圍術(shù)期神經(jīng)認知障礙神經(jīng)生物標志物的研究進展

蔣彬琪, 覃兆軍

(三峽大學(xué)人民醫(yī)院麻醉科, 湖北 宜昌 443000)

圍術(shù)期神經(jīng)認知障礙(perioperative neurocognitive disorders, PND)是一種老年患者手術(shù)麻醉后常見的神經(jīng)精神并發(fā)癥, 由原來的術(shù)后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction, POCD)更名而來[1]。 根據(jù)DSM-5診斷標準, PND按發(fā)病時間分為5個亞類, 其中術(shù)后譫妄(postoperative delirium, POD)和術(shù)后神經(jīng)認知障礙(neurocognitive disorders, NCD)對患者影響最大, 包括術(shù)后并發(fā)癥增多、病死率增加、住院時間延長、住院費用增加等。 近年來大量的研究表明, PND的發(fā)病機制都涉及一個共同的系統(tǒng)——中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)。 隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 國內(nèi)外學(xué)者致力于尋找可靠的神經(jīng)生物標志物以對PND的預(yù)測、診斷、治療及預(yù)后進行評估。 本文從神經(jīng)損傷、神經(jīng)毒性、神經(jīng)營養(yǎng)、星形膠質(zhì)細胞損傷4個方面總結(jié)了近年來在PND領(lǐng)域有價值的神經(jīng)生物標志物研究進展。

1 神經(jīng)損傷方面

1.1 神經(jīng)絲輕鏈(neurofilament light, NfL)

NfL是神經(jīng)絲蛋白的一個亞單位, 專門位于神經(jīng)細胞質(zhì)中。 神經(jīng)絲蛋白賦予神經(jīng)元結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 存在于樹突和神經(jīng)元胞體以及軸突中。 在正常情況下, 軸突釋放低水平的NfL。 在炎癥、神經(jīng)退行性病變、創(chuàng)傷等引起中樞神經(jīng)軸突損傷時, NfL的釋放會急劇增加[2]。 2018年Halaas等[3]對髖部骨折患者術(shù)后的腦脊液分析發(fā)現(xiàn) NfL水平升高與POD相關(guān), 并加速譫妄前的認知下降。 手術(shù)過程中對周圍神經(jīng)的損傷、麻醉的負面作用和全身生理反應(yīng)可能是其潛在機制。 雖然納入本研究的患者接受了脊髓麻醉, 但不能排除麻醉的毒性和/或血流動力學(xué)影響。 這表明, NfL釋放和神經(jīng)軸索損傷可能直接參與患者POD的病理生理過程, 是POD進展風(fēng)險增加的原因。 近2年隨著超靈敏定量分析工具——免疫磁化還原(the immunomagnetic reduction, IMR)和單分子陣列技術(shù)——的發(fā)展, 通過有效地測量血液中的NfL, 顯示了腦脊液和血液中NfL之間的緊密關(guān)聯(lián), 血液NfL已被認為是反映神經(jīng)軸突損傷過程的可靠指標[4]。 2020年Casey等[5]研究發(fā)現(xiàn)POD與血清NfL的關(guān)系呈劑量依賴關(guān)系, POD的嚴重程度與NfL水平成正比增加, 而且數(shù)據(jù)表明NfL水平增加可能與POD本身的發(fā)病機制有關(guān), 并不依賴于炎癥的變化。 麻醉或手術(shù)造成原發(fā)性神經(jīng)損傷時, NfL被釋放到血漿中, 其增加的程度與損傷的嚴重程度和臨床結(jié)果相關(guān)。 對神經(jīng)細胞損傷的高特異性, 使NfL與其他生物標志物相比提供了一個關(guān)鍵的優(yōu)勢, 這類似于心肌梗死后肌鈣蛋白的釋放, 它與心肌細胞的損傷程度密切相關(guān)。 NfL是未來研究PND的最有前途的生物標志物之一。

