非编码RNA在术后认知功能障碍发病中的研究进展

彭观发 王力峰 钟茂林 梁伟东 叶军明

1赣南医学院第一临床医学院/附属医院（江西赣州 341000）；2赣南医学院（江西赣州 341000）

术后认知功能障碍（post operative cognitive dysfunction，POCD）是外科手术后常见的并发症，主要表现为精神错乱、焦虑、人格的改变以及记忆受损［1］。POCD 在老年人和有神经认知障碍的患者中较为常见，根据国际术后认知功能障碍研究小组（ISPOCD）的研究，老年患者术后7 d POCD 的发病率约为25.8%，术后3 个月内约为10%。POCD可能导致长期严重的认知缺陷，严重影响患者的生活质量，影响整体的发病率和死亡率，同时增加医疗费用，给患者和社会带来沉重的医疗负担。随着我国老龄化社会的到来，越来越多的老年患者接受手术治疗，POCD 的发病人数逐年增多，对我国医疗卫生系统造成的负担也在相应地增加。POCD 的确切发病机制尚不清楚，目前还没有确切有效的治疗方法，因此，阐明POCD 的发病机制一直是围术期医学研究的热点。

非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）是一类不具备蛋白编码能力的RNA 分子，主要包括微小RNA（microRNA，miRNA）、长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）、环状RNA（circular RNA，circRNA）。ncRNA 虽然不参与蛋白质的编码过程，然而通过深入研究发现，ncRNA 可以通过调控基因表达程序来调节细胞功能［2-3］。ncRNA 通过它们的一级序列和结构元件与DNA、RNA 和蛋白质相互作用，从而调节细胞的各种生命过程，包括基因转录、RNA 代谢、mRNA 翻译和蛋白质组装［4］。研究发现，ncRNA 在细胞增殖、凋亡、自噬、分化、迁移和侵袭等关键过程的调控和执行中起着至关重要的作用［5-6］。近年来大量研究表明，ncRNA 参与了多种神经退行性疾病的发病过程［7］。越来越多的实验结果表明，ncRNA 与POCD 的发病密切相关，ncRNA 参与了POCD 的发病过程。本文对ncRNA 在POCD 中的作用进行总结，以期为POCD的防治提供新的思路。

1 miRNA 在POCD 发病过程中的作用

1.1 miRNA概述 miRNA是一类由基因编码的长度为21 ～24 nt 的非编码小分子RNA［8］。miRNA能够识别目标mRNA 的3′非翻译区（3′UTR）中的互补序列，从而导致目标mRNA 的翻译抑制或降解，进而实现对目标基因的表达调控［9］。通过对靶mRNA 的作用，miRNA 在调节神经系统发育、神经细胞分化、突触可塑性等过程中发挥重要作用［10］。中枢神经炎症、氧化应激、细胞凋亡被认为是导致POCD 的主要原因，近年来研究发现miRNA 参与了这些过程的调控［11-12］。对miRNA 进行深入研究将有助于进一步理解POCD 发病机制和研发新的治疗药物。

1.2 miRNA 参与中枢神经炎症 中枢神经炎症水平的增加是导致POCD 的主要原因。研究［13］发现，miR-181b-5p 在POCD 小鼠海马中的表达下调，向POCD 小鼠海马内注射miR-181b-5p 的模拟物可以有效减轻中枢神经炎症水平，提高其在恐惧箱中的冻结时间，通过双荧光素酶报告实验检测发现，miRNA-181b-5p 可直接靶向TNF-α mRNA 的3′UTR。由此可知，miR-181b-5p 通过抑制炎症因子TNF-α 的表达，调控中枢炎症水平，进而改善POCD。miRNA 不仅直接调控炎症因子的表达，也参与调控炎症相关的信号通路。TLR4/NF-κB 通路是经典的促炎信号通路，活化的转录调节因子核因子-κB（NF-κB）可从细胞质进入到细胞核中并促进炎症因子白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）基因的转录和表达，增加中枢神经炎症水平。最新的研究［14］发现，miRNA-129 可以直接靶向Toll 样受体4（TLR4）进而抑制NF-κB 通路，降低炎症因子IL-1β和IL-6 的mRNA 和蛋白表达，并且提高POCD 大鼠在水迷宫中穿越平台的次数和降低逃逸潜伏期，改善七氟烷诱导的大鼠认知功能障碍，提示靶向miRNA-129 可能是改善认知功能的潜在靶点。以上研究表明，miRNA 参与了中枢神经炎症的调控过程，靶向miRNA 可能是治疗POCD 的新靶点。

