細胞自噬在膿毒癥腦損傷中作用的研究進展

劉方燕， 付湘云， 羅 濤， 劉志剛

(武漢大學人民醫(yī)院麻醉科， 湖北 武漢 430060)

膿毒癥實質是宿主對感染反應的失調，涉及反應不足及反應過度，臨床上易導致急性器官功能障礙而引發(fā)較高的死亡率，給患者及其家屬帶來沉重的經濟負擔。全身膿毒癥時，患者可表現為SIBD。SIBD發(fā)病機制較多，涉及神經遞質功能障礙、大腦炎癥、缺血性病變、微膠質激活和血腦屏障功能障礙等[1]。此前認為，自噬可以通過調節(jié)炎癥反應對膿毒癥腦損傷起到保護作用。而更多研究發(fā)現，自噬對膿毒癥腦損傷的影響遠不止于此，為進一步探討兩者間的關系，現就自噬在膿毒癥腦損傷發(fā)病機制中的作用進行綜述。

1 膿毒癥腦損傷的相關機制

全身膿毒癥發(fā)生時，中樞神經系統(tǒng)(CNS)較易受累，70%的膿毒癥患者會出現SIBD，是最常見的與膿毒癥相關的器官功能不全。膿毒癥腦損傷機制涉及如下幾個方面：

1.1血腦屏障破壞 血腦屏障(BBB)是一種物理和代謝屏障，可選擇性介導中樞神經系統(tǒng)與外周系統(tǒng)之間的交換，對穩(wěn)定腦組織生理環(huán)境，保護中樞神經系統(tǒng)免外界侵害具有重要作用。膿毒癥時基質金屬蛋白酶(MMP)表達上調可加速降解細胞外基質，破壞血腦屏障，而抑制MMP-2、MMP-9表達后可明顯改善膿毒癥導致的血腦屏障破壞，改善認知障礙[2]。血腦屏障中的緊密連接蛋白3(claudin-3)等同樣對防止或減輕膿毒癥誘導的腦損傷有重要作用。此外，盲腸結扎穿刺(CLP)誘導的大鼠膿毒癥模型顯示,中性粒細胞可受蛋白激酶C超家族的蛋白激酶C-δ (PKC-δ)顯著調控,協(xié)助破壞BBB并進入腦內引發(fā)神經炎性反應,進一步加重血腦屏障的破壞[3]。膿毒癥時發(fā)生氧化應激可改變電子傳遞鏈而影響線粒體的呼吸功能，促使血腦屏障內皮細胞和基質金屬蛋白酶遭受長時間的氧化損傷。

1.2炎癥介質:膿毒癥腦損傷發(fā)生時，腦內可出現急性炎性反應和氧化應激性損傷。全身炎癥反應可誘導腦內小膠質細胞和星形膠質細胞的激活，釋放促炎細胞因子和趨化因子如腫瘤壞死因子-α (TNF-α)，白細胞介素-1β (IL-1β)和白細胞介素-6 (IL-6)等，從而介導腦內大量炎性介質的產生，最終誘發(fā)神經細胞凋亡和神經系統(tǒng)的能量障礙導致認知障礙。而大量炎性細胞因子和內毒素可誘導腦內活性氧(ROS)和活性氮(RNS)的失衡，進一步加重腦損傷[4]。

1.3線粒體功能障礙:線粒體功能障礙是膿毒癥相關腦功能障礙重要的發(fā)病機制之一。在小鼠CLP模型中，線粒體氧化磷酸化水平降低，細胞色素C氧化酶含量減少，線粒體功能受到損害。膿毒癥時腦組織線粒體功能受損,氧化應激水平增高，活性氧(ROS)生成增加而觸發(fā)神經元凋亡和炎癥反應，造成腦損傷。線粒體功能障礙可導致長期記憶功能障礙，刺激線粒體動力學可以減輕膿毒癥誘導的認知功能障礙。

1.4小膠質細胞活化:小膠質細胞是腦內主要的免疫細胞。膿毒癥急性期小膠質細胞可被炎癥介質、鄰近細胞及神經遞質激活，引起大腦神經元功能障礙。活化的小膠質細胞存在M1及M2兩個表型,M1型小膠質細胞活化后有助于IL-1β、IL-6、TNF-α等的分泌，從而加重膿毒癥期間的神經炎癥反應。

1.5免疫抑制:適度的免疫反應可調節(jié)炎癥反應，而膿毒癥期間機體免疫系統(tǒng)往往失調，成為引發(fā)腦功能障礙的重要原因之一。免疫抑制在膿毒癥發(fā)病機制中起著至關重要的作用，包括初始的過度激活的炎癥反應以及過度炎癥反應后的延遲免疫抑制。

