膿毒癥相關性腦病發病機制的研究進展

白洪梅(綜述)，楊秀芬(審校)

(河北醫科大學第一醫院重癥醫學一科，河北 石家莊 050031)

膿毒癥是全球重癥監護室的常見危重病，發病率及病死率圴較高，給社會及家庭帶來了沉重的醫療負擔。據統計，全世界每年膿毒癥患病人數近3 000萬，發病率呈不斷上升趨勢，其病死率遠超1/4，存活的患者中有近300萬存在不同程度的認知功能障礙[1-2]。膿毒癥是宿主對感染反應失調導致的威脅生命的器官功能障礙[3]，是一種全身性失調的炎癥反應，對各個器官系統都有深遠的影響，其中，中樞神經系統是常見受累部位。在無直接中樞神經系統感染和其他可能腦功能障礙原因的情況下，感染引起的彌漫性腦功能障礙被稱為膿毒癥相關性腦病(sepsis associated encephalopathy，SAE)[4]。有研究表明，高達70%的膿毒癥患者發生了SAE，且經常是在疾病早期其他器官受累之前就已經發生[5-6]，臨床表現為從輕度譫妄至重度昏迷甚至死亡等不同程度的腦功能紊亂，隨后還可能會遺留長期的認知、記憶下降等神經損害[7]。并因此造成總住院時間延長、傷殘率及病死率升高，嚴重影響了預后，給患者家庭和衛生保健系統帶來了巨大的經濟負擔[8]。盡管SAE的發病率如此之高、社會影響如此之大，但其確切的病理生理機制至今尚不完全清楚。目前普遍認可的幾大機制是：神經炎癥、細胞應激、血腦屏障破壞、血流調節異常、代謝紊亂。現本文就SAE發病機制的研究進展予以綜述。

1 神經炎癥

1.1細胞因子作用于中樞 創傷、感染等因素導致膿毒癥患者體內炎癥反應失調，炎癥系統被過度激活，大量的炎癥介質釋放，形成細胞因子風暴作用于中樞神經細胞，由此引起譫妄等異常精神心理表現可能在SAE的發病機制中扮演著重要的角色。在病原體入侵后，機體啟動炎癥反應，抗原提呈細胞通過模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)識別病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)。PAMPs和PRRs之間的相互作用激活了促炎通路，促進腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)、白細胞介素(interleukin,IL)-1和IL-6等膿毒癥早期炎癥因子和晚期促炎介質如高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)的表達[9]。已有研究證實，促炎細胞因子在腦中的表達增加[10]，特別是在海馬、下丘腦、自主神經核中，其增加與SAE患者的神經毒性反應相關，或直接作用，或通過氧化應激作用[11]。該炎癥信號向大腦傳遞主要通過迷走神經和腦室周圍器官(circumventricular organs，CVO)這2條途徑，因迷走神經大部分傳入纖維終止于孤束核，孤束核與其他自主神經和下丘腦室旁核存在廣泛聯系，遂此過程又涉及邊緣系統、下丘腦-垂體軸、藍斑-去甲腎上腺素能系統[12]。一方面，細胞因子可通過自主神經將炎癥信號傳遞到延髓自主核。另一方面，炎癥介質可通過血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)受損區域及缺乏BBB的CVO被動進入大腦,并在下丘腦核、海馬體、杏仁核和腦干的自主神經核等更深的大腦區域進展，進而通過下丘腦核附近的血管和藍斑的相關受體介導的內吞作用穿過BBB。如IL-1可通過刺激迷走神經影響腦干、邊緣系統和下丘腦，引發食欲不振、情緒變化和認知障礙等病理行為；TNF-α通過影響色氨酸代謝，降低 5-羥色胺水平，進而導致抑郁癥發生；IL-1、IL-6和TNF等細胞因子可激活大腦內皮細胞或小膠質細胞合成前列腺素E2，激活視前核引起發熱，并通過下丘腦-垂體-腎上腺軸增加皮質醇的產生，造成患者的情感障礙；同時，IL-1、TNF或HMGB1直接激活或損傷神經元后激活小膠質細胞和星形膠質細胞，還可以進一步產生促炎因子，放大腦內的炎癥反應，導致該過程的惡性循環[13-14]。已有動物實驗研究指出，降低炎癥細胞因子的水平，可改善膿毒癥后小鼠的認知功能及空間學習記憶[15]。但相關具體機制有待進一步研究。

