小胶质细胞在脓毒症相关性脑病中的作用及研究进展

贾西瑞 刘莉洁

基金项目：国家自然科学基金资助项目（81970893，82171541，81670935）；江苏省重症医学重点实验室自主课题（JSKLCCM-2022-02-002）

作者单位：1东南大学生命科学与技术学院（邮编210096）；2江苏省重症医学重点实验室，东南大学医学院

作者简介：贾西瑞（1997），女，硕士在读，主要从事小胶质细胞与脓毒症相关性脑病研究。E-mail：1829071233@qq.com

△通信作者 E-mail：liulijie@seu.edu.cn

摘要：脓毒症相关性脑病（SAE）是脓毒症患者常见并发症，以脑功能障碍为主要特征，且相当比例的患者存在长期认知功能障碍。中枢神经系统是较早受到脓毒症引起的外周炎症影响的区域之一。小胶质细胞作为中枢神经系统常驻免疫细胞，可协调脑内炎症反应，在脑的固有免疫和适应性免疫应答中扮演重要角色，在SAE发生发展中起关键作用。就小胶质细胞功能表型及其在SAE中的作用进行综述以探讨小胶质细胞在SAE防治中的潜在价值。

关键词：脓毒症；小神经胶质细胞；脓毒症相关性脑病；突触；神经炎症

中图分类号：R631文献标志码：ADOI：10.11958/20231735

The role and research progress of microglia in sepsis related encephalopathy

JIA Xirui1， LIU Lijie2△

1 Department of Biology， School of Life Science and Technology， Southeast University， Nanjing 210096， China; 2 Department of Physiology， Jiangsu Provincial Key Laboratory of Critical Care Medicine， School of Medicine， Southeast University

△Corresponding Author E-mail： liulijie@seu.edu.cn

Abstract： Sepsis associated encephalopathy （SAE） is a common complication in patients with sepsis. It is characterized by brain dysfunction， and a considerable proportion of patients have long-term cognitive impairment. The central nervous system is one of earliest regions affected by peripheral inflammation caused by sepsis. As resident immune cells of central nervous system， microglia can coordinate inflammatory responses in brain and play an important role in the innate and adaptive immune responses of brain. Therefore， it plays a crucial role in the occurrence and development of SAE. In this paper， the functional phenotypes of microglia and their role in SAE are reviewed to explore the potential value of microglia in the prevention and treatment of SAE.

Key words： sepsis; microglia; sepsis related encephalopathy; synapses; neuroinflammation

脓毒症是由宿主对感染的反应失调所引起的危及生命的器官功能障碍［1］。脓毒症相关性脑病（sepsis- associated encephalopathy，SAE）是由脓毒症引起的急性脑功能障碍，与直接的脑部感染无关，是脓毒症患者常见的并发症，以注意力下降、认知功能受损等为发病特征，患者患病程度可从意识模糊到谵妄，甚至出现深度昏迷，相当比例的患者存在长期认知功能障碍。SAE一旦发生，不仅升高脓毒症患者病死率、延长患者住院时间、增加医疗资源耗费，还极大增加幸存者未来发生痴呆等多种脑功能障碍的风险［2］。研究指出，SAE的发生涉及脑内神经炎症、脑循环障碍、血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）损伤、神经递质异常及氧化应激等多种病理机制，而小胶质细胞几乎参与了上述所有病理过程［3-4］。临床和动物研究显示，即便在BBB未受损的情况下，外周炎症信号也可通过迷走神经和室周器官传入大脑，从而激活小胶质细胞，活化的小胶质细胞可通过释放多种炎性介质帮助大脑抵御入侵和损害，但同时也可加重神经元损伤，并通过增加基质金属蛋白酶表达等途径加重BBB损伤［5］。BBB損伤可引起大脑内环境稳态改变，从而进一步激活小胶质细胞［6-7］，最终导致脑损伤与逐渐异常的免疫反应之间的恶性循环。因此，深入探讨小胶质细胞在SAE发生和发展过程中的作用对了解SAE的发病机制以及探索其有效的治疗方法具有重要意义。

