血-脑脊液屏障通透性改变和术后认知功能障碍

钱 刚 徐珂嘉 李 慧 康 瑜 张光明

术后认知功能障碍(postoperative cognitive function dysfunction,POCD)是老年患者术后常见的神经系统并发症,表现为思维、记忆和沟通能力的下降。常导致患者住院时间延长,增加医疗负担,影响患者尽早重返术前的生活方式。目前一般认为手术等因素可以导致外周炎性细胞因子水平升高,升高的炎性细胞因子通过透过通透性改变的血-脑脊液屏障(blood-cerebrospinal fluid barrier,BCSFB)、激活血-脑脊液屏障中的免疫分子或特异性受体等途径进入中枢,激活小胶质细胞和反应性星型胶质细胞,产生级联放大的的中枢炎性反应并导致术后认知功能障碍[1]。因此,进一步研究血-脑脊液屏障通透性的改变对术后认知功能障碍的作用机制,并采取相应的干预方案可能是术后认知功能防治的一个重要方面。

一、血-脑脊液屏障的构成和作用

20世纪初,研究发现亚甲基蓝和台盼红染色了除了大脑以外的所有组织,从而证明中枢神经系统(central nervous system,CNS) 和外周循环系统之间存在物理隔绝和屏障,这个屏障在当时被命名为血-脑脊液屏障(blood-brain barrier,BBB)[2]。

目前的研究已经证实,中枢神经系统和外周循环系统之间的屏障系统其实是由多个屏障构成,包括血脑屏障,血-脑脊液屏障和血-软脑膜屏障(blood-leptomeningeal barrier,BLB),对目前研究较广泛的BCSFB做一综述。

BCSFB的作用在于将中枢神经系统隔绝成一个相对独立的生理系统,限制炎性细胞因子、神经细胞毒性物质、激素、蛋白等物质透过BCSFB,维持CNS的水平衡、离子平衡、激素平衡和神经递质平衡,从而维持内环境的相对稳定,保证神经系统功能不受外界影响。

脑的毛细血管内皮细胞和内皮细胞间的紧密连接复合体构成了BCSFB的骨架和主要结构,也是实现血-脑脊液屏障功能的主要结构;此外参与BCSFB组成的还有星形胶质细胞,基膜以及周细胞。构成血-脑脊液屏障的脑毛细血管内皮细胞具有通透性低的结构特点。内皮细胞间的紧密连接复合体是BCSFB的另一关键结构,由膜附件蛋白相互作用形成,包括紧密结合蛋白claudin和闭合蛋白occludin,连接黏附分子和胞质附着蛋白-闭锁小带蛋白ZO等。BCSFB组成结构的任一部分损坏将会导致BCSFB的通透性的改变,从而引起外周炎性细胞因子浸润,引起脑水肿,中枢性炎性反应,脑组织代谢出现氧化应激反应,可能引发和(或)导致疾病过程的“恶性循环”,导致进行性突触和神经元功能障碍,并与阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、多发性硬化症等疾病相关[3]。因此,BCSFB的破坏已经被认为是人类认知功能障碍的早期生物学标志物之一[4]。

二、损害血-脑脊液屏障的机制

1.对紧密连接复合体的损害：有研究发现炎性细胞因子,活性氧和酶可以通过降低claudin,occludin,ZO等蛋白的表达而导致血-脑脊液屏障通透性增加[5]。基质金属蛋白酶(matrix metalloprotease,MMP)和一氧化氮(NO)可以通过MARK和核转录因子NF-κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)等信号通路破坏紧密连接复合体的完整性[6]。炎性细胞因子可以使星形胶质细胞表达VEGF-A,通过eNOS信号通路,抑制occludin和claudin-5的表达[7]。紧密连接复合体可以被视为内皮细胞间的通透屏障,这一结构的受损,会导致血-脑脊液屏障紧密连接复合体的完整性被破坏,导致内皮细胞间的屏障开放,从而影响BCSFB的通透性。

