Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

DIFFUSE AXONAL BRAIN INJURY FROM A FORENSIC POSITIONS

Efimov A.A. 1 Savenkova E.N. 1 Alekseev Yu.D. 1 Raykova K.A. 1 Korotina O.S. 1 Korsak V.O. 1
1 Saratov State Medical University n.a. V.I. Razumovsky
Diffuse axonal injury (DAI) of the brain remains the subject of research from the positions of different specialties and does not lose its relevance as a variant of a severe form of traumatic brain injury. The problem of forensic diagnostics of DAI currently requires generalization and analysis of theoretical data for their practical application and development of an algorithm for diagnosing this complex pathology. The discrepancy between the severity of the victim's condition and morphological manifestations in the absence of standardized criteria for forensic verification dictates the need for further study of this issue. The review provides up-to-date information about the mechanism, pathomorphological and clinical picture, as well as existing methods of forensic diagnostics of DAI. The possibility of using various substances as indicators of brain damage (such as β-APP, S-100 protein, neuron-specific enolase, glial fibrillary acidic protein, alpha-II-spectrin, and cleaved tau protein) was analyzed. The presented research data indicates the need for a comprehensive application of various research methods (analysis of the clinical picture, morphological, histological changes and biomarkers) in cases with suspected DAI. This will increase the validity of forensic diagnostics of this pathology in cases of severe traumatic brain injuries.
diffuse axonal injury
traumatic brain injury
forensic expert assessment of dai.

Диффузное аксональное повреждение (ДАП) как отдельная группа тяжелой черепно-мозговой травмы (ЧМТ) на протяжении многих лет привлекает внимание исследователей разных клинических специальностей [1-3]. Причиной этому отчасти служит отсутствие специфических критериев диагностики данной патологии, лабораторных маркеров этого патологического процесса. Меняется и подход к оценке тяжести и диагностики ДАП, использование шкалы комы Глазго и компьютерной томографии головного мозга в последнее время получили широкое внедрение в клиническую практику [4-6]. Появились работы по созданию алгоритмов формирования общей картины повреждений вещества головного мозга при ДАП с использованием программного обеспечения и вычислительной техники [7; 8]. Ведутся поиски различных вариантов фармакотерапии этой тяжелой формы травматического повреждения вещества головного мозга [9-11]. Несоответствие скудных морфологических проявлений и тяжести клинического состояния осложняет использование этого вида ЧМТ в практике судебно-медицинского эксперта, несмотря на достаточно изученный механизм травмы, приводящий к разрыву аксонов [12]. Пациентам с субдуральными, эпидуральными гематомами и другими формами ЧМТ диагноз ДАП не выставляется, несмотря на возможное повреждение аксональных трактов в этих случаях.

В настоящее время значительное количество работ, посвященных поиску различных биомаркеров-индикаторовДАП,в большинстве своем выполнены на животных,поэтомуих результаты при экстраполяции для применения в клинической практике необходимо интерпретировать с осторожностью [13; 14].

Следует отметить, что основная масса публикаций зарубежных и отечественных научных работ по этой тематике приходится на конец XX – начало XXI века. Были изучены клинические проявления ДАП, механизм травмы, макро- и микроскопическая картина при разных степенях тяжести и на различных сроках после получения травмы, начались исследования биомаркеров, позволяющих диагностировать травму головы, в том числе и повреждения аксонов. В последнее десятилетие интенсивность исследований по проблеме ДАП существенно снизилась. Появляющиеся единичные, в основном зарубежные, публикации, посвященные выявлению маркеров – индикаторов повреждения белого вещества головного мозга, служат целям клинической диагностики ДАП.

Чаще всего ДАП встречается при дорожно-транспортных происшествиях [15]. Поэтому в разрезе судебно-медицинских экспертных исследований проблема ДАП остается не до конца решенной. И принципиальным является не диагностика ДАП как основной или единственной составляющей черепно-мозговой травмы в рамках вопроса о причине смерти, а необходимость верифицировать ДАП при травме головы с переломами черепа, внутричерепными гематомами, ушибами мозга. К сожалению, в экспертной практике при наличии указанных тяжелых ЧМТ этому вопросу уделяется недостаточное внимание, при том что решение этого вопроса позволит экспертам более детально раскрыть механизм повреждений мозгового вещества и конкретизировать условия и этапытравмирования, что часто является ключевым при производстве таких экспертиз.Условия образования ДАП при различных механизмах травмы головы, скудность морфологической картины повреждения мозговой ткани при выраженной тяжести клинического течения посттравматического периода практически с момента травмы определяют необходимость в проведении углубленного анализа сведений и взглядов на ДАП с судебно-медицинских позиций для выработки алгоритма постановки диагноза при данной патологии.

