光生物调节对POCD的神经保护作用：来自细胞骨架组装/拆卸的证据

摘要

介绍

术后认知功能障碍（POCD）是一种神经退行性疾病，在手术和麻醉后获得，1,2在症状和危险因素（如年龄和教育水平）方面与阿尔茨海默病（AD）相似。1,三就患者结果和增加的资源消耗而言，POCD已成为卫生保健系统中的一个重大问题。到目前为止，有一些有效的治疗干预措施。光生物调制（PBM）是利用（非热）可见光和红外光来提高治疗效果。4–6最近，PBM已被证明对神经退行性疾病有效，包括AD、，7帕金森氏病（PD），8和抑郁，9在动物模型和临床上。在过去几年中，人们探索了激光治疗在健康中的预适应概念，越来越多的证据表明其有效性。10本文综述了PBM作为预处理机制对细胞骨架的影响，以及其在预处理和预防POCD神经保护中的应用。细胞骨架调节，以及在冬眠、皮层扩散性抑制（CSD）、，N个-甲基-d日-综述了天冬氨酸（NMDA）中毒和缺血预处理。这些机制涉及许多蛋白质和信号分子之间的相互作用，包括TWIK相关脊髓钾通道（TRESK）和瞬时受体电位香草醛1（TRPV1）离子通道。这些蛋白质可能与细胞骨架相互作用，11,12突触后密度蛋白95（PSD-95）、cypin和朊蛋白（PrP^C类)共同组织细胞骨架结构。13–15这篇综述讨论了细胞骨架在氧化还原应激和细胞应激反应中异体体内的作用，15,16导致神经炎症17轴突和突触密度的蛋白质相互作用。18PBM已被证明对细胞骨架有直接影响，细胞骨架直接参与神经阻滞和疼痛调节19最有可能是PBM的预处理效应，这在预处理POCD中也很重要。重点是小而可逆的轴突静脉曲张的神经保护作用，这些静脉曲张可以保护神经退行性疾病和交感神经失调疼痛中出现的大的破坏性神经静脉曲张。

术后认知功能障碍

在文献中，POCD也称为术后认知障碍、术后认知下降、围手术期认知障碍和术后认知改变。这是一种公认的临床症状，包括麻醉和手术后认知能力的丧失。尽管POCD已经被广泛审查，1,20–24它没有公认的定义。事实上，没有POCD的国际疾病统计分类代码、精神疾病诊断和统计手册代码、金标准诊断标准和公认的生物标志物。22然而，自1860年毕格罗首次使用麻醉剂以来，人们就认识到POCD是一个问题以及麻醉和手术的后果。25自1955年以来，POCD的记录越来越多26并且被很好地描述为一种客观诊断。27对POCD的操作性理解是，它表现为认知能力的严重但往往是微妙的退化，丧失了执行日常生活任务的能力。它可能会影响一系列认知能力，包括记忆力、信息处理速度、定向、注意力、精神运动能力、精细运动协调和注意力广度。观察到患者无法完成简单的认知任务，如填字游戏、，1并通过各种神经心理测试进行诊断。确诊需要在术前进行测试，以获得可确定下降的基线。术后检查最好在手术后一周、术后谵妄消失后、停止任何可能干扰检查的药物和疼痛后进行。大多数研究20,27,28同意影响POCD的主要因素是年龄增加（>60岁，尽管一些研究使用>65岁甚至>70岁）、术前认知状况和教育。认知储备和轨迹可能是影响POCD风险的最重要因素。29其他因素包括手术的长度和复杂性（心脏手术可能比非心脏手术风险更大），20,28酗酒史，30上一个冲程，28糖尿病、高血压、动脉粥样硬化，31以及术后并发症，尤其是呼吸道并发症和术后感染。27最近的一项研究也确定了性别是一个因素，女性比男性面临更大的风险，32正如AD的情况一样。33虽然对幼年POCD的研究较少，但大多数证据，如双胞胎研究中获得的证据34和队列研究，35这表明这不是一个问题。然而，Yin等人确定异丙酚可能会损害儿童的短期记忆。36

尽管已经有许多研究报告了POCD，但其中许多都是轶事，是案例研究，或者控制不佳，测试不足。一些临床医生和研究人员认为，缺乏统计证据来区分POCD和正常认知下降，过去使用严格标准进行的病例对照研究的回顾显示了好坏参半的结果。22例如，对25项随机对照试验的回顾并没有证明患者对POCD有明确的反应3726项随机对照试验的荟萃分析未发现POCD的证据。38POCD研究的部分困难在于各种研究中使用的测试制度和诊断工具的多样性，以及因此无法在研究之间进行比较。其他困难包括许多研究中缺乏适当的对照组，以及在研究中难以确定手术患者的正常认知轨迹。22此外，过去的许多研究规模较小，缺乏力量，而且具有回顾性。尽管存在这些问题，但有令人信服的证据表明，POCD确实存在21,37,39公众和医学界对这种疾病的后果有着强烈的意识。最近对POCD的前瞻性研究表明，麻醉/手术引起POCD的风险为1.3540和1.9941与普通人群相比。近年来，已经开始了一些前瞻性、长期和队列研究，以便为POCD提供更明确的信息和预测。

