脓毒症相关性脑病发病机制的研究进展

白洪梅(综述)，杨秀芬(审校)

(河北医科大学第一医院重症医学一科，河北 石家庄 050031)

脓毒症是全球重症监护室的常见危重病，发病率及病死率圴较高，给社会及家庭带来了沉重的医疗负担。据统计，全世界每年脓毒症患病人数近3 000万，发病率呈不断上升趋势，其病死率远超1/4，存活的患者中有近300万存在不同程度的认知功能障碍[1-2]。脓毒症是宿主对感染反应失调导致的威胁生命的器官功能障碍[3]，是一种全身性失调的炎症反应，对各个器官系统都有深远的影响，其中，中枢神经系统是常见受累部位。在无直接中枢神经系统感染和其他可能脑功能障碍原因的情况下，感染引起的弥漫性脑功能障碍被称为脓毒症相关性脑病(sepsis associated encephalopathy，SAE)[4]。有研究表明，高达70%的脓毒症患者发生了SAE，且经常是在疾病早期其他器官受累之前就已经发生[5-6]，临床表现为从轻度谵妄至重度昏迷甚至死亡等不同程度的脑功能紊乱，随后还可能会遗留长期的认知、记忆下降等神经损害[7]。并因此造成总住院时间延长、伤残率及病死率升高，严重影响了预后，给患者家庭和卫生保健系统带来了巨大的经济负担[8]。尽管SAE的发病率如此之高、社会影响如此之大，但其确切的病理生理机制至今尚不完全清楚。目前普遍认可的几大机制是：神经炎症、细胞应激、血脑屏障破坏、血流调节异常、代谢紊乱。现本文就SAE发病机制的研究进展予以综述。

1 神经炎症

1.1细胞因子作用于中枢 创伤、感染等因素导致脓毒症患者体内炎症反应失调，炎症系统被过度激活，大量的炎症介质释放，形成细胞因子风暴作用于中枢神经细胞，由此引起谵妄等异常精神心理表现可能在SAE的发病机制中扮演着重要的角色。在病原体入侵后，机体启动炎症反应，抗原提呈细胞通过模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)识别病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)。PAMPs和PRRs之间的相互作用激活了促炎通路，促进肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)、白细胞介素(interleukin,IL)-1和IL-6等脓毒症早期炎症因子和晚期促炎介质如高迁移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)的表达[9]。已有研究证实，促炎细胞因子在脑中的表达增加[10]，特别是在海马、下丘脑、自主神经核中，其增加与SAE患者的神经毒性反应相关，或直接作用，或通过氧化应激作用[11]。该炎症信号向大脑传递主要通过迷走神经和脑室周围器官(circumventricular organs，CVO)这2条途径，因迷走神经大部分传入纤维终止于孤束核，孤束核与其他自主神经和下丘脑室旁核存在广泛联系，遂此过程又涉及边缘系统、下丘脑-垂体轴、蓝斑-去甲肾上腺素能系统[12]。一方面，细胞因子可通过自主神经将炎症信号传递到延髓自主核。另一方面，炎症介质可通过血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)受损区域及缺乏BBB的CVO被动进入大脑,并在下丘脑核、海马体、杏仁核和脑干的自主神经核等更深的大脑区域进展，进而通过下丘脑核附近的血管和蓝斑的相关受体介导的内吞作用穿过BBB。如IL-1可通过刺激迷走神经影响脑干、边缘系统和下丘脑，引发食欲不振、情绪变化和认知障碍等病理行为；TNF-α通过影响色氨酸代谢，降低 5-羟色胺水平，进而导致抑郁症发生；IL-1、IL-6和TNF等细胞因子可激活大脑内皮细胞或小胶质细胞合成前列腺素E2，激活视前核引起发热，并通过下丘脑-垂体-肾上腺轴增加皮质醇的产生，造成患者的情感障碍；同时，IL-1、TNF或HMGB1直接激活或损伤神经元后激活小胶质细胞和星形胶质细胞，还可以进一步产生促炎因子，放大脑内的炎症反应，导致该过程的恶性循环[13-14]。已有动物实验研究指出，降低炎症细胞因子的水平，可改善脓毒症后小鼠的认知功能及空间学习记忆[15]。但相关具体机制有待进一步研究。

