围手术期艾司氯胺酮与睡眠剥夺相关认知功能障碍减轻的关联：铁死亡–神经炎症轴的回溯性生物标志物队列研究

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Perioperative esketamine is associated with attenuated sleep deprivation-related cognitive dysfunction: a retrospective biomarker cohort study of the ferroptosis–neuroinflammation axis

　　

背景：睡眠剥夺在老年手术患者中较为常见，并可能通过氧化应激、神经炎症及调节性细胞死亡通路增加术后神经认知功能障碍的易感性。实验研究日益提示海马铁死亡，尤其是SLC7A11–GSH–GPX4防御轴的破坏，与睡眠剥夺相关认知损伤有关。艾司氯胺酮具有抗氧化和抗炎特性，但其围手术期神经认知获益是否与临床患者中铁死亡相关分子表型相关仍不确定。方法：研究人员开展了一项回溯性生物标志物队列研究，纳入2022年1月至2025年12月期间接受择期大型非心脏手术的398例60–80岁成人。根据术前睡眠剥夺（手术前夜总睡眠时间<4 h且睡眠效率<70%）和围手术期艾司氯胺酮暴露对患者进行分类，形成四组：NSD-C、NSD-E、SD-C和SD-E。主要结局为术后第7天（POD 7）的早期术后认知下降，定义为复合神经心理Z评分较基线下降≥1个标准差（SD）。在生物标志物亚队列中，分析了血浆4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）、丙二醛（MDA）、谷胱甘肽（GSH）、谷胱甘肽过氧化物酶活性、炎症细胞因子、神经元损伤标志物，以及外周血单核细胞（PBMC）中GPX4、SLC7A11和ACSL4的表达。采用多变量模型和逆概率治疗加权处理混杂因素。采用Bootstrap中介模型检验铁死亡相关氧化还原评分和IL-6作为候选中介变量。结果：在队列中，未暴露于艾司氯胺酮的睡眠剥夺患者认知下降发生率为32.5%，暴露于艾司氯胺酮的睡眠剥夺患者为17.7%。经校正后，睡眠剥夺亚组中艾司氯胺酮暴露与较低的认知下降几率相关（校正OR 0.49，95% CI 0.26–0.92）。睡眠剥夺与较高的4-HNE、MDA、ACSL4、IL-6、TNF-α和NSE以及较低的GSH、GPX活性、GPX4和SLC7A11相关；这些异常在艾司氯胺酮暴露组中减轻。探索性铁死亡相关氧化还原评分与认知下降独立相关。在指定探索性中介模型下，估计总中介比例为54%；该基于模型的分解难确立因果生物学中介。结论：围手术期艾司氯胺酮与睡眠剥夺患者较轻的早期术后认知下降及较轻的外周铁死亡相关/炎症表型相关。

研究背景：睡眠紊乱在围手术期高度普遍，尤其见于暴露于疼痛、焦虑、陌生环境、昼夜节律紊乱和夜间反复护理的老年人群。除疲劳外，睡眠不足还损害注意力、记忆巩固、执行功能和神经稳态。在老年手术患者中，这些易感性可与麻醉及手术相关炎症、氧化应激、血脑屏障扰动和突触功能障碍重叠，构成围手术期神经认知障碍的生物学合理基础。铁死亡是一种以铁依赖性磷脂过氧化和细胞抗氧化防御失败为特征的调节性细胞死亡形式，其核心控制节点包括系统x_c^?/SLC7A11介导的胱氨酸摄取、谷胱甘肽（GSH）可用性、谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）、铁处理以及ACSL4等脂质重塑酶。近期动物研究提供了睡眠剥夺与海马铁死亡相关的直接证据：矛盾性睡眠剥夺或慢性睡眠剥夺增加脂质过氧化和铁蓄积，破坏SLC7A11/GSH/GPX4信号，损害海马神经元并损伤学习记忆；针对铁死亡的干预可部分逆转这些效应。艾司氯胺酮是氯胺酮的S-对映体，围手术期 increasingly 用作镇痛和麻醉辅助药。临床随机试验提示亚麻醉剂量艾司氯胺酮可能减少选定老年手术人群的早期术后认知下降并降低循环炎症或神经元损伤标志物。实验研究还显示其抗氧化和抗炎作用涉及Nrf2、TFEB和TLR4/NF-κB信号，以及在非神经损伤模型中的抗铁死亡效应。重要的是，一项2026年老年小鼠研究直接显示艾司氯胺酮通过抑制海马TLR4/NF-κB信号和神经炎症减轻术前急性睡眠剥夺加重的术后认知功能障碍。然而，关键转化缺口仍然存在：人类回溯性临床数据不能直接确立海马神经元内铁死亡。因此，一项可辩护的临床机制研究应询问艾司氯胺酮暴露是否与提示铁死亡相关脂质过氧化减少的外周分子特征相关、该特征是否与炎症和神经元损伤共变，以及这些通路是否在统计上中介认知结局。