POCD被普遍认为是一种真正的、可测量的疾病，这导致人们对POCD的影响越来越关注和研究。每天，全世界数百万人接受麻醉和手术。预期寿命的增加以及由此导致的老年人口的增加、外科手术的进步、死亡率的下降以及术后恢复时间的缩短，都表明对老年人进行的外科手术越来越多，老年人是POCD风险最大的人群。例如，澳大利亚卫生与福利研究所的统计数据(网址：http://www.aihw.gov.au/)表明2010年，32%的麻醉剂用于65岁以上的人群（占总人口的13.5%）。2051年，预计人口中65岁以上的比例将增至24.2%，预计65岁以上人群使用的麻醉药将占所有麻醉药的48%。老年患者除了是外科手术的主要接受者外，认知功能下降和痴呆的风险更大，这表明POCD在老年患者术后恢复中的作用越来越重要。

根据不同的研究，POCD的报告发病率差异很大，很可能反映了方法上的差异。在非心脏手术中，一周后发病率为10%至40%，三个月后发病率可达15%。国际POCD研究（ISPOCD）得出结论，26%的60岁以上患者术后一周出现POCD，10%的患者术后三个月出现POCD。27尽管人们普遍认为体外循环手术比非心脏手术有更高的POCD风险，20,28事实上，这可能是因为许多心脏外科研究中使用的标准通常不太严格，22诊断标准的差异21或心脏手术常见的特定因素。Evered等人42研究发现，在三个月时，POCD患者的数量与手术是心脏手术还是全髋关节置换无关，一般来说，两组三个月的POCD患者数量相似。23

POCD可能是短暂且可逆的，或可能持续数月或数年，可能影响术后五年的临床结果。43虽然高达47%的老年患者在24小时后会出现认知能力下降，但到出院时，认知能力下降的幅度会低得多。21早期POCD持续长达三个月，事实上可能是一个常见问题，不仅影响10%的老年手术患者，也影响年轻患者，但他们的恢复速度要快得多。21从POCD中恢复将这种情况与其他神经退行性疾病（AD、PD等）区分开来，并且恢复与CSD后数小时内发生的认知功能下降的恢复相似（尽管慢得多），CSD后会伴随先兆偏头痛和丛集性头痛。44

POCD也可能是进展性的，一些患者在一周内没有出现早期POCD，在三个月后进展为POCD。POCD也可能是累积性的，麻醉/手术次数越多，POCD的发病率越高。31即使POCD完全康复，短期POCD的影响也会影响患者的生活质量和继续就业的能力。因此，存在社会经济负担，包括住院时间增加、出院护理增加、失业和对社会支付的依赖。45死亡率也可能增加，POCD患者的死亡率是非POCD患者死亡的1.63倍。45

持久性POCD更具争议性。一些研究表明，少数患者存在持续性POCD。ISPOCD显示，一到两年后，1%的患者出现持续性POCD。46一些早期研究表明，痴呆症在五年后仍然很明显，47一项研究显示，五年内长期POCD水平较高（42%）。48然而，ISPOCD长期研究发现，11年后与痴呆症没有显著关系，49其他研究表明，与非手术患者相比，几年后认知能力下降的证据很少。50–52

尽管在过去的25年里进行了深入的研究，但POCD的原因仍然难以确定。与其他形式的痴呆症一样，POCD的病因几乎可以肯定是多因素的。确定POCD相关病因的部分困难在于麻醉、手术和围手术期护理的分离；不经手术进行麻醉是不常见的，手术通常是在麻醉下进行的。住院时间也可能是一个因素，即所谓的住院综合征。53POCD的其他促发因素可能包括围手术期条件、炎症、疼痛和合并症，尽管一些特定因素，如脑血流量变化、体外循环、低氧血症和微栓塞，几乎已被视为唯一原因。23在审查现有证据时，Krenk等人21提示术后睡眠障碍（阿片类镇痛加剧）、炎症应激反应、疼痛和环境因素可能参与多因素发病机制。快速髋关节和膝关节置换术，包括患者教育和准备，以及较短的住院时间，都表明会降低短期POCD，但不会降低长期POCD。54

POCD与其他形式的痴呆症有一些相似之处，例如AD，它以多种方式模仿AD三,55,56POCD实际上可能由AD途径触发。55轻度认知障碍（MCI）是一种主观认知能力下降，可能是AD的前兆，少数MCI（取决于年龄）发展为AD。57MCI在老年人群中普遍存在，75岁以上人群中有14%至18%出现症状。23由于接受手术的老年患者中有很大一部分会出现MCI，因此麻醉剂和手术可能会加重或揭开面具MCI并导致进展为POCD并最终发展为AD。蛋白质的老化以及错误折叠和未纠正蛋白质的增加导致蛋白折叠神经退行性疾病（如AD、PD、亨廷顿病（HD）和朊病毒病）的增加，并且很可能与POCD有关。13,58目前，对POCD、麻醉/手术和痴呆（尤其是AD）之间的联系进行了大量研究，因为任何联系都表明POCD的影响更大、更持久。

