脓毒症相关脑功能障碍的神经影像学表现与临

蒋渊彭倩宜翻译张丽娜校对

摘要

背景:脓毒症相关脑功能障碍(SIBD)的发生率和脑病变模式已被阐明。我们的目的是研究SIBD患者的神经影像学特征和神经炎症、神经退行性病变相关因子的关系。

方法:本前瞻性观察研究中纳入了93例SIBD患者(男性45例，女性48例；50.6±12.7岁)。患者接受神经系统检查和脑磁共振成像(MRI)，采用疾病严重程度评分系统(APACHEII、SOFA、SAPSII)和神经预后评分系统(GOSE)评估患者情况。同时，通过ELISA检测一组介质的血清水平[细胞因子包括IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、IL-17、IFN-γ、TNF-α，补体包括Bb、C4d、C5a、iC3b，此外还有β-淀粉样肽、总tau、磷酸化tau(p-tau)、Sb、神经元特异性烯醇化酶]，通过基于立体像素的形态测量法(VBM)评估SIBD患者的神经元丢失模式。

结果：SIBD患者的MRI表现分为：正常(27例，29%)、脑损伤(51例，54.9%)或脑萎缩(15例，16.1%)。VBM分析提示岛叶、扣带皮质、额叶、楔前叶和丘脑发生神经元丢失。MRI异常的患者APACHEII、SOFA、GOSE评分较差，谵妄患病率和死亡率增加。MRI发现脑损伤与C5a和iC3b水平的降低有关，而脑萎缩与p-tau水平的升高有关；回归分析提示C5a水平与脑损伤具有相关性，而p-tau水平和脑萎缩具有相关性。

结论：神经元丢失主要发生在SIBD患者脑部的边缘系统和内脏痛觉区域。补体裂解产物和p-tau是SIBD不良神经影像学预后的标志物。

引言

由脓毒症相关的病理性神经炎症引起的急性脑功能障碍是重症监护病房(ICU)的常见疾病。许多临床研究报告，脓毒症引起的急性神经系统病变具有高发病率和死亡率。这些研究还表明，谵妄作为脑功能障碍的症状，与幸存患者的长期认知功能障碍存在密切关系。然而，脓毒症患者发生脑病时需要对所有可能导致脑功能障碍的因素进行系统性诊断，除脓毒症之外，缺氧、肝功能障碍、药物毒性、代谢改变也是导致脑功能障碍的因素。脓毒症脑功能障碍(SIBD)的特征包括细胞因子的分泌增加、血脑屏障的破坏和神经递质释放的改变。据报道，SIBD患者IL-6、IL-8和IL-10的水平升高。然而，对于SIBD还没有可靠的诊断和预后的生物标志物。因此，如果没有专门的诊断方法，需要排除其他因素才能诊断SIBD，这也是研究SIBD的挑战之一。

具有急性精神障碍或者意识水平与镇静治疗程度不一致的患者应被怀疑为急性脑功能障碍患者。SIBD患者可能出现睡眠-觉醒周期紊乱或幻觉、不安、躁动，以及在谵妄中常见的其他症状。此外，SIBD患者可能出现癫痫、卒中样发作和局灶性神经功能障碍。SIBD管理的主要目标之一是研究和消除导致这些改变的原发性中枢神经系统病变，这种思路有助于将脑功能障碍症状与脓毒症的严重程度联系起来，在早期诊断急性脑功能障碍，也有助于深入了解病理生理学机制从而为保护神经量身定制靶向神经炎症的治疗方案。

出现神经症状的脓毒性休克患者的脑部影像学改变在多数情况下并不显著。磁共振成像(MRI)为脓毒症相关脑病的主要病理机制和脑部结构改变提供了重要的信息。此外，使用基于立体像素的方法对MRI数据进行形态学分析，有可能提供关于大脑结构的更为详细的信息。在这项前瞻性的临床研究中，我们使用磁共振（MRI）和基于立体像素的脑形态测量(VBM)对脓毒症引起神经改变的患者的脑部进行检查，希望得到新发现。我们的主要目标是鉴定与死亡率和异常MRI发现相关的临床特征和炎症/神经退行性病变的标志物，次要目标是描述与SIBD患者MRI特征具有最为显著相关性的一组生物标志物。

