围术期神经认知障碍的炎症病因学研究进展

庄国栋，陈艳艳，高 明

(吉林大学中日联谊医院 麻醉科，吉林 长春130033)

围术期神经认知障碍(PND) 以认知能力、记忆力、语言及社交能力的损伤为主要特点，会严重影响患者生活质量，造成住院周期延长，病死率的增加，同时增加了痴呆的风险和死亡率。PND在麻醉及手术中的出现被逐渐重视，包括了曾经术后谵妄(POD)和术后认知功能障碍(POCD)等概念在内的所有围手术期认知功能改变，在高龄、患有循环系统疾病、患有糖尿病、有家族遗传史及受教育程度较低等危险因素的基础上，麻醉及手术所引起的二次打击将促进PND的发生[1]。研究者们认为认知障碍与麻醉及手术有密切关系，并认为PND主要与神经突触功能受损、氧化应激、β淀粉样蛋白(Aβ) 异常积聚及神经炎症有关[2]。本文总结了近年来PND的相关研究进展，对其相关发病机制及影响其产生的因素进行综述，为今后的麻醉临床工作中防治PND的发生提供理论依据。

1 麻醉与PND

麻醉与PND的关系密不可分，多项实验证明标准剂量的常规麻醉药可能会造成长期的学习和记忆障碍，这与大脑中的Tau过磷酸化、caspase-3激活和β淀粉样蛋白沉积有关。麻醉引起的应激可激活炎症信号通路，促使炎症因子释放，并使其穿越血脑屏障 (BBB)并激活脑内小胶质细胞，促使神经细胞加速凋亡和海马神经细胞突触产生功能障碍，此神经毒性可能是导致认知障碍发生的原因。专家们认为海马与认知的关系密切，其突触超微结构可被挥发性吸入麻醉药所破坏，这可能是挥发性麻醉药造成PND的原因。有人认为，老年患者使用某些全麻药物(如吸入麻醉药)可能会加重淀粉样多肽寡聚和沉积，从而增加发生PND的风险。如七氟烷和地氟烷能够增加β淀粉样蛋白和蛋白寡聚化程度[3]。异氟烷则可以通过促进β淀粉样蛋白前体蛋白切割酶活性导致β淀粉样蛋白沉积[4]。因此可以认为挥发性麻醉药能够通过增加β淀粉样蛋白的形成来导致围术期认知障碍。静脉麻醉药同样可以增加PND发生的风险，如依托咪酯可作用于海马区非椎体细胞的α5-GABAA受体而影响记忆功能[5]；丙泊酚能够通过增加磷酸化的轴突微管相关蛋白Tau的含量，而Tau的磷酸化与神经细胞死亡息息相关，进而影响认知功能，增加PND的发生几率[6]。除了全身麻醉药物可能对围术期认知功能有所影响，麻醉深度同样与PND的产生有关。在日常的临床麻醉工作中，最常被用来监测麻醉深度的指标是脑电双频指数(BIS)。Chan[7]表明BIS引导下的高龄全膝关节置换术患者在高BIS值麻醉加神经阻滞完全镇痛可以降低早期PND的发生率。通常认为，维持数值约在40-60范围内的BIS值之间可以避免麻醉过深的发生，麻醉药物的使用剂量减少，从而减少PND的发生，加速麻醉后的恢复。有专家认为全身麻醉较局部麻醉更易出现围术期认知障碍，但也有人认为全身麻醉或局部麻醉的选择与PND是否发生的关联性小[8]。Mason[9]等人认为，全麻与局部麻醉或联合麻醉对POD的发生没有显著差异，但发现全麻与POCD率的增加有轻微关联。最新研究表明，肠道菌群同样可以调控中枢神经功能，存在于血浆中各类细胞的Toll样受体(TLR)可被肠道中的脂多糖(LPS)所激活，诱导促炎细胞因子释放进而导致认知障碍[10]。麻醉过程可促使或加剧肠道菌群紊乱，使毒性较大的革兰氏阴性肠菌所占比例增加[11]。麻醉后肠道内大肠杆菌比例升高可促进产生与脑内Aβ三级结构相似的肠源性Aβ蛋白，引发交叉免疫反应。Aβ蛋白在神经细胞内外沉积，可导致胶质细胞的改变，引发中枢神经系统细胞突触功能障碍，甚至导致细胞死亡，造成认知障碍的发生[12]。

