评估脓毒症相关脑病的神经丝轻链：我们是否正在走向临床实施？

脓毒症是全世界进入重症病房的最常见原因。脓毒症患者经常患有反映急性脑功能障碍的脓毒症相关脑病 (SAE)。SAE 导致死亡率增加、住院时间延长和长期认知功能障碍。SAE 的诊断基于临床评估，但缺少识别和确认 SAE 以及评估 SAE 严重程度的有效生物标志物。已经在脓毒症中评估几种指示神经元损伤的基于血液的生物标志物，并且已经研究它们作为早期诊断和预后标志物的潜在作用。其中，神经轴突损伤标志物神经丝轻链 (NfL) 被确定为用作 SAE 的预后生物标志物并预测长期认知障碍。

背景——脓毒症相关性脑病  

脓毒症是由宿主对严重感染的反应失调引起的潜在危及生命的器官功能障碍。由于疾病严重、诊断延迟和有效治疗策略有限，脓毒症仍然与脓毒性休克患者高达 30% 甚至高达 50% 的高死亡率相关。根据 2017 年全球疾病负担研究的分析，估计脓毒症与全球近 20% 的死亡有关。在过去的几年里，大量的临床前和临床研究有助于提高认识和优化治疗标准，特别是在重症病房 (ICU) 中，以改善脓毒症患者的预后。然而，经过长期 ICU 治疗后幸存下来的危重病患者，尤其是脓毒症幸存者，往往会留下长期后遗症。重症后综合症 (PICS) 包括由神经肌肉无力、心理健康问题（例如，创伤后应激障碍、焦虑、抑郁）和神经认知功能障碍组成的异质性综合症状。此外，重症幸存者还出现其他症状，如骨质减少、吞咽困难、疲劳、疼痛和代谢紊乱。因此，有人建议扩展 PICS 的定义。脓毒症幸存者会出现类似的症状，而长期认知功能障碍已被证明是一种主要且常见的并发症。这些长期后遗症不仅会影响患者及其主要治疗人员，还会给公共医疗保健系统造成相当大的社会经济负担。脓毒症相关脑病 (SAE) 是脓毒症中最常见的器官功能障碍之一，也与显著更高的死亡率相关。SAE 一词源自人类尸检研究和动物模型。它包括全身性炎症过程中的功能性脑缺陷和神经元损伤。从临床角度来看，谵妄是最常见的 SAE 综合征，其特征是急性弥漫性脑功能障碍，伴有注意力改变、定向障碍、幻觉、激越，甚至昏迷。由于谵妄有脓毒症以外的多因素病因，因此SAE 是一种排除性诊断。因此，鉴别诊断，例如中枢神经系统的直接感染、外伤、非惊厥性癫痫持续状态或药物副作用，也需要使用仪器诊断来排除，例如脑电图、脑成像（计算机断层扫描或磁共振成像） 、详细的实验室测试，必要时进行脑脊液 (CSF) 分析。由于临床研究中诊断标准的不一致和日常临床实践的不同，脓毒症患者 SAE 中谵妄的估计患病率从 9% 到 71% 不等。例如，一项包括 2513 名患者的多中心研究发现，大约 50% 的 ICU 脓毒症患者因 SAE 导致脑功能障碍。相比之下，一个包含 3210 名患者的大型前瞻性脓毒症队列使用重症病房(CAM-ICU) 的混淆评估方法和治疗谵妄筛查量表 (Nu-DESC) 作为最可靠的临床评分，其中约 33% 的患者被诊断为谵妄。除了急性期精神状态的急剧变化外，脓毒症还与出院后的长期认知功能障碍有关。根据一项对因急性呼吸衰竭、感染性休克或心源性休克而入住 ICU 的患者的长期认知结果的研究，40%（三个月后）和 34%（十二个月后）的患者出院后存在持续认知障碍。认知障碍的严重程度比中度创伤性脑损伤患者通常所见的更严重，并且在 26%（三个月后）和 24%（十二个月后）的患者中，认知障碍与轻度阿尔茨海默病相当。 同样，澳大利亚的一项前瞻性队列研究发现，大约 40% 的参与者在 ICU 出院后三个月出现认知障碍，ICU 患者在 ICU 出院后六个月改善至 20%。持续性认知功能障碍患者的发生率略低是由于本研究中 ICU 谵妄的发生率较低，仅为 19%，这是由患者人群的不同特征（例如，合并症、年龄和疾病严重程度较低）引起的)。SAE 所致谵妄的持续时间和严重程度是长期认知障碍发展的已知预测指标。 一年后，超过 70% 的谵妄患者和 ICU 患者仍然存在认知障碍，谵妄持续时间是认知表现较差的独立预测因子。脓毒症发作后，获得中度至重度认知障碍的风险增加了 3.3 倍，并且在那些先前存在认知功能障碍的患者中风险进一步增加。SAE 和长期脑功能障碍也经常导致老年患者更高水平的治疗依赖并影响日常生活活动。 除了认知功能受损外，先前存在的精神疾病，例如抑郁症、焦虑症以及创伤和应激源相关疾病，也与脓毒症患者在 ICU 的长期停留有关。  

