余鎮(zhèn)河,朱昭瓊

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 麻醉科，貴州 遵義 563099)

術(shù)后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction，POCD)是一種麻醉和手術(shù)后的常見并發(fā)癥，是指手術(shù)后認知功能下降，表現(xiàn)為記憶力，注意力和理解力受損，以及處理信息的能力降低。雖然至今術(shù)后認知功能障礙的確切機制尚不明確，但主要研究方向集中在“中樞膽堿能假說”和“β淀粉肽假說[1-2]”，但是進來大量研究發(fā)現(xiàn)，手術(shù)創(chuàng)傷、麻醉或者應(yīng)激都會導(dǎo)致術(shù)后認知功能障礙的發(fā)生[3]，而創(chuàng)傷后引起的炎癥反應(yīng)在術(shù)后認知功能障礙中扮演著重要角色[4-5]。TLR4作為炎癥反應(yīng)中的重要靶點，其參與的炎癥反應(yīng)在導(dǎo)致術(shù)后認知功能障礙中，自然也發(fā)揮了重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)[6]，當位于小膠質(zhì)細胞表面的Toll樣受體(toll-like receptors，TLR4)與外來刺激結(jié)合后，通過激活下游的NF-kB信號通路和MAPK通路，導(dǎo)致炎癥因子的的大量釋放，最終作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致認知功能障礙。TLR4參與的炎癥通路在POCD發(fā)展過程中，扮演著不可或缺的作用。本文就TLR4參與的炎癥通路和POCD的關(guān)系的相關(guān)研究綜述如下：

1 TLR4的結(jié)構(gòu)與功能

TLR4是一種模式識別受體，屬于1型跨膜糖蛋白受體家族，通常在小膠質(zhì)細胞上表達[7]。目前有13個Toll樣受體家族，其中TLR4主要由免疫細胞和免疫樣細胞表達，它包括粒細胞、單核細胞和巨噬細胞，并通過進化來檢測危險信號[8]。TLR4由細胞外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和細胞內(nèi)的TLR-IL1結(jié)構(gòu)域組成。細胞外的結(jié)構(gòu)域由18～31個富含亮氨酸的重復(fù)序列組成[9]，它能識別不同的病原相關(guān)模式，可由許多內(nèi)源性和外源性因素激活。其中外源性配體主要包括脂多糖，而脂多糖是TLR4必不可少的傳感器和信號適配器。TLR4又是脂多糖免疫刺激中最強的成分之一，兩者相互作用[10]。內(nèi)源性配體主要包括高遷移族蛋白、纖連蛋白-EDA、S100A8等，有研究發(fā)現(xiàn)S100A8通過激活TLR4ˉ髓樣分化因子88(TLR4- myeloid differentiation divisor 88，MyD88)傳導(dǎo)通路導(dǎo)致小鼠發(fā)生脛骨骨折術(shù)后認知功能障礙[11]。當TLR4和配體結(jié)合后，TLR4信號適配器啟動一系列信號級聯(lián)，導(dǎo)致NF-kB的激活并釋放炎性因子，產(chǎn)生一系列的變化，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥的發(fā)生并作用于神經(jīng)系統(tǒng)最終損害認知功能。TLR4信號通路由兩個分支組成，分別為MyD88依賴途徑和MyD88獨立途徑，絕大多數(shù)TLR(TLR2、4、8和9)通過MyD88依賴途徑傳遞，只有TLR3通過MyD88獨立途徑傳遞[12]。這兩種途徑都可以誘導(dǎo)NF-kB的磷酸化以及發(fā)生降解，最后產(chǎn)生大量細胞因子和炎癥因子，參與適應(yīng)性和免疫性的過程[5]。有研究表明，在漿細胞中激活TLR4會導(dǎo)致產(chǎn)生和分泌大量的IgG，其信號通路可能在漿細胞生物學(xué)中發(fā)揮核心作用[13]。術(shù)后的TLR4在大腦內(nèi)小膠質(zhì)細胞中大量表達，并且在腦中的HMGB1/ TLR4通路激活引起的過度炎癥已經(jīng)涉及神經(jīng)退行性病變。高遷移率族蛋白(high mobility group protein，HMGB1)是一種DNA結(jié)合蛋白，廣泛存在于各種組織中，并在炎癥晚期刺激后從細胞核轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)，有研究證實，其與糖基化終產(chǎn)物結(jié)合產(chǎn)生炎癥介質(zhì)，最終損傷記憶和認知等功能[14]。而許多實驗證明，有效抑制HMGB1可以明顯改善由炎癥導(dǎo)致的POCD[15]。

