摘 要由于免疫抑制和肠道菌群失调，脑出血 (ICH) 患者的脓毒症易感性显著增加。迄今为止，临床医生仍然难以应对伴有脓毒症的ICH，其死亡率以及长期认知障碍仍在增加。实际上，脑出血和脓毒症通过相似的病理生理机制相互加剧，主要包括全身炎症和循环功能障碍。这两个过程的主要后果是神经功能障碍和多器官损伤，特别是在中枢神经系统激活和血脑屏障破坏的调解下，通过氧化应激和神经毒性介导。此外，合并症引起的多器官损伤会产生许多与损伤相关的分子模式，从而加剧疾病的严重程度。目前的前瞻性观点是对外周免疫系统进行人工限制，并通过改变免疫细胞组成来实现器官间的交叉耐受，以减少炎症损伤。
关键词：脑出血，脓毒症，炎症，神经元死亡，脑功能障碍
脑出血（ICH）常伴有11%-31%的感染和长期功能障碍。大多数感染患者会迅速恶化并最终发展为脓毒症，这是由于ICH后炎症因子过度释放和免疫抑制引起的全身性代谢紊乱和应激。临床上，ICH合并脓毒症在神经重症监护病房中很常见但很棘手，导致多达一半患者死亡。我们的回顾性队列研究表明，大约28%的ICH患者会伴有脓毒症，而脓毒症是不良预后的主要原因。此外，大约80%的幸存者将面临各种器官损伤的严重后遗症，尤其是大脑。事实上，在ICH和脓毒症的病理生理机制中存在许多协同作用。例如，ICH或脓毒症后的全身炎症是大脑继发性损伤进展的关键触发因素和介质。此外，在这两种情况下都可以观察到随后的循环功能障碍，导致更严重的损伤进展。迄今为止，临床医生仍然难以应对伴有脓毒症的ICH，其死亡率和长期认知障碍仍在增加。因此，了解相关的病理生理学似乎迫在眉睫，并且将有助于探索特定的疗法。本文将重点探讨ICH与脓毒症之间的相互作用，并试图阐明这两种疾病的脑功能障碍机制，以期对这两种疾病的相互作用提供独特而系统的见解，并为临床治疗提供指导。脑出血与脓毒症通过以全身炎症和循环功能障碍为主的多种病理生理机制相互作用并加重(见图1)。
图1. 脓毒症并发脑出血的脑功能障碍涉及两个主要的病理生理过程。这两个过程一方面相互依赖，另一方面又相互独立。循环功能障碍后会出现微循环功能障碍，最终导致组织缺血和缺氧以及多处外周器官损伤。在全身炎症中，由于血脑屏障的破坏，会释放促炎介质，来自外周的DAMPs将被允许进入大脑，从而激活CNS细胞。这两个过程的主要后果是神经功能障碍，特别是通过氧化应激和神经毒性中介。神经功能障碍广泛存在于大脑中，并通过神经传递的改变解释了大脑功能障碍。DAMPs，损伤相关的分子模式；BBB，血脑屏障；CNS，中枢神经系统。
ICH发生时，正常解剖破坏引起的原发性损伤在有限的区域和时间窗口内病理性地发生。随后，血液成分（红细胞、凝血酶、血红蛋白和血红素）、凝血因子、补体成分和免疫球蛋白的释放，激活内皮细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞等多种大脑细胞，并随之释放促炎细胞因子。结果，Toll样受体（TLR）和粘附相关分子（ARMs）的表达上调。此外，TLRs作为I类跨膜蛋白，对于从细菌中鉴定病原体相关分子模式（PAMPs）和全身性炎症损伤相关分子模式（DAMPs）至关重要。由于上述因素的作用，脑细胞会进入“超警觉状态”，对外源性物质和活性信号高度敏感。因此，这将进一步伤害伴有脓毒症的ICH患者，类似于火上浇油。外周免疫细胞在循环过程中被侵入性细菌或毒素选择和激活，分泌一系列炎症细胞因子以诱导全身炎症反应，这进一步放大了脑细胞信号级联反应，并对中枢神经系统（CNS）造成灾难性损害。与此同时，由于病理性低灌注和凝血系统障碍，可在ICH和脓毒症后观察到循环功能障碍。在此过程中，炎症介质首先触发内皮细胞表达典型的ARM，例如血管细胞粘附分子-1（VCAM-1）、细胞内粘附分子-1（ICAM-1）、内皮素-1和血小板/内皮细胞粘附分子。特别是内皮素-1与持续性脑血管痉挛相关，导致局部脑缺血和缺氧。凝血因子的激活和白/红细胞栓的形成也参与缺血过程。凝血酶过度激活和血小板消耗与晚期弥散性血管内凝血相关。