1.2 磷酸化神經(jīng)絲重亞基-H (phosphorylated neurofilament heavy subunit-H, pNF-H)

pNF-H是CNS軸突的主要結(jié)構(gòu)蛋白, 在健康患者的血液中檢測不到, 對中樞神經(jīng)損傷具有足夠的敏感性, pNF-H表達增加與CNS損傷顯著相關(guān)。 近幾年的研究表明中樞神經(jīng)損傷和POCD之間存在密切聯(lián)系。 2017年Inoue等[6]分析得出血清pNF-H是預(yù)測腹部腫瘤手術(shù)患者發(fā)生POD的有效生物標志物。 2019年Zhang等[7]證實術(shù)前血清pNF-H增加是髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者發(fā)生POCD的獨立危險因素。 Mietani 等[8]也證實pNF-H對診斷POD表現(xiàn)出較高的特異性, 并且與血腦屏障破壞的血漿標志物P選擇素和內(nèi)皮細胞黏附分子-1(platelet and endothelial cell adhesion molecule-1, PECAM-1)有很強的相關(guān)性。 這進一步闡明了在炎癥狀態(tài)下微循環(huán)血流異常和血腦屏障上的白細胞黏附可能導(dǎo)致血腦屏障通透性增加, 最終導(dǎo)致神經(jīng)組織損傷。 血清pNF-H作為一種客觀的PND神經(jīng)生物標志物, 優(yōu)于臨床環(huán)境中的常規(guī)工具。

1.3 環(huán)狀RNA089763

環(huán)狀RNA(circular RNA, CircRNA)是一類閉合環(huán)狀的 RNA 分子, 主要由不均一核RNA(pre-mRNA)通過可變剪切加工產(chǎn)生。 作為一類獨特的非編碼RNA(non-coding RNA, NcRNA), CircRNA具有共價閉合連續(xù)環(huán)的特點, 在抑制微小RNA(MicroRNA)的功能、調(diào)節(jié)RNA聚合酶的活性、結(jié)合相應(yīng)基因的啟動子序列以及影響相應(yīng)基因的表達方面發(fā)揮著重要作用。 此外, 它還具有普遍性、保守性和組織特異性的特點。 在體內(nèi), 環(huán)狀RNA主要以外泌體的形式運輸, 外泌體可以通過血腦屏障進入血液循環(huán)。 同時, 與線性RNA相比, 不受RNA外切酶的影響, CircRNA的穩(wěn)定性要高得多, 因此可以穩(wěn)定地存在于體液中, 是一種有價值的新生物標志物。 研究表明, CircRNA參與調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)細胞的各種病理過程, 并介導(dǎo)帕金森病(Parkinson’s disease, PD)和阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展[9]。 2018年Wang等[10]首次發(fā)表了POCD與CircRNA相關(guān)的報道, 他們在POCD患者的血漿外泌體中檢測到了候選環(huán)狀RNA,以確定它們是否能夠提供POCD相關(guān)調(diào)控因子的信息。 最終結(jié)果顯示CircRNA 089763的表達在冠脈搭橋手術(shù)(coronary artery bypass surgery, CABG) POCD患者中顯著增加。 2020年, Zhou等[11]基于老年非心臟手術(shù)患者血清樣本進行了CircRNA芯片檢測, 發(fā)現(xiàn)POCD的發(fā)生與術(shù)后第3天血漿CircRNA-089763水平呈正相關(guān)。 因此, 我們有理由相信血漿CircRNA-089763的相對水平參與了認知功能的改變。 此外, CircRNA-089763來源于線粒體基因組, 線粒體功能受損是POCD病理生理機制的一部分, 這將為POCD的研究提供新的方向。 CircRNA089763是未來預(yù)測POCD發(fā)展的關(guān)鍵生物標志物。

