NLRP3炎性小体在术后认知功能障碍中的研究进展

杨鑫鑫，董 良，朱昭琼

(1.遵义医科大学附属医院麻醉科，贵州 遵义 563099；2.遵义医科大学麻醉与器官保护基础研究重点实验室，贵州 遵义 563099)

术后认知功能障碍(Post-operative cognitive dysfunction,POCD)主要表现为学习记忆受损、信息处理能力下降及注意力减弱，同时可伴有患者情绪和性格的改变，其病程大多在几周或几个月内消失，但少数患者症状可持续数年或好转后复发[1]。小胶质细胞NLRP3炎性小体激活后释放白细胞介素(Interleukin,IL)-1β和白细胞介素-18(IL-18)等炎性因子，促进了中枢神经系统内炎症反应的发生与发展，导致认知功能损伤；抑制NLRP3炎性小体可显著改善认知功能[2]。本文综述了NLRP3炎性小体在POCD中的最新研究进展。

1 术后认知功能障碍

1.1 概念 随着现代医学技术的发展，很多疾病都可以通过全身麻醉下手术进行治疗。目前，老年人在手术病人中所占的比例逐渐升高，而术后认知功能障碍是老年人术后面临的主要健康问题[3]，也是麻醉医生面临快速增多的老龄化人口时的主要挑战。手术患者术后出现认知功能障碍的现象于1955年由Bedford等[4]进行了首次报道，并于1998年由Moller等[5]正式命名为POCD。近几年来POCD的概念有所拓展，为方便学术交流及临床诊断，将患者围术期1年内出现的学习记忆能力、定向力、抽象思维能力、注意力及自知力的改变统称为围术期神经认知功能障碍(Perioperative neurocognitive disorders，PND)[6]。PND常发生于老龄患者，主要表现为在围术期发生的定向力、学习记忆能力、思维能力及自身感知能力等损害，POCD是PND中最常见和表现最明显的一种类型[7]。

1.2 诊断标准 目前POCD暂无统一诊断标准，国际上通常选取蒙特利尔认知评估量表(Montreal cognitive assessment，MoCA)、韦氏成人智力量表(Wechsler adult intelligence scale，WAIS)及简易精神状态检查表(Mini-mental state examination，MMSE)等进行神经心理学测试对POCD进行初步评估，并辅以影像学、电生理、血液生化指标等检查手段进行诊断[8]。

1.3 危险因素及发病机制 POCD的发生主要与麻醉因素、手术方式和类型以及患者是否高龄等密切相关。国内外针对POCD已展开了大量研究，目前基因学说、脑损伤学说、神经递质学说、β-淀粉样蛋白(β-Amyloid-protein，Aβ)学说及神经炎症学说是国际上POCD发生的主流学说，但其发病机制仍未完全明确[9]。

近年来，神经炎症在POCD中发挥的作用日益凸显。正常生理情况下，炎症是机体在面临损伤性刺激时发生的一种保护性反应，但当炎症被不正常的放大或变得不受控制时会对机体产生负面影响[10]。一项前瞻性研究发现，在20年的时间跨度中反复发生炎症的个体出现认知功能障碍的可能性更大[11]。大脑作为全身麻醉的靶器官，全身性炎症反应可对大脑产生深远的影响，中枢神经系统发生的炎症反应几乎是所有神经系统并发症的特征[12]，并在神经退行性疾病中发挥着尤其重要的作用[13]。神经炎症是机体固有的一种免疫防御机制，在维持大脑正常结构和功能上发挥了重要作用，但神经炎症也是老年性神经退行性病变和造成神经元死亡的重要因素[7]。老年动物模型发生神经炎症与认知功能障碍密切相关，而神经系统内活化的小胶质细胞是炎症因子的主要来源[14]。神经炎症是一种保护性免疫反应，受到宿主的严格调节，炎症反应不足时可导致持续感染，而过度炎症可导致慢性或全身性炎症性疾病。在生理情况下，中枢神经系统内炎症因子的表达水平较低，当神经系统内存在感染、手术刺激或处于应激状态时，IL-1β及TNF-α等炎性因子表达水平会出现不同程度的增高[15]。