1.3 miRNA 参与细胞凋亡 近年来研究发现海马区神经元的凋亡是导致POCD 的重要原因之一。有研究指出，麻醉和（或）手术诱发抗凋亡蛋白B 细胞淋巴瘤-2（Bcl-2）和促凋亡蛋白Bcl-2 相关X 蛋白（Bax）的比例失衡并促使细胞色素C（cytc-c）从线粒体释放到胞浆中，导致凋亡小体的形成和半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）的激活，并最终导致细胞凋亡［15］。单丝氨酸蛋白激酶1（LIMK1）是抑制丝切蛋白（Cofilin）介导的细胞凋亡的关键蛋白［16］。ZHANG 等［17］研究发现，miR-106a 可以与LIMK1 的3′UTR 结合，海马内注射miR-106a 的抑制剂可提高POCD小鼠LIMK1和Bcl-2的水平，降低Bax 和caspase-3 的表达水平，并增加POCD 小鼠在水迷宫测试中目标象限的停留时间。由此可知，miR-106a 通过直接调控细胞凋亡过程中的关键蛋白LIMK1 在异氟醚麻醉诱导的认知障碍中起重要作用。miRNA 不仅可以直接调控细胞凋亡，也可以通过调控炎症信号通路间接调控细胞凋亡。ZHAO 等［18］研究发现，七氟醚处理可抑制小鼠海马神经元中miR-124 的表达；过表达miR-124 可以提高Bcl-2 的表达水平，降低Bax 和caspase-3 的表达水平，抑制细胞凋亡水平。进一步研究发现，miR-124 通过靶向钙蛋白酶小亚基1（Capn4）和NF-κB 信号通路来发挥神经保护作用，提示miR-124 可能通过抑制炎症信号通路进而抑制七氟烷诱导的小鼠认知功能障碍。由此可知，miRNA 通过调控细胞凋亡在POCD 的发病过程中起重要作用。

1.4 miRNA 参与氧化应激 POCD 的发生发展与氧化应激损伤密切相关。机体在受到手术创伤后会产生大量的活性氧（ROS），这些ROS 可作用于线粒体膜磷脂发生过氧化反应，致使呼吸链复合体功能失调；同时ROS 还可攻击体内的蛋白质、DNA，进而导致神经细胞的凋亡［19］。丙二醛（MDA）是脂质氧化终产物，反映机体脂质过氧化的程度，标志着氧化应激水平的高低，而超氧化物歧化酶（SOD）是抵御线粒体过度产生ROS 及MDA 等产物所造成损害的第一道防线，是清除自由基的关键酶［20］。近年来研究发现，miRNA 通过调控参与氧化应激反应的基因在神经退行性疾病的发病过程中起着重要作用［21-22］。MAO 等［23］研究发现，在POCD 患者的血液样本中发现miR-146 表达下调，对POCD 小鼠给予miR-146 模拟物后，海马组织中ROS、MDA 含量降低并且SOD 活性升高；而敲低miR-146 的表达水平发现海马组织中ROS、MDA含量升高并且SOD 活性降低，说明miR-146 可以抑制氧化应激损伤，给予外源性益生菌后可以提高POCD 小鼠miR-146 的水平，降低氧化应激水平，进而改善POCD 小鼠的认知功能障碍，提示miR-146 可能是改善POCD 的潜在治疗靶点。

2 lncRNA 在POCD 发病过程中的作用

2.1 lncRNA 概述 lncRNA 是一类从基因组区域转录而来长度大于200 nt的非蛋白编码RNA分子。lncRNA 起初被认为只是作为转录“噪音”存在，现发现lncRNA 在表观遗传调控、基因转录、蛋白翻译、RNA 代谢调控等多种细胞活动过程中发挥重要调节作用［24-25］。近年来研发发现，lncRNA在大脑中有很高的表达并在脑发育、神经分化和维持、突触可塑性、认知功能和记忆等方面发挥重要作用［26］。最近的研究表明，IncRNA 还参与了POCD 的发病过程，靶向IncRNA 有望成为治疗POCD 的新靶点。

