膿毒癥腦病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

李志強(qiáng)，周藝蕉，楊春燕

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院急癥重癥醫(yī)學(xué)科，昆明 650101)

近年來(lái)，膿毒癥的發(fā)病率以每年2%～8%的速度增長(zhǎng)，病死率高達(dá)35%～65%[1]。膿毒癥和膿毒癥腦病(sepsis-associated encephalopathy，SAE)目前已成為重癥監(jiān)護(hù)病房的常見(jiàn)疾病[2]。膿毒癥及膿毒性休克第三次國(guó)際專家共識(shí)中強(qiáng)調(diào)膿毒癥是機(jī)體對(duì)感染相關(guān)疾病和器官功能障礙的反應(yīng)[3]。SAE與人體應(yīng)對(duì)復(fù)雜病理生理反應(yīng)的能力有關(guān)，而中樞神經(jīng)系統(tǒng)是膿毒癥最早受累的器官系統(tǒng)之一[4]。研究顯示，SAE患者約占重癥監(jiān)護(hù)病房膿毒癥患者總?cè)藬?shù)的70%[5]。目前SAE的早期發(fā)現(xiàn)仍依賴神經(jīng)系統(tǒng)的體格檢查及意識(shí)狀態(tài)評(píng)估，其臨床診斷需排除急性腦血管病變(出血、梗死)、代謝性腦病、中毒、酒精或藥物戒斷、肺性腦病、非驚厥性癲癇發(fā)作以及心、肝、腎等周圍器官衰竭引起的腦功能障礙等。SAE的病理生理復(fù)雜，且其涉及的機(jī)制在大腦中的位置分布不均，因此可能導(dǎo)致特定區(qū)域病變[3]。參與自主控制、覺(jué)醒、意識(shí)和行為的中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到顯著影響，可導(dǎo)致SAE患者表現(xiàn)為記憶力下降、定向障礙、易激惹甚至昏迷等認(rèn)知功能障礙[2]?，F(xiàn)就SAE發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述。

1 炎癥介質(zhì)釋放

在全身炎癥反應(yīng)過(guò)程中，膿毒癥患者的機(jī)體會(huì)產(chǎn)生大量作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞的脂多糖(lipo-polysaccharide，LPS)和誘導(dǎo)大腦炎癥反應(yīng)的一氧化氮，從而激活血管內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞活化，進(jìn)而導(dǎo)致血腦屏障完整性喪失和神經(jīng)炎癥[6]。LPS可激活小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，包括腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)和白細(xì)胞介素(interleukin，IL)等。其中，TNF-α可通過(guò)刺激其他促炎細(xì)胞因子的釋放或直接作用于TNF受體1間接介導(dǎo)LPS引起的SAE[7]。IL-6在LPS誘導(dǎo)的發(fā)熱反應(yīng)過(guò)程中起重要作用，而IL-1β在記憶過(guò)程和行為方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，IL-6和IL-1β可協(xié)同誘發(fā)大鼠發(fā)熱及疾病的發(fā)生[8]。LPS還可通過(guò)誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)的基因轉(zhuǎn)錄，影響內(nèi)毒素血癥引發(fā)的腦功能障礙[9]。由此可見(jiàn)，參與炎癥反應(yīng)的炎癥因子眾多，其共同作用導(dǎo)致SAE的發(fā)展，其中LPS發(fā)揮重要作用。

Hinarejos等[10]研究發(fā)現(xiàn)，活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的過(guò)度產(chǎn)生也可導(dǎo)致過(guò)度炎癥反應(yīng)和神經(jīng)毒性因子釋放，最終導(dǎo)致神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能喪失。同時(shí)，一氧化氮與促炎細(xì)胞因子穿過(guò)血腦屏障后，可與周圍的腦細(xì)胞相互作用，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞活化，從而產(chǎn)生更多的細(xì)胞因子(如一氧化氮和ROS)[11]，進(jìn)而形成惡性循環(huán)，加重腦穩(wěn)態(tài)的失衡。由此可見(jiàn)，機(jī)體內(nèi)的促炎細(xì)胞因子并不是獨(dú)立存在的，而是與其他細(xì)胞因子構(gòu)成一個(gè)整體，在誘導(dǎo)疾病的不同癥狀過(guò)程中起相輔相成或相互抑制的作用。

