一、主要研究背景

偏頭痛是臨床常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，是全球范圍內(nèi)致殘的第二大疾病。偏頭痛的發(fā)病機制涉及遺傳因素和三叉神經(jīng)血管疼痛通路的激活。目前偏頭痛僅靠臨床表現(xiàn)定義，這推動了找尋偏頭痛特異性生物標志物以達到精準醫(yī)學(xué)目的的研究工作。遺傳學(xué)、誘發(fā)模型、生物化學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)的進展具有很大的前景，提高了我們對偏頭痛發(fā)病機制的理解。該文首先介紹了偏頭痛特異性生物標志物方面取得的進展；其次，討論如何使用不同體系生物標志物的整合數(shù)據(jù)來更準確地評估偏頭痛；最后強調(diào)目前生物標志物面臨的問題和挑戰(zhàn)，并對偏頭痛生物標志物的研究工作提出建議。

二、主要研究結(jié)果

1.偏頭痛的分類與特征

目前偏頭痛的診斷依據(jù)來自國際頭痛疾病分類第3 版 (International Classification of Headache Disorders,ICHD-3)的臨床標準。診斷主要根據(jù)病人病史，典型臨床特征為反復(fù)發(fā)作的單側(cè)頭痛，表現(xiàn)為搏動性、中重度疼痛，伴惡心嘔吐、畏光畏聲。盡管偏頭痛常表現(xiàn)為偏側(cè)疼痛，但約40%病人為雙側(cè)頭痛；因此，ICHD-3 定義了無先兆偏頭痛、有先兆偏頭痛和更罕見表型的臨床標準。偏頭痛病人體格檢查通常無陽性體征，且不存在頭痛的其他潛在原因，診斷過程很少需要神經(jīng)影像學(xué)檢查證據(jù)。

約1/3 的偏頭痛病人中會出現(xiàn)先兆癥狀，表現(xiàn)為短暫的、反復(fù)發(fā)作的局灶性神經(jīng)癥狀，持續(xù)時間為5～60 分鐘。視覺癥狀（如暗點或閃光）是最常見的先兆癥狀，發(fā)生在90%以上的先兆偏頭痛病人中。感覺癥狀（如感覺異常）和言語或語言障礙在先兆偏頭痛病人較為常見，通常與視覺先兆癥狀同時存在。雖然先兆期通常發(fā)生在頭痛發(fā)作之前，但一些數(shù)據(jù)表明先兆癥狀在頭痛期間或無頭痛時也頻繁發(fā)生。ICHD-3 中描述慢性偏頭痛為每個月頭痛發(fā)作超過15 天，其中每個月符合偏頭痛特點的頭痛發(fā)作至少8 天。

隨著偏頭痛越來越被認為是一種異質(zhì)性疾病，ICHD-3 制訂了疑似偏頭痛的臨床標準，這使得在早期臨床評估中可以進行診斷。

2.基因標志物

偏頭痛具有明顯的家族聚集性，提示其發(fā)病機制有遺傳因素參與。但目前沒有發(fā)現(xiàn)或明確相關(guān)基因靶點。基于雙胞胎和家族的研究表明偏頭痛是一種復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，特征可能產(chǎn)生于基因-基因和基因-環(huán)境的相互作用，但也存在其他未知因素。一項全基因組關(guān)聯(lián)薈萃分析確定了38 個影響偏頭痛的基因組位點，發(fā)現(xiàn)在血管和平滑肌細胞組織表達的基因多發(fā)生偏頭痛風(fēng)險。這一發(fā)現(xiàn)符合既往報道的偏頭痛合并缺血性卒中和冠心病的共同遺傳基礎(chǔ)。薈萃分析證實偏頭痛病人中心血管事件增加，分析染色質(zhì)數(shù)據(jù)也得到神經(jīng)元富集的證據(jù)的支持?；谶@些發(fā)現(xiàn)，未來的研究應(yīng)該分析盡可能多的組織和細胞類型。

偏頭痛基因?qū)W說也得到了遺傳學(xué)研究的支持。有學(xué)者分析1589 個偏頭痛家系并得出結(jié)論，多個基因與偏頭痛嚴重程度、發(fā)病年齡和先兆偏頭痛相關(guān)。其他有關(guān)偏頭痛家族史的研究可得出類似結(jié)果，因為家系中偏頭痛患病率的增加與發(fā)病年齡提前、先兆偏頭痛和用藥天數(shù)增加相關(guān)。