材料和方法

患者和流程

本研究是一项在成人多学科ICU进行的前瞻性观察研究。纳入研究的患者于年2月至年6月在我科住院。纳入研究的患者按照国际脓毒症标准临床诊断为严重脓毒症和脓毒性休克。本研究(批准号：/98)已经通过伊斯坦布尔大学医学院的伦理审查委员会批准，并获得患者代理人的书面知情同意。年龄18岁以上且在ICU住院超过48小时的严重脓毒症和脓毒性休克患者在神经功能发生急剧改变时被纳入本项研究，排除标准包括：有任何中枢神经疾病既往史（脑病变、神经退行性疾病、炎症性疾病、脑血管疾病、中枢神经系统感染、创伤性脑病变）的患者，或者有MRI禁忌症的患者。SIBD的定义为：脓毒症引起神经状态发生与接受的镇静治疗程度不相符的急剧改变。这些改变包括突然发生的精神状态改变(谵妄或昏迷)，临床可发觉的或脑电图发现的癫痫和局灶性神经功能障碍。在登记时，我们收集了临床基础数据和人口统计数据。记录患者的人口学特征，包括年龄、性别、合并症、ICU入院原因、入院类别(内科或外科)、神经病史、ICU天数、住院时间。采用急性生理和慢性健康评分II(APACHEII)和简化急性生理评分2(SAPS2)对疾病的严重程度进行评估。在ICU住院期间每日使用序贯器官衰竭评分（SOFA）评估脓毒症的严重程度。按照标准的实验室程序对患者进行检查，包括血常规、血液生化、血清降钙素原、c反应蛋白和血气分析。为了检测炎症和神经退行性病变标志物的血清水平，在患者发生急性神经功能障碍后的几个小时内收集血液标本并保存于-80℃。在入院和ICU住院期间记录微生物学数据。从入院到出院需要记录以下重要参数：类固醇的使用情况、感染性休克的持续时间、机械通气的天数以及镇静的天数。

神经系统评估

ICU神经系统评估包括意识水平、谵妄评估和脑电图(EEG)记录。所有患者的神经学评估均由神经科专门医师完成。受过良好培训的科研护士通过瞻望评定方法（CAM-ICU）每天对患者的瞻望情况评估两次。采用Richmond躁动-镇静量表(RASS)评估镇静水平。每日中断镇静药物之后对患者的意识水平进行评估，Glasgow昏迷量表评分≤8分者为昏迷。癫痫的诊断依据为临床表现或者EEG记录。任何单侧的神经功能障碍被视为局灶性神经功能障碍。ICU出院及出院后3、6、12个月随访时采用扩展的Glasgow昏迷量表(GOSE)评估神经功能恢复情况。

脑部磁共振

无论是否输注血管活性药物，当发现急性神经病变时均由重症医学医师或神经内科医师决定是否进行脑MRI检查。主治医师和责任护士作出决定后，在最早的合适的时间转诊至放射科。在运送至放射科及检查过程中，患者需由重症监护病房的麻醉学住院医师陪同，通过持续的心电图、脉搏血氧仪、血压(这些设备能与MRI兼容)监测患者生命体征。

MRI采用1.5t扫描仪(Achieva;飞利浦，埃因霍温，荷兰)。成像方案包括t2加权(横轴位和冠状位)、t1加权(横轴位和矢状位)、FLAIR(液体衰减反转恢复；横轴位)、DWI(b0.和0ms/mm2的弥散加权图像)和ADC(表观弥散系数)图像。MRI的对比增强造影剂为一种大环类螯合物(DOTAREM?)，给药剂量为0.2mg/kg。