2 TLR4與小膠質(zhì)細胞

小膠質(zhì)細胞的激活一直被認為是神經(jīng)炎癥的的標志[16]，而炎癥和POCD的關(guān)系又密不可分。當TLR4與外來配體結(jié)合后，位于小膠質(zhì)細胞表面上的TLR4受體就會激活下游的信號通路，最后引發(fā)以TLR4為重要靶點的炎癥反應(yīng)參與POCD的發(fā)展。

小膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的實質(zhì)免疫細胞，占中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞10%～20%。在穩(wěn)態(tài)中，小膠質(zhì)細胞協(xié)調(diào)神經(jīng)發(fā)育和可塑性，它們不斷地在微環(huán)境中巡邏，為周圍的細胞提供營養(yǎng)并協(xié)調(diào)突觸的形成[17]。一般情況下呈現(xiàn)為靜息狀態(tài)，細胞突起以較高的頻率收縮。當受到感染、炎癥創(chuàng)傷或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病激活時，小膠質(zhì)細胞迅速活化并且改變各種表達分子響應(yīng)大腦的變化，與TLR4結(jié)合激活下級信號通路，使得小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生大量的炎性因子，最后引發(fā)神經(jīng)炎癥。當小膠質(zhì)細胞活化時，它的功能是保護神經(jīng)元和吞噬病原體。但一旦小膠質(zhì)細胞過度活化，海馬中小膠質(zhì)細胞在形態(tài)學(xué)上會變成“變形蟲”[18]，在表型上也會極化，并且會產(chǎn)生和釋放大量的促炎因子，產(chǎn)生過度的神經(jīng)炎癥反應(yīng)且對神經(jīng)元細胞造成有害的影響。然而，異常的小膠質(zhì)細胞反應(yīng)也是退行性疾病的重要組成部分[17]。小膠質(zhì)細胞存在不同的表型，即M1型和M2型，其在疾病發(fā)展中起著雙重作用。M1型小膠質(zhì)細胞對最初的刺激、傷害和感染有反應(yīng)，并且作為第一線防御外來病原體的破壞，它主要參與抗原呈遞和清除外來物質(zhì)的過程，以及與其他免疫細胞的信息交流。M2型小膠質(zhì)細胞是具有潛在效應(yīng)作用的細胞，其抑制促炎免疫反應(yīng)并促進基因表達的修復(fù)。根據(jù)激活的狀態(tài)或者是激活的因素，小膠質(zhì)細胞具有“經(jīng)典激活、替代激活和獲得性激活”三種狀態(tài)。經(jīng)典激活與促炎癥因子例如腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白介素-1(interleukin-1，IL-1β)和一氧化氮(nitric oxide，NO)等相關(guān)，并且該狀態(tài)下的小膠質(zhì)細胞表型是M1。M2型小膠質(zhì)細胞則包括替代激活和獲得性激活。替代激活僅用來處理IL-4或IL-13的炎癥狀態(tài)。獲得性激活則是緩解急性炎癥的另一種狀態(tài)，主要通過攝取凋亡細胞或暴露于抗炎細胞因子如IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的損傷來誘導(dǎo)[19-20]。目前對于兩種表型之間是否可以共存或者是否有形態(tài)差異尚不清楚，但是兩種表型在特定的環(huán)境下可以相互轉(zhuǎn)換。研究表明，拮抗過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPARγ)可以促進LPS刺激的原代小膠質(zhì)細胞極化從M1型變?yōu)镸2型[21]。調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞激活狀態(tài)的因素，特別是將小膠質(zhì)細胞極化從促炎表型變?yōu)榭寡妆硇褪且种蒲装Y分子的一個重要靶點。而如果能有效抑制炎癥在發(fā)展，也必將延緩POCD的進展。