1.4 Tau蛋白

Tau蛋白是一種在神經(jīng)元中高度表達的微管相關(guān)蛋白, 它調(diào)節(jié)軸突微管的穩(wěn)定性。 在顱腦損傷患者的腦脊液中Tau 蛋白比正常人明顯增高, 而且腦神經(jīng)元受損程度和腦脊液中Tau 蛋白的濃度呈正相關(guān)。 2021年Ballweg等[12]對非心臟手術(shù)患者進行研究, 采用線性混合效應(yīng)模型分析顯示Tau蛋白的濃度變化與POD的發(fā)生率和嚴重程度有關(guān), 并隨著時間的推移與POD的癥狀一起緩解。 但是, 2021年Danielson等[13]發(fā)現(xiàn)了不同結(jié)果, 他們認為術(shù)后神經(jīng)認知結(jié)果的好壞與腦脊液Tau蛋白濃度的變化無關(guān)。 僅從腦脊液Tau蛋白的濃度來預(yù)測POCD的發(fā)生仍具有爭議, 而β淀粉樣蛋白(amyloid-β, Aβ)/Tau的濃度比值似乎有更高的準確性。 Wu等[14]發(fā)現(xiàn)腦脊液Aβ/Tau的濃度比值與POCD有顯著的相關(guān)性, 可以預(yù)測老年患者POCD的發(fā)生, 這可能因為Tau 蛋白的增加有增強Aβ毒性和記憶力損傷的作用。

1.5 神經(jīng)元特異性烯醇化酶(neuron specific enolase, NSE)

NSE作為糖酵解酶, 特異地存在于神經(jīng)元和內(nèi)分泌細胞中, 有調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥和神經(jīng)營養(yǎng)活性的作用。 血液中NSE水平的升高被看作是神經(jīng)元損傷和大腦損傷的可靠指標, 在過去也一直被用于識別PND的可靠生物標志物。 而在2016年, Rappold等[15]分析手術(shù)后立即獲得的樣本沒有發(fā)現(xiàn)升高的NSE與認知功能減退之間的關(guān)系。 2021年, Danielson等[13]發(fā)現(xiàn)大型骨科手術(shù)患者術(shù)后血清的NSE濃度比腦脊液中高65%, 這種顯著的反向梯度變化在心臟手術(shù)患者中也被觀察到[16]。 原因可能是血清NSE最初的升高主要來自于腦外, 如外周神經(jīng)元或神經(jīng)內(nèi)分泌細胞。 并且老年患者的NSE水平與年齡相關(guān), 年齡越大, NSE水平越高。 目前, NSE的血清學(xué)檢測值對判斷PND病情和預(yù)后的價值存在爭議。

1.6 5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5-MC)

5-MC是最常見的修飾堿基, 由甲基化酶在DNA某一特殊位點的胞嘧啶殘基上加入甲基基團而產(chǎn)生, 這一過程被稱為DNA甲基化。 在大腦中, DNA甲基化是調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元突觸可塑性的關(guān)鍵, 從而影響學(xué)習(xí)和記憶。 目前, DNA甲基化可通過測定外周血白細胞5-MC水平來檢測, 許多認知功能減退的疾病如AD都有血清5-MC水平變化的報道[17]。 2020年 Li等[18]首次提出DNA甲基化與早期POCD的發(fā)展存在關(guān)聯(lián), 他們發(fā)現(xiàn)POCD患者術(shù)后5-MC水平低于非POCD患者, 盡管2組患者術(shù)前5-MC水平相當。 外周血白細胞5-MC水平降低與早期POCD發(fā)生的相關(guān)機制尚不明確。 一種可能是圍術(shù)期全身炎癥在調(diào)節(jié)白細胞DNA低甲基化和POCD中起重要作用。 在手術(shù)和創(chuàng)傷情況下, 外周激活的免疫細胞通過血腦屏障遷移并滲入腦組織, 引起神經(jīng)炎癥并引發(fā)POCD, 因為炎癥有很強的潛力誘導(dǎo)異常染色質(zhì)修飾。

