血-腦脊液屏障通透性改變和術(shù)后認(rèn)知功能障礙

錢 剛 徐珂嘉 李 慧 康 瑜 張光明

術(shù)后認(rèn)知功能障礙(postoperative cognitive function dysfunction,POCD)是老年患者術(shù)后常見的神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥,表現(xiàn)為思維、記憶和溝通能力的下降。常導(dǎo)致患者住院時間延長,增加醫(yī)療負(fù)擔(dān),影響患者盡早重返術(shù)前的生活方式。目前一般認(rèn)為手術(shù)等因素可以導(dǎo)致外周炎性細(xì)胞因子水平升高,升高的炎性細(xì)胞因子通過透過通透性改變的血-腦脊液屏障(blood-cerebrospinal fluid barrier,BCSFB)、激活血-腦脊液屏障中的免疫分子或特異性受體等途徑進(jìn)入中樞,激活小膠質(zhì)細(xì)胞和反應(yīng)性星型膠質(zhì)細(xì)胞,產(chǎn)生級聯(lián)放大的的中樞炎性反應(yīng)并導(dǎo)致術(shù)后認(rèn)知功能障礙[1]。因此,進(jìn)一步研究血-腦脊液屏障通透性的改變對術(shù)后認(rèn)知功能障礙的作用機(jī)制,并采取相應(yīng)的干預(yù)方案可能是術(shù)后認(rèn)知功能防治的一個重要方面。

一、血-腦脊液屏障的構(gòu)成和作用

20世紀(jì)初,研究發(fā)現(xiàn)亞甲基藍(lán)和臺盼紅染色了除了大腦以外的所有組織,從而證明中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS) 和外周循環(huán)系統(tǒng)之間存在物理隔絕和屏障,這個屏障在當(dāng)時被命名為血-腦脊液屏障(blood-brain barrier,BBB)[2]。

目前的研究已經(jīng)證實,中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周循環(huán)系統(tǒng)之間的屏障系統(tǒng)其實是由多個屏障構(gòu)成,包括血腦屏障,血-腦脊液屏障和血-軟腦膜屏障(blood-leptomeningeal barrier,BLB),對目前研究較廣泛的BCSFB做一綜述。

BCSFB的作用在于將中樞神經(jīng)系統(tǒng)隔絕成一個相對獨立的生理系統(tǒng),限制炎性細(xì)胞因子、神經(jīng)細(xì)胞毒性物質(zhì)、激素、蛋白等物質(zhì)透過BCSFB,維持CNS的水平衡、離子平衡、激素平衡和神經(jīng)遞質(zhì)平衡,從而維持內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定,保證神經(jīng)系統(tǒng)功能不受外界影響。

腦的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞間的緊密連接復(fù)合體構(gòu)成了BCSFB的骨架和主要結(jié)構(gòu),也是實現(xiàn)血-腦脊液屏障功能的主要結(jié)構(gòu);此外參與BCSFB組成的還有星形膠質(zhì)細(xì)胞,基膜以及周細(xì)胞。構(gòu)成血-腦脊液屏障的腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞具有通透性低的結(jié)構(gòu)特點。內(nèi)皮細(xì)胞間的緊密連接復(fù)合體是BCSFB的另一關(guān)鍵結(jié)構(gòu),由膜附件蛋白相互作用形成,包括緊密結(jié)合蛋白claudin和閉合蛋白o(hù)ccludin,連接黏附分子和胞質(zhì)附著蛋白-閉鎖小帶蛋白ZO等。BCSFB組成結(jié)構(gòu)的任一部分損壞將會導(dǎo)致BCSFB的通透性的改變,從而引起外周炎性細(xì)胞因子浸潤,引起腦水腫,中樞性炎性反應(yīng),腦組織代謝出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng),可能引發(fā)和(或)導(dǎo)致疾病過程的“惡性循環(huán)”,導(dǎo)致進(jìn)行性突觸和神經(jīng)元功能障礙,并與阿爾茨海默病、帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化癥、多發(fā)性硬化癥等疾病相關(guān)[3]。因此,BCSFB的破壞已經(jīng)被認(rèn)為是人類認(rèn)知功能障礙的早期生物學(xué)標(biāo)志物之一[4]。