麻醉的确切作用机制尚不清楚。全身麻醉药在中枢神经系统中有许多常见的受体，包括阻断NMDA受体（例如氯胺酮和一氧化氮）59或增强γ-氨基丁酸A型（GABA_A类)受体。60事实上，已知这些受体会影响记忆61,62增加了麻醉剂和POCD之间直接联系的可能性。细胞培养研究表明，一些麻醉剂会导致细胞凋亡39来自动物研究的越来越多的证据加强了麻醉剂与包括POCD在内的痴呆症之间的联系。55,63–65例如，麻醉已被证明会导致发育中（大鼠）大脑的认知缺陷和神经退化，66–68香草醛麻醉已被证明会导致成年和老年大鼠的长期记忆障碍69和老鼠，70以及老年大鼠海马神经元一氧化氮合酶（nNOS）和PSD-95表达的短暂下降，以及认知障碍。71动物研究中的麻醉和认知缺陷与NMDA受体表达、，72钙稳态破坏，73和神经炎症（见以下章节）。尽管许多研究强调了麻醉剂与认知能力下降之间的潜在联系，但Callaway等人发现七氟醚与老年大鼠长期认知障碍之间没有联系74并发现地氟醚的作用具有剂量依赖性，且不持久。75

许多神经退行性疾病（AD、PD、HD、tau病）都有细胞骨架的破坏，微管（MTs）的分解以及tau纤维和β-淀粉样蛋白（Aβ）的伴随堆积。已知麻醉剂与细胞骨架相互作用，64,76–79可与微管蛋白结合并导致MT分解，80作为POCD潜在病原体的适当靶点也是如此。Craddock等人80已确定挥发性麻醉药在α-和β-微管蛋白上的多（32）个结合位点，并认为麻醉药是POCD的主要候选致病因子，通过改变微管蛋白和tau磷酸化导致MT不稳定。动物研究也表明麻醉剂（异丙酚、氟烷、七氟醚和异氟醚）可以增加ADβ淀粉样蛋白24,63,81–83增加tau磷酸化70,84,85研究表明，麻醉剂七氟醚单次给药可在小鼠体内产生短暂的tau过度磷酸化，反复给药可导致tau持续过度磷酸化和记忆障碍。84在AD小鼠海马模型中，麻醉剂丙泊酚也可诱导tau过度磷酸化。86另一方面，症状前AD小鼠暴露于麻醉剂（氟烷、异氟醚）并没有加速疾病的进展，相反，由于tau磷酸化增加，似乎导致了对神经退行性变的预处理。87

尽管有传闻和流行病学证据表明麻醉剂与AD之间存在联系，88PD、，89–91和POCD，92总的来说，临床证据并不支持动物研究。大型研究，如ISPOCD93以及荟萃分析94,95并没有发现麻醉药和POCD或AD之间的联系，包括普通麻醉药和局部麻醉药之间的比较。93,96然而，参加英国麻醉杂志萨尔茨堡研讨会2012年审查了POCD的可用数据，得出结论认为，有越来越多的证据表明，全身麻醉会对认知产生负面影响，尤其是对老年人（以及非常年轻的人）。70,97虽然没有直接证据表明麻醉剂的类型是一个危险因素，37,70麻醉途径和麻醉深度可能会对POCD产生影响。一些研究发现，使用脑电双频指数指导麻醉滴定可以减少POCD的发生。98,99也有迹象表明，导致POCD的不仅仅是麻醉剂的使用。在没有麻醉剂的情况下，手术诱导的伤害性感觉可诱导小鼠POCD。100

许多研究表明，手术/麻醉药可导致AD生物标志物增加，85,101包括β-淀粉样蛋白102,103和磷酸化tau，101,103加强麻醉药物参与AD风险的案例。89,90事实上，大脑β淀粉样蛋白的存在是认知正常患者POCD风险的良好预测因子。104麻醉剂和AD国际研讨会发表的共识声明105结论是，有足够的证据证明有必要对麻醉和手术后AD和神经退行性变的发生和发展进行进一步调查，并且应强调由麻醉师领导的临床试验。手术病人的麻醉给药一直是一个高度个性化的过程。这种个体化方法在老年人和其他高危患者中得到了推广。目前还没有对需要不同麻醉方案的人群（如红发女性）进行POCD研究。106POCD的研究重点正在从所有患者常见的麻醉和手术技术转向以患者为中心的个体因素。2