2 神經(jīng)毒性方面

2.1 β淀粉樣蛋白(amyloid-β, Aβ)

Aβ是由淀粉樣前體蛋白經(jīng)β-和γ-分泌酶的蛋白水解作用而產(chǎn)生的多肽。 人體內(nèi)最常見的Aβ亞型是Aβ1-40和Aβ1-42, Aβ1-42具有更強的毒性, 且更容易聚集, 從而形成Aβ沉淀的核心。 臨床上通過低濃度的腦脊液Aβ1-42水平來反應(yīng)大腦皮質(zhì)淀粉樣斑塊的沉積。 Idland等[19]提出術(shù)前低濃度的腦脊液Aβ1-42水平可預(yù)測術(shù)后3個月時的神經(jīng)認知能力下降。 2019年Cunningham等[20]證實術(shù)前腦脊液Aβ1-42濃度是關(guān)節(jié)置換術(shù)患者POD的獨立預(yù)測因子。 但是在影像層面, Klinger等[21]使用正電子發(fā)射斷層掃描示蹤劑18F-florbetapir直接測量手術(shù)后大腦中Aβ的沉積, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)心臟手術(shù)后6周大腦皮質(zhì)Aβ沉積與認知功能障礙之間沒有聯(lián)系。 2021年, Danielson等[13]研究數(shù)據(jù)也說明術(shù)前腦脊液Aβ1-42濃度與術(shù)后認知結(jié)果沒有相關(guān)性。 如果用Aβ1-42作為單一的PND生物標志物仍有爭議。

2.2 基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinases, MMP-9)

MMP-9是一類重要的Ⅳ型膠原酶, 參與大腦和血腦屏障中的許多生理和病理過程。 它可以降解基底膜的Ⅳ型膠原蛋白, 損傷血腦屏障中的緊密連接, 破壞其完整性, 同時釋放信號激活炎性因子和趨化因子, 發(fā)揮神經(jīng)毒性作用, 損傷皮質(zhì)下環(huán)路等神經(jīng)通路, 從而影響認知功能。 血清MMP-9水平已被證明與認知障礙的嚴重程度呈正相關(guān)[22]。 2016年Xie等[23]發(fā)現(xiàn)全麻下行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的老年患者術(shù)后各時間點POCD組血清MMP-9水平顯著升高, POCD患者血清MMP-9水平與蒙特利爾認知評估量表(MoCA)評分呈顯著負相關(guān)。 2019年謝海輝等[24]在對全麻下接受肺葉切除術(shù)的老年患者研究中得到相同觀點, 術(shù)后7 d血清MMP-9水平升高與認知功能下降顯著相關(guān), 提示MMP-9可能是POCD潛在的生物標志物。

3 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)

BDNF作為神經(jīng)營養(yǎng)因子家族的重要成員, 對CNS中神經(jīng)元的存活、分化、生長發(fā)育、功能維持起重要作用。 BDNF在CNS中含量豐富, 并且可以穿越BBB, 血清BDNF水平與腦脊液水平相關(guān)。 近年來, 隨著對PND 研究的不斷深入, 臨床研究發(fā)現(xiàn) BDNF與PND有廣泛的相關(guān)性。 神經(jīng)遞質(zhì)信號的改變, 包括膽堿能活性的降低和多巴胺能活性的增加, 已經(jīng)被證明參與了PND的發(fā)展。 BDNF可以促進膽堿能和多巴胺能神經(jīng)元的功能和存活, 以及神經(jīng)傳遞的增強。 由于BDNF減少而導(dǎo)致的神經(jīng)傳遞的改變在PND的發(fā)生發(fā)展中起到一定的作用。 2019年Wyrobek等[25]對接受脊柱手術(shù)的患者進行前瞻性隊列研究, 發(fā)現(xiàn)術(shù)中血清BDNF水平降低與術(shù)后不良的認知結(jié)果有關(guān)。 BDNF在前額葉皮質(zhì)和海馬中高度表達, 這兩個區(qū)域?qū)τ洃浌δ?、認知和行為至關(guān)重要。 手術(shù)和麻醉應(yīng)激減少大腦BDNF信使RNA的合成可能是手術(shù)中BDNF水平降低的機制。 2021年Miniksar等[26]證實了術(shù)中血清BDNF是預(yù)測CABG患者PND有價值的生物標志物。 根據(jù)他們的研究結(jié)果, 心臟手術(shù)中過度的炎癥反應(yīng)、腦低灌注狀態(tài)和麻醉誘導(dǎo)的中樞抑制效應(yīng)可能導(dǎo)致了血清BDNF水平的變化。