Pinheiro da Silva等[12]研究發(fā)現(xiàn)，自噬急性炎癥是一種認(rèn)同度較高的SAE的發(fā)病機(jī)制。劉先保等[13]采用核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)拮抗劑干預(yù)SAE模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NF-κB參與血漿和海馬組織的炎癥因子調(diào)節(jié)?？傊摱景Y患者的嚴(yán)重炎癥反應(yīng)過(guò)程可能是導(dǎo)致SAE的重要機(jī)制之一。

2 血腦屏障破壞

血腦屏障是一種將中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周血液系統(tǒng)分隔的特殊物理屏障，可避免有害物質(zhì)通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，為大腦提供穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。參與破壞血腦屏障的炎癥因子主要包括TNF-α、MMP和ROS/活性氮類。TNF-α是膿毒癥的關(guān)鍵介質(zhì)，可直接通過(guò)與TNF受體1結(jié)合，誘發(fā)腦細(xì)胞凋亡[7]。LPS可通過(guò)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶產(chǎn)生ROS和活性氮類，從而激活小膠質(zhì)細(xì)胞，誘導(dǎo)血腦屏障功能障礙[14]。MMP則在細(xì)胞增殖、遷移、分化、血管生成、突觸形成、細(xì)胞凋亡以及宿主防御中起重要作用[15]。因此，由血腦屏障的生理功能推測(cè)，血腦屏障破壞可能參與SAE的發(fā)病過(guò)程。

緊密連接蛋白是血腦屏障的重要組成部分，同時(shí)其還存在一個(gè)假定的MMP切割位點(diǎn)，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞從特定的細(xì)胞外基質(zhì)中游離出來(lái)，這是血腦屏障發(fā)生功能障礙的關(guān)鍵之一[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重膿毒癥患者腦微血管中MMP-2和MMP-9的表達(dá)均上調(diào)，表明MMP-2和MMP-9的活性可能破壞血腦屏障，且MMP與炎癥因子在血腦屏障功能障礙中起相輔相成的作用；同時(shí)該研究還發(fā)現(xiàn)，特定的MMP-2和MMP-9抑制劑可預(yù)防血腦屏障功能障礙和腦部炎癥，但不能改善敗血癥動(dòng)物的認(rèn)知障礙[9]。血腦屏障在膿毒癥時(shí)受到破壞，這種現(xiàn)象在膿毒癥動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭幸训玫津?yàn)證[16]，同時(shí)在膿毒癥患者的磁共振成像檢查中也得到證實(shí)[17]。綜上可知，當(dāng)血腦屏障遭到破壞時(shí)，大量有害物質(zhì)(炎癥因子、內(nèi)毒素等)穿透血腦屏障進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，從而引發(fā)炎癥反應(yīng)以及信號(hào)傳遞和物質(zhì)代謝異常。血腦屏障在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中至關(guān)重要，其被破壞也是SAE的發(fā)病機(jī)制之一。