Цель исследования: провести анализ зарубежных и отечественных публикацийпо проблеме диагностики ДАП в контексте возможности комплексного использования различных методик и биомаркеровв судебно-медицинских экспертных целях.

Материал и методы исследования.При подготовке публикации авторы использовали интернет-ресурсы: научная электронная библиотека (elibrary), SciVerse (ScienceDirect), Scopus, PubMed, GoogleScholar, BioMedSearch и Discover. Поиск публикаций осуществлялся по ключевым словам: диффузное аксональное повреждение, механизм ДАП, клиника ДАП, патоморфологическая картина при ДАП, гистологическая картина при ДАП, биомаркеры ДАП, diffuseaxonalinjury, themechanismoftheDAI, theDAIsymptoms, pathomorphologicalchangesintheDAI, histologicalchangesintheDAI, theDAIbiomarkers.После подборки научных публикаций описательным методом проводили обобщение и анализ информации о механизмах возникновения, диагностических критериях, клинических формах, вариантах течения, морфологической картине и биомаркерах ДАП.

Результаты исследования и их обсуждение.Термин «диффузное аксональное повреждение» был предложен в 1982 годуJ.H.Adamsс соавт. [16]. Они же описали характерные изменения в головном мозге при ДАП в виде местных повреждений, расположенных в мозолистом теле и (или) в дорсолатеральных квадрантах ростральных отделов мозга, а также диффузные изменения аксонов.

Однако первые описания дегенерации белого вещества головного мозга появились еще в 1940-х годах. Пионером в исследовании и описании этой патологии былаSabinaStrich [17], которая в 1956 году подробно описала морфологическую картину ЧМТ погибших после длительного пребывания в посттравматическом вегетативном состоянии с грубыми неврологическими нарушениями. Макроскопические признаки ЧМТ отсутствовали (за исключением одного пострадавшего с переломом костей черепа), что не соответствовало тяжести состояния, однако в ходе гистологического исследования была выявлена диффузная дегенерация белого вещества головного мозга, причиной которойявилось первичное физическое повреждение аксонов в момент травмы. Свои выводы S.Strich основывала на теоретических и экспериментальных работах A. Holbourn [18] и R.Pudenz, C.Shelden [19].

A.Holbourn, используя желатиновую модель головного мозга, воспроизводил вращательные движения в различных плоскостях (сагиттальной, вертикальной, горизонтальной). Он пришел к выводу, что формирующиеся в результате ускорения вращения«сдвиговые деформации»являются ведущим фактором, который вызывает разрыв синапсов, нервных волокон и кровеносных сосудов головного мозга. Важную рольвозникновения этого феномена авторотводитнесжимаемостии низкой ригидности вещества головного мозга при высокой ригидности черепа.

R.Pudenz,C.Sheldenзаменяли у приматов часть костей черепа прозрачной пластинкой инаносили удары с помощью специального аппарата на основе сжатого воздуха. В ходе исследования было установлено, что в момент удара мозг совершает вращательные и скользящие движения, направление которых зависит от точкиприложения силы. Движения мозговых полушарий наблюдались преимущественно в сагиттальной плоскости. Было отмечено, что удары в лобно-затылочном направленииприводят к смещению мозговых структур в сагиттальной плоскости, а на перемещение мозга при травматическом воздействии существенно влияла подвижность головы. Максимальные изменения отмечались при нефиксированной голове.

В то же времяГ.А.Пашинянс соавторами в монографии «Патоморфология и экспертная оценка повреждений головного мозга при черепно-мозговой травме» [20] утверждали, что повреждение чаще всего затрагивает плоскости между тканями различной плотности (соединение серого и белого вещества) и центр вращения мозга (ростральный отдел ствола). Локализация повреждения аксонов в стволе объясняется, прежде всего, тем, что головной мозг не фиксирован, поэтому при травматическом воздействии происходит некоторое его смещение. В свою очередь спинной мозг фиксирован корешками, что делает его устойчивым при вращении. На границе головного и спинного мозга располагается ствол, и это объясняет его преимущественное повреждение.