实际上，在全身炎症的情况下，脑血管最初受到CNS的影响，并介导进一步的细胞因子依赖性信号。已经证实，大循环和微循环衰竭发生迅速，这归因于神经血管耦合障碍。随后，大量的细胞，尤其是脑细胞，会因补充氧气、营养物质和代谢物不足而受损。反过来，这些损伤信号可以反馈到中枢和外周细胞，并进一步增加全身炎症，而这又容易导致中枢神经系统功能障碍的恶性循环。在中枢神经系统严重损伤（包括创伤性脑损伤、中风和脊髓损伤）的情况下，免疫系统将经历一个深度衰减过程。一项包含137,817名患者的Meta分析确定了高系统性感染率与中风之间的相关性，并报道约30%的中风患者伴有包括肺炎或尿路感染在内的感染。在中风的早期阶段，可以通过激活交感神经、副交感神经（胆碱能抗炎）和下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴通路在人类和动物中观察到暂时性淋巴细胞减少和脾脏萎缩。因此，循环中的去甲肾上腺素、乙酰胆碱和糖皮质激素水平会因这些活跃的神经内分泌通路的促进而突然升高，这些神经内分泌通路负责淋巴器官的凋亡和萎缩。这种源于受损大脑的免疫细胞生成和功能的下调，旨在避免死亡或受损细胞引起的针对脑抗原的自身免疫，但它会导致全身免疫抑制，同时使身体容易受到感染。肠道血管屏障（GVB）主要由三条防线组成，包括肠道菌群建立的生物屏障，保持肠道稳态。肠道菌群具有重要的代谢、免疫和肠道保护功能，由所谓的“肠脑轴”调节。许多模型表明，微生物群有可能增强免疫细胞的促炎作用，甚至引导免疫效应细胞流入远端器官，这可能是由微生物相关的分子模式介导的，包括脂多糖(LPS)、肽聚糖、鞭毛蛋白和微生物群衍生的代谢物。此外，微生物群可以诱导肠道上皮细胞分泌抗菌因子，从而增强对入侵病原体的体液反应。ICH的发生会扰乱GVB的完整性和肠道止血，并最终改变微生物群的组成。最近的一项研究还证实，在ICH引起的菌群失调中物种多样性显著减少和菌群过度生长，这可能会降低肠道运动，增加肠道通透性。在重新定植的同时，正常的健康微生物群疗法改善了ICH后的神经缺陷和炎症。因此，它为需氧条件致病菌的潜在易位提供了机会，从而使GVB受损，并最终导致肠源性脓毒症的发生。中枢神经系统对脓毒症威胁反应的信号通路：神经、体液和血脑屏障的改变CNS捕获脓毒症信号有三种途径。神经通路，主要由PAMPs和炎症细胞因子通过初级神经传入（迷走神经和三叉神经）和感觉（嗅觉）神经启动。此时，迷走神经可以根据其末端细胞因子受体检测到脓毒症引起的内脏炎症。此外，迷走神经核将信号传递到中央自主神经系统、神经内分泌中心和杏仁核，导致行为和情绪的改变。体液途径，由循环炎症介质通过脉络膜丛(CP)和心室周围器官(CVOs)进行。CVO被定义为大脑周围缺乏完整血脑屏障（BBB）的有孔区域，因此，分子和外周细胞可以通过这些区域直接进入脑实质。与缺乏BBB的CVOs结构类似，CP由立方体上皮细胞组成，负责分泌脑脊液。这两种结构都表达先天性和适应性免疫系统的受体，使它们能够检测中枢和外周炎症信号（Adam等人，2013;Ghersi-Egea等人，2018）。一旦捕获了相关信号，它们将被放大并通过上述两个结构传递到与控制行为、神经内分泌和神经营养反应有关的深层区域。BBB改变，使单核细胞浸润，炎症分子侵入全身炎症。活化的内皮细胞表达ARMs并释放多种炎症介质，如细胞因子、前列腺素和一氧化氮。它参与神经传递和神经分泌的调节。研究表明，促炎细胞因子[即肿瘤坏死因子(TNF)-α和白介素(IL)-6和IL-1β]和抗炎细胞因子（即IL-1Ra和IL-10）共同参与这些全身反应并形成炎症稳态。然而，ICH或脓毒症的突然出现会破坏平衡并引起炎症信号级联反应。中枢神经系统先天细胞相关反应：内皮细胞活化、免疫细胞活化和血脑屏障改变内皮细胞活化是CNS对脓毒症反应的关键步骤，影响微循环功能和血脑屏障完整性。有证据表明，LPS可诱导内皮细胞多种ARM表达，如CD40、E-选择素，VCAM-1和ICAM-1。此外，IL-1、TNF-α和TLR4的几种受体也被上调。