血脑屏障在脓毒症相关性脑病中变化的研究进展
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血脑屏障在脓毒症相关性脑病中变化的研究进展
脓毒症相关性脑病（sepsis-associated encephalopathy，SAE）是脓毒症累及中枢神经系统导致的弥漫性脑功能障碍，且不伴有中枢神经系统的直接感染、结构异常或其他类型的脑病，主要临床表现为意识的改变和不同程度的认知功能障碍 [ 1 ]。大约70%的脓毒症患者会发展成SAE，不仅增加脓毒症患者的病死率和致残率，还是其他神经系统疾病预后不良的危险因素 [ 2 ]，主要表现为幸存者遗留认知功能障碍 [ 1 ]。由于目前对SAE缺乏靶向治疗方案和统一的治疗标准，早期诊断和及时干预是治疗SAE的关键。
SAE的病理生理机制仍不明确，现有证据表明血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）功能障碍、神经炎症反应（反应性星形胶质细胞增生和小胶质细胞过度激活）、淋巴细胞进入中枢神经系统、神经递质失衡、线粒体功能障碍、自噬、氧化应激以及脑血流障碍等参与到SAE的病理生理过程中 [ 3 ]，且目前认为这些病理生理学事件之间存在相互关联和影响。而BBB是血液循环中各种溶质、细胞因子和病原体进出中枢神经系统的门户，是具有高度选择性的物理屏障，能保护大脑免受外周血液变化的影响。因此，BBB功能障碍在SAE的发生发展中起着承上启下的作用。现重点阐述BBB在SAE发生发展中发生的变化，以及这些变化对疾病的影响。
1 BBB的结构和功能
BBB是位于血液与脑脊液之间具有高度选择性的物理屏障，其独特的解剖学结构是发挥屏障作用的关键。一方面，从组织学层面上来说，BBB是由低渗透的脑微血管内皮细胞、内皮细胞间紧密连接（包括紧密连接蛋白ZO-1、claudin-5等）、位于内皮细胞顶端的糖萼、基底膜以及覆盖于基底膜外侧的星形胶质细胞终足组成 [ 4 ]，这些细胞与小胶质细胞和神经元共同组成对中枢神经系统功能至关重要的神经血管单元（neurovascular unit，NVU）；另一方面，从分子水平上来说，BBB上会表达多种离子通道和分子受体等，为离子、大分子或水溶性物质通过BBB提供转运条件。BBB凭借其屏障功能，将中枢神经系统与外周系统分隔开，使大脑成为免疫豁免器官。正常情况下，完整的BBB保证了脑内环境的稳定，保护神经元免受外周循环中神经毒素的影响，限制外周中的免疫细胞进入到中枢神经系统，从而调节脑内免疫反应 [ 5 ]；除此之外，BBB不仅可以向脑内转运氨基酸和葡萄糖从而保证大脑的正常运转，而且可以向脑外排出脑组织产生的废物 [ 4 ]。
2 BBB在SAE中的变化
BBB是在整个生命周期和疾病过程中不断变化的动态的物理屏障。BBB结构或功能的改变参与到许多神经系统疾病的发生发展过程中，例如多发性硬化症、帕金森病、脑缺血/再灌注损伤、SAE及阿尔茨海默病等 [ 6 ]。在SAE的病理状态下，BBB变化包括结构改变和功能改变，结构改变是指由组成BBB的各部分组织细胞表达下降或破坏增加导致内皮细胞损伤和紧密连接表达减少；功能改变是指虽然BBB组织结构是完整的，但其表达的受体和水通道蛋白等增加或减少。
2.1 BBB结构改变
2.1.1 紧密连接的破坏：
紧密连接是由多种跨膜蛋白组成的复合物，存在于构成BBB的脑微血管内皮细胞之间，这一结构主要包括紧密连接蛋白claudin、occludin和ZO-1，其限制分子通过细胞旁途径被动扩散进脑内，使BBB具有低渗透性 [ 7 ]。而SAE患者紧密连接表达下降或破坏增加，导致BBB损伤。在一项动物实验中发现，紧密连接蛋白随着SAE病程的发展，表达量持续减少 [ 8 ]。脓毒症患者体内释放大量炎症因子，如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素（interleukins，IL-6、IL-1β），激活核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路，下调紧密连接的表达 [ 9 ]；此外，在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的SAE动物模型中，这些促炎因子还可以通过c-Jun氨基末端激酶/p38丝裂素活化蛋白激酶（c-Jun amino-terminal kinase/p38 mitogen-activated protein kinase，JNK/p38MAPK）通路降低紧密连接蛋白的表达 [ 10 ]。