非編碼RNA在術后認知功能障礙發病中的研究進展

彭觀發 王力峰 鐘茂林 梁偉東 葉軍明

1贛南醫學院第一臨床醫學院/附屬醫院（江西贛州 341000）；2贛南醫學院（江西贛州 341000）

術后認知功能障礙（post operative cognitive dysfunction，POCD）是外科手術后常見的并發癥，主要表現為精神錯亂、焦慮、人格的改變以及記憶受損［1］。POCD 在老年人和有神經認知障礙的患者中較為常見，根據國際術后認知功能障礙研究小組（ISPOCD）的研究，老年患者術后7 d POCD 的發病率約為25.8%，術后3 個月內約為10%。POCD可能導致長期嚴重的認知缺陷，嚴重影響患者的生活質量，影響整體的發病率和死亡率，同時增加醫療費用，給患者和社會帶來沉重的醫療負擔。隨著我國老齡化社會的到來，越來越多的老年患者接受手術治療，POCD 的發病人數逐年增多，對我國醫療衛生系統造成的負擔也在相應地增加。POCD 的確切發病機制尚不清楚，目前還沒有確切有效的治療方法，因此，闡明POCD 的發病機制一直是圍術期醫學研究的熱點。

非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）是一類不具備蛋白編碼能力的RNA 分子，主要包括微小RNA（microRNA，miRNA）、長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）、環狀RNA（circular RNA，circRNA）。ncRNA 雖然不參與蛋白質的編碼過程，然而通過深入研究發現，ncRNA 可以通過調控基因表達程序來調節細胞功能［2-3］。ncRNA 通過它們的一級序列和結構元件與DNA、RNA 和蛋白質相互作用，從而調節細胞的各種生命過程，包括基因轉錄、RNA 代謝、mRNA 翻譯和蛋白質組裝［4］。研究發現，ncRNA 在細胞增殖、凋亡、自噬、分化、遷移和侵襲等關鍵過程的調控和執行中起著至關重要的作用［5-6］。近年來大量研究表明，ncRNA 參與了多種神經退行性疾病的發病過程［7］。越來越多的實驗結果表明，ncRNA 與POCD 的發病密切相關，ncRNA 參與了POCD 的發病過程。本文對ncRNA 在POCD 中的作用進行總結，以期為POCD的防治提供新的思路。

1 miRNA 在POCD 發病過程中的作用

1.1 miRNA概述 miRNA是一類由基因編碼的長度為21 ～24 nt 的非編碼小分子RNA［8］。miRNA能夠識別目標mRNA 的3′非翻譯區（3′UTR）中的互補序列，從而導致目標mRNA 的翻譯抑制或降解，進而實現對目標基因的表達調控［9］。通過對靶mRNA 的作用，miRNA 在調節神經系統發育、神經細胞分化、突觸可塑性等過程中發揮重要作用［10］。中樞神經炎癥、氧化應激、細胞凋亡被認為是導致POCD 的主要原因，近年來研究發現miRNA 參與了這些過程的調控［11-12］。對miRNA 進行深入研究將有助于進一步理解POCD 發病機制和研發新的治療藥物。

1.2 miRNA 參與中樞神經炎癥 中樞神經炎癥水平的增加是導致POCD 的主要原因。研究［13］發現，miR-181b-5p 在POCD 小鼠海馬中的表達下調，向POCD 小鼠海馬內注射miR-181b-5p 的模擬物可以有效減輕中樞神經炎癥水平，提高其在恐懼箱中的凍結時間，通過雙熒光素酶報告實驗檢測發現，miRNA-181b-5p 可直接靶向TNF-α mRNA 的3′UTR。由此可知，miR-181b-5p 通過抑制炎癥因子TNF-α 的表達，調控中樞炎癥水平，進而改善POCD。miRNA 不僅直接調控炎癥因子的表達，也參與調控炎癥相關的信號通路。TLR4/NF-κB 通路是經典的促炎信號通路，活化的轉錄調節因子核因子-κB（NF-κB）可從細胞質進入到細胞核中并促進炎癥因子白細胞介素-1β（IL-1β）、白細胞介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）基因的轉錄和表達，增加中樞神經炎癥水平。最新的研究［14］發現，miRNA-129 可以直接靶向Toll 樣受體4（TLR4）進而抑制NF-κB 通路，降低炎癥因子IL-1β和IL-6 的mRNA 和蛋白表達，并且提高POCD 大鼠在水迷宮中穿越平臺的次數和降低逃逸潛伏期，改善七氟烷誘導的大鼠認知功能障礙，提示靶向miRNA-129 可能是改善認知功能的潛在靶點。以上研究表明，miRNA 參與了中樞神經炎癥的調控過程，靶向miRNA 可能是治療POCD 的新靶點。

