NLRP3炎性小體在術(shù)后認(rèn)知功能障礙中的研究進(jìn)展

楊鑫鑫，董 良，朱昭瓊

(1.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院麻醉科，貴州 遵義 563099；2.遵義醫(yī)科大學(xué)麻醉與器官保護(hù)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563099)

術(shù)后認(rèn)知功能障礙(Post-operative cognitive dysfunction,POCD)主要表現(xiàn)為學(xué)習(xí)記憶受損、信息處理能力下降及注意力減弱，同時(shí)可伴有患者情緒和性格的改變，其病程大多在幾周或幾個(gè)月內(nèi)消失，但少數(shù)患者癥狀可持續(xù)數(shù)年或好轉(zhuǎn)后復(fù)發(fā)[1]。小膠質(zhì)細(xì)胞NLRP3炎性小體激活后釋放白細(xì)胞介素(Interleukin,IL)-1β和白細(xì)胞介素-18(IL-18)等炎性因子，促進(jìn)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)炎癥反應(yīng)的發(fā)生與發(fā)展，導(dǎo)致認(rèn)知功能損傷；抑制NLRP3炎性小體可顯著改善認(rèn)知功能[2]。本文綜述了NLRP3炎性小體在POCD中的最新研究進(jìn)展。

1 術(shù)后認(rèn)知功能障礙

1.1 概念 隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多疾病都可以通過全身麻醉下手術(shù)進(jìn)行治療。目前，老年人在手術(shù)病人中所占的比例逐漸升高，而術(shù)后認(rèn)知功能障礙是老年人術(shù)后面臨的主要健康問題[3]，也是麻醉醫(yī)生面臨快速增多的老齡化人口時(shí)的主要挑戰(zhàn)。手術(shù)患者術(shù)后出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙的現(xiàn)象于1955年由Bedford等[4]進(jìn)行了首次報(bào)道，并于1998年由Moller等[5]正式命名為POCD。近幾年來POCD的概念有所拓展，為方便學(xué)術(shù)交流及臨床診斷，將患者圍術(shù)期1年內(nèi)出現(xiàn)的學(xué)習(xí)記憶能力、定向力、抽象思維能力、注意力及自知力的改變統(tǒng)稱為圍術(shù)期神經(jīng)認(rèn)知功能障礙(Perioperative neurocognitive disorders，PND)[6]。PND常發(fā)生于老齡患者，主要表現(xiàn)為在圍術(shù)期發(fā)生的定向力、學(xué)習(xí)記憶能力、思維能力及自身感知能力等損害，POCD是PND中最常見和表現(xiàn)最明顯的一種類型[7]。

1.2 診斷標(biāo)準(zhǔn) 目前POCD暫無統(tǒng)一診斷標(biāo)準(zhǔn)，國際上通常選取蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(Montreal cognitive assessment，MoCA)、韋氏成人智力量表(Wechsler adult intelligence scale，WAIS)及簡易精神狀態(tài)檢查表(Mini-mental state examination，MMSE)等進(jìn)行神經(jīng)心理學(xué)測試對POCD進(jìn)行初步評(píng)估，并輔以影像學(xué)、電生理、血液生化指標(biāo)等檢查手段進(jìn)行診斷[8]。

1.3 危險(xiǎn)因素及發(fā)病機(jī)制 POCD的發(fā)生主要與麻醉因素、手術(shù)方式和類型以及患者是否高齡等密切相關(guān)。國內(nèi)外針對POCD已展開了大量研究，目前基因?qū)W說、腦損傷學(xué)說、神經(jīng)遞質(zhì)學(xué)說、β-淀粉樣蛋白(β-Amyloid-protein，Aβ)學(xué)說及神經(jīng)炎癥學(xué)說是國際上POCD發(fā)生的主流學(xué)說，但其發(fā)病機(jī)制仍未完全明確[9]。

近年來，神經(jīng)炎癥在POCD中發(fā)揮的作用日益凸顯。正常生理情況下，炎癥是機(jī)體在面臨損傷性刺激時(shí)發(fā)生的一種保護(hù)性反應(yīng)，但當(dāng)炎癥被不正常的放大或變得不受控制時(shí)會(huì)對機(jī)體產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。一項(xiàng)前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，在20年的時(shí)間跨度中反復(fù)發(fā)生炎癥的個(gè)體出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙的可能性更大[11]。大腦作為全身麻醉的靶器官，全身性炎癥反應(yīng)可對大腦產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生的炎癥反應(yīng)幾乎是所有神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的特征[12]，并在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮著尤其重要的作用[13]。神經(jīng)炎癥是機(jī)體固有的一種免疫防御機(jī)制，在維持大腦正常結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)揮了重要作用，但神經(jīng)炎癥也是老年性神經(jīng)退行性病變和造成神經(jīng)元死亡的重要因素[7]。老年動(dòng)物模型發(fā)生神經(jīng)炎癥與認(rèn)知功能障礙密切相關(guān)，而神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)活化的小膠質(zhì)細(xì)胞是炎癥因子的主要來源[14]。神經(jīng)炎癥是一種保護(hù)性免疫反應(yīng)，受到宿主的嚴(yán)格調(diào)節(jié)，炎癥反應(yīng)不足時(shí)可導(dǎo)致持續(xù)感染，而過度炎癥可導(dǎo)致慢性或全身性炎癥性疾病。在生理情況下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)炎癥因子的表達(dá)水平較低，當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)存在感染、手術(shù)刺激或處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，IL-1β及TNF-α等炎性因子表達(dá)水平會(huì)出現(xiàn)不同程度的增高[15]。