在 ICU 中使用临床评分进行 SAE 评估的挑战  

在 ICU 中，精神错乱严重程度通常使用 CAM-ICU 和重症精神错乱筛查清单 (ICDSC) 进行测量，两者都显示出能够与研究人员互动的患者高可靠性和有效性。根据 CAM-ICU，当 (a) 精神状态急剧变化或波动并且 (b) 患者注意力不集中并且 (c) 患者表现出思维混乱或 (d) 改变意识水平。为了评估意识水平，使用里士满激动-镇静量表 (RASS) 。另一个常规使用评分工具 ICDSC 是包含八项的清单，该清单基于精神障碍诊断和统计手册 (DSM) 的标准以及谵妄特征：意识水平改变、注意力不集中、定向障碍、幻觉或妄想、精神运动性激越或发育迟滞、情绪或言语不当、睡眠/觉醒周期紊乱和症状波动。然而，与 CAM-ICU 相比，ICDSC“仅”具有中等敏感性和良好的特异性（敏感性和特异性分别为 80% 和 95.9% 对 74% 和 81.9%）。另一种谵妄评估工具是 Nu-DESC，它基于对患者的观察，由源自混淆评定量表 (CRS) 5 项量表组成。CRS 是一项简短治疗谵妄筛查测试，对迷失方向、不当行为和交流以及幻觉等症状进行评级。CRS 的初始版本在谵妄筛查方面显示出良好的结果，但是，它忽略活动减退的患者。因此，增加了第五项评分精神运动迟缓。CAM-ICU 和其他分数的主要缺点是依赖于患者互动。因此，这些临床工具不能用于深度镇静的患者（例如，RASS 为 -4 和 -5 的患者不符合 CAM-ICU 的资格）。此外，活动减退性谵妄患者也未被充分认识。因此，重症患者的 ICU 谵妄发生率被低估了。除了在 SAE 患者中实际使用谵妄测试本身存在挑战外，最近的一项研究评估 ICU 中临床 SAE 诊断的当前实践，并证明在德国诊断测试的应用存在很大的异质性。  

SAE 中的神经元损伤和认知功能受损  

人体解剖和体内数据均表明脓毒症中的神经元和突触损伤以及中枢神经系统中免疫细胞的激活。对死于脓毒症的患者的大脑尸检分析显示，弥漫性脑损伤伴有神经元凋亡、轴突损伤和缺血性病变。此外，神经胶质细胞（例如小胶质细胞和星形胶质细胞）的增殖和激活在脓毒症患者的脑组织中很明显（图1）。此外，最近一项分析传染性精神错乱和阿尔茨海默病患者脑脊液研究表明，精神错乱和阿尔茨海默病患者的蛋白质表达模式存在重叠。这包括突触相关蛋白表达的下调和稳态小胶质细胞控制丧失，表明存在重叠的病理生理学。有人提出，脓毒症期间明显的神经元和突触损伤导致脓毒症幸存者记忆障碍和神经认知功能障碍。这些障碍包括空间记忆缺陷、语言学习和记忆障碍、执行功能、模式识别记忆、延迟匹配样本测试、注意力和警惕性。这些神经认知缺陷会持续很长时间，甚至不可逆转，从而显著影响脓毒症幸存者及其主要照顾者的日常生活。有趣的是，这些在人类身上的发现在小鼠脓毒症模型中得到证实，并且机械分析显示神经元传递和脑网络功能紊乱以及神经元损伤、树突棘和突触丧失以及小胶质细胞激活。因此，特定的学习和记忆任务，例如物体识别和空间记忆，在脓毒症后小鼠中受损。尽管如此，最终导致突触和神经元损伤的上游过程在人类和小鼠中仍未得到充分了解。包括血脑屏障破坏、出血/缺血性病变、神经传递受损和神经炎症在内的综合病理学导致神经元损伤的发展，最终导致大脑和认知功能障碍（图 1）。  