T.Gennarelliс соавт. [21] установили, что движение головы во фронтальной плоскости чаще приводит к серьезным аксональным повреждениям, тогда как движение ее в сагиттальной плоскости приводит к мягкому, в крайнем случае умеренному повреждению аксонов.

Несмотря на то что все вышеуказанные исследователи говорили о мгновенном разрыве аксонов под воздействием травмы, более поздниеработыJ. Povlishockс соавт. [22], как с участием экспериментальных животных, так и с использованием данных, полученных при аутопсии потерпевших с ЧМТ, показали, что патогенез травматически индуцированного аксонального повреждения является более сложным, чем первоначально предполагалось. Во многих случаях наблюдался каскад интрааксональных изменений, приводящий к прогрессивному набуханию аксонов и последующему разрыву в период с 12 до 24 часов.D.Dolinak с соавт.[23] с помощью гистохимического и других гистологических методов выяснили, что в момент травмы аксоны не рассекаются. Растяжение аксона приводит к его функциональному повреждению, которое заключается в травме микротрубочек и структуры нейрофиламентов. Цепь химических реакций в функционально поврежденном аксоне приводит к его постепенному отеку и разъединению. В частности, увеличивается проницаемость аксолеммы, и приток кальция запускает кальций-зависимые протеазы. Этот процесс еще сильнее повреждает аксон, что приводит к накоплению аксонального содержимого в месте разрушения. Сначала это приводит к набуханию (аксональные утолщения), а затем к полному разъединению и формированию аксональных шаров.

Наибольшие предпосылки для реализации указанных механизмов имеются при высокоскоростных дорожно-транспортных происшествиях, что определяет значимость изучения ДАП для реконструкции событий при проведении судебно-медицинских экспертиз. Однако имеются данные, свидетельствующие об ином механизме получения данного повреждения: в результате падения с большой высоты; повреждения, полученные при разбойном нападении [24; 25]. C. Niessс соавт.[26] приводят случай повреждения аксонов в результате передозировки наркотическими препаратами, когда при вскрытии была диагностирована субдуральная гематома, при отсутствии переломов костей черепа. В этом случае, по мнению авторов,причиной повреждения аксонов явилась гипоксия при действии на дыхательный центр наркотических веществ. Хотя эти данные представляются весьма сомнительными, так как авторы не приводят сведения катамнеза, исключающие травму, однако исследования, опровергающие указанный механизм образования повреждений аксонов,отсутствуют.

M.J. Shkrum, D.A.Ramsay [27] считают нехарактерным обнаружение контактных повреждений при ДАП, но отмечают, что в некоторых случаяхвстречаются повреждения волосистой части головы, трещиныкостей черепа, субдуральные и субарахноидальные кровоизлияния или ушиб коры головного мозга. По мнению авторов, для ДАП более характерны очаговые кровоизлияния, расположенные в глубоких отделах белого вещества головного мозга (мозолистое тело, внутренняя капсула, верхние ножки мозжечка).При тяжелой степени ДАП взаимное движение между различными участками мозга приводит к разрыву аксонов вместе с мелкими кровеносными сосудами что, в свою очередь, ведет к множественным петехиальным кровоизлияниям в головном мозге, преимущественно локализующимся в белом веществе лобной доли. Это явление носит название «диффузный васкулярный ушиб», отражает тяжесть диффузной травмы мозга и имеет короткий период выживаемости (от нескольких минут до нескольких часов).

Изменение патоморфологической картиныв головном мозгев зависимости от срока, прошедшего после получения травмы, нашло отражение в работе П.О.Ромодановского [28]. Так, при смерти в течение первыхтрех суток отмечается набухание мозга, мелкоочаговые и очаговые кровоизлияния в мозолистом теле, базальных ядрах, семиовальном центре, реже в стволе. При смерти спустя 1 неделю после травмы появляются признаки давности геморрагий в глубинные отделы.Спустя месяц обнаруживаютсябурые кисты в области первичного повреждения белого вещества. А при сроке более 3 месяцев обнаруживаются признаки атрофии мозга, вентрикуломегалии, расширение субарахноидальных пространств.

Для гистологической верификации ДАП автор предлагает комплекс методов окраски, которыми следует пользоваться с учетом сроков посттравматического периода. Основными из них являются методики, позволяющие обнаружить изменения осевых цилиндров (импрегнация серебром по Бильшовскому или Глису), миелиновых оболочек (импрегнация осмием по Марки для выявления ранней демиелинизации, окраска по Шпильмейеру для обнаружения поздней демиелинизации).