1.3 miRNA 參與細胞凋亡 近年來研究發現海馬區神經元的凋亡是導致POCD 的重要原因之一。有研究指出，麻醉和（或）手術誘發抗凋亡蛋白B 細胞淋巴瘤-2（Bcl-2）和促凋亡蛋白Bcl-2 相關X 蛋白（Bax）的比例失衡并促使細胞色素C（cytc-c）從線粒體釋放到胞漿中，導致凋亡小體的形成和半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）的激活，并最終導致細胞凋亡［15］。單絲氨酸蛋白激酶1（LIMK1）是抑制絲切蛋白（Cofilin）介導的細胞凋亡的關鍵蛋白［16］。ZHANG 等［17］研究發現，miR-106a 可以與LIMK1 的3′UTR 結合，海馬內注射miR-106a 的抑制劑可提高POCD小鼠LIMK1和Bcl-2的水平，降低Bax 和caspase-3 的表達水平，并增加POCD 小鼠在水迷宮測試中目標象限的停留時間。由此可知，miR-106a 通過直接調控細胞凋亡過程中的關鍵蛋白LIMK1 在異氟醚麻醉誘導的認知障礙中起重要作用。miRNA 不僅可以直接調控細胞凋亡，也可以通過調控炎癥信號通路間接調控細胞凋亡。ZHAO 等［18］研究發現，七氟醚處理可抑制小鼠海馬神經元中miR-124 的表達；過表達miR-124 可以提高Bcl-2 的表達水平，降低Bax 和caspase-3 的表達水平，抑制細胞凋亡水平。進一步研究發現，miR-124 通過靶向鈣蛋白酶小亞基1（Capn4）和NF-κB 信號通路來發揮神經保護作用，提示miR-124 可能通過抑制炎癥信號通路進而抑制七氟烷誘導的小鼠認知功能障礙。由此可知，miRNA 通過調控細胞凋亡在POCD 的發病過程中起重要作用。

1.4 miRNA 參與氧化應激 POCD 的發生發展與氧化應激損傷密切相關。機體在受到手術創傷后會產生大量的活性氧（ROS），這些ROS 可作用于線粒體膜磷脂發生過氧化反應，致使呼吸鏈復合體功能失調；同時ROS 還可攻擊體內的蛋白質、DNA，進而導致神經細胞的凋亡［19］。丙二醛（MDA）是脂質氧化終產物，反映機體脂質過氧化的程度，標志著氧化應激水平的高低，而超氧化物歧化酶（SOD）是抵御線粒體過度產生ROS 及MDA 等產物所造成損害的第一道防線，是清除自由基的關鍵酶［20］。近年來研究發現，miRNA 通過調控參與氧化應激反應的基因在神經退行性疾病的發病過程中起著重要作用［21-22］。MAO 等［23］研究發現，在POCD 患者的血液樣本中發現miR-146 表達下調，對POCD 小鼠給予miR-146 模擬物后，海馬組織中ROS、MDA 含量降低并且SOD 活性升高；而敲低miR-146 的表達水平發現海馬組織中ROS、MDA含量升高并且SOD 活性降低，說明miR-146 可以抑制氧化應激損傷，給予外源性益生菌后可以提高POCD 小鼠miR-146 的水平，降低氧化應激水平，進而改善POCD 小鼠的認知功能障礙，提示miR-146 可能是改善POCD 的潛在治療靶點。

2 lncRNA 在POCD 發病過程中的作用

2.1 lncRNA 概述 lncRNA 是一類從基因組區域轉錄而來長度大于200 nt的非蛋白編碼RNA分子。lncRNA 起初被認為只是作為轉錄“噪音”存在，現發現lncRNA 在表觀遺傳調控、基因轉錄、蛋白翻譯、RNA 代謝調控等多種細胞活動過程中發揮重要調節作用［24-25］。近年來研發發現，lncRNA在大腦中有很高的表達并在腦發育、神經分化和維持、突觸可塑性、認知功能和記憶等方面發揮重要作用［26］。最近的研究表明，IncRNA 還參與了POCD 的發病過程，靶向IncRNA 有望成為治療POCD 的新靶點。

