乌司他丁防治术后认知功能障碍机制的研究进展

Research Progress of Ulinastatin in Preventing and Treating Postoperative Cognitive Dysfunction

摘要: 乌司他丁是人体内的生理性抑炎物质，相对分子量约67 kD，是一种典型的Kunitz型蛋白酶抑制剂，此外其在体内的代谢产物也具有较强的酶抑作用。其临床药理学作用可能包括：稳定细胞溶酶体膜结构、抑制体内多种促炎介质的释放、对抗体内产生的过多氧自由基、改善局部循环与灌注等。近年来，临床研究发现乌司他丁应用于临床具有很好脑保护作用。因此，本文就近年来使用乌司他丁预防患者术后认知功能障碍的机制做一综述，为POCD的防治提供科学理论指导。

Abstract: Ulinastatin is a physiological anti-inflammatory substance in the human body with a relative molecular weight of about 67 kD. It is a typical Kunitz protease inhibitor. In addition, its metabolites in the body also have a strong enzyme inhibitory effect. Its clinical pharmacological effects may include: stabilizing cell lysosomal membrane structure, inhibiting the release of various pro-inflammatory mediators in the body, fighting against excessive oxygen free radicals produced in the body, improving local circulation and perfusion, etc. In recent years, clinical studies have found that Ulinastatin has a good brain protection effect in clinical applications. Therefore, this article reviews the mechanism of using Ulinastatin to prevent postoperative cognitive dysfunction in patients in recent years, and provides scientific theoretical guidance for the prevention and treatment of POCD.

1. 引言

全身麻醉和手术创伤是导致围术期认知功能障碍(postoperative cognitive dysfunction, POCD)发生的主要因素之一，其主要临床表现特点为：认知能力下降、记忆水平受损、定向力障碍等 [1]。POCD的发生能够影响患者术后快速康复以及使患者经济压力增加，其目前已成为社会聚焦关注的问题之一。导致POCD发病的机制多种多样，神经炎症的发生一直被认为是促进其发生的重要危险因素之一。目前，国内外尚无治疗POCD的有效办法，均以预防为主。

乌司他丁是一种广谱蛋白酶抑制剂，其在人体内具有生理性抑炎作用，分子量约为67 kD，是一种典型的Kunitz型蛋白酶抑制剂。另外其在体内的代谢产物也具有较强的酶抑作用。其临床药理作用有稳定细胞溶酶体膜结构、抑制体内炎症过程从而降低体内炎症因子水平；此外，其还能有效清除体内过多的氧自由基从而发挥抗氧化作用。临床上常用于治疗急性胰腺炎、慢性复发性胰腺炎、急性循环衰竭的抢救辅助用药(包括出血性休克、细菌性休克、外伤性休克，还有烧伤性休克)。

2. 乌司他丁的药理作用机制

2.1. 稳定溶酶体膜，抑制溶酶体内水解酶活性

乌司他丁具有抑制蛋白水解酶活性的作用，其能够在体内抑制多种活性酶作用。临床上，可用于治疗因细胞溶酶体功能障碍相关疾病的发生，如因能够显著抑制细胞溶酶体过度激活和水解酶过度释放等而常常用于相关疾病(胰腺炎)的治疗 [2]。同时，乌司他丁还能够防止溶酶体膜的破坏从而阻止了溶酶体内酶的释放 [3]。

2.2. 抗炎、抗休克、抗组织缺血

围术期炎症发生、组织低灌注引起的循环休克、心脏外科手术等因素所导致的机体缺血再灌注发生可引起组织缺血缺氧、促进体内氧自由基和各种促炎因子的产生。而乌司他丁能减少炎症因子对免疫细胞的激活从而具有抗炎、抗休克、抗组织缺血等作用，能显著改善组织缺血缺氧发生 [4]。

2.3. 神经保护作用

多项临床研究数据表明，组织蛋白酶的过度激活与炎症感染引起的神经细胞凋亡具有显著的相关性，乌司他丁预处理能够通过稳定组织蛋白酶来减少细胞死亡的发生，从而改善脑损伤后神经功能障碍发生 [5] [6] [7]。临床研究也表明，尽早使用乌司他丁用于围术期的治疗可减轻炎性反应及氧自由基的过度产生，其能够明显降低体内神经元特异性烯醇酶、酸性钙离子结合蛋白、血管内皮素水平，亦可降低重型颅脑损伤患者血浆C反应蛋白水平。综上可知，乌司他丁具有保护神经功能障碍发生的作用 [8] [9]。