SAE 的生物标志物  

生物标志物应提供客观和定量的结果。在 SAE 中，理想的生物标志物将提供独立于镇静剂作用的高灵敏度和特异性。它应该能够进行早期诊断以及可靠的结果评估。在 SAE 的过程中，已经提出并研究了几种潜在的生物标志物，例如神经元和胶质细胞衍生的蛋白质，以及与炎症相关的生物标志物。对这些候选人进行了调查，以提高对谵妄和脑病的早期检测。此外，还尝试使用一组与炎症和凝血相关的生物标志物来预测危重患者的长期认知结果。然而，这些在很大程度上未能提供足够的证据。重要的是，生物标志物应该在血液中而不是脑脊液中被检测到，从而允许简单和重复的测量并定量反映脑损伤。在这些候选者中，S-100ß——一种指示血脑屏障破坏和神经元损伤的星形胶质细胞标记蛋白——被发现在 SAE 患者中增加，并且在一些研究中与更高的死亡率相关，而其他研究表明 S-100ß 增加与 SAE 严重程度之间没有相关性。由于 S-100ß 主要由星形胶质细胞合成，因此不应将其视为直接神经元损伤的生物标志物，因此缺乏特异性。作为神经元损伤的直接指标，神经元特异性烯醇化酶 (NSE) 和 Tau 在 SAE患者中升高。据报道，NSE 水平升高与脓毒症患者的谵妄和不良预后有关。在 SAE 中研究的其他生物标志物是在星形胶质细胞和雪旺细胞中发现的星形胶质细胞中间丝胶质纤维酸性蛋白 (GFAP) 和泛素羧基末端水解酶-L1 (UCH-L1) 酶，它几乎完全定位于神经元和神经内分泌细胞。ICU 脓毒症患者的 GFAP 和 UCH-L1 与疾病严重程度相关，并预测更差的结果。在感染 COVID-19 的患者中，较高的血浆 GFAP 水平与谵妄的严重程度相关。然而，这些生物标志物的诊断准确性仍然很低。这是由于 S100ß 蛋白和 GFAP 代表神经胶质细胞受累和损伤，但不直接反映神经元损伤。NSE、Tau 和 UCH-L1 的敏感性和/或特异性在 SAE 过程中仅显示出不充分的预后结果。使用炎症标志物评估重症患者谵妄的研究显示出不同的结果。而里特等人。Khan 等人未发现炎症标志物与 SAE相关。表明 IL-6、8、10 与重症患者谵妄的严重程度和持续时间相关。在过去十年中，神经丝轻链 (NfL) 作为多种神经系统疾病的生物标志物得到了深入研究。NfL 是一种特定的轴突损伤标志物，与神经变性和相关症状（例如认知改变）密切相关。因此，NfL 被认为是诊断准确性更高的 SAE 更合适的生物标志物。

神经丝和神经丝轻链  

神经丝是在神经细胞质中发现的圆柱形蛋白质。神经丝与微管和肌动蛋白丝一起形成神经元细胞骨架。尽管它们也存在于核周体和树突中，但在轴突中发现了特别高的神经丝表达，它们对于发育过程中的径向生长至关重要。它们的功能是为轴突提供结构支持。通过调节轴突直径（口径），它们还可以确定有髓神经纤维的传导速度。神经丝由三个亚基组成： NfL （低重量）、NfM（中等重量）和 NfH（高重量），根据它们的分子量。在正常情况下，随着年龄的增长，轴突不断释放低水平的神经丝（以及 NfL）。神经轴突损伤，与其原因无关，不仅导致脑脊液中的神经丝水平升高，而且通过血脑屏障和脑脊液排入静脉系统，也导致血液（血清或血浆）中的神经丝水平升高，从而促进测量以监测中枢神经系统疾病。血清 NfL 的评估允许量化神经元损伤的严重程度。与通过腰椎穿刺进行侵入性 CSF 采集相比，血液样本易于采集。此外，使用高度灵敏的单分子阵列 (Simoa) 技术已证明 CSF 和血清 NfL 值之间存在直接和高度线性相关性。在过去的几年中，一系列研究调查了 NfL 作为神经元损伤生物标志物在多种神经和非神经疾病中的价值。特别是在炎症、神经退行性、外伤和脑血管神经系统疾病中，脑脊液和血液中 NfL 水平的增加与轴突损伤的程度成正比。因此，NfL 已成为神经元损伤的既定生物标志物，并作为神经退行性疾病（例如 ALS、帕金森氏病和多发性硬化症）疾病活动的替代参数。此外，NfL 还被用于评估缺血性中风的疾病严重程度和更差的结果并且在抗体介导的脑炎患者中也发现血清 NfL 水平升高。  