小膠質(zhì)細胞激活下游通路包括Notch信號通路、TOLL樣信號通路、AMPK信號通路和NF-kB信號通路[20]。Notch信號通路是連接兩個相鄰細胞的重要轉(zhuǎn)導(dǎo)信號通路，它是將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細胞核，激活相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，最終調(diào)控細胞活化。有研究證實，Notch信號通路參與調(diào)節(jié)顳葉癲癇大鼠模型中的小膠質(zhì)細胞激活和炎癥反應(yīng)[22]。并且還發(fā)現(xiàn)辛伐他汀通過Notch信號傳導(dǎo)改變小鼠BV2小膠質(zhì)細胞的M1 / M2極化[23]。Toll樣信號通路激活MyD88依賴途徑和MyD88獨立途徑，重要的MyD88依賴途徑會同時激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和NF-kB這兩個下游的重要信號通路。腺苷一磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是單磷酸腺苷激活蛋白激酶組成的異源三聚體，由偶聯(lián)兩個調(diào)節(jié)亞基(β1或β2、γ1、γ2或γ3)的催化亞基(α1或α2)組成。作為主傳感器和調(diào)節(jié)劑參與能量平衡和控制許多細胞過程，如自噬、細胞死亡和炎癥。一些研究證明，AMPK可能是介導(dǎo)小膠質(zhì)細胞抗神經(jīng)炎癥反應(yīng)的治療靶點[24]?；衔?C可通過CaMKKβ依賴的AMPK / PGC-1α信號通路調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞激活狀態(tài)[25]，這些都表明AMPK信號通路在激活小膠質(zhì)細胞中的重要作用。在研究中，picroliv通過TLR4 /NF-kB途徑緩解由脂多糖誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥并改善認知功能障礙，這表明NF-kB信號通路在小膠質(zhì)細胞以及術(shù)后認知功能障礙中的核心地位[26]。小膠質(zhì)細胞這些信號通路并不是孤立的存在的，都是存在交叉反應(yīng)，相互作用。正是多個炎癥通路的相互作用，才導(dǎo)致炎癥因子的大量釋放，最后使神經(jīng)炎癥作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，損傷認知功能。

3 TLR4與NF-kB通路

一旦TLR4受體激活后，信號將傳遞到下級信號通路，MYD88依賴的絲裂原活化蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和NF-kB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將被激活，其中，一部分由MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，另一部分則由NF-kb釋放進入細胞核，產(chǎn)生最后的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致POCD的發(fā)生[27]。

NF-kB是信號通路中的核心轉(zhuǎn)錄因子，是炎癥的中樞介質(zhì)。并且位于TLR4下游的NF-kb被看作是炎癥反應(yīng)當中的使動因素，它從根本上參與炎癥與術(shù)后認知功能障礙的關(guān)系。NF-kb是受調(diào)節(jié)的蛋白水解酶依賴性受體信號傳導(dǎo)途徑，其在休息時與細胞質(zhì)中的kB抑制蛋白(KB inhibitory protein，IKB)結(jié)合，IKB是一種抑制性蛋白，它結(jié)合Rel 同源結(jié)構(gòu)域(rel homology domain，RHD)并干擾核定位序號信號序列的功能。RHD是NF-kB蛋白上一個含300個氨基酸組成的結(jié)構(gòu)域[21]。當受到其上游發(fā)出的刺激后，IKB蛋白被磷酸化并降解，導(dǎo)致核定位序號信號序列被暴露出來并使NF-kb被釋放出來，進入細胞核中，與特定的基因啟動子相結(jié)合啟動靶基因的轉(zhuǎn)錄。釋放出來的細胞因子又會反過來作用于NF-kb，形成正反饋反應(yīng)，放大了級聯(lián)的效應(yīng)。

由NF-kB激活的信號傳導(dǎo)途徑可分為兩條途徑，即經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。經(jīng)典途徑被視為激活NF-kB的重要途徑，但不是唯一的激活途徑。經(jīng)典途徑誘導(dǎo)黏附分子 VCAM-1、 炎癥趨化因子 IL-8、細胞因子 IL-6、TNFα和IL-1β，它對于炎癥反應(yīng)來說，具有重要的意義。非經(jīng)典途徑參與B細胞和T細胞的NIK激酶的激活，其對于維持淋巴器官的發(fā)育很重要。曹莉等[28]實驗發(fā)現(xiàn)新霉素A的抗炎作用可能是由于TNFα、IL-1β、IL-6、和NO下調(diào)并且通過抑制NF-kB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑引起的。Lai JL等[29]實驗發(fā)現(xiàn)靛玉紅下調(diào)脂多糖誘導(dǎo)的環(huán)氧合酶-2(COX-2)和TLR4表達，抑制LPS誘導(dǎo)的NF-kBP65蛋白磷酸化，最終抑制NF-kB信號通路。實驗結(jié)果表明在炎癥發(fā)展過程中TLR4-MyD88-NF-kb信號通路的重要性。通過抑制炎癥的發(fā)生，從而達到有效避免POCD的發(fā)生。

