围手术期神经认知障碍的线粒体机制研究进展

刘亚俐魏义勇 王海英

遵义医科大学附属医院麻醉科，遵义 563000

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(7):771-775.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210914-00599

 基金项目 

遵义市科技计划项目［HZ（2020）208号］

REVIEW ARTICLES

【综述】

围手术期神经认知障碍（perioperative neurocognitive disorders, PND）指术前及术后12个月内发生的认知功能异常，主要表现为记忆力减退、注意力下降及语言理解能力障碍，多发生于老年患者，发生率高达31%[1‑3]。PND会导致患者住院时间延长、医疗费用增加及病死率增加[2,4]。由于人口老龄化趋势日益明显，老年患者麻醉手术的比例不断攀升，因此PND成为临床重点关注的术后并发症之一。目前的研究表明，PND的发生机制可能与炎症反应、氧化应激以及神经细胞凋亡等有关[5‑7]，但其确切机制不清楚。

线粒体是普遍存在于真核细胞中的一种细胞器，在能量供应、氧自由基生成、介导细胞凋亡及调节钙稳态等方面起重要作用。此外，线粒体还是细胞炎症反应的中心。文献报道，全身麻醉致线粒体损伤可能是造成认知功能下降的潜在原因[8]。可见，线粒体有望成为治疗和预防PND的重要细胞器。目前的研究表明，线粒体能量代谢障碍和相关的线粒体生物学改变均与PND的发生密切相关[9‑10]。鉴于此，本文将从PND发生相关因素、线粒体能量代谢障碍、线粒体自噬、线粒体相关基因及线粒体相关代谢通路等与PND的关系进行综述。

1 PND发生相关因素     

PND发生相关因素包括年龄、麻醉、手术及神经系统疾病等。老龄是PND发生的决定性因素，随着年龄增长，线粒体数量减少及活性减低将导致神经细胞发生氧化应激、炎症反应及能量生成不足，增加老年患者围手术期神经认知紊乱的发生率。有研究表明，麻醉、手术也将影响PND的发生。吸入麻醉可通过损伤线粒体介导海马神经元凋亡，引起老年大鼠急性认知障碍[11]。异氟醚麻醉后手术可引起小鼠海马组织中沉默信息调节因子2相关酶3过表达造成线粒体氧化应激，最终引起PND[12]。此外，有研究表明，阿尔茨海默病早期患者的海马旁回组织中出现线粒体功能障碍[13]。而麻醉或手术可能进一步损伤线粒体功能，诱导PND发生。

2 线粒体能量代谢与PND      

2.1　线粒体能量代谢障碍与PND

线粒体被称为“产生能量的仓库”，通过细胞的有氧呼吸将糖类、脂肪、氨基酸等物质转变成ATP。ATP生成不足将造成神经元突触功能降低、蛋白功能异常及神经元结构破坏，会进一步促进PND的发生发展。研究表明，七氟醚可引起小鼠大脑皮质能量供应不足，造成海马组织中突触后致密物‑95和突触小泡蛋白含量下降，导致突触功能障碍，最终引起小鼠学习记忆损害。辅酶Q10是线粒体电子传递链中的重要辅因子，用辅酶Q10预处理小鼠可减轻小鼠学习记忆损害[14]。小鼠在异氟醚麻醉下行剖腹探查术后，可观察到其海马组织中线粒体呼吸功能、ATP水平及线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential, MMP）均下降，最终小鼠出现术后认知功能受损[15]。可见，线粒体能量代谢障碍造成大脑能量供应不足是促进PND的发生机制之一。

2.2　氧化应激及细胞凋亡与PND

体内大部分活性氧（reactive oxygen species, ROS）是线粒体产生ATP时的副产物。ROS异常增多将对体内脂质、核酸、蛋白质等成分造成氧化损伤，产生神经细胞毒性作用。研究发现，PND的发生通常伴随着ROS水平升高[16‑17]。线粒体是体内氧化物的靶细胞器。有研究发现，接受胫骨骨折手术的大鼠体内发生氧化应激，造成大鼠海马及前额叶皮质中线粒体呼吸链复合体活性降低，导致PND的发生[18]。神经细胞大量凋亡将影响神经系统的学习记忆功能，促进PND的发生发展。线粒体膜通透性增加可释放细胞色素C，细胞凋亡诱导因子启动内源性凋亡途径导致神经细胞凋亡。3%的异氟醚可上调线粒体凋亡蛋白B淋巴细胞瘤‑2‑相关X蛋白/B淋巴细胞瘤‑2的表达，增高神经细胞凋亡率，促进PND的发生[19]。研究发现，线粒体ATP敏感性钾通道的持续激活，可引起ROS异常增加，从而启动线粒体凋亡途径，造成小鼠PND的发生[20]。