1.2补体级联反应的参与 补体级联反应一直被认为在炎症疾病中发挥着关键作用。当病原体入侵机体后，补体系统在一定程度上帮助机体对抗感染、清除炎症介质。虽然在脓毒症期间补体的激活在某种程度上是有益的，但被发现其过度激活将导致促炎因子及活性氧的产生、细胞凋亡、免疫反应崩溃、凝血系统恶化、血脑屏障破坏甚至多器官衰竭等不利影响[16]。已有研究发现，补体级联反应的激活与脓毒症患者的致命结局相关。而补体激活在大脑众多炎症、退行性疾病、急性和慢性疾病中也得到证实。其中补体C3、C5可能与脓毒症相关性谵妄相关。补体级联激活导致关键蛋白C3和C5的裂解，C3上调导致血脑屏障破坏和神经胶质细胞的激活，诱导TNF、IL-1、IL-6、IL-18的释放和水通道蛋白4的高表达，加剧神经炎症及脑水肿[17]。C3裂解形成C3a和C3b，导致C5a的产生，C3b、C5b启动膜攻击复合物的组装，可导致细胞凋亡。过敏毒素C5a是血脑屏障功能障碍和神经炎症的关键中介物，已有动物实验研究表明，阻断C3、C5a可以降低室旁核和杏仁核的神经元活化、逆转血脑屏障的功能障碍，恢复脓毒症脑的免疫和内分泌稳态，使脓毒症小鼠仅表现为轻微的炎症反应、细胞凋亡及脑水肿[18-19]，这也提示了补体系统在SAE发病机制中起到一定作用。

2 细胞应激

2.1氧化应激 氧化应激在脓毒症发生发展中发挥着不可忽视的作用，并且发生在脓毒症病程早期，是造成免疫细胞功能失衡和失调的重要因素。其所造成的氧化损伤可能参与脓毒症发展过程中中枢神经系统症状的发展，甚至是SAE。在脓毒症初始阶段的全身炎症反应中产生的大量活性氧与氮物质，启动脑血管与脑实质中的脂质过氧化，在脑内进一步产生自由基，招募炎症介质，引起局灶性炎症，损害大脑的氧化代谢，诱导某些区域的神经元凋亡，从而导致认知功能缺损等SAE的症状。此外，过氧化氢还参与调节与全身炎症免疫激活相关的途径，促进TNF、IL-6和IL-1等促炎因子的分泌，加重炎症过程[20]。基于此机制的提出，Xie等[21]通过动物实验研究证实，抗氧化应激物质的激活可阻断巨噬细胞的炎症信号，减少脓毒症炎性反应，减轻脑损伤，进一步从侧面证实氧化应激过程在SAE发生中的关键作用。此外，SAE时由于过氧化物与抗氧化系统的严重失衡所导致的氧化应激损伤与脑功能障碍，持续存在于脓毒症整个过程，并可能在痊愈后持续存在，因而也被认为是脓毒症后长期神经损害的机制之一。