POCD的分子机制（与其他神经退行性疾病一样）一直很难确定。在小鼠中诱导POCD已被证明可降低NMDA受体B水平，100与PSD-95一起，与突触可塑性和学习有关。107最近，涉及AD的NMDA受体的激动剂和激活剂天冬氨酸，108已被确定为老年大鼠POCD的可能生物标记物。109在接受腹部手术的患者中，发现POCD与内源性褪黑激素水平和可能的昼夜节律有关。110蛋白质组学为研究POCD和其他神经退行性疾病的可能分子机制提供了一个窗口。Li等人在一项对麻醉和手术后出现认知功能障碍的老年大鼠的研究中，确定了21种在手术/麻醉后发生改变（上调或下调）的蛋白质。111其中四种蛋白质与氧化应激有关，七种蛋白质与线粒体能量产生有关，三种蛋白质与神经炎症有关。卡伦卡等人112发现异氟烷麻醉后大鼠海马中有17种蛋白质差异表达，包括参与应激反应和细胞骨架完整性的蛋白质。在一项临床蛋白质组学研究中，发现58种不同的多肽在手术后POCD患者中的表达发生了变化。113有趣的是，在一项对没有AD症状的双胞胎进行的蛋白质组研究中，发现有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）与10年来的早期认知能力下降有关。114

神经炎症可能在POCD中起作用，2,115–118就像疼痛一样119每种药物的缓解都可能减少短期POCD。118,120损伤和侮辱导致炎症小体的形成，炎症小体启动炎症级联反应，涉及炎症细胞因子，包括白介素-1β（IL-1β）、白介素-6、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和活化B细胞的核因子-κB增强子（NF-κB），受α-黑素细胞调节激素（α-MSH）调节。许多动物研究表明，POCD中的炎症反应参与其中。单独麻醉和麻醉联合手术可诱导IL-1β121–125和TNF-α123在POCD的小鼠和大鼠模型中。未经手术的异氟醚也可增加小鼠的TNF-α、IL-6和IL-1β。126Li等人，111确定了三种与神经炎症有关的蛋白质。

临床研究也表明炎症细胞因子和POCD之间的联系，这与炎症细胞因子与AD之间的联系类似。127在接受过大手术的患者中，高迁移率组框1和IL-6与POCD显著相关，128而Ji等人129发现IL-1β（而非IL-6）与全髋关节置换术中的POCD相关。术后还发现炎症标记物1L-6、IL-1β、TNF-α、S-100B和tau增加。103最近的研究还表明，患者的POCD与胰岛素样生长因子1（IGF-1）和IGF-1结合蛋白7的水平之间存在一些联系，这两种蛋白被认为在记忆巩固和AD中都很重要。17IL-6被认为在导致POCD的神经炎症反应中起着关键作用。130心脏手术后炎症细胞因子也与POCD相关131S-100水平是创伤性脑损伤的指标，被发现是POCD的指标。132,133此外，在调查患者炎症反应的研究的荟萃分析中，IL-6和S-100B被确定与POCD相关。134炎症级联反应在一定程度上由黑素皮质素系统（包括α-MSH）控制，该系统下调炎症细胞因子。135褪黑素是AD的重要危险因素136可能还有POCD。110黑素皮质素系统也有PrP^C类监管参与137和Mariante等人138主张PrP^C类参与与全身或细胞应激相关的炎症过程的调节回路。

有必要确定有POCD风险的患者，但迄今为止，尚未明确确定POCD的常见基因组指标。这包括载脂蛋白E(阿波（ApoE）)在一些研究中与POCD相关139但其他人没有，140,141尽管最近的一项前瞻性研究表明，携带载脂蛋白E4基因型（AD的最高遗传风险因素）142患POCD的风险增加。143文献综述已经确定了POCD的许多潜在标志物，144包括C反应蛋白（CRP）、P选择素（SELP）、补体成分3（C3F）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和细胞色素P450。大脑β淀粉样蛋白的存在也被发现是认知正常患者POCD风险的良好预测因子104手术前患者脑脊液中的aβ42/tau比值（AD指标）与POCD之间也建立了联系。129,145蛋白质组学研究表明，纤维蛋白肽A是一种潜在的生物标志物。113

预处理的神经保护是利用亚致死损伤来激发保护性反应，并在动物模型中预防缺血性中风、AD和PD方面取得了一些成功。146对POCD的神经保护效果好坏参半。Bilotta等人，37根据对临床试验的回顾，建议使用阿托伐他汀等多种药物可以实现对POCD的神经保护。有证据表明，金刚烷胺可增加胶质细胞源性神经营养因子并减少神经炎症，可能会降低POCD的作用。147IL-6受体拮抗剂也被发现可作为预防POCD的措施。130然而，未发现远程缺血预处理对POCD的神经保护有效；148异丙酚也没有（用于抑制脑电图爆发），149C5补体减少，150血小板活化因子拮抗剂151或皮质类固醇地塞米松。152术前认知干预对减少POCD有一定效果。153有趣的是，在大鼠异氟烷麻醉前给予褪黑素可以减少认知障碍。154