3 线粒体自噬与PND     

线粒体自噬是一种特殊的自噬方式，通过选择性清除多余或者受损的线粒体参与线粒体质量的调控，维持细胞正常功能。研究发现，自噬诱导剂雷帕霉素通过抑制七氟醚致老龄大鼠海马组织线粒体功能障碍，减轻线粒体损伤，最终减轻了七氟醚所诱导的学习记忆损害[21]。当神经细胞内出现线粒体自噬障碍，衰老或损伤的线粒体将会释放出更多的ROS，致线粒体呼吸功能下降和ATP生成不足，最后引起神经元的活性降低。β淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的生物标志物，可诱导神经细胞凋亡。研究发现，线粒体自噬可增加小胶质细胞的吞噬活性，减少β淀粉样蛋白沉积，抑制神经炎症，可能会减轻PND的发生[22]。

PND是否发生取决于线粒体自噬与受损线粒体数量的相对水平。七氟醚虽上调线粒体自噬水平，但线粒体自噬不足以清除被七氟醚损害的线粒体，造成损伤的线粒体数量相对过多，介导过多的神经细胞凋亡，诱导大鼠出现学习记忆损害[23]。研究发现，七氟醚麻醉手术可上调小鼠海马中自噬相关蛋白微管相关蛋白1轻链3‑Ⅱ、哺乳动物 ATG6 同源蛋白、帕金（parkin）及PTEN‑激酶 1的表达，但与和厚朴酚（honokiol）减轻小鼠PND相比，小鼠海马组织中的线粒体活性氧（mitochondria‑derived reactive oxygen species, mtROS）、IL‑1β、IL‑18及半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶（cysteine‑requiring aspartate protease, caspase）‑1表现出更高的水平，该研究表明增高的线粒体自噬水平不足以清除受损的线粒体，进而导致更严重的氧化应激、神经炎症以及神经细胞凋亡，促进PND的发生[24]。

4 线粒体相关基因与PND      

线粒体融合素基因‑2（mitofusin‑2 gene, Mfn‑2）可促进线粒体动态融合，对线粒体的形态、结构以及功能至关重要[25]。有研究发现，七氟醚诱导老龄大鼠PND发生时，Mfn‑2的mRNA水平下降。这表明PND发生时线粒体融合被抑制，线粒体动力学失去平衡，线粒体碎片化增加[21]。亲环素（cyclophilin D, CypD）是线粒体通透性转换孔的组成部分，敲除CypD基因有助于防止线粒体肿胀，保护线粒体功能[26]。麻醉和（或）手术无法引起敲除了CypD基因的阿尔茨海默病转基因小鼠海马中突触标记物（突触后致密物‑95和突触囊泡蛋白）发生显著改变，也无法导致PND的发生，而未敲除CypD基因的阿尔茨海默病转基因小鼠更容易发生PND[27]。研究发现，七氟醚引起野生型小鼠发生PND时，小鼠海马组织中ROS水平上调，MMP水平下调，而敲除了CypD基因小鼠的海马组织ROS和MMP水平没有明显改变，进一步说明敲除CypD基因可能是通过稳定线粒体功能，抑制PND的发生[28]。

最近有研究发现，某些基因可作用于线粒体，造成线粒体功能障碍，诱导PND的发生。载脂蛋白E（apolipoprotein E, ApoE）是一种多态性蛋白，参与脂蛋白的转化与代谢，该基因能调节许多生物学功能。ApoEε4基因的携带者更易发生炎症反应和血脑屏障功能障碍，进而导致认知功能障碍[29]。此外，ApoE亚型可作用于线粒体，破坏线粒体结构和功能的完整性[30]。有研究发现，七氟醚引起幼鼠学习记忆损害时，其海马组织中总ApoE的mRNA水平升高，同时ATP和MMP水平下调[31]。抑制微小RNA206引起星形胶质细胞MMP水平显著降低，导致大鼠出现学习记忆损害[32]。在神经炎症细胞模型中，过表达长链非编码RNA PCAI（protect cells from apoptosis and inflammation）会引起小胶质细胞MMP水平显著下降，细胞凋亡率增高，细胞活力明显降低以及炎症因子过表达[33]。目前，关于线粒体和PND的发生关系在基因层面的研究仍较少，未来可能会发现更多与线粒体相关的靶基因。