N.Davceva с соавт.[29] выделяют два основных признака, на основании которых можно поставить диагноз ДАП. Первый - это наличие диффузного повреждения аксонов белого вещества, и второй - широкая распространенность данного повреждения таким образом, что хотя бы одна поврежденная область располагается выше и одна ниже Tentorium cerebelli, обращая особое внимание на аксональные тракты (мозолистое тело, внутренняя капсула).

Исследования, проведенные S.J.Peerless, N.B.Rewcastle [30], показали, что для ДАП характерным является обнаружение поврежденных аксонов – аксональных утолщений или аксональных шаров – при микроскопическом исследовании. Аксональные утолщения обусловлены удлинением аксонов без разрыва и характеризуются участками утолщения аксонов, разделенными истонченными участками. Аксональные шары (шары Марки, терминальные, ретрагированные шары) встречаются в ранние сроки, после травмы (впервые их можно увидеть в течение двух часов после травмы, а максимального развития они достигают спустя 4 часа). Механизм их возникновения авторы объясняютвытеканием аксоплазмы из обоих концов поврежденного участка нервного волокна при разрыве с формированием булавовидных утолщений. На дистальном сегменте аксональные шары регистрируются лишь в течение 5-7 дней, тогда как на проксимальном сегменте регулярно встречаются в течение многих месяцев и даже лет после травмы, в том случае, если тело клетки выживает. Однако,по мнению B.Kaur с соавт.[31], аксональные шары не являются строго специфичными для травматического генеза повреждения аксонов. Их появление возможно, например, при гипоксии и отсутствии травмы головы.

В работе Г.А. Пашиняна с соавт. [20] отмечается, что с 5-го дня после травмы определялись участки ранней дегенерации белого вещества в областях первичных повреждений. Со второй недели выявлялись выраженные дегенеративные изменения в зонах повреждений и начальные признаки вторичной посттравматической дегенерации с образованием зернистых шаров. При сроке более двух недель появлялись выраженные дегенеративные изменения нервной ткани как в зонах повреждения белого вещества, так и на отдалении. При сроке более месяца в зонах первичных повреждений определялась демиелинизация аксональных структур. При переживании травмы более 3 месяцев наблюдалась диффузная вторичная дегенерация нервной ткани, спинного мозга и в периферической нервной системе.

Помимо вышеуказанных, высокоинформативным методом диагностики (прижизненным и посмертным) является определение биомаркеров повреждения головного мозга. Исходя из анализа исследований, посвященных биомаркерам, проведенного L.Papa, G. Robinson[32], можно сделать вывод, что специфических маркеров ДАП до сих пор не найдено, а результаты многочисленных исследований противоречивы. Но, несмотря на это, исследователи утверждают, что простота использования, точная ранняя диагностика как прижизненно, так и посмертно диктует необходимость в продолжении исследований в отношении биомаркеров повреждения мозга.

X.H.Chen с соавт. [13] и A. Fratiс соавт. [33] предлагают «золотым стандартом» диагностики ДАП считать выявление β-APP белков. Предшественники бета-амилоида(amyloidprecursorprotein, АРР) - это трансмембранные белки, в больших количествах локализующиеся в синаптических мембранах.Их функция пока остается неизвестной. В результате их протеолиза образуются амилоид-β1–40 и амилоид-β1–42. После ЧМТ продукты протеолизаAPP и активированная капсаза-3, а также другие протеолитические ферменты обнаруживаются в аксонах и теле нейрона. Иммуногистохимическим (ИГХ) методом, с помощью антител к β-APP, идентифицируют пораженные аксоны уже через 2-3 часа после травмы. Они остаются видимыми при ИГХ-исследовании длительное время -до 6 месяцев. Следует отметить, что,по данным M. Lambriс соавт. [34] и R. Reichardс соавт.[35], имеются определенные морфологические закономерности распределения иммунореактивных аксонов, позволяющие на микроскопическом уровне отличить травматическое повреждение аксонов от других видов повреждения (гипоксия и т.д.).