3 腦微循環(huán)改變與腦缺血過(guò)程

SAE的缺血過(guò)程包括低血壓、微循環(huán)障礙、自主調(diào)節(jié)受損和腦血流量減少，其特征是神經(jīng)血管解偶聯(lián)障礙、血腦屏障破壞和凝血級(jí)聯(lián)激活。SAE患者可能出現(xiàn)心功能衰竭，引發(fā)低血壓，進(jìn)而導(dǎo)致腦部血液循環(huán)障礙。Pierrakos等[18]經(jīng)顱多普勒評(píng)估重癥患者膿毒癥相關(guān)腦病，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SAE患者均出現(xiàn)一定程度的腦灌注不足。有研究發(fā)現(xiàn)，SAE患者腦部血管的自主調(diào)節(jié)能力受到嚴(yán)重破壞[19]。正常人可通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)保持腦血流量恒定，平均全身動(dòng)脈壓為60～150 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)；膿毒性休克患者的腦血流量降低，且其自身調(diào)節(jié)功能受損與譫妄相關(guān)[20]。而腦部血管自主調(diào)節(jié)功能受損可導(dǎo)致腦血流量與代謝需求之間不匹配，從而使平均動(dòng)脈壓降至70 mmHg以下，進(jìn)而導(dǎo)致缺血性損傷[21]。Ehler等[22]的縱向、前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，在SAE患者及動(dòng)物模型腦組織中發(fā)現(xiàn)的缺血性和彌漫性軸索損傷可能是導(dǎo)致SAE患者長(zhǎng)期認(rèn)知功能障礙的神經(jīng)病理改變。由此可見(jiàn)，低血壓、腦微循環(huán)改變、自動(dòng)調(diào)節(jié)能力受損和腦流量減少等導(dǎo)致的腦缺血也是SAE的發(fā)病機(jī)制之一。

4 細(xì)胞代謝應(yīng)激

4.1線粒體功能障礙及氧化應(yīng)激 膿毒癥期間，機(jī)體的新陳代謝和生物能的需求可導(dǎo)致線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激[23]。而線粒體功能障礙的機(jī)制包括線粒體通透性轉(zhuǎn)換、細(xì)胞內(nèi)鈣離子異常、ATP合成酶異常、自由基的產(chǎn)生和積累以及線粒體DNA異常等。而神經(jīng)元對(duì)細(xì)胞過(guò)程(如突觸可塑性和神經(jīng)遞質(zhì)的合成等)的生物能需求依賴于線粒體。膿毒癥患者的早期特征為線粒體合成ATP的功能障礙，因此線粒體功能障礙可導(dǎo)致SAE。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能不全的發(fā)生與膿毒癥及SAE的嚴(yán)重性相關(guān)[24]。正常的細(xì)胞能量主要由線粒體內(nèi)的氧化磷酸化產(chǎn)生，這在許多細(xì)胞過(guò)程中也是不可缺少的，包括能量代謝、鈣穩(wěn)態(tài)、脂質(zhì)生物合成和細(xì)胞凋亡[25]。

氧化磷酸化是機(jī)體內(nèi)代謝物在線粒體內(nèi)膜進(jìn)行氧化過(guò)程中產(chǎn)生的自由能，同時(shí)伴隨ATP合成(磷酸化)的過(guò)程。氧化磷酸化反應(yīng)涉及的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶以及細(xì)胞色素氧化酶等一系列傳遞體統(tǒng)稱為電子傳遞鏈。ROS也在電子傳遞鏈中產(chǎn)生，且發(fā)生膿毒癥時(shí)機(jī)體ROS產(chǎn)生與抗氧化劑的平衡被打破，從而發(fā)生氧化應(yīng)激[26]。有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)消除自由基可以恢復(fù)盲腸結(jié)扎穿刺誘導(dǎo)的SAE模型大鼠的大腦功能障礙[27]。因此，細(xì)胞內(nèi)的線粒體氧化磷酸化功能被破壞可導(dǎo)致能量代謝功能障礙、合成的抗氧化劑減少以及自由基蓄積，進(jìn)而導(dǎo)致膿毒癥患者SAE的風(fēng)險(xiǎn)增加[26]?？傊?，SAE的發(fā)病過(guò)程可能涉及線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激等病理生理機(jī)制。

