J Neuroinflammation 综述︱新冠肺炎与认知障碍：神经侵袭性和血脑屏障功能障碍

撰文︱陈燕婷

责编︱王思珍

编辑︱杨彬薇

由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）引起新冠肺炎（Coronavirus disease 2019，COVID-19）在全球大流行。SARS-CoV-2除了对呼吸系统造成损害外，还能够侵入大脑导致认知障碍。血脑屏障（Blood–brain barrier，BBB）是介于血液和脑组织之间的天然屏障，由脑微血管内皮细胞（Brain Microvascular Endothelial Cells，BMECs）、周细胞和星形胶质细胞终足组成。BBB对维持脑内微环境稳态至关重要，阻止多种有害物质进入大脑，在人体内起到保护作用。

2022年9月7日，广东医科大学附属医院崔理立团队在Journal of Neuroinflammation期刊上在线发表了关于COVID-19与认知障碍前沿进展的综述，题为“COVID-19 and cognitive impairment: neuroinvasive and blood‒brain barrier dysfunction”。陈燕婷硕士是本文的第一作者，通讯作者为崔理立研究员。该综述描述了神经侵袭性和BBB破坏可能与SARS-CoV-2感染大脑的相关性，对于了解SARS-CoV-2感染如何引起COVID-19相关认知功能障碍提供参考。这篇综述可为指导COVID-19大流行后认知障碍的治疗和预防提供支持。

本文首先描述了COVID-19虽然作为一种呼吸道疾病，但越来越多的证据表明SARS-CoV-2能够侵入COVID-19患者的大脑并引起认知障碍。SARS-CoV-2可能对多种脑神经有侵袭作用，包括嗅觉、三叉神经、视神经和迷走神经，并可能通过受感染的神经末梢、逆行运输和跨突触传递传播到其他大脑区域。此外，BBB由排列在大脑微血管系统内的神经血管单位（neurovascular units）组成，充当神经细胞和免疫系统循环细胞之间的物理屏障，并严格调节血液和大脑之间离子、分子和细胞的运动。因此，BBB可能是SARS-CoV-2通过血液循环与大脑直接和间接相互作用的重要结构。

一、COVID-19相关认知障碍的临床证据

肺是COVID-19中受影响最严重的器官，表现为弥漫性肺泡损伤、透明膜形成、炎性细胞浸润和微血管损伤，但后来发现SARS-CoV-2可以侵入包括中枢神经系统在内的其他器官。多项研究表明，超过50%的COVID-19患者出现认知障碍。SARS-CoV-2 进入脑实质，可能导致脑神经元和内皮细胞的损伤和丢失，从而引起COVID-19相关的神经系统症状。

二、 SARS-CoV-2侵入中枢神经系统的潜在途径

目前，SARS-CoV-2的潜在神经营养机制尚未完全理解。然而，先前在SARS-CoV和其他病毒中发现的嗜神经机制可以作为SARS-CoV-2入侵大脑的参考。根据目前的研究，病毒进入中枢神经系统可能有两种主要途径：神经侵袭机制和血液传播途径。

（一）SARS-CoV-2沿着嗅觉神经进入大脑

嗅觉神经主要由嗅觉受体神经元组成，直接连接鼻腔和中枢神经系统。一些病原体可以感染嗅感觉神经元及嗅球轴突，从而使病毒绕过BBB，通过所谓的嗅通路到达中枢神经系统[1]。每个嗅觉受体神经元将树突投射到鼻腔中，并将其轴突基底外侧延伸穿过筛板进入大脑的嗅球（图1）。在这一途径中，鼻内皮中的SARS-CoV-2可能沿着感觉神经和嗅觉神经附着到运动蛋白上，从而到达大脑。嗅觉上皮细胞表达高水平的血管紧张素转换酶2（Angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）和跨膜蛋白酶丝氨酸2（Transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）[2-4]，这可能为COVID-19相关的嗅觉缺失提供了合理的解释（图1）。

