脓毒症脑病发病机制的研究进展

李志强，周艺蕉，杨春燕

(昆明医科大学第二附属医院急症重症医学科，昆明 650101)

近年来，脓毒症的发病率以每年2%～8%的速度增长，病死率高达35%～65%[1]。脓毒症和脓毒症脑病(sepsis-associated encephalopathy，SAE)目前已成为重症监护病房的常见疾病[2]。脓毒症及脓毒性休克第三次国际专家共识中强调脓毒症是机体对感染相关疾病和器官功能障碍的反应[3]。SAE与人体应对复杂病理生理反应的能力有关，而中枢神经系统是脓毒症最早受累的器官系统之一[4]。研究显示，SAE患者约占重症监护病房脓毒症患者总人数的70%[5]。目前SAE的早期发现仍依赖神经系统的体格检查及意识状态评估，其临床诊断需排除急性脑血管病变(出血、梗死)、代谢性脑病、中毒、酒精或药物戒断、肺性脑病、非惊厥性癫痫发作以及心、肝、肾等周围器官衰竭引起的脑功能障碍等。SAE的病理生理复杂，且其涉及的机制在大脑中的位置分布不均，因此可能导致特定区域病变[3]。参与自主控制、觉醒、意识和行为的中枢神经系统受到显著影响，可导致SAE患者表现为记忆力下降、定向障碍、易激惹甚至昏迷等认知功能障碍[2]。现就SAE发病机制的研究进展予以综述。

1 炎症介质释放

在全身炎症反应过程中，脓毒症患者的机体会产生大量作用于血管内皮细胞的脂多糖(lipo-polysaccharide，LPS)和诱导大脑炎症反应的一氧化氮，从而激活血管内皮细胞，导致小胶质细胞和星形胶质细胞活化，进而导致血脑屏障完整性丧失和神经炎症[6]。LPS可激活小胶质细胞产生促炎细胞因子，包括肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)和白细胞介素(interleukin，IL)等。其中，TNF-α可通过刺激其他促炎细胞因子的释放或直接作用于TNF受体1间接介导LPS引起的SAE[7]。IL-6在LPS诱导的发热反应过程中起重要作用，而IL-1β在记忆过程和行为方面发挥关键作用，IL-6和IL-1β可协同诱发大鼠发热及疾病的发生[8]。LPS还可通过诱导基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)的基因转录，影响内毒素血症引发的脑功能障碍[9]。由此可见，参与炎症反应的炎症因子众多，其共同作用导致SAE的发展，其中LPS发挥重要作用。

Hinarejos等[10]研究发现，活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的过度产生也可导致过度炎症反应和神经毒性因子释放，最终导致神经元结构和功能丧失。同时，一氧化氮与促炎细胞因子穿过血脑屏障后，可与周围的脑细胞相互作用，导致内皮细胞和小胶质细胞活化，从而产生更多的细胞因子(如一氧化氮和ROS)[11]，进而形成恶性循环，加重脑稳态的失衡。由此可见，机体内的促炎细胞因子并不是独立存在的，而是与其他细胞因子构成一个整体，在诱导疾病的不同症状过程中起相辅相成或相互抑制的作用。

Pinheiro da Silva等[12]研究发现，自噬急性炎症是一种认同度较高的SAE的发病机制。刘先保等[13]采用核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)拮抗剂干预SAE模型，结果发现，NF-κB参与血浆和海马组织的炎症因子调节。总之，脓毒症患者的严重炎症反应过程可能是导致SAE的重要机制之一。

2 血脑屏障破坏

血脑屏障是一种将中枢神经系统与外周血液系统分隔的特殊物理屏障，可避免有害物质通过血液循环系统进入脑实质，为大脑提供稳定的内环境。参与破坏血脑屏障的炎症因子主要包括TNF-α、MMP和ROS/活性氮类。TNF-α是脓毒症的关键介质，可直接通过与TNF受体1结合，诱发脑细胞凋亡[7]。LPS可通过还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶产生ROS和活性氮类，从而激活小胶质细胞，诱导血脑屏障功能障碍[14]。MMP则在细胞增殖、迁移、分化、血管生成、突触形成、细胞凋亡以及宿主防御中起重要作用[15]。因此，由血脑屏障的生理功能推测，血脑屏障破坏可能参与SAE的发病过程。