在动物模型中，PBM对神经退行性疾病有影响，包括AD、PD和抑郁症。7,9,155,156Purushothuman等人7提出PBM减少tau过度磷酸化的能力对AD具有神经保护作用。还表明激光被β-淀粉样蛋白吸收，157和Grillo等人158PBM可降低β-淀粉样蛋白。因此，PBM在AD预处理和PD治疗中的成功表明，它可能也是一种有效的POCD预处理剂。

光生物调制

PBM被定义为“涉及内源性发色团的非热过程，在不同尺度上引发光物理（线性和非线性效应）和光化学事件，从而产生有益的光生物反应。”4这通常是低强度激光治疗（LLLT），但也可能是非相干发光二极管（LED）。1903年，光被用来治疗皮肤损伤，Finsen在柳叶刀1903年159报告引人注目的结果使用红光治疗以防止天花疤痕的毁容，前提是干预处于疾病的早期阶段。此外，芬森于1903年因使用紫外线（UV）治疗寻常狼疮而获得诺贝尔奖。直到1968年梅斯特等人首次证明激光可以刺激小鼠伤口愈合和毛发生长，光疗法才开始受到青睐。160激光治疗的另一个早期应用是使用氩激光（450–530 nm）治疗伤口和皮肤损伤（切尔诺贝利核事故后的放射性溃疡）。161在过去45年中，可见到红外波长（400到1072 nm之间）的PBM越来越被接受为一种治疗干预手段，随机控制的临床试验和动物模型表明LLLT在兽医和人类患者的许多疾病治疗中发挥了重要作用。很明显，LLLT具有双相剂量响应，遵循Arndt–Schulz曲线，162其中，剂量的增加对应于达到最大值（a）的增加效应剂量窗口)之后，进一步增加剂量会引起负面反应。PBM目前用于治疗各种放疗和化疗引起的溃疡，163以及口腔和其他伤口4,164和伤口感染。165PBM疗法的使用可以保护皮肤免受紫外线以及其他一些皮肤病的损害，包括白癜风、牛皮癣和单纯疱疹。166LLLT用于运动损伤，167肌腱修复，168肌腱损伤中胶原纤维的重塑，169用于淋巴水肿管理，170以及在正畸期间加速牙齿移动。171PBM已通过调节iNOS和诱导间充质干细胞用于治疗心脏病和动物模型的心脏保护。172–175

PBM也已成功用于治疗周围急性和慢性疼痛176,177以及包括慢性颈痛在内的中枢性疼痛状态。178–181作为LLLT引入的光子能够修改周围神经中的生物电信号，这在动物和人类模型中得到了明确的证明。19,182这在疼痛治疗中至关重要，因为痛觉受器动作电位的抑制是LLLT直接镇痛作用的机制之一。177激光照射会选择性地影响痛觉感受器，有人认为这种效应是LLLT治疗急慢性疼痛的止痛作用的基础182以及LLLT局部麻醉作用的基础，LLLT在拔牙等方面可以作为止痛块有效。183

最近，来自动物研究的越来越多的证据表明PBM在认知和神经退行性疾病中的应用，9,184脑外伤，185公元，7,158,186–189和PD。8,155,156,189,190PBM还有一个额外的优点，即在正确的剂量参数范围内，并遵循不将PBM引向眼睛、肿瘤部位或胎儿的禁忌症建议，具有较宽的剂量窗口以达到效果，且没有发现有害影响。191

LLLT也被证明在神经保护中起作用190以及针对肌肉疲劳、炎症和疼痛等条件的预处理，如Agrawal等人所述，10黄斑变性，192,193心脏保护中的预处理，172PD公司190和AD。7,186除了针对疾病部位外，这种预处理和保护还可能涉及一种绝对（间接）效应，这种效应是通过照射远离疾病或损伤部位的身体区域而引起的。189,194这已被证明发生在黄斑变性患者中，在这些患者中，未受照射的眼睛与受照射的眼受到相同的保护。193在大鼠心脏病中也显示了脱落效应，其中对远端部位（胫骨）的LLLT引发了对心肌梗死保护的反应，173上调iNOS和动员c-kit⁺细胞被招募到心脏损伤部位。172,174这种脱落效应已被证明至少与创伤部位的PBM一样有效。174胫骨骨髓作为靶点也改善了AD小鼠模型的认知能力。188在小鼠颅骨中注射LLLT也可以改善ADβ淀粉样蛋白和认知能力。186Johnstone等人8,155在PD大鼠模型中显示了神经保护作用，其中远程预处理对反式-颅骨LLLT。他们提出用循环的细胞或分子因子产生全身效应，以诱导脱落神经保护效应。Keszler等人认为，由于这种全身效应，对患者心脏直接应用LLLT可能没有必要防止心脏缺血。175