1 小胶质细胞功能表型

小胶质细胞作为中枢神经系统（central nervous system，CNS）的常驻巨噬细胞，具有抗原提呈、清除细胞碎片、调节突触可塑性等功能，通过对大脑进行持续性免疫监控，在维持CNS稳态方面起着关键作用［8-9］。正常脑组织中的小胶质细胞形态呈高度分枝状，传统上称之为“静息态”小胶质细胞。此状态的小胶质细胞通过利用其分枝状突起的快速伸缩以及吞噬分泌机制执行免疫监视、神经可塑性调节等功能，并可迅速响应周围环境的多种刺激而进入激活状态［4］。当大脑发生损伤或神经炎症时，小胶质细胞发生逐步去分枝化，胞体增大，分泌及吞噬功能增强，由原来的静息状态转化为激活状态。活化的小胶质细胞依据其抗原标志物和功能分为M1型和M2型两种极化表型［10］。M1型为促炎型，以分化簇（cluster of differentiation，CD）86为其标志物，可释放高水平的炎性因子，如肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-1β、IL-6等，实现对病原体和异常细胞的杀伤、包围和吞噬，从而限制病原体扩散并清除损伤细胞，但其同时也会诱导神经炎症和神经元凋亡，形成一种不利于组织修复的微环境，甚至进一步加重组织损伤［11-12］。M2型为抑炎型，以CD206为其标志物，可释放多种抑炎因子，如IL-10和转化生长因子（TGF）-β等，抑制炎症反应、限制损伤扩展并促进神经保护和组织修复［13］。可见，小胶质细胞在大脑中充当“免疫双刃剑”，其免疫功能失衡在多种脑病进程中起关键作用。

2 小胶质细胞氧化损伤和异常激活

脓毒症期间大脑微循环受损，导致脑血流量不足而引起大脑出现能量供应和氧利用障碍［4］。神经元和小胶质细胞具有高代谢率，并且以有氧代谢作为主要供能方式［14］。在低血氧条件下，腺苷三磷酸（ATP）形式的有氧能量生成效率下降［6］，细胞出现能量利用障碍而诱发线粒体功能障碍［4］。线粒体作为活性氧（ROS）的起源地和作用靶标［15］，在受损状态下，ROS的生成速率和生成量远远超过线粒体对它的清除能力，从而使得线粒体发生氧化应激，加剧自身损伤［16-17］。此外，ROS可调节核转录因子（NF）-κB转录活性，激活核苷酸结合寡聚化结构域样受体热蛋白结构域相关蛋白（NLRP）3炎症小体，促进活性IL-1β的产生［2］。作为多效性细胞因子，活性IL-1β可激活小胶质细胞，促进CNS内其他炎性因子的下游合成，加剧神经炎性反应［18］。综上，因脑组织细胞线粒体损伤导致的细胞能量耗竭引起的小胶质细胞异常激活和神经炎症与SAE的发生密切相关。

3 小胶质细胞活化对中枢神经系统的影响

3.1 加剧BBB损伤 BBB主要是由脑微血管内皮细胞通过基底膜与周细胞和星形胶质细胞相连构成的复杂网络结构，可维持大脑内部环境稳定，保护大脑免受循环毒素和炎性细胞的侵害［19］。脓毒症时，受到炎性因子刺激的BBB血管内皮细胞通过上调黏附分子表达而诱导免疫细胞迁移并聚集到感染部位［20］，同时联同其周围间质细胞释放ROS、基质金属蛋白酶等破坏BBB。小胶质细胞可以响应炎性介质、神经递质等周围环境的多种刺激而进入激活状态，在SAE病理过程中发挥重要作用［21］。在BBB通透性发生变化之前，小胶质细胞通过向脑血管部位迁移以响应周围炎性因子的刺激，在早期对BBB的完整性起保护作用。然而，进一步的炎性刺激导致小胶质细胞异常激活，小胶质细胞功能表型发生改变，通过分泌高水平炎性因子诱导神经炎症并加剧BBB损伤［4，6］。