2 NLRP3炎性小體

2.1 NLRP3炎性小體概述 當(dāng)機(jī)體遭到病原微生物入侵時(shí)，固有免疫系統(tǒng)立即展開針對病原體的免疫反應(yīng)從而對機(jī)體發(fā)揮保護(hù)效應(yīng)，微生物釋放的病原相關(guān)分子模式(Pathogen-associated molecular pattern,PAMP)或內(nèi)源性應(yīng)激誘導(dǎo)的危險(xiǎn)相關(guān)分子模式(Danger-associated molecular pattern,DAMP)能與免疫細(xì)胞的模式識(shí)別受體(Pattern recognition receptors，PRRs)結(jié)合，激活固有免疫系統(tǒng)，觸發(fā)下游炎癥信號(hào)級(jí)聯(lián)[16]。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體(Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor，NLR)作為免疫細(xì)胞表達(dá)于胞質(zhì)內(nèi)的一種PRRs[17]，可識(shí)別諸如脂多糖、病毒核酸和病毒蛋白等多種PAMPs，同時(shí)還能識(shí)別由機(jī)體損傷產(chǎn)生的DAMPs[18]。其中，NLRP3炎性小體在NLR家族中研究得最為廣泛，其分布于細(xì)胞質(zhì)中，由NLRP3蛋白、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(Apoptosisassociated speck-like protein containing a CARD，ASC)及半胱氨酸天冬氨酸酶-1前體(Pro-caspase-1)構(gòu)成。NLRP3蛋白作為感受器蛋白，由核苷酸寡聚化形成的中間區(qū)域、N端可變效應(yīng)結(jié)構(gòu)域及C端的亮氨酸重復(fù)序列三個(gè)部分組成。核苷酸寡聚化區(qū)域是NLRP3蛋白的主要功能部位，N端可啟動(dòng)下游炎癥信號(hào)，C端發(fā)揮抑制NLRP3蛋白功能，使NLRP3炎性小體處于靜息狀態(tài)，當(dāng)受到PAMPs或DAMPs刺激后NLRP3蛋白發(fā)生構(gòu)象改變，引發(fā)NLRP3炎性小體的激活[16]。

NLRP3炎性小體的激活是一種經(jīng)典的雙信號(hào)模式，主要分為啟動(dòng)和激活兩個(gè)階段。脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)等第一信號(hào)作用于Toll樣受體4(Toll like-receptor 4,TLR4)后通過NF-κB通路進(jìn)而促進(jìn)NLRP3、Caspase-1和IL-1β等組分的合成，為后續(xù)的激活階段提供前體蛋白，該過程即NLRP3炎性小體的啟動(dòng)；由NLRP3炎性小體啟動(dòng)引發(fā)的第二信號(hào)促進(jìn)NLRP3蛋白、ASC與Pro-caspase-1蛋白組裝并轉(zhuǎn)化為Caspase-1，進(jìn)一步促進(jìn)IL-1β和IL-18合成與釋放，引發(fā)炎癥反應(yīng)，稱為炎癥小體的激活[19-21]。NLRP3炎癥小體在老年大鼠中表達(dá)水平升高且表現(xiàn)出過度激活的狀態(tài)[22-23]，其激活后在中樞炎癥反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[24]。NLRP3炎性小體過度激活后可導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，異常激活的NLRP3炎性小體也是各種急慢性神經(jīng)疾病的發(fā)病機(jī)制之一[25]。NLRP3炎性小體活化引發(fā)神經(jīng)炎癥示意圖見圖1。