这些受体有助于TNF-α、IL-6和IL-1β的分泌，随后产生内皮/诱导的一氧化氮合酶和2型环氧合酶。凭借这些炎症介质，小胶质细胞被动员以分泌几种细胞毒性分子，并且星形胶质细胞通过NF-κB途径也被触发以产生趋化因子（C-C趋化因子配体2，IL-6，趋化因子C-X-C配体10）。此外，ARMs和TLR4的表达以及趋化因子的传导共同选择外周单核细胞的浸润及其参与神经炎症的过程。由于CNS毛细血管中循环白细胞和单核细胞的聚集，在多种脓毒症模型中广泛观察到微循环功能障碍，损害氧气、营养物质和代谢物的补充。血脑屏障改变已经通过多种方法明确证实，包括蓝色Evans、荧光标记葡聚糖清除、标记粒细胞、电子显微镜和磁共振成像等方法。此外，最近的一项研究证实，血脑屏障在炎症的早期阶段表现出短期闭合，并随着疾病的进展逐渐开放。尽管如此，它最终允许神经毒性分子进入，特别是炎症介质，从而在全身炎症中引起脑细胞死亡。同样，大量研究发现，ICH中的神经炎症与胶质细胞激活和血脑屏障改变有关。因此，上述所有机制都表明，ICH的发生大大增加了脓毒症的发生风险。ICH和脓毒症可引起类似的神经死亡模式，下文将对此进行讨论（表1）。活性氧（ROS）是一种生理防御分子，可通过线粒体氧化磷酸化和抗氧化机制维持在一个稳定的水平。然而，ICH或脓毒症的发病过程中过度生成ROS，进而引起线粒体损伤，导致铁代谢恶化。随后，由于细胞因子或细菌毒素的升高，导致红细胞裂解后释放的血红素，也可以解释细胞外基质中过量的游离铁的原因。随后，与转铁蛋白受体结合的细胞外铁在炎症细胞因子的驱动下被细胞内化。细胞质中过量的铁会显著抑制酶活性，并且通常会导致强氧化，且导致包括神经细胞在内的各种细胞铁凋亡。大量的报道表明，铁凋亡总是伴随着坏死性凋亡，而NADPH可能是两种细胞死亡模式之间的连接介质。在全身性炎症中，坏死性凋亡可由多种细胞因子引起，包括但不限于TNF。一旦发生铁凋亡或坏死，邻近细胞可能易发生另一种死亡模式，尤其是氧化。与铁凋亡的机制高度相似，氧化性死亡的发生也与谷胱甘肽缺失导致的大量ROS无法代谢有关。许多研究甚至将氧化性死亡视为铁凋亡的一个组成部分，这需要进一步的研究来澄清。细胞凋亡已被众多研究者深入研究，主要通过两条途径进行研究，即外部途径和内部途径。其中，外源性途径由包括TNF受体在内的细胞表面受体激活。在ICH或脓毒症的全身性炎症的情况下，脑促炎因子(如TNF)大量释放，因此可以选择Fas相关死亡域蛋白激活caspase-8，其引起神经细胞凋亡。细胞焦亡是炎症后细胞死亡的典型方式之一。在实验模型中，它被证明是由促炎细胞因子(即IL-1β和IL-18)通过在细胞膜上脂质选择性N端结构域和脂质膜的磷脂酰肌醇之间的结合而诱导的。综上所述，炎症细胞因子和代谢物在ICH脓毒症中被优先诱导神经死亡。因此，抑制神经炎症可能对抑制脑功能退化很重要，需要进一步探讨。
多器官损伤相关分子模式释放加剧中枢神经系统功能障碍急性脑损伤包括ICH会引发神经炎症，并将炎症信号传播到外周，单核细胞浸润可能是这一过程的关键媒介。在LPS诱导的神经炎症小鼠模型中，浸润的嗜中性粒细胞在与小胶质细胞相互作用后表现出反向的跨内皮细胞迁移回血液。随后，这些反向移动的中性粒细胞转运到多个器官，这在许多研究中都有报道。例如，在捐献器官的肾脏中观察到炎症细胞因子(如IL-8和IL-10)的上调，通过增加运输炎症细胞（即FoxP3调节性T细胞）的数量导致同种异体移植存活率降低。此外，在脑损伤模型中，浸润的单核细胞和巨噬细胞被证明能产生几种化学引诱剂(如白三烯- B4)和其他细胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α)，导致肺部炎症的扩增。此外，在之前的研究中也报道了神经炎症导致的其他器官损伤，如脾脏、胃肠道和肝脏。同时，在脓毒症中，宿主对侵袭性细菌或毒素的反应通常诱导巨噬细胞吞噬作用，并分泌一系列促炎细胞因子。此外，这种所谓的“细胞因子风暴”随后激活了先天免疫系统。