3.2 加剧神经炎症 脓毒症期间，神经炎症是导致脓毒症患者脑功能障碍的重要因素，在SAE的发病机制中起着至关重要的作用。影响大脑的炎性因子包括TNF-α［22］、IL-1β和高迁移率族蛋白B1（HMGB1）等［4］。小胶质细胞的Toll样受体（TLR）对损伤或感染做出反应时上调［23］，其中TLR4可触发NF-κB依赖性促炎基因的表达，促进小胶质细胞活化和炎性细胞因子，如TNF-α的产生［24］。TNF-α作为SAE中的关键炎症介质，通过TNFR1与TNFR2两种不同受体起作用，可上调细胞黏附分子的表达，引起炎症刺激后中性粒细胞在CNS中募集［25］。作为晚期炎症介质，HMGB1可在外源微生物产物，如内毒素或内源TNF-α等的作用下，由免疫细胞、上皮细胞等主动释放进入胞外空间。HMGB1可诱导多种炎性因子（包括IL-1β、IL-6等）产生并激活小胶质细胞。活化的小胶质细胞通过进一步诱导TNF-α、IL-1β、ROS等炎症介质的释放，介导慢性进行性神经变性的恶性循环，加剧局部炎症反应，导致神经元功能异常和细胞死亡，加剧SAE的病程进展［19］。

3.3 参与神经递质失衡 神经递质失衡与SAE发病密切相关［26］。脓毒症期间，活化的小胶质细胞向胞外分泌过量的谷氨酸，且功能受损的星形胶质细胞对谷氨酸的摄取减少，这导致谷氨酸在CNS中的积累，并通过兴奋性神经毒性在诱导神经元凋亡中发挥作用［4，27］。乙酰胆碱（ACh）是脑内广泛分布的调节型神经递质，除了控制认知、情緒、注意力等功能外，还可调控巨噬细胞中的炎性因子，如IL-1β、TNF-α和IL-18的产生，发挥胆碱能抗炎作用。Ach可与小胶质细胞表达的α7烟碱型乙酰胆碱受体（α7nAChR）结合，通过调节小胶质细胞NF-κB信号传导来抑制炎性因子的产生，缓解神经炎症［28-29］。脂多糖（LPS）外源给药是一种常用的脓毒症动物模型建立方法，被广泛用于SAE的研究中［30］。乙酰胆碱酯酶（AChE）是催化ACh分解的主要胆碱酯酶，受LPS刺激的小胶质细胞内AChE表达上调，通过催化ACh分解，逆转了小胶质细胞中ACh的抗炎效用，从而使小胶质细胞无法正常发挥胆碱能抗炎功能［29］。

3.4 影响突触可塑性 活化的小胶质细胞可能以诱导突触损伤的方式，在即使没有明显神经元死亡的情况下诱发认知障碍［31］。突触后密度-95（PSD-95）蛋白是一种突触后蛋白，参与突触可塑性，其表达抑制与认知障碍密切相关［32］。但也有研究显示其在海马神经元中的过表达可以增强突触后谷氨酸受体的活性，驱动谷氨酸能突触的成熟，增加树突棘的复杂度并协调突触发育，在突触稳定和可塑性中起重要作用［33］。蛋白质印迹实验结果显示，脓毒症期间小鼠海马PSD-95的表达降低，这可能与小胶质细胞活化介导的神经炎症以及其对PSD-95的吞噬作用有关［31-32］，提示小胶质细胞的异常激活与突触可塑性降低诱发的认知障碍有关。

4 小膠质细胞在治疗SAE中的应用前景

小胶质细胞的异常激活作为SAE发展的核心环节，有望成为脓毒症有效的治疗靶点。TLR4作为一种免疫识别受体，在LPS处理的小胶质细胞中高度表达。TLR4通过促进NF-κB复合物的活化参与NLRP3和IL-β基因转录等下游分子事件。下调TLR4的表达可抑制NF-κB的活化以改善神经炎症［34］。小胶质细胞中的NLRP3炎症小体作为应对组织损伤的先天免疫反应的关键组成部分，介导IL-1β、IL-18等炎性因子的产生。通过抑制NLRP3/IL-1β/IL-18轴减弱小胶质细胞激活，可缓解认知功能障碍［35］。MCC950是一种有效的选择性小分子NLRP3抑制剂，可阻断NLRP3活化，改善BBB损伤，减轻因小胶质细胞过度激活诱发的神经炎症［36］。趋化因子受体5（CXCR5）是趋化因子CXCL13的唯一已知受体，可通过增强p38丝裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）/NF-κB/信号转导和转录激活因子3（STAT3）信号传导来促进脓毒症患者认知障碍，敲低小胶质细胞的CXCR5基因表达可以部分逆转LPS诱导激活的p38MAPK/NF-κB/STAT3信号通路，缓解SAE［37］。在小胶质细胞上表达的2型髓系细胞触发受体（TREM2）可介导小胶质细胞M1表型向M2表型转化，是神经炎症的新型潜在治疗靶点［38］。在LPS诱导的脓毒症模型中，TREM2的表达显著降低，而IFN-β可通过上调TREM2的表达以改变小胶质细胞的极化状态，从而改善LPS诱导的神经炎症［11］。