2.2 lncRNA 参与中枢神经炎症 中枢神经炎症是导致POCD 的重要原因，lncRNA 参与了中枢神经炎症的调控过程。七氟烷可诱导海马区炎症水平的升高，是诱导POCD 动物模型的麻醉剂之一［27］。ZHU 等［28］研究发现，七氟醚干预的原代海马神经元中lncRNA Gm5106 的表达增加，而沉默lncRNA Gm5106 可降低炎症因子IL-6、IL-10 和TNF-α 的水平，说明lncRNA Gm5106 参与了七氟醚诱导的原代海马神经元炎症反应。进一步研究发现，lncRNA Gm5106 是miR-27b-3p 的直接靶点，而miR-27b-3p 可抑制炎症反应，因此lncRNA Gm5106通过靶向抗炎分子进而促进炎症水平的升高。WEI 等［29］研究发现，lncRNA NONMMUT055714 在POCD 小鼠模型中表达下调。在体外实验发现，抑制NONMMUT055714 的表达后原代海马神经元中炎症因子（TNF-α，IL-1β，IL-6）的水平显著升高；向小鼠海马区注射NONMMUT055714 过表达慢病毒后可以降低小鼠在水迷宫实验中找到平台的潜伏期时间，并增加目标象限停留时间的百分比，由此可知，NONMMUT055714 的过表达对POCD 小鼠的认知障碍有保护作用，其机制与调控中枢炎症有关。由以上研究可知，lncRNA 广泛参与了中枢炎症反应，在POCD 的发病过程中起重要作用。

2.3 lncRNA 参与细胞凋亡 与认知功能相关的神经元的凋亡是引起POCD 的直接原因。研究［30］发现，经七氟醚处理后的7日龄大鼠海马组织中神经细胞的凋亡增加，并且高表达lncRNA MALAT1；lncRNA MALAT1 的下调则减轻了大鼠的病理改变，抑制了神经细胞的凋亡，说明lncRNA MALAT1参与了七氟烷诱导的细胞凋亡。通过进一步实验发现，lncRNA MALAT1 的下调降低了caspase-3 和Bax 的水平，增加了Bcl-2、脑源性神经营养因子（BDNF）和神经生长因子（NGF）的水平，并且增加了大鼠海马神经元的密度，提示lncRNA MALAT1可通过调控Bcl-2 与Bax 进而影响细胞凋亡过程。另一项研究［31］发现，lncRNA Rian 在七氟醚麻醉诱导小鼠认知功能障碍的过程中起重要作用。过表达lncRNA Rian 可改善七氟醚诱导的神经元损伤和凋亡。进一步研究发现，lncRNA Rian 与miR-143-3p 结合，通过负调控miR-143-3p，降低LIMK1的表达，减轻七氟醚麻醉后神经元的损伤，提示lncRNA Rian 可能是抑制凋亡的潜在靶点。小胶质细胞的激活是POCD 的病理特征之一，活化的小胶质细胞会对神经元造成损伤并诱导神经元的凋亡［32］。最近的研究［33］发现，lncRNA LOC102546895在POCD大鼠中表达下降；过表达lncRNA LOC102546895后可抑制小胶质细胞增殖并促进其凋亡，提示lncRNA LOC102546895 可通过调控小胶质细胞的活化来抑制手术创伤诱导的神经元凋亡，进而发挥神经保护作用。由以上研究可知，lncRNA广泛参与了神经元细胞的凋亡过程。

2.4 lncRNA 参与氧化应激 氧化应激损伤会破坏细胞结构，引起细胞死亡，在中枢神经系统疾病的发病过程中起重要作用。BDNF 是内源性神经保护因子之一，在维持细胞氧化还原稳态、防止脂质和蛋白质的氧化损伤等方面起到重要作用，能代表氧化应激的初始反应［34］。研究［35］发现，lncRNA HOTAIR 在七氟醚麻醉后大鼠海马中表达升高且BDNF 的表达降低；给予si-HOTAIR 抑制其表达后BDNF 的表达升高，并且改善了七氟醚诱导的大鼠认知功能障碍，说明lncRNA HOTAIR 通过抑制BDNF 的表达增加细胞氧化应激水平，进而介导了七氟醚诱导的大鼠认知功能障碍。由以上研究可知，lncRNA 参与了氧化应激反应的调控过程，在POCD 的发病过程中起了重要作用。

