocyty i chondrocyty [17]. Głównymi czynnikami indukującymi jej wytwarzanie są IL-1, TNF, LPS i wirusy. IL-6 hamuje zwrotne wydzielanie TNF [1]. Głównym źródłem IL-6 w niedokrwieniu mózgu są komórki mikrogleju [18]. IL-6 stymuluje hepatocyty do syntezy białek ostrej fazy, w tym białka C-reaktywnego i fibrynogenu [19].

Tarkowski i wsp. wykazali, iż poziom IL-6 w PMR wzrasta w ostrej fazie udaru niedokrwiennego mózgu i mimo późniejszej stopniowej tendencji spadkowej pozostaje podwyższony w porównaniu z poziomem cytokin w grupie kontrolnej do 90-tego dnia od początku udaru [20]. Potwierdzono również korelację między początkowymi poziomami IL-6 w PMR a objętością zawału ocenianą po 2-3 miesiącach od wystąpienia udaru [14, 20]. Pozytywną korelację pomiędzy stężeniem IL-6 we krwi a takimi elementami reakcji ostrej fazy, jak temperatura ciała oraz poziom glukozy i fibrynogenu we krwi wykazali Via i wsp. [21]. Beamer i wsp. [13] podają, że stężenie IL-6 w surowicy jest podwyższone w 4-ym dniu udaru niedokrwiennego mózgu. Ferrares i wsp. [22] obserwowali natomiast, że poziom IL-6 w surowicy oraz w PMR chorych z udarem mózgu jest podwyższony w ostrej fazie udaru, ale jest znamiennie niższy od poziomu IL-6 w PMR i nie koreluje z wielkością ogniska udarowego.

IL-6 poza właściwościami prozapalnym i prodestrukcyjnymi jest cytokiną, która może również wywierać efekt przeciwzapalny i neuroprotekcyjny, hamując syntezę cytokin TNF-alfa i IL-1 [14]. Podana dokomorowo zmniejsza wielkość uszkodzenia mózgu wywołanego zamknięciem tętnicy środkowej mózgu, co świadczy o tym, iż cytokina ta w warunkach niedokrwienia mózgu może również spełniać role inhibitora neurodegeneracji [23].

IL-10 strukturalnie przypomina interferony i wraz z kilkoma innymi interleukinami tworzy dużą grupe cytokin. Jest onacytokiną antyzapalną. IL-10 wytwarzana jest głównie przez aktywowane limfocyty T, szczególnie typu Th2, ale także limfocyty B, monocyty, makrofagi i keratynocyty [1, 17]. W eksperymentalnym niedokrwieniu mózgu IL-10 wykazuje działanie neuroprotekcyjne, co manifestuje się zmniejszeniem rozmiarów obszaru niedokrwienia [24]. Obserwowano wzrost stężenia IL-10 w PMR chorych z udarem niedokrwiennym mózgu do 90-tego dnia od początku choroby. Sugeruje to, iż IL-10 bierze również udział w następujących po niedokrwieniu procesach regeneracyjnych [20]. W ostrej fazie udaru niedokrwiennego mózgu IL-10 jest syntetyzowana przez monocyty krwi obwodowej [25]. Badania Perini i wsp. wykazały spadek stężenia IL-10 we krwi chorych w ostrej fazie udaru niedokrwiennego mózgu, co przemawia za przewagą procesów prozapalnych nad przeciwzapalnymi we wczesnej fazie niedokrwienia mózgu [26].

IL-17 jest cytokiną prozapalną występującą u człowieka w postaci kilku izoform, które określa się literami od A do F. Limfocyty Th17 wytwarzają głównie IL-17A. IL 17A i IL17F są wytwarzane przez aktywowane limfocyty T [1]. Działając na makrofagi IL17 pobudza je do wytwarzania TNF-alfa, IL-1beta, IL-6, IL-10, IL-12 oraz IL-1Ra i wzmaga dojrzewanie komórek dendrytycznych. Odgrywają one istotną rolę w patogenezie łuszczycy, stwardnienia rozsianego i innych chorób zapalnych. Zwiększoną ekspresję mRNA dla IL-17 stwierdzono w mózgu i krwi zwierząt, u których wywołano doświadczalne niedokrwienie mózgu [27]. Wykazano zwiększoną ekspresję TNF-alfa w mózgach (głównie w mikrogleju/makrofagach) chorych zmarłych w przebiegu chorób neurodegeneracyjnych oraz z przyczyn pozaneurologicznych [28].

