4 术后认知功能障碍的机制研究新进展
术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction，POCD）是老年患者术后常见的并发症之一，其主要表现为麻醉和手术后记忆、注意力和信息处理速度等认知功能的恶化。POCD的发生可能会延长患者住院时间、增加患者死亡风险、耗费大量的医疗资源，给患者及家庭带来了沉重的经济和社会负担，因此POCD的防治成为国内外学者研究的热点问题。由于POCD仅包含术后长期发生的认知功能变化，近期有学者提出围术期神经认知紊乱（perioperative neurocognitive disorders，PND）的新概念以描述术前和术后发生的认知功能改变，其内容包括术前已存在的认知功能衰退、急性的术后谵妄（术后7天）、延迟的神经认知恢复（术后30天）和术后神经认知紊乱（术后30天到12个月）。但因PND概念尚未普及且本文引用文献中均使用POCD的概念，因此文中仍沿用POCD术语。有关POCD的流行病学、影响因素、预防等方面已有综述进行了详细的介绍，本文主要针对POCD在神经炎症、昼夜节律紊乱以及铁稳态失衡等方面的基础研究新进展进行阐述。
一、神经炎症与POCD
研究表明，在造成POCD的诸多因素中，最重要且广为认同的机制之一就是神经炎症反应。近年来，越来越多参与POCD的炎症相关新机制被证实。
髓系细胞触发受体2（triggering receptor expressed on myeloid，TREM2）是一类小胶质细胞的免疫受体，通过与其配体DNAX相关蛋白12（DNAX activating protein of 12 kDa，DAP12）结合，影响小胶质细胞的功能与活性。对小鼠行肝部分切除术之后，检测到其海马内TREM2水平降低，离子化钙结合衔接分子1（Iba-1）表达增加，标志着小胶质细胞活化增强，同时IL-1β表达增加，导致炎症的产生。若预先向小鼠侧脑室局部注射可编码TREM2基因的慢病毒颗粒，可使TREM2表达上调、小胶质细胞M2亚型标志物精氨酸酶-1（Arg1）表达增加、IL-1β含量下降、突触素水平升高、糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）活性和tau蛋白异常磷酸化受到抑制，同时观察到小鼠空间学习能力得到恢复。该实验表明外科手术创伤可通过下调TREM2水平，激活小胶质细胞，释放大量促炎细胞因子，诱导神经炎症，进而导致认知功能损伤；通过上调TREM2水平，减轻手术引起的神经炎症反应可改善认知功能。
此外，前列腺素2（prostaglandin E2，PGE2）的受体EP3也是一种重要的炎症相关受体，对海马突触的信息传递和可塑性具有重要作用。PEG2的受体有四个亚型，分别是EP1、EP2、EP3、EP4，其中发挥主要作用的是 EP3。外科手术可以引起海马内EP3的转录和翻译水平显著增加。EP3可以抑制突触可塑性相关蛋白的表达，包括cAMP反应元件结合蛋白（cAMP responsive elemental binding protein，CREB）、细胞骨架相关蛋白（Arc）、脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）等。最新研究表明PGE2-EP3信号通路参与了POCD的发生与发展过程，EP3也有望成为POCD的药物治疗靶点。
受体相互作用蛋白激酶1（receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1）是调节炎症的关键分子开关，可通过调节炎症反应，影响POCD的发生。在腹腔注射D-半乳糖（D-Galactose）诱导小鼠衰老模型中，行七氟烷麻醉与行肝部分切除术后，可监测到海马内PIPK1水平上升、细胞坏死增多、小胶质细胞活化增加，并观察到小鼠空间能力学习、执行能力下降以及对简单任务的长期记忆能力受损。PIPK1的特异性抑制剂nec-1预处理的小鼠，术后坏死细胞显著减少、小胶质细胞活化受到影响，术后空间记忆和学习能力的损害得以减轻，表明PIPK1可通过诱导海马内细胞坏死，引发炎症反应，进而导致POCD的发生。
NOD 样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain，ASC）与含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1（caspase-1）共同组成NLRP3炎性小体。该小体在受到“危险信号”刺激时，可引发炎症反应。实验证明，异氟烷在诱导POCD形成时，有可能充当“危险信号”角色。异氟烷处理可使NLRP3活化增加、ASC含量和caspase-1前体增加，启动NLRP3炎性小体组装，激活NLRP3-caspase-1途径，调节IL-1β和IL-18的分泌，产生炎症反应，引起老年小鼠空间学习能力与认知功能损伤。而在细胞中敲除NLRP3蛋白或使用caspase的特异性抑制剂Ac-YVAD-cmk可阻断NLRP3-caspase-1途径，使小鼠空间学习能力改善。
二、昼夜节律紊乱与POCD
昼夜节律是生物界普遍存在的一种生物现象，是指生命活动以24小时左右为周期的变动，昼夜节律协调了几乎所有的生理功能，并涉及重大疾病发展。昼夜节律受到昼夜节律基因的调控，主要包括Bmal1、Cry1、Per2、Clock等。这些基因表达水平的改变以及表达节律的紊乱，会引起生物相应行为的变化。