3. POCD的炎症机制

3.1. 手术导致的外周炎症学说

围术期手术创伤应激引起的创面周围细胞的坏死破裂可导致细胞内高迁移率族蛋白B1 (high mobility group protein B1, HMGB1)外释流出。HMGB1在体内可直接作用并激活Toll样受体(TLR)相关炎症信号通路从而活化免疫细胞，导致多种细胞因子(如IL-1β，IL-6，TNF-α)的释放，促炎因子又可作用于体细胞引起细胞死亡增加从而反过来促进HMGB1分泌，最终引发了炎症因子的级联释放。Lin等 [10] 发现消化系统患者血清中，HMGB1与IL-6水平显著增高，且与POCD的发生呈正相关。Cibelli等 [11] 在动物实验中发现手术创伤可致血浆中炎症因子IL-1β与IL-6升高，这可导致与小鼠海马相关的记忆受损。

3.2. 手术导致的中枢炎症学说

生理情况下，中枢神经也存在少许炎症反应，但并不会导致POCD发生。当手术应激出现时，炎症反应被大大激活，此外体内抑制炎症发生的机制也出现异常时，特别是与海马相关的炎症水平增高增加了POCD发生的风险 [11]，而拮抗炎症因子作用可以改善小鼠POCD发生 [12]。有研究显示，随着机体的衰老，小胶质细胞表面MHCII类分子、补体受体、TLR4和CD4表达均增加，这种年龄相关的改变称为“小胶质细胞启动”。此时，当小胶质细胞再接受来自于外界的刺激后即可被迅速激活，从而引发中枢炎症反应加剧 [13]。

另外，随着年龄的增加，中枢神经系统对小胶质细胞调节能力也降低，主要表现为：IL-4、IL-10和TGF-β等抑炎因子水平降低；CX3C、CD200、TREM2等能够维持小胶质细胞处于静息态的调节蛋白水平降低，这一改变可引起小胶质细胞受到正常刺激时即出现活化时间显著延长 [14]。炎症状态的持续存在破坏了免疫系统在神经生理活动调节中的精细平衡，这对正常的学习记忆、神经可塑性、神经新生等都产生的诸多不利的影响，也是常引起老龄人群POCD发生的机制之一。

3.3. 麻醉导致的中枢炎症学说

Cibelli等人发现 [11] 发现小鼠海马部位存在的IL-1β能够介导POCD的发生有关，当敲除IL-1β基因和使用IL-1β受体抗体时，小鼠神经炎症和POCD均得到改善。同时，动物实验数据表明 [12]，持续使用异氟烷4 h后，老年小鼠海马部位IL-1β的表达水平增加，同时出现认知功能障碍。临床研究发现 [15]，与丙泊酚相比，使用异氟醚麻醉时，老年患者POCD发生率显著增高，第一天和第三天，p < 0.001；进一步研究发现，异氟醚组患者血浆TNF-α水平显著升高，因此推测肿瘤坏死因子-α (TNF-α)也与POCD的发生相关。同样，动物实验也表明 [16]：手术后大鼠认知功能损害与海马区TNF-α转录水平升高有关。当给予TNF-α受体拮抗剂时，可以明显改善神经炎症所致的认知功能减退。因此IL-1β、TNF-α介导炎症信号反应参与了POCD的发生。

3.4. 外周炎症诱发中枢炎症反应学说

机体应激条件下，激活了外周免疫细胞从而导致大量炎症因子的释放。同时，循环中存在的大量炎症因子又可破坏血脑屏障的完整性。此时，循环炎症因子可以通过损伤的血脑屏障进入中枢或通过转运蛋白跨血脑屏障进入中枢神经系统 [17] [18]；外周炎症因子亦可在缺乏连续性的血脑屏障处(如室周区)，通过被动扩散方式进入中枢；进入到中枢的炎症因子参与了中枢炎症的发生。另外，中枢内皮细胞本身也具有分泌能力，在外周信号刺激下可产生免疫活性分子，如增加COX-2表达，活化中枢神经系统，诱发认知损害等。Laye等人 [19] 发现中枢与外周存在免疫联系，外周免疫相关刺激可以通过旁分泌途径激活迷走初级神经元，进而将信息传入中枢导致小胶质细胞活化，最后产生一系列促炎因子、细胞因子、补体、氧自由基等作用于海马IL-1β、TNF-α受体。这些促炎因子受体对维持正常学习至关重要，却也使得其更易受到外周促炎因子的损伤，从而损伤认知功能。

4. 乌司他丁防治POCD的机制

4.1. 免疫平衡学说

正常情况下体内细胞因子处于平衡状态，一旦这种平衡遭到破坏，围术期炎症反应可以激活mTOR信号通路，促进神经细胞凋亡，则会对认知功能造成一定程度的损害 [20]。Chen X. [21] 得出乌司他丁能通过调节“免疫失衡”机制，平衡促炎因子和抗炎因子之间的平衡，抑制细胞因子过度激活及释放，增加抗炎因子IL-8分泌。最后，乌司他丁还能调节手术刺激引起的免疫功能下降从而降低POCD发生率 [22]。