Czynnik martwicy nowotworów (TNF-alfa) jest wytwarzany głównie przez monocyty i makrofagi. Najsilniejszym bodźcem do produkcji TNF-alfa jest bakteryjny lipopolisacharyd (LPS). W ostrym niedokrwieniu mózgu głównym źródłem TNF-alfa są komórki mikrogleju i makrofagi [12]. W ostrej fazie udaru niedokrwiennego mózgu jest on produkowany przez leukocyty krążące we krwi obwodowej chorych [29]. Ekspresja TNF-alfa jest najwyższa w ostrej fazie udaru między 8. a 24. godziną od początku niedokrwienia mózgu i w ciągu następnych 4 dni stopniowo się zmniejsza [30]. Poziom TNF-alfa w PMR i w surowicy krwi chorych jest podwyższony w czasie pierwszych 24 godzin udaru niedokrwiennego [31, 32]. Koreluje on z objętością tworzącego się zawału mózgu i nasileniem objawów neurologicznych. Ponadto koreluje on ze stopniem niezdolności chorych do samodzielnego funkcjonowania, ocenionym wg Skandynawskiej Skali Udaru i Indexu Barthela w pierwszej dobie udaru i po 2 tygodniach od wystąpienia objawów neurologicznych [31, 32]. W surowicy chorych w ostrej fazie udaru niedokrwiennego mózgu poziom TNF-alfa jest zwykle podwyższony [33]. Są również jednak prace sugerujące, iż poziom tej cytokiny w surowicy krwi podczas ostrego niedokrwienia mózgu pozostaje niezmieniony [34]. TNF-alfa może wywierać efekt neuroprotekcyjny, gdyż myszy genetycznie pozbawione receptorów dla TNF-alfa charakteryzują się większym uszkodzeniem mózgu po doświadczalnym zamknięciu tętnicy środkowej mózgu [35].

