圍術期神經認知障礙神經生物標志物的研究進展

蔣彬琪, 覃兆軍

(三峽大學人民醫院麻醉科, 湖北 宜昌 443000)

圍術期神經認知障礙(perioperative neurocognitive disorders, PND)是一種老年患者手術麻醉后常見的神經精神并發癥, 由原來的術后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction, POCD)更名而來[1]。 根據DSM-5診斷標準, PND按發病時間分為5個亞類, 其中術后譫妄(postoperative delirium, POD)和術后神經認知障礙(neurocognitive disorders, NCD)對患者影響最大, 包括術后并發癥增多、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的發病機制都涉及一個共同的系統——中樞神經系統(central nervous system, CNS)。 隨著分子生物學技術的發展, 國內外學者致力于尋找可靠的神經生物標志物以對PND的預測、診斷、治療及預后進行評估。 本文從神經損傷、神經毒性、神經營養、星形膠質細胞損傷4個方面總結了近年來在PND領域有價值的神經生物標志物研究進展。

1 神經損傷方面

1.1 神經絲輕鏈(neurofilament light, NfL)

NfL是神經絲蛋白的一個亞單位, 專門位于神經細胞質中。 神經絲蛋白賦予神經元結構穩定性, 存在于樹突和神經元胞體以及軸突中。 在正常情況下, 軸突釋放低水平的NfL。 在炎癥、神經退行性病變、創傷等引起中樞神經軸突損傷時, NfL的釋放會急劇增加[2]。 2018年Halaas等[3]對髖部骨折患者術后的腦脊液分析發現 NfL水平升高與POD相關, 并加速譫妄前的認知下降。 手術過程中對周圍神經的損傷、麻醉的負面作用和全身生理反應可能是其潛在機制。 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/或血流動力學影響。 這表明, NfL釋放和神經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——的發展, 通過有效地測量血液中的NfL, 顯示了腦脊液和血液中NfL之間的緊密關聯, 血液NfL已被認為是反映神經軸突損傷過程的可靠指標[4]。 2020年Casey等[5]研究發現POD與血清NfL的關系呈劑量依賴關系, POD的嚴重程度與NfL水平成正比增加, 而且數據表明NfL水平增加可能與POD本身的發病機制有關, 并不依賴于炎癥的變化。 麻醉或手術造成原發性神經損傷時, 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果相關。 對神經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鍵的優勢, 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。 NfL是未來研究PND的最有前途的生物標志物之一。

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

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

1.3 環狀RNA089763

環狀RNA(circular RNA, CircRNA)是一類閉合環狀的 RNA 分子, 主要由不均一核RNA(pre-mRNA)通過可變剪切加工產生。 作為一類獨特的非編碼RNA(non-coding RNA, NcRNA), CircRNA具有共價閉合連續環的特點, 在抑制微小RNA(MicroRNA)的功能、調節RNA聚合酶的活性、結合相應基因的啟動子序列以及影響相應基因的表達方面發揮著重要作用。 此外, 它還具有普遍性、保守性和組織特異性的特點。 在體內, 環狀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。 同時, 與線性RNA相比, 不受RNA外切酶的影響, CircRNA的穩定性要高得多, 因此可以穩定地存在于體液中, 是一種有價值的新生物標志物。 研究表明, CircRNA參與調節中樞神經細胞的各種病理過程, 并介導帕金森病(Parkinson’s disease, PD)和阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)等神經退行性疾病的發生和發展[9]。 2018年Wang等[10]首次發表了POCD與CircRNA相關的報道, 他們在POCD患者的血漿外泌體中檢測到了候選環狀RNA,以確定它們是否能夠提供POCD相關調控因子的信息。 最終結果顯示CircRNA 089763的表達在冠脈搭橋手術(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患者血清樣本進行了CircRNA芯片檢測, 發現POCD的發生與術后第3天血漿CircRNA-089763水平呈正相關。 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是未來預測POCD發展的關鍵生物標志物。

1.4 Tau蛋白

Tau蛋白是一種在神經元中高度表達的微管相關蛋白, 它調節軸突微管的穩定性。 在顱腦損傷患者的腦脊液中Tau 蛋白比正常人明顯增高, 而且腦神經元受損程度和腦脊液中Tau 蛋白的濃度呈正相關。 2021年Ballweg等[12]對非心臟手術患者進行研究, 采用線性混合效應模型分析顯示Tau蛋白的濃度變化與POD的發生率和嚴重程度有關, 并隨著時間的推移與POD的癥狀一起緩解。 但是, 2021年Danielson等[13]發現了不同結果, 他們認為術后神經認知結果的好壞與腦脊液Tau蛋白濃度的變化無關。 僅從腦脊液Tau蛋白的濃度來預測POCD的發生仍具有爭議, 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]發現腦脊液Aβ/Tau的濃度比值與POCD有顯著的相關性, 可以預測老年患者POCD的發生, 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, 特異地存在于神經元和內分泌細胞中, 有調節神經炎癥和神經營養活性的作用。 血液中NSE水平的升高被看作是神經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]分析手術后立即獲得的樣本沒有發現升高的NSE與認知功能減退之間的關系。 2021年, Danielson等[13]發現大型骨科手術患者術后血清的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, 如外周神經元或神經內分泌細胞。 并且老年患者的NSE水平與年齡相關, 年齡越大, NSE水平越高。 目前, NSE的血清學檢測值對判斷PND病情和預后的價值存在爭議。