1.2補體級聯反應的參與 補體級聯反應一直被認為在炎癥疾病中發揮著關鍵作用。當病原體入侵機體后，補體系統在一定程度上幫助機體對抗感染、清除炎癥介質。雖然在膿毒癥期間補體的激活在某種程度上是有益的，但被發現其過度激活將導致促炎因子及活性氧的產生、細胞凋亡、免疫反應崩潰、凝血系統惡化、血腦屏障破壞甚至多器官衰竭等不利影響[16]。已有研究發現，補體級聯反應的激活與膿毒癥患者的致命結局相關。而補體激活在大腦眾多炎癥、退行性疾病、急性和慢性疾病中也得到證實。其中補體C3、C5可能與膿毒癥相關性譫妄相關。補體級聯激活導致關鍵蛋白C3和C5的裂解，C3上調導致血腦屏障破壞和神經膠質細胞的激活，誘導TNF、IL-1、IL-6、IL-18的釋放和水通道蛋白4的高表達，加劇神經炎癥及腦水腫[17]。C3裂解形成C3a和C3b，導致C5a的產生，C3b、C5b啟動膜攻擊復合物的組裝，可導致細胞凋亡。過敏毒素C5a是血腦屏障功能障礙和神經炎癥的關鍵中介物，已有動物實驗研究表明，阻斷C3、C5a可以降低室旁核和杏仁核的神經元活化、逆轉血腦屏障的功能障礙，恢復膿毒癥腦的免疫和內分泌穩態，使膿毒癥小鼠僅表現為輕微的炎癥反應、細胞凋亡及腦水腫[18-19]，這也提示了補體系統在SAE發病機制中起到一定作用。

2 細胞應激

2.1氧化應激 氧化應激在膿毒癥發生發展中發揮著不可忽視的作用，并且發生在膿毒癥病程早期，是造成免疫細胞功能失衡和失調的重要因素。其所造成的氧化損傷可能參與膿毒癥發展過程中中樞神經系統癥狀的發展，甚至是SAE。在膿毒癥初始階段的全身炎癥反應中產生的大量活性氧與氮物質，啟動腦血管與腦實質中的脂質過氧化，在腦內進一步產生自由基，招募炎癥介質，引起局灶性炎癥，損害大腦的氧化代謝，誘導某些區域的神經元凋亡，從而導致認知功能缺損等SAE的癥狀。此外，過氧化氫還參與調節與全身炎癥免疫激活相關的途徑，促進TNF、IL-6和IL-1等促炎因子的分泌，加重炎癥過程[20]。基于此機制的提出，Xie等[21]通過動物實驗研究證實，抗氧化應激物質的激活可阻斷巨噬細胞的炎癥信號，減少膿毒癥炎性反應，減輕腦損傷，進一步從側面證實氧化應激過程在SAE發生中的關鍵作用。此外，SAE時由于過氧化物與抗氧化系統的嚴重失衡所導致的氧化應激損傷與腦功能障礙，持續存在于膿毒癥整個過程，并可能在痊愈后持續存在，因而也被認為是膿毒癥后長期神經損害的機制之一。