图1 SARS-CoV-2通过嗅觉途径进入大脑的潜在途径。

一旦SARS-CoV-2被吸入鼻腔，病毒就通过嗅觉上皮受体ACE2和TMPRSS2沿着嗅觉神经的逆行轴突传播到中枢神经系统。

（图源：Chen et al., J Neuroinflammation, 2022）

值得注意的是，许多研究不仅在嗅粘膜和嗅球中检测到SARS-CoV-2 RNA，而且在三叉神经的不同分支中也检测到了病毒RNA（图2）。SARS-CoV-2也可能通过ACE2受体进入三叉神经。来自鼻粘膜的传入纤维通过筛神经到达前颅窝，并在硬脑膜中到达三叉神经节[5]。SARS-CoV-2损伤的三叉神经传入纤维的强烈激活可能导致头痛和嗅觉缺失。鼻内接种嗜神经病毒可引起神经元和神经胶质坏死以及中性粒细胞浸润。因此，一旦SARS-CoV-2被吸入鼻腔，病毒可能通过嗅粘膜上的受体ACE2和TMPRSS2沿着嗅神经的逆行轴突传播到CNS中，导致神经元坏死和功能障碍，从而导致中枢神经系统损伤导致认知障碍（图1）。

图2 SARS-CoV-2通过其他神经入侵进入大脑的可能途径。

除通过嗅觉途径感染外，SARS-CoV-2还可通过直接或间接接触眼睛和口腔粘膜传播。SARS-CoV-2可通过鼻腔、眼睛、呼吸上皮、肺实质和肠道上的受体（如ACE2）进入细胞，进而影响多个颅神经（包括三叉神经、视神经和迷走神经）。SARS-CoV-2可能感染神经末梢，逆行传输，并通过突触传播到其他大脑区域。

（图源：Chen et al., J Neuroinflammation, 2022）

（二）SARS-CoV-2通过眼部传播

来自172例COVID-19患者的临床研究表明，COVID-19 患者最常见的眼部症状为结膜炎（23.3%），表现为结膜充血、异物感和瘙痒。然而，SARS-CoV-2是否可以通过眼睛传播仍然存在争议。免疫组化分析显示ACE2在结膜、角膜缘和角膜中表达（图2）。这为眼睛对SARS-CoV-2的易感性提供了分子基础。最近的研究表明，SARS-CoV-2可以通过带有病毒颗粒的飞沫感染眼睛，然后病毒可以通过鼻泪管传播到肺部[6]。因此，眼睛有可能成为SARS-CoV-2的潜在感染入口，支持在眼部保护不足的情况下使用结膜黏膜作为 SARS-CoV-2 的切入点进行眼部传播的可能性（图2）。尽管SARS-CoV-2通过眼睛进行血源性转移在理论上是可能的，但仍需要更多的临床或实验证据来证实这一假设。在当前的严重疫情中，迫切需要更多的证据来更好地评估眼部传播的可能性以及采取保护措施的必要性。

（三）迷走神经神经侵袭

迷走神经是人体内最长的神经，连接重要器官，包括大脑、心脏、肺和肠道。研究者发现COVID-19患者的头晕、咳嗽、心率加快和胃肠道问题等症状与迷走神经损伤有关。孤束核从肺和呼吸道中的机械感受器和化学受体接收感觉信息，因此来自肺的迷走神经孤束核可能是病毒转运至大脑的重要途径之一。SARS-CoV-2很容易从肺沿着迷走神经侵入脑干的自主神经中心，并参与心血管和呼吸节律的耦合[7]（图2）。SARS-CoV-2从肺部迁移到大脑，可能导致COVID-19患者脑干的肺呼吸中枢功能障碍。

此外，COVID-19患者中SARS-CoV-2肠内感染的可能性也引起了关注[8]。除了人类呼吸上皮和肺实质中存在ACE2外，肠上皮腺细胞中存在大量ACE2受体，这为SARS-CoV-2的易感性提供了分子基础（图2）。因此，脑干的背迷走神经复合体可能是SARS-CoV-2的靶点，病毒可能沿着迷走神经侵入脑组织，这可能是COVID-19影响呼吸和相关反射的神经解剖学基础。

