细胞自噬在脓毒症脑损伤中作用的研究进展

刘方燕， 付湘云， 罗 涛， 刘志刚

(武汉大学人民医院麻醉科， 湖北 武汉 430060)

脓毒症实质是宿主对感染反应的失调，涉及反应不足及反应过度，临床上易导致急性器官功能障碍而引发较高的死亡率，给患者及其家属带来沉重的经济负担。全身脓毒症时，患者可表现为SIBD。SIBD发病机制较多，涉及神经递质功能障碍、大脑炎症、缺血性病变、微胶质激活和血脑屏障功能障碍等[1]。此前认为，自噬可以通过调节炎症反应对脓毒症脑损伤起到保护作用。而更多研究发现，自噬对脓毒症脑损伤的影响远不止于此，为进一步探讨两者间的关系，现就自噬在脓毒症脑损伤发病机制中的作用进行综述。

1 脓毒症脑损伤的相关机制

全身脓毒症发生时，中枢神经系统(CNS)较易受累，70%的脓毒症患者会出现SIBD，是最常见的与脓毒症相关的器官功能不全。脓毒症脑损伤机制涉及如下几个方面：

1.1血脑屏障破坏 血脑屏障(BBB)是一种物理和代谢屏障，可选择性介导中枢神经系统与外周系统之间的交换，对稳定脑组织生理环境，保护中枢神经系统免外界侵害具有重要作用。脓毒症时基质金属蛋白酶(MMP)表达上调可加速降解细胞外基质，破坏血脑屏障，而抑制MMP-2、MMP-9表达后可明显改善脓毒症导致的血脑屏障破坏，改善认知障碍[2]。血脑屏障中的紧密连接蛋白3(claudin-3)等同样对防止或减轻脓毒症诱导的脑损伤有重要作用。此外，盲肠结扎穿刺(CLP)诱导的大鼠脓毒症模型显示,中性粒细胞可受蛋白激酶C超家族的蛋白激酶C-δ (PKC-δ)显著调控,协助破坏BBB并进入脑内引发神经炎性反应,进一步加重血脑屏障的破坏[3]。脓毒症时发生氧化应激可改变电子传递链而影响线粒体的呼吸功能，促使血脑屏障内皮细胞和基质金属蛋白酶遭受长时间的氧化损伤。

1.2炎症介质:脓毒症脑损伤发生时，脑内可出现急性炎性反应和氧化应激性损伤。全身炎症反应可诱导脑内小胶质细胞和星形胶质细胞的激活，释放促炎细胞因子和趋化因子如肿瘤坏死因子-α (TNF-α)，白细胞介素-1β (IL-1β)和白细胞介素-6 (IL-6)等，从而介导脑内大量炎性介质的产生，最终诱发神经细胞凋亡和神经系统的能量障碍导致认知障碍。而大量炎性细胞因子和内毒素可诱导脑内活性氧(ROS)和活性氮(RNS)的失衡，进一步加重脑损伤[4]。

1.3线粒体功能障碍:线粒体功能障碍是脓毒症相关脑功能障碍重要的发病机制之一。在小鼠CLP模型中，线粒体氧化磷酸化水平降低，细胞色素C氧化酶含量减少，线粒体功能受到损害。脓毒症时脑组织线粒体功能受损,氧化应激水平增高，活性氧(ROS)生成增加而触发神经元凋亡和炎症反应，造成脑损伤。线粒体功能障碍可导致长期记忆功能障碍，刺激线粒体动力学可以减轻脓毒症诱导的认知功能障碍。

1.4小胶质细胞活化:小胶质细胞是脑内主要的免疫细胞。脓毒症急性期小胶质细胞可被炎症介质、邻近细胞及神经递质激活，引起大脑神经元功能障碍。活化的小胶质细胞存在M1及M2两个表型,M1型小胶质细胞活化后有助于IL-1β、IL-6、TNF-α等的分泌，从而加重脓毒症期间的神经炎症反应。

1.5免疫抑制:适度的免疫反应可调节炎症反应，而脓毒症期间机体免疫系统往往失调，成为引发脑功能障碍的重要原因之一。免疫抑制在脓毒症发病机制中起着至关重要的作用，包括初始的过度激活的炎症反应以及过度炎症反应后的延迟免疫抑制。

