膿毒癥腦病發病機制的研究進展

李志強，周藝蕉，楊春燕

(昆明醫科大學第二附屬醫院急癥重癥醫學科，昆明 650101)

近年來，膿毒癥的發病率以每年2%～8%的速度增長，病死率高達35%～65%[1]。膿毒癥和膿毒癥腦病(sepsis-associated encephalopathy，SAE)目前已成為重癥監護病房的常見疾病[2]。膿毒癥及膿毒性休克第三次國際專家共識中強調膿毒癥是機體對感染相關疾病和器官功能障礙的反應[3]。SAE與人體應對復雜病理生理反應的能力有關，而中樞神經系統是膿毒癥最早受累的器官系統之一[4]。研究顯示，SAE患者約占重癥監護病房膿毒癥患者總人數的70%[5]。目前SAE的早期發現仍依賴神經系統的體格檢查及意識狀態評估，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的病理生理復雜，且其涉及的機制在大腦中的位置分布不均，因此可能導致特定區域病變[3]。參與自主控制、覺醒、意識和行為的中樞神經系統受到顯著影響，可導致SAE患者表現為記憶力下降、定向障礙、易激惹甚至昏迷等認知功能障礙[2]。現就SAE發病機制的研究進展予以綜述。

1 炎癥介質釋放

在全身炎癥反應過程中，膿毒癥患者的機體會產生大量作用于血管內皮細胞的脂多糖(lipo-polysaccharide，LPS)和誘導大腦炎癥反應的一氧化氮，從而激活血管內皮細胞，導致小膠質細胞和星形膠質細胞活化，進而導致血腦屏障完整性喪失和神經炎癥[6]。LPS可激活小膠質細胞產生促炎細胞因子，包括腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)和白細胞介素(interleukin，IL)等。其中，TNF-α可通過刺激其他促炎細胞因子的釋放或直接作用于TNF受體1間接介導LPS引起的SAE[7]。IL-6在LPS誘導的發熱反應過程中起重要作用，而IL-1β在記憶過程和行為方面發揮關鍵作用，IL-6和IL-1β可協同誘發大鼠發熱及疾病的發生[8]。LPS還可通過誘導基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)的基因轉錄，影響內毒素血癥引發的腦功能障礙[9]。由此可見，參與炎癥反應的炎癥因子眾多，其共同作用導致SAE的發展，其中LPS發揮重要作用。

Hinarejos等[10]研究發現，活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的過度產生也可導致過度炎癥反應和神經毒性因子釋放，最終導致神經元結構和功能喪失。同時，一氧化氮與促炎細胞因子穿過血腦屏障后，可與周圍的腦細胞相互作用，導致內皮細胞和小膠質細胞活化，從而產生更多的細胞因子(如一氧化氮和ROS)[11]，進而形成惡性循環，加重腦穩態的失衡。由此可見，機體內的促炎細胞因子并不是獨立存在的，而是與其他細胞因子構成一個整體，在誘導疾病的不同癥狀過程中起相輔相成或相互抑制的作用。

Pinheiro da Silva等[12]研究發現，自噬急性炎癥是一種認同度較高的SAE的發病機制。劉先保等[13]采用核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)拮抗劑干預SAE模型，結果發現，NF-κB參與血漿和海馬組織的炎癥因子調節。總之，膿毒癥患者的嚴重炎癥反應過程可能是導致SAE的重要機制之一。

2 血腦屏障破壞

血腦屏障是一種將中樞神經系統與外周血液系統分隔的特殊物理屏障，可避免有害物質通過血液循環系統進入腦實質，為大腦提供穩定的內環境。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是膿毒癥的關鍵介質，可直接通過與TNF受體1結合，誘發腦細胞凋亡[7]。LPS可通過還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶產生ROS和活性氮類，從而激活小膠質細胞，誘導血腦屏障功能障礙[14]。MMP則在細胞增殖、遷移、分化、血管生成、突觸形成、細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，血腦屏障破壞可能參與SAE的發病過程。

