川芎嗪在脊髓损伤动物模型中的疗效与神经保护作用：一项系统评价、Meta分析与探索性机器学习研究

《Frontiers in Pharmacology》：Efficacy and neuroprotective effects of tetramethylpyrazine in animal models of spinal cord injury: a systematic review, meta-analysis, and exploratory machine-learning study

背景：脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）是一种严重的神经系统疾病，以持续性运动功能障碍和复杂的继发性损伤过程为特征。川芎嗪（tetramethylpyrazine, TMP）在实验性SCI中显示出潜在的神经保护作用；然而，其总体疗效及与治疗效果相关的因素仍不明确。本研究系统评估了TMP在动物SCI模型中的疗效，并利用机器学习方法探索了潜在与疗效相关的实验因素。 方法：研究人员检索了PubMed、Embase、Web of Science、CNKI、万方和维普数据库中关于TMP治疗SCI的对照动物研究。采用随机效应模型计算Hedges‘ g及相应的95%置信区间。在数据充足的情况下，进行了亚组分析、敏感性分析和小型研究效应评估。采用结合SHAP分析的探索性XGBoost模型评估可能与BBB效应量相关的研究层面特征。通过重复20次的10折交叉验证评估模型性能，并使用1，000次自助重抽样评估特征重要性稳定性。 结果：共纳入42项动物研究。与对照组相比，TMP显著改善了运动功能恢复，从损伤后第1天到第28天，BBB评分的改善逐渐增大。TMP在大多数评估时间点也改善了斜板试验表现。生化分析表明，TMP通过降低丙二醛水平、提高超氧化物歧化酶活性来减轻氧化应激。TMP治疗还与多种促炎细胞因子浓度降低及凋亡相关结局改善有关。重复10折交叉验证显示预测性能较差（中位R2 = -0.314）。Bootstrap分析相对一致地将损伤节段和性别列为最重要的特征；然而，这些发现被解读为探索性和假设生成性的，而非经过验证的预测因子。 结论：现有的临床前证据表明，TMP可促进SCI动物模型的运动功能恢复，并发挥抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。探索性机器学习分析未展示出可靠的预测性能，观察到的特征重要性模式应被视为假设生成性的。未来需要进行更标准化的动物实验和设计良好的转化研究。 系统评价注册：https://www.crd.york.ac.uk/PROSPERO/view/CRD420261459838，标识号CRD420261459838。

1 引言

脊髓损伤（SCI）是一种破坏性的神经系统疾病，导致持续的运动、感觉和自主神经功能障碍，给患者、家庭及医疗系统带来沉重负担。2019年全球约有2060万人患有SCI，当年新增近90万例。创伤性SCI主要由跌倒、交通事故、暴力和运动损伤引起，但流行病学模式因地区和经济状况而异。尽管急救、手术减压、脊柱稳定和康复有所改进，但SCI后的神经功能恢复仍然有限，尚无可靠的治疗方法能完全恢复受损的脊髓功能。SCI的病理演变包括初始机械损伤和随后的复杂继发性损伤级联反应。原发性损伤直接破坏神经元、轴突、胶质细胞和脊髓微血管，而继发性损伤由神经炎症、氧化应激、兴奋性毒性、线粒体功能障碍、血脊髓屏障破坏及多种形式的调节性细胞死亡驱动。损伤后的免疫反应尤为复杂，活化的小胶质细胞、浸润的巨噬细胞、淋巴细胞和炎症介质可能根据其表型和时间阶段发挥有害或修复作用。此外，SCI后的铁积累和脂质过氧化可诱导铁死亡，导致进行性神经组织损失和功能损害。能够同时调节炎症、氧化应激、血管功能障碍和细胞死亡的治疗药物可能在限制继发性SCI方面具有优势。川芎嗪（TMP），又称四甲基吡嗪，是中药川芎的主要生物活性生物碱。药理学证据表明，TMP具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、血管保护和改善微循环的特性，并能调节线粒体稳态和多种细胞内信号通路。在实验性SCI中，TMP已被报道可改善运动功能和减轻神经组织损伤。然而，TMP的疗效及其报告效应的幅度在不同实验研究中差异很大。既往的一项系统评价和Meta分析提供了初步汇总证据，表明TMP可改善大鼠SCI模型的神经和运动结局。但传统的亚组分析通常分别检查有限数量的预设调节变量，可能无法充分识别多个实验变量之间的非线性关系或交互作用。机器学习（ML）提供了一种补充方法来探索结构化临床前数据集中的多维和潜在非线性关系。本研究旨在全面评估TMP对动物SCI模型中运动功能恢复及继发性损伤相关结局的影响，并通过整合传统证据合成与探索性ML特征排序，更新和扩展既往证据，阐明TMP潜在的神经保护机制，并为未来动物实验标准化及TMP用于SCI的转化开发提供基础。