5 线粒体相关代谢通路与PND      

5.1　能量代谢通路

PND发生与线粒体‑ATP‑NUAK 家族 SNF1 样激酶 1 （NUAK family SNF1‑like kinase 1, NUAK1）‑微管相关蛋白 Tau（microtubule‑associated protein tau, Tau）磷酸化级联反应有关。七氟醚损害线粒体功能致ATP生成不足，上调小鼠大脑皮质和海马中NUAK1以及磷酸化Tau蛋白水平，致Tau蛋白不能与微管蛋白聚合形成微管且丧失维持微管稳定的作用，进而引起麻醉后学习记忆损害，但是具有神经保护作用的线粒体电子载体能量增强剂维生素K2可降低PND发生[34]。异氟醚致小鼠认知功能下降伴随着ATP生成和MMP降低，同时抑制了脑源性神经营养因子/酪氨酸激酶受体B通路，影响脑源性神经营养因子促进神经元生长发育及损伤后修复[35]。腺苷酸活化蛋白激酶和沉默信息调节因子1是机体重要的能量感受器，它们分别通过磷酸化和去乙酰化调节过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子‑1α活性，三者又共同调节线粒体的生物合成和能量代谢。通过激活该信号通路可以抑制氧化应激，维持线粒体功能，减轻神经元的损害，改善老龄大鼠暴露于七氟醚后发生PND[36]。

5.2　炎症反应和氧化应激通路

有研究发现，IL‑1β可以介导神经炎症，这与PND的发生有关，同时海马组织中核苷酸寡聚化结构域样受体蛋白3（NOD‑like receptor protein 3, NLRP3）炎症小体可以被mtROS激活，这一生物学过程可诱导PND的发生[37]。可见，mtROS/NLRP3炎症小体/IL‑1β信号通路是PND的发生机制之一，该通路可能是治疗PND的靶点。钙调神经磷酸酶（calcineurin, CaN）是一种已知的钙/钙调素依赖性蛋白磷酸酶。研究发现，异氟醚可引起老龄大鼠海马组织中ROS水平增高、MMP水平下降以及CaN表达增加，诱导PND的发生；说明异氟醚可致线粒体功能障碍，不能维持正常生理功能的线粒体，出现钙超载，进而激活CaN[17]。另外，异氟醚还能上调NF‑κB亚基RelA水平、下调NF‑κB 抑制蛋白水平。而使用NF‑κB抑制剂不影响CaN的活性，证明CaN是异氟醚暴露后NF‑κB活化的上游信号分子，说明异氟醚导致线粒体功能障碍，进而激活Ca2+/CaN/NF‑κB通路，引起中枢神经系统炎症反应，导致PND的发生[17]。

5.3　细胞凋亡通路

麻醉和（或）手术可使海马神经元线粒体通透性增加，线粒体内膜上的细胞色素C作为促凋亡因子释放到胞质中，并与凋亡酶激活因子及caspase‑9形成“凋亡体”，激活caspase‑3可促进神经细胞凋亡，引起PND的发生[38‑39]。有研究证实，异氟醚导致神经细胞毒性引起PND发生的早期是通过线粒体caspase依赖的凋亡途径介导的，而晚期则是由线粒体非caspase依赖的凋亡途径介导[40]。

6 总结和展望     

PND是老年患者麻醉手术后常见的并发症之一，其机制涉及炎症反应、氧化应激、能量供应不足及神经细胞凋亡等。神经细胞出现线粒体能量代谢障碍是PND发生发展的重要原因，通过保护线粒体形态结构和功能，调控线粒体相关基因、自噬和代谢通路，可减少PND的发生。目前，对PND的防治仍缺乏有效手段，鉴于线粒体这一重要细胞器在中枢神经系统生物学过程中的作用，以线粒体作为突破口，深入探讨PND的发生机制，可为PND的临床防治提供有价值的理论依据。

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