对MRI结果进行初步的视觉评价，并将其分为正常和异常。异常核磁共振进一步分为脑萎缩和脑损伤。两名高年资的神经放射学家(SS和MB)用主观视觉简易量表对脑萎缩进行了评估(正常、轻度、中度和重度萎缩)。结果报告为正常或萎缩，以简化评估数据。两位神经放射学家仅在3例患者的MRI评估中存在分歧，对这些病例进行了第二次评估，两位评分者达成了共识。使用Schmidt量表评价白质病变，根据该量表病变分为点状、斑片状、融合状或弥漫状。在成年人群中点状病变通常提示与年龄相关的白质变化，因此不纳入病理发现。萎缩组包括脑萎缩和小的、非特异性的、无症状的脑病变。为了找出不同类型脑病变的特征，我们比较了脑损伤（白质病变）、脑萎缩和正常MRI的SIBD患者的临床症状和疾病严重程度评分。

VBM分析

为了进一步观察SIBD对神经元丢失的影响，并找出经常观察到的神经元丢失区域，我们对患者的MRI结果进行了VBM分析。为了得到磁化准备快速采集梯度回波（MPRAGE）图像，采用1.5T圆极化八通道磁头线圈扫描仪获取高分辨率的、三维T1加权图像。脉冲序列参数为：重复时间（Tr）/回波时间（Te）=25/4.6s，flip角=30，视野（FOV）=mm，获得立体像素大小=1.00/1.00/1.00mm（重建=0.86/0.86/1.00mm），无间隙冠状切片片，扫描时间=5.01min（每卷）。采用统计参数分布图（SPM8）工具箱中的拓展“VBM8”对32名患者和24名年龄性别匹配的健康对照受试者进行VBM分析。（Matlab，Inc.，Natick，MA，USA）。

使用SPM8中的“new-segment”选项将T1加权图像分割并分为灰质、白质和脑脊液概率图。灰质和白质图通过空间标准化程序标准化为人群模板。这些图像被转换成MNI空间。利用SPM8界面，将空间标准化和调整后的灰质组织概率图在最大半宽（FWHM）为8mm时进行平滑处理。

ELISA

为了研究炎症是否参与脓毒症引起的脑病变或萎缩，并找出与脑病变或萎缩发展相关的特异性生物标志物，我们检测了一组炎症和神经退行性疾病相关标志物的血清水平。在急性神经功能障碍发作后的几个小时内获得血清，并保持于-80°C。患者在采集血清时未接受免疫抑制药物治疗。根据制造商的说明书，通过酶联免疫吸附测定法（ELISA）检测了细胞因子（IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IFN-γ、TNF-α、IL-17和IL-12（Abcam,Cambridge,UK）、补体（因子Bb，c4d，ic3b和c5a）（Quidel，SanDiego，CA，USA）、神经退行性病变和神经胶质增生标记物（淀粉样β肽，总tau，磷酸化tau，s钙结合蛋白b（sb）和神经元特异性烯醇化酶（NSE））(Abcam)的血清水平。在nm处测量光密度，并参考标准曲线计算浓度。

统计分析

采用kurtosis和skewness检验评估定量数据的分布。正态分布数据的格式为均值±标准差。采用ANOVA对多个正态分布的组进行比较。两组数据的比较采用tukey事后检验法。偏态分布的数据格式为中值(四分位数范围)，并使用Kruskal-Wallis检验进行比较。定性数据以频率和百分比表示，并使用卡方检验进行比较。为了明确疾病严重程度评分和血清生物标志物对MRI特征和神经结局的预测价值，我们进行了二元单变量逻辑回归分析。我们的因变量是死亡率、MRI病灶和脑萎缩。在多组比较中改变最显著的疾病严重因素(入院时的APACHEII、SAPSII、SOFA)和血清生物标志物水平(C5a、iC3b、IL-12、磷酸化tau)是自变量。使用Hosmer-Lemeshow统计确定拟合优度。p0.05被认为具有统计学意义。所有的统计分析都是使用Windows版本20.0(SPSSInc,Chicago,IL,USA)的社会科学统计包(SPSS)进行的。