SAE 中的神经丝轻链  

由于其作为生物标志物的作用已被证明可以通过血液测量直接反映神经元损伤，因此 NfL 已被认为是 SAE 诊断和预后评估的理想候选者。然而，在这一点上，只有少数研究评估了SAE 和全身炎症中的 NfL。符合脓毒症标准的感染 COVID- 19的ICU患者血液NfL水平升高，这与不良结果和死亡有关。此外，一项在三个 ICU 进行德国探索性前瞻性纵向研究比较SAE 患者和对照患者脑脊液和血浆中的 NfL 和 NfH 水平。虽然入住 ICU 后第一天的值显示脓毒症患者和对照组患者之间没有差异，但从入住 ICU 的第一天到第七天，SAE 组的 NfL 和 NfH 水平显著升高，并且与患者的临床症状相关SAE（图 1）。增加的 NfL 水平也与 MRI 异常和存活率相关。由于 20 名脓毒症患者和 5 名对照患者的样本量相对较小，这些发现现在必须在更大规模的前瞻性研究中得到证实。同样，另一项小型前瞻性研究也记录了 11 名出院后表现出轻度认知障碍的 SAE 患者的 NfL 水平升高。最近，在性别和年龄匹配的社区获得性肺炎患者系列中，我们证明血清 NfL 水平与由意识模糊或谵妄决定的 SAE 的发生相关，但与总体疾病严重程度无关，从而支持 Nfl 的特异性作为 CNS 参与感染性和炎症性疾病的标志物。这些发现得到另外两项研究的进一步支持，表明 NfL 水平升高与脓毒症和重症患者谵妄的严重程度和持续时间有关。考虑到这些结果，血液 NfL 水平可以作为 SAE 的生物标志物，并且具有预测脓毒症后长期认知障碍的潜力。除了上述样本量相当小的初步研究提供的证据外，还有一些论点表明，与其他生物标志物相比，NfL 具有更大的潜力。它已被证明与长期认知障碍直接相关，甚至可以预测其他神经系统疾病（例如多发性硬化症、心脏手术、阿尔茨海默氏病和轻度认知障碍）随时间推移的认知恶化。此外，与以前的尝试相比，目前通过单分子阵列确定 NfL 血清水平高灵敏度技术明显提高神经系统疾病背景下生物标志物检测和评估的灵敏度和可靠性。总之，脓毒症期间特定时间点 NfL 水平的升高或 SAE 期间血清 NfL 水平随时间的变化适合并在临床上可用于预测脓毒症患者的长期认知结果。NfL 增加使 ICU 临床医生能够识别结构性脑损伤高风险患者，因此在住院期间优先考虑脑成像和保护。这些假设现在需要在前瞻性对照研究中进行检验。  

使用神经丝轻链的局限性  

在重症脓毒症患者的情况下，有几个因素会影响 NfL 的血清水平（图 2）。在这里，由于周围神经损伤导致的 ICU 获得性无力 (ICU-AW)，作为神经元损伤标志物的 NfL 也会增加。ICU-AW 是由 CIM、CIP 或危重病神经肌病 (CINM) 引起的危重病的常见神经肌肉并发症。研究表明，ICU-AW 患者的神经丝水平升高，这会影响特异性，从而影响作为 SAE 生物标志物适用性。此外，在那些中枢或周围神经系统有急性或慢性神经轴索损伤的重病患者中，频繁的神经系统合并症将极大地影响血液 NfL 水平。更加困难的是区分 NfL 增加是由亚临床或尚未诊断的神经退行性疾病（例如，阿尔茨海默病、帕金森病）引起的。一般而言，NfL 值还显示健康个体和患有某些合并症的患者个体差异。最重要的影响因素是年龄，其次是肾功能和肝功能（eGFR、尿素、GPT）、心血管危险因素（收缩压、HDL 和 HbA1c）、BMI 和血容量以及总合并症负担（例如，COPD、任何心血管疾病、糖尿病、肾脏疾病) 。血清 NfL 水平随着年龄、eGFR 降低和脑血管危险因素逐渐增加。BMI 被评估为降低 NfL 值的重要因素，尤其是在 60 岁以下的个体中，而观察到血清 NfL 和 BMI 之间的反比关系，特别是在体重不足的参与者（BMI < 18.5）中，显示血清 NfL 水平增加正常体重的个体。考虑到影响 NfL 水平的这些因素，需要建立参考区间，例如针对不同年龄组和肾脏清除率，以改进 NfL 解释。这对于临床实践中的个体间比较和个体随访评估尤为重要。  