4 TLR4與MAPK通路

而TLR4激活的信號通路不僅由NF-kb通路傳導(dǎo)，一部分也是由MAPK介導(dǎo)的信號通路來完成的。MAPK是一種調(diào)節(jié)細胞轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中細胞生長、發(fā)育、分化和增殖的酶，家族成員包括細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(the extracellular signal-regulated kinase，ERK)、p38MAPK以及c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。其中p38MAPK在炎癥反應(yīng)、疼痛機制以及其他相關(guān)疾病反應(yīng)中，都發(fā)揮了重要的作用[30]。研究表明，β-胡蘿卜素可以通過抑制巨噬細胞中的 p38 MAPK信號通路來減輕LPS誘導(dǎo)的炎癥，這表明可以通過抑制MAPK通路，從而改善炎癥反應(yīng)[31]。Jung 等的實驗表明，morin抑制脂多糖刺激的小鼠腦中的小膠質(zhì)細胞活化和細胞因子表達，Morin是從某些水果和中草藥中分離出來的黃酮類化合物，這表明Morin能抑制LPS激活MAPK通道，從而在LPS刺激的小膠質(zhì)細胞中發(fā)揮抗炎改善認知功能的作用[32]。

5 TLR4與POCD的關(guān)系

一旦TLR4與受體結(jié)合后，小膠質(zhì)細胞激活下游信號傳導(dǎo)通路，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥的發(fā)生，釋放的炎癥因子作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，最后導(dǎo)致POCD的發(fā)生。目前，TLR4是否保護或損傷神經(jīng)元具體機制仍不清楚，一些證據(jù)表明TLR4的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)到中樞神經(jīng)系統(tǒng)是具有有益作用，但一些數(shù)據(jù)也說明TLR4誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細胞活化和促炎分子的釋放是導(dǎo)致各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生的病理學(xué)基礎(chǔ)。而有效的抑制TLR4受體的結(jié)合、小膠質(zhì)細胞的激活以及抑制下游通路傳遞過程中的各個環(huán)節(jié)都成為預(yù)防和治療POCD的重要靶點。在BV-2小膠質(zhì)細胞系中，已經(jīng)顯示通過抑制TLR4的表達，最終可以減少由脂多糖刺激產(chǎn)生的的IL-1和TNF-α的表達[6]。以此證明通過對TLR4的抑制可以減少促炎因子下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過抑制靶基因的表達和炎癥反應(yīng)的途徑，減少炎性因子的釋放從而起到保護功能。劉麗華等[33]用電針(EA)和米諾環(huán)素處理大鼠后，導(dǎo)致大鼠海馬中促炎細胞因子(IL-1β、IL-6、TNF-a和HMGB1)降低，文章中提到通過EA治療可以減輕神經(jīng)炎癥并且改善老年大鼠術(shù)后認知功能障礙，這種機制可能是通過小膠質(zhì)細胞/ TLR4信號途徑并且抑制海馬中炎癥因子的表達來完成的。百草枯通過在體外上調(diào)HSP60-TLR4-MyD88-NF-kB的表達來引起小膠質(zhì)細胞炎癥，用TLR4特效抑制劑(CLI-095)處理后，炎癥因子的表達明顯減少，以此表明TLR4可以調(diào)節(jié)百草枯誘導(dǎo)的炎癥在細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)，抑制TLR4顯著降低百草枯激活的小膠質(zhì)細胞中的炎癥強度[34]。使用蒲公英有機酸成分后，可以緩解由脂多糖引起的神經(jīng)炎癥，這種功能可能與TLR4介導(dǎo)的信號通路的調(diào)節(jié)有關(guān)[35]。有效抑制TLR4以及引起炎癥的各個環(huán)節(jié)，就可以達到減少炎癥的釋放，而只要有效的抑制炎癥反應(yīng)，就能夠改善術(shù)后認知功能障礙[33]，這些都表明TLR4介導(dǎo)的炎癥通路與術(shù)后認知功能障礙密不可分的關(guān)系?；谶@些研究，說明TLR4可能與POCD有著密切的關(guān)系。

6 展望

POCD已經(jīng)發(fā)展成為術(shù)后嚴重的并發(fā)癥之一，隨著發(fā)生率的越來越高，有效的預(yù)防以及尋找治療的靶點已經(jīng)成為當下研究的熱點。當TLR4和配體結(jié)合后，激活下游NF-kB信號通路和MAPK通路，導(dǎo)致多種促炎介質(zhì)的釋放，最終釋放大量炎癥因子，而炎癥因子最終參與POCD的發(fā)展。對TLR4參與的炎癥通路在POCD中發(fā)揮的研究日益深入，可能為臨床預(yù)防以及治療POCD提供依據(jù)，對POCD的治療和防治都具有重要的意義。