目前已知的LLLT作用机制已经过充分审查4,195,196并包括细胞色素的作用-c（c）-氧化酶和线粒体能量生产，196逆行线粒体信号，197NOS调制，173,181,196,198,199氧化还原反应中的电子转移200导致抗氧化酶活性，201,202通过增加过氧化物酶体增殖物激活受体的表达和谷胱甘肽浓度，恢复前体和抗氧化介质之间的平衡，203低氧诱导因子1α（HIF-1α）的调节，204TNF-α减少，205炎症细胞因子和ILs、NF-κB的调节，206,207IL-6和IL-1β，208生长因子IGF-1和转化生长因子β-1（TGF-β1）的调节，201阿片样物质及其前体分子原阿片黑素皮质激素（黑素皮质素信号系统）的调节，209细胞因子脱落效应。155众所周知，LLLT可以下调炎症过程210通过增加抗氧化剂和减少氧化应激，211通过前面描述的机制和增加超氧化物歧化酶。201,203PBM还直接影响细胞信号分子MAPK。167,212

除了上述机制的光子受体外，还包括已知的黑色素、黄素、卟啉和细胞色素C氧化酶的发色团，196可能存在第二组相互作用，光子的物理扰动会导致受体蛋白质的构象变化4,194,213尤其是氧化还原敏感蛋白。这种扰动涉及分子开关机制214包括受体酪氨酸激酶，195,215离子通道，如TRPV1通道，可对可见光和红外光作出响应，216,217和钾通道。218属于G蛋白偶联受体家族的各种视蛋白蛋白也充当光感受器。其中包括视网膜杆细胞和皮肤中的视紫红质分子，219视网膜锥体细胞中的感光蛋白、视网膜神经节细胞中的黑视素、大脑中的脑球蛋白（OPN3），220脊髓组织（眼睛、大脑、睾丸、脊髓）中的神经球蛋白（OPN5）。221光还通过GABA和NMDA受体蛋白的直接变构调节来调节眼睛中的神经元活动，这取决于受体的氧化还原状态，直接影响神经元信号传导。222,223这组与受体的相互作用将涉及皮肤和神经膜中分子结构的物理扰动，以促进生理功能。4,194

细胞骨架调节作为一种主要的LLLT机制的作用还没有得到足够的重视。Chen等人证明了LLLT在细胞骨架调节、疼痛减轻和神经传递阻断中的作用224和Chow等人。19,177由于细胞骨架既是信号转导的受体又是启动子，PBM对细胞骨架的调节是观察到的LLLT脱落效应的候选者。

MT与细胞骨架调节

细胞骨架是所有细胞的重要组成部分，由MT网络、神经丝和肌动蛋白丝组成。MT提供结构支持，连接靶点，并作为细胞内囊泡和细胞器交通的通道。MT由α-和β-微管蛋白二聚体组成，并具有动态不稳定性它们在那里生长和收缩，在装配之间切换(营救)和拆卸(灾难)根据需要，与未聚合的α-和β-微管蛋白平衡。这个过程允许MT细胞骨架的快速重组。在神经元中，MT存在于树突、细胞体和轴突中。在枝晶中，MT很短，并且具有混合极性。在轴突中，MT形成不同长度但极性相同的束，225这对轴突极性和轴突生长至关重要226以及顺行和逆行运输。

这种动态不稳定性的控制非常复杂，目前尚不清楚，但似乎部分由微管蛋白的多重翻译后修饰（如酪氨酸化、聚谷氨酰胺化、乙酰化、SUMO化）调节225部分由MT相关蛋白（MAP），227它们结合微管蛋白或组装的MT，从而对MT起稳定或不稳定作用。MAP，如tau（轴突中）和MAP2（树突中），直接与MT结合，形成瞬态相互作用，将MT稳定为平行阵列，视为束。其他MAP可以促进MT的组装（如MAP4）或拆卸（如stathmin）。tau的磷酸化对于MT的稳定是必要的，但在正常条件下，tau的磷酸化是有限的。228随着磷酸化程度的增加，与MT的结合程度降低。许多神经退行性疾病（如AD、PD和其他τ蛋白病）229,230其特征是tau的过度磷酸化，其中蛋白质中高达100%的可用位点被磷酸化。这会破坏MT的稳定性，并导致细胞内聚集物（神经原纤维缠结）的形成。229一个例子是墨西哥城的儿童，他们暴露在严重的污染中，会出现tau的过度磷酸化和大脑中的蛋白质变化（聚集体），特别是如果他们有阿波（ApoE）变异基因，与成人AD相关。231Tau也可能与质膜连接，并在信号转导中发挥作用。232

其他可能影响MT动力学的分子包括PrP^C类和PSD-95。PrP公司^C类已知与微管蛋白、stathmin和tau结合233–235并被提议作为机器翻译组装/拆卸的主要参与者。236Schmitz等人237,238已经证明PrP^C类由于其与神经丝和线粒体的关系，在细胞骨架的组织以及认知和行为中起着直接作用。PrP的失调（上调）^C类表达导致tau过度磷酸化和畸形矮墩墩的神经炎。239PrP公司^C类过度表达还被认为通过与膜上的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH）的相互作用、炎症细胞因子以及随后肌动蛋白丝的改变，参与了AD的β淀粉样蛋白形成和认知功能障碍。240PSD-95和cypin之间的相互作用也被认为可以调节树突中MT的组织。14

