Роль биомаркеров крови при ишемическом инсульте

Инсульт - одна из важнейших причин инвалидности и смертности во всем мире и причина огромных прямых и косвенных затрат на медицинские услуги. Только в США это пятая по значимости причина смерти с уровнем внутрибольничной смертности от 11% до 15% [1]. Последние статистические данные показывают, что на инсульт приходится 1 из 20 случаев смерти в США [2]. У каждой четвертой жертвы инсульта будет повторный инсульт в течение следующих 5 лет, примерно половина выживших после инсульта останется инвалидом, а 20% нуждаются в госпитализации.

Инсульт - это сложное клиническое явление, и его выявление и диагностика первоначально основываются на клиническом обследовании пациента. Два основных подтипа инсульта - это ишемический инсульт (IS) и геморрагический инсульт (HS). IS составляет 85% всех случаев. HS подразделяется на внутримозговое кровоизлияние (ICH) и субарахноидальное кровоизлияние (SAH)

Система, которая в основном используется клиницистами для классификации ишемического инсульта, была разработана в многоцентровом исследовании, известном под кратким названием TOAST. В соответствии с этим IS делится на следующие пять основных подтипов, лежащих в основе этиопатологии [3-4].

Ишемический инсульт в основном вызван внутричерепным тромбозом или экстракраниальной эмболией. Атеротромботический инсульт может быть связан с поражением внутричерепных или экстракраниальных сосудов, в том числе артерий Виллизиева круга, сонных и позвоночных артерий, а также с атеросклеротическим заболеванием дуги аорты. На атеросклероз крупных сосудов (или заболевание крупных сосудов) приходится примерно 30% всех IS, и он считается причиной инсульта, когда уменьшение просвета пораженного сосуда в церебральной артерии составляет> 50%. Однако уменьшение менее чем на 50% может вызвать инсульт этого подтипа, если он сопровождается нестабильной бляшкой с изъязвлениями. Ситуация может стать диагностически неопределенной, если у пациента есть вторая причина инсульта, помимо болезни крупных сосудов.

Кардиоэмболический инсульт составляет примерно 20–30% от всех IS и обычно приводит к большей инвалидности, чем неэмболические механизмы инсульта, учитывая склонность к окклюзии крупных внутричерепных сосудов, приводящей к увеличению площади ишемизированного мозга. Это может быть следствием фибрилляции предсердий (ФП), тромба желудочков, структурных дефектов сердца, атеромы дуги аорты, острого инфаркта миокарда или порока клапанов сердца [5].

Третий подтип, заболевание мелких сосудов, провоцирующее лакунарный инсульт, считается причиной инсульта, когда объем инфаркта составляет менее 15–20 мм в диаметре и возникает, в основном, в областях проникающих церебральных артерий. Эта категория также составляет 20% от общего количества IS. Однако инфаркты> 20 мм в диаметре могут возникать в одной и той же области, и с помощью современных диагностических методов по-прежнему трудно определить, инсульт возникает из-за болезни мелких сосудов или другой патофизиологии [6].

Патофизиология ишемического инсульта.

Патофизиология ишемического инсульта чрезвычайно сложна и включает несколько процессов [7-9]. В этом обзоре мы проанализируем механизмы, лежащие в основе ишемического повреждения головного мозга. Понимание этих механизмов позволит идентифицировать пути и задействованные молекулы, которые могут быть потенциальными биомаркерами для ранней диагностики и дифференциации от ICH и ситуаций, имитирующих инсульт. Они также могут помочь следить за развитием IS и, возможно, контролировать терапию и прогнозировать результат.