表觀遺傳學(xué)研究在偏頭痛發(fā)病機制中的研究也取得重大進展。一項全基因組關(guān)聯(lián)分析量化了偏頭痛的DNA 甲基化模式，并發(fā)現(xiàn)了62 個獨立的不同甲基化區(qū)域，但該研究未區(qū)分先兆偏頭痛和無先兆偏頭痛。表觀遺傳學(xué)在偏頭痛中的研究尚處于起步階段，因此需要進一步研究。

對病人遺傳學(xué)的分層研究推動了偏頭痛生物標記物研究的進展，并有助于識別先兆偏頭痛相關(guān)的罕見單基因遺傳病，包括家族性偏癱型偏頭痛、常染色體顯性遺傳性腦動脈病伴皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)腦病、視網(wǎng)膜血管病伴白質(zhì)腦病和多系統(tǒng)損害等?，F(xiàn)在正力求尋找更多基因作為其他罕見的偏頭痛單基因亞型的生物標志物，但目前在常見多基因亞型中確定致病基因仍較困難，且難以明確偏頭痛風(fēng)險增加的機制。

挑戰(zhàn)和未來展望：由于效應(yīng)量較小的遺傳變異與環(huán)境因素相結(jié)合，阻礙了偏頭痛常見亞型遺傳生物標志物的定位。因此，未來的研究很可能集中于探討臨床特征與遺傳生物標志物之間的關(guān)聯(lián)。此外，識別遺傳風(fēng)險因素有助于精準醫(yī)療的發(fā)展。2019 年發(fā)表的一項概念驗證研究發(fā)現(xiàn)了多基因負荷增加提高偏頭痛病人對曲坦類藥物反應(yīng)性，這項研究開啟了精準醫(yī)學(xué)時代遺傳學(xué)指導(dǎo)治療偏頭痛。目前需要大規(guī)模的前瞻性研究進一步探索藥物遺傳學(xué)的應(yīng)用潛力。遺傳研究目前已經(jīng)確定大約40 個獨立作用于偏頭痛生物學(xué)位點的基因。因此，對于偏頭痛的常見類型，每個已確定的風(fēng)險變異可能只產(chǎn)生有限的影響，這些風(fēng)險變異有助于理解偏頭痛發(fā)病機制的信號通路以及識別基于機制的藥物靶點。孟德爾隨機化研究是一種極具潛力的新方法，但要求遺傳變異與風(fēng)險因素穩(wěn)健關(guān)聯(lián)，且依賴于這樣的假設(shè)：遺傳變異不通過獨立于風(fēng)險因素的機制影響結(jié)果，也不影響可能混淆風(fēng)險因果關(guān)系的獨立因素。因此，在偏頭痛研究中出現(xiàn)孟德爾隨機化時應(yīng)謹慎解讀數(shù)據(jù)。

3.誘發(fā)標志物

偏頭痛的病理生理過程很復(fù)雜，多種信號通路參與，現(xiàn)已知偏頭痛的發(fā)作存在多種誘發(fā)因素，因此可以通過人類誘發(fā)模型來明確偏頭痛發(fā)病機制的信號通路。誘發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，僅偏頭痛病人會發(fā)生誘發(fā)性偏頭痛發(fā)作，而健康志愿者最多會發(fā)生輕度頭痛。原則上采用雙盲交叉設(shè)計，將偏頭痛病人或健康志愿者隨機分配接受假定的觸發(fā)因素或安慰劑，借助頭痛日記對偏頭痛發(fā)作進行記錄和比較。

1993 年，第一項偏頭痛誘發(fā)研究表明，偏頭痛病人在靜脈注射一氧化氮供體（三硝酸甘油酯）后所誘發(fā)的頭痛比健康志愿者更嚴重。此后，對各種潛在的觸發(fā)分子誘發(fā)偏頭痛的能力進行了檢測，包括降鈣素基因相關(guān)肽 (calcitonin gene-related peptide, CGRP)、垂體腺苷酸環(huán)化酶激活多肽 (pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide, PACAP)、三磷酸腺苷敏感性鉀 (adenosine triphosphate-sensitive potassium,KATP)通道激活劑和大電導(dǎo)鈣激活鉀 (large conductance calcium activated potassium channel, BKCa) 通道激活劑。