研究人员开展了一项回溯性生物标志物队列研究，检验以下假说：（1）术前睡眠剥夺与较差的术后认知和促铁死亡氧化还原表型相关；（2）围手术期艾司氯胺酮与两种表型的减轻相关；（3）铁死亡相关氧化还原失衡和炎症部分中介艾司氯胺酮与认知结局之间的关联。研究采用围手术期老年麻醉登记库链接某三级教学医院生物样本库，筛选2022年1月1日至2025年12月31日期间连续接受择期大型非心脏手术的患者。纳入标准为年龄60–80岁；在全身麻醉下接受择期胃肠、骨科/脊柱、胸科或泌尿外科手术；预计手术时间≥2 h；基线简易精神状态检查≥24或等效无既定痴呆；围手术期麻醉记录完整；术前睡眠评估；以及基线和POD7神经心理测试。排除标准包括重大既存神经退行性疾病、近期卒中、活动性精神病、严重肝或肾功能衰竭、急诊手术、术后机械通气>24 h、7天内再手术或关键暴露/结局数据缺失。术前睡眠采用病房兼容的活动记录仪并辅以护理睡眠日志评估。睡眠剥夺预先定义为手术前夜总睡眠时间<4 h且睡眠效率<70%。艾司氯胺酮暴露从麻醉信息系统提取，当诱导和/或维持期间静脉给予艾司氯胺酮累积剂量约0.20–0.60 mg/kg时视为暴露。主要结局为POD7早期术后认知下降，采用神经心理成套测试评估言语学习/延迟回忆、注意力/处理速度、执行功能和工作记忆，将各测试评分标准化至基线均值和标准差并合并为复合认知Z评分，认知下降定义为复合评分较基线下降至少1个SD。次要结局包括POD1、POD3和POD7的MoCA评分、域特异性Z评分变化、术后谵妄和住院时间。在生物标志物亚队列中，使用术前和POD1采集的储存EDTA血浆和外周血单核细胞（PBMCs）。脂质过氧化标志物包括4-HNE和MDA；抗氧化指标包括GSH和总GPX活性；铁相关指标包括血清铁指标及可获得的活性Fe²⁺检测；PBMC中GPX4、SLC7A11和ACSL4表达通过预设免疫印迹或qPCR流程定量并归一化至基线/参照对照；炎症标志物包括IL-6、IL-1β、TNF-α和HMGB1；神经元损伤标志物包括NSE和S100β。研究人员构建了探索性铁死亡相关氧化还原评分（FRS）以总结多维氧化还原信息：POD1 4-HNE、MDA、Fe²⁺和ACSL4标准化后赋正值方向，而GSH、GPX活性、GPX4和SLC7A11标准化后反向评分，可用标准化成分的均值构成FRS，值越高表明外周促铁死亡表型越强。预设协变量包括年龄、性别、体重指数、受教育年限、ASA体能状态、Charlson合并症指数、高血压、糖尿病、基线认知评分、术前焦虑、手术类别、手术时间、平均动脉压<65 mmHg超过10 min、麻醉深度、丙泊酚剂量、阿片类药物暴露、右美托咪定使用、术后疼痛和术后谵妄。统计分析采用多变量logistic回归估计艾司氯胺酮与POD7认知下降的关联，主要模型估计总暴露效应并包括基线混杂因素但不包括候选中介变量，次要机制模型加入FRS和炎症生物标志物。为减少适应证偏倚，从预设基线和术中预测因子估计倾向评分，稳定化逆概率治疗加权（IPTW）为主要倾向方法，1:1倾向评分匹配作为敏感性分析，协变量平衡采用标准化均数差评估，目标值<0.10。中介分析使用非参数Bootstrap置信区间（5,000次重抽样）量化从艾司氯胺酮暴露经FRS及经FRS→IL-6→认知结局连续通路的间接通路。对生物标志物比较家族计划采用错误发现率校正。双侧P<0.05定义名义统计显著性。本研究经河北北方学院伦理委员会批准（批准号L2025408）。