二、損害血-腦脊液屏障的機(jī)制

1.對緊密連接復(fù)合體的損害：有研究發(fā)現(xiàn)炎性細(xì)胞因子,活性氧和酶可以通過降低claudin,occludin,ZO等蛋白的表達(dá)而導(dǎo)致血-腦脊液屏障通透性增加[5]。基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloprotease,MMP)和一氧化氮(NO)可以通過MARK和核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)等信號通路破壞緊密連接復(fù)合體的完整性[6]。炎性細(xì)胞因子可以使星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)VEGF-A,通過eNOS信號通路,抑制occludin和claudin-5的表達(dá)[7]。緊密連接復(fù)合體可以被視為內(nèi)皮細(xì)胞間的通透屏障,這一結(jié)構(gòu)的受損,會導(dǎo)致血-腦脊液屏障緊密連接復(fù)合體的完整性被破壞,導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞間的屏障開放,從而影響B(tài)CSFB的通透性。

2.對血管內(nèi)皮細(xì)胞的損害：腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌CCL2和 CCL3趨化因子,促進(jìn)外周白細(xì)胞向血管內(nèi)皮細(xì)胞的趨化和黏附并介導(dǎo)白細(xì)胞通過血-腦脊液屏障向CNS遷移[8]。LPS誘導(dǎo)的炎性反應(yīng)可以通過抑制P-糖蛋白(P-gp)活性和誘導(dǎo)活性MMPs分泌從而損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞,甚至可以導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡,這種LPS誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡與MAPK信號通路相關(guān)[9]。

三、圍術(shù)期影響血-腦脊液屏障通透性的因素

1.手術(shù)引起的外周炎性反應(yīng)對血-腦脊液屏障通透性的影響：Terrando等[10]采取標(biāo)記來源外周的單核-吞噬細(xì)胞的方法,發(fā)現(xiàn)在接受骨科手術(shù)24h后大鼠的海馬可見大量單核-吞噬細(xì)胞來源于外周循環(huán)。Vincent等[11]研究發(fā)現(xiàn)給予藥物預(yù)使骨髓來源的巨噬細(xì)胞耗竭之后,對小鼠進(jìn)行脛骨手術(shù),可以降低外周炎性細(xì)胞因子的釋放,可以改善術(shù)后認(rèn)知功能障礙。說明來自外周的炎性細(xì)胞因子是中樞炎性反應(yīng)的起始因素。而這些炎性細(xì)胞因子進(jìn)入中樞的途徑有較大可能是通過改變了血-腦脊液屏障的通透性所致。在Barichello等[12]一個納入3555篇論文的系統(tǒng)回顧發(fā)現(xiàn)研究表明,在膿毒癥誘發(fā)后的最初幾個小時,炎性細(xì)胞因子[TNF-α、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β和白細(xì)胞介素6(IL-6)]發(fā)生了連續(xù)性的升高并伴有血-腦脊液屏障通透性增加。同時通過阻斷外周炎性細(xì)胞因子的激活或釋放,或者使用相應(yīng)的拮抗劑,可能會對血-腦脊液屏障起到保護(hù)作用,并降低中樞的炎性反應(yīng)。如Cheon等[13]研究發(fā)現(xiàn)NF-κB在手術(shù)引起的炎性反應(yīng)中起到重要作用,在腹腔內(nèi)注射NF-κB的拮抗劑,表現(xiàn)出強(qiáng)大的免疫調(diào)節(jié)特性,能夠減少手術(shù)引起的血-腦脊液屏障完整性損害的升高以及隨后的外周免疫細(xì)胞招募和炎癥放大,從而最終防止認(rèn)知功能下降。