約60%的偏頭痛病人通過靜脈輸注CGRP 或PACAP 可誘發(fā)偏頭痛發(fā)作，給予硝酸甘油和磷酸二酯酶3 和5 抑制劑具有更高的誘發(fā)率(≥80%)。所有觸發(fā)分子均通過環(huán)磷酸腺苷 (cyclic adenosine monophosphate, cAMP) 或環(huán)磷酸鳥苷 (yclic guanosine monophosphate, cGMP) 的第二信使系統(tǒng)介導(dǎo)其細胞內(nèi)產(chǎn)生效應(yīng)。基于這些發(fā)現(xiàn)，認為cAMP 和cGMP信號的下游可能涉及離子通道的調(diào)節(jié)，主要是鉀離子通道。后續(xù)研究表明，給予偏頭痛病人KATP通道激活劑后其誘發(fā)率為100%，而給予BKCa 通道激活劑后病人的誘發(fā)率為95%。在17 例先兆偏頭痛病人中，有10 例(59%)使用KATP通道激活劑成功誘發(fā)先兆偏頭痛。

挑戰(zhàn)和未來前景：人類偏頭痛誘發(fā)模型有助于理解偏頭痛發(fā)病機制的信號通路，這些研究也為識別和開發(fā)特定觸發(fā)分子的靶向藥物做出了貢獻。最近（2018 至2020 年）批準的針對CGRP 或其受體的藥物，已被證明在預(yù)防和治療偏頭痛的急性發(fā)作有效，因此人類誘發(fā)研究可指導(dǎo)未來藥物開發(fā)。幾乎所有的偏頭痛病人中，KATP通道和BKCa 通道的激活會引起偏頭痛發(fā)作，因此應(yīng)重視KATP通道阻滯劑和BKCa 通道阻滯劑等潛在的藥物靶點。三硝酸甘油酯可誘導(dǎo)偏頭痛發(fā)作，且給予非選擇性一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS)抑制劑可緩解偏頭痛病人的頭痛癥狀，因此認為選擇性抑制NOS是偏頭痛的可能藥物靶點。然而，抑制誘導(dǎo)性NOS并不能阻止或預(yù)防偏頭痛發(fā)作。人類偏頭痛誘發(fā)模型也可以用于預(yù)測治療效果，如CGRP 信號通路阻斷劑的療效研究。但目前需要大規(guī)模的注冊研究來驗證偏頭痛病人靜脈輸注CGRP 后會誘發(fā)頭痛，而后給予CGRP 信號阻斷劑，如抗CGRP 或其受體的單克隆抗體可緩解頭痛。該研究能夠證實，發(fā)作的偏頭痛病人輸注CGRP 后比未發(fā)作病人從這類藥物治療中獲益更多。但該理論仍然是推測性的，尚需嚴格調(diào)查以明確人類誘發(fā)模型是否可以用來預(yù)測偏頭痛病人的治療反應(yīng)。

4.血清標志物

在過去的10 年中，偏頭痛的血清生物標志物研究引起了人們的關(guān)注，因為血清生物標志物有助于理解偏頭痛的分子機制。研究者致力于建立能夠預(yù)測和監(jiān)測病人治療效果的血清生物標志物，目前已經(jīng)調(diào)查了許多與偏頭痛發(fā)病機制相關(guān)的循環(huán)信號分子。本文主要討論CGRP 和PACAP 的血液生物標志物研究。

（1）發(fā)作期：1990 年，第一項研究探討了自發(fā)性偏頭痛發(fā)作時頸外靜脈CGRP 的血漿濃度，偏頭痛病人血漿CGRP 濃度與對照組相比升高。另一項研究報道，發(fā)作期血漿CGRP濃度在外周血中也升高。使用兩種不同方法評估頸外靜脈和外周血中CGRP血漿濃度的研究并沒有得到重現(xiàn)。關(guān)于PACAP 的發(fā)作性變化，2 項研究報道自發(fā)性偏頭痛發(fā)作時PACAP樣免疫反應(yīng)性升高。

（2）發(fā)作間期：現(xiàn)有數(shù)據(jù)矛盾，研究結(jié)果不一致。有2 項研究報道，與健康受試者相比，發(fā)作間期血漿CGRP 濃度升高。而另一項研究發(fā)現(xiàn)慢性偏頭痛病人、發(fā)作性偏頭痛病人和健康受試者之間血清CGRP 濃度沒有差異。2 項研究均未發(fā)現(xiàn)偏頭痛發(fā)作間期PACAP 升高。

（3）治療效果預(yù)測：2 項研究發(fā)現(xiàn)，與未報告治療獲益的偏頭痛病人相比，接受肉毒素A 預(yù)防性治療的偏頭痛病人CGRP 基線濃度較高。然而，這一發(fā)現(xiàn)并未在另一項研究中重現(xiàn)。因此，目前尚不清楚血液生物標志物是否能夠可靠地預(yù)測偏頭痛病人的治療效果。