2.对血管内皮细胞的损害：肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)可促进血管内皮细胞分泌CCL2和 CCL3趋化因子,促进外周白细胞向血管内皮细胞的趋化和黏附并介导白细胞通过血-脑脊液屏障向CNS迁移[8]。LPS诱导的炎性反应可以通过抑制P-糖蛋白(P-gp)活性和诱导活性MMPs分泌从而损伤血管内皮细胞,甚至可以导致血管内皮细胞的凋亡,这种LPS诱导的血管内皮细胞凋亡与MAPK信号通路相关[9]。

三、围术期影响血-脑脊液屏障通透性的因素

1.手术引起的外周炎性反应对血-脑脊液屏障通透性的影响：Terrando等[10]采取标记来源外周的单核-吞噬细胞的方法,发现在接受骨科手术24h后大鼠的海马可见大量单核-吞噬细胞来源于外周循环。Vincent等[11]研究发现给予药物预使骨髓来源的巨噬细胞耗竭之后,对小鼠进行胫骨手术,可以降低外周炎性细胞因子的释放,可以改善术后认知功能障碍。说明来自外周的炎性细胞因子是中枢炎性反应的起始因素。而这些炎性细胞因子进入中枢的途径有较大可能是通过改变了血-脑脊液屏障的通透性所致。在Barichello等[12]一个纳入3555篇论文的系统回顾发现研究表明,在脓毒症诱发后的最初几个小时,炎性细胞因子[TNF-α、白细胞介素(interleukin,IL)-1β和白细胞介素6(IL-6)]发生了连续性的升高并伴有血-脑脊液屏障通透性增加。同时通过阻断外周炎性细胞因子的激活或释放,或者使用相应的拮抗剂,可能会对血-脑脊液屏障起到保护作用,并降低中枢的炎性反应。如Cheon等[13]研究发现NF-κB在手术引起的炎性反应中起到重要作用,在腹腔内注射NF-κB的拮抗剂,表现出强大的免疫调节特性,能够减少手术引起的血-脑脊液屏障完整性损害的升高以及随后的外周免疫细胞招募和炎症放大,从而最终防止认知功能下降。

外周炎性细胞因子对血-脑脊液屏障的破坏与紧密连接复合体相关蛋白的表达减少有关：Lv[14]等研究发现,大鼠外周TNF-α会降低闭合蛋白occludin的表达,从而破坏BCSFB的结构,影响BCSFB的通透性。朱红花等[15]研究发现,在老年小鼠给予腹腔注射戊巴比妥麻醉后接受阑尾切除手术,发现能够减少紧密连接复合体相关蛋白表达的基质金属蛋白酶 (matrix metalloprotease,MMP)-2,9表达增加;同时发现海马区闭合蛋白occludin的表达显著降低。

2.吸入性麻醉药物对血-脑脊液屏障通透性的影响：已经有实验证明吸入药麻醉药物会破坏BCSFB的结构,增加其通透性。Hu等[16]研究发现,暴露在七氟醚2h可导致接受骨科手术的老年大鼠发生术后认知功能障碍,并且发现海马中伊文思蓝(evans blue,EB)漏出增加,考虑BCSFB受到了破坏。

3.既往内科疾患对血-脑脊液屏障通透性的影响：高血压对血-脑脊液屏障通透性的影响：有研究发现人脑内皮细胞在血管紧张素-Ⅱ中的暴露增加了其对BSA-Alexa488示踪剂的通透性,给予血管紧张素受体拮抗剂坎地沙坦后可以降低内皮细胞的通透性作用,提示高血压患者容易发生血-脑脊液屏障通透性的改变而发生POCD[17]。高血压患者血-脑脊液屏障的通透性的增加也可能是通过破坏紧密连接的结构而发挥作用的。研究发现,给予高盐饮食后会引起Dah1盐敏感的小鼠海马区血管紧张素Ⅰ水平上升,海马区的紧密连接复合体相关蛋白表达下降,从而引起认知功能障碍。给予血管紧张素受体拮抗剂可以降低BCSFB的通透性,改善认知功能[18]。

糖尿病、高血脂症、胆固醇对血-脑脊液屏障通透性的影响：人脑微血管内皮细胞暴露于由过量糖和蛋白质结合产生的晚期糖基化终产物(advanced glycation end products,AGES),可以增加血管内皮生长因子和基质金属蛋白酶-2的表达,降低血管内皮细胞紧密结合蛋白claudin-5的表达,从而增加BCSFB的通透性[19]。还有研究发现,饲喂高饱和脂肪饮食的大鼠与饲喂生酮饮食的大鼠比较,紧密结合蛋白claudin-5和claudin-12等表达下降,血-脑脊液屏障通透性上升[20]。