圖1 NLRP3炎性小體活化引發(fā)神經(jīng)炎癥示意圖

2.2 NLRP3炎性小體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用 研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體激活后發(fā)揮作用僅限于大腦內(nèi)的小膠質(zhì)細(xì)胞[26]。小膠質(zhì)細(xì)胞靜息狀態(tài)下可檢測出現(xiàn)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的PAMPs和DAMPs，活化后可以吞噬病原體、清除細(xì)胞碎片和向T細(xì)胞呈遞抗原，是中樞炎癥中協(xié)調(diào)先天性免疫和適應(yīng)性免疫的橋梁[27-28]，同時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞可通過感知和調(diào)節(jié)突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶機(jī)制對認(rèn)知功能產(chǎn)生影響[29]。研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)空間記憶能力減退的動(dòng)物模型海馬中，小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量增多且活化時(shí)間延長，可延長2周以上[30]，表明小膠質(zhì)細(xì)胞活化異常可引起認(rèn)知功能損傷?；罨男∧z質(zhì)細(xì)胞分為M1型和 M2型。M1型可分泌炎性因子IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor，TNF-α)，引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應(yīng)，對神經(jīng)細(xì)胞造成損害；M2型則對神經(jīng)細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用，其保護(hù)效應(yīng)通過釋放基質(zhì)蛋白及血管內(nèi)皮生長因子實(shí)現(xiàn)。當(dāng)感受到刺激后，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量迅速增多，出現(xiàn)多個(gè)突起的細(xì)胞偽足，釋放TNF-α和IL-1β等炎性因子，產(chǎn)生大量活性氧(Reactive oxygen species,ROS)，誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥，同時(shí)對神經(jīng)炎癥產(chǎn)生放大效應(yīng)[31]。Yang等[32]證實(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)NLRP3炎性小體的激活主要發(fā)生在小膠質(zhì)細(xì)胞，在沉默NLRP3基因后，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)促炎細(xì)胞因子減少，抑制神經(jīng)炎癥的進(jìn)展進(jìn)而減輕組織損傷。同時(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞在NLRP3炎性小體的調(diào)控下可出現(xiàn)以M1型小膠質(zhì)細(xì)胞激活為主的現(xiàn)象，以此增強(qiáng)炎癥反應(yīng)[33]。

3 POCD與NLRP3炎性小體

3.1 NLRP3炎性小體與POCD的關(guān)系 NLRP3炎性小體的激活與POCD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，近年來相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，其不僅直接促進(jìn)POCD的發(fā)生發(fā)展，且與術(shù)后感染、術(shù)后疼痛及術(shù)前精神障礙等密切相關(guān)。在學(xué)習(xí)和記憶功能高度表達(dá)的大腦功能區(qū)域存在著炎癥因子受體的集中表達(dá)，NLRP3炎性小體與相應(yīng)受體結(jié)合后，與學(xué)習(xí)及記憶功能密切相關(guān)的長時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)(Long-term potentiation effect，LTP)受到負(fù)性調(diào)控，進(jìn)而造成相應(yīng)功能的受損[34]。在術(shù)后感染方面，感染可促使機(jī)體出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)，引發(fā)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡和線粒體損傷，同時(shí)各種代謝產(chǎn)物和病原微生物在機(jī)體的積聚造成血腦屏障受損，各種PAMPs和DAMPs進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，激活NLRP3炎性小體,觸發(fā)神經(jīng)炎癥，導(dǎo)致POCD的發(fā)生發(fā)展[2,35-36]。術(shù)后疼痛與POCD的發(fā)生存在一定的聯(lián)系[37]， 由于NLRP3、Caspase-1和IL-1β表達(dá)增加[38]和 NLRP3炎性小體的下游炎性因子IL-18都可誘導(dǎo)動(dòng)物模型出現(xiàn)疼痛[39]，由此推測NLRP3炎性小體可能通過誘發(fā)術(shù)后疼痛進(jìn)而導(dǎo)致POCD。小膠質(zhì)細(xì)胞NLRP3炎性小體作為炎癥反應(yīng)重要的始發(fā)環(huán)節(jié)，可調(diào)節(jié)促炎因子IL-1β的成熟與釋放，分泌大量炎癥因子，促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生發(fā)展，導(dǎo)致認(rèn)知功能損傷，而抑制NLRP3炎性小體的激活可顯著改善認(rèn)知功能[2,40]。NLRP3炎癥小體和IL-1β的過度表達(dá)與神經(jīng)元細(xì)胞死亡相關(guān)[41]，并且可引起與衰老相關(guān)的神經(jīng)病理性改變，敲除NLRP3的所有組分可使機(jī)體免受神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性改變引起的認(rèn)知功能損傷[42]。

針對NLRP3炎性小體的負(fù)性調(diào)控可有效降低POCD的發(fā)生率。綜合現(xiàn)今國內(nèi)外的研究成果，NLRP3炎性小體的負(fù)性調(diào)控可分為對NLRP3炎性小體的抑制、對下游IL-1β的抑制和對自噬的抑制這3各方面。