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生, 這一過程被稱為DNA甲基化。 在大腦中, DNA甲基化是調節海馬神經元突觸可塑性的關鍵, 從而影響學習和記憶。 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的發展存在關聯, 他們發現POCD患者術后5-MC水平低于非POCD患者, 盡管2組患者術前5-MC水平相當。 外周血白細胞5-MC水平降低與早期POCD發生的相關機制尚不明確。 一種可能是圍術期全身炎癥在調節白細胞DNA低甲基化和POCD中起重要作用。 在手術和創傷情況下, 外周激活的免疫細胞通過血腦屏障遷移并滲入腦組織, 引起神經炎癥并引發POCD, 因為炎癥有很強的潛力誘導異常染色質修飾。

2 神經毒性方面

2.1 β淀粉樣蛋白(amyloid-β, Aβ)

Aβ是由淀粉樣前體蛋白經β-和γ-分泌酶的蛋白水解作用而產生的多肽。 人體內最常見的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水平來反應大腦皮質淀粉樣斑塊的沉積。 Idland等[19]提出術前低濃度的腦脊液Aβ1-42水平可預測術后3個月時的神經認知能力下降。 2019年Cunningham等[20]證實術前腦脊液Aβ1-42濃度是關節置換術患者POD的獨立預測因子。 但是在影像層面, Klinger等[21]使用正電子發射斷層掃描示蹤劑18F-florbetapir直接測量手術后大腦中Aβ的沉積, 結果發現心臟手術后6周大腦皮質Aβ沉積與認知功能障礙之間沒有聯系。 2021年, Danielson等[13]研究數據也說明術前腦脊液Aβ1-42濃度與術后認知結果沒有相關性。 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, 發揮神經毒性作用, 損傷皮質下環路等神經通路, 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[22]。 2016年Xie等[23]發現全麻下行髖關節置換術的老年患者術后各時間點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。 2019年謝海輝等[24]在對全麻下接受肺葉切除術的老年患者研究中得到相同觀點, 術后7 d血清MMP-9水平升高與認知功能下降顯著相關, 提示MMP-9可能是POCD潛在的生物標志物。

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

BDNF作為神經營養因子家族的重要成員, 對CNS中神經元的存活、分化、生長發育、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。 近年來, 隨著對PND 研究的不斷深入, 臨床研究發現 BDNF與PND有廣泛的相關性。 神經遞質信號的改變, 包括膽堿能活性的降低和多巴胺能活性的增加, 已經被證明參與了PND的發展。 BDNF可以促進膽堿能和多巴胺能神經元的功能和存活, 以及神經傳遞的增強。 由于BDNF減少而導致的神經傳遞的改變在PND的發生發展中起到一定的作用。 2019年Wyrobek等[25]對接受脊柱手術的患者進行前瞻性隊列研究, 發現術中血清BDNF水平降低與術后不良的認知結果有關。 BDNF在前額葉皮質和海馬中高度表達, 這兩個區域對記憶功能、認知和行為至關重要。 手術和麻醉應激減少大腦BDNF信使RNA的合成可能是手術中BDNF水平降低的機制。 2021年Miniksar等[26]證實了術中血清BDNF是預測CABG患者PND有價值的生物標志物。 根據他們的研究結果, 心臟手術中過度的炎癥反應、腦低灌注狀態和麻醉誘導的中樞抑制效應可能導致了血清BDNF水平的變化。

4 星形膠質細胞損傷方面

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

GFAP是星形膠質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年發現血漿GFAP濃度升高與非心臟手術后1個月的認知能力下降有關。 近年來結果有所不同, 2019年Tomaszewski等[27]研究發現全髖關節置換術患者術后與術前相比, 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據分析指出GFAP與POD沒有相關性。 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是一種鈣離子結合蛋白, 主要由星形膠質細胞分泌, 不同濃度下對神經具有營養或毒性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功能障礙生物標志物, 但是在PND領域的應用價值具有爭議。 2016年, Silva等[28]研究發現血清S100β水平可顯著預測術后21 d的POCD。 同年Rappold等[15]發現肩關節手術后S100β水平升高與認知功能減退沒有關系。 2017年, Goettel等[29]也證實非心臟手術后的認知功能障礙與S100β無關。 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的調節, 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激期間, 星形膠質細胞釋放的S100β會增加。

綜上所述, 目前的研究發現NfL、pNF-H和BDNF 用于預測和診斷PND具有較高的特異性, 其他神經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發病機制的復雜性和多因素性, 我們應該把目光從尋找單個最優的生物標志物轉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, 在輕度創傷性腦損傷患者中區分頭顱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的預測和診斷中, 提高敏感性和特異性, 以利于早期發現和早期治療。