2 神经系统炎症与PND的关系

2.1 炎性标志物

Stenvall M等[13]证实PND的发生可能与中枢炎症反应有关。麻醉、应激、感染、创伤及肠道菌群紊乱都可以促使外周炎症介质的释放，进而跨越受损的BBB，进入到中枢神经系统中，引起中枢炎症反应。早期炎症可以帮助身体对抗外部损伤，但过度活跃的炎症反应可能会破坏免疫平衡，进而发展为全身炎症反应综合征[14]。当这种严重的全身炎症被引发时，大脑的炎症反应同样会被引发,促使神经毒性反应的发生,使神经系统功能受影响,进而导致认知围术期功能障碍的发生。临床研究表明，PND 患者血液样本中IL-1β、高迁移率族蛋白B-1、S100钙结合蛋白β的浓度在术后较长时间内仍处于较高水平，证明PND 患者存在长期性炎症以及BBB的破坏。大量研究表明，麻醉及手术应激均会引起内皮细胞及吞噬细胞释放炎性标志物，例如白细胞介素-1(IL-1)以及肿瘤坏死因子-α(TNF-α )，继而引发中枢神经系统炎症级联。其中IL-1对海马神经元有较强的直接作用，能引起膜电位的过度激发和不可逆的损失，使神经元功能发生障碍，并有可能造成神经元的死亡。同时，当前的研究表明调控凋亡相关蛋白caspase-3可受TNF-α的调控而被表达，从而激活细胞凋亡的级联反应，诱导内皮细胞凋亡，并最终导致PND的发生[15]。IL-6被认为是与人类执行功能障碍抑郁症关联最强的炎症因子[16]，其水平通常随IL-1和TNF-α含量的升高而升高。多项动物实验表明，手术后实验动物海马内IL-6表达显著升高，并伴随着术后记忆功能减退。S-100B是一种低分子量钙结合蛋白，在脑组织中含量丰富，在促进细胞凋亡、诱导细胞分化及协助基因表达的过程中有重要作用。当麻醉药的神经毒性或其他原因损伤到中枢神经系统细胞时，脑组织细胞液中的S-100B会因此进入脑脊液，随后经过受损的BBB进入血液，导致S-100B在血清中的含量增加，并由此可以通过检测血清S-100B水平判断神经系统的损伤程度。高迁移率族蛋白1(HMGB1)是一种在进化上高度保守的蛋白，被认为广泛分布于诸如脑、肝、肺、心、脾及淋巴等组织内。大量研究证实，HMGB1在许多炎性疾病的发病机制中至关重要。当细胞死亡时，其中的HMGB1会被释放到细胞外环境中，并成为一种强大的炎症介质[17]。细胞外HMGB1与其他炎症分子如IL-1b和LPS等形成复合物，并通过HMGB1受体RAGE进入内吞溶酶体系统，使溶酶体膜的稳定性下降、易于破坏。而溶酶体膜稳定性的下降会导致溶酶体的泄漏，释放出细胞质受体TLR与HMGB1接触，发生正反馈调节，此外，LPS和核酸需要HMGB1才能表达完全毒性[18]，这些均加重了神经系统炎症并提高了PND的发生几率。麻醉及手术应激都会引起海马体中HMGB1表达的升高,进而导致神经炎症和PND的产生。因此阻断过量的细胞外HMGB1，特别是二硫键亚型，可能对PND的治疗有很大参考意义[19]。除了上述炎症因子，C反应蛋白(CRP)会在炎症、感染和组织损伤中的急性反应期升高，尽管CRP的升高缺乏特异性，但同样是炎症反应的标志。同时，目前有多项研究显示高CRP水平与围术期认知功能障碍之间存在关联。

