氧化应激在脓毒性脑病发病中的作用

【中图分类号】 R742 【文献标识码】 A 【文章编号】 1671-8801（2014）05-0363-02

脓毒症病程中发生的脑功能紊乱称为脓毒性脑病（Septic Encephalopathy， SE），是重症监护病房中最常见的脑病之一。在排除中枢神经系统疾病、各种代谢性疾病及药物副作用等基础上， 脓毒症患者出现精神异常如躁动、注意力不集中，行为异常或不同程度的意识障碍方可诊断脓毒性脑病。目前，脓毒症性脑病的发病机理仍不明确，多数学者认为可能与脑血管功能障碍，线粒体功能障碍、氧化应激及氨基酸和神经递质异常等有关。本文就近年来氧化应激损害在脓毒性脑病中的作用综述如下。

1 脑细胞能量代谢与活性氧簇的产生

线粒体是ATP和氧自由基产生的主要场所，脑的能量消耗约占全身能耗的20-25%，线粒体内发生氧化磷酸化产生的ATP是中枢神经主要的供能方式，为脑组织提供90%以上的能量。电子传递链也是多种活性氧自由基（Reactive Oxygen Species，ROS）产生的主要部位，它们是自由电子和氧气相互作用后产生的副产品，当损害因子导致细胞能量代谢障碍时，可导致ROS生成增加。尽管只有很少量的代谢氧被转化成ROS，但是这些存在时间很短，却具有高反应性的分子能影响和损害线粒体的酶复合体和膜结构，进而加重细胞的能量代谢，由此形成恶性循环，从而导致疾病的进一步恶化[1，2]。

2 氧化应激状态

氧化应激[3]状态是指活机体正常的的氧化/还原平衡状态被破坏，机体活性氧自由基产生增加和（或）机体抗氧化能力减弱、活性氧自由基清除不足，导致活性氧自由基在体内蓄积并引起的细胞氧化损伤。脓毒症时，由于微循环障碍、细胞内缺氧、炎症介质的大量释放、再灌注损伤等诸多因素导致线粒体产生大量的ROS，过剩的 ROS通过多种途径参与多种氧化生物大分子的过程，导致脂质过氧化，膜电位解离，呼吸相关酶变性，核酸结构破坏，线粒体内膜敏感钾通道（KATP）过度开放，诱导细胞凋亡等，最终导致线粒体功能障碍甚至细胞的永久性损伤。

3 脓毒症时ROS在脑内的堆积机制

脓毒症时导致脑组织中ROS堆积的可能机制有：

①脑内微循环障碍和缺血、缺氧导致黄嘌呤氧化酶形成增加，黄嘌呤氧化酶过度表达使次黄嘌呤经过生化反应转变为黄嘌呤和尿酸的过程中释放大量电子，并与分子氧所结合产生大量的超氧阴离子如O2-和 H2O2，H2O2在金属离子参与下形成更为活跃的羟自由基-OH；

②炎症介质主要通过迷走神经的间接传导和通过没有血脑屏障（BBB）的室周器作用于中枢神经系统[4，5]，炎症介质诱导了巨噬细胞和多核细胞膜上的NADPH氧化酶过度表达，导致氧自由基形成和释放增加；

③脑组织中丰富的多不饱和脂肪组分，以及较低的抗氧化系统，使得脑细胞生物膜中脂质层易受到ROS的攻击，从而产生病理生理的改变；

④脓毒症患者血浆和脑脊液中维生素C浓度较正常人显著降低，过氧化氢酶的活性没有增加，使得脑组织内抗氧化防御系统能力下降，导致ROS在脑内堆积。

4 脂质过氧化的影响

一系列的研究已证实脂质过氧化可能参与了脓毒性脑病的发生发展。来自埃及的研究组在对40名脓毒症患儿 （其中40%的患儿存在中度至重度脓毒性脑病） 的研究中发现，与正常组相比，脓毒症患儿组血清中脂类过氧化物的含量明显升高，而且与仅存在脓毒症的患儿相比，脓毒性脑病儿童脑脊液和血清中脂类过氧化物的含量均明显增高[6]。另一个研究显示β-葡聚糖能够减轻实验性脓毒症大鼠脑组织的血管性水肿和出血[7]。β-葡聚糖是一种来源于真菌和谷类植物细胞壁的抗氧化剂，虽然目前还不了解其发挥抗氧化功效的确切机制，但是一般认为与它能结合到细胞膜的脂质双层，特异性地抑制脂质过氧化有关[8]。有研究发现脑组织的氧化应激损伤发生于脓毒症早期阶段，而且这种损伤对脂的影响比蛋白更持久、严重，Clarissa等人的研究结果也证实，盲肠结扎穿孔10天后的大鼠脑组织中蛋白羟基的含量并未明显升高，但硫代巴比妥酸反应物质在大脑海马区的表达增高[9]。他们分析这可能与脑组织内丰富脂含量以及神经细胞内独特的脂组分有关。