4.2細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡是指程序性細(xì)胞死亡，包括一系列基因激活、表達(dá)及調(diào)控的主動(dòng)生理過(guò)程。炎癥介質(zhì)在腦內(nèi)大量釋放可導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化并產(chǎn)生一氧化氮和ROS[11]。一氧化氮和ROS不僅可導(dǎo)致前額葉皮質(zhì)和海馬中促凋亡(B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2相關(guān)X蛋白)因子水平增加、抗凋亡(B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2)因子水平降低，還可導(dǎo)致蛋白質(zhì)亞硝基化，同時(shí)抑制線粒體的呼吸鏈功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加[28]。膿毒癥大鼠中樞一氧化氮過(guò)量產(chǎn)生和IL-1β水平升高均可導(dǎo)致缺氧誘導(dǎo)因子-1α水平升高[8]。Oliveira-Pelegrin等[29]研究發(fā)現(xiàn)，盲腸結(jié)扎穿刺誘導(dǎo)膿毒癥模型大鼠巨細(xì)胞神經(jīng)元中缺氧誘導(dǎo)因子-1α、IL-1β、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和細(xì)胞色素C表達(dá)增加可觸發(fā)神經(jīng)元凋亡。由此可見(jiàn)，一氧化氮和ROS等均參與了膿毒癥動(dòng)物細(xì)胞的凋亡過(guò)程。

自噬是一種溶酶體降解途徑，在維持機(jī)體生理穩(wěn)態(tài)的再循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。自噬激活可加重腦出血后的神經(jīng)損傷，該過(guò)程可能與調(diào)節(jié)NF-κB通路有關(guān)，可促進(jìn)炎癥及細(xì)胞凋亡[30]。還有研究發(fā)現(xiàn)，抑制NF-κB和自噬可以減輕SAE大鼠海馬細(xì)胞的凋亡，但兩者對(duì)SAE海馬細(xì)胞凋亡的作用并不是相輔相成的[13]。Hu等[31]研究發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)皮細(xì)胞線粒體絲氨酸蛋白酶Omi/HtrA2具有調(diào)控線粒體細(xì)胞凋亡和保護(hù)血腦屏障的重要作用。因此，調(diào)控Omi/HtrA2蛋白酶的活性可能有利于SAE的治療。

4.3神經(jīng)遞質(zhì)功能障礙及氨基酸異常 當(dāng)神經(jīng)遞質(zhì)釋放增加而其再攝取減少(或不足)時(shí)，突觸間隙中神經(jīng)遞質(zhì)的濃度是發(fā)生興奮毒性過(guò)程的基礎(chǔ)。血腦屏障功能受損導(dǎo)致水轉(zhuǎn)運(yùn)受到干擾，而水轉(zhuǎn)運(yùn)受水通道蛋白4的嚴(yán)格調(diào)節(jié)，導(dǎo)致血管周圍水腫，破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞的終足，從而表現(xiàn)為血腦屏障通透性增加，使不能透過(guò)的假性神經(jīng)遞質(zhì)前體(如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)通過(guò)血腦屏障進(jìn)入腦和脊髓實(shí)質(zhì)內(nèi)，進(jìn)而生成假性神經(jīng)遞質(zhì)[32]；同時(shí)，迷走神經(jīng)元損傷可導(dǎo)致γ-氨基丁酸受體[33]和膽堿[34]釋放減少。血腦屏障功能障礙和迷走神經(jīng)受損均可導(dǎo)致機(jī)體合成的正常神經(jīng)遞質(zhì)減少，使SAE患者出現(xiàn)意識(shí)狀態(tài)和認(rèn)知的改變。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，膿毒癥大鼠腦內(nèi)的氨基酸譜會(huì)出現(xiàn)紊亂，芳香族氨基酸通過(guò)受損的血腦屏障，導(dǎo)致全身炎癥大鼠的精神狀態(tài)發(fā)生改變[35]。研究發(fā)現(xiàn)，SAE患者芳香族氨基酸水平升高，而支鏈氨基酸水平降低[36]?？傊?，機(jī)體腦內(nèi)的氨基酸紊亂與SAE的發(fā)生有一定相關(guān)性。