紧密连接蛋白是血脑屏障的重要组成部分，同时其还存在一个假定的MMP切割位点，导致内皮细胞从特定的细胞外基质中游离出来，这是血脑屏障发生功能障碍的关键之一[15]。有研究发现，严重脓毒症患者脑微血管中MMP-2和MMP-9的表达均上调，表明MMP-2和MMP-9的活性可能破坏血脑屏障，且MMP与炎症因子在血脑屏障功能障碍中起相辅相成的作用；同时该研究还发现，特定的MMP-2和MMP-9抑制剂可预防血脑屏障功能障碍和脑部炎症，但不能改善败血症动物的认知障碍[9]。血脑屏障在脓毒症时受到破坏，这种现象在脓毒症动物实验模型中已得到验证[16]，同时在脓毒症患者的磁共振成像检查中也得到证实[17]。综上可知，当血脑屏障遭到破坏时，大量有害物质(炎症因子、内毒素等)穿透血脑屏障进入脑实质，从而引发炎症反应以及信号传递和物质代谢异常。血脑屏障在中枢神经系统中至关重要，其被破坏也是SAE的发病机制之一。

3 脑微循环改变与脑缺血过程

SAE的缺血过程包括低血压、微循环障碍、自主调节受损和脑血流量减少，其特征是神经血管解偶联障碍、血脑屏障破坏和凝血级联激活。SAE患者可能出现心功能衰竭，引发低血压，进而导致脑部血液循环障碍。Pierrakos等[18]经颅多普勒评估重症患者脓毒症相关脑病，结果发现，SAE患者均出现一定程度的脑灌注不足。有研究发现，SAE患者脑部血管的自主调节能力受到严重破坏[19]。正常人可通过自动调节保持脑血流量恒定，平均全身动脉压为60～150 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)；脓毒性休克患者的脑血流量降低，且其自身调节功能受损与谵妄相关[20]。而脑部血管自主调节功能受损可导致脑血流量与代谢需求之间不匹配，从而使平均动脉压降至70 mmHg以下，进而导致缺血性损伤[21]。Ehler等[22]的纵向、前瞻性研究发现，在SAE患者及动物模型脑组织中发现的缺血性和弥漫性轴索损伤可能是导致SAE患者长期认知功能障碍的神经病理改变。由此可见，低血压、脑微循环改变、自动调节能力受损和脑流量减少等导致的脑缺血也是SAE的发病机制之一。

4 细胞代谢应激

4.1线粒体功能障碍及氧化应激 脓毒症期间，机体的新陈代谢和生物能的需求可导致线粒体功能障碍和氧化应激[23]。而线粒体功能障碍的机制包括线粒体通透性转换、细胞内钙离子异常、ATP合成酶异常、自由基的产生和积累以及线粒体DNA异常等。而神经元对细胞过程(如突触可塑性和神经递质的合成等)的生物能需求依赖于线粒体。脓毒症患者的早期特征为线粒体合成ATP的功能障碍，因此线粒体功能障碍可导致SAE。此外，有研究发现，线粒体功能不全的发生与脓毒症及SAE的严重性相关[24]。正常的细胞能量主要由线粒体内的氧化磷酸化产生，这在许多细胞过程中也是不可缺少的，包括能量代谢、钙稳态、脂质生物合成和细胞凋亡[25]。

氧化磷酸化是机体内代谢物在线粒体内膜进行氧化过程中产生的自由能，同时伴随ATP合成(磷酸化)的过程。氧化磷酸化反应涉及的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶以及细胞色素氧化酶等一系列传递体统称为电子传递链。ROS也在电子传递链中产生，且发生脓毒症时机体ROS产生与抗氧化剂的平衡被打破，从而发生氧化应激[26]。有研究发现，通过消除自由基可以恢复盲肠结扎穿刺诱导的SAE模型大鼠的大脑功能障碍[27]。因此，细胞内的线粒体氧化磷酸化功能被破坏可导致能量代谢功能障碍、合成的抗氧化剂减少以及自由基蓄积，进而导致脓毒症患者SAE的风险增加[26]。总之，SAE的发病过程可能涉及线粒体功能障碍和氧化应激等病理生理机制。

4.2细胞凋亡 细胞凋亡是指程序性细胞死亡，包括一系列基因激活、表达及调控的主动生理过程。炎症介质在脑内大量释放可导致神经胶质细胞活化并产生一氧化氮和ROS[11]。一氧化氮和ROS不仅可导致前额叶皮质和海马中促凋亡(B细胞淋巴瘤/白血病-2相关X蛋白)因子水平增加、抗凋亡(B细胞淋巴瘤/白血病-2)因子水平降低，还可导致蛋白质亚硝基化，同时抑制线粒体的呼吸链功能，最终导致细胞凋亡增加[28]。脓毒症大鼠中枢一氧化氮过量产生和IL-1β水平升高均可导致缺氧诱导因子-1α水平升高[8]。Oliveira-Pelegrin等[29]研究发现，盲肠结扎穿刺诱导脓毒症模型大鼠巨细胞神经元中缺氧诱导因子-1α、IL-1β、诱导型一氧化氮合酶和细胞色素C表达增加可触发神经元凋亡。由此可见，一氧化氮和ROS等均参与了脓毒症动物细胞的凋亡过程。

