【神麻人智】术后谵妄与血脑屏障、神经炎症和脑脊液乳酸的变化：一项前瞻性队列研究

背景

谵妄表现为注意力、认知和意识障碍，可发生在住院、手术、脓毒症和药物干预后，具有症状突然发作和波动性的特点，且无法用已有原因（例如神经系统疾病）解释。谵妄更常见于老年人，可能影响超过50%的65岁以上老年住院患者。围术期谵妄与死亡，病程，认知功能下降，再住院等相关。最近一项meta分析显示，发生谵妄的高龄患者，死亡率是未发生谵妄高龄患者的3倍。

术后谵妄的发病机制可能涉及全身炎症和血脑屏障（BBB）破坏。这两者是否存在因果关系尚无定论，因为在心脏手术中使用皮质激素可减轻全身炎症却不能抑制血脑屏障损伤。动物研究表明，免疫细胞和免疫介质的中枢浸润可导致认知改变。深入理解血脑屏障损伤机制可能是预防谵妄的关键之一。

血脑屏障功能异常在一些神经性疾病例如阿尔茨海默病和其他类型痴呆中具有重要意义。病例对照研究也表明谵妄与血脑屏障破坏相关。尽管炎症可造成血脑屏障损伤，最近的研究认为，纤溶酶原激活可通过直接作用于星形胶质细胞和加剧炎症反应，是导致血脑屏障破坏的重要因素。脑脊液/血浆白蛋白比值（CPAR）是衡量血脑屏障通透性的金标准。脑脊液和血浆S100B分别是星形胶质细胞活化/损伤和血脑屏障破坏的标志物。S100B升高见于脑外伤、痴呆、谵妄等。

病例对照研究也提示，脑脊液乳酸水平与谵妄相关。然而，尚不清楚脑脊液乳酸升高是否与谵妄发作具有同步性。乳酸增加与谵妄的相关性符合代谢不足假说，该假说认为谵妄是由氧和葡萄糖输送不足引起的。我们提出了另一种解释：脑脊液乳酸是神经炎症抑制的标志物，通过无氧糖酵解产生的乳酸，通过羟基羧酸（HCA）受体2诱导局部免疫抑制。经渗透性增加的血脑屏障浸润的单核细胞引起神经炎症反应，同时诱导脑脊液乳酸生物反馈来抑制这种炎症。神经保护性因子，前列腺素D2（PGD2）也是该过程的产物。最近一项小鼠实验中，发现PGD2同步参与了谵妄的脑电图变化。

为验证血脑屏障通透性增加与谵妄和全身炎症的关系，拟研究以下问题：

1.  脑脊液与血浆白蛋白比值的变化，作为血脑屏障通透性生物标志，与谵妄的发生率和严重程度相关。

2. S100B的变化与谵妄的发生率和严重程度相关。

3. 这些变化与谵妄的关键生物标志物脑脊液白介素-6（IL-6）的变化一致。

4. 脑脊液乳酸的变化与炎症和谵妄严重程度相关。

方法

研究设计：

本文是对两项正在进行的干预围术期谵妄的观察性队列研究（IPOD-B2和IPOD-B3）进行分析。

患者：

纳入标准: 年龄大于21岁（IPOD-B2）或大于65岁（IPOD-B3）的择期非开颅手术患者，预计住院至少两天。

排除标准：痴呆病史，住在养老院，或由于语言、视力或听力受损而无法完成神经认知测试者。

研究流程：

通过电话筛选潜在受试者，若符合条件，则面对面交谈并在入院前获得知情同意。收集受试者基线的个人资料和临床信息、血液样本，以及进行认知评估。手术时，研究人员从病历中收集具体手术细节，进行谵妄评估，并获取血液和脑脊液样本。仅当出于临床需要放置脑脊液引流管时才收集脑脊液。在术后住院第1-4天，再次采集血液样本和进一步谵妄评估。如果受试者在术后第4天下午仍出现谵妄，对其进行随访并接受认知测试，直到谵妄消失。