2 NLRP3炎性小体

2.1 NLRP3炎性小体概述 当机体遭到病原微生物入侵时，固有免疫系统立即展开针对病原体的免疫反应从而对机体发挥保护效应，微生物释放的病原相关分子模式(Pathogen-associated molecular pattern,PAMP)或内源性应激诱导的危险相关分子模式(Danger-associated molecular pattern,DAMP)能与免疫细胞的模式识别受体(Pattern recognition receptors，PRRs)结合，激活固有免疫系统，触发下游炎症信号级联[16]。核苷酸结合寡聚化结构域样受体(Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor，NLR)作为免疫细胞表达于胞质内的一种PRRs[17]，可识别诸如脂多糖、病毒核酸和病毒蛋白等多种PAMPs，同时还能识别由机体损伤产生的DAMPs[18]。其中，NLRP3炎性小体在NLR家族中研究得最为广泛，其分布于细胞质中，由NLRP3蛋白、凋亡相关斑点样蛋白(Apoptosisassociated speck-like protein containing a CARD，ASC)及半胱氨酸天冬氨酸酶-1前体(Pro-caspase-1)构成。NLRP3蛋白作为感受器蛋白，由核苷酸寡聚化形成的中间区域、N端可变效应结构域及C端的亮氨酸重复序列三个部分组成。核苷酸寡聚化区域是NLRP3蛋白的主要功能部位，N端可启动下游炎症信号，C端发挥抑制NLRP3蛋白功能，使NLRP3炎性小体处于静息状态，当受到PAMPs或DAMPs刺激后NLRP3蛋白发生构象改变，引发NLRP3炎性小体的激活[16]。

NLRP3炎性小体的激活是一种经典的双信号模式，主要分为启动和激活两个阶段。脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)等第一信号作用于Toll样受体4(Toll like-receptor 4,TLR4)后通过NF-κB通路进而促进NLRP3、Caspase-1和IL-1β等组分的合成，为后续的激活阶段提供前体蛋白，该过程即NLRP3炎性小体的启动；由NLRP3炎性小体启动引发的第二信号促进NLRP3蛋白、ASC与Pro-caspase-1蛋白组装并转化为Caspase-1，进一步促进IL-1β和IL-18合成与释放，引发炎症反应，称为炎症小体的激活[19-21]。NLRP3炎症小体在老年大鼠中表达水平升高且表现出过度激活的状态[22-23]，其激活后在中枢炎症反应中发挥关键作用[24]。NLRP3炎性小体过度激活后可导致多种疾病的发生，异常激活的NLRP3炎性小体也是各种急慢性神经疾病的发病机制之一[25]。NLRP3炎性小体活化引发神经炎症示意图见图1。

图1 NLRP3炎性小体活化引发神经炎症示意图

2.2 NLRP3炎性小体在中枢神经系统中的作用 研究发现，NLRP3炎性小体激活后发挥作用仅限于大脑内的小胶质细胞[26]。小胶质细胞静息状态下可检测出现于中枢神经系统内的PAMPs和DAMPs，活化后可以吞噬病原体、清除细胞碎片和向T细胞呈递抗原，是中枢炎症中协调先天性免疫和适应性免疫的桥梁[27-28]，同时，小胶质细胞可通过感知和调节突触可塑性、学习和记忆机制对认知功能产生影响[29]。研究发现，出现空间记忆能力减退的动物模型海马中，小胶质细胞数量增多且活化时间延长，可延长2周以上[30]，表明小胶质细胞活化异常可引起认知功能损伤。活化的小胶质细胞分为M1型和 M2型。M1型可分泌炎性因子IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor，TNF-α)，引发中枢神经系统炎性反应，对神经细胞造成损害；M2型则对神经细胞发挥保护作用，其保护效应通过释放基质蛋白及血管内皮生长因子实现。当感受到刺激后，中枢神经系统内小胶质细胞数量迅速增多，出现多个突起的细胞伪足，释放TNF-α和IL-1β等炎性因子，产生大量活性氧(Reactive oxygen species,ROS)，诱导神经炎症，同时对神经炎症产生放大效应[31]。Yang等[32]证实，中枢神经系统内NLRP3炎性小体的激活主要发生在小胶质细胞，在沉默NLRP3基因后，中枢神经系统内促炎细胞因子减少，抑制神经炎症的进展进而减轻组织损伤。同时小胶质细胞在NLRP3炎性小体的调控下可出现以M1型小胶质细胞激活为主的现象，以此增强炎症反应[33]。

3 POCD与NLRP3炎性小体

3.1 NLRP3炎性小体与POCD的关系 NLRP3炎性小体的激活与POCD的发生发展密切相关，近年来相关研究发现，其不仅直接促进POCD的发生发展，且与术后感染、术后疼痛及术前精神障碍等密切相关。在学习和记忆功能高度表达的大脑功能区域存在着炎症因子受体的集中表达，NLRP3炎性小体与相应受体结合后，与学习及记忆功能密切相关的长时程增强效应(Long-term potentiation effect，LTP)受到负性调控，进而造成相应功能的受损[34]。在术后感染方面，感染可促使机体出现应激反应，引发神经元细胞凋亡和线粒体损伤，同时各种代谢产物和病原微生物在机体的积聚造成血脑屏障受损，各种PAMPs和DAMPs进入中枢神经系统，激活NLRP3炎性小体,触发神经炎症，导致POCD的发生发展[2,35-36]。术后疼痛与POCD的发生存在一定的联系[37]， 由于NLRP3、Caspase-1和IL-1β表达增加[38]和 NLRP3炎性小体的下游炎性因子IL-18都可诱导动物模型出现疼痛[39]，由此推测NLRP3炎性小体可能通过诱发术后疼痛进而导致POCD。小胶质细胞NLRP3炎性小体作为炎症反应重要的始发环节，可调节促炎因子IL-1β的成熟与释放，分泌大量炎症因子，促进炎症反应的发生发展，导致认知功能损伤，而抑制NLRP3炎性小体的激活可显著改善认知功能[2,40]。NLRP3炎症小体和IL-1β的过度表达与神经元细胞死亡相关[41]，并且可引起与衰老相关的神经病理性改变，敲除NLRP3的所有组分可使机体免受神经炎症和神经退行性改变引起的认知功能损伤[42]。

