BMC Med︱周诚/黄瀚/张东航团队发现新生儿脓毒症导致远期认知障碍的新机制

撰文︱张东航

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

脓毒症（sepsis）是引起新生儿重症监护病房（NICU）里新生儿死亡的主要因素[1]。随着医疗水平的进步，脓毒症引起的新生儿死亡率有所下降，但是幸存者往往会出现远期认知功能损害[2]，其确切分子机制尚不清楚。

研究表明，脓毒症引起的颅内持续炎症是引起认知损害的重要原因。在众多炎症因子中，IL-1β被认为是颅内炎症持续存在的主导因子，并且与脓毒症引起的认知损害有关[3]。但是，IL-1β引起认知损害的分子机制，尤其是在发育的早期阶段，并不清楚。

γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric acid，GABA）是成年中枢神经系统主要的抑制性神经递质。有趣地是，在发育的早期阶段，GABA介导去极化兴奋作用，这是由神经元上高表达的NKCC1离子转运体维持胞内较高氯离子（Cl^-）浓度引起[4]。随着发育，神经元上负责泵出胞内Cl^-的KCC2离子转运体表达逐渐增加，而NKCC1表达逐渐减少；因此GABA介导的功能发生由兴奋向抑制转变，这是GABA发育的重要特征[5]。正常的GABA功能转变是突触发育及神经元可塑性的重要前提，其异常与许多神经系统疾病有关。目前尚不清楚GABA功能的早期发育是否参与脓毒症引起的认知功能损害。

2022年7月27日，四川大学华西医院周诚研究员课题组在BMC Medicine上发表了题为“Severe inflammation in new-borns induces long-term cognitive impairment by activation of IL-1β/KCC2 signaling during early development”的研究。该研究基于GABA功能的发育，为预防或治疗新生儿脓毒症引起的远期认知功能损害提供了新的潜在的分子靶点。

首先，作者在大鼠出生第3天（P3）时通过腹腔注射LPS建立新生期脓毒症模型。结果发现，注射LPS大鼠体重增长缓慢（图1B），约40%出现死亡（图1C），在P30通过水迷宫（图1D-I）及条件恐惧（图1J-M）实验发现，大鼠出现认知功能损害，证明新生儿脓毒症致远期认知损害模型建立成功。

图 1：新生儿期脓毒症引起青春期大鼠认知功能损害。

（图源：Zhang et al., BMC Med, 2022）

接着，作者探索了脓毒症引起的脑内炎症因子表达水平的变化。结果发现，脓毒症后外周血及海马的TNF及IL-6水平仅出现短暂升高，而海马的IL-1β持续高表达，至少维持30天（图2）。说明IL-1β可能是维持脓毒症引起的颅内炎症持续存在的主导因子。

图2：新生大鼠脓毒症引起大鼠海马IL-1β表达持续升高。

（图源：Zhang et al., BMC Med, 2022）

然后，作者通过特异性敲减海马IL-1β的表达，发现可以改善脓毒症引起的远期认知功能损害（图3），直接证实IL-1β是引起脓毒症致认知损害的关键因子。

图 3：海马IL-1β持续高表达引起远期认知功能损害。

（图源：Zhang et al., BMC Med, 2022）

进一步地，作者探索了KCC2是否介导了IL-1β引起的认知损害。结果发现，脓毒症可以引起P7及P14大鼠海马KCC2的表达上调（图4B）。在体敲减海马IL-1β的表达，可以抑制脓毒症引起的KCC2表达增加；在体敲减海马KCC2的表达，可以改善脓毒症引起的认知损害（图4E-L）。证实了IL-1β-KCC2通路的激活是脓毒症致远期认知功能损害的关键通路之一。

图 4：KCC2是介导IL-1β引起远期认知功能损害的下游分子之一。

（图源：Zhang et al., BMC Med, 2022）

最后，通过穿孔膜片钳技术，作者直接检测了脓毒症对发育早期GABA功能转变的影响。结果发现，脓毒症可引起发育早期P7-10（图5B-E）及P14-16（图5F-I）的GABA功能超极化，即功能提前成熟，而敲减IL-1β或KCC2的mRNA可以抑制这一现象（图5M-S）。

图5：新生大鼠脓毒症引起海马锥体神经元E_GABA超极化。

（图源：Zhang et al., BMC Med, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究通过一系列的研究方法证实：新生儿期脓毒症可通过激活海马IL-1β-KCC2通路，诱导发育早期GABA功能提前成熟，引起远期认知功能损害。因此IL-1β/KCC2 ，或者抑制过度的GABA功能可能成为预防或治疗脓毒症引起的远期认知功能损害的新靶点。然而，由于KCC2的表达及E_GABA在行为学检测时间点（P30）已经恢复正常，那么此时导致认知功能损害的因素值得进一步研究。同时，发育期GABA功能异常引起的认知损害是否具有性别依赖性需要进一步确证。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s12916-022-02434-w.

通讯作者：周诚（左）、黄瀚（中）；第一作者：张东航（右）。

（照片提供自：四川大学华西医院周诚研究员团队）

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参考文献（上下滑动阅读） 

1.  Markwart R, Saito H, Harder T, Tomczyk S, Cassini A, Fleischmann-Struzek C, Reichert F, Eckmanns T, Allegranzi B. Epidemiology and burden of sepsis acquired in hospitals and intensive care units: a systematic review and meta-analysis. Intensive Care Med. 2020;46(8):1536–51.

2. Schlapbach LJ, Aebischer M, Adams M, Natalucci G, Bonhoefer J, Latzin P, Nelle M, Bucher HU, Latal B. Impact of sepsis on neurodevelopmental outcome in a Swiss National Cohort of extremely premature infants. Pediatrics. 2011;128(2):e348-357.

3. Terrando N, Rei Fidalgo A, Vizcaychipi M, Cibelli M, Ma D, Monaco C, Feldmann M, Maze M. The impact of IL-1 modulation on the development of lipopolysaccharide-induced cognitive dysfunction. Crit Care. 2010;14(3):R88.

4. Virtanen MA, Uvarov P, Mavrovic M, Poncer JC, Kaila K. The Multifaceted Roles of KCC2 in Cortical Development. Trends Neurosci. 2021;44(5):378–92.

5. Hübner CA, Stein V, Hermans-Borgmeyer I, Meyer T, Ballanyi K, Jentsch TJ. Disruption of KCC2 reveals an essential role of K-Cl cotransport already in early synaptic inhibition. Neuron. 2001;30(2):515–24

本文完