MT是细胞信号传导的核心，也是信号传导途径的主要靶点，以维持其动态不稳定性的平衡，从而控制细胞（神经元）功能。它们也是下游信号的效应器，与其他信号分子相互作用，如NFκB、细胞外信号调节激酶2和MAPK，并组织信号通路。241Linden等人242建议PrP^C类通过其与细胞外基质的膜支架连接，连接α-微管蛋白、β-微管素和MT，从而参与多成分信号转导，在生理学和病理生理学中具有广泛的变构效应。PrP公司^C类作为氧化应激的氧化还原传感器分子并触发下游过程。243戈斯瓦米11表明MT信号的一个组成部分集中在TRPV1通道周围，这是用于红外刺激的氧化还原传感器。244钾泄漏通道TRESK可能与细胞骨架相互作用12被认为是双核结构域钾（K_2相)离子通道是麻醉的重要靶点。245

MT作为细胞器、小泡和蛋白质利用驱动蛋白和动力蛋白运动蛋白顺行和逆行轴突运输的支架。神经元的正常功能取决于快速轴突流动的细胞骨架的完整性。由于MT经常遭受灾难和救援，并且MT束的长度不同，轴突通常可以应对MT细胞骨架的间歇性破坏。当MT细胞骨架完全断裂导致断裂点处货物堆积时，就会形成静脉曲张或局部肿胀。246细胞骨架的破坏和静脉曲张的形成对神经的生物电功能有着深远的影响。线粒体传递许多酶和产生动作电位所需的三磷酸腺苷（ATP），不能沿着细胞骨架移动。TREK等离子通道247而其他信号分子如神经生长因子（NGF）和脑源性生长因子（BDGF）也不能在逆行或顺行货物运输中沿MT移动，对信号转导有显著影响。248

神经（突触）蛋白的组装和拆卸也是哺乳动物冬眠期间的常见过程，249参与可逆神经可塑性和抵抗神经损伤。冬眠期间，细胞体和树突棘收缩，突触丢失，突触蛋白和MT250已拆解。这些蛋白质储存在轴突中，直到需要重组时，而不是被降解，然后重新合成。249冬眠和觉醒期间蛋白质组的变化表明，细胞骨架的变化是主要的蛋白质变化。251MT的分解受tau磷酸化的调节，在这种情况下，tau磷酸化不会形成AD中常见的tau过度磷酸化的典型原纤维。252与非冬眠松鼠相比，冬眠地松鼠这种蛋白质的定期分解/重组会导致一些记忆丧失。249人类体温过低、循环停止和随后的复苏通常也会伴随一些记忆丧失，253类似于POCD。利用这一冬眠证据，阿伦特和布尔曼提出了海马和其他皮层突触神经可塑性过程中细胞骨架调节的模型。254

轴突静脉曲张的出现似乎是一种保护神经免受损伤的内源性机制，是对多种刺激和应激源的反应，包括机械应激、轴突损伤、冷热、毒素和麻醉剂。最初认为静脉曲张只是神经病理学的一种症状，现在很明显，静脉曲张是可逆的，具有神经保护作用。14,255有许多神经保护性静脉曲张的例子。在中枢神经系统中，亚致死性缺氧可导致可逆的树突串珠，可被NMDA拮抗剂阻断。256Ikegaya等人255已有研究表明，小的可逆性树突状静脉曲张是作为应激源的内源性反应而产生的，可以起到保护神经元免受更大损伤的作用(图1A). 预防这种反应会导致神经元损伤增加、正常神经功能崩溃和细胞死亡。曾荫权和费尔斯坦最近也证明了同样的反应，14毒物攻击（NMDA中毒）导致产生小的保护性静脉曲张(图1B)只要反应早期、快速和可逆，就可以防止形成更大的破坏性神经元肿胀和神经元死亡。变异的形成取决于nNOS的诱导以及PSD-95、cypin和tau之间的相互作用。cypin增加和PSD-95降低导致小保护性静脉曲张数量增加，而cypin减少和PSD-95%增加则相反14

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图1

神经保护性内源性静脉曲张的形成：(A类)30μM NMDA处理大鼠海马神经元树突状静脉曲张形成的共焦激光显微图像；255(B类)暴露于30μM NMDA（5分钟）和恢复后静脉曲张逆转（60分钟）后立即在大鼠胚胎海马神经元中形成树突状静脉曲张（箭头）的免疫荧光图像；14(C类)微管蛋白免疫组化染色显示胚胎DRG神经元对TRPV1的树脂毒素激活产生静脉曲张；18(D类)双光子激光扫描图像，显示小鼠神经元体积在控制前、扩散抑制期间和从SD恢复后的瞬时增加，包括显示重叠（黄色）、体积前（绿色）和CSD期间（红色）的合并图像（重叠）。259