2.2 lncRNA 參與中樞神經炎癥 中樞神經炎癥是導致POCD 的重要原因，lncRNA 參與了中樞神經炎癥的調控過程。七氟烷可誘導海馬區炎癥水平的升高，是誘導POCD 動物模型的麻醉劑之一［27］。ZHU 等［28］研究發現，七氟醚干預的原代海馬神經元中lncRNA Gm5106 的表達增加，而沉默lncRNA Gm5106 可降低炎癥因子IL-6、IL-10 和TNF-α 的水平，說明lncRNA Gm5106 參與了七氟醚誘導的原代海馬神經元炎癥反應。進一步研究發現，lncRNA Gm5106 是miR-27b-3p 的直接靶點，而miR-27b-3p 可抑制炎癥反應，因此lncRNA Gm5106通過靶向抗炎分子進而促進炎癥水平的升高。WEI 等［29］研究發現，lncRNA NONMMUT055714 在POCD 小鼠模型中表達下調。在體外實驗發現，抑制NONMMUT055714 的表達后原代海馬神經元中炎癥因子（TNF-α，IL-1β，IL-6）的水平顯著升高；向小鼠海馬區注射NONMMUT055714 過表達慢病毒后可以降低小鼠在水迷宮實驗中找到平臺的潛伏期時間，并增加目標象限停留時間的百分比，由此可知，NONMMUT055714 的過表達對POCD 小鼠的認知障礙有保護作用，其機制與調控中樞炎癥有關。由以上研究可知，lncRNA 廣泛參與了中樞炎癥反應，在POCD 的發病過程中起重要作用。

2.3 lncRNA 參與細胞凋亡 與認知功能相關的神經元的凋亡是引起POCD 的直接原因。研究［30］發現，經七氟醚處理后的7日齡大鼠海馬組織中神經細胞的凋亡增加，并且高表達lncRNA MALAT1；lncRNA MALAT1 的下調則減輕了大鼠的病理改變，抑制了神經細胞的凋亡，說明lncRNA MALAT1參與了七氟烷誘導的細胞凋亡。通過進一步實驗發現，lncRNA MALAT1 的下調降低了caspase-3 和Bax 的水平，增加了Bcl-2、腦源性神經營養因子（BDNF）和神經生長因子（NGF）的水平，并且增加了大鼠海馬神經元的密度，提示lncRNA MALAT1可通過調控Bcl-2 與Bax 進而影響細胞凋亡過程。另一項研究［31］發現，lncRNA Rian 在七氟醚麻醉誘導小鼠認知功能障礙的過程中起重要作用。過表達lncRNA Rian 可改善七氟醚誘導的神經元損傷和凋亡。進一步研究發現，lncRNA Rian 與miR-143-3p 結合，通過負調控miR-143-3p，降低LIMK1的表達，減輕七氟醚麻醉后神經元的損傷，提示lncRNA Rian 可能是抑制凋亡的潛在靶點。小膠質細胞的激活是POCD 的病理特征之一，活化的小膠質細胞會對神經元造成損傷并誘導神經元的凋亡［32］。最近的研究［33］發現，lncRNA LOC102546895在POCD大鼠中表達下降；過表達lncRNA LOC102546895后可抑制小膠質細胞增殖并促進其凋亡，提示lncRNA LOC102546895 可通過調控小膠質細胞的活化來抑制手術創傷誘導的神經元凋亡，進而發揮神經保護作用。由以上研究可知，lncRNA廣泛參與了神經元細胞的凋亡過程。

2.4 lncRNA 參與氧化應激 氧化應激損傷會破壞細胞結構，引起細胞死亡，在中樞神經系統疾病的發病過程中起重要作用。BDNF 是內源性神經保護因子之一，在維持細胞氧化還原穩態、防止脂質和蛋白質的氧化損傷等方面起到重要作用，能代表氧化應激的初始反應［34］。研究［35］發現，lncRNA HOTAIR 在七氟醚麻醉后大鼠海馬中表達升高且BDNF 的表達降低；給予si-HOTAIR 抑制其表達后BDNF 的表達升高，并且改善了七氟醚誘導的大鼠認知功能障礙，說明lncRNA HOTAIR 通過抑制BDNF 的表達增加細胞氧化應激水平，進而介導了七氟醚誘導的大鼠認知功能障礙。由以上研究可知，lncRNA 參與了氧化應激反應的調控過程，在POCD 的發病過程中起了重要作用。