测量：

对受试者术后住院第0-4天的谵妄情况进行评估，评估工具包括三分钟意识模糊评估量表（3D-CAM）或重症监护室意识模糊评估量表（CAM-ICU），以及谵妄分级量表98修订版（DRS）。由于DRS对评估谵妄严重程度同时具有良好的有效性和特异性，最大（峰值）DRS是本分析中使用的主要参数之一。研究者还收集了国家手术质量改善计划死亡风险（NSQIP-D）评估的结果（源于病历记录中的手术细节）。术前术后还进行了认知功能评估，包括连线测试B部分（TMTB）、蒙特利尔认知评估（MoCA）和受控口语单词联想测试（COWAT）。

使用标准静脉穿刺或留置管采集样本，获取最多80毫升血液和25毫升脑脊液，并用ELISA法进行相关指标检测。白蛋白浓度采用免疫比浊测定法测量，神经丝轻链蛋白（NFL）采用单分子免疫阵列法测量。术中低血压以平均压小于术前10%的曲线下面积表示。

数据处理和分析：

数据分析采用R软件。对数据进行检查和清理，并根据受试者标识，时间点等整合数据。相关分析尽量使用术后第一天的样本数据，若缺如，则使用下一个可用的住院样本。所有生物标志物浓度值均进行对数化处理。

分析包括汇总统计，图表和ShapiroeWilk正态性检验。谵妄组和非谵妄组的单变量分析，使用具有连续校正的ManneWhitney/Wilcoxon秩和检验。相关分析采用Pearson法或（非正态分布时）Spearman法。异常值通过库克距离进行验证。生物标志物分析多使用术前至术后的变化差值而非术后值。使用最大（峰值）DRS对谵妄严重程度进行了线性回归建模。

结果

对IPOD-B2队列的受试者进行CPAR分析，22例有基线CPAR数据，其中11例（50%）有术后数据。对IPOD-B2和IPOD-B3合并队列的受试者进行血浆S100B分析，74例有基线血浆S100B数据，其中63例（85%）有术后数据，但2例因判断为异常值被排除，如图1所示。

图1. 纳入病例示意图（按照STROBE标准）

主要结果

术后谵妄患者与无谵妄患者的术前CPAR以及血浆S100B无差异（Wilcoxon P>0.05）。如图2a-b所示，术后1-4天，与无谵妄患者相比，谵妄患者的CPAR和血浆S100B较基线水平升高更明显。以升高差值进行分析，谵妄与CPAR（Wilcoxon P=0.012）和血浆S100B（Wilcoxon P=0.001）的升高显著相关（图2c-d）。与此类似，谵妄的严重程度峰值与CPAR（r=0.78，P=0.005）和血浆S100B（p=0.41，P<0.001）的升高显著相关（图2e-f）。此外，如图2g-h所示，脑脊液白介素-6（谵妄的生物标志物）的变化也与CPAR和血浆S100B的变化存在线性关系，将血脑屏障通透性与神经炎症联系起来。

观察到血浆S100B的增加与谵妄严重程度成正比，我们检验了这种关系是否对混杂因素具有鲁棒性。在泊松回归模型中，校正年龄、性别和基线认知水平后，血浆S100B的变化可预测谵妄严重程度峰值（P=0.004）。使用线性混合效应模型，考虑到受试者和时间的随机效应，S100B可预测谵妄严重程度（P=0.001）。总之，S100B的变化与术后谵妄严重程度相关，与谵妄的恢复相关。

图2.和血浆S100B的围术期变化，以及跟发生谵妄和DRS峰值的相关性。Chg：变化；CPAR：脑脊液/血浆白蛋白比值；DRS：谵妄分级量表。

次要结果：与失血的相关性

由于失血与谵妄有关，我们假设纤溶酶激活与炎症加剧和血脑屏障破裂相关。我们检验了失血是否与（1）血脑屏障破坏和（2）全身炎症有关。发现CPAR变化（P=0.044）、血浆S100B变化（P<0.001）和谵妄严重程度（P=0.008）与失血显著相关（图3）。而且，失血与脑脊液 IL-6（P=0.008）和血浆IL-8（与谵妄有关的外周炎症细胞因子标志物，P=0.028）显著相关。我们还研究了血脑屏障破裂（以血浆S100B的变化为指标）的临床预测因素，对以下因素建立线性回归模型：年龄、女性、失血、NSQIP-D、中风/短暂性脑缺血发作（TIA）和手术类型等。结果表明，失血（P=0.001）、低血压（P<0.001）、年龄（P=0.042）、手术风险（NSQIP-D，P=001）和心血管手术（P=0.001）与血浆S100B的变化相关。