2.2线粒体功能障碍 线粒体是能量供应场所，为机体代谢提供ATP，还有调节细胞内钙离子、活性氧的产生、细胞自噬等功能。线粒体功能障碍在脓毒症脑病中通过多种机制发生，包括线粒体融合/分裂比失衡以及线粒体转运异常相关的线粒体结构改变、电子传递呼吸链阻断、轴突功能受损等[22]。线粒体一旦受损，机体各组织器官尤其是中枢神经系统氧利用能力下降，加重缺氧性损伤，促进氧化应激、代谢紊乱和细胞凋亡。Hiengrach等[23]通过动物实验证实，线粒体解偶联剂BAM15可通过抑制脂多糖诱导的线粒体损伤、减弱大脑巨噬细胞炎症反应，从而改善神经元功能，并因此被提议作为脓毒症尤其是SAE的辅助治疗方法。近年来尚有学者利用线粒体移植技术调节小胶质细胞的表型转化，抑制促炎因子的分泌，改善了脓毒症小鼠的认知障碍[15]。提示线粒体功能障碍在SAE的发病机制中起着重要作用，可能是SAE的潜在治疗靶点。

2.3细胞凋亡与焦亡 细胞凋亡是细胞在一定的生理或病理条件下，受多种基因精准调控的主动、程序化的死亡过程，是机体重要的自稳调节机制；细胞焦亡是炎症性程序性细胞死亡，由微生物感染和内源性损伤相关信号诱导，依赖天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase-1、4、5、11 )切割 Gasdermin D(GSDMD)活性 N -末端片段(GSDMD-NT)，在细胞质膜中形成裂孔、释放促炎因子(IL-1β、IL-18)，是宿主抵抗病原体感染的天然免疫防御机制。越来越多的研究表明，细胞凋亡、焦亡与脓毒症息息相关。尤其在血脑屏障受损部位比正常脑组织中发生更多的神经元凋亡[24]，在该过程中，线粒体Bax调控基因和线粒体细胞色素C起着重要作用。Xu等[25]在脓毒症小鼠模型中证实caspase-1抑制剂抑制GSDMD及GSDMD-NT能减少大脑细胞凋亡，同时也减少脓毒症小鼠血清和脑组织中IL-1β和TNF-α的表达，从而减少小胶质细胞的活化、减轻血脑屏障的破坏，改善脓毒症小鼠的认知功能，对SAE小鼠产生脑保护作用。

2.4小胶质细胞活化与星形胶质细胞增生 小胶质细胞是中枢神经系统中高度特化的巨噬细胞样免疫细胞群，可介导神经保护和神经毒性作用，负责维持中枢神经系统的稳态。中枢神经系统受损后，小胶质细胞活化迅速增殖、表型极化并迁移到受损部位，分泌IL-1β、TNF-α等大量促炎因子[26]，破坏BBB，这进一步增强了小胶质细胞的激活，造成恶性循环，最终加剧神经元损伤。Zhao等[27]发现，出现学习记忆障碍的脓毒症小鼠的海马区存在小胶质细胞过度激活，其机制可能与核因子κB信号通路相关。Wang等[28]与其研究结果一致，并进一步通过抑制小胶质细胞活化过程改善了SAE小鼠认知障碍。

星形胶质细胞是中枢神经系统的关键稳态细胞，具有广泛的功能，包括离子稳态和神经递质代谢、液体平衡、神经元的产生、突触连接与可塑性的维持等，同时，星形胶质细胞是形成BBB的实质部分，因与神经元和其他胶质细胞联系密切而成为中枢神经系统的主要守护者，控制BBB的通透性并调节小胶质细胞的活化[29]。SAE时炎症因子浸润脑实质导致微脓肿形成，细菌和内毒素激活星形胶质细胞，可形成致密保护网阻止炎症扩散，但同时也可能出现反应性星形胶质细胞水肿、增生、变性，功能丧失，导致病灶周围实质水肿，加剧神经毒性[30]。Mithaiwala等[31]证实，星形胶质细胞功能失调是许多中枢神经系统疾病的共同证据，并强调了星形胶质细胞中一些靶向过程，为SAE潜在治疗药物的开发提供了思路。