针对NLRP3炎性小体的负性调控可有效降低POCD的发生率。综合现今国内外的研究成果，NLRP3炎性小体的负性调控可分为对NLRP3炎性小体的抑制、对下游IL-1β的抑制和对自噬的抑制这3各方面。

3.2 NLRP3炎性小体的负性调控对POCD的影响

3.2.1 抑制NLRP3炎性小体 MCC95作为NLRP3炎性小体的特异性抑制剂[43]，可抑制ASC的寡聚化阻断NLRP3炎性小体诱导的IL-1β的释放[44]，并且对NLRP3-Caspase-1通路产生抑制作用以此发挥神经保护作用，进而减轻七氟醚诱导的神经炎症和改善认知障碍症状[45]。最初的研究发现，在NLRP3炎性小体激活后可触发TLR4-NF-κB通路，抑制该通路可明显减轻异氟醚诱导的神经炎症和随后发生的认知损害[46]。进一步的研究发现，线粒体损伤可激活NLRP3炎性小体，而利多卡因可通过对线粒体的保护作用，抑制线粒体产生的ROS和触发的NLRP3炎性小体激活，从而缓解异氟醚吸入后出现的认知障碍[47]。

3.2.2 抑制下游IL-1β 最新研究表明，小胶质细胞内过度激活的NLRP3炎性小体及其下游炎性因子IL-1β介导的炎症反应参与了由低氧血症引发的大鼠认知功能障碍的发生发展[33]。IL-1β作为NLRP3炎性小体的下游产物，与中枢神经系统对学习记忆能力的调节关系密切，在术后认知功能减退大鼠模型海马中可发现其含量升高，而IL-1β拮抗剂的应用可通过增强海马的LTP从而改善认知功能，同时可有效缓解动物模型术后出现的行为学能力缺陷和海马区炎症反应[48-49]。有研究证实，IL-1β介导的神经炎症可导致海马神经元出现损伤，干扰谷氨酸代谢，影响突触可塑性，最终导致神经元细胞死亡，出现学习和记忆障碍，抑制IL-1β活性可有效预防POCD的发生[50]。大鼠在丙烯酰胺毒性作用下出现的认知功能损害也被证实与小胶质细胞活化诱导的NLRP3炎性小体激活产生的IL-1β密切相关[41]。

3.2.3 抑制自噬 有研究发现，自噬也与术后认知能力损伤密切相关[51-52]。自噬是处于营养物质缺乏、应激、细胞衰老或损伤等情况下机体自发出现的一种保护性行为，其在各种神经退行性疾病中发挥了重要作用。对自噬相关基因的负性调控可有效减弱神经炎症，发挥对认知功能的保护效应[53]。有研究发现，自噬可抑制NLRP3蛋白的磷酸化减少ASC的表达[54-55]，抑制NLRP3炎性小体的激活。Cao等[56]注意到，自噬功能缺陷和NLRP3炎性小体的表达增加在阿尔兹海默病的发展过程中共存，且自噬活性在神经炎症过程中可被NLRP3炎性小体抑制。以上研究提示，NLRP3炎性小体可通过抑制细胞的自噬行为使神经炎症进一步放大，但NLRP3炎症小体是否通过抑制自噬行为在POCD进程中发挥作用仍需进一步实验验证。

综上所述，中枢炎症可促进POCD的进程，其中NLRP3炎性小体的激活发挥了必不可少的作用，对NLRP3炎性小体及其下游炎症因子的负性调控可明显降低POCD的发病率，这一发现有望为POCD的预防与治疗提供新思路，也为药物研发提供了新方向。

4 小结与展望

目前国际上针对POCD的发病机制已经展开了大量研究，但其确切发病机制仍不明确。近年来研究发现，中枢神经系统炎症在POCD的进程中起到了重要的作用，其中 NLRP3炎性小体受到了大量关注，由NLRP3炎症小体激活诱发的下游炎症因子(如IL-1β)表达水平的增高与中枢神经系统受到损伤时引起的认知功能损害密切相关。但是NLRP3炎性小体在POCD发生过程中发挥作用的具体关联及其机制仍有待进一步深入研究，以期发现针对POCD的有效治疗及预防方案。