2 方法

本系统评价和Meta分析按照PRISMA 2020声明进行，方案已在PROSPERO前瞻性注册（CRD420261459838）。检索策略涵盖PubMed、Embase、Web of Science、CNKI、万方和维普数据库，时间从建库至2026年8月。纳入标准为对照体内动物研究，需建立实验性SCI模型，以TMP为主要干预措施，对照组接受安慰剂等处理，并报告至少一项预设的功能、氧化应激、炎症、凋亡或其他相关病理结局。排除标准包括临床研究、体外实验、综述类文献等。两名研究者独立筛选文献并提取数据，提取信息包括动物特征、SCI建模方法、TMP给药方案及报告结局。主要结局为BBB运动功能评分，次要结局包括斜板试验、氧化应激指标、炎症介质、凋亡相关指标等。使用SYRCLE偏倚风险评估工具进行质量评估。统计分析采用Stata SE 18.0，连续结局以Hedges’ g合并，使用随机效应模型。异质性通过Q检验和I²统计量评估。探索性机器学习分析使用XGBoost回归模型，结合SHAP解释，评估研究层面特征与BBB效应量的关联，通过重复10折交叉验证和Bootstrap重抽样评估模型性能和特征重要性稳定性。

3 结果

通过数据库检索共获得545条记录，最终纳入42项动物研究。多数研究使用Sprague-Dawley大鼠，挫伤或重物坠落伤是最常见的SCI模型，腹腔注射是TMP的主要给药途径。偏倚风险评估显示主要的方法学局限在于分配隐藏、随机饲养和盲法报告不足。BBB评分结果显示，TMP治疗组在所有评估时间点的BBB评分均显著高于对照组，效应量从第1天的0.30增加到第28天的4.43。基于原始均值差的敏感性分析结果一致。亚组分析提示剂量和治疗方案可能与疗效差异有关，但均为探索性发现。斜板试验结果在大部分时间点显示TMP有显著改善。氧化应激指标方面，TMP显著降低了丙二醛（MDA）水平并提高了超氧化物歧化酶（SOD）活性。炎症指标方面，肿瘤坏死因子-α（TNF-α）在多个时间点显著降低，白细胞介素-1β（IL-1β）仅在14天显著降低，白细胞介素-6（IL-6）在28天显著降低，白细胞介素-10（IL-10）呈升高趋势但不显著。凋亡相关指标方面，TMP显著降低了Bax表达和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（caspase-3）水平，提高了Bcl-2表达，TUNEL阳性率在3天显著降低。敏感性分析显示主要BBB结果较为稳健，但后期时间点存在明显的小型研究效应。探索性机器学习分析显示模型预测性能较差（中位R² = -0.314），Bootstrap分析中损伤节段和性别被相对一致地列为重要特征，但这些发现仅为探索性和假设生成性的。

4 讨论

本系统评价综合了42项动物研究的证据。汇总结果表明，TMP可显著改善SCI后1至28天的BBB运动功能评分，并在大部分时间点改善斜板试验表现。TMP还降低了MDA水平、增加了SOD活性、调节了多种炎症介质并影响了凋亡相关指标，提示TMP可能通过涉及氧化应激、神经炎症和程序性细胞死亡的多种生物学过程促进SCI后的神经功能恢复。BBB评分的改善在早期较小，随后逐渐增大，这可能表明TMP的有益效应更多与减轻继发性损伤和促进组织恢复相关，而非逆转原发性机械损伤。探索性亚组分析提示剂量和给药方案可能与BBB恢复差异有关，但尚不能确立剂量-反应关系或证实重复给药的优越性。氧化应激可能是TMP治疗较为一致的生物学通路之一，MDA降低和SOD升高的发现在敏感性分析中保持稳健。炎症指标的发现更具变异性，TNF-α的降低相对一致，但其他炎症介质的改变并不均匀。凋亡相关证据仍属初步。探索性机器学习分析确认当前数据集不足以开发可靠的BBB效应量预测模型，损伤节段和性别的特征重要性模式应视为假设生成性的。偏倚风险评估揭示了多项影响证据确定性和转化相关性的问题，包括分配隐藏、随机饲养和盲法报告不足。此外，本研究存在诸多局限性，如显著的异质性、部分次要结局研究数量少、后期时间点的发表偏倚、效应量计算方法可能导致极大估计值、动物模型与临床人群的差异以及机器学习分析基于有限的研究层面观测数据等。