緊密連接蛋白是血腦屏障的重要組成部分，同時其還存在一個假定的MMP切割位點，導致內皮細胞從特定的細胞外基質中游離出來，這是血腦屏障發生功能障礙的關鍵之一[15]。有研究發現，嚴重膿毒癥患者腦微血管中MMP-2和MMP-9的表達均上調，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；同時該研究還發現，特定的MMP-2和MMP-9抑制劑可預防血腦屏障功能障礙和腦部炎癥，但不能改善敗血癥動物的認知障礙[9]。血腦屏障在膿毒癥時受到破壞，這種現象在膿毒癥動物實驗模型中已得到驗證[16]，同時在膿毒癥患者的磁共振成像檢查中也得到證實[17]。綜上可知，當血腦屏障遭到破壞時，大量有害物質(炎癥因子、內毒素等)穿透血腦屏障進入腦實質，從而引發炎癥反應以及信號傳遞和物質代謝異常。血腦屏障在中樞神經系統中至關重要，其被破壞也是SAE的發病機制之一。

3 腦微循環改變與腦缺血過程

SAE的缺血過程包括低血壓、微循環障礙、自主調節受損和腦血流量減少，其特征是神經血管解偶聯障礙、血腦屏障破壞和凝血級聯激活。SAE患者可能出現心功能衰竭，引發低血壓，進而導致腦部血液循環障礙。Pierrakos等[18]經顱多普勒評估重癥患者膿毒癥相關腦病，結果發現，SAE患者均出現一定程度的腦灌注不足。有研究發現，SAE患者腦部血管的自主調節能力受到嚴重破壞[19]。正常人可通過自動調節保持腦血流量恒定，平均全身動脈壓為60～150 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)；膿毒性休克患者的腦血流量降低，且其自身調節功能受損與譫妄相關[20]。而腦部血管自主調節功能受損可導致腦血流量與代謝需求之間不匹配，從而使平均動脈壓降至70 mmHg以下，進而導致缺血性損傷[21]。Ehler等[22]的縱向、前瞻性研究發現，在SAE患者及動物模型腦組織中發現的缺血性和彌漫性軸索損傷可能是導致SAE患者長期認知功能障礙的神經病理改變。由此可見，低血壓、腦微循環改變、自動調節能力受損和腦流量減少等導致的腦缺血也是SAE的發病機制之一。

4 細胞代謝應激

4.1線粒體功能障礙及氧化應激 膿毒癥期間，機體的新陳代謝和生物能的需求可導致線粒體功能障礙和氧化應激[23]。而線粒體功能障礙的機制包括線粒體通透性轉換、細胞內鈣離子異常、ATP合成酶異常、自由基的產生和積累以及線粒體DNA異常等。而神經元對細胞過程(如突觸可塑性和神經遞質的合成等)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致SAE。此外，有研究發現，線粒體功能不全的發生與膿毒癥及SAE的嚴重性相關[24]。正常的細胞能量主要由線粒體內的氧化磷酸化產生，這在許多細胞過程中也是不可缺少的，包括能量代謝、鈣穩態、脂質生物合成和細胞凋亡[25]。

氧化磷酸化是機體內代謝物在線粒體內膜進行氧化過程中產生的自由能，同時伴隨ATP合成(磷酸化)的過程。氧化磷酸化反應涉及的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、細胞色素還原酶以及細胞色素氧化酶等一系列傳遞體統稱為電子傳遞鏈。ROS也在電子傳遞鏈中產生，且發生膿毒癥時機體ROS產生與抗氧化劑的平衡被打破，從而發生氧化應激[26]。有研究發現，通過消除自由基可以恢復盲腸結扎穿刺誘導的SAE模型大鼠的大腦功能障礙[27]。因此，細胞內的線粒體氧化磷酸化功能被破壞可導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，進而導致膿毒癥患者SAE的風險增加[26]。總之，SAE的發病過程可能涉及線粒體功能障礙和氧化應激等病理生理機制。

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

自噬是一種溶酶體降解途徑，在維持機體生理穩態的再循環過程中發揮重要作用。自噬激活可加重腦出血后的神經損傷，該過程可能與調節NF-κB通路有關，可促進炎癥及細胞凋亡[30]。還有研究發現，抑制NF-κB和自噬可以減輕SAE大鼠海馬細胞的凋亡，但兩者對SAE海馬細胞凋亡的作用并不是相輔相成的[13]。Hu等[31]研究發現，腦內皮細胞線粒體絲氨酸蛋白酶Omi/HtrA2具有調控線粒體細胞凋亡和保護血腦屏障的重要作用。因此，調控Omi/HtrA2蛋白酶的活性可能有利于SAE的治療。