4 星形膠質(zhì)細胞損傷方面

4.1 膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)

GFAP是星形膠質(zhì)細胞中的一種細胞骨架蛋白, 對大腦具有高特異性, 它會釋放到腦外傷的成年人的血漿中。 過去, 血漿GFAP被看作可靠的POCD生物標志物。 Rappold等[15]在2016年發(fā)現(xiàn)血漿GFAP濃度升高與非心臟手術(shù)后1個月的認知能力下降有關(guān)。 近年來結(jié)果有所不同, 2019年Tomaszewski等[27]研究發(fā)現(xiàn)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者術(shù)后與術(shù)前相比, GFAP濃度沒有升高。 2021年Ballweg等[12]在2項前瞻性隊列研究中通過數(shù)據(jù)分析指出GFAP與POD沒有相關(guān)性。 造成這種差異的原因還沒有給出, 仍然需要更多的研究進一步探索。

4.2 S100β蛋白

S100β是一種鈣離子結(jié)合蛋白, 主要由星形膠質(zhì)細胞分泌, 不同濃度下對神經(jīng)具有營養(yǎng)或毒性2種相反的作用。 它在腦脊液和外周血中的水平被認為是一種可靠的神經(jīng)功能障礙生物標志物, 但是在PND領(lǐng)域的應(yīng)用價值具有爭議。 2016年, Silva等[28]研究發(fā)現(xiàn)血清S100β水平可顯著預(yù)測術(shù)后21 d的POCD。 同年Rappold等[15]發(fā)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)手術(shù)后S100β水平升高與認知功能減退沒有關(guān)系。 2017年, Goettel等[29]也證實非心臟手術(shù)后的認知功能障礙與S100β無關(guān)。 原因可能是其他因素也會提高血清中S100β的濃度。 (1)腦S100β進入血清的通道受BBB的調(diào)節(jié), BBB受損會增加血清S100β水平； (2)表達S100β的細胞還有脂肪細胞、淋巴細胞等, 這些腦外細胞受損也會釋放S100β； (3)在促炎細胞因子的刺激下以及代謝應(yīng)激期間, 星形膠質(zhì)細胞釋放的S100β會增加。

綜上所述, 目前的研究發(fā)現(xiàn)NfL、pNF-H和BDNF 用于預(yù)測和診斷PND具有較高的特異性, 其他神經(jīng)生物標志物的準確性仍存在爭議或者仍待進一步的探索。 考慮到PND發(fā)病機制的復(fù)雜性和多因素性, 我們應(yīng)該把目光從尋找單個最優(yōu)的生物標志物轉(zhuǎn)移到不同生物標志物形成的組合。 Posti等[30]通過以GFAP+H-FABP(heart fatty-acid binding protein)+IL-10為生物標志物組, 在輕度創(chuàng)傷性腦損傷患者中區(qū)分頭顱CT陽性和CT陰性的敏感性可以達到100%。 未來, 我們可以將生物標志物組的理念運用到PND的預(yù)測和診斷中, 提高敏感性和特異性, 以利于早期發(fā)現(xiàn)和早期治療。