《Neurotherapeutics》：Sigma-1 receptor alleviates postoperative cognitive dysfunction exacerbated by preoperative acute sleep deprivation in mice via modulating the Keap1/Nrf2 signaling pathway
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术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction, POCD）是一种常见的神经系统并发症，严重影响患者预后。术前急性睡眠剥夺作为常见的围术期应激源，显著加重POCD的严重程度。Sigma-1受体（σ-1R）是一种内质网分
术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction, POCD）是一种常见的神经系统并发症，严重影响患者预后。术前急性睡眠剥夺作为常见的围术期应激源，显著加重POCD的严重程度。Sigma-1受体（σ-1R）是一种内质网分子伴侣，在调节神经炎症和氧化应激中发挥关键作用。然而，σ-1R是否可作为减轻睡眠剥夺加重的认知损害的干预靶点仍未得到充分阐明。本研究旨在阐明σ-1R在术前睡眠剥夺联合剖腹探查术小鼠模型中的调节作用，重点关注Keap1/Nrf2信号通路，并评估其临床转化潜力。研究采用了行为学、分子生物学和形态学方法。睡眠剥夺加重了术后认知损害，并伴有海马小胶质细胞中σ-1R表达的代偿性上调。值得注意的是，用激动剂PRE-084外源性增强σ-1R可逆转认知缺陷，抑制神经炎症和氧化应激，促进Nrf2核转位，并上调下游基因HO-1和NQO1；相反，拮抗剂BD-1047则加重损伤。在机制上，σ-1R与Keap1发生物理结合，促进Nrf2释放。Nrf2抑制剂ML385阻断了PRE-084的保护作用。体外实验证实PRE-084通过Nrf2依赖性途径减轻炎症和氧化应激。此外，σ-1R信号可能部分参与右美托咪定的神经保护作用。总之，本研究揭示σ-1R激活与睡眠剥夺加重的POCD中的保护作用相关，其机制可能涉及调节Keap1/Nrf2信号通路，该机制在此背景下鲜有报道，提示σ-1R可能为POCD防治提供进一步研究的新方向。
术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction, POCD）是围术期常见的神经系统并发症，以记忆、注意力和空间认知功能持续受损为特征，严重影响患者的生活质量和康复进程，并可能关联远期神经退行性疾病风险。围术期睡眠紊乱，尤其是术前急性睡眠剥夺，是常见的可调节应激因素，可通过扰乱脑内氧化还原稳态、激活小胶质细胞介导的神经炎症、损害海马突触可塑性等机制降低大脑对手术和麻醉打击的耐受阈值，从而加重POCD。氧化应激与神经炎症的恶性循环被广泛认为是POCD发生发展的核心机制。Sigma-1受体（σ-1R）是内质网上的分子伴侣，在调节钙稳态、炎症反应和氧化应激中发挥重要作用。既往研究表明激活σ-1R可通过促进核因子E2相关因子2（Nrf2）核转位、上调下游抗氧化基因血红素加氧酶-1（HO-1）和NAD(P)H醌脱氢酶1（NQO1）的表达来发挥神经保护作用。然而，σ-1R能否在术前睡眠剥夺加重的POCD中发挥保护作用，以及其是否通过Kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）/Nrf2信号通路进行精确调控，仍不清楚。此外，目前临床上缺乏针对该通路的特异性干预手段，这构成基础研究向临床转化的重要瓶颈。因此，该研究旨在探讨σ-1R在此病理过程中的保护效应及其分子机制，并评估其临床转化潜力。
研究人员建立了术前睡眠剥夺联合剖腹探查的双应激POCD小鼠模型，采用σ-1R激动剂PRE-084和拮抗剂BD-1047进行体内药理学干预，并结合体外细胞实验，系统评估了σ-1R对术后认知功能、神经炎症和氧化应激的影响，深入探究了其对Keap1/Nrf2信号通路的调控机制。研究发现，σ-1R激活可显著改善模型小鼠的认知缺陷，抑制神经炎症和氧化应激，促进Nrf2核转位。机制上，σ-1R与Keap1发生物理结合，促使Nrf2释放。研究还发现，临床常用镇静药物右美托咪定（Dex）的部分神经保护作用依赖于σ-1R信号。该研究首次报道了σ-1R/Keap1/Nrf2轴在睡眠剥夺加重的POCD中的保护作用，为具有高风险围术期因素患者的脑保护提供了新的干预思路。