研究表明，麻醉和手术能影响各种器官中时钟基因Bmal1、Cry1、Per2、Clock的表达，其中 Per2是昼夜节律中的核心成分，它表达于视交叉上核（SCN），在麻醉和手术中其表达受到明显抑制，Bmal1和Clock基因的表达也受到一定的影响。另有研究发现，在行异氟烷麻醉后，小鼠体内Bmal1、Cry1、Per2、Clock基因表达节律均呈现明显的去同步化现象，并观察到小鼠空间记忆能力和长期记忆能力受到损伤，表明麻醉和手术还可以通过改变时钟基因表达节律，引起麻醉和手术后认知功能损伤。
褪黑素（melatonin）作为哺乳动物和人类的松果体产生的一种胺类激素，是人类昼夜节律的主要调节因子。褪黑素可以与褪黑素受体结合而发挥作用，其中褪黑素-2受体（melatonin-2 receptor，MT2）在调节昼夜节律中起到关键性作用。褪黑素可与MT2受体结合，再激活CREB和N-甲基-D-天冬氨酸受体2B亚基（N-methyl-D-aspartate receptor 2B subunit，NR2B）信号转导通路，调节昼夜节律，使得昼夜节律再次同步化。在小鼠异氟烷麻醉前用褪黑素预处理，发现小鼠的空间记忆能力和粗大运动调节能力较单纯使用异氟烷麻醉后，有明显的改善，表明褪黑素预处理对昼夜节律正常化和认知功能改善具有积极作用，这为手术和麻醉诱导的认知功能障碍治疗提供了新策略。
三、铁稳态失衡与POCD
铁稳态（iron homeostasis）是维持中枢神经系统功能的基础，是氧运输、神经传递、髓鞘化和神经元代谢调控的必要因素。然而，中枢神经系统中的铁稳态失衡会引起包括神经退行性疾病在内的一系列精神性疾病，加大了患者发生POCD的概率。曾有研究检测不同年龄段的健康人群大脑皮层下基底核铁的积累量，发现随着年龄增长，基底核的铁会逐渐沉积，且铁沉积与认知功能存在负相关。而外科手术带来的创伤也会一定程度加重基底核的铁沉积，引发神经炎症、氧化应激、细胞凋亡以及神经毒性，最终导致POCD的发生。
铁稳态失衡会使体内的小胶质细胞活性增加，从而使机体对外界创伤和感染等危险因素的敏感性增加，引发神经炎症。在老年小鼠剖腹探查实验模型中，通过Iba-1标记显示，术后小鼠体内由铁沉积引起的活化小胶质细胞数量明显增加，同时在体外脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）暴露实验中可检测到活化小胶质细胞内铁的含量有所增加，反映铁的沉积是参与小胶质细胞活化导致神经炎症的原因之一。引发神经炎症的另一个重要因素是大脑中促炎细胞因子的增加。手术后小鼠海马区铁沉积引起的IL-1β、IL-6、TNF-α水平明显增高。小胶质细胞的活化与促炎细胞因子的增多伴随着小鼠空间定位能力和记忆能力障碍，使用去铁胺（deferoxamine，DFO）后活化小胶质细胞数量减少，促炎细胞因子水平一定程度降低，且手术诱导的学习及记忆损害得以减轻。可见铁稳态失衡导致的大脑内小胶质细胞活化和促炎细胞因子的增加会引发术后神经炎症，导致POCD的发生。
氧化应激同样是导致POCD的病理生理学相关机制之一。在不同老年小鼠外科手术模型中，术后铁沉积伴随体内丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平增加，MDA是自由基作用于脂质发生过氧化反应的氧化终产物，其高表达是体内发生氧化应激的重要标志，用DFO预防治疗可降低术后MDA水平。手术后小鼠体内活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）水平伴随铁的沉积而增高，中、高浓度的ROS会通过细胞氧化应激反应诱导细胞凋亡甚至导致细胞坏死进而引发POCD；与此同时，术后小鼠的gp91 phox和p38蛋白激酶（p38 MAPK）水平也增加，NADPH氧化酶2（NOX2/gp91 phox）是参与海马氧化应激损伤ROS的主要来源。用DFO预处理可降低术后ROS、gp91 phox、p38 MAPK水平。铁稳态失衡可能诱发术后氧化应激反应进而引起POCD。
Bax/Bcl-2的比值是决定细胞凋亡抑制作用强弱的关键因素，Bax的过度表达可拮抗Bcl-2的保护效应而使细胞趋于死亡。因此，术后Bax与Bcl-2水平变化是研究细胞凋亡的重要指标。在老年小鼠剖腹探查实验模型中，术后小鼠的Bax/Bcl-2比例明显升高，且用DFO预防治疗后有所降低。此外，术前DFO处理，通过预防术后小鼠海马铁沉积使含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）增加并阻断GSK-3β活性，进而减少凋亡细胞数量，由此证明铁稳态失衡是导致术后细胞凋亡进而引发POCD的因素之一。实验证明术后小鼠BDNF水平降低，可引起神经毒性，加速神经元细胞凋亡，用DFO预处理可减轻BDNF水平的降低。
外科手术引起的脑内铁稳态失衡与细胞内外铁的转运有关，术后膜铁转运蛋白1（ferroportin-1，Fpn1）水平降低，铁调素（hepcidin）、二价金属离子转运体1（divalent metalion transporter-1，DMT1）水平增加，使得细胞内的铁向细胞外转运受到抑制，而细胞外的铁得以进入细胞，最终造成铁的沉积。此外，转铁蛋白受体（transferrin receptor-1，Tfr1）对于一些神经元细胞铁稳态（如DA神经元）也起着至关重要的作用。因此，解决外科手术后细胞内外铁的转运是预防与治疗POCD的新思路。
四、结语
综上所述，POCD的发病机制十分复杂，是多种机制共同作用的结果，而神经炎症、昼夜节律紊乱以及铁稳态失衡是目前POCD的发病机制的最新进展。基础实验表明，通过改善神经炎症、预防性的使用褪黑素和去铁胺可减少POCD的发生，如何将基础实验成果应用于临床尚有待于进一步的研究。
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