2.2 PND的中枢机制

BBB的存在可以稳定脑内的内环境，保障中枢神经系统能够正常进行各项机能活动，同还能保护中枢神经系统不受外来异常物质的侵袭。BBB能够精准的调节包括炎症因子在内的各种物质向中枢神经系统的转运。当机体因麻醉或手术创伤导致外周炎性细胞因子升高，增加存在于脑血管中的基质金属蛋白酶9(MMP9) 的活性，并可以使BBB 紧密连接成分的表达降低，使BBB 的通透性增加，破坏BBB的完整性，导致神经炎症的发生，提高PND的发生几率[20]。损伤相关分子模式(DAMP)和模式识别受体(PRRs)会因为麻醉药物的神经毒性或者手术创伤而相互结合。由此产生的免疫反应,能够使单核细胞因为NF-κB依赖信号通路而加速合成和释放TNF -α,从而破坏BBB。胆碱能抗炎通路(CAP)与神经炎症和认知障碍方面的重要关联已被广泛研究。一项动物研究表明老年小鼠持续的认知能力下降和炎症反应与CAP功能障碍有关，可以通过服用抗抑郁药物得到逆转[21]。该实验认为趋化因子MCP-1通过被破坏的BBB吸引表达ccr2的骨髓巨噬细胞(BM-DM)进入海马，活化的巨噬细胞释放促炎细胞因子并破坏与学习记忆密切相关的神经元，最终导致认知功能障碍。中枢神经系统炎症引起的γ-氨基丁酸(GABA)能和谷氨酸能之间的传递显著失衡和突触丧失，会引发突触丧失而导致PND[22]。脑源性神经营养因子(BDNF)受体分布于大脑皮质中，因此脑内炎症反应可明显影响其含量。Netto等[23]的一项老年大鼠的研究显示，手术组氧化应激导致BDNF浓度降低，诱导了认知障碍的发生。当前研究表明小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞等胶质细胞可参与免疫应答反应，维持BBB的完整性，以及营养支持神经元并影响突触功能，因此胶质细胞在PND 的发病中有举足轻重的地位[24]。