2 细胞自噬

细胞自噬是一种由各种细胞应激条件所诱导，在所有真核生物中高度保守的细胞降解和循环过程，主要具有细胞保护功能[5]。哺乳动物细胞有三种主要类型的自噬:微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬。与微自噬和分子伴侣介导的自噬不同，巨自噬需重新合成双膜囊泡-自噬体，用于隔离内容物并随后将其运输至溶酶体。在正常生长条件下，巨自噬作为一种细胞保护机制，可以选择性降解受损或多余的细胞器，如受损的线粒体。然而，过度的自噬也可能是有害的。自噬体的形成过程可以分为起始、延伸和成核三个连续的阶段。自噬过程主要受磷脂酰肌醇3激酶及mTOR信号通路的调节。营养充足条件下，溶酶体中的mTORC1会磷酸化 Ulk1 Ser 757 以及中断 Ulk1 和 AMPK 之间的相互作用来阻止 Ulk1 激活，从而抑制自噬的发生。但在饥饿或应激条件下，mTORC1则被抑制，溶酶体- mTORC1结合受阻，AMPK通过Ser 317和Ser 777的磷酸化直接激活Ulk1，促使自噬的发生。成核由VPS34和Beclin-1配合进行。最后则由Atg5-Atg 12-Atg16L和LC3II- PE偶联物实现其延伸。病原体感染时，胞浆内可出现自噬体，LC3Ⅱ作为自噬体标记蛋白，可由LC3Ⅰ转化而来。

3 自噬与脓毒症

3.1自噬与脓毒症炎症和免疫反应:自噬可调节脓毒症炎症及免疫反应。脓毒症中的自噬水平升高可调节巨噬细胞活性，避免体内炎症反应过度激活，从而对机体起到保护作用。有研究表明自噬可诱导中性粒细胞形成中性粒细胞细胞外陷阱，改善脓毒症小鼠的生存率[6]。在小鼠盲肠结扎和穿刺(CLP)模型中，与对照组相比，淋巴细胞特异性缺失Atg5或Atg7的小鼠死亡率增加，免疫功能障碍和T细胞凋亡水平上升，这表明缺乏自噬会促进脓毒症诱导的后天免疫抑制。

3.2线粒体自噬与脓毒症:线粒体功能障碍目前被认为是脓毒症引起的器官衰竭的重要因素，可减少细胞能量供应并增加氧化应激。线粒体结构和功能的损伤，与胞质钙离子升高、活性氧(ROS)水平增加、促凋亡因子和线粒体DNA (mtDNA)的大量释放有关，这一方面激活炎性小体介导的炎症反应，加重氧化应激，另一方面也引发了线粒体自噬[7]。激活的线粒体自噬可以将受损线粒体通过溶酶体降解途径消除，从而减轻氧化应激带来的损伤。

4 自噬在脓毒症脑损伤中的作用及其机制

脓毒症时脑组织皮质及海马区在电镜下均可观察到自噬体形成增加，提示自噬的发生。适度的自噬作为机体的一种自我保护机制，可以调节神经系统炎症反应，减轻脓毒症脑损伤，而自噬不足或自噬过度都将带来一定的损害。

4.1自噬对脓毒症脑损伤的保护作用:在脓毒症小鼠脑损伤模型中，当自噬水平降低时，海马细胞可出现轻度水肿、功能紊乱等。一些长链非编码RNA可通过调节皮层神经元的自噬水平来保护脓毒症脑损伤。Luo及Jin等指出，SESN 2 可通过激活 AMPK/mTOR 信号通路，提高自噬启动蛋白ULK1的水平，增强海马神经元自噬以减轻脓毒症小鼠的脑损伤[8]。自噬对改善脑功能障碍可能涉及如下几个方面：

4.1.1机体在正常情况下，由小胶质细胞介导的神经炎症反应对CNS是保护性的，而当脓毒症发生时，过度激活的小胶质细胞促进了大量炎症介质的产生，成为诱导脓毒症脑损伤重要机制之一。研究表明LPS可诱导小胶质细胞过度激活而产生神经炎症，当小胶质细胞自噬水平升高时可减轻神经炎症反应[9]。另外，氢可通过mTOR-自噬信号通路调节小胶质细胞自噬水平来减轻脓毒症引起的神经炎症。而CXCR5可以通过p38MAPK/NF-κB/STAT3信号通路来抑制脓毒症期间海马微胶质细胞的自噬，加重炎症反应，导致认知功能障碍[10]。因此早期干预自噬，适度增强自噬水平可能成为神经炎症性相关疾病潜在的治疗方法。