5 小结与展望

SAE是一种主要由脓毒症引起的弥散性脑功能障碍，BBB损伤、氧化应激、小胶质细胞异常激活、神经递质异常、突触可塑性被破坏等病理机制均参与SAE的发生，其中由小胶质细胞异常激活引起的自身功能表型的转变介导的神经炎症在SAE病理进程中发挥重要作用。研究表明，小胶质细胞异常激活与其代谢重编程有关，特别与其有氧糖酵解增加密切相关［39］。抑制糖酵解可以改善小胶质细胞活化引起的神经炎症，这有望作为SAE的潜在治疗策略［40］。深入探究小胶质细胞异常激活与SAE的关系，研发小胶质细胞活性的靶向调节药物并应用于临床，可能为SAE的治疗提供新的方法和途径。

参考文献

［1］ LIU D，HUANG S Y，SUN J H，et al. Sepsis-induced immunosuppression：mechanisms，diagnosis and current treatment options［J］. Mil Med Res，2022，9（1）：56. doi：10.1186/s40779-022-00422-y.

［2］ MORAES C A，ZAVERUCHA-DO-VALLE C，FLEURANCE R，et al. Neuroinflammation in sepsis：molecular pathways of microglia activation［J］. Pharmaceuticals（Basel），2021，14（5）：416. doi：10.3390/ph14050416.

［3］ YAN X，YANG K，XIAO Q，et al. Central role of microglia in sepsis-associated encephalopathy：from mechanism to therapy［J］. Front Immunol，2022，13：929316. doi：10.3389/fimmu.2022.929316.

［4］ CATARINA A V，BRANCHINI G，BETTONI L，et al. Sepsis-associated encephalopathy：from pathophysiology to progress in experimental studies［J］. Mol Neurobiol，2021，58（6）：2770-2779. doi：10.1007/s12035-021-02303-2.

［5］ HEMING N，MAZERAUD A，VERDONK F，et al. Neuroanatomy of sepsis-associated encephalopathy［J］. Crit Care，2017，21（1）：65. doi：10.1186/s13054-017-1643-z.

［6］ BARICHELLO T，GIRIDHARAN V V，CATAL?O C，et al. Neurochemical effects of sepsis on the brain［J］. Clin Sci（Lond），2023，137（6）：401-414. doi：10.1042/CS20220549.

［7］ KANG R，GAMDZYK M，LENAHAN C，et al. The dual role of microglia in blood-brain barrier dysfunction after stroke［J］. Curr Neuropharmacol，2020，18（12）：1237-1249. doi：10.2174/1570159X18666200529150907.

［8］ BORST K，DUMAS A A，PRINZ M. Microglia：immune and non-immune functions［J］. Immunity，2021，54（10）：2194-2208. doi：10.1016/j.immuni.2021.09.014.

［9］ BENNETT M L，BENNETT F C. The influence of environment and origin on brain resident macrophages and implications for therapy［J］. Nat Neurosci，2020，23（2）：157-166. doi：10.1038/s41593-019-0545-6.

［10］ LI Y F，REN X，ZHANG L，et al. Microglial polarization in TBI：signaling pathways and influencing pharmaceuticals［J］. Front Aging Neurosci，2022，14：901117. doi：10.3389/fnagi.2022.901117.