4.3神經遞質功能障礙及氨基酸異常 當神經遞質釋放增加而其再攝取減少(或不足)時，突觸間隙中神經遞質的濃度是發生興奮毒性過程的基礎。血腦屏障功能受損導致水轉運受到干擾，而水轉運受水通道蛋白4的嚴格調節，導致血管周圍水腫，破壞星形膠質細胞的終足，從而表現為血腦屏障通透性增加，使不能透過的假性神經遞質前體(如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)通過血腦屏障進入腦和脊髓實質內，進而生成假性神經遞質[32]；同時，迷走神經元損傷可導致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受損均可導致機體合成的正常神經遞質減少，使SAE患者出現意識狀態和認知的改變。動物實驗表明，膿毒癥大鼠腦內的氨基酸譜會出現紊亂，芳香族氨基酸通過受損的血腦屏障，導致全身炎癥大鼠的精神狀態發生改變[35]。研究發現，SAE患者芳香族氨基酸水平升高，而支鏈氨基酸水平降低[36]。總之，機體腦內的氨基酸紊亂與SAE的發生有一定相關性。

Borovikova等[37]發現，神經系統也參與機體炎癥反應的調控，相關的調控途徑稱為“膽堿能抗炎通路”，即迷走神經通過傳入神經纖維感知外周炎癥并形成炎癥信號，然后將炎癥信號傳至中樞神經系統并刺激迷走神經末梢釋放乙酰膽堿，乙酰膽堿再與外周巨噬細胞表面的α7煙堿型乙酰膽堿能受體結合，調控炎癥反應。由此可見，阻斷膽堿能抗炎通路中的任一環節均可導致炎癥反應惡化。黃鑫怡等[38]發現，SAE小鼠的海馬α7煙堿型乙酰膽堿能受體表達降低，導致炎癥反應“失控”，從而形成惡性循環，最終導致神經元功能障礙，甚至神經元死亡。

5 其他發病機制

除上述發病機制外，神經信號通路也可能參與SAE的發病。通過建立膿毒癥小鼠模型發現，Ras相關的C3肉毒素底物1/混合譜系酶3/p38信號通路[39]和S100β/晚期糖基化終末產物/NF-κB信號通路[40]等也參與SAE的發病。研究發現，G蛋白偶聯受體激酶2(G protein-coupled receptor kinase 2，GRK2)和滑膜蛋白1可能對SAE的診治有臨床價值，高表達的GRK2是LPS誘導小鼠細胞氧化和亞硝化應激的關鍵調節因子，因此GRK2抑制劑對膿毒癥相關神經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通過誘導神經毒性的犬尿氨酸轉換為神經保護性的犬尿喹啉酸而起保護作用[41-42]。有研究指出，血紅蛋白和神經珠蛋白也可能對SAE有輔助治療作用[43]。還有研究發現，線粒體分裂抑制劑1可能通過抑制鳥苷三磷酸動力蛋白酶1以及活化鳥苷三磷酸動力蛋白酶1二磷酸化，導致小鼠患SAE的風險顯著降低[44]。最新研究證實，內源性神經保護蛋白對體外炎癥反應、神經炎癥、氧化應激以及盲腸結扎穿刺誘導膿毒癥動物模型大鼠海馬線粒體功能均具有保護作用，同時還可有效預防盲腸結扎穿刺大鼠的長期認知功能障礙[45]。

6 小 結

SAE是膿毒癥患者的一種危急并發癥，患病率和病死率均較高。隨著對SAE研究的不斷深入，研究者對SAE的發病機制有了一定認識，但具體的發病機制和病理生理特點目前仍未明確。目前對SAE發病機制的探索大多集中于動物研究，但是否適用于人類還需要進一步驗證。同時，臨床上醫護人員對SAE的早期識別還僅依賴于大量的主觀意識狀態的評分，易造成漏診或誤診。因此，SAE標準化的病理生理機制仍是未來研究的目標，對于全面剖析SAE的發病原因及診療過程均具有重要意義，同時有利于提高臨床醫師對SAE的認識。