我们是否正朝着 NfL 的临床实施迈进？  

目前有几种免疫测定法（例如，Simoa、Ella）可用于可靠地量化血液中极低浓度的 NfL。迄今为止，许多中心已经实施 Simoa 或类似平台，不仅在临床研究中测量 NfL，而且在日常临床常规中识别神经元损伤。尽管样本试剂盒仍然很昂贵，但 NfL 分析已经应用于多种神经系统疾病（例如，多发性硬化症、阿尔茨海默氏病、肌萎缩侧索硬化症），用于诊断或预后应用。在这里，受到各种病因中与疾病相关的神经元损伤的前瞻性证据的积累的鼓舞，神经学家设想了在神经系统疾病及其他疾病中更广泛实施的清晰前景。越来越多的平台提供商带来了 NfL 分析在不久的将来变得更具成本效益的希望。大型参考实验室可以对血清 NfL 水平进行常规测量。值得注意的是，存在某些与重症患者特别相关的局限性。这些包括神经系统合并症或危重病多发性神经病引起的神经轴索损伤、肾衰竭引起的清除率降低或个体间差异（例如 BMI、血容量），如上所述。然而，大多数这些限制可以通过根据此类个体变量和与标准值的相关性校正 NfL 血清水平来解决（另见下文）。在这方面，NfL 通过提供有关长期预后的信息而有价值，因为重复 NfL 测量有助于区分可逆性脑功能障碍（例如，药物引起的谵妄）和结构性脑损伤（例如，缺血性脑损伤）。此外，NfL 对于评估 SAE 的严重程度和直接评估谵妄亚表型中的神经元损伤也非常有价值，例如活动减退、活动过度和混合性谵妄以及在不明确的临床症状期间，例如药物诱发的谵妄或在镇静患者中（例如，使用苯二氮卓类药物、阿片类药物、抗惊厥药）。考虑到与活动过度或混合表型相比，活动减退性谵妄与更差的结果相关，血清 NfL 的增加有助于其早期诊断和结果预后。在这一点上，前瞻性测量不同谵妄亚表型的 NfL 是未来研究的问题。2001 年，Pepe及其同事发表了癌症生物标志物开发的五阶段框架，该框架已由阿尔茨海默氏症生物标志物开发路线图日内瓦工作组修改。根据这些指南，第 1 阶段和第 2 阶段需要进行临床前探索性研究和临床试验开发/验证。随后是使用纵向数据回顾性研究（第 3 阶段），其中大部分数据可在存储库中获得。前瞻性研究和真实世界的证据将在第 4 阶段测试生物标志物，然后是第 5 阶段，重点关注日常临床常规中的临床实施（图 3）。对于作为生物标志物的 NfL，第 1 阶段和第 2 阶段已经完成。对于 SAE 的应用，第 3 阶段正在进行中，第 3 阶段和第 4 阶段的其他前瞻性和有力研究应回答以下问题：a) NfL 的增加是否与脓毒症幸存者的长期神经认知结果相关，以及 b) 如果增加血清 NfL 水平能够区分谵妄亚型并预测 SAE 相关的神经元损伤。成功的临床实施需要不同的参考限值。在实验室实践中已经尝试并部分实施了年龄调整参考限值或百分位数使用说明，这些参考值需要确认和实施以供一般使用，并且应建立根据合并症调整的 NfL 标准值，以便在危重病人中常规使用。未来具有适当样本量的前瞻性研究还应该标准化、包括和比较 SAE 的临床标准和评估工具，用于分析不同亚型的谵妄与 NfL 血清水平。  

Bircak‑Kuchtova et al. Critical Care (2023) 27:214 https://doi.org/10.1186/s13054-023-04497-4

打赏