3 circRNA 在POCD 发病过程中的作用

3.1 circRNA 概述 circRNA 是一类特殊的非编码RNA 分子，最早于1976年在植物类病毒中发现［36］。随着RNA 测序技术的进步和生物信息学的发展，circRNA 已成为RNA 领域的研究热点。与传统的线性RNA 分子不同，circRNA 不具有5′-3′极性，也不含有5′末端帽结构和3′末端poly（A）尾结构，以共价键连接形成封闭的环状结构。circRNA 虽然不编码蛋白质，但却能与miRNA 和蛋白质相互作用，在调控细胞基因的转录、翻译和表达等方面转起着关键作用［37］。近年来研究发现，circRNA 可能通过影响血管生成、神经元可塑性、自噬、凋亡和炎症等机制来调节多种疾病的发生发展，包括脑肿瘤生长，以及急慢性神经退行性疾病［38］。由于其特殊的结构，circRNA 具有稳定、丰富、保守、组织特异等特点，有望成为临床诊断、治疗和预后的新的分子标志物。进一步了解circRNA 的功能及其与其他类型ncRNA 的相互作用和转录/翻译机制，将有助于寻找治疗POCD 的新靶点。

3.2 circRNA 参与POCD 的发病过程 CAO 等［39］研究发现，右美托咪啶（Dex）对POCD 有治疗作用，RNA测序结果显示，circRNA-Shank 3 在POCD 组与Dex组之间高度差异表达。通过生物信息学分析发现，CIRC-Shank 3 的靶基因可显著富集到p53 信号通路和NF-κB 信号通路，提示circRNA-Shank 3可能通过调节P53 和NF-κB 信号通路参与了Dex改善POCD 的过程。目前，POCD 的诊断主要依靠评分量表，这具有较大的主观性，寻找特异的分子标志物一直是POCD 研究的热点。与miRNA 和lncRNA 相比，circRNA 由于其特殊的结构不易被核糖核酸酶快速降解，具有较长的半衰期，是POCD诊断较为理想的分子标志物。WU 等［40］用微阵列检测发现，与对照组相比，在POCD 海马组织中circRNA 28795、circRNA 44122、circRNA 22058、circRNA 44559 和circRNA 22673 的表达差异显著。以上结果提示，circRNA 在小鼠海马中表达异常，可能与老年小鼠POCD 的发生有关，circRNA 有可能是POCD 的特异分子标志物。circRNA 不仅在POCD 的动物模型上有差异表达，近年来发现在临床POCD 患者中也有差异表达。WANG 等［41］用微阵列技术检测发现，冠状动脉旁路移植术后POCD患者的9 种circRNA水平高于正常人，6 种circRNA 水平低于对照组。RT-qPCR 结果显示，与对照组相比，POCD 患者中circRNA 089763 表达显著增加，提示circRNA-089763 可能是一种新的生物标志物。综上所述，circRNA 在POCD 的发生和发展过程中具有特殊的调节作用，并有望成为新的临床诊断标志物，并为POCD 的治疗提供新的思路。

4 小结

POCD 是外科手术后常见的并发症，严重影响患者的生活质量和预后，如何降低POCD 的发生率一直是近年来研究的热点。然后，POCD 的发病机制复杂，确切发病机制尚未完全阐明，目前也无有效的防治药物与方法。首先，POCD 的临床诊断缺乏客观的评价指标，目前主要使用评分量表来评价患者的术后情况，具有一定的主观性。其次，POCD 动物模型的建立目前尚无统一的方法，有学者主张单纯使用麻醉药物诱导POCD 模型；而有的学者则主张麻醉药物联合手术创伤来建立POCD模型。POCD 的动物模型众多，研究结果在不同动物模型之间的一致性和重复性差异较大。第三，目前主要通过POCD 的啮齿类动物模型来研究ncRNA 在POCD 中的作用，而人类的中枢神经系统的复杂程度远远高于啮齿类动物的，如何将基础研究成果在临床上转化仍是目前面临的重大挑战。因此，未来的研究要进一步深入探索ncRNA在POCD 发病中的作用，并将基础研究成果向临床应用上转化。随着对ncRNA 在POCD 发病机制中作用的深入理解，基于ncRNA 的有效干预将有望成为预防、诊断和治疗POCD 的可行方法。