3 circRNA 在POCD 發病過程中的作用

3.1 circRNA 概述 circRNA 是一類特殊的非編碼RNA 分子，最早于1976年在植物類病毒中發現［36］。隨著RNA 測序技術的進步和生物信息學的發展，circRNA 已成為RNA 領域的研究熱點。與傳統的線性RNA 分子不同，circRNA 不具有5′-3′極性，也不含有5′末端帽結構和3′末端poly（A）尾結構，以共價鍵連接形成封閉的環狀結構。circRNA 雖然不編碼蛋白質，但卻能與miRNA 和蛋白質相互作用，在調控細胞基因的轉錄、翻譯和表達等方面轉起著關鍵作用［37］。近年來研究發現，circRNA 可能通過影響血管生成、神經元可塑性、自噬、凋亡和炎癥等機制來調節多種疾病的發生發展，包括腦腫瘤生長，以及急慢性神經退行性疾病［38］。由于其特殊的結構，circRNA 具有穩定、豐富、保守、組織特異等特點，有望成為臨床診斷、治療和預后的新的分子標志物。進一步了解circRNA 的功能及其與其他類型ncRNA 的相互作用和轉錄/翻譯機制，將有助于尋找治療POCD 的新靶點。

3.2 circRNA 參與POCD 的發病過程 CAO 等［39］研究發現，右美托咪啶（Dex）對POCD 有治療作用，RNA測序結果顯示，circRNA-Shank 3 在POCD 組與Dex組之間高度差異表達。通過生物信息學分析發現，CIRC-Shank 3 的靶基因可顯著富集到p53 信號通路和NF-κB 信號通路，提示circRNA-Shank 3可能通過調節P53 和NF-κB 信號通路參與了Dex改善POCD 的過程。目前，POCD 的診斷主要依靠評分量表，這具有較大的主觀性，尋找特異的分子標志物一直是POCD 研究的熱點。與miRNA 和lncRNA 相比，circRNA 由于其特殊的結構不易被核糖核酸酶快速降解，具有較長的半衰期，是POCD診斷較為理想的分子標志物。WU 等［40］用微陣列檢測發現，與對照組相比，在POCD 海馬組織中circRNA 28795、circRNA 44122、circRNA 22058、circRNA 44559 和circRNA 22673 的表達差異顯著。以上結果提示，circRNA 在小鼠海馬中表達異常，可能與老年小鼠POCD 的發生有關，circRNA 有可能是POCD 的特異分子標志物。circRNA 不僅在POCD 的動物模型上有差異表達，近年來發現在臨床POCD 患者中也有差異表達。WANG 等［41］用微陣列技術檢測發現，冠狀動脈旁路移植術后POCD患者的9 種circRNA水平高于正常人，6 種circRNA 水平低于對照組。RT-qPCR 結果顯示，與對照組相比，POCD 患者中circRNA 089763 表達顯著增加，提示circRNA-089763 可能是一種新的生物標志物。綜上所述，circRNA 在POCD 的發生和發展過程中具有特殊的調節作用，并有望成為新的臨床診斷標志物，并為POCD 的治療提供新的思路。

4 小結

POCD 是外科手術后常見的并發癥，嚴重影響患者的生活質量和預后，如何降低POCD 的發生率一直是近年來研究的熱點。然后，POCD 的發病機制復雜，確切發病機制尚未完全闡明，目前也無有效的防治藥物與方法。首先，POCD 的臨床診斷缺乏客觀的評價指標，目前主要使用評分量表來評價患者的術后情況，具有一定的主觀性。其次，POCD 動物模型的建立目前尚無統一的方法，有學者主張單純使用麻醉藥物誘導POCD 模型；而有的學者則主張麻醉藥物聯合手術創傷來建立POCD模型。POCD 的動物模型眾多，研究結果在不同動物模型之間的一致性和重復性差異較大。第三，目前主要通過POCD 的嚙齒類動物模型來研究ncRNA 在POCD 中的作用，而人類的中樞神經系統的復雜程度遠遠高于嚙齒類動物的，如何將基礎研究成果在臨床上轉化仍是目前面臨的重大挑戰。因此，未來的研究要進一步深入探索ncRNA在POCD 發病中的作用，并將基礎研究成果向臨床應用上轉化。隨著對ncRNA 在POCD 發病機制中作用的深入理解，基于ncRNA 的有效干預將有望成為預防、診斷和治療POCD 的可行方法。