2.2線粒體功能障礙 線粒體是能量供應場所，為機體代謝提供ATP，還有調節細胞內鈣離子、活性氧的產生、細胞自噬等功能。線粒體功能障礙在膿毒癥腦病中通過多種機制發生，包括線粒體融合/分裂比失衡以及線粒體轉運異常相關的線粒體結構改變、電子傳遞呼吸鏈阻斷、軸突功能受損等[22]。線粒體一旦受損，機體各組織器官尤其是中樞神經系統氧利用能力下降，加重缺氧性損傷，促進氧化應激、代謝紊亂和細胞凋亡。Hiengrach等[23]通過動物實驗證實，線粒體解偶聯劑BAM15可通過抑制脂多糖誘導的線粒體損傷、減弱大腦巨噬細胞炎癥反應，從而改善神經元功能，并因此被提議作為膿毒癥尤其是SAE的輔助治療方法。近年來尚有學者利用線粒體移植技術調節小膠質細胞的表型轉化，抑制促炎因子的分泌，改善了膿毒癥小鼠的認知障礙[15]。提示線粒體功能障礙在SAE的發病機制中起著重要作用，可能是SAE的潛在治療靶點。

2.3細胞凋亡與焦亡 細胞凋亡是細胞在一定的生理或病理條件下，受多種基因精準調控的主動、程序化的死亡過程，是機體重要的自穩調節機制；細胞焦亡是炎癥性程序性細胞死亡，由微生物感染和內源性損傷相關信號誘導，依賴天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase-1、4、5、11 )切割 Gasdermin D(GSDMD)活性 N -末端片段(GSDMD-NT)，在細胞質膜中形成裂孔、釋放促炎因子(IL-1β、IL-18)，是宿主抵抗病原體感染的天然免疫防御機制。越來越多的研究表明，細胞凋亡、焦亡與膿毒癥息息相關。尤其在血腦屏障受損部位比正常腦組織中發生更多的神經元凋亡[24]，在該過程中，線粒體Bax調控基因和線粒體細胞色素C起著重要作用。Xu等[25]在膿毒癥小鼠模型中證實caspase-1抑制劑抑制GSDMD及GSDMD-NT能減少大腦細胞凋亡，同時也減少膿毒癥小鼠血清和腦組織中IL-1β和TNF-α的表達，從而減少小膠質細胞的活化、減輕血腦屏障的破壞，改善膿毒癥小鼠的認知功能，對SAE小鼠產生腦保護作用。

2.4小膠質細胞活化與星形膠質細胞增生 小膠質細胞是中樞神經系統中高度特化的巨噬細胞樣免疫細胞群，可介導神經保護和神經毒性作用，負責維持中樞神經系統的穩態。中樞神經系統受損后，小膠質細胞活化迅速增殖、表型極化并遷移到受損部位，分泌IL-1β、TNF-α等大量促炎因子[26]，破壞BBB，這進一步增強了小膠質細胞的激活，造成惡性循環，最終加劇神經元損傷。Zhao等[27]發現，出現學習記憶障礙的膿毒癥小鼠的海馬區存在小膠質細胞過度激活，其機制可能與核因子κB信號通路相關。Wang等[28]與其研究結果一致，并進一步通過抑制小膠質細胞活化過程改善了SAE小鼠認知障礙。

星形膠質細胞是中樞神經系統的關鍵穩態細胞，具有廣泛的功能，包括離子穩態和神經遞質代謝、液體平衡、神經元的產生、突觸連接與可塑性的維持等，同時，星形膠質細胞是形成BBB的實質部分，因與神經元和其他膠質細胞聯系密切而成為中樞神經系統的主要守護者，控制BBB的通透性并調節小膠質細胞的活化[29]。SAE時炎癥因子浸潤腦實質導致微膿腫形成，細菌和內毒素激活星形膠質細胞，可形成致密保護網阻止炎癥擴散，但同時也可能出現反應性星形膠質細胞水腫、增生、變性，功能喪失，導致病灶周圍實質水腫，加劇神經毒性[30]。Mithaiwala等[31]證實，星形膠質細胞功能失調是許多中樞神經系統疾病的共同證據，并強調了星形膠質細胞中一些靶向過程，為SAE潛在治療藥物的開發提供了思路。