图3. 术前术后CPAR和血浆S100B变化及其他生物标记物与失血的相关性。Chg：变化；CPAR：脑脊液/血浆白蛋白比值；DRS：谵妄分级量表。

次要结果：与脑脊液乳酸的相关性

我们假设脑脊液乳酸是神经炎症反应的生物标志物，因此与谵妄、炎症和血脑屏障指标（以及失血）相关。分析结果显示，脑脊液乳酸的变化与谵妄严重程度（P=0.038）、失血（P=0.005）、BBB通透性（以CPAR为指标，P=0.008）和神经炎症（以脑脊液IL-10表示，P=0.010）显著相关（图4）。它还与外周炎症指标血浆IL-8（P=0.003）和IL-10（P=0.016）显著相关。脑脊液中乳酸与IL-6的变化显示出一定相关性趋势，但在这个小样本中，它与血浆S100B或脑脊液NFL变化无关。

图4. 脑脊液乳酸变化与相关生物标记物的相关性。Chg：变化；CPAR：脑脊液/血浆白蛋白比值；DRS：谵妄分级量表；NFL：神经丝轻链蛋白。

结论

血脑屏障的动态破坏与术后谵妄和谵妄严重程度有关。本研究结果符合血脑屏障通透性假说。作者提出了一种机制途径（图5）：手术创伤引起外周炎症反应，失血和纤溶酶激活加重这种炎症反应，导致血脑屏障破坏。随后促发中枢性炎症浸润和抗炎反应（包括乳酸诱导的HCA受体的激活），PGD2的下游效应通过突触抑制导致谵妄。

图5. 血脑屏障通透性假说。CSF：脑脊液；PGD2：前列腺素D2。

神麻人智述评：

在这项前瞻性队列研究中，作者借助于术中需要留置鞘内导管的病例，获取脑脊液标本，对白蛋白、乳酸、炎症因子等相关标记物进行检测。利用BBB通透性的金标准APAR以及替代指标血浆S100B，验证了术后谵妄及其严重程度与BBB的破坏存在显著相关性。采用双重指标减少了假阳性结果的可能。特别是在混合效应回归中，谵妄的严重程度随着S100B水平的下降而减轻，进一步支持了BBB损伤和谵妄之间的因果关系。

手术创伤诱发外周炎症，失血/纤溶酶激活进一步加剧炎症反应，是围术期BBB损伤的重要因素之一。这可能给我们提供了一个通过减少失血和抑制纤溶酶激活以预防术后谵妄的潜在治疗机会。据报道，氨甲环酸在动物模型中具有抗炎作用并减少BBB的破坏，因此可能减少术后谵妄。

动物研究表明，术后认知障碍与免疫细胞通过受损的BBB涌入，导致CNS炎症（IL-6升高）有关。本次及既往研究发现，脑脊液乳酸水平随着谵妄发生而变化。结合谵妄的炎症模型和前列腺素模型，作者认为乳酸可以负性调节中枢免疫反应，但其与PGD2的相关性，及两者如何影响谵妄仍需进一步探究。这项工作表明有必要重新评估炎症、代谢不足和认知解体（cognitive disintegration）的谵妄假说。

本研究的最大局限是样本量较小，因此将研究结论外推到临床实际需谨慎。样本量不足可能也是脑脊液乳酸与NFL之间无相关性的原因（2类错误）。其次，受试者接受的手术种类各异，而手术本身可造成S100B水平的差异，因此最好能关注某类手术进行分析。

总之，该研究证实了（手术风险和手术时间等因素相关的）全身炎症、失血和术后谵妄之间的已知联系。谵妄的病理生理机制研究是未来的迫切需求和重要方向。

翻译：周正雨

述评：徐   铭

原文链接：

Taylor J, Parker M, Casey CP, et al. Postoperative delirium and changes in the blood-brain barrier, neuroinflammation, and cerebrospinal fluid lactate: a prospective cohort study. Br J Anaesth. 2022 Aug;129(2):219-230.

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