4.2. 脑保护学说

4.2.1. 减轻脑组织损伤

在大范围手术创伤时，如心脏手术体外循环，激活的炎症因子可进一步释放多种蛋白水解酶，它们可以破坏脑组织的超微结构。乌司他丁通过抑制蛋白酶活性和稳定溶酶体膜，减轻各种蛋白酶对脑组织器官功能的损害，进而保护其功能。乌司他丁在体外循环中调节炎性细胞因子的释放作用可能与其抑制体内广泛分布的丝氨酸蛋白酶活性、减少炎细胞浸润及组织毒性物质释放等作用有关 [23]。另外，乌司他丁还可以改善主动脉瓣膜置换术患者术后的氧合 [24]。

4.2.2. 保护脑血管

机体炎症反应可以通过促进基质金属蛋白酶-9 (MMP-9)的生成破坏血脑屏障，导致脑血管的通透性增加，进而中枢神经系统聚集大量炎症细胞直接或间接地对神经细胞造成伤害 [25] [26]。血清MMP-9水平与POCD严重程度呈显著相关性。乌司他丁可以抑制MMP-9活性进而减少炎症介质的释放，以及减少白细胞与脑血管内皮细胞的粘附、聚集，减轻内皮细胞损伤、改善微循环 [27]。

4.2.3. 改善脑缺血再灌注损伤

乌司他丁具有抗脑缺血引起的脂质过氧化反应和清除自由基效应。目前研究表明 [28] [29]，在大鼠缺血再灌注损伤模型中，大鼠海马区nrf2-ARE (抗氧化反应元件)和SOD (超氧化物歧化酶)受到损伤进而释放大量应激产物(如PGF-2α)，全身使用乌司他丁可使Nrf2-ARE和SOD得到很大程度恢复，从而减弱缺血再灌注后脑炎症损伤和神经功能障碍。

4.2.4. 减轻神经细胞凋亡

通过加速脑内有害物质代谢减轻神经细胞凋亡。S100β被当作是认知功能下降的标记蛋白，生理情况下参与脑细胞内外Ca2⁺水平的调节，而高浓度的S100β蛋白调控细胞内Ca2⁺超载而对神经元具有毒性作用，乌司他丁通过降低血液与脑脊液里的S100β水平，减轻S100β介导的小胶质细胞内的糖基化终末产物受体信号通路，抑制神经炎症反应 [30]，是保护患者脑功能的机制之一。

4.3. 肺保护学说

动物实验表明 [31] [32]，乌司他丁可以通过抑制TNF-α及相关通路保护肺血管紧密连接减轻脓毒症导致的肺损伤以及肺部炎症。同时临床研究证实 [33]，乌司他丁能显著改善肺功能，提高机体氧合能力，进而改善脑灌注，因而推测乌司他丁能通过避免术中脑组织缺氧从而降低POCD的发生率。

4.4. 肠道菌群稳定学说

Kohman et al. [34] 证实腹腔注射LPS可诱导大鼠toll样受体激活，并增加炎症因子的释放，最终导致认知功能的障碍。脂多糖(LPS)又称内毒素，是格兰阴性菌脂溶性外模成份，肠道细菌是LPS的主要来源，当机体应激损伤时，它可以从肠道转运至血循环中 [35]，通过与TLR-4结合激活细胞NF-kB通路反过来导致全身炎症反应综合征 [36]。临床试验表明 [37]，乌司他丁可以稳定肠道菌群以及降低手术后循环中LPS的水平减少POCD发生率。

5. 乌司他丁防治POCD的临床应用、意义与展望

5.1. 临床应用

乌司他丁具有安全性高、无免疫原性等特点，能够预防细胞因子级联反应，抑制白细胞过度激活、炎症介质释放，减轻各种蛋白酶对机体组织器官的破坏。围术期使用乌司他丁可以保护心、肝、肾、肺等器官，并通过改善脑灌注、维持氧平衡、加速有毒物质排出、抑制炎症因子等发挥脑保护作用，对POCD起到治疗作用。它也能通过减少机体神经细胞凋亡改善机体学习记忆功能，降低患者POCD发生率。

5.2. 意义

由于术后认知功能障碍给人类的健康生活质量及社会经济负担带来巨大的挑战。尽管，POCD机制比较复杂，包括手术类型、睡眠质量、神经系统疾病、老龄等，但神经炎症是重要促进因素之一，鉴于此，临床上我们应该使用乌司他丁对易感患者有针对地进行早期干预，降低发生率，加速患者术后康复。

5.3. 展望

综上所述，乌司他丁可通过多种途径保护围术期神经功能。目前临床疗效观察和针对其抗炎免疫机制的基础研究较多，但乌司他丁对神经功能的直接影响机制以及其他可能机制还需进一步探讨，为其在围术期的临床应用中提供更全面的科学理论依据。

NOTES

^*通讯作者。