脓毒症时，血液中组蛋白产生增加，导致紧密连接完整性破坏 [ 11 ]。脓毒症期间，活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生增加使脑内皮细胞氧化与抗氧化反应失调，最终损害紧密连接 [ 12 ]。紧密连接的破坏与基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）表达增加也有关系，主要是LPS通过激活Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）/NF-κB途径诱导周细胞、小胶质细胞表达MMP-9增加 [ 13 ]；高迁移率族蛋白B1（high mobility group protein B1，HMGB1）也能通过TLR触发神经元和星形胶质细胞中MMP-9上调 [ 14 ]，大量的MMP破坏紧密连接和降解细胞外基质，最终增加BBB通透性。
2.1.2 脑内皮细胞受损：
内皮细胞是构成BBB的主要细胞成分，其结构损伤或凋亡可增加BBB通透性。内皮细胞功能障碍的特征是一氧化氮（nitric oxide，NO）生物利用度降低，ROS产生增多 [ 15 ]。ROS通过蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、MAPK信号通路导致连接蛋白下调和内皮细胞骨架重组 [ 16 ]，破坏BBB完整性。有研究者通过LPS处理的人微血管内皮细胞（human microvascular endothelial cell，HCMEC）进行细胞凋亡分析，发现天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（caspase-3、caspase-7）活性增强，Bcl-2表达减少，Bax表达增加；进一步研究发现，HCMEC中一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，eNOS）和鸟苷三磷酸环化水解酶1（guanosine triposphate cyclohydrolase 1，GTPCH1）水平降低，并促进内皮细胞凋亡 [ 17 ]。以上结果表明，导致SAE的主要细胞因子LPS能促进内皮细胞凋亡，破坏BBB结构和功能。另外，P2X7受体（P2X7 receptor，P2X7R）属于嘌呤能P2X受体（purinergic receptor）家族中的一种，主要在各种脑细胞表面表达，能被细胞外高ATP水平激活，导致细胞内代谢障碍。脓毒症过程中机体释放ATP激活内皮细胞表面P2X7R，产生大量ROS，诱导内皮细胞凋亡 [ 18 ]。也有研究者发现，脓毒症患者嗜铬粒蛋白A（chromogranin A，CGA）水平升高，且能改善炎症介质导致的内皮细胞通透性增加的情况 [ 19 ]。
2.1.3 星形胶质细胞改变：
星形胶质细胞末端膨大形成终足，覆盖在基底膜外侧，参与构成BBB，分泌各种营养因子和细胞外基质蛋白 [ 4 ]。有研究者发现，将LPS注射到SD大鼠体内可观察到星形胶质细胞终足显著减少并伴随BBB通透性增加 [ 20 ]，表明星形胶质细胞的破坏会导致BBB损伤。在脓毒症导致的全身炎症后期，小胶质细胞表达CD68的吞噬表型，吞噬星形胶质细胞的终足，破坏BBB完整性 [ 21 ]。还有研究者发现，炎症因子诱导星形胶质细胞激活后表达或释放血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGF-A）和胸苷磷酸化酶（thymidine phosphorylase，TYMP），进一步激活eNOS，抑制claudin-5的表达，负向调节紧密连接的表达 [ 22 ]。