3.2 NLRP3炎性小體的負(fù)性調(diào)控對POCD的影響

3.2.1 抑制NLRP3炎性小體 MCC95作為NLRP3炎性小體的特異性抑制劑[43]，可抑制ASC的寡聚化阻斷NLRP3炎性小體誘導(dǎo)的IL-1β的釋放[44]，并且對NLRP3-Caspase-1通路產(chǎn)生抑制作用以此發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，進(jìn)而減輕七氟醚誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥和改善認(rèn)知障礙癥狀[45]。最初的研究發(fā)現(xiàn)，在NLRP3炎性小體激活后可觸發(fā)TLR4-NF-κB通路，抑制該通路可明顯減輕異氟醚誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥和隨后發(fā)生的認(rèn)知損害[46]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體損傷可激活NLRP3炎性小體，而利多卡因可通過對線粒體的保護(hù)作用，抑制線粒體產(chǎn)生的ROS和觸發(fā)的NLRP3炎性小體激活，從而緩解異氟醚吸入后出現(xiàn)的認(rèn)知障礙[47]。

3.2.2 抑制下游IL-1β 最新研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)過度激活的NLRP3炎性小體及其下游炎性因子IL-1β介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)參與了由低氧血癥引發(fā)的大鼠認(rèn)知功能障礙的發(fā)生發(fā)展[33]。IL-1β作為NLRP3炎性小體的下游產(chǎn)物，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)對學(xué)習(xí)記憶能力的調(diào)節(jié)關(guān)系密切，在術(shù)后認(rèn)知功能減退大鼠模型海馬中可發(fā)現(xiàn)其含量升高，而IL-1β拮抗劑的應(yīng)用可通過增強(qiáng)海馬的LTP從而改善認(rèn)知功能，同時(shí)可有效緩解動(dòng)物模型術(shù)后出現(xiàn)的行為學(xué)能力缺陷和海馬區(qū)炎癥反應(yīng)[48-49]。有研究證實(shí)，IL-1β介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥可導(dǎo)致海馬神經(jīng)元出現(xiàn)損傷，干擾谷氨酸代謝，影響突觸可塑性，最終導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡，出現(xiàn)學(xué)習(xí)和記憶障礙，抑制IL-1β活性可有效預(yù)防POCD的發(fā)生[50]。大鼠在丙烯酰胺毒性作用下出現(xiàn)的認(rèn)知功能損害也被證實(shí)與小膠質(zhì)細(xì)胞活化誘導(dǎo)的NLRP3炎性小體激活產(chǎn)生的IL-1β密切相關(guān)[41]。

3.2.3 抑制自噬 有研究發(fā)現(xiàn)，自噬也與術(shù)后認(rèn)知能力損傷密切相關(guān)[51-52]。自噬是處于營養(yǎng)物質(zhì)缺乏、應(yīng)激、細(xì)胞衰老或損傷等情況下機(jī)體自發(fā)出現(xiàn)的一種保護(hù)性行為，其在各種神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮了重要作用。對自噬相關(guān)基因的負(fù)性調(diào)控可有效減弱神經(jīng)炎癥，發(fā)揮對認(rèn)知功能的保護(hù)效應(yīng)[53]。有研究發(fā)現(xiàn)，自噬可抑制NLRP3蛋白的磷酸化減少ASC的表達(dá)[54-55]，抑制NLRP3炎性小體的激活。Cao等[56]注意到，自噬功能缺陷和NLRP3炎性小體的表達(dá)增加在阿爾茲海默病的發(fā)展過程中共存，且自噬活性在神經(jīng)炎癥過程中可被NLRP3炎性小體抑制。以上研究提示，NLRP3炎性小體可通過抑制細(xì)胞的自噬行為使神經(jīng)炎癥進(jìn)一步放大，但NLRP3炎癥小體是否通過抑制自噬行為在POCD進(jìn)程中發(fā)揮作用仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

綜上所述，中樞炎癥可促進(jìn)POCD的進(jìn)程，其中NLRP3炎性小體的激活發(fā)揮了必不可少的作用，對NLRP3炎性小體及其下游炎癥因子的負(fù)性調(diào)控可明顯降低POCD的發(fā)病率，這一發(fā)現(xiàn)有望為POCD的預(yù)防與治療提供新思路，也為藥物研發(fā)提供了新方向。

4 小結(jié)與展望

目前國際上針對POCD的發(fā)病機(jī)制已經(jīng)展開了大量研究，但其確切發(fā)病機(jī)制仍不明確。近年來研究發(fā)現(xiàn)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥在POCD的進(jìn)程中起到了重要的作用，其中 NLRP3炎性小體受到了大量關(guān)注，由NLRP3炎癥小體激活誘發(fā)的下游炎癥因子(如IL-1β)表達(dá)水平的增高與中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷時(shí)引起的認(rèn)知功能損害密切相關(guān)。但是NLRP3炎性小體在POCD發(fā)生過程中發(fā)揮作用的具體關(guān)聯(lián)及其機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入研究，以期發(fā)現(xiàn)針對POCD的有效治療及預(yù)防方案。