结果

临床特征

年2月至年6月，我院收治脓毒症及脓毒性休克患者例，其中急性脑功能障碍患者例。排除既往有中枢神经系统疾病(例)和ICU住院时间少于48小时(47例)的患者。因死亡(n=59)或MRI禁忌症(n=20)而无法进行脑MRI检查的患者，以及MRI检查提示另一种神经系统疾病的患者（中枢神经系统感染、炎症性脱髓鞘疾病、放疗后脑病、韦尼克脑病等）(n=10)没有被纳入研究。因此，共93例SIBD患者(男性45例，女性48例;50.6±12.7岁)被纳入研究(图1)。脑成像原因为谵妄(43例)、昏迷(30例)、癫痫(11例)、局灶性神经功能障碍(6例)或多发性神经功能障碍(3例)。4例全身强直阵挛性抽搐的患者和7例EEG记录到癫痫表现的患者被临床诊断为癫痫发作，这7例EEG记录到癫痫表现的患者中有4例为非抽搐性癫痫持续状态。32例患者在住院期间死亡。研究人群的临床和人口学特征见表1。

MRI、VBM和临床的关联

MRI扫描时间为30~45分钟。所有患者在送往放射科的途中及MRI扫描过程中无并发症。从出现神经症状到患者第一次脑扫描的平均时间为5.5±5.4天。根据对SIBD患者大脑MRI的视觉评价，将SIBD患者分为正常MRI患者(27例，29%)、脑损伤患者(51例，54.9%)和以脑萎缩为主的患者(15例，16.1%)。脑损伤包括急性脑血管梗死(21例，22.6%)、白质病变(15例，16.1%)、可逆性后部脑白质变性(PRES)(n=8,8.6%)和脑软化症(n=7,7.5%)(图2)。

只有32例患者获得了VBM分析所需要的、没有任何伪影或病变干扰容积分析的高分辨率图像。这些患者的MRI表现分为：正常(n=12)、脑损伤(n=13)、脑萎缩(n=7)。该研究的VBM的对照样本由24名健康受试者组成，他们的年龄、性别、惯用手习惯和受教育年限与患者组相匹配。与健康对照组相比较，患者组的左右岛叶、右前扣带回、额叶、楔前叶、左扣带回、丘脑的灰质体积缩小(未校正p0.05)(表2，图3)。

不同神经影像的患者具有可比较性的年龄和性别。脑损伤和脑萎缩的SIBD患者入院时APACHEII评分(p=0.)、SOFA评分(p=0.)和SOFA评分最高值(p=0.)均高于正常MRI的SIBD患者。在两组分析中，只有脑损伤患者与正常MRI患者的差异有统计学意义(入院APACHEII、入院SOFA、SOFA评分最高值p=0.、0.、0.)。另外，脑损伤的SIBD患者血培养阳性率显著高于对照组(p=0.)。脑萎缩的SIBD患者对血液滤过的需求(p=0.)、谵妄的发生(p=0.)和死亡率(p=0.)更普遍。昏迷发生率在神经影像学亚组间无显著差异。脑损伤和脑萎缩的SIBD患者出院时和出院后3、6、12个月的GOSE评分明显低于正常的脑MRI患者(表3)。

在神经影像亚组间比较血清炎性标志物和神经退行病变标志物水平

脑损伤病变和萎缩的SIBD患者血清补体分解产物C5a(p=0.)和iC3b(p=0.)水平下降。此外，脑MRI正常的SIBD患者C5a水平显著高于脑损伤病变患者(p=0.)，iC3b水平显著高于脑损伤病变患者(p=0.)和脑萎缩患者(p=0.)。脑萎缩的SIBD患者血清磷酸化tau水平明显高于其他组(p=0.)。在两组比较中，正常脑MRI患者与脑萎缩患者之间存在显著差异(p=0.)。在神经影像亚组间没有发现细胞因子、补体经典激活途径和旁路激活途径的裂解产物、总tau、amyloidβ、Sb和NSE的水平存在显著差异（表4）。在logistic回归分析中，没有发现SAPSII、SOFA、APACHEII评分和任何因变量（本文未列出）之间有显著相关性。在炎性介质中，IL-12和iC3b水平与因变量无相关性。相比之下，C5a水平与MRI发现的脑病变具有显著相关性，磷酸化tau与MRI发现的脑萎缩具有显著相关性(表5)。Hosmer-Lemeshow评估提示校正良好(C5aχ2=4.87，p=0.；磷酸化tauχ2=5.04，p=0.)。

