卒中预防中的血管功能障碍与转化性生物标志物发现：从机制解析到精准医学

《Discover Medicine》：Vascular dysfunction and translational biomarker discovery in stroke prevention

　　

卒中仍是全球死亡和致残的主要原因，其疾病负担日益集中于中低收入国家。尽管急性期治疗已取得进展，但其有限的适用性凸显了对更有效预防策略的迫切需求。本综述聚焦于血管功能障碍的关键作用，这一以内皮损伤、炎症和氧化应激为特征的系统性过程是卒中的重要前驱病变。研究人员认为，推进预防医学的发展依赖于发现稳健的机制性生物标志物，这些标志物能够在卒中发生前长期识别亚临床易感性，从而改善早期诊断和预后。转化研究模型，包括体外系统、动物模型以及器官芯片（organ-on-a-chip）等人源化平台，对于揭示这些生物标志物不可或缺。它们提供了受控环境，用于解析疾病机制、验证生物标志物及测试靶向干预。本综述探讨了此类模型如何弥合基础研究与临床应用之间的鸿沟，最终支持个性化预防方法的发展，以减轻日益加重的全球卒中负担。

1 Introduction
卒中仍是全球性的重大公共卫生挑战，是成人死亡和长期残疾的主要原因，其疾病负担因人口老龄化和可改变危险因素患病率上升而持续增加。这一影响尤为令人担忧，因为许多脑血管事件是可以预防的，但仍给个人、家庭及医疗体系带来沉重的社会与经济代价。尽管急性再灌注治疗（包括溶栓和取栓）取得了突破性进展，但其应用受限于狭窄的治疗时间窗和严格的适应证，凸显了对有效、广泛预防策略的迫切需求。因此，脑血管病学领域正经历从急性干预向先发性识别与干预的必要范式转变。卒中的核心病理基础在于血管功能障碍，这是一种进行性的血管结构与功能恶化，最终导致灾难性脑缺血或出血。该功能障碍并非孤立事件，而是在急性卒中前数年甚至数十年即已开始。它以亚临床形式存在于内皮损伤、动脉僵硬度增加、动脉粥样硬化和脑小血管病中，并被高血压、糖尿病和高脂血症等合并症加剧。驱动该病理转化的精确分子与细胞通路包括慢性炎症、氧化应激和异常血流动力学，这些过程复杂、异质且尚未完全阐明，构成了靶向有效预防干预发展的重大瓶颈。应对这一挑战的途径在于发现和验证稳健的生物标志物。这些是潜在生理或病理过程的客观可测指标，可作为早期预警信号，在临床事件发生前长期识别亚临床血管脆弱性。理想的预防医学生物标志物谱不仅应指示风险，还应阐明功能障碍的具体机制（如炎症、内皮激活和凝血），从而实现个体化治疗策略。然而，此类生物标志物的追求本质上依赖于在受控环境中准确模拟人类脑血管病缓慢而隐匿进展的能力。这正是转化研究模型的广泛谱系变得不可或缺的原因。这些模型涵盖从还原论体外细胞培养、动态人源类器官芯片设备到复杂的体内动物模拟，为机制发现提供了必需的实验基础。它们提供了受控环境以解析血管衰竭的时间序列、分离关键机制驱动因素，并在伦理和实操层面于人体研究中不可能的条件下严格验证潜在生物标志物与病理结局之间的因果关系。此外，整合人源细胞和合并症的复杂模型正在增强临床前发现的临床预测价值，为生物标志物验证提供了更忠实的平台。本综述以血管为中心对卒中进行综合，将其概念化为神经血管功能进行性障碍而非单纯的动脉闭塞或血管破裂所致终末事件。该分析提出血管功能障碍先于急性临床事件，并通过内皮功能障碍、氧化应激、血管病变、血脑屏障破坏、兴奋性毒性和神经炎症放大将系统性危险因素与脑组织损伤相连接。该框架的新颖性在于整合了通常在孤立情况下讨论的机制，将其纳入一个顺序连贯且生物学一致的通路，即血管内皮功能障碍先于氧化应激、血管病变、兴奋性毒性和神经炎症。它还将这一机制序列与生物标志物发现、转化模型选择和预防医学联系起来，将讨论推向对亚临床脑血管脆弱性的更早识别。

