脓毒症相关性脑病与免疫功能障碍的研究进展

穆 蕊，余剑波

脓毒症相关性脑病（sepsis-associated encephalopathy，SAE）是严重脓毒症患者常见的并发症，发病率高，预后差[1]。10%～20%的SAE 患者出现长期的认知功能障碍[2]。SAE 的发病机制包括抗炎、抑炎细胞因子平衡失调，血脑屏障（blood brain barrier，BBB）受损，脑血管微循环障碍，神经递质的改变，以及线粒体功能障碍等多方面。其中神经炎症是SAE 的主要触发机制。

中枢神经系统在神经内分泌免疫网络中起着核心作用，其功能障碍是外周免疫系统彻底崩溃的原因，神经炎症是导致脑细胞功能障碍和凋亡的主要原因，在SAE 的发病机制中起着至关重要的作用[3]。炎症信号主要通过体液和神经两种途径影响大脑不同区域。一方面，在脓毒症发生后几小时内BBB 即发生损伤，免疫细胞、促炎介质促进微血管内皮细胞黏附分子的表达，使神经毒性因子和炎症细胞进入脑组织，引起脑固有免疫细胞激活，产生新的神经毒性，诱导脆弱脑区的神经元损伤和死亡；另一方面，大脑通过启动神经反射，促进神经递质释放，影响中性粒细胞、巨噬细胞/单核细胞、树突状细胞和T 淋巴细胞等引起全身免疫反应。免疫功能故障与多器官损伤之间的相互作用是脓毒症患者预后不良的主要原因[4]。本文就SAE 与免疫功能障碍进行综述。

1 神经炎症

全身炎症触发局部细胞因子的产生。在大脑中，局部产生的细胞因子，如肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-1β 和IL-6 可能导致神经炎症，从而介导神经元功能障碍，最终导致细胞死亡[5]。显著的神经炎症致使脑组织中性粒细胞浸润，并通过Toll 样受体激活星形胶质细胞。小胶质细胞和星形胶质细胞的改变和激活是SAE 中最主要的表现[6]。这些细胞对大脑内环境稳定至关重要，他们除了参与维持血脑和脑脊液屏障[5]，还参与突触的调节和维持，与整个脑内通讯网络密切相关[7-8]。因此，小胶质细胞和星形胶质细胞的改变可导致突触功能障碍和脑组织损伤或凋亡，这些不仅影响脑的结构，还影响其功能，如记忆、注意力、认知和意识等。这种促炎环境导致严重的神经损伤，导致脓毒症的幸存者出现短暂和永久性认知功能障碍。

1.1 小胶质细胞 小胶质细胞是神经胶质细胞的一种，为脑和脊髓中的巨噬细胞。作为大脑中的常驻免疫细胞，中枢神经系统受到损伤时最先应答也是最主要的一道免疫神经细胞。小胶质细胞通过细胞因子与神经元和非神经细胞相互作用来调节脑功能[7]。

在生理条件下，小胶质细胞以分支形态处于静止状态，监测微环境以维持稳态；当中枢神经系统发生病理改变时，静息状态下的小胶质细胞被激活转变为阿米巴样形式，发挥神经保护或破坏性作用[8]。活化的小胶质细胞根据抗原标志物和功能分为两种表型：经典激活途径的M1 表型—介导炎症反应，产生细胞毒性；替代激活途径的M2 表型—抑制中枢炎症反应的过度发生。小胶质细胞的活化受到严格地调控，一旦脱离胆碱能抑制，其防御功能可能会变成神经毒性。在脓毒症小鼠模型和脓毒症的患者中都观察到小胶质细胞激活，并以介导炎性反应的M1 型存在[9]。小胶质细胞过度激活参与了BBB 的损伤和增加活性氧的释放。相反，抑制小胶质细胞活化有利于减轻脓毒症导致的脑氧化应激损伤和炎症，改善长期认知功能障碍[10]。