3 BBB功能障碍

BBB是由脑血管内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞和周围小胶质细胞通过紧密连接形成的脑实质与脑循环之间具有高度选择性的界面，参与大脑血流的调节，为大脑提供必要的营养物质，并可有效限制有害物质侵入中枢神经系统，维持大脑微环境的稳态。脓毒症期间IL-1β和TNF-α等炎症因子通过干扰紧密连接和内皮细胞的通透性使BBB受损，出现水通道蛋白4调控的水运紊乱，导致血管周围水肿，破坏星形胶质细胞足端，大脑摄取芳香族氨基酸增加[5]，进而出现精神状态的改变。该过程与胶质细胞激活、内皮细胞功能障碍、鞘脂代谢和线粒体功能障碍密切相关，并形成BBB功能障碍与神经元损伤相结合的恶性循环[20]，这可能是SAE的重要机制之一。Chen等[32]在构建的SAE活体大鼠模型中证实，转录调节因子Maf1通过显著减弱IL-1β、IL-18、炎症小体NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)的释放及紧密连接蛋白的破坏，保护了BBB的完整性，并最终改善了认知障碍。因此，了解脓毒症期间BBB完整性破坏的机制对于SAE的诊断及治疗策略的实施至关重要。

4 血流调节异常

脑血流异常是SAE发展过程中的一个重要因素。一方面，脓毒症休克时心排出量下降可导致脑组织血流灌注不足，一氧化氮相关的脑动脉自身调节失调也会导致脑灌注减少；另一方面，BBB受损所致的血管周围组织水肿造成的血管压迫也将在一定程度减少脑灌注。脓毒症患者的血管内皮存在不同程度的损伤，机体促凝因子与抗凝因子失衡，发生多微血栓、小血管阻塞，甚至弥散性血管内凝血，造成微循环障碍，最终导致神经元缺氧和凋亡[33]。临床研究证实，脓毒症患者的大脑自我调节发生改变，血流和新陈代谢失去耦合，脑血管对CO2的反应紊乱，因而加剧脑组织缺氧及器官损害，发生谵妄等一系列神经精神症状[34]。

5 代谢紊乱

脓毒症期间BBB功能受损导致通透性增加，使得炎症细胞因子、代谢产物、毒物、神经活性物质等转运出现异常，导致大脑代谢紊乱，并可能在SAE的发病机制中起作用。其中血清和大脑氨基酸及神经递质的变化尤为显著，这种变化又与肠道菌群紊乱、肠脑轴调节异常相关[35]。例如，色氨酸是大脑内环境稳定的关键氨基酸，穿透BBB后被分解代谢为5-羟色胺，可作为一种重要的神经递质参与调节神经心理过程。支链氨基酸与芳香族氨基酸比例失调也参与SAE的发病过程，即脓毒症时大脑摄取芳香族氨基酸过多，造成假性神经递质增多、神经递质紊乱，抑制中枢神经系统去甲肾上腺素途径，引发嗜睡甚至昏迷等神经精神症状。胆碱能途径失调也与SAE的发病有关。脓毒症时，迷走神经可将炎症信号传递至中枢神经，并刺激迷走神经末梢释放乙酰胆碱来参与调控炎症反应。SAE小鼠海马区的乙酰胆碱受体表达降低，迷走神经胆碱能抗炎通路受抑制，致使炎症反应失控，最终导致神经功能障碍[36]。

6 结 语

SAE是脓毒症患者中的一种危重情况，患者病死率高、预后差，即便有幸存活也常伴有认知障碍，严重影响着脓毒症患者的长期健康，已成为公共卫生日益沉重的负担。上述有关SAE的各种机制平行参与、相互影响，共同导致了SAE的发生与发展。但对于其详细机制至今尚未完全阐明，且因缺乏特异性诊断方法，该疾病漏诊率极高。因此，探索SAE的潜在发病机制，进而寻找敏感度和特异度更高的诊断相关生物标志物，甚至找出SAE发病的关键靶点，实施特异性阻断，并帮助制定预防策略，可能是后续相关研究中最值得探索的目标和最有研究价值的方向，对于改善SAE的临床诊断及治疗现状意义重大。