结果：在612份筛选记录中排除214份，398例患者进入分析队列：NSD-C 86例、NSD-E 82例、SD-C 117例、SD-E 113例。生物标志物亚队列243例患者具有适合氧化还原和炎症分析的配对储存血样。基线人口学、合并症和认知特征在各组间总体相似，而睡眠指标按设计存在差异。睡眠剥夺患者术后认知表现下降最大。POD7时SD-C组平均MoCA仍低于SD-E组（23.3 ± 2.5 vs. 24.5 ± 2.2）。复合认知Z评分在SD-C组下降?0.61 ± 0.49，SD-E组下降?0.33 ± 0.44。早期认知下降发生于38/117（32.5%）SD-C患者和20/113（17.7%）SD-E患者，非睡眠剥夺组事件率较低。在生物标志物亚队列中，睡眠剥夺与提示脂质过氧化增加和抗氧化防御受损的模式相关：相对NSD-C，SD-C显示POD1 4-HNE、MDA、ACSL4、IL-6、TNF-α和NSE较高，GSH、GPX活性、GPX4和SLC7A11较低；SD-E组显示中间值，提示睡眠剥夺相关氧化还原和炎症表型减轻。平均FRS在SD-C组最高（0.84 ± 0.74），SD-E组较低（0.10 ± 0.67）。在睡眠剥夺亚组内，围手术期艾司氯胺酮暴露与POD7认知下降较低几率相关（校正OR 0.49，95% CI 0.26–0.92，P = 0.027）。年龄较大增加风险，而较高教育程度和较高基线认知表现具有保护作用。在机制模型中，FRS每增加1个SD与认知下降较高几率相关（OR 1.82，95% CI 1.29–2.57），IL-6也与结局独立相关。在全队列中，睡眠剥夺×艾司氯胺酮交互作用名义显著（P ≈ 0.04），与睡眠剥夺患者中更大的表观获益相容。Bootstrap中介分析提示，从艾司氯胺酮暴露经FRS的通路在指定模型下估计中介比例约为36%，而建模的连续FRS→IL-6通路贡献另外估计18%，估计总中介比例为54%，留下与镇痛、阿片节省、血流动力学稳定、突触可塑性或未测量机制等其他通路相容的残余直接关联。IPTW、倾向匹配、完整病例分析和排除术后谵妄患者产生方向相似的估计。排除记录术后谵妄患者产生OR = 0.52（95% CI 0.27–0.99）。