Во время ишемического инсульта серьезно нарушается церебральный кровоток. Ишемическая цереброваскулярная болезнь в основном вызывается тромбозом, эмболией и очаговой гипоперфузией, которые приводят к нарушению церебрального кровотока (CBF). Степень неврологической дисфункции определяется продолжительностью нарушения CBF, а также временем окклюзии пораженного сосуда, поскольку уменьшение регионарного CBF приводит к снижению перфузии тканей. Гомеостатический баланс в человеческом мозге регулируется двумя динамическими механизмами, называемыми церебральной ауторегуляцией (CA) и нервно-сосудистым соединением (NVC). В нормальном мозге КА представляет собой механизм, отвечающий за поддержание относительно постоянной CBF в широком диапазоне изменений артериального давления (АД). NVC относится к каскаду событий, запускаемых увеличением активности нейронов, ведущих к увеличению CBF. Оба механизма нарушаются после острого ишемического инсульта. В состоянии покоя мозг получает примерно 20% сердечного выброса и очень чувствителен к ишемии. Даже очень короткие периоды ишемии нейронов могут вызвать сложную последовательность событий, которые могут привести к постоянному церебральному поражению. наносить ущерб. Средний CBF у взрослого составляет примерно от 40 до 60 мл / 100 г / мин [10]. Во время ишемии головного мозга CBF снижается ниже критического уровня, вызывая неадекватную доставку кислорода и глюкозы и вызывая патофизиологические явления, которые следуют за острым инсультом. Это критическое событие вызывает ряд функциональных, биохимических и структурных изменений, которые приводят к необратимой гибели нейронов. Более того, недостаточное поступление CBF может вызывать повреждение нейронов или глиальных клеток сверх того, что вызвано начальной ишемией из-за гипо- или гиперперфузии.

При остром инсульте ткань, которая снабжается закупоренной артерией, разделяется на области, которые необратимо повреждены, и на области, которые гипоперфузированы, и поэтому могут быть сохранены, если перфузия будет восстановлена ​​вовремя. Это основа значений ишемического ядра и ишемической полутени. При снижении кровотока в первую очередь затрагивается функциональная нейронная активность, а по мере прогрессирования ишемии метаболическая активность, необходимая для поддержания структурной целостности клеток, подавляется. Это приводит к активации нескольких путей, которые могут быть нейрозащитными или вредными для мозга. Эти события происходят частично и зависят от интенсивности и продолжительности ишемического инсульта.

Роль биомаркеров в исследованиях и клинической практике инсульта.

Биомаркеры - это определенные физиологические характеристики или биологические вещества, которые можно измерить и контролировать объективно и воспроизводимо. Их можно использовать в качестве индикаторов физиологических или патологических процессов, факторов риска или фармакологических реакций на терапевтические вмешательства. Чувствительность относится к способности биомаркера обнаруживать наличие заболевания, когда оно присутствует, а специфичность относится к его способности исключать заболевание, когда оно отсутствует [11].

Где можно использовать биомаркеры?

Чтобы биомаркеры были полезны при инсульте, они должны дать ответы на несколько клинических, эпидемиологических и исследовательских ситуаций [12]:

1. Спрогнозировать риск инсульта,

2. Выяснить патологические механизмы,

3. Ранняя и точная диагностика инсульта и его подтипов в острой стадии (отличить инсульт от имитации и ишемии от кровотечения).

4. Наблюдение за пациентами с целью отслеживания развития инсульта.

5. Прогнози результата.

6. Прогноз осложнений.

7. Выбор терапии

Учитывая сложность и неоднородность инсульта патофизиологии и разнообразия клинических и исследовательских вопросов, на которые необходимо ответить, очевидно, что один биомаркер не может дать нам все ответы, которые мы ищем [13].

Список основных биомаркеров используемых для определения ишемического инсульта.

1. s100b
2. GFAP (glial fibrillary acidic protein)
3. NSE (neuron specific enolase)
4. H-FABP (heart fatty acid bind- ing protein)
5. MBP (myelin basic protein)
6. vWf (von Willebrant factor) and its cleaving prote-
   ase ADAMTS13
7. D-dimer
8. Fibrinogen
9. Fibronectin (cFn)
10. CRP (C-reactive protein)
11. Adhesion molecules (VCAM, ICAM-1)
12. Matrix Metalloproteinases (MMP-9, MMP-2) and their tis- sue inhibitors (TIMP-1, TIMP-2)
13. Lipoprotein-associated phospholipase A2 (Lp-PLA2)
14. Caspase-3
15. Copeptin

Единый биомаркер по сравнению с панелями биомаркеров

Учитывая гетерогенность ишемического инсульта, одного биомаркера может быть недостаточно, чтобы отразить основную сложность. Рассмотрены несколько потенциальных клинических применений биомаркеров (риск развития заболевания, диагноз, характеристика клинической тяжести, определение ишемической полутени, оценка риска прогрессирования или ухудшения и исход). Многие исследованные биомаркеры связаны с ишемией головного мозга, но они дают мало дополнительной информации для отдельного пациента, кроме той, которая была получена при клиническом обследовании и нейровизуализации.