5 线粒体的功能障碍

2004年，Spronk等人提出"微循环与线粒体窘迫综合征"（microcirculatory and mitochondrial distress syndrome， MMDS）学说，认为脓毒症与微循环和线粒体功能损伤密切相关的。Comim等人利用盲肠结扎穿孔大鼠模型研究脓毒症时大脑线粒体呼吸链功能变化，结果显示大鼠盲肠结扎穿孔后24小时，48小时及96小时，脑组织线粒体呼吸链酶复合体I的活性较对照组明显下降，提示脓毒症可以导致大脑线粒体功能障碍[10]。来自浙江大学医学院附属第一医院陈江华课题组的研究显示在汉族人群中，线粒体DNA单倍型类群R是脓毒性脑病预后的一个独立预测因子，与非R型相比，R型患者具有较高机会恢复神经系统功能[11]。另外一个中国的课题组通过腹腔注射革兰阴性菌脂多糖溶液建立脓毒症大鼠动物模型，然后测定大鼠脑线粒体膜电位和观察各种神经细胞线粒体的结构损伤，结果显示，脓毒症早期，大鼠脑组织线粒体功能损伤较早、而线粒体结构损伤出现稍晚，且这种功能和结构损伤具有可逆性，该课题中他们还发现脓毒症大鼠神经元细胞和星形胶质细胞线粒体损伤较为明显，而小胶质细胞和少突胶质细胞具有较强的抗损伤能力[12]。

6 一氧化氮（NO）与过氧亚硝酸盐（ONOO-）

脓毒症时内毒素和细胞因子诱导神经元和小胶质细胞生成诱导性一氧化氮合酶（iNOS）增加，mtiNOS过度表达导致NO和过氧化物生成增加。NO可以下调细胞色素C与氧的结合能力，能不可逆地抑制线粒体呼吸链中复合体Ⅰ的活性，还可引起线粒体通透性转换，导致线粒体氧化磷酸化解偶联。NO 与O2-相结合形成超氧亚硝基阴离子ONOO-， ONOO-影响线粒体功能表现在：不可逆地导致琥珀酸脱氢酶（SDH）与NADH脱氢酶灭活，最终导致电子传递链失活；诱导核DNA单链断裂，而引起DNA的修复酶如腺苷二磷酸-核糖多聚合酶（PARP）过度表达，导致NAD+/NADH大量耗竭[13]。国内同行在LPS诱导的脓毒症大鼠脑组织中发现，mtNOS活性和mtNO浓度与脑组织线粒体膜电位呈明显负相关关系[14]。但Crouser ED等人针对脓毒症患者试用NOS抑制剂并不能改善其死亡率，相反可加重脓毒症时多器官功能不全，解释为NO可能参与生物能量的"冬眠"和细胞修复过程，脓毒症病程中当线粒体功能下降，NO与O2可以通过竞争性抑制细胞色素aa3（Cytaa3），可逆地调节氧化磷酸化水平[15]，减少ROS的生成；在线粒体功能下降时，超氧亚硝基阴离子（ONOO-）还可以减少线粒体对O2的利用而减少ROS的生成[16]。目前一氧化氮（NO）和过氧亚硝酸盐（ONOO-）对脓毒性脑病时线粒体到底是具有损伤或（和）保护功能仍需进一步探讨。

7 抗氧化系统的缺陷

健康机体内，自由基能被各种抗氧化系统所清除，包括酶类的超氧化物歧化酶，过氧化氢酶，谷胱甘肽过氧化物酶，以及非酶类的断链抗氧化剂，如维生素C和维生素E等。如果这些抗氧化系统存在表达或含量的异常，均可以引起机体内自由基升高，从而导致氧化应激损伤。

研究显示实验性脓毒症大鼠的脑组织中超氧化物歧化酶的活性明显升高，而过氧化氢酶的活性含量没有相应地增高，使得脓毒症时脑组织易受到自由基介导的膜损伤[17]。来自德国汉堡大学的研究结果[18]发现，脓毒症患者血浆和脑脊液中维生素C的含量较正常对照组明显低，而且脑脊液中低维生素C含量与患者严重的神经系统症状相关。但是，他们未发现这两组研究对象中维生素E水平的差异。他们的研究结果提示短期的氧化应激可能是脓毒性脑病发展的一个重要因子。另外，Barichello和其同事[19]利用盲肠结扎穿孔大鼠动物模型，评估了抗氧化剂对后期记忆损伤和早期小脑氧化应激损害的影响，结果发现脓毒症导致大鼠严重的记忆障碍，而N-乙酰-L-半胱氨酸联合去铁胺可以阻止脓毒症引起的记忆损伤，此外，N-乙酰-L-半胱氨酸与去铁胺联合还可以减轻脓毒症所致小脑早期的氧化应激损害。巴西的Cassol-Jr等人[20]通过盲肠结扎穿孔大鼠模型，证实了模型大鼠脑内的硫代巴比妥酸自由基和蛋白羟基化产物的水平明显升高，并存在认知障碍，表明大脑受到氧化应激的攻击，而大麻二酚处理后显著降低了脑内硫代巴比妥酸自由基和蛋白羟基化产物的水平，并且改善了认知障碍，降低了脓毒性脑病大鼠的死亡率。上述系列研究表明抗氧化系统的失衡可能是脓毒性脑病发生发展的一个重要决定因素。