挑戰(zhàn)與未來展望：偏頭痛血清生物標志物的研究尚處于起步階段，不一致的結(jié)果可能是由于方法學(xué)限制、樣本量小以及研究設(shè)計和檢測方法的差異，因此需要進一步研究以優(yōu)化數(shù)據(jù)的準確性和可重復(fù)性，目前還需要大樣本和對照研究。未來研究方向應(yīng)該考慮從單一生物標志物轉(zhuǎn)向多個生物標志物的組合，可顯示出組間分離的改善，并獲得可重復(fù)數(shù)據(jù)，用于驗證偏頭痛的血清生物標志物。

5.影像學(xué)標志物

在偏頭痛生物標志物的研究中，MRI 已用于識別偏頭痛病人結(jié)構(gòu)和功能的變化。在偏頭痛發(fā)作間期和發(fā)作期都已進行功能連接改變的研究。

（1）結(jié)構(gòu)成像：大量的MRI 研究對比了偏頭痛病人與健康對照者大腦結(jié)構(gòu)的差異以及有先兆和無先兆偏頭痛之間的差異。結(jié)構(gòu)成像的研究結(jié)果可以用來支持或補充那些難以根據(jù)臨床癥狀進行分類的偏頭痛病人。

偏頭痛病人腦白質(zhì)高信號已被廣泛研究，但研究結(jié)果相互矛盾。2013 年發(fā)表的一項基于人群的薈萃分析研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，白質(zhì)高信號與先兆偏頭痛有關(guān)，與無先兆偏頭痛無關(guān)。但直接比較先兆偏頭痛和無先兆偏頭痛時，在白質(zhì)高信號方面沒有差異。2016 年發(fā)表的一項基于人群的MRI 研究未發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)高信號與先兆偏頭痛之間的關(guān)聯(lián)。

其他MRI 研究評估了皮質(zhì)參數(shù)（如厚度、體積、表面積等）和白質(zhì)纖維束完整性的差異。一項基于人群的MRI 研究評估了先兆偏頭痛女性病人與無偏頭痛女性對照人群在皮質(zhì)厚度上的差異，發(fā)現(xiàn)偏頭痛組視覺區(qū)域?qū)?yīng)的皮質(zhì)較厚。此外，一項擴散張量成像研究發(fā)現(xiàn)上行（即三叉丘腦束或丘腦皮質(zhì)束）和下行（即中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)）疼痛調(diào)制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改變，這與一項多中心研究報道的丘腦改變相符合。一項概念驗證研究中，研究者使用皮質(zhì)分型法（即厚度、體積或表面積）來確定個體是否患有發(fā)作性偏頭痛、慢性偏頭痛。皮質(zhì)分型法可準確區(qū)分慢性偏頭痛和健康對照組，準確率達86.3%。一些研究在將偏頭痛病人與其他頭痛疾病病人，如緊張型頭痛和外傷性腦損傷引起的頭痛進行比較時，也發(fā)現(xiàn)了大腦結(jié)構(gòu)的差異。

（2）功能成像：功能磁共振成像 (functional magnetic resonance imaging, fMRI) 研究表明，偏頭痛與神經(jīng)功能連接的變化以及與疼痛處理區(qū)域和視覺系統(tǒng)相關(guān)的大腦回路刺激誘導(dǎo)激活有關(guān)。2019 年發(fā)表的一項正電子發(fā)射斷層掃描和MRI 聯(lián)合研究顯示，與健康對照組相比，先兆偏頭痛病人疼痛處理區(qū)域的神經(jīng)膠質(zhì)細胞激活。越來越多的fMRI 研究利用發(fā)作間期神經(jīng)功能連接數(shù)據(jù)來開發(fā)不同功能的影像學(xué)生物標志物，例如偏頭痛的診斷分類和偏頭痛發(fā)作頻率的預(yù)測。與結(jié)構(gòu)成像類似，這些功能成像生物標志物模型仍需多中心研究進一步完善和驗證。

在自發(fā)性和硝酸甘油誘導(dǎo)偏頭痛發(fā)作中，發(fā)作前期表現(xiàn)出下丘腦激活相關(guān)的臨床特征（如睡眠障礙、食物渴求等）。關(guān)于偏頭痛的先兆期，影像學(xué)研究顯示與皮質(zhì)擴散性抑制一致的功能變化。功能成像研究顯示，在自發(fā)性偏頭痛發(fā)作的頭痛階段，背側(cè)腦橋活動增加，這一發(fā)現(xiàn)也在硝酸甘油誘導(dǎo)的偏頭痛發(fā)作后重現(xiàn)?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明背側(cè)腦橋激活可能是偏頭痛頭痛階段的影像學(xué)生物標志物。先兆偏頭痛發(fā)作期間，腦橋和體感皮質(zhì)之間的功能連接也增加。