J. Beaudeux с соавт. [36] описывает другой примербиомаркера повреждения мозга - белок S-100. Это кальций-связывающий белок, секретируемый преимущественно глиальными клетками. Структурное повреждение этих клеток вызывает утечку этого белка во внеклеточное пространство, затем в спинномозговую жидкость и его дальнейшее поступление в кровоток. Таким образом, повышение концентрации белка S-100 было предложено в качестве индекса повреждения ткани головного мозга.В настоящее времяобсуждается возможность синтеза данного белка другими тканями (например, адипоцитами) [14].

Были обнаружены предиктивные способности нейрон-специфической енолазы – внутриклеточного фермента центральной нервной системы, локализующегося в клетках нейроэктодермального происхождения. Это делает его высокоспецифичным маркером повреждения таких клеток. Однако чаще его используют в диагностике различных злокачественных новообразований [37].

E. Thelinс соавт.[38] обратили внимание, что изменение концентрации белка S-100 было лучшим предиктором травмы головного мозга по сравнению с изменением концентрации нейрон-специфической енолазы. Несмотря на это, оба биомаркера обладают предиктивной способностью независимо друг от друга; способности нейрон-специфической енолазы ограничены при наличии белка S-100, т.к. между ними имеется высокая зависимость. Более того, нейрон-специфическая енолаза в большей степени коррелирует с мультитравмой, однако эффект экстрацеребральной травмы, по-видимому, ограничен первыми 48 часами. Из вышесказанного можно сделать вывод, что хотя оба биомаркера независимо коррелируют с ЧМТ, белокS-100 является более точным предиктором травмы головного мозга и, возможно, более клинически полезным биомаркером, чем нейрон-специфическая енолаза.

В качестве биомаркера повреждения L.Papaс соавт. [39] в своих исследованиях рассматривают глиальный фибриллярный кислый протеин (GFAP). GFAP – это член семейства белков цитоскелета, промежуточный филамент в зрелых астроцитах. Появление его в сыворотке крови является предиктором поражения различных структур мозгового вещества. Помимо этого, стабильно высокий уровень GFAP в течение 2 дней после травмы значительно повышает риск летального исхода у пациентов.

Еще одним предиктором повреждения ткани мозга является альфа-II-спектрин. Альфа-II-спектрин – это компонент цитоскелета нейронов коры головного мозга, субстрат для кальций-активируемых цистеиновыхпротеиназ (калпаин, капсаза-3). Обнаруживается также в пресинаптических окончаниях или в субаксолемномкомпартменте аксонов. Протеиназы являются основными факторами, вызывающими некротические и апоптотические процессы в клетках при ишемии и травме головного мозга, соответственно. Они активируются после травмы и расщепляют спектрин, в результате в цереброспинальной жидкости и тканях мозга значительно повышается концентрация спектрина и продуктов его распада (SBDPs145 – производное калпаина, SBDPs120 – производное каспазы-3). Средняя концентрация SBDPs145 достигает своего пика рано (в течение 6часов после травмы) и снижается медленно (в течение 7 дней). SBDPs120 показывает устойчивый подъем, который сохраняется в течение как минимум 7 дней, тогда как пик концентрации приходится на 5-е сутки. На 2-3-е сутки после ЧМТ уровень альфа-II-спектрина достигает максимума [40; 41].

Рассматривается возможность применения расщепленного тау-белка (MAP-tau) в качестве биомаркера повреждения мозга.Он представляет собой фосфопротеин, ассоциированный с микротрубочками. Чаще всего встречается в нейронах ЦНС, локализуется в аксональном компартменте. В результате повреждения аксонов MAP-tau подвергается протеолизу и получает доступ к спинномозговой жидкости и сыворотке крови. В течение первых 24 часов уровень MAP-tau достигает своего пика, затем постепенно снижается в течение 7 суток [42].

Другие потенциальные биомаркеры при ЧМТ: убиквинтин С-терминальная гидролаза L1 (ubiquitin C-terminalhydrolase, UCH-1), воспалительные цитокины и др., изучены недостаточно и не являются диагностически значимыми.

Заключение

Таким образом, проведенный анализ публикаций результатов исследований ДАП показал отсутствие сформированного, научнообоснованного алгоритма применения клинико-морфологических критериев судебно-медицинской диагностики данной патологии в случаях тяжелой черепно-мозговой травмы. Это свидетельствует о необходимости проведения исследований для поиска комплексного решения данного вопроса с применением различныхметодов исследования (анализ клинической картины, морфологических, гистологических изменений и биомаркеров) в случаях с подозрением на ДАП в судебно-медицинской практике.