4.睡眠剥夺对血-脑脊液屏障通透性的影响：睡眠剥夺对大鼠血-脑脊液屏障的影响：睡眠剥夺可以导致大鼠包括海马、颞叶、顶叶、小脑等多个部位的EB渗出,紧密结合蛋白claudin和闭合蛋白occludin表达降低,提示血-脑脊液屏障通透性增加,同时发现神经元凋亡相关的抗体增加,皮质神经元数量减少[21]。

四、血-脑脊液屏障通透性改变的干预方法

干预血-脑脊液屏障通透性在临床上目前尚无明确有效的方法,可能会有作用的干预方法如下。

1.通过对炎性反应的抑制来实现血-脑脊液屏障通透性的干预：发现针对不同的炎性信号通路,可以使用不同的拮抗剂来降低炎性细胞因子：如使用NF-κB通路的拮抗剂-二硫代氨基甲酸吡咯烷来阻断IL-1β的转录,从而降低炎性反应,稳定血-脑脊液屏障。又如阻断肿瘤坏死因子也可以降低IL-1,通过通路MyD88作用,改善术后认知功能下降。IL-6受体阻断剂托珠单抗可以改善炎症引起的小鼠血-脑脊液屏障通透性增高,可能是预防和(或)治疗POCD的候选药物。

临床上以下药物可能通过抑制炎性反应降低血-脑脊液屏障通透性而起到改善术后认知功能的作用。地塞米松虽然大剂量(1mg/kg)的地塞米松在心脏手术后并没有表现出对POCD的降低作用,但是术前10h给予0.1mg/kg的地塞米松可以降低炎性反应水平,起到保护认知功能的作用。右美托咪定高选择性α2肾上腺素能激动剂右美托咪啶可减轻全身炎性反应。在体外循环的心脏手术中,使用右美托咪定的患者IL-6水平上升被抑制,这些抑制作用可能是由于抑制了核因子κB的激活,提示术中右美托咪定可能有助于抑制炎性反应。使用环氧酶-2抑制剂派瑞考昔可以降低老年全膝关节置换术患者术后IL-1β、IL-6、TNF-α水平,从而改善术后认知功能。

米诺环素是四环素的衍生物,对多种神经退行性疾病产生神经保护作用。米诺环素预处理可明显减轻异氟醚诱导的认知功能障碍,抑制异氟醚诱导的TNF-α、IL-1β和IL-6的过度表达。此外,米诺环素还下调异氟醚诱导的caspase-3和bax蛋白水平的升高,上调Bcl-2蛋白水平。这些发现显示了米诺环素的有益作用。

手术后快速康复技术对炎性反应的抑制：目前临床上广泛应用的手术后快速康复技术(enhanced recovery after surgery,ERAS)也表现出对炎性细胞因子的抑制作用,在进行肝部分切除术的患者中,采用ERAS策略的患者,术后的炎性细胞因子TNF-α和IL-6水平都较对照组下降,但作用机制目前尚不明确。

2.通过控制相应疾病实现对血-脑脊液屏障通透性的干预：由于高血压,高血糖,高脂都会对血-脑脊液屏障通透性存在影响,因此,在术前应该予以积极的治疗和改善。使用血管紧张素受体拮抗剂类药物控制血压,围术期对血糖的控制,使用他汀类药物调整胆固醇的稳态和进行调整血脂的治疗都可以起到稳定血-脑脊液屏障的作用[20]。

3.通过其他治疗手段实现对血-脑脊液屏障通透性的干预：在脂多糖诱导的BCSFB损伤老年小鼠模型中,给予褪黑素处理7天之后,可以发现EB渗漏明显减少,说明褪黑素可以抑制脂多糖引起的炎症导致的BCSFB损伤。

术后认知功能障碍的防治目前主要局限于对外周炎性反应的抑制,考虑到血-脑脊液屏障是外周炎性细胞因子向中枢转移的重要途径,维持或改善其屏障作用可能为术后认知功能障碍的防治提供新的思路。