美国得克萨斯大学医学分校麻醉科的Deborah R. Boone等使用微阵列技术、创新途径分析和基因本体富集分析探讨TBI大鼠在伤后的急性（24小时）、亚急性（2周）和慢性期（1、2、3、6和12个月）海马和大脑皮质的基因表达情况，结果发表在2019年4月的《PLoS One》杂志上。
——摘自文章章节
【Ref: Boone DR, et al. PLoS One. 2019 Apr 3;14(4):e0214741. doi: 10.1371/journal.pone.0214741. eCollection 2019.】
研究背景
目前对慢性创伤性脑损伤（TBI）的机制认识有限，因此尚无针对TBI后神经组织长期退化的治疗方法。美国得克萨斯大学医学分校麻醉科的Deborah R. Boone等使用微阵列技术（microarray）、创新途径分析（Ingenuity pathway analysis，IPA）和基因本体富集分析（Gene Ontology enrichment analysis）探讨TBI大鼠在伤后的急性（24小时）、亚急性（2周）和慢性期（1、2、3、6和12个月）海马和大脑皮质的基因表达情况，结果发表在2019年4月的《PLoS One》杂志上。
研究方法
该研究选取84只成年雄性SD大鼠，体重为250-300g；分为TBI组、假性损伤组和正常组（后两组为对照组）。采用液压冲击模型造成TBI。在伤后24小时、2周以及1、2、3、6和12个月时间点，分别对3组大鼠的海马和大脑皮质基因表达进行IPA、基因富集分析和Qlucore组学检测（Qlucore Omics Explorer，QOE）软件分析。
研究结果
结果发现，TBI后6个月海马区的基因表达（GE）谱接近于TBI后2周的GE谱，TBI后不同时间大脑皮质的GE谱基本相似。大多数TBI引起的基因改变发生在伤后24小时至两周内，但一些基因或相关基因的细胞信号通路失调可长达12个月。颞叶海马和大脑皮质的表达谱有所不同。主成分分析表明，在损伤后的各时间段和一年内，TBI大鼠与对照组有明显区别。假性损伤组与TBI组在伤后一年的海马和大脑皮质的基因表达差异中，有三个主成分可分别注释假性损伤组和TBI组大鼠GE谱的98%和96%的差异。生物信息学分析显示，假性损伤组与TBI组大鼠基因表达的主要区别与免疫反应、突触功能和蛋白质稳定有关，所有带注释的基因对正常的脑功能至关重要。
采用实时荧光定量PCR（qPCR）验证微阵列分析显示，海马和大脑皮质的基因表达趋势分别有95.6%和87%可以通过qPCR证实，表明微阵列结果确实可以反映TBI诱导的生物学差异。
TBI大鼠海马和大脑皮质与炎症、免疫反应、神经性疼痛、细胞死亡和凋亡等的信号通路失调有关。海马和大脑皮质受损通路有重叠，但也有差异。TBI后海马和大脑皮质表达显著的基因中，与免疫功能相关的基因占主导优势。在急性、亚急性和慢性损伤的时间点内，多种免疫反应和炎症细胞信号通路明显失调。
TBI后24小时内海马明显失调的基因富集在免疫功能的相关通路中，包括神经炎症信号通路、调节免疫反应的NFAT、急性期反应信号通路、Toll样受体（TLR）信号通路和免疫系统信号通路。在大脑皮质中，NF-κB信号通路失调比TLR信号通路更为突出。
TBI后2周，海马和大脑皮质的IPA分析显示，免疫系统中的基因仍强烈活化。在大脑皮质内，许多免疫调节基因的表达上调；而在TBI后24小时的大脑皮质内无显著表达。免疫反应既有有利成分也有有害成分，因此推测延缓的基因改变可能是协同保护反应的一部分。
白细胞持续外渗可影响预后。损伤后2周白细胞的相关基因，如Cd44、Itgb2、Ncf1和Rap1b的表达上调表明损伤后免疫细胞持续活化。生物信息学分析显示，海马和大脑皮质在TBI后2周内上调的多个免疫相关基因均与白细胞功能有关。例如，Rap1b在免疫功能、血管生成和内皮通透性中发挥重要作用，提示TBI可以引起再生反应。
TBI后1个月，海马和大脑皮质内与炎症和免疫功能有关的几个基因仍然显著上调。TBI后2个月，基因表达仍上调，但在TBI组和对照组之间无显著差异。TBI后3个月，典型的细胞信号通路的显著激活或抑制已较少。值得注意的是，免疫通路中失调的基因，特别是C2和C3，在多个时间点上持续上调；同时，急性期反应信号通路和白细胞外渗信号通路仍然活跃。同样，一些促生存基因在慢性损伤的不同时间点均表达上调，例如Bcl-3和SPP1。
TBI后6个月，免疫系统、急性期反应信号和IL-6信号基因仍然失调。免疫级联的核心成分，即C2和C3，在海马体内继续上调。IL-1β和IL-6细胞因子信号通路基因表达也上调。TBI后1年，与免疫功能直接相关通路没有明显改变。但参与免疫细胞信号传导的基因发生变化，如白细胞介素家族的camp介导信号传导、轴突制导信号和神经元素信号以及神经递质相关通路的多巴胺受体（DR）、Drd1和Drd2。TBI后1年，许多发生改变的基因参与神经稳态和大脑的基本功能。TBI后1年，神经递质相关通路和轴突导向信号表达存在差异，揭示TBI后大脑长期处于再生和恢复过程。
IPA调节效应分析显示，先前预测的海马在TBI后24小时变化的上游基因都是在细胞功能和疾病中发挥重要作用的关键枢纽基因。许多被TBI显著改变的基因，如Atf3，也是中枢基因或基本细胞功能的转录调控因子。采用下游效应工具预测上游分子的生物学影响时，发现这些基因有影响神经元死亡、机体死亡、细胞增殖和存活的作用，提示早期的再生反应；这种再生反应表现在TBI后1年轴突引导基因的表达上。随着损伤后时间的延长，其它已知的保护基因，如Creb5、NgfR和Stat3的表达增加。
结论
作者认为，与先天免疫反应相关的通路基因和信号通路在TBI后数周至数月处于失调状态。生物信息学分析表明，免疫介质的失调，其中许多关键的中枢基因失调，将破坏多种细胞信号通路，而这些通路对平衡脑的功能至关重要。该研究结果揭示，TBI的治疗窗口是在脑损伤后的最初几周至几个月内，比之前认为的要宽得多。