自噬是一种溶酶体降解途径，在维持机体生理稳态的再循环过程中发挥重要作用。自噬激活可加重脑出血后的神经损伤，该过程可能与调节NF-κB通路有关，可促进炎症及细胞凋亡[30]。还有研究发现，抑制NF-κB和自噬可以减轻SAE大鼠海马细胞的凋亡，但两者对SAE海马细胞凋亡的作用并不是相辅相成的[13]。Hu等[31]研究发现，脑内皮细胞线粒体丝氨酸蛋白酶Omi/HtrA2具有调控线粒体细胞凋亡和保护血脑屏障的重要作用。因此，调控Omi/HtrA2蛋白酶的活性可能有利于SAE的治疗。

4.3神经递质功能障碍及氨基酸异常 当神经递质释放增加而其再摄取减少(或不足)时，突触间隙中神经递质的浓度是发生兴奋毒性过程的基础。血脑屏障功能受损导致水转运受到干扰，而水转运受水通道蛋白4的严格调节，导致血管周围水肿，破坏星形胶质细胞的终足，从而表现为血脑屏障通透性增加，使不能透过的假性神经递质前体(如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)通过血脑屏障进入脑和脊髓实质内，进而生成假性神经递质[32]；同时，迷走神经元损伤可导致γ-氨基丁酸受体[33]和胆碱[34]释放减少。血脑屏障功能障碍和迷走神经受损均可导致机体合成的正常神经递质减少，使SAE患者出现意识状态和认知的改变。动物实验表明，脓毒症大鼠脑内的氨基酸谱会出现紊乱，芳香族氨基酸通过受损的血脑屏障，导致全身炎症大鼠的精神状态发生改变[35]。研究发现，SAE患者芳香族氨基酸水平升高，而支链氨基酸水平降低[36]。总之，机体脑内的氨基酸紊乱与SAE的发生有一定相关性。

Borovikova等[37]发现，神经系统也参与机体炎症反应的调控，相关的调控途径称为“胆碱能抗炎通路”，即迷走神经通过传入神经纤维感知外周炎症并形成炎症信号，然后将炎症信号传至中枢神经系统并刺激迷走神经末梢释放乙酰胆碱，乙酰胆碱再与外周巨噬细胞表面的α7烟碱型乙酰胆碱能受体结合，调控炎症反应。由此可见，阻断胆碱能抗炎通路中的任一环节均可导致炎症反应恶化。黄鑫怡等[38]发现，SAE小鼠的海马α7烟碱型乙酰胆碱能受体表达降低，导致炎症反应“失控”，从而形成恶性循环，最终导致神经元功能障碍，甚至神经元死亡。

5 其他发病机制

除上述发病机制外，神经信号通路也可能参与SAE的发病。通过建立脓毒症小鼠模型发现，Ras相关的C3肉毒素底物1/混合谱系酶3/p38信号通路[39]和S100β/晚期糖基化终末产物/NF-κB信号通路[40]等也参与SAE的发病。研究发现，G蛋白偶联受体激酶2(G protein-coupled receptor kinase 2，GRK2)和滑膜蛋白1可能对SAE的诊治有临床价值，高表达的GRK2是LPS诱导小鼠细胞氧化和亚硝化应激的关键调节因子，因此GRK2抑制剂对脓毒症相关神经组织损伤的有益作用可能有助于降低脓毒症患者的病死率；而滑膜蛋白1通过诱导神经毒性的犬尿氨酸转换为神经保护性的犬尿喹啉酸而起保护作用[41-42]。有研究指出，血红蛋白和神经珠蛋白也可能对SAE有辅助治疗作用[43]。还有研究发现，线粒体分裂抑制剂1可能通过抑制鸟苷三磷酸动力蛋白酶1以及活化鸟苷三磷酸动力蛋白酶1二磷酸化，导致小鼠患SAE的风险显著降低[44]。最新研究证实，内源性神经保护蛋白对体外炎症反应、神经炎症、氧化应激以及盲肠结扎穿刺诱导脓毒症动物模型大鼠海马线粒体功能均具有保护作用，同时还可有效预防盲肠结扎穿刺大鼠的长期认知功能障碍[45]。

6 小 结

SAE是脓毒症患者的一种危急并发症，患病率和病死率均较高。随着对SAE研究的不断深入，研究者对SAE的发病机制有了一定认识，但具体的发病机制和病理生理特点目前仍未明确。目前对SAE发病机制的探索大多集中于动物研究，但是否适用于人类还需要进一步验证。同时，临床上医护人员对SAE的早期识别还仅依赖于大量的主观意识状态的评分，易造成漏诊或误诊。因此，SAE标准化的病理生理机制仍是未来研究的目标，对于全面剖析SAE的发病原因及诊疗过程均具有重要意义，同时有利于提高临床医师对SAE的认识。