［11］ QIU Z，WANG H，QU M，et al. Consecutive injection of high-dose lipopolysaccharide modulates microglia polarization via TREM2 to alter status of septic mice［J］. Brain Sci，2023，13（1）：126. doi：10.3390/brainsci13010126.

［12］ FAIRLEY L H，LAI K O，WONG J H，et al. Mitochondrial control of microglial phagocytosis by the translocator protein and hexokinase 2 in Alzheimer's disease［J］. Proc Natl Acad Sci U S A，2023，120（8）：e2209177120. doi：10.1073/pnas.2209177120.

［13］ 莊欣琪，谢克亮，于泳浩，等. 小胶质细胞与脓毒症脑病的研究进展 ［J］. 天津医药，2020，48（4）：338-342. ZHUANG X Q，XIE K L，YU Y H，et al. Advances in research on microglia and sepsis associated encephalopathy［J］ Tianjin Med J，2020，48（4）：338-342. doi：10.11958/20193358.

［14］ PENG W，TAN C，MO L，et al. Glucose transporter 3 in neuronal glucose metabolism：health and diseases［J］. Metabolism，2021，123：154869. doi：10.1016/j.metabol.2021.154869.

［15］ DE SOUZA STORK S，H?BNER M，BIEHL E，et al. Diabetes exacerbates sepsis-induced neuroinflammation and brain mitochondrial dysfunction［J］. Inflammation，2022，45（6）：2352-2367. doi：10.1007/s10753-022-01697-y.

［16］ GU M，MEI X L， ZHAO Y N. Sepsis and cerebral dysfunction：BBB damage，neuroinflammation，oxidative stress，apoptosis and autophagy as key mediators and the potential therapeutic approaches［J］. Neurotox Res，2021，39（2）：489-503. doi：10.1007/s12640-020-00270-5.

［17］ ZHANG B，PAN C，FENG C，et al. Role of mitochondrial reactive oxygen species in homeostasis regulation［J］. Redox Rep，2022，27（1）：45-52. doi：10.1080/13510002.2022.2046423.

［18］ RAUF A，BADONI H，ABU-IZNEID T，et al. Neuroinflammatory markers：key indicators in the pathology of neurodegenerative diseases［J］. Molecules，2022，27（10）：3194. doi：10.3390/molecules27103194.

［19］ GAO Q，HERNANDES M S. Sepsis-associated encephalopathy and blood-brain barrier dysfunction［J］. Inflammation，2021，44（6）：2143-2150. doi：10.1007/s10753-021-01501-3.

［20］ VAN DER POLL T，SHANKAR-HARI M，WIERSINGA W J. The immunology of sepsis［J］. Immunity，2021，54（11）：2450-2464. doi：10.1016/j.immuni.2021.10.012.

［21］ LI Y，YIN L，FAN Z，et al. Microglia：a potential therapeutic target for sepsis-associated encephalopathy and sepsis-associated chronic pain［J］. Front Pharmacol，2020，11：600421. doi：10.3389/fphar.2020.600421.

［22］ TIEGS G，HORST A K. TNF in the liver：targeting a central player in inflammation［J］. Semin Immunopathol，2022，44（4）：445-459. doi：10.1007/s00281-022-00910-2.

［23］CASTRO L V G，GON?ALVES-DE-ALBUQUERQUE C F，SILVA A R. Polarization of microglia and its therapeutic potential in sepsis［J］. Int J Mol Sci，2022，23（9）：4925. doi：10.3390/ijms23094925.

［24］ LI R，ZHOU Y，ZHANG S，et al. The natural（poly）phenols as modulators of microglia polarization via TLR4/NF-κB pathway exert anti-inflammatory activity in ischemic stroke［J］. Eur J Pharmacol，2022，914：174660. doi：10.1016/j.ejphar.2021.174660.

［25］ MUNOZ PINTO M F，CAMPBELL S J，SIMOGLOU KARALI C，et al. Selective blood-brain barrier permeabilization of brain metastases by a type 1 receptor-selective tumor necrosis factor mutein［J］. Neuro Oncol，2022，24（1）：52-63. doi：10.1093/neuonc/noab177.