8 问题和展望

脓毒性脑病是脓毒症病程中常见的并发症，致死率高。目前虽然已有大量实验对脓毒性脑病的发病机制进行了相关研究，并取得了一些进展，但脓毒性脑病确切的发病机制尚未完全清楚。氧化应激损伤是近年来提出的脓毒性脑病发病机理中的一个新假说，而且许多研究也证实了脓毒性脑病的实验动物和患者中存在氧化应激，但其是否是脓毒性脑病发生发展的最关键因子，仍需要进一步研究阐明。由于现今脓毒性脑病缺乏特效的治疗，根据氧化应激损伤的发病机理给予相应的治疗可能使患者受益，进而改善其预后。

参考文献

[1]Kelso GF， Porteous CM， Hughes G， et al. Prevention of mitochondrial oxidative damage using targeted antioxidants.Ann N Y Acad Sci.2002；959：263-274.

[2]Dal-Pizzol F， Ritter C， Cassol-Jr OJ， et al. Oxidative mechanisms of brain dysfunction during sepsis. Neurochem Res. 2010；35（1）：1-12.

[3]Blanco J，Muriel-BombinA，Sagredo V，et a1.Incidence，organ dysfunction and mortality in severe sepsis：a Spanish multicentre study[J].Crit Care，2008，12（6）： 158.

[4]Ebersoldt M，Sharshar T，Annane D.Sepsis-associated delirium [J] .Intersive Care Med，2007，33（6）：941-950.

[5]Siami S，Annane D，Sharhar T.The encephalopathy in sepsis[J] .Crit Care Clin，2008，24（1）：67-82.

[6]Hamed SA， Hamed EA， Abdella MM. Septic encephalopathy： relationship to serum and cerebrospinal fluid levels of adhesion molecules， lipid peroxides and S-100B protein. Neuropediatrics. 2009，40（2）：66-72.

[7]Sener G， Sert G， Ozer Sehirli A， et al. Pressure ulcer-induced oxidative organ injury is ameliorated by beta-glucan treatment in rats. Int Immunopharmacol. 2006，6（5）：724-732.

[8]Babincová M， Bacová Z， Machová E， et al.Antioxidant properties of carboxymethyl glucan： comparative analysis. J Med Food. 2002，5（2）：79-83.

[9]Comim CM， Cassol-Jr OJ， Constantino LS， et al. Alterations in inflammatory mediators， oxidative stress parameters and energetic metabolism in the brain of sepsis survivor rats. Neurochem Res.2011，36（2）：304-11.

[10]Comim CM， Rezin GT， Scaini G， et al. Mitochondrial respiratory chain and creatine kinase activities in rat brain after sepsis induced by cecal ligation and perforation.Mitochondrion. 2008，8（4）：313-8.

[11]Yang Y， Zhang P， Lv R， et al. Mitochondrial DNA haplogroup R in the Han population and recovery from septic encephalopathy. Intensive Care Med. 2011，37（10）：1613-9.

[12]李宁， 王阳， 曾其毅. 脓毒症早期大鼠脑线粒体损伤的研究. 细胞和分子免疫学杂志. 2010，26（4）：379-81.

[13]Fink MP.Cytopathic hypoxia.Is oxygen use impaired in sepsis as result of an acquired intrinsic derangement in cellular respiration？Crit Care Clin，2002，18（1）：165-175.

[14]曾其毅， 王阳，钱新华. 脓毒症大鼠脑线粒体功能损伤与氧化应激的关系. 第四军医大学学报. 2009，30（11）：997-1000.

[15]Giuffre A，Sarti PD，D1tri E，Buse G，et a1.On the mechanism of inhibition of cytochrome c oxidase by nitric oxide.J Biol Chem，1996，271（52）：33404-33408.

[16]Khan AU，Delude RL，Han YY，et a1.Liposomal NAD（+） prevents diminished O（2） consumption by immunostimulated Caco-2 cells.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2002，282（5）：1082-1091.

[17]Barichello T， Fortunato JJ， Vitali AM， et al. Oxidative variables in the rat brain after sepsis induced by cecal ligation and perforation. Crit Care Med. 2006，34（3）：886-889.

[18]Voigt K， Kontush A， Stuerenburg HJ， et al. Decreased plasma and cerebrospinal fluid ascorbate levels in patients with septic encephalopathy. Free Radic Res. 2002，36（7）：735-739.

[19]Barichello T， Machado RA， Constantino L，et al. Antioxidant treatment prevented late memory impairment in an animal model of sepsis. Crit Care Med. 2007，35（9）：2186-2190.

[20]Cassol-Jr OJ， Comim CM， Silva BR， et al. Treatment with cannabidiol reverses oxidative stress parameters， cognitive impairment and mortality in rats submitted to sepsis by cecal ligation and puncture. Brain Res. 2010，1348：128-138.

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