讨论

这项前瞻性研究有几个重要发现，在有急性神经症状的危重病人中可以发现脑病变，并与疾病的严重程度有关。此外，不论年龄大小，脑萎缩和神经元丢失都可能发生在脓毒症的早期阶段，并与不良预后相关。C5a和磷酸化tau是与SIBD不良神经影像学特征相关的生物标志物。

重症监护室脓毒症患者急性神经系统恶化与发病率和死亡率密切相关。SIBD可能涉及不同的病理生理通路。无论潜在的机制是什么，随着代谢和电生理的研究，应该进行脑成像来阐明脑病变的存在、性质和程度。脑MRI是最适合检测微小病变的检测手段，其检测精度更高，而弥散张量成像、基于立体像素的体积分析等先进的MRI技术可以提高MRI对脓毒症ICU患者的诊断价值。

脓毒症或感染性休克合并急性脑功能障碍患者的神经影像学特征已被广泛研究，白质高信号、萎缩、梗死、脑软化和PRES被列为最常见的阳性发现。在这些研究中，有阳性神经影像学表现的患者在SIBD患者中占48-89%。在我们的队列中，55%的患者表现为脑损伤病变，另有16%的患者表现为脑萎缩，与既往报道的患病率范围是一致的。我们研究对象的脑病变类型与之前报道的非常相似。一个重要的问题是，脑损伤病变和萎缩是发生在SIBD发病之前或之后。由于脑损伤病变可能在脓毒症诱导后迅速发展，没有基础影像学，不可能确定因果关系。换句话说，有可能我们的一些病人在病情严重之前就出现了脑萎缩。这在我们的研究和许多类似的研究中是一个常见的问题。

我们首次对SIBD患者进行了VBM研究，发现脑岛和扣带皮层、丘脑、楔前叶和额叶的神经元明显缺失。扣带皮层和脑岛是所谓的大脑凸显网络的关键节点，凸显网络的损伤可能会导致对于环境刺激的处理改变。这种改变的临床表现为冷漠和意识障碍，在ICU患者中很常见。楔前叶是脓毒症患者边缘叶的一部分，其边缘结构的变化可以解释脓毒症患者常见的疾病行为，临床表现为注意力和警觉性降低、饮食失调、焦虑和社交退缩。此外，脑岛、额叶和扣带皮层参与内脏疼痛的感知。值得注意的是，接受细菌脂多糖治疗的健康个体，其脑岛、扣带皮层、背外侧额叶、丘脑和楔前叶的功能磁共振活性增加，直肠痛阈值降低，体温升高，血液细胞因子水平升高，情绪受损。因此，我们很容易推测，在脓毒症患者中，全身炎症的副产物或细菌分子过度刺激某些脑区神经元，最终导致明显的神经元丢失。潜在的机制可能是激活谷氨酸受体和随后的钙流增加导致神经元凋亡。脓毒症诱导的分子与这些区域相互作用的确切机制和这些相互作用的临床意义需要进一步研究。我们研究中与神经影像学结果相关的另一个重要方面是脓毒症患者早期出现脑萎缩。脑边缘系统和凸显网络似乎更容易受到脓毒症的影响，这些结构在脓毒症发生后几天或几周内就可检测到萎缩，这和之前的文献报道是一致的。