3 PND的防治

PND时间跨度较长，涵盖术前、术中及术后，因此对于PND要做到术前和术中的预防和术后的治疗。当前研究显示，高龄、酒精过量、长期认知障碍以及脑萎缩和痴呆症与PND关联密切。因此术前预防应以生活习惯改善为主，戒酒并治疗患者的基础疾病，改善患者各方面身体状况，减少麻醉及手术对身体的打击。患者的麻醉及手术前的禁食水时间应当引起注意，避免因过长时间的禁饮食及水导致血容量不足、血糖过低及内环境的紊乱。吸入类全身麻醉药物可激活NF-κB信号通路介导的海马区域促炎因子的升高，而米诺环素可抑制因吸入麻醉药激活的 NF-κB 信号通路，进而有效降低神经炎症反应，减少PND的发生[25]。有临床试验表明地塞米松对炎症的抑制作用可以用来预防认知功能障碍，接受地塞米松治疗的那组患者认知功能的恢复更为迅速[26]。GABA的结构类似物(如氨烯己酸、加巴喷丁)和环氧合酶(COX)抑制剂(如美洛昔康、帕瑞昔布)，降低了小胶质细胞的激活和前列腺素的合成，从而减轻炎症反应来预防认知功能障碍[27]。非编码RNA (ncRNAs)是一种被认为是无法翻译成蛋白质的RNA分子，其与炎症反应之间的关系已被广泛研究。长链非编码RNA(lncRNA)NR_024187，即lncRNA PCAI (Protect cells from apoptosis and inflammation)，是新近研究的热点。lncRNA PCAI的靶点是其具有促炎作用的临近基因SUZ12，并能通过负向调控SUZ12的表达，减轻LPS诱导的炎症反应和细胞死亡，防治PND的发生[28]。因此lncRNA PCAI可能为今后的PND防治提供新的思考思路和作用靶点。黄连素在我国使用有着悠久历史，小檗碱(2,3-甲基二氧基-9,10维氧基原小檗碱氯)是其有效成分，经研究被认为具有抗菌、抗炎、抗焦虑、抗氧化、降血压、降血糖及降血脂等药理作用[29]。有研究表明黄连素通过调控包括miRNAs和lncRNAs在内的非编码RNA的表达和降低IL-1、IL-6和TNF-α的含量来降低细胞凋亡和炎症反应[30-31]。表明黄连素在细胞凋亡诱导的神经毒性中能起到保护作用，因此在PND治疗上有很好前景。HMGB1可以通过TLR4介导的TNF-α的增加和MBP的减少，以及体内转化产生促炎细胞因子，继而引发抑郁样行为和认知障碍的发生。因此抑制HMGB1诱导的神经炎症反应可能对PND有治疗作用。目前许多研究报道抗HMGB1多克隆或单克隆抗体在动物实验上成功表现出了治疗PND的作用[32]。各种研究表明单磷酸腺苷激活的蛋白激酶AMPK通路可以通过下调各种炎症因子如IL-1β、NF-κB和TNF-α的表达水平来减少活化的小胶质细胞数量，从而起到抗炎的功效[33]。他汀类药物被发现能够有效地减轻神经炎症，并有效防治PND的发生。例如大量研究表明阿托伐他汀可以改善实验小鼠依赖海马体的记忆力，同时加强了小鼠的空间学习能力。阿托伐他汀的抗炎和神经保护特性为其在治疗PND的应用上提供了理论依据。右旋美托咪定是一种具有高度选择性的 α2 肾上腺素能受体激动剂，并经学者研究表明，非心脏手术后患者使用低剂量右美托咪定输注可以降低术后谵妄的风险[34]。右旋美托咪定可能通过抑制TLR4/NF-κB信号通路，抑制N9小胶质细胞释放NO、iNOS、 TNF-α等炎症介质，并能够抑制细胞的凋亡，起到保护神经细胞，减轻炎症反应，改善认知障碍的作用[35]。Tourrel等[36]发现Bax蛋白、caspase-3以及caspase-9的表达可以被瑞芬太尼所抑制，并可以使线粒体保持完整，并减少神经细胞的凋亡，从而减少PND的发生。氯胺酮是被明确拥有止痛作用的全身麻醉药，并可减少中枢神经系统中的胶质细胞释放 IL-6等促炎因子，进而被认为可以通过抑制炎症反应而预防PND的发生[37]。此外,局部麻醉药如利多卡因可以通过阻断 p38-MAPK 以及 NF-κB 信号通路从而减轻炎症反应，从而起到预防PND的作用。粪便微生物群移植(FMT) 是一种新型的治疗手段，可以改善肠道的菌群分布，减少有毒菌群的数量，有望用于治疗PND。Sun[38]研究表明，给实验小鼠进行FMT 治疗后，其空间学习能力障碍得到改善，并且测得其脑内Aβ蛋白聚集减少，因此专家们认为此方案可能为治疗PND提供新的思路。上述药物的神经保护作用与其抗炎特性密切相关，这证实了神经炎症与围术期认知能力下降密切相关，也提示炎症是预防和治疗PND的重要靶点。

4 结语

综上所述，PND的发生被认为是许多种因素共同作用的结果，包括以炎症为中心，伴有中枢胆碱能系统功能降低、蛋白功能异常、胶质细胞异常激活及其他因素。虽然人们已经对PND的预防和治疗作了大量的探索，但是其病因学、分子机制及药理干预仍需进一步研究。麻醉医生应当重视术前对患者生活习惯的了解及基础疾病的改善，充分利用各项监测指标，尽量缩短麻醉暴露时间，同时注重药物对认知功能的影响，将麻醉方案的复杂性降至最低，预防PND的发生。另外当前很多实验性研究都是动物实验，其结果是否完全适用于人类有待商榷。因此要继续探寻PND的发病机制，不断探索新的预防策略，新的控制方案，新的作用靶点，希冀在临床的麻醉工作和研究中寻求防治PND的新的思路与方案。