外周炎性細(xì)胞因子對血-腦脊液屏障的破壞與緊密連接復(fù)合體相關(guān)蛋白的表達(dá)減少有關(guān)：Lv[14]等研究發(fā)現(xiàn),大鼠外周TNF-α?xí)档烷]合蛋白o(hù)ccludin的表達(dá),從而破壞BCSFB的結(jié)構(gòu),影響B(tài)CSFB的通透性。朱紅花等[15]研究發(fā)現(xiàn),在老年小鼠給予腹腔注射戊巴比妥麻醉后接受闌尾切除手術(shù),發(fā)現(xiàn)能夠減少緊密連接復(fù)合體相關(guān)蛋白表達(dá)的基質(zhì)金屬蛋白酶 (matrix metalloprotease,MMP)-2,9表達(dá)增加;同時發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)閉合蛋白o(hù)ccludin的表達(dá)顯著降低。

2.吸入性麻醉藥物對血-腦脊液屏障通透性的影響：已經(jīng)有實驗證明吸入藥麻醉藥物會破壞BCSFB的結(jié)構(gòu),增加其通透性。Hu等[16]研究發(fā)現(xiàn),暴露在七氟醚2h可導(dǎo)致接受骨科手術(shù)的老年大鼠發(fā)生術(shù)后認(rèn)知功能障礙,并且發(fā)現(xiàn)海馬中伊文思藍(lán)(evans blue,EB)漏出增加,考慮BCSFB受到了破壞。

3.既往內(nèi)科疾患對血-腦脊液屏障通透性的影響：高血壓對血-腦脊液屏障通透性的影響：有研究發(fā)現(xiàn)人腦內(nèi)皮細(xì)胞在血管緊張素-Ⅱ中的暴露增加了其對BSA-Alexa488示蹤劑的通透性,給予血管緊張素受體拮抗劑坎地沙坦后可以降低內(nèi)皮細(xì)胞的通透性作用,提示高血壓患者容易發(fā)生血-腦脊液屏障通透性的改變而發(fā)生POCD[17]。高血壓患者血-腦脊液屏障的通透性的增加也可能是通過破壞緊密連接的結(jié)構(gòu)而發(fā)揮作用的。研究發(fā)現(xiàn),給予高鹽飲食后會引起Dah1鹽敏感的小鼠海馬區(qū)血管緊張素Ⅰ水平上升,海馬區(qū)的緊密連接復(fù)合體相關(guān)蛋白表達(dá)下降,從而引起認(rèn)知功能障礙。給予血管緊張素受體拮抗劑可以降低BCSFB的通透性,改善認(rèn)知功能[18]。

糖尿病、高血脂癥、膽固醇對血-腦脊液屏障通透性的影響：人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞暴露于由過量糖和蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生的晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGES),可以增加血管內(nèi)皮生長因子和基質(zhì)金屬蛋白酶-2的表達(dá),降低血管內(nèi)皮細(xì)胞緊密結(jié)合蛋白claudin-5的表達(dá),從而增加BCSFB的通透性[19]。還有研究發(fā)現(xiàn),飼喂高飽和脂肪飲食的大鼠與飼喂生酮飲食的大鼠比較,緊密結(jié)合蛋白claudin-5和claudin-12等表達(dá)下降,血-腦脊液屏障通透性上升[20]。

4.睡眠剝奪對血-腦脊液屏障通透性的影響：睡眠剝奪對大鼠血-腦脊液屏障的影響：睡眠剝奪可以導(dǎo)致大鼠包括海馬、顳葉、頂葉、小腦等多個部位的EB滲出,緊密結(jié)合蛋白claudin和閉合蛋白o(hù)ccludin表達(dá)降低,提示血-腦脊液屏障通透性增加,同時發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元凋亡相關(guān)的抗體增加,皮質(zhì)神經(jīng)元數(shù)量減少[21]。