2 細胞自噬

細胞自噬是一種由各種細胞應激條件所誘導，在所有真核生物中高度保守的細胞降解和循環(huán)過程，主要具有細胞保護功能[5]。哺乳動物細胞有三種主要類型的自噬:微自噬、巨自噬和分子伴侶介導的自噬。與微自噬和分子伴侶介導的自噬不同，巨自噬需重新合成雙膜囊泡-自噬體，用于隔離內容物并隨后將其運輸至溶酶體。在正常生長條件下，巨自噬作為一種細胞保護機制，可以選擇性降解受損或多余的細胞器，如受損的線粒體。然而，過度的自噬也可能是有害的。自噬體的形成過程可以分為起始、延伸和成核三個連續(xù)的階段。自噬過程主要受磷脂酰肌醇3激酶及mTOR信號通路的調節(jié)。營養(yǎng)充足條件下，溶酶體中的mTORC1會磷酸化 Ulk1 Ser 757 以及中斷 Ulk1 和 AMPK 之間的相互作用來阻止 Ulk1 激活，從而抑制自噬的發(fā)生。但在饑餓或應激條件下，mTORC1則被抑制，溶酶體- mTORC1結合受阻，AMPK通過Ser 317和Ser 777的磷酸化直接激活Ulk1，促使自噬的發(fā)生。成核由VPS34和Beclin-1配合進行。最后則由Atg5-Atg 12-Atg16L和LC3II- PE偶聯(lián)物實現其延伸。病原體感染時，胞漿內可出現自噬體，LC3Ⅱ作為自噬體標記蛋白，可由LC3Ⅰ轉化而來。

3 自噬與膿毒癥

3.1自噬與膿毒癥炎癥和免疫反應:自噬可調節(jié)膿毒癥炎癥及免疫反應。膿毒癥中的自噬水平升高可調節(jié)巨噬細胞活性，避免體內炎癥反應過度激活，從而對機體起到保護作用。有研究表明自噬可誘導中性粒細胞形成中性粒細胞細胞外陷阱，改善膿毒癥小鼠的生存率[6]。在小鼠盲腸結扎和穿刺(CLP)模型中，與對照組相比，淋巴細胞特異性缺失Atg5或Atg7的小鼠死亡率增加，免疫功能障礙和T細胞凋亡水平上升，這表明缺乏自噬會促進膿毒癥誘導的后天免疫抑制。

3.2線粒體自噬與膿毒癥:線粒體功能障礙目前被認為是膿毒癥引起的器官衰竭的重要因素，可減少細胞能量供應并增加氧化應激。線粒體結構和功能的損傷，與胞質鈣離子升高、活性氧(ROS)水平增加、促凋亡因子和線粒體DNA (mtDNA)的大量釋放有關，這一方面激活炎性小體介導的炎癥反應，加重氧化應激，另一方面也引發(fā)了線粒體自噬[7]。激活的線粒體自噬可以將受損線粒體通過溶酶體降解途徑消除，從而減輕氧化應激帶來的損傷。

4 自噬在膿毒癥腦損傷中的作用及其機制

膿毒癥時腦組織皮質及海馬區(qū)在電鏡下均可觀察到自噬體形成增加，提示自噬的發(fā)生。適度的自噬作為機體的一種自我保護機制，可以調節(jié)神經系統(tǒng)炎癥反應，減輕膿毒癥腦損傷，而自噬不足或自噬過度都將帶來一定的損害。

4.1自噬對膿毒癥腦損傷的保護作用:在膿毒癥小鼠腦損傷模型中，當自噬水平降低時，海馬細胞可出現輕度水腫、功能紊亂等。一些長鏈非編碼RNA可通過調節(jié)皮層神經元的自噬水平來保護膿毒癥腦損傷。Luo及Jin等指出，SESN 2 可通過激活 AMPK/mTOR 信號通路，提高自噬啟動蛋白ULK1的水平，增強海馬神經元自噬以減輕膿毒癥小鼠的腦損傷[8]。自噬對改善腦功能障礙可能涉及如下幾個方面：

4.1.1機體在正常情況下，由小膠質細胞介導的神經炎癥反應對CNS是保護性的，而當膿毒癥發(fā)生時，過度激活的小膠質細胞促進了大量炎癥介質的產生，成為誘導膿毒癥腦損傷重要機制之一。研究表明LPS可誘導小膠質細胞過度激活而產生神經炎癥，當小膠質細胞自噬水平升高時可減輕神經炎癥反應[9]。另外，氫可通過mTOR-自噬信號通路調節(jié)小膠質細胞自噬水平來減輕膿毒癥引起的神經炎癥。而CXCR5可以通過p38MAPK/NF-κB/STAT3信號通路來抑制膿毒癥期間海馬微膠質細胞的自噬，加重炎癥反應，導致認知功能障礙[10]。因此早期干預自噬，適度增強自噬水平可能成為神經炎癥性相關疾病潛在的治療方法。