挑戰(zhàn)與未來展望：結(jié)構(gòu)和功能成像研究幫助理解偏頭痛的發(fā)病機制，并為基于成像的生物標志物開發(fā)奠定基礎(chǔ)。未來的研究應(yīng)著重于細化影像學(xué)生物標志物，提高其準確性，明確其敏感性和特異性，并最終驗證其臨床應(yīng)用。為此，應(yīng)施行成像學(xué)研究的標準化規(guī)范，以確保數(shù)據(jù)的高質(zhì)量采集并進行比較評估。為理解其他病理生理學(xué)機制，需要大規(guī)模的影像學(xué)研究來評估具有相同臨床特征的不同頭痛疾病之間的結(jié)構(gòu)和功能差異。未來影像學(xué)研究還應(yīng)探討成像技術(shù)是否可以用于預(yù)測治療效果。fMRI研究應(yīng)該由數(shù)據(jù)驅(qū)動分析并由獨立研究小組對結(jié)果進行驗證，可增加研究結(jié)果的準確性和重現(xiàn)可能性。此外，應(yīng)繼續(xù)鼓勵更多創(chuàng)新方法來發(fā)現(xiàn)偏頭痛的影像學(xué)生物標志物。

6.生物標志物體系的整合

生物標志物體系的整合可促進對偏頭痛機制的理解并確定新的生物標志物。一些研究試圖將生物標志物體系結(jié)合起來，建立戰(zhàn)略性跨學(xué)科研究。

遺傳和誘發(fā)標志物的組合已用于研究CGRP 在家族性偏頭痛病人中的作用。在已知離子通道突變的家族性偏頭痛病人和未知突變的家族性偏頭痛病人中，CGRP 并未誘發(fā)偏頭痛發(fā)作，這一結(jié)論與常見偏頭痛的研究結(jié)果相反。另一項誘發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，在無先兆偏頭痛病人中，高遺傳負荷（≥2 個偏頭痛一級親屬）與PACAP 輸注后偏頭痛誘發(fā)率之間沒有關(guān)聯(lián)。

另一種組合方式包括神經(jīng)成像和人類誘發(fā)模型。有三項研究使用磁共振血管成像 (magnetic resonance angiography, MRA) 記錄無先兆偏頭痛病人在偏頭痛發(fā)作后的血管變化。一項MRA 研究發(fā)現(xiàn)CGRP 誘導(dǎo)的偏頭痛發(fā)作伴隨大腦中動脈 (middle cerebral artery, MCA) 和腦膜中動脈 (middle meningeal artery, MMA) 的擴張，單側(cè)偏頭痛發(fā)作的病人MCA 和MMA 擴張僅限于患側(cè)。另一項MRA 研究中，使用磷酸二酯酶3 抑制劑誘導(dǎo)偏頭痛后記錄MCA 和MMA 的變化，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)發(fā)作與患側(cè)MMA擴張有關(guān)，但MCA 并無擴張。第三項研究發(fā)現(xiàn)PACAP 誘導(dǎo)的偏頭痛發(fā)作與MMA 擴張有關(guān)，而與MCA 擴張無關(guān)；未發(fā)現(xiàn)誘發(fā)性發(fā)作與疼痛部位之間的聯(lián)系。

神經(jīng)成像和誘發(fā)模型的結(jié)合，可用于觀察偏頭痛發(fā)作前和發(fā)作時的功能連接變化。在一項隨機、雙盲的靜息態(tài)fMRI 研究中，靜脈注射PACAP 后，所有被納入研究的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（感覺運動網(wǎng)絡(luò)、顯著網(wǎng)絡(luò)和固定模式網(wǎng)絡(luò)）均發(fā)現(xiàn)了異常的功能連接。靜脈注射血管活性腸肽（活性安慰劑）后，未發(fā)現(xiàn)功能連接的改變。這些被納入研究的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均涉及傷害性感受和情緒的加工過程。

綜上所述，生物標志物的研究已經(jīng)為我們理解偏頭痛的發(fā)病機制做出了重要貢獻。遺傳學(xué)、疾病誘發(fā)模型、生物化學(xué)和神經(jīng)成像研究的進步，顯示出生物標志物應(yīng)用于偏頭痛診斷、治療和藥物開發(fā)的巨大潛力。生物標志物的研究提高了我們對偏頭痛及其亞型生物學(xué)復(fù)雜性的理解。在此基礎(chǔ)上，未來的研究應(yīng)著眼于針對偏頭痛精準診療。