2 The pathophysiology of vascular dysfunction in stroke
卒中病理生理学被概念化为整合性神经血管级联反应，内皮功能障碍是始动环节。慢性血管损伤诱导内皮细胞适应性不良表型，表现为一氧化氮（NO）生物利用度降低、内皮素-1活性增加、组织因子和血管性血友病因子表达升高，以及细胞间黏附分子1（ICAM-1）和血管细胞黏附分子1（VCAM-1）等黏附分子上调。内皮功能障碍通过增加活性氧和氮簇产生而促进氧化应激，导致线粒体功能障碍、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶激活、离子通道损伤和DNA损伤，形成自我强化的恶性循环。持续的内皮和氧化损伤进展为血管病变，表现为脂质透明变性、纤维素样坏死、管腔狭窄和微血管重塑。脑淀粉样血管病进一步破坏血管壁完整性，增加破裂和微出血易感性。血管病变与血脑屏障破坏密切相关，缺氧、细胞因子和氧化应激破坏紧密连接蛋白如闭合蛋白-5（Claudin-5）和咬合蛋白（Occludin），增加旁细胞通透性，导致血管源性水肿和继发性神经元损伤。兴奋性毒性主要见于缺血性卒中，Na⁺/K⁺-ATP酶衰竭导致神经元去极化、谷氨酸过度释放，激活N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体，引起钙超载和细胞死亡。微血管血流失败加剧了兴奋性损伤，周细胞收缩和星形胶质细胞终足功能障碍导致无复流现象。神经炎症是最终环节，损伤相关分子模式（DAMPs）如高迁移率族蛋白B1（HMGB1）激活小胶质细胞，通过NLRP3-ASC-caspase-1轴促进IL-1β和IL-18成熟。肠道菌群-脑轴通过脂多糖（LPS）、氧化三甲胺（TMAO）和短链脂肪酸（SCFAs）等代谢物影响卒中风险和进展。缺血性和出血性卒中虽有不同始动事件，但均涉及神经血管单位不稳、血脑屏障衰竭、氧化损伤和无菌性炎症。

3 The spectrum of translational research models in cerebrovascular science
卒中临床异质性显著，缺血性卒中约占85%，出血性占15%，且病因多样。人类神经血管系统具有特有的脑回皮层，无单一模型能完全模拟。体外模型包括原代细胞培养和氧糖剥夺（OGD）模型，用于高通量筛选和机制解析，但缺乏脑血流、功能性血脑屏障（BBB）和全身免疫反应。器官型脑片培养保留部分细胞结构但仍缺乏系统性循环。体内动物模型包括线栓法大脑中动脉阻塞（MCAO）模型，可模拟再灌注损伤；栓子模型更接近人血栓栓塞性卒中；光血栓模型梗死定位精确但缺乏缺血半暗带；内皮素-1模型通过血管痉挛造成局灶缺血；全脑缺血模型模拟心脏骤停；脑出血（ICH）模型包括胶原酶注射和自体血注射；蛛网膜下腔出血（SAH）模型采用血管内穿孔法。动物模型局限包括物种差异（如啮齿类无脑回vs人脑回）、研究多在年轻健康雄性动物中进行，以及实验设计缺乏随机化和盲法。新兴技术包括类器官芯片和微流控模型，可整合人脑内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞，实现动态灌流；以及计算建模和人工智能（AI）。克服转化障碍需遵循卒中治疗学术产业圆桌会议（STAIR）建议，纳入共病动物、考虑性别作为生物学变量、严格实验设计、多模型验证及长期功能评估。