［26］ TANG C，JIN Y，WANG H. The biological alterations of synapse/synapse formation in sepsis-associated encephalopathy［J］. Front Synaptic Neurosci，2022，14：1054605. doi：10.3389/fnsyn.2022.1054605.

［27］ IOVINO L，TREMBLAY M E，CIVIERO L. Glutamate-induced excitotoxicity in Parkinson's disease：the role of glial cells［J］. J Pharmacol Sci，2020，144（3）：151-164. doi：10.1016/j.jphs.2020.07.011.

［28］ PIOVESANA R，SALAZAR INTRIAGO M S，DINI L，et al. Cholinergic modulation of neuroinflammation：focus on α7 nicotinic receptor［J］. Int J Mol Sci，2021，22（9）：4912. doi：10.3390/ijms22094912.

［29］ XIA Y，WU Q，MAK S，et al. Regulation of acetylcholinesterase during the lipopolysaccharide-induced inflammatory responses in microglial cells［J］. FASEB J，2022，36（3）：e22189. doi：10.1096/fj.202101302RR.

［30］ QIN M，GAO Y，GUO S，et al. Establishment and evaluation of animal models of sepsis-associated encephalopathy ［J］World J Emerg Med，2023，14（5）：349-353. doi：10.5847/wjem.j.1920-8642.2023.088.

［31］ WANG C，LI H，CHEN C，et al. High-fat diet consumption induces neurobehavioral abnormalities and neuronal morphological alterations accompanied by excessive microglial activation in the medial prefrontal cortex in adolescent mice［J］. Int J Mol Sci，2023，24（11）：9394. doi：10.3390/ijms24119394.

［32］ ZONG M M，ZHOU Z Q，JI M H，et al. Activation of β2-adrenoceptor attenuates sepsis-induced hippocampus-dependent cognitive impairments by reversing neuroinflammation and synaptic abnormalities［J］. Front Cell Neurosci，2019，13：293. doi：10.3389/fncel.2019.00293.

［33］ EL-HUSSEINI A E，SCHNELL E，CHETKOVICH D M，et al. PSD-95 involvement in maturation of excitatory synapses［J］. Science，2000，290（5495）：1364-1368. doi：10.1126/science.290.5495.1364.

［34］ WU H，WANG Y，FU H，et al. Maresin1 ameliorates sepsis-induced microglial neuritis induced through blocking TLR4-NF-κB-NLRP3 signaling pathway［J］. J Pers Med，2023，13（3）：534. doi：10.3390/jpm13030534.

［35］ LUO X Y，YING J H，WANG Q S. miR-25-3p ameliorates SAE by targeting the TLR4/NLRP3 axis［J］. Metab Brain Dis，2022，37（6）：1803-1813. doi：10.1007/s11011-022-01017-1.

［36］ BAKHSHI S，SHAMSI S. MCC950 in the treatment of NLRP3-mediated inflammatory diseases：latest evidence and therapeutic outcomes［J］. Int Immunopharmacol，2022，106：108595. doi：10.1016/j.intimp.2022.108595.

［37］ SHEN Y，ZHANG Y，DU J，et al. CXCR5 down-regulation alleviates cognitive dysfunction in a mouse model of sepsis-associated encephalopathy： potential role of microglial autophagy and the p38MAPK/NF-κB/STAT3 signaling pathway［J］. J Neuroinflammation，2021，18（1）：246. doi：10.1186/s12974-021-02300-1.

［38］ LIU W，TASO O，WANG R，et al. Trem2 promotes anti-inflammatory responses in microglia and is suppressed under pro-inflammatory conditions［J］. Hum Mol Genet，2020，29（19）：3224-3248. doi：10.1093/hmg/ddaa209.

［39］ BERNIER L P，YORK E M，MACVICAR B A. Immunometabolism in the brain：how metabolism shapes microglial function［J］. Trends Neurosci，2020，43（11）：854-869. doi：10.1016/j.tins.2020.08.008.

［40］ CHENG J，ZHANG R，XU Z，et al. Early glycolytic reprogramming controls microglial inflammatory activation［J］. J Neuroinflammation，2021，18（1）：129. doi：10.1186/s12974-021-02187-y.

（2023-11-10收稿 2023-11-24修回）

（本文編辑 李志芸）