在技术方法上，研究人员从北京维通达生物技术有限公司获取8-12周龄野生型C57BL/6J雄性小鼠，并使用购自中国科学院细胞库的小鼠小胶质细胞系BV2。采用改良多平台水环境法建立快速眼动（REM）睡眠剥夺模型，在异氟烷麻醉下实施剖腹探查术。行为学评估包括Morris水迷宫（MWM）、新物体识别（NOR）和Y迷宫测试。利用免疫荧光、Western blot、逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）和免疫共沉淀（Co-IP）检测相关蛋白和mRNA的表达及相互作用。通过试剂盒测定丙二醛（MDA）、谷胱甘肽（GSH）含量及谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、超氧化物歧化酶（SOD）活性，以DCFH-DA探针检测活性氧（ROS）。体外实验中，使用脂多糖（LPS）诱导BV2细胞损伤，并采用小干扰RNA（siRNA）沉默Nrf2进行机制验证。此外，利用PK-Sim软件构建Dex的生理药代动力学（PBPK）模型，并采用AutoDock Vina进行分子对接。
在结果方面，研究分为七个部分。第一部分，术前睡眠剥夺加重手术诱导的小鼠认知损害。通过比较单纯睡眠剥夺、单纯手术及联合应激组的行为学表现，发现24小时睡眠剥夺本身不引起明显认知缺陷，但与手术联合后，小鼠在MWM空间探索实验中目标象限停留时间显著减少，首次穿越平台时间延长，穿越次数减少；NOR辨别指数显著降低；Y迷宫自发交替率显著下降。运动功能指标无组间差异，排除了运动能力的干扰。这表明术前睡眠剥夺与手术应激产生协同效应，加重认知损害。
第二部分，术前睡眠剥夺上调术后小鼠海马σ-1R表达并改变其细胞分布。免疫荧光共定位显示，σ-1R在正常海马主要表达于神经元，星形胶质细胞次之，小胶质细胞最少。在手术及联合应激组，海马CA1区σ-1R荧光强度显著增加，其中与小胶质细胞标记物Iba-1的共定位增强最为突出。Western blot和RT-qPCR证实模型组海马σ-1R蛋白和mRNA水平上调，且联合组高于单纯手术组。这提示小胶质细胞中σ-1R的诱导性上调可能在睡眠剥夺加重认知损害中发挥关键调节作用。
第三部分，σ-1R激活改善睡眠剥夺小鼠术后认知功能。药理学实验显示，给予激动剂PRE-084可显著逆转联合应激小鼠的认知缺陷，表现为首次穿越平台时间缩短、目标象限停留时间和穿越次数增加，NOR辨别指数和Y迷宫自发交替率升高；而拮抗剂BD-1047则进一步加重认知损害。各组运动能力无显著差异。该结果表明σ-1R的药理激活可有效挽救认知功能。
第四部分，σ-1R激活减轻海马神经炎症和氧化应激并上调Nrf2信号通路。炎症因子检测显示，模型组促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α水平升高，抗炎因子IL-4和IL-10呈代偿性升高趋势；PRE-084干预降低促炎因子并增强抗炎因子表达，BD-1047则加剧炎症失衡。氧化应激指标方面，模型组SOD、GPX活力和GSH含量降低，MDA含量升高；PRE-084恢复这些指标，BD-1047加重氧化损伤。免疫荧光显示σ-1R与Nrf2共定位增强，PRE-084促进Nrf2核转位。Co-IP实验发现，在激动剂作用下，σ-1R与Keap1共沉淀，同时Nrf2与Keap1的结合减少，提示σ-1R可能通过与Keap1相互作用而促进Nrf2释放。
第五部分，σ-1R激动剂的神经保护作用通过Keap1/Nrf2通路介导。使用Nrf2抑制剂ML385后，PRE-084改善认知功能的效果被逆转，同时Nrf2及其下游HO-1、NQO1的表达恢复到病理水平，氧化应激和炎症指标的改善也被阻断。这证实了σ-1R的神经保护依赖于Keap1/Nrf2信号通路。
第六部分，σ-1R激动剂通过调节Keap1/Nrf2通路减轻LPS诱导的BV2细胞损伤。在BV2小胶质细胞中，LPS刺激增加σ-1R和Nrf2表达并促进Nrf2核转位，PRE-084进一步增强这一效应。通过siRNA敲低Nrf2后，PRE-084的抗氧化和抗炎作用消失，表现为ROS和MDA水平不再降低，SOD、GPX活力和GSH含量不再恢复，炎症因子失衡也未被纠正。这从细胞水平验证了Nrf2在σ-1R保护效应中的核心介导作用。
第七部分，右美托咪定发挥神经保护作用涉及σ-1R信号。PBPK模型预测Dex在脑内具有高分布（组织-血浆分配系数为47.55）。分子对接显示Dex以结合能7.5 kcal/mol稳定结合于σ-1R的配体结合口袋。行为学实验发现，Dex显著改善联合应激小鼠的认知功能，但σ-1R拮抗剂BD-1047可逆转这一保护效应。分子水平上，Dex上调海马σ-1R表达、抑制促炎因子并增强抗炎因子的效应也被BD-1047消除。这表明Dex的神经保护作用部分通过σ-1R信号实现。
在讨论部分，研究人员总结了该研究的核心发现：首次在术前睡眠剥夺加重的POCD模型中观察到海马σ-1R的代偿性上调，药理学激活σ-1R可显著改善认知功能，其机制涉及σ-1R与Keap1的相互作用，促进Nrf2核易位，从而恢复抗氧化和抗炎稳态。研究还发现，Dex的神经保护作用部分依赖于σ-1R，为临床药物Dex在此类高危患者中的应用提供了新的实验依据。研究局限性方面，该研究仅使用药理学工具而未采用基因敲除策略，未探索σ-1R与其他信号通路（如MAPK、PI3K/Akt）的交叉调控，且缺乏临床样本验证。研究结论指出：σ-1R/Keap1/Nrf2信号轴在缓解术前睡眠剥夺加重的POCD中发挥关键神经保护作用；激活σ-1R可抑制小胶质细胞相关神经炎症并恢复氧化还原稳态，从而挽救认知缺陷；σ-1R信号可能部分介导Dex的脑保护作用，为围术期神经保护提供了潜在的转化靶点。