4 Advancing biomarker discovery: from pathophysiology to model systems to clinical validation
机制性通路为生物标志物开发提供基础。内皮激活的可溶性标志物（血管性血友病因子、E-选择素）、BBB破坏标志物（血浆纤连蛋白、血小板衍生生长因子受体-β）和神经炎症标志物（基质金属蛋白酶-9（MMP-9）、IL-6）具有应用前景。转录组学显示内皮标志物Tek表达下调，Plvap、Angpt2、Hmox1和Serpine1/PAI-1上调。外周血转录组可区分心源性栓塞和大动脉粥样硬化性卒中。星形胶质细胞来源的细胞外囊泡（EVs）如外泌体和微囊泡含有胶质纤维酸性蛋白（GFAP），在卒中后早期血浆中升高。在脑小血管病（SVD）中，VEGF与DWI阳性病灶相关，ICAM1与脑血管反应性降低相关，P-选择素与认知下降相关。蛋白质组学鉴定出维生素D结合蛋白（VDBP）、载脂蛋白E（ApoE）等新的血管损伤相关蛋白。诊断性生物标志物方面，GFAP可鉴别脑出血（ICH）和缺血性卒中（IS），因ICH后星形胶质细胞破坏导致GFAP快速释放。NR2抗体联合血浆纤连蛋白（c-Fn）对IS具有高特异性；S100钙结合蛋白β（S100β）与GFAP联合可提高梗死诊断准确性。MMP-9持续升高与出血性转化和血周围水肿相关；SUR1-TRPM4通道复合物与恶性脑水肿相关。生物标志物需整合到多标志物面板中解读，结合采样时间、卒中亚型、影像学和合并症。

5 Informing preventive medicine: preclinical therapeutic testing strategies
MCAO模型仍是使用最广泛的卒中实验模型，光血栓模型使用532 nm激光激发孟加拉玫瑰红。体外OGD模型结合共培养研究细胞互作。啮齿类动物因遗传可操作性最常用，大型动物（猪、非人灵长类、绵羊）在影像和介入研究方面更具生理相关性。脑类器官等体外和离体平台可研究细胞应激和缺氧反应。分子影像（正电子发射断层扫描（PET）、磁共振成像（MRI））和组学技术用于非侵入性监测血管完整性和炎症。生物标志物发现利用基因组学、蛋白质组学、代谢组学和转录组学鉴定紧密连接蛋白、炎症因子和微小核糖核酸（microRNAs）。卒中风险分层工具如QRISK3、CHA₂DS₂-VASc和HAS-BLED评分不直接测量血管损伤，但生物标志物可增强风险区分度、理解出血风险、指导表型特异性治疗选择和实现纵向监测。

6 Gaps and future directions
现有局限包括物种差异、急性模型无法反映慢性血管功能障碍、实验方案变异影响可重复性、多数生物标志物缺乏临床验证。未来方向包括开发人源化精准模型（如患者来源脑血管类器官）、多标志物特征、整合多组学方法、影像与生物标志物联合验证、建立大规模联盟和生物库、前瞻性临床验证覆盖全谱脑血管病、实施反向转化策略，以及在临床队列中测试生活方式和营养干预。生物标志物应与临床风险工具结合，以识别生物学风险偏离临床预测概率的个体。

7 Conclusion
本综述将卒中定位为进行性神经血管功能障碍的临床终点，而非孤立的急性事件。内皮功能障碍是中心机制序列的起点，经氧化应激、血管病变重塑、兴奋性毒性神经元损伤和神经炎症放大而进展。这一框架解释了为何缺血性和出血性卒中虽始动事件不同，却共享血管功能受损、促栓激活、BBB破坏、基质降解、氧化毒性、免疫激活和继发性神经元死亡等汇聚机制。单一实验模型无法完全捕捉人类卒中的复杂性，需要分阶段、多模型策略整合机制性体外系统、生理相关动物模型、人源化类器官芯片平台、组学技术、影像端点和计算预测。当研究人员在考虑年龄、性别、血管共病和临床相关结局的模型中验证潜在生物标志物和治疗方法时，预防医学将得到加强。该研究推进了以预防为导向、以机制为基础的卒中研究模式，其中血管功能障碍既是致病原因，也是精准脑血管治疗中可量化、可调节的目标。