三、SARS-CoV-2通过BBB进入大脑

除了可能通过神经侵袭途径引起脑部感染外，SARS-CoV-2 还可能通过血源性途径进入大脑。研究指出，多达40%的COVID-19患者的血液中存在SARS-CoV-2。通常情况下，由于BBB的独特生理学特性，SARS-CoV-2等病毒不能轻易地通过围绕全身循环系统毛细血管的内皮细胞进入脑实质。但是，BBB并非不可穿透。在31个有神经系统表现的患者中58%的COVID-19患者报告了BBB破坏和渗漏，这提供了SARS-CoV-2诱导的人类BBB功能障碍的第一个证据。BBB破坏使循环中的SARS-CoV-2能够侵入脑实质[9-11]。SARS-CoV-2通过BBB进入中枢神经系统可能有多种形式，一些通过直接感染，另一些通过继发机制，如全身炎症反应以及与血管内凝血障碍相关的缺血和缺氧变化（图3）。

图3 SARS-CoV-2通过血液途径感染大脑的潜在机制

（图源：Chen et al., J Neuroinflammation, 2022）

（一）SARS-CoV-2直接与BBB组成部分相互作用

对死后SARS-CoV-2感染患者脑组织的检查显示，脑毛细血管、内皮细胞、周细胞和神经元中存在病毒颗粒SARS-CoV-2能够通过BBB侵袭脑组织，可能与内皮细胞中存在ACE2受体有关[12-14]（图3）。一旦神经营养病毒通过血管内皮细胞，SARS-CoV-2通过其S蛋白的S1亚单位与ACE2受体的结合侵入脑细胞，从而触发S2亚单位的构象变化，以实现与宿主细胞的膜融合。这些数据表明，SARS-CoV-2与脑血管内皮上的ACE2受体结合可能导致SARS-CoV-2穿过BBB进入脑实质。此外，病毒入侵可能与脑血管内皮TJ蛋白的破坏有关，导致BBB功能障碍和通透性增强[15, 16]。SARS-CoV-2棘突蛋白触发脑内皮细胞的促炎反应，这可能导致BBB功能状态的改变。随后的研究发现，SARS-CoV-2刺突蛋白通过下调人脑血管内皮细胞中的TJ蛋白导致BBB破坏，导致病毒通过细胞旁途径进入中枢神经系统（图3）。

（二）SARS-CoV-2感染引发全身炎症并促进BBB渗漏

在COVID-19的严重病例中，SARS-CoV-2感染可引发全身炎症和细胞因子风暴。研究者使用体外BCEC模型发现暴露于SARS-CoV-2后，促炎因子水平升高与TJ蛋白功能变化和BBB破坏密切相关。例如，IL-1、IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-12等细胞因子可导致TJ蛋白（occludin、claudin-5、ZO蛋白）降解，导致BBB通透性受损[17, 18]。伴随着BBB的炎症损伤，免疫细胞通过BBB的外渗增加，导致脑实质中SARS-CoV-2病毒颗粒以及促炎细胞因子增加。与COVID-19相关的促炎细胞因子分泌的增加会损害BBB完整性并加速SARS-CoV-2进入脑实质（图3）。此外，病毒感染的白细胞扩散到循环血液中，并与其他免疫细胞一起渗入脑实质，这可能是病毒进入中枢神经系统的另一途径。被嗜神经病毒感染的白细胞，可以通过脉管系统、脑膜和脉络丛浸润大脑，这种机制被称为“特洛伊木马”。这一证据与COVID-19中的全身炎症和缺氧状况相结合，表明在感染期间通过BBB的白细胞浸润增加，这加强了SARS-CoV-2侵入神经的这一途径（图3）。在COVID-19感染期间持续的全身炎症与认知能力下降有关并导致持续的脑电图(EEG)变化和海马萎缩。因此，在与COVID-19相关的认知障碍中，应注意促炎因子对机体的影响。 SARS-CoV-2 感染导致促炎细胞因子激活特定的信号级联，并通过损害TJ蛋白的组装和表达水平增加BBB渗漏，这反过来又允许SARS-CoV-2、外周免疫细胞和其他分子进入中枢神经系统，从而加剧脑损伤。