本研究的一个重要目的是探讨不同脑损伤病变模式临床和免疫学的关联，并寻找潜在的生物标志物，可用于预测SIBD的脑病理病变。脑损伤病变和脑萎缩的SIBD患者的GOSE、APACHEII和SOFA评分明显较差，脑萎缩患者的死亡率和谵妄患病率增加。这些结果表明脓毒症严重程度越高的患者更容易发生脑病变和神经影像学异常表现。值得注意的是，血培养阳性的SIBD患者更容易出现脑损伤病变，这表明病原菌参与了脓毒症诱导的脑病变的病理生理过程。另一方面，MRI表现不受感染性休克持续时间、机械通气、ICU或住院时间的影响。

对不同MRI特征SIBD患者的免疫因素进行比较，只有血清补体裂解产物水平与MRI病理表现相关。血清中补体通路分解产物(C5a和iC3b)水平降低的患者，有异常脑MRI表现的趋势。此外，在logistic回归分析中，C5a水平与脑损伤病变的存在有关。临床和实验数据均表明，C5a在脓毒症中起了非常重要的负面作用，主要机制包括破坏血脑屏障、过度激活炎症介质、抑制先天免疫反应、增强胶质增生和消耗性凝血障碍。后面的机制可能特异性解释了脑病变的SIBD患者C5a和iC3b水平降低的原因。病原体对补体系统的过度激活可能触发凝血通路，导致补体因子过度消耗引起的补体水平降低，以及小脑血管阻塞引起的脑病变。尽管促炎细胞因子在脓毒症起着关键作用，而且在脓毒症患者的脑组织中过表达，MRI检查结果与所研究的任何细胞因子水平均无关联，这些结果不支持细胞因子直接参与脑病变或脑萎缩过程。然而，与正常MRI患者相比，具有异常MRI特征的SIBD患者IL-12水平倾向于降低，且这一差异接近显著性(p=0.)。脓毒症患者血浆IL-12水平和单核细胞IL-12分泌减少，导致中性粒细胞的吞噬和杀菌活性不足，而这种减少趋势在脓毒症幸存者中逆转。此外，单核细胞分泌IL-12受损与脓毒症的不良临床过程有关。因此，我们的研究结果与之前的报道是一致的。

另一个有趣的发现是，SIBD脑萎缩患者的磷酸化tau水平高于正常MRI和脑病变患者，回归分析显示磷酸化tau与MRI发现的脑萎缩具有相关性。虽然有些动物模型研究表明神经炎症可能会引发SIBD阿尔兹海默型病变，但是我们的研究结果并不支持这一结论，我们的研究患者中并没有发现amyloid-β和总tau水平的改变。此外，在包括颞叶癫痫和朊病毒感染在内的几种神经系统疾病中也可以观察到tau蛋白磷酸化水平的升高。SIBD患者磷酸化tau水平升高可能是脓毒症大鼠和脓毒症患者脑组织缺血性和弥漫性神经轴索损伤的直接结果。NSE水平仅在少数脑萎缩的SIBD患者中较高，但组间NSE水平的总体比较没有显著差异，排除了NSE作为SIBD潜在的神经影像结果生物标志物的可能性。

本研究的一个局限是脑病变类型的异质性，以及由此导致的病例数量较少，每个病例都有各自的脑损伤病变。该因素阻碍了特定脑病变类型患者与正常MRI或脑萎缩患者的临床、影像学和免疫学特征的比较。此外，我们研究的VBM部分只包括1/3的患者，p值阈值设为p0.05。因此，我们的研究结果是探索性的，而不是决定性的，未来需要更多的研究加以证实。最后，大多数严重的SIBD病例在成像前死亡(本研究中有59例患者)，这可能错误地降低了异常神经影像的发生率。

综上所述，临床特征较为严重的SIBD患者在MRI中更容易检出脑病变或脑萎缩。特殊的大脑区域，如岛叶和扣带皮层在SIBD中容易发生神经元丢失。C5a和磷酸化tau的水平与SIBD患者的神经影像学特征有关。需要进行更多的研究来揭示这些介质引起SIBD症状和神经影像特征的疾病特异性机制。

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