四、血-腦脊液屏障通透性改變的干預(yù)方法

干預(yù)血-腦脊液屏障通透性在臨床上目前尚無明確有效的方法,可能會有作用的干預(yù)方法如下。

1.通過對炎性反應(yīng)的抑制來實現(xiàn)血-腦脊液屏障通透性的干預(yù)：發(fā)現(xiàn)針對不同的炎性信號通路,可以使用不同的拮抗劑來降低炎性細(xì)胞因子：如使用NF-κB通路的拮抗劑-二硫代氨基甲酸吡咯烷來阻斷IL-1β的轉(zhuǎn)錄,從而降低炎性反應(yīng),穩(wěn)定血-腦脊液屏障。又如阻斷腫瘤壞死因子也可以降低IL-1,通過通路MyD88作用,改善術(shù)后認(rèn)知功能下降。IL-6受體阻斷劑托珠單抗可以改善炎癥引起的小鼠血-腦脊液屏障通透性增高,可能是預(yù)防和(或)治療POCD的候選藥物。

臨床上以下藥物可能通過抑制炎性反應(yīng)降低血-腦脊液屏障通透性而起到改善術(shù)后認(rèn)知功能的作用。地塞米松雖然大劑量(1mg/kg)的地塞米松在心臟手術(shù)后并沒有表現(xiàn)出對POCD的降低作用,但是術(shù)前10h給予0.1mg/kg的地塞米松可以降低炎性反應(yīng)水平,起到保護(hù)認(rèn)知功能的作用。右美托咪定高選擇性α2腎上腺素能激動劑右美托咪啶可減輕全身炎性反應(yīng)。在體外循環(huán)的心臟手術(shù)中,使用右美托咪定的患者IL-6水平上升被抑制,這些抑制作用可能是由于抑制了核因子κB的激活,提示術(shù)中右美托咪定可能有助于抑制炎性反應(yīng)。使用環(huán)氧酶-2抑制劑派瑞考昔可以降低老年全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者術(shù)后IL-1β、IL-6、TNF-α水平,從而改善術(shù)后認(rèn)知功能。

米諾環(huán)素是四環(huán)素的衍生物,對多種神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用。米諾環(huán)素預(yù)處理可明顯減輕異氟醚誘導(dǎo)的認(rèn)知功能障礙,抑制異氟醚誘導(dǎo)的TNF-α、IL-1β和IL-6的過度表達(dá)。此外,米諾環(huán)素還下調(diào)異氟醚誘導(dǎo)的caspase-3和bax蛋白水平的升高,上調(diào)Bcl-2蛋白水平。這些發(fā)現(xiàn)顯示了米諾環(huán)素的有益作用。

手術(shù)后快速康復(fù)技術(shù)對炎性反應(yīng)的抑制：目前臨床上廣泛應(yīng)用的手術(shù)后快速康復(fù)技術(shù)(enhanced recovery after surgery,ERAS)也表現(xiàn)出對炎性細(xì)胞因子的抑制作用,在進(jìn)行肝部分切除術(shù)的患者中,采用ERAS策略的患者,術(shù)后的炎性細(xì)胞因子TNF-α和IL-6水平都較對照組下降,但作用機(jī)制目前尚不明確。

2.通過控制相應(yīng)疾病實現(xiàn)對血-腦脊液屏障通透性的干預(yù)：由于高血壓,高血糖,高脂都會對血-腦脊液屏障通透性存在影響,因此,在術(shù)前應(yīng)該予以積極的治療和改善。使用血管緊張素受體拮抗劑類藥物控制血壓,圍術(shù)期對血糖的控制,使用他汀類藥物調(diào)整膽固醇的穩(wěn)態(tài)和進(jìn)行調(diào)整血脂的治療都可以起到穩(wěn)定血-腦脊液屏障的作用[20]。

3.通過其他治療手段實現(xiàn)對血-腦脊液屏障通透性的干預(yù)：在脂多糖誘導(dǎo)的BCSFB損傷老年小鼠模型中,給予褪黑素處理7天之后,可以發(fā)現(xiàn)EB滲漏明顯減少,說明褪黑素可以抑制脂多糖引起的炎癥導(dǎo)致的BCSFB損傷。

術(shù)后認(rèn)知功能障礙的防治目前主要局限于對外周炎性反應(yīng)的抑制,考慮到血-腦脊液屏障是外周炎性細(xì)胞因子向中樞轉(zhuǎn)移的重要途徑,維持或改善其屏障作用可能為術(shù)后認(rèn)知功能障礙的防治提供新的思路。