（三）SARS-CoV-2感染导致凝血障碍，促进TJ破坏并增加BBB通透性

感染SARS-CoV-2的危重患者通常表现出D-二聚体水平升高和严重血小板减少，这可能增加脑血管事件发生。对94例确诊COVID-19患者的凝血数据进行了分析，发现所有SARS-CoV-2感染病例的D-二聚体、纤维蛋白/纤维蛋白原降解产物和纤维蛋白原水平均显著高于健康对照组。凝血酶可以通过激活Src激酶磷酸化MMP和TJ蛋白和上调VEGF增加BBB通透性。此外，血管内皮实验表明，纤维蛋白原可通过破坏与肌动蛋白丝结合的TJ蛋白破坏内皮细胞完整性。肌动蛋白形成增加可能导致细胞僵硬、肌动蛋白丝收缩和内皮细胞间连接增宽，从而破坏内皮细胞完整性。这些研究表明，缺血导致内皮通透性的增加中凝血酶、纤维蛋白原和纤溶酶系统起主要作用。总之，由SARS-CoV-2感染引起的凝血系统异常可通过破坏TJ蛋白增加BBB的通透性，并增加SARS-CoV-2进入脑实质（图3）。SARS-CoV-2侵袭血管内皮细胞激活血栓和炎症级联反应，导致毛细血管闭塞。例如，在认知相关的大脑区域（如海马、颞叶）中，毛细血管滋养的神经细胞受到缺血和缺氧损伤，从而促进血管认知损伤的发生。

（四）SARS-CoV-2引起的肺损伤导致缺氧，增加BBB通透性

肺损伤引起的呼吸衰竭可导致大脑严重缺氧。神经元依靠血管来提供氧气和营养。当脑组织持续缺氧时，最终会对神经元造成不可逆的损伤。与缺氧性脑损伤一致，COVID-19的尸检研究表明新皮质、海马和小脑区域的神经元受损。通过共培养小鼠脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞建立了体外BBB模型，发现缺氧会降低ZO蛋白表达并诱导ZO蛋白磷酸化。此外，研究者通过牛脑微血管内皮细胞试验发现缺氧导致肌动蛋白重排和细胞旁通透性标记物[¹⁴C]蔗糖增加2.6倍。这些发现与先前的报告一致，即在缺氧处理2小时至48小时后脑毛细血管内皮细胞的通透性增加[19, 20]。缺氧诱导的脑毛细血管内皮细胞的细胞旁通透性增加可能与肌动蛋白分布的改变和TJ 蛋白的丢失有关（图3）。因此，预计部分COVID-19患者在急性疾病消退后会出现长期的神经认知后遗症。一般来说，缺血和缺氧的慢性认知后遗症可以从轻度注意力和记忆障碍到一般认知能力下降和痴呆甚至昏迷。

四、总结与展望

越来越多的证据表明，COVID-19幸存者患有神经系统疾病。大脑无疑是COVID-19的靶标之一。虽然中枢神经系统感染的确切病理生理学目前仍处于推测状态，但COVID-19在大脑中的感染机制可能与ACE2受体在大脑和其他器官组织中的高密度表达以及病毒通过嗅觉神经、三叉神经、视神经和迷走神经通路进入大脑有关。另一种血液传播途径也是可能的。SARS-CoV-2与BBB相互作用的机制可能导致与SARS-CoV-2诱导的COVID-19相关的神经功能障碍。SARS-CoV-2对脑组织的影响可能导致神经系统的急性和长期变化，或可能加剧现有的神经疾病或症状。因此，神经侵袭和BBB功能障碍可能是促进SARS-CoV-2进入中枢神经系统的潜在途径，并可能有助于在疾病进展过程中观察到的认知损伤。虽然现在阐明SARS-CoV-2感染的长期副作用还为时过早，但越来越多的证据表明，SARS-CoV-2可能导致中枢神经系统的永久后遗症，包括认知能力下降。然而，SARS-CoV-2是否能进入大脑并在脑实质中复制，是否具有神经侵袭能力，有待未来探索。综上所述，随着后疫情时代的到来，SARS-CoV-2导致的后续脑损伤将成为一个不容忽视的临床症状和社会问题。探索COVID-19患者认知功能障碍的机制和早期干预将提高患者的生活质量。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s12974-022-02579-8

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本文完