活化的小胶质细胞通过大量的促炎介质和诱导脓毒症期间多种酶的表达导致神经元功能障碍[11]。Ye 等[12]观察IL-17A/IL-17R 信号通路在SAE 中的作用发现，IL-17A 可增强CLP 小鼠促进小胶质细胞分泌炎症因子，如IL-1 和IL-23，而这些炎性因子又促进免疫细胞分泌IL-17A，在大脑中形成炎症反应的恶性循环加重脑损伤。此外，细胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6 通过受损的BBB 激活小胶质细胞调节神经元功能[8]。

正常生理状态下，小胶质细胞表达各种神经递质的受体，包括谷氨酸、乙酰胆碱等，维持神经元突触传递和突触可塑性，而这些神经递质的失衡将阻碍突触功能，引起兴奋性毒性，使突触后神经元过度兴奋并死亡。Yang 等[13]观察到大鼠活化的小胶质细胞介导的中枢炎症反应导致海马神经元突触相关受体表达降低，致使大鼠学习记忆功能受损。正常水平的谷氨酸由神经元、星形胶质细胞和静息状态的小细胞释放。而活化的小胶质细胞通过连接蛋白通道和胱氨酸/谷氨酸转运体系统产生过量的谷氨酸[9]。谷氨酸对小胶质细胞活化过程有正向调节作用，在体外实验中，LPS 刺激小鼠小胶质细胞活化和增加促炎细胞因子的表达，这些过程在脓毒症期间受到过表达的谷氨酸的调节，抑制谷氨酸受体N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体可减弱小胶质细胞的活化和促炎因子的释放[11]。

1.2 星形胶质细胞 星形胶质细胞是中枢神经系统的稳态细胞，形成“物理”和“分子”等多功能屏障，有助于大脑抵御感染，限制神经组织的损伤。生理状态下，星形胶质细胞监控并整合免疫细胞与神经元细胞之间的炎症信号，调节脑免疫反应。脓毒血症时，星形胶质细胞比神经元对内毒素的反应更早，在炎症性脑损伤中发挥着驱动性作用。

当脑损伤发生时，病变部位的星形胶质细胞肥大、极化和拉长，在病变边界聚集成束，并分泌纤维连接蛋白和层黏连蛋白等物质，增加缝隙连接，巩固屏障，限制炎性细胞进入脑实质，在中枢神经系统受外周触发免疫反应期间保护神经组织。

星形胶质细胞控制着脑内和全身生理学和病理学之间的关系，如神经免疫通讯。脓毒症发生4 h 后，在脑组织中即可检测到活化的星形胶质细胞，24 h 活化达到峰值。在严重脓毒症时，受损的星形胶质细胞加重神经炎症和认知功能障碍[14]。激活的星形胶质细胞释放多种炎症介质，如TNF-α、IL-1β、IL-6 和IL-18，进一步促进神经炎症的发展。此外，星形胶质细胞与神经元和其他类型胶质细胞参与构成血脑屏障的实质部分，这些细胞控制着BBB 和脑脊液屏障的通透性并调节小胶质细胞的表型和功能[14]。在LPS 刺激下，星形胶质细胞结构重塑，细胞数量减少，末端足丢失，导致BBB 通透性受损甚至破坏[15]；脓毒症使内皮细胞的功能障碍导致紧密连接的完整性破坏，形成跨内皮细胞通道。轻度全身感染或在脓毒症过程的早期阶段，BBB 通透性受损，为非破坏性变化。随着脓毒症的进展，BBB 的改变可能表现为解剖结构的改变，同时发生非破坏性和破坏性变化，如紧密连接完整性的丧失、线粒体损伤、脑内皮细胞凋亡、星形胶质细胞的破坏[16]。这些都促进白细胞、病原体和其他炎症因子通过受损的血脑屏障，加重SAE。