Piśmiennictwo

Zaremba J., Losy J.: Neuroimmunologia kliniczna. 2004, rozdz. 14, 261-279.
Libman R.B., Wirkowski E., Alvir J., Rao T.H.: Conditions that mimic stroke in the emergency department. Implications for acute stroke trials. Arch. Neurol. 1995, 52 1119-1122.
Weir N.U., Buchan A.M.: A stud y of the workload and effectiveness of a comprehensive acute stroke service. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 2005, 76, 863-865.
Kidwell C.S., Chalela J.A. I wsp..: Comparison of MRI and CT for detection of acute intracerebral hemorrhage. JAMA 2004, 292, 1823-1830.
Marchi N., Cavaglia M., Fazio V., Bhudia S., Hallene K., Janigro D.: Peripheral markers of blood-brain barrier damage. Clin. Chim. Acta 2004, 342, 1-12.
Węglewski A., Ryglewicz D., Mular A., Juryńczyk J.: Zmiany stężenia białka S100B w surowicy krwi w udarze niedokrwiennym i krwotocznym mózgu w zależności od wielkości ogniska udarowego. Neurol. Neurochi. Pol. 2005, 39, 310-317.
Biomarkers Definitions Working Group: Biomarkers and surrogate endpoints: preferred definitions and conceptual framework. Clin. Pharmacol. Ther. 2001, 69, 89-95.
Hill M.D., Buchan A.M.: Thrombolisis for acutr ischemic stroke: results of the Canadian Alteplase for Stroke Effectiveness study. Can. Med. Assoc. J. 2005, 172, 1307-1321.
Hill M.D.: Diagnostic biomarkers of stroke: a stroke neurologist ^‘s perspective. Clin. Chem. 2005, 51, 2001-2002.
Sharma B.K., Kumar K.: Role of proinflammatory cytokines in cerebral ischemic: a review. Metab. Brain Dis. 1998, 13, 1-8.
DeGraba T.J.: The role of inflammation after acute stroke. Utility of pursuing anti-adhesion molecule therapy. Neurology 1998, 51 (Suppl. 3), 62-68.
Backer K.J.: Inflammation and acute stroke. Curr. Opin. Neurol. 1998, 11, 45-49.
Beamer N.B., Coull B.M., Clark W.M., Hazel J.S. I wsp.: Interleukin-6 and interleukin-1 receptor antagonist in acute stroke. Ann. Neurol. 1995, 37, 800-804.
Tarkowski E., Rosengren L., Blomstrand C., Wikkelso C. i wsp.: Early intrathecal production of interleukin-6 predicts the size of brain lesion in stroke. Stroke 1995, 26, 1393-1398.
Kostulas N., Pelidou S.H., Kivisakk P., Kostulas V. i wsp.: Increased IL-1beta, IL-8 AND IL-17 mRNA expression in blood mononuclear cells observed in a prospective ischemic stroke study. Stroke 1999, 30, 2174-2179.
Sharma B.K., Kumar K.: Role of proinflammatory cytokines in cerebral ischemia: a review. Metab. Brain Dis 1998, 13, 1-8.
Gołąb J., Jakóbisiak M., Lasek W., Stokłosa T.: Neuroimmunologia Wyd. Nauk. PWN 2010, 9, 109-152.
Backer K.J.: Targeting the central nervous system inflammatory response in ischemic stroke. Curr. Opin. Neurol. 2001, 14, 349-353.
DeGraba T.J.: The role of inflammation after acute stroke. Utility of pursuing anti-adhesion molecule therapy. Neurology 1998, 51 (Suppl.3), 62-68.
Tarkowski E., Rosengren L., Blomstrand C., Wikkelso C. i wsp.: Intrathecal release of pro- and anti-inflammatory cytokines Turing stroke. Clin. Exp. Immunol. 1997, 6, 437-442.
Vila N., Castillo J., Davalos A., Chamorro A.: Proinflammatory cytokines and early neurological worsening in ischemic stroke. Stroke 2000, 31, 2325-2329.
Ferrarese C., Mascarucci P., Zoia C., Cavarretta R. I wsp.: Increased cytokine release from peripheral blood cells after acute stroke. J. Cereb Blood Flow Metab 1999, 19, 1004-1009.
Emsley H.C.A., Tyrrell P.J.: Inflammation and infection in clinical stroke. J. Cereb. Bllod Flow Metab. 2002, 22, 1399-1419.
Spera P.A., Ellison J.A., Feuerstein G.Z., Barone F.C.: IL-10 reduces rat brain injury following focal stroke. Neurosci. Lett 1998, 251, 189-192.
Pelidou S.H., Kostulas N., Matusevicius D., Kivisakk P. i wsp.: High levels of IL-10 secreting cells are prezent In blond In cerebrovascular disease. Eur. J. Neurol. 1999, 6, 437-442.
Perini F., Morra M., Alecci M., Galloni E. i wsp.: Temporal profile of serum anti-inflammatory and pro-inflammatory interleukins in acute ischemic stroke patients. Neurol Sci 2001, 22, 289-296.
Li H.L., Kostulas N., Huang Y.M., Xiao B.G. i wsp.: IL-17 and INF-gamma mRNA expression in increased in the brain and systemically after permanent middle cerebral artery occlusion in the rat. J. Neuroimmunol. 2001, 116, 5-14.
Tomimoto H., Akiguchi I., Wakita H., Kinoshita A.: Glial expression of cytokines in the brain of cerebrovascular disease patients. Acta Neuropathol 1996, 92, 281-287.
Ferrarese C., Mascarucci P., Zoia C., Cavarretta R. I wsp.: Increased cytokine release from peripheral blood cells after acute stroke. J. Cereb Blood Flow Metab 1999, 19, 1004-1009.
Buttini M., Appel K., Sauter A., Gebicke-Haerter P.J. I wsp.: Ekspression of tumor necrosis factor alpha after focal cerebral ischaemia in the rat. Neurosci. 1996, 7, 1-16.
Zaremba J., Skrobański P., Losy J.: Tumour necrosis factor-alpha is increased in the cerebrospinal fluid and serum of ischaemic stroke patients and correlates with the volume of evolving brain infarct. Biomed. Pharmacother 2001, 55, 258-263.
Zaremba J., Losy J.: Early TNF-alpha levels correlate with ischaemic stroke severity, Acta. Neurol. Scand. 2001, 104, 288-295.
Carlstedt F., Lind L., Lindahl B.: Proinflammatory cytokines, measured a mixed population on arrivai in the emergency department, are related to mortality and severity of disease. J. Intern. Med. 1997, 242, 361-365.
Fassbender K., Rossol S., Kammer T., Daffertshofer M. I wsp.: Proinflammatory cytokines in serum of patiens with acute cerebral ischemia:kinetics of secretion and relation to the extent of brain damage and outcome of disease. J. Neurol Sci. 1994, 122, 135-139.
Bruce A.J., Boling W., Kindy M.S., Peschon J. I wsp.: Altered neuronal and microglial responses to excitotoxic and ischemic brain injury in mice lacking TNF receptors. Nat. Med. 1996, 2, 788-794.