3 BBB功能障礙

BBB是由腦血管內皮細胞、周細胞、星形膠質細胞和周圍小膠質細胞通過緊密連接形成的腦實質與腦循環之間具有高度選擇性的界面，參與大腦血流的調節，為大腦提供必要的營養物質，并可有效限制有害物質侵入中樞神經系統，維持大腦微環境的穩態。膿毒癥期間IL-1β和TNF-α等炎癥因子通過干擾緊密連接和內皮細胞的通透性使BBB受損，出現水通道蛋白4調控的水運紊亂，導致血管周圍水腫，破壞星形膠質細胞足端，大腦攝取芳香族氨基酸增加[5]，進而出現精神狀態的改變。該過程與膠質細胞激活、內皮細胞功能障礙、鞘脂代謝和線粒體功能障礙密切相關，并形成BBB功能障礙與神經元損傷相結合的惡性循環[20]，這可能是SAE的重要機制之一。Chen等[32]在構建的SAE活體大鼠模型中證實，轉錄調節因子Maf1通過顯著減弱IL-1β、IL-18、炎癥小體NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)的釋放及緊密連接蛋白的破壞，保護了BBB的完整性，并最終改善了認知障礙。因此，了解膿毒癥期間BBB完整性破壞的機制對于SAE的診斷及治療策略的實施至關重要。

4 血流調節異常

腦血流異常是SAE發展過程中的一個重要因素。一方面，膿毒癥休克時心排出量下降可導致腦組織血流灌注不足，一氧化氮相關的腦動脈自身調節失調也會導致腦灌注減少；另一方面，BBB受損所致的血管周圍組織水腫造成的血管壓迫也將在一定程度減少腦灌注。膿毒癥患者的血管內皮存在不同程度的損傷，機體促凝因子與抗凝因子失衡，發生多微血栓、小血管阻塞，甚至彌散性血管內凝血，造成微循環障礙，最終導致神經元缺氧和凋亡[33]。臨床研究證實，膿毒癥患者的大腦自我調節發生改變，血流和新陳代謝失去耦合，腦血管對CO2的反應紊亂，因而加劇腦組織缺氧及器官損害，發生譫妄等一系列神經精神癥狀[34]。

5 代謝紊亂

膿毒癥期間BBB功能受損導致通透性增加，使得炎癥細胞因子、代謝產物、毒物、神經活性物質等轉運出現異常，導致大腦代謝紊亂，并可能在SAE的發病機制中起作用。其中血清和大腦氨基酸及神經遞質的變化尤為顯著，這種變化又與腸道菌群紊亂、腸腦軸調節異常相關[35]。例如，色氨酸是大腦內環境穩定的關鍵氨基酸，穿透BBB后被分解代謝為5-羥色胺，可作為一種重要的神經遞質參與調節神經心理過程。支鏈氨基酸與芳香族氨基酸比例失調也參與SAE的發病過程，即膿毒癥時大腦攝取芳香族氨基酸過多，造成假性神經遞質增多、神經遞質紊亂，抑制中樞神經系統去甲腎上腺素途徑，引發嗜睡甚至昏迷等神經精神癥狀。膽堿能途徑失調也與SAE的發病有關。膿毒癥時，迷走神經可將炎癥信號傳遞至中樞神經，并刺激迷走神經末梢釋放乙酰膽堿來參與調控炎癥反應。SAE小鼠海馬區的乙酰膽堿受體表達降低，迷走神經膽堿能抗炎通路受抑制，致使炎癥反應失控，最終導致神經功能障礙[36]。

6 結 語

SAE是膿毒癥患者中的一種危重情況，患者病死率高、預后差，即便有幸存活也常伴有認知障礙，嚴重影響著膿毒癥患者的長期健康，已成為公共衛生日益沉重的負擔。上述有關SAE的各種機制平行參與、相互影響，共同導致了SAE的發生與發展。但對于其詳細機制至今尚未完全闡明，且因缺乏特異性診斷方法，該疾病漏診率極高。因此，探索SAE的潛在發病機制，進而尋找敏感度和特異度更高的診斷相關生物標志物，甚至找出SAE發病的關鍵靶點，實施特異性阻斷，并幫助制定預防策略，可能是后續相關研究中最值得探索的目標和最有研究價值的方向，對于改善SAE的臨床診斷及治療現狀意義重大。