2 SAE 对固有免疫细胞的影响

病原微生物入侵人体后首先遇到由单核-巨噬细胞、自然杀伤细胞、中性粒细胞、树突状细胞等固有免疫细胞组成的机体第一道防线。脓毒症过程中，固有免疫细胞启动细胞内信号传导系统，引起炎症反应。激活的免疫细胞通过释放细胞因子，刺激更多的免疫细胞产生和释放新的细胞因子。大量增加的细胞因子增强了固有免疫细胞的吞噬作用，但同时导致一系列病理改变，如血管内皮细胞损伤、白细胞浸润，免疫细胞募集、凝血系统障碍等，此过程被认为是机体对脓毒症产生过激的免疫反应，致使免疫调控网络失衡、负反馈的缺失和正反馈的不断增强，最终导致器官功能损伤或衰竭[17]。

外界病原体入侵时，单核细胞或巨噬细胞最先响应，其功能状态和分化阶段揭示了天然免疫系统的反应能力。研究证明，SAE 期间中枢神经系统的初期炎性细胞浸润以单核细胞和巨噬细胞为主，浸润的单核细胞或巨噬细胞与小胶质细胞的激活和过度的神经炎症反应密切相关[18]。因此，以炎性单核细胞浸润为靶点抑制小胶质细胞的活化，可改善SAE 的神经炎症反应。

中性粒细胞（polymorphonuclear-neutrophils，PMNs）在炎症早期调控及清除刺激物，是参与机体先天固有免疫应答的重要细胞。PMNs 丰富的表面受体诱导其向病灶区聚集并浸润：甲酰肽受体使其在炎症应急反应时能被病灶内高浓度的甲酰肽趋化至病灶区，补体C3 受体能诱导PMNs 通过血管进入损伤的组织，趋化因子诱导PMNs 向病灶区迁移，到达病灶的PMNs 通过CD32 发挥调理和吞噬作用。在SAE 早期的炎症反应中，中性粒细胞浸润增加，被认为是通过消除受损神经元和改善组织修复的一种保护行为。然而，中性粒细胞的持续积聚并释放炎性细胞因子、增加髓过氧化物酶活性和促进氧化损伤危害脑细胞[19]。

树突状细胞（dendritic cell，DCs）是免疫系统最强大的抗原提呈细胞。在脓毒症的初始阶段，DCs 明显活化并成熟，通过上调表面分子有效地启动适应性免疫系统。然而，随着脓毒症的进展，DCs 的表型发生显著改变，而导致抗菌防御系统紊乱[20]。目前尚无直接证据表明DCs 在SAE 发展过程中的作用和功能，但DCs 的紊乱与多器官功能障碍和脓毒症的不良预后有关[21]。因此，可以推断DCs的功能障碍或许参与了SAE 的发展。

3 神经内分泌免疫网络的调节作用

免疫反应失调是脓毒症发展的主要原因，脑作为各种神经调节通路的指挥中心，与周围器官有着密切的联系，在维持免疫系统功能完整性方面起着至关重要的作用。多种神经内分泌免疫网络的异常反应是导致脑损伤后免疫紊乱的原因。

3.1 胆碱能抗炎通路 胆碱能抗炎通路（cholinergic antiinflammatory pathway，CAP）由存在于外周免疫系统和中枢神经系统之间的迷走神经及其释放的神经递质—乙酰胆碱构成。在机体发生炎症反应时，炎症信号通过胆碱能神经传递至大脑，中枢神经系统通过胆碱能受体的信号整合刺激迷走神经调节乙酰胆碱递质的释放，乙酰胆碱作用于炎性细胞表面的α7 神经烟碱胆碱能受体（α7n ACh R），减少单核-巨噬细胞中促炎细胞因子的释放，从而抑制局部或全身炎症反应。