显然，由模式识别受体调节的先天免疫系统的激活是通过检测PAMPs或DAMP上调相关炎症基因的表达。因此，ICH和脓毒症的同时发生可引起炎症作用的叠加，并引起广泛的器官损害。显然，炎症失衡是ICH脓毒症脑功能障碍发病机制的最重要依据，它贯穿于ICH脓毒症的整个发病过程。在ICH和脓毒症的发展过程中可以观察到缺血过程，包括微循环功能障碍和大循环功能障碍。此外，内皮细胞活化引起的微循环功能障碍在各种脓毒症模型中得到了充分的证明。同时，内皮细胞功能障碍也会激活凝血系统参与缺血过程。在血管痉挛的急性脑损伤患者中也有类似的过程报道。它表现为脑动脉持续狭窄，被认为是由痉挛或神经炎症因子造成的，这提示炎症在缺血过程中的作用。此外，脓毒症引起的严重炎症反应会扰乱神经血管耦合，随后出现心率和血压紊乱以及大循环恶化。据报道，在多微生物脓毒症中，由于自主神经系统退化，心脏和血管的自主控制系统受损。此外，副交感神经系统（如迷走神经）被认为是连接中枢和外周的关键通路之一，这表明自主神经系统功能和炎症可能是相互依存的。对CNS敏感区域的损伤，无论是化学性质还是机械性质，都可以增强交感神经或HPA轴，进一步导致儿茶酚胺和多巴胺分泌失调。释放到血液中的儿茶酚胺的量将激活细胞表面的α受体，使腹部脏器产生血管收缩，从而导致随后的低灌注和缺血性损伤。综上所述，伴有脓毒症的ICH缺血过程是在炎症和神经内分泌变化的共同调控下进行的。损伤相关的分子模式是宿主细胞核或细胞质中的非微生物分子，由高迁移率组蛋白1 (HMGB1)、三磷酸腺苷组成。它们一旦从损伤细胞释放到细胞外基质中，就会作为免疫系统的有效激活剂，并使非感染性炎症反应持续存在，引起全身炎症和细胞损伤，甚至死亡。此外，确切的机制可能与活跃的巨噬细胞/小胶质细胞分泌的促炎细胞因子和趋化因子有关，它们促进中性粒细胞活化并向组织浸润。活化的中性粒细胞可产生多种毒性介质，包括ROS和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)，引起氧化应激和细胞损伤。TLRs被认为是DAMPs的关键信号受体。Rodriguez-Yanez等人在最近的一项临床研究中报道，外周单核细胞中TLR2和TLR4的上调与ICH患者的不良预后密切相关。此外，在TLR4敲除啮齿动物中证明了ICH发病后神经功能的改善。HMGB1作为被广泛讨论的DAMPs之一，可以增加小胶质细胞NF-κB的活性和环氧合酶-2、TNF-α和IL-1β的转录。反过来，TNF-α可以反馈小胶质细胞以促进HMGB1的释放。有证据表明，HMGB1可能与CNS损伤后不良预后及血清水平有关，且与疾病严重程度有关。综上所述，在炎症失衡和缺血的作用下，多器官损伤和/或细胞死亡释放DAMPs进入循环，并放大全身炎症，伴随氧化应激和细胞毒性介质的产生，进一步导致更多损伤和脑功能障碍恶化。越来越多的证据表明，中枢和外周之间存在着一种不可分割的炎症关联。中枢神经系统损伤会将危险信号传播到外周，反之亦然。在全身性炎症和循环功能障碍的调节下，ICH和脓毒症患者的多个器官均可出现病理改变。多组学分析的最新进展为来自受伤大脑的生物流体级联提供了生动的证据，即脑脊液、血液循环、尿液和唾液。相比之下，ICH脓毒症患者的临床治疗往往集中在单个器官或系统上，缺乏整体观念，导致治疗效果不理想。对于ICH过程，脓毒症的存在加重了外周炎症失衡，这一点不容忽视。尽管有许多方法试图调节外周免疫系统，如抗生素预防和益生菌治疗，并显示出有限的成果，但前瞻性观点认为我们应该对外周免疫系统进行人工限制，并通过改变免疫细胞组成来实现器官间的交叉耐受。基于此，干细胞疗法被广泛用于包括出血性中风在内的多种疾病的临床试验，并表现出许多优势。因此，进一步研究中枢和外周之间的串扰可能有助于我们探索改善ICH、脓毒症或脓毒症合并ICH患者脑功能障碍及预后的潜在方法。来源：Frontiers in Cellular Neuroscience急重症世界微信交流群
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