В попытке устранить эти ограничения были опробованы более сложные модели, включающие одновременное измерение нескольких биомаркеров. В некоторых исследованиях одновременно измеряли даже 50 различных биомаркеров. Эти панели были созданы для включения биомаркеров, которые отражают патофизиологические процессы заболевания, такие как атероматоз, тромбообразование, воспаление, окислительный стресс, эндотелиальное повреждение, нарушение ГЭБ и церебральная ишемия. Стратегия этих исследований заключалась в объединении чувствительных, но не тканеспецифичных биомаркеров, по крайней мере, с одним тканеспецифическим маркером. Очень немногие биомаркеры достигли чувствительности и специфичности более 90%. Даже добавление нескольких основных демографических данных (таких как возраст, пол или наличие фибрилляции предсердий) не привело к значительному улучшению показателей.

Как лучше всего выбрать биомаркеры для включения в панель? Это активная область исследований в области биоинформатики. Один из подходов состоит в том, чтобы включить все те биомаркеры, которые у пациентов значительно отличаются от контрольных, и попытаться объединить их для построения прогностической модели. Однако очень часто мы можем найти два биомаркера, которые предоставляют схожую клиническую информацию и существенно различаются между сравниваемыми клиническими группами. Поэтому обязательно включать маркеры, которые хорошо сочетаются друг с другом в качестве предикторов. Для этого был разработан ряд методов. После того, как биомаркеры выбраны, есть несколько способов и методов собрать их в модель прогнозирования. После создания модели прогнозирования ее необходимо оценить в другой системной когорте, чтобы избежать систематической ошибки. Опубликованы рекомендации по разработке и оценке панелей биомаркеров [14].

Единый биомаркер по сравнению с мультиплексными анализами

В большинстве исследований исследователи использовали иммуноферментный анализ (ELISA) для измерения нескольких биомаркеров (особенно цитокинов) в качестве инструмента количественной оценки. Недавно были разработаны более быстрые и автоматизированные анализы, основанные на том же принципе. Эти так называемые мультиплексные иммуноанализы позволяют количественно определять несколько цитокинов одновременно, с преимуществом использования небольших количеств образца и более быстрого анализа.

Существуют различия между различными наборами, которые в основном связаны с профилями распознавания пар антител, которые производители используют в своих иммуноанализах. Это может быть решено путем более точной характеристики антител. Калибраторы, используемые в различных экспериментальных иммуноанализах, почти всегда представляют собой рекомбинантные белки, которые были получены с использованием различных «систем», включая Escherichia coli, дрожжи и клетки млекопитающих. Эти белки не полностью представляют собой сложную и гетерогенную смесь природных белков, обнаруженных в системном кровотоке и другие биологические жидкости, которые могут содержать молекулы-предшественники, фрагменты, различные изоформы и т. д. Антитела, которые используются в этих анализах, также созданы против этих рекомбинантных белков. Эффективность в значительной степени зависит от качества антител, т. е. аффинности, специфичности и авидности, выбора подходящих буферов для блокирования, разведения и периодов инкубации.

К другим значительным проблемам относятся помехи со стороны аутоантител и других связывающих белков, которые могут присутствовать в биологическом образце. Как и все иммуноанализы, ELISA также склонны к перекрестной реактивности и матричному эффекту. Перекрестная реактивность - это возможность связывания антител с более чем одним антигеном, что приводит к ошибочному результату и часто ложноположительному эффекту. Другая проблема - это помехи, которые возникают в результате матричных эффектов образцов, что связано с неизвестными и неопределенными факторами, присутствующими в образце, которые мешают иммуноанализу. Матричный эффект обычно проявляется в низком извлечении определенного количества цитокинов, добавленных в образец, или в нелинейном разбавлении образца.