Borovikova等[37]發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)也參與機(jī)體炎癥反應(yīng)的調(diào)控，相關(guān)的調(diào)控途徑稱為“膽堿能抗炎通路”，即迷走神經(jīng)通過(guò)傳入神經(jīng)纖維感知外周炎癥并形成炎癥信號(hào)，然后將炎癥信號(hào)傳至中樞神經(jīng)系統(tǒng)并刺激迷走神經(jīng)末梢釋放乙酰膽堿，乙酰膽堿再與外周巨噬細(xì)胞表面的α7煙堿型乙酰膽堿能受體結(jié)合，調(diào)控炎癥反應(yīng)。由此可見(jiàn)，阻斷膽堿能抗炎通路中的任一環(huán)節(jié)均可導(dǎo)致炎癥反應(yīng)惡化。黃鑫怡等[38]發(fā)現(xiàn)，SAE小鼠的海馬α7煙堿型乙酰膽堿能受體表達(dá)降低，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)“失控”，從而形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙，甚至神經(jīng)元死亡。

5 其他發(fā)病機(jī)制

除上述發(fā)病機(jī)制外，神經(jīng)信號(hào)通路也可能參與SAE的發(fā)病。通過(guò)建立膿毒癥小鼠模型發(fā)現(xiàn)，Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1/混合譜系酶3/p38信號(hào)通路[39]和S100β/晚期糖基化終末產(chǎn)物/NF-κB信號(hào)通路[40]等也參與SAE的發(fā)病。研究發(fā)現(xiàn)，G蛋白偶聯(lián)受體激酶2(G protein-coupled receptor kinase 2，GRK2)和滑膜蛋白1可能對(duì)SAE的診治有臨床價(jià)值，高表達(dá)的GRK2是LPS誘導(dǎo)小鼠細(xì)胞氧化和亞硝化應(yīng)激的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，因此GRK2抑制劑對(duì)膿毒癥相關(guān)神經(jīng)組織損傷的有益作用可能有助于降低膿毒癥患者的病死率；而滑膜蛋白1通過(guò)誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的犬尿氨酸轉(zhuǎn)換為神經(jīng)保護(hù)性的犬尿喹啉酸而起保護(hù)作用[41-42]。有研究指出，血紅蛋白和神經(jīng)珠蛋白也可能對(duì)SAE有輔助治療作用[43]。還有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂抑制劑1可能通過(guò)抑制鳥(niǎo)苷三磷酸動(dòng)力蛋白酶1以及活化鳥(niǎo)苷三磷酸動(dòng)力蛋白酶1二磷酸化，導(dǎo)致小鼠患SAE的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低[44]。最新研究證實(shí)，內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)蛋白對(duì)體外炎癥反應(yīng)、神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激以及盲腸結(jié)扎穿刺誘導(dǎo)膿毒癥動(dòng)物模型大鼠海馬線粒體功能均具有保護(hù)作用，同時(shí)還可有效預(yù)防盲腸結(jié)扎穿刺大鼠的長(zhǎng)期認(rèn)知功能障礙[45]。

6 小 結(jié)

SAE是膿毒癥患者的一種危急并發(fā)癥，患病率和病死率均較高。隨著對(duì)SAE研究的不斷深入，研究者對(duì)SAE的發(fā)病機(jī)制有了一定認(rèn)識(shí)，但具體的發(fā)病機(jī)制和病理生理特點(diǎn)目前仍未明確。目前對(duì)SAE發(fā)病機(jī)制的探索大多集中于動(dòng)物研究，但是否適用于人類還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，臨床上醫(yī)護(hù)人員對(duì)SAE的早期識(shí)別還僅依賴于大量的主觀意識(shí)狀態(tài)的評(píng)分，易造成漏診或誤診。因此，SAE標(biāo)準(zhǔn)化的病理生理機(jī)制仍是未來(lái)研究的目標(biāo)，對(duì)于全面剖析SAE的發(fā)病原因及診療過(guò)程均具有重要意義，同時(shí)有利于提高臨床醫(yī)師對(duì)SAE的認(rèn)識(shí)。