CAP 是一种生理性神经-免疫调节通路，也是机体免疫调节环路的重要组成部分[22]。CAP 被认为是一种神经保护机制，能够减少全身和大脑炎症，从而进一步减轻激活后的大脑损伤。乙酰胆碱是大脑主要的中枢神经递质，不仅在与免疫相关的细胞（星形胶质细胞、小胶质细胞）中表达，而且在神经元细胞中也广泛表达，可以说是神经元网络中的主要调节剂。另外，在中枢神经系统内，α7n ACh R 广泛表达于小胶质细胞和星形胶质细胞上，在LPS刺激下的小胶质细胞中，激活α7n ACh R 可以抑制细胞因子的释放[23]。星形胶质细胞分泌的胆碱乙酰基转移酶进入胞外后可维持乙酰胆碱的平衡。可以说胶质细胞介导了CAP 对中枢神经系统的作用。在重度脓毒症时，CAP 的功能障碍通常表现为脑内胆碱能神经元大量丧失、迷走神经张力改变，以及Ach-α7nAchR 机制的紊乱，最终导致其抗炎作用和器官保护作用减弱[24]。这表明中枢神经系统功能障碍可能是神经内分泌免疫网络崩溃的重要因素，也是脓毒症诱导免疫抑制的潜在治疗靶点[24]。糟糕的是，脓毒症导致的脑损伤可加重免疫功能障碍，脓毒症诱导的免疫抑制又加重脑损伤，形成恶性循环。

在外周系统中，α7n ACh R 主要分布于巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞上。在巨噬细胞和其他免疫细胞上发现的α7nAChR 对调节抗炎作用至关重要。脓毒症患者α7nAChR mRNA 表达明显增强，并且表达越高，脓毒症患者炎症的控制和预后越好，病情恢复后下降至正常水平。巨噬细胞上的胆碱能受体对乙酰胆碱敏感度极高，神经元性和非神经元性的乙酰胆碱可能通过巨噬细胞及单核细胞参与调节免疫和炎症反应[25]。

3.2 下丘脑-垂体-肾上腺轴 下丘脑-垂体-肾上腺轴（hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA）属于应激系统的神经分支，在炎症平衡中起着关键作用。下丘脑和脑干构成HPA 轴的中心成分并诱导促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）、促肾上腺皮质激素（ACTH）和糖皮质激素水平的改变。HPA 轴的抗炎和负免疫调节作用已被广泛认识。脓毒症早期HPA 轴直接或通过传入迷走神经被激活，激素的释放失去昼夜节律，CRH、ACTH 及皮质醇水平急剧升高；随着病情的加重，由于皮质醇代谢减低、生成增多，出现血中皮质醇浓度急剧升高、ACTH 下降的“激素分离现象”。

HPA 轴在神经炎症发生的早期启动，并在24 h 内恢复到基线水平，形成炎症反应的负反馈机制。据报道，刺激HPA 轴能够限制促炎介质的产生和抑制促炎表型免疫细胞[26]。糖皮质激素对LPS 诱导的啮齿动物巨噬细胞释放细胞因子有剂量依赖性的抑制作用[26]，并且通过直接与转录因子（如核因子-κB）形成复合物，干扰转录因子与促炎症因子的结合，从而使HPA 轴具有抗炎作用，或促进抗炎蛋白的表达，发挥免疫抑制与抗炎效应。然而，随着炎症的持续刺激，下丘脑、垂体、肾上腺等器官器质性的破坏引起肾上腺功能不全或是炎性因子诱导机体组织对皮质醇激素的抵抗，致使皮质醇活性的降低而发生显性免疫抑制作用。

动物实验研究表明，严重脓毒症时，从受损的脑核到外周肾上腺功能障碍，免疫系统的异常反应对HPA 轴功能完整性构成巨大威胁，HPA 轴功能障碍和肾上腺炎症反应加重，致使脓毒症预后不良。此外，持续的炎症刺激使神经炎症反应失控和脑微循环障碍，而导致不可逆的脑损伤。HPA 轴在解决全身炎症和免疫反应中起着至关重要的作用，而不充分的激活是预测危重病人预后的一个关键因素。因此，重建正常的HPA 轴可作为改善脓毒症患者生存和预后的治疗策略。

综上所述，SAE 是脓毒症的常见并发症，脑损伤对脓毒症患者的生存和预后起着至关重要的作用。由于脑是多种神经内分泌免疫网络的指挥中心，因此脑不仅是脓毒症患者的受损器官，而且还是脓毒症继发免疫调节受损的重要参与者。因此，阻断SAE 与免疫失调之间的恶性循环可能是治疗脓毒症导致的免疫抑制的有效策略。