Выводы, сделанные на основании многочисленных исследовательских статей, метаанализов и обзоров (систематических или описательных), опубликованных за последние 10 лет в этой области, сильно различаются, что приводит к значительному расхождению во мнениях о клиническом применении биомаркеров инсульта. На ключевые вопросы, можно ли использовать биомаркеры в диагностике инсульта, дифференциации, прогнозировании, прогнозировании исхода, мониторинге терапии и т. д. Или какова добавленная стоимость биомаркеров для современной стандартной клинической практики, всегда можно ответить отрицательно. с таким энтузиазмом «может быть, но еще нет».

Инсульт - неоднородное заболевание, поражающее пациентов, которые сами неоднородны и имеют различные сопутствующие заболевания. Однако исследователи разработали клинические исследования, которые требовали измерения биомаркеров с помощью нестандартных анализов, и их результаты нельзя сравнивать. Таким образом, метаанализ и обзоры имеют ограниченную ценность.

Использование нестандартных методов в клинических исследованиях может ввести исследователей в заблуждение и привести к неверным выводам. Стоит еще раз указать на пример того, как стандартизация анализа витамина D изменила результаты исследования NHANES. Это очень хороший пример того, как использование нестандартных анализов в клинических исследованиях может привести ученых-клиницистов к неверным результатам.

Список литературы:

1 - Writing Group Members, Mozaffarian D, Benjamin EJ, Go AS, et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2016 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 2016;133: e38–360.

2 - Benjamin EJ, Blaha MJ, Chiuve SE, et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2017 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 2017;135: e146–e603.

3 - Adams HP Jr, Bendixen BH, Kappelle LJ, et al. Classification of subtype of acute ischemic stroke. Definitions for use in a multicenter clinical trial. TOAST. Trial of Org 10172 in Acute Stroke Treatment. Stroke. 1993;24: 35–41.

4 - Bamford J, Sandercock P, Dennis M, et al. Classification and natural history of clinically identifiable subtypes of cerebral infarction. Lancet. 1991;337: 1521–1526.
5 - O’Carroll CB, Barrett KM. Cardioembolic Stroke. Continuum (Minneap, Minn). 2017;23: 111–132.

6 - Arboix A, Marti-Vilalta JL. Lacunar stroke. Expert Rev Neurother. 2009;9: 179–196.

7 - Deb P, Sharma S, Hassan KM. Pathophysiologic mechanisms of acute ischemic stroke: an overview with emphasis on therapeutic significance beyond thrombolysis. Pathophysiology. 2010;17: 197–218.

8 - Dirnagl U, Iadecola C, Moskowitz MA. Pathobiology of ischaemic stroke: an integrated view. Trends Neurosci. 1999;22: 391–397.

9 - Jovin TG, Demchuk A, Gupta R. Pathophysiology of acute ischemic stroke. Continuum Lifelong Learn Neurol. 2008;14: 28–45.

10 - Cipolla MJ. The cerebral circulation. In: Granger DN, Granger JP, editors. Integrated systems physiology: from molecule to function. San Rafael (CA): Morgan & Claypool Life Sciences; 2009. p. 19–46.

11 - Vasan RS. Biomarkers of cardiovascular disease: molecu- lar basis and practical considerations. Circulation. 2006;113: 2335–2362.

12 - Miao Y, Liao JK. Potential serum biomarkers in the pathophysiological processes of stroke. Expert Rev Neurother. 2014;14: 173–185.

13 - Pullagurla SR, Baird AE, Adamski MG, et al. Current and future bioanalytical approaches for stroke assess- ment. Bioanalysis. 2015;7: 1017–1035.

14 - Dancey JE, Dobbin KK, Groshen S, et al. Guidelines for the development and incorporation of biomarker studies in early clinical trials of novel agents. Clin Cancer Res. 2010;16: 1745–1755.