术后迷糊为哪般？中国医学科学院修建波/李毅/许琪揭示脓毒症相关血脑屏障损伤与认知障碍机制

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2025年5月28日，中国医学科学院基础医学研究所修建波教授，李毅教授以及许琪教授共通讯在Journal of Neuroinflammation发表：Endothelial TREM-1 mediates sepsis-induced blood brain barrier disruption and cognitive impairment via the PI3K/Akt pathway，揭示了内皮细胞TREM-1通过PI3K/Akt通路介导脓毒症引起的血脑屏障破坏和认知功能障碍。

血脑屏障（BBB）是中枢神经系统（CNS）与血液循环之间的一个关键选择性屏障。血脑屏障功能障碍在脓毒症引起的神经系统损伤中起着重要作用。然而，脓毒症期间血脑屏障破坏的机制仍不清楚。作者建立了一个由人诱导多能干细胞（iPSC）衍生的血脑屏障模型，并发现用脓毒症患者的血清处理会导致血脑屏障在结构和功能上的破坏。在盲肠结扎穿刺（CLP）诱导的小鼠脓毒症模型中，作者也观察到了血脑屏障的破坏、大脑炎症以及认知功能的损伤。在这两种模型中，作者都发现内皮细胞中 TREM-1 的表达显著增加。特异性敲除内皮细胞中的 TREM-1 能够缓解血脑屏障功能障碍和认知损伤。进一步研究发现，TREM-1 影响与 PI3K/Akt 信号通路相关基因的表达。使用 PI3K 抑制剂后，TREM-1 抑制对血脑屏障和认知功能的保护作用被消除。作者的研究结果表明，内皮细胞中的 TREM-1 通过 PI3K/Akt 信号通路引起脓毒症导致的血脑屏障破坏和认知功能障碍。靶向内皮细胞 TREM-1 或 PI3K/Akt 信号通路可能是维持脓毒症患者血脑屏障完整性并改善认知功能的有前景的治疗策略。

图一 iPSC来源的血脑屏障模型的建立

为了探究脓毒症对血脑屏障的影响，研究人员建立了基于人诱导多能干细胞的体外血脑屏障模型。血脑屏障的形成依赖于脑微血管内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞之间的相互作用。研究人员首先制定了构建该模型的实验方案，利用诱导多能干细胞分化出这三类细胞并在Transwell系统中进行培养。内皮细胞被种植在膜上方，星形胶质细胞和周细胞则位于膜的另一侧。通过免疫荧光染色验证，iPSC成功分化为内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞，分别表达CD31、α-SMA和GFAP。跨内皮电阻检测显示，仅由内皮细胞形成的单层具有约550 Ω·cm²的电阻值，在与星形胶质细胞或周细胞共培养后显著升高，三者共同培养时达到近650 Ω·cm²，表明共培养条件下屏障完整性更好。与单独培养的内皮细胞相比，共培养模型中4 kDa分子的通透性降低了约70%，而10 kDa和70 kDa葡聚糖的通透性也明显下降，其中70 kDa分子的通透性降低达80%，说明该模型具有更低的通透性。血脑屏障低通透性的关键在于内皮细胞之间形成的紧密连接结构，包括ZO-1和PECAM-1等蛋白。此外，GLUT-1和LRP-1等转运受体的表达也是血脑屏障功能的重要特征。免疫荧光染色结果显示，这些关键蛋白在模型中均有良好表达。通过实时荧光定量PCR检测发现，与单独培养的内皮细胞相比，在共培养模型中，ZO-1、PECAM-1、LRP-1和GLUT-1等基因的表达水平显著上调。Western blot结果也验证了这些蛋白表达的增加，进一步证明共培养条件促进了血脑屏障相关功能的成熟。