4.1.2線粒體自噬可作為減輕膿毒癥相關腦功能障礙的重要機制。膿毒癥時線粒體損傷可激活線粒體自噬(mitophagy)，一方面，通過影響內皮細胞和血腦屏障的功能，增強的線粒體自噬有可能對膿毒癥血腦屏障破壞起到保護作用[11]。另一方面，線粒體自噬有助于消除損傷的線粒體，維持線粒體內環(huán)境穩(wěn)定，從而減輕膿毒癥腦損傷的氧化應激水平以及神經炎癥反應[12]。一些增強線粒體自噬，改善線粒體動力學的藥物將會對膿毒癥相關腦功能障礙的治療，尤其是對改善長期認知功能障礙產生巨大影響。

4.1.3自噬可以減輕膿毒癥腦損傷的炎癥損傷。自噬具有抗炎作用，通過調節(jié)天然免疫信號通路和炎癥活性來抑制促炎癥過程。高遷移率蛋白1(HMGB1)可激活各種受體從而誘發(fā)炎癥、促進細胞因子生成和招募免疫細胞，加重膿毒癥腦損傷，目前有研究證明，其分泌水平與細胞自噬相關[13]。而海馬神經元自噬過程本身可受細胞因子如NF-kB調節(jié)。膿毒癥大鼠海馬神經元的自噬過程可能被NF-kB信號通路的激活所阻斷。抑制NF-kB信號通路可增強自噬水平，減輕膿毒癥海馬神經元的病理損傷。

4.1.4膿毒癥會引發(fā)復雜的免疫反應，隨后出現免疫抑制現象。免疫反應在膿毒癥腦損傷發(fā)病機制中也有重要作用，IRGM1是免疫相關GTP酶家族的成員，是 Golgi 復合體中發(fā)現的一種干擾素誘導的細胞內蛋白，涉及多種生物學功能，包括細胞介導的免疫反應和免疫調節(jié)。在膿毒癥腦損傷相關模型中，IRGM1在神經元中的表達會上調，可通過激活 p38 MAPK 信號通路誘導細胞自噬以包裹、降解清除有害成分，避免神經元遭受進一步損傷[14]。 IFN-γ有可能作為其上游信號參與其介導的神經元自噬。研究膿毒癥引起的免疫功能障礙將為膿毒癥的免疫治療領域提供重要依據。

4.2自噬不足或自噬過度加重膿毒癥腦損傷:研究表明，LPS可通過P38-MAPK信號通路抑制自噬通量，導致不完全自噬，自噬不足反而會加重神經炎癥[15]。不僅如此，過度的自噬也可能因導致巨噬細胞死亡，從而加劇全身炎癥反應。有研究指出自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤減輕了膿毒癥小鼠器官炎性損傷，自噬激活劑雷帕霉素反而升高了其體內炎性因子水平，加重組織損傷[16]。而異丙酚通過Ca2+/CaMKKβ/AMPK/mTOR 信號通路抑制自噬起到了神經保護作用[17]。由此可見，自噬對于膿毒癥是一把雙刃劍，自噬不足時，清除細胞內有害物質的能力不足，膿毒癥腦損傷持續(xù)存在；自噬過度時，可能直接參與了神經細胞的損傷，加重腦功能障礙。

綜上，自噬與膿毒癥腦損傷之間存在聯(lián)系，但具體機制還有待于進一步研究，雷帕霉素因可增強自噬，起到神經保護的作用，逐漸成為治療膿毒癥誘發(fā)認知障礙的潛在有效治療藥物。而小劑量地塞米松也被證明可通過調節(jié)膿毒癥皮層神經元的自噬水平發(fā)揮腦保護作用。針對以上機制，更多SIBD的治療藥物應該被發(fā)現和應用。

5 展 望

膿毒癥作為發(fā)病率和致死率較高的疾病，常導致多器官功能障礙。SIBD作為其導致的常見器官功能不全之一，目前尚沒有明顯有效的治療方法。自噬作為一種溶酶體降解途徑，對機體生長、分化、發(fā)育和內環(huán)境平衡都至關重要。自噬在人體疾病與健康時都發(fā)揮著作用，其在膿毒癥發(fā)生發(fā)展過程中往往存在著動態(tài)變化。鑒于自噬在膿毒癥腦損傷中發(fā)揮著重要作用，且自噬不足或自噬過度可能導致完全不同的結局，可能為膿毒癥所致腦功能障礙的治療提供新的靶點。