胶质纤维酸性蛋白（glail fibrillary acidic protein，GFAP）是星形胶质细胞活化的标志物，向盲肠结扎穿孔术（cecal ligation and puncture，CLP）诱导的脓毒症大鼠脑室内注射NF-κB抑制剂可以减弱脑组织中GFAP的免疫反应性，表明SAE期间通过NF-κB途径可调节星形胶质细胞的激活 [ 23 ]。激活的星形胶质细胞还会增加释放一系列与破坏BBB有关的物质，如HMGB1、IL-6、IL-1β [ 24 ， 25 ]。其中，HMGB1通过激活TLR4增加MMP-9的表达 [ 14 ]。此外，星形胶质细胞能释放粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF）和趋化因子配体11（C-C motif chemokine ligand 11，CCL-11）诱导小胶质细胞激活，产生活性氮（reactive nitrogen species，NOS）等细胞因子，导致BBB破坏并加重脑内炎症反应 [ 26 ]。
2.1.4 内皮糖萼降解：
糖萼是位于脑内皮细胞顶端的凝胶状结构 [ 15 ]，在内皮细胞与血管之间形成屏障，具有抗炎、抗血栓和抗氧化的特点，其结构的完整和稳定对于维持BBB通透性有重要作用。内皮糖萼的降解可能是多发性硬化症、急性呼吸窘迫综合征等多种疾病发生BBB功能障碍的第一步 [ 27 ， 28 ]。在脓毒症中，通过糖萼穿透探针和非穿透探针的稀释技术证明了内皮糖萼完整性的丧失 [ 29 ]，LPS可能是触发糖萼降解的主要细胞因子，此外，肝素酶、MMP也能介导糖萼的降解。脓毒症期间，体内释放的大量LPS激活单核/巨噬细胞和内皮细胞上表达的TLR4，诱导促炎细胞因子的分泌 [ 30 ]，而肝素酶、MMP这两种酶又能被ROS和促炎细胞因子（TNF-α、IL-6）激活并分别降解糖萼的硫酸乙酰肝素和蛋白聚糖成分 [ 31 ]。研究表明，减少糖萼降解可以提高脓毒症小鼠的存活率 [ 32 ]。
2.1.5 周细胞脱落：
周细胞位于内皮细胞外侧，具有与平滑肌细胞相似的收缩特点，能控制毛细血管直径，调节脑血流量，周细胞的缺失会导致BBB的完整性丧失和脑血流量减少 [ 33 ]。研究显示，在LPS处理原代周细胞后1 h，周细胞中NF-κB激活并移位到细胞核，其中信号转导与转录激活因子1（signal transducer and activator of transcription 1，STAT1）介导周细胞中炎症反应，破坏BBB功能 [ 34 ]。在腹腔注射LPS诱导的脓毒症小鼠脑组织中发现，周细胞从基底层脱离，并在6～24 h时出现BBB通透性增加，导致BBB损伤 [ 35 ]。
2.2 BBB非结构性改变
2.2.1 线粒体功能障碍：
线粒体通过氧化磷酸化为生命活动提供ATP，对细胞代谢至关重要。脑微血管内皮细胞中线粒体能量代谢障碍与BBB功能障碍密切相关 [ 36 ]。正常情况下，线粒体不断进行分裂和融合以维持生命周期的稳定，但是SAE脑内皮细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞中线粒体呈过度分裂状态 [ 37 ]，原因可能是SAE期间，体内炎症因子如LPS作用于内皮细胞等线粒体，使其产生裂变信号，固定在线粒体外膜的线粒体裂变蛋白1（mitochondrial fission 1 protein，fis1）将动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1，drp1）从胞质招募到线粒体，drp1在线粒体表面形成环状聚合体并使线粒体分裂，当线粒体裂变增多时，膜电位下降，ATP产生减少，功能障碍的线粒体释放大量神经毒性物质（如ROS），破坏BBB的完整性 [ 38 ]。通过对CLP诱导的SAE小鼠观察发现，SAE小鼠脑内通过同源性磷酸酶张力蛋白诱导激酶1/帕金森蛋白（homologous phosphatase tensin induced kinase 1/Parkinson's protein，PINK1/Parkin）信号通路激活线粒体自噬，减轻SAE诱导的认知功能损伤 [ 39 ]。此外，受损的线粒体还能释放损伤相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）进一步加重BBB的损伤 [ 40 ]。以上结果表明，线粒体受损可能是SAE期间BBB功能障碍的重要因素。