图二 CLP手术诱导的脓毒症会导致BBB破坏和认知障碍

已有研究表明，在脓毒症动物模型中会出现脑部炎症且在CLP模型中血脑屏障功能受损。本研究进一步证实，在接受CLP手术的成年雄性C57BL/6J野生型小鼠中也出现了脑部炎症和血脑屏障破坏。实验采用CLP方法诱导小鼠发生脓毒症。对照组小鼠状态良好，存活率为100%，而脓毒症模型组小鼠术后出现死亡，最终存活率为60%。与对照组小鼠体重相对稳定相比，存活的CLP手术小鼠表现出明显的体重下降。此外，还观察到腹泻、脓尿、眼睛闭合或眼部分泌物、活动减少等现象。为了评估小鼠的行为表现，作者使用神经行为评分系统对角膜反射、翻正反射、耳廓反射、尾闪实验和逃避反射等功能进行了评价。结果显示，在观察期内，CLP组小鼠整体表现较差，术后前三天其神经行为评分显著低于对照组。术后一天即可观察到血脑屏障完整性的丧失，表现为伊文思蓝渗漏实验结果异常升高。考虑到脓毒症会引发全身性炎症反应并影响大脑，作者进一步检测了脑组织中的炎症水平。结果显示，在脓毒症发生24小时后，CLP组小鼠海马组织中的IL-1β和IL-6水平明显高于对照组。这些结果共同表明，CLP引起的系统性炎症导致了包括代谢紊乱、肝损伤和肾功能衰竭在内的多器官功能障碍。由于脓毒症可能伴随认知功能障碍，作者在CLP手术一周后对小鼠进行了行为测试以评估其认知能力。新物体识别实验显示，CLP组小鼠对新物体的探索次数更少，识别指数显著低于对照组。在Morris水迷宫测试中，CLP组小鼠找到平台所需的时间更长，游泳路径更远，到达平台的时间明显延长，停留在目标象限的时间更短，穿越该区域的次数也更少，说明脓毒症引发了空间记忆功能障碍。此外，作者在CLP术后24小时和10天分别从小鼠中分离出脑内皮细胞并进行转录组测序。结果显示，与对照组相比，CLP术后1天的小鼠脑内皮细胞中有369个基因表达上调，156个基因表达下调，通路富集分析提示这些差异表达基因可能参与多个相关通路。术后10天时，有102个基因上调，26个基因下调。通过比较第1天和第10天的转录谱，作者筛选出了61个在两个时间点表达一致的基因。进一步的KEGG通路分析揭示了这些一致性表达基因所富集的多个潜在信号通路。

图三 在内皮细胞中敲除 TREM-1 可减轻 CLP 小鼠模型的认知障碍

AAV-BI30能够在中枢神经系统中实现高效且特异于内皮细胞的Cre介导的基因调控。作者构建的重组腺相关病毒（rAAV）能够靶向脑内皮细胞。通过尾静脉注射后一个月，与对照组小鼠相比，注射了TREM-1 sgRNA的小鼠其脑内皮细胞中不再表达TREM-1。随后，这些小鼠接受了CLP手术，并通过体重评估、神经行为评分、新物体识别实验和Morris水迷宫实验等方法评估TREM-1敲除对CLP小鼠脑内皮细胞的保护作用。各组小鼠死亡数量被记录下来，假手术组小鼠状态良好，存活率为100%。在CLP模型组中，注射TREM-1 sgRNA的小鼠存活率为63.6%，高于对照组小鼠的55%。在体重评估中，与假手术组相比，CLP手术显著降低了小鼠体重。神经行为评分结果显示，假手术组小鼠在术后第一天略有下降后迅速恢复至基线水平；而在CLP组中，评分在术后第一天下降，并在一周后缓慢恢复。其中，TREM-1敲除小鼠的神经行为评分在一周时恢复得更快。在CLP术后一天进行伊文思蓝渗漏实验评估血脑屏障通透性，结果表明TREM-1敲除减轻了CLP引起的血脑屏障损伤。为进一步验证TREM-1敲除是否能缓解脓毒症相关的认知障碍，作者在CLP术后第6天开始进行行为测试。在新物体识别实验中，TREM-1敲除小鼠对新物体的探索频率更高，识别指数明显高于对照组。在Morris水迷宫实验中，记录了小鼠的运动轨迹、找到平台所需时间、在目标象限停留时间和穿越次数。结果显示，尽管在最后一天找到平台的时间没有明显差异，但在训练初期，TREM-1敲除小鼠比对照组更快找到平台。此外，TREM-1敲除小鼠在目标象限停留时间更长，穿越次数更多，表明其空间记忆能力有所改善。综上所述，TREM-1在内皮细胞中的敲除可以减轻脓毒症导致的血脑屏障破坏和大脑功能损伤。抑制TREM-1可能成为治疗脓毒症的新策略。

综上所述，内皮细胞中的TREM-1在脓毒症中介导了血脑屏障的破坏和认知功能障碍。抑制TREM-1可通过PI3K/Akt通路减轻血脑屏障损伤和认知功能紊乱。因此，TREM-1的抑制可作为治疗脓毒症的一种潜在策略。

文章来源

https://doi.org/10.1186/s12974-025-03469-5