讨论部分总结：这项回溯性研究在尊重人类观察数据局限的同时探讨了临床相关机制问题。发现支持三个相互关联的观察：术前睡眠剥夺与显著更差的早期术后认知相关；围手术期艾司氯胺酮与该认知缺陷的部分减轻相关；该临床关联伴随以外周分子谱为特征的表现，即较少脂质过氧化、较强抗氧化防御、较低炎症和较低神经元损伤标志物。生物标志物模式的方向与当代铁死亡研究在生物学上一致：当铁依赖性脂质氧化超过SLC7A11–GSH–GPX4系统的缓冲能力时，铁死亡易感性增加；ACSL4促进多不饱和脂肪酸掺入膜磷脂，增加过氧化底物，而4-HNE和MDA反映下游脂质过氧化负荷。尽管这些标志物单独均非铁死亡特异，但跨氧化还原、铁、脂质和GPX4/SLC7A11相关指标的汇聚比单一标志物更具信息性。所提出的睡眠剥夺联系得到日益直接临床前证据的支持。艾司氯胺酮可能通过若干机制途径与降低的铁死亡相关表型相连：第一，艾司氯胺酮可增强抗氧化信号，在创伤性脑损伤模型中促进AMPK/mTOR依赖性TFEB核转位和TFEB/Nrf2抗氧化反应，减少氧化损伤；在LPS模型中Nrf2抑制消除艾司氯胺酮的抗炎效应，提供Nrf2功能相关而非仅相关的额外证据。第二，艾司氯胺酮可抑制放大脂质过氧化和神经元损伤的炎症通路，近期老年小鼠睡眠剥夺/手术研究显示艾司氯胺酮后海马TLR4、MyD88、磷酸化NF-κB p65、IL-6、IL-1β和TNF-α降低。第三，器官损伤模型现在提示艾司氯胺酮可直接改变铁死亡相关生化，例如艾司氯胺酮通过HIF-1α/HO-1信号减轻LPS诱导的急性肺损伤以及GSH耗竭、MDA蓄积和GPX4下调。临床研究尚未确立抗铁死亡脑效应，但支持假说的上游和下游组分。在老年胃肠手术患者中，一项随机试验发现亚麻醉剂量艾司氯胺酮后早期延迟神经认知恢复较低且术后IL-6/S100β降低。随后在脊柱和胃肠肿瘤手术中的随机工作同样研究了早期认知和神经元损伤/睡眠结局。这些数据证明转化生物标志物研究合理，而非声称海马铁死亡已在人类中被证明。研究主题强调细胞死亡/炎症反馈环路。铁死亡在此类环路中处于合适位置，因为脂质过氧化和膜损伤可改变DAMP信号，而炎症细胞因子、活化小胶质细胞、铁处理和ROS生成可进一步增加铁死亡易感性。在本分析中，FRS与IL-6和认知的关联以及连续中介通路以临床可分析形式捕捉了这种“死亡–炎症–再损伤”概念。关键方法学要点是回溯性数据的中介估计是假说生成性的，可优先确定前瞻性验证的通路，但不能将关联转化为机制证明。特别是估计的54%中介比例以指定模型和假设为条件，而非既定生物学效应的百分比。FRS和IL-6同时POD1测量阻止确认所提出的连续顺序。若在独立队列中重复，该框架可能有多项应用：联合睡眠/氧化还原/炎症风险谱可能识别特别易感术后认知下降的患者；系列外周生物标志物可作为神经保护围手术期策略试验中的药效学指标；最后，按睡眠状态的治疗效应异质性可支持精准靶向，即优先在急性术前睡眠丧失患者中评估艾司氯胺酮或其他干预而非不加区分地应用。最重要的解释保障是解剖特异性：外周FRS不能标记为“海马神经元铁死亡”。血液4-HNE、GPX活性、铁蛋白/铁相关指标以及铁死亡相关遗传或蛋白标志物在神经队列中日益可测，但此类措施仍为间接。更强的人类研究应将外周生物标志物与海马敏感MRI、磁共振波谱、铁定量磁化率映射或其他验证的神经影像代理整合。局限性包括：第一，回溯性暴露比较易受残余混杂和适应证混杂影响，尽管有IPTW和敏感性分析；第二，从单一术前夜定义的睡眠剥夺捕捉急性睡眠丧失但不捕捉慢性睡眠障碍负担、昼夜节律相位或阻塞性睡眠呼吸暂停；第三，血液和PBMC生物标志物非脑特异，不能直接证明海马神经元铁死亡；第四，MDA、4-HNE、GSH和GPX活性反映多种损伤机制共享的氧化还原生物学，因此多标志物模式比任何单一“铁死亡标志物”更可辩护；第五，早期术后认知变化可能受疼痛、疲劳、谵妄、镇静剂和练习效应影响；第六，观察数据中的中介分析依赖于关于未测量中介–结局混杂的不可检验假设；最后，观察性设计尽管有多变量校正、IPTW和敏感性分析，仍不能确定因果推断。其他局限性包括异质性累积艾司氯胺酮剂量和给药策略而无剂量反应分析；倾向评分重叠、加权分布和加权后平衡报告不完整；缺少未测量混杂的敏感性估计；神经心理仪器名称、替代形式和练习效应校正记录有限；以及POD7后无认知随访。探索性FRS缺乏报告的成分级缺失和内部成分省略验证；活性Fe²⁺可用性不完整。测定精度和样本处理细节在源摘要中未完全记录。由于FRS和IL-6在相同术后时间点评估，连续中介顺序是假设而非观察的。

研究结论翻译：在这项回溯性人类队列中，围手术期艾司氯胺酮与睡眠剥夺老年手术患者较低的早期认知下降相关，并与脂质过氧化、抗氧化防御、炎症和神经元损伤异常的减轻相关。该研究检验了一个将艾司氯胺酮暴露、早期术后认知变化和与铁死亡相关通路相关的外周氧化还原–炎症表型联系起来的假说，但未验证铁死亡特异性评分或证明因果中介。这些发现值得前瞻性确认，但其本身不能证明艾司氯胺酮直接抑制人类海马神经元铁死亡。