2.2.2 氨基酸失衡：
因为BBB的存在，中枢与外周神经系统中的神经递质存在较大差异。谷氨酸是中枢神经系统主要的神经递质，但是脑中谷氨酸浓度过高会对神经组织产生有害影响 [ 41 ]。在一项研究中发现，谷氨酸破坏BBB是通过激活内皮细胞上表达的N-甲基-D-天冬氨酸（N-Methyl-D-aspartate，NMDA）受体，进而增加钙内流并产生NO，最终破坏紧密连接，增加BBB通透性 [ 42 ]。SAE发生期间谷氨酸水平升高 [ 43 ]，同样激活NMDA受体，导致ATP产生减少，进一步抑制Na +-K +-ATP酶，并最终导致BBB功能障碍 [ 44 ]。此外，由于发生脓毒症时分解代谢增加，血浆中芳香族氨基酸与支链氨基酸比例失衡，大量芳香族氨基酸（酪氨酸、色氨酸）与支链氨基酸竞争BBB上的同一转运体，导致更多芳香族氨基酸进入脑内合成假性神经递质，危害神经元功能 [ 45 ]。
2.2.3 受体表达异常：
脓毒症期间，构成BBB的各细胞膜上表达的受体发生改变，并对细胞因子产生反应，影响BBB功能。例如，BBB内皮细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞可表达多种模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR），如TLR [ 46 ]。脓毒症患者体内释放的大量促炎介质IL-1β、IL-6、LPS，作用于内皮细胞的PRR，促进脑内皮细胞黏附分子的表达，增加BBB的通透性 [ 47 ]；激活小胶质细胞，释放更多炎症因子，加重BBB的损害 [ 48 ]。TNF-α也通过大量表达的TNF受体（tumour necrosis factor receptors，TNFR1、TNFR2）增加向大脑的内流 [ 49 ]。在一项对CLP诱导的脓毒症大鼠研究中发现，脓毒症大鼠体内Janus激酶（Janus kinase，JAK）/STAT信号通路被激活，微小RNA-181b（microRNA-181b，miR-181b）表达增加，下调鞘氨醇-1-磷酸受体1（sphingosine-1-phosphate receptor 1，S1PR1）的表达，导致内皮细胞黏附力降低并损伤BBB [ 50 ， 51 ]。
2.2.4 水通道蛋白（aquaporin，AQP）功能异常：
AQP是调节细胞内外水盐进出量的重要结构，根据已发表的文献可知有几种AQP参与了脓毒症的不同生理过程，包括AQP3、AQP4、AQP5、AQP9 [ 52 ]。其中，与SAE相关的AQP4在星形胶质细胞终足上高度表达，调节脑内水平衡 [ 53 ]。目前针对AQP4维持BBB通透性和完整性是否有利的问题存在争论。有研究者认为，AQP4的高水平表达对于维持BBB的通透性是有利的 [ 54 ]。也有研究者发现，在AQP4缺陷的肌萎缩侧索硬化症小鼠模型中，BBB通透性得到改善，AQP4导致BBB通透性增加，脑组织水肿 [ 55 ]。SAE相关研究显示，CLP大鼠大脑皮质AQP4表达下降不伴有BBB的功能障碍 [ 56 ]。而在另一项CLP模型研究中得出，敲除AQP4可减轻CLP小鼠的认知功能障碍和神经元损伤，减轻神经炎症反应 [ 52 ]。
3 结 论
本文综述了SAE的主要病理变化，即BBB功能障碍在疾病过程中的主要损伤机制，包括直接结构的破坏和非结构的破坏。BBB功能障碍是由于SAE期间产生的炎症因子和激活的信号通路导致紧密连接破坏、内皮细胞凋亡、星形胶质细胞肿胀变形、糖萼降解；同样，这些细胞具有的细胞因子和其他免疫相关分子受体以及细胞内的线粒体在SAE期间也发生了变化，导致BBB功能障碍。BBB功能障碍又导致外周循环中的炎症因子和神经毒性物质进入脑内，引起神经炎症和氧化应激，随后神经炎症和氧化应激反过来加重BBB的损害，从而形成恶性循环，促进SAE的发生发展。因此，维持BBB的功能可能是治疗SAE的有效方法。
引用：郑晓彧,向钱,董晓旭,等. 血脑屏障在脓毒症相关性脑病中变化的研究进展[J]. 中华危重病急救医学,2024,36(08)：892-896.