4.1.2线粒体自噬可作为减轻脓毒症相关脑功能障碍的重要机制。脓毒症时线粒体损伤可激活线粒体自噬(mitophagy)，一方面，通过影响内皮细胞和血脑屏障的功能，增强的线粒体自噬有可能对脓毒症血脑屏障破坏起到保护作用[11]。另一方面，线粒体自噬有助于消除损伤的线粒体，维持线粒体内环境稳定，从而减轻脓毒症脑损伤的氧化应激水平以及神经炎症反应[12]。一些增强线粒体自噬，改善线粒体动力学的药物将会对脓毒症相关脑功能障碍的治疗，尤其是对改善长期认知功能障碍产生巨大影响。

4.1.3自噬可以减轻脓毒症脑损伤的炎症损伤。自噬具有抗炎作用，通过调节天然免疫信号通路和炎症活性来抑制促炎症过程。高迁移率蛋白1(HMGB1)可激活各种受体从而诱发炎症、促进细胞因子生成和招募免疫细胞，加重脓毒症脑损伤，目前有研究证明，其分泌水平与细胞自噬相关[13]。而海马神经元自噬过程本身可受细胞因子如NF-kB调节。脓毒症大鼠海马神经元的自噬过程可能被NF-kB信号通路的激活所阻断。抑制NF-kB信号通路可增强自噬水平，减轻脓毒症海马神经元的病理损伤。

4.1.4脓毒症会引发复杂的免疫反应，随后出现免疫抑制现象。免疫反应在脓毒症脑损伤发病机制中也有重要作用，IRGM1是免疫相关GTP酶家族的成员，是 Golgi 复合体中发现的一种干扰素诱导的细胞内蛋白，涉及多种生物学功能，包括细胞介导的免疫反应和免疫调节。在脓毒症脑损伤相关模型中，IRGM1在神经元中的表达会上调，可通过激活 p38 MAPK 信号通路诱导细胞自噬以包裹、降解清除有害成分，避免神经元遭受进一步损伤[14]。 IFN-γ有可能作为其上游信号参与其介导的神经元自噬。研究脓毒症引起的免疫功能障碍将为脓毒症的免疫治疗领域提供重要依据。

4.2自噬不足或自噬过度加重脓毒症脑损伤:研究表明，LPS可通过P38-MAPK信号通路抑制自噬通量，导致不完全自噬，自噬不足反而会加重神经炎症[15]。不仅如此，过度的自噬也可能因导致巨噬细胞死亡，从而加剧全身炎症反应。有研究指出自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤减轻了脓毒症小鼠器官炎性损伤，自噬激活剂雷帕霉素反而升高了其体内炎性因子水平，加重组织损伤[16]。而异丙酚通过Ca2+/CaMKKβ/AMPK/mTOR 信号通路抑制自噬起到了神经保护作用[17]。由此可见，自噬对于脓毒症是一把双刃剑，自噬不足时，清除细胞内有害物质的能力不足，脓毒症脑损伤持续存在；自噬过度时，可能直接参与了神经细胞的损伤，加重脑功能障碍。

综上，自噬与脓毒症脑损伤之间存在联系，但具体机制还有待于进一步研究，雷帕霉素因可增强自噬，起到神经保护的作用，逐渐成为治疗脓毒症诱发认知障碍的潜在有效治疗药物。而小剂量地塞米松也被证明可通过调节脓毒症皮层神经元的自噬水平发挥脑保护作用。针对以上机制，更多SIBD的治疗药物应该被发现和应用。

5 展 望

脓毒症作为发病率和致死率较高的疾病，常导致多器官功能障碍。SIBD作为其导致的常见器官功能不全之一，目前尚没有明显有效的治疗方法。自噬作为一种溶酶体降解途径，对机体生长、分化、发育和内环境平衡都至关重要。自噬在人体疾病与健康时都发挥着作用，其在脓毒症发生发展过程中往往存在着动态变化。鉴于自噬在脓毒症脑损伤中发挥着重要作用，且自噬不足或自噬过度可能导致完全不同的结局，可能为脓毒症所致脑功能障碍的治疗提供新的靶点。