这被认为是MT细胞骨架受树突亚致死性变化调节的途径。在大鼠损伤模型中，PSD-95（以及nNOS）也参与外周轴突再生的再髓鞘化过程。257多巴胺代谢物N个-花生四烯醇-多巴胺作用于背根神经节（DRG）神经突起导致静脉曲张形成(图1C)在形成过程中涉及TRPV1。18内源性多巴胺代谢物与麻醉诱导反应有关。258

在伴有先兆偏头痛和皮层创伤（涉及TRESK多态性）的CSD期间，神经保护性细胞骨架调节也存在，其中神经元经历短暂的体积增加259(图1D). 这些被视为保护皮层的神经保护过程的一部分，是对皮层损伤的适应性反应，并为随后的缺血发作提供耐受性。260,261nNOS在CSD期间增加，260在这种神经保护反应中上调的基因是iNOS和HIF-1α。262这是免疫记忆过程的一个例子，Szentivanyi等人，263可能与周围神经损伤和静脉曲张形成的机制类似。可逆性静脉曲张的形成也可用于多种情况，如缺血264,265和毒物袭击，266–268取决于刺激的严重程度和/或持续时间。

神经元的预处理也可能涉及小的保护性静脉曲张的形成。大鼠神经元细胞培养物接受缺血预处理269通过PSD-95途径导致树突形成小的静脉曲张(图2A). 这些在四小时内也是可逆的，可能对NMDA受体介导的毒性具有神经保护作用。使用黑寡妇蜘蛛毒液加速肉毒杆菌神经毒素的恢复导致静脉曲张快速形成(图2B)（在亚致死条件下）在48小时内是可逆的。270

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图2

预处理神经保护性静脉曲张的形成：(A类)神经元培养物的免疫荧光图像，显示对照组（a）和静脉曲张的形成（b），缺血预处理使用无害的氧和葡萄糖剥夺30分钟；269(B类)用钙黄绿染色的干细胞源性神经元的共焦激光显微镜图像显示，涂抹黑寡妇毒液后22分钟内形成静脉曲张（箭头），24小时后仍然明显，但48小时后减少。270

PBM与内源性静脉曲张有着惊人的相似过程，也被证明会导致MT破坏和神经元细胞骨架中静脉曲张的形成。19,224这已在培养的大鼠和小鼠DRG神经元的多个波长中得到证实，包括650（Chow，未出版）、808、，19830,224和1064 nm（Chan，未出版）。这种MT干扰导致疼痛阻滞效应。DRG神经元培养物的免疫组织化学显示，激光照射30或60秒后，细胞骨架完整性在5-10分钟内中断。在共焦显微镜下可以看到这种效应，即沿着轴突形成静脉曲张(图3A和B)以及快速轴突流动的中断(图3E). 具体地说，线粒体中的β-微管蛋白和线粒体一样积聚在静脉曲张中，线粒体中ATP迅速耗尽。重要的是，这种中断是暂时的和可逆的，轴突在24小时内恢复到以前的状态(图3C). LLLT对无髓神经纤维的其他影响包括生长锥中的轴突断裂，224神经丝数量减少，线粒体数量增加。271

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图3

LLLT在1064 nm波长培养的大鼠DRG神经元中产生的轴突静脉曲张（箭头）的共焦激光显微镜观察(A类)（Chan，未发表）和830纳米(B类–F类);19(B类)LLLT 120秒后静脉曲张形成；(C类)控制；(D类)照射24小时后静脉曲张逆转；(E类)轴突放大图像，显示30秒照射后形成的单一静脉曲张，线粒体呈红色；(F类)控件。

有趣的是，MT的分解在细胞中也很明显，包括神经元和淋巴细胞，作为对局部77,79和概述272麻醉剂。其特征是局部麻醉剂引起轴突静脉曲张79(图4A和B)巨噬细胞的细胞形状变化273以及气泡在3T3电池中(图4C).77

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图4

麻醉剂引起的静脉曲张和MT变化：(A类)2×10效应的光学显微照片^–3普鲁卡因对培养神经突静脉曲张形成的影响：从时间零点到（a）两小时（b）、三小时（c）和四小时（d）；79(B类)1×10神经突起肿胀（S）的扫描电子显微照片⁻³普鲁卡因；79(C类)电子显微照片显示气泡在3T3细胞表面，由于用0.6 mM丁卡因处理后膜相关MT和微丝断裂。77

神经元中LLLT的主要靶点存在问题，这将导致细胞骨架破坏和静脉曲张形成。参与MTs动态不稳定性的几个蛋白质（包括PrP^C类和PSD-95）具有发生构象变化的能力，这可能导致MT不稳定。PBM可以通过蛋白质直接吸收光能或通过氧化还原敏感蛋白质对活性氧物种（ROS）（如一氧化氮）作出反应来诱导这种结构变化。基于TRESK离子通道，还可以推测神经保护的潜在机制。LLLT引起的细胞骨架调节和静脉曲张形成后体积增加将导致神经膜拉伸。已知膜张力会可逆地增加TRESK K⁺DRG中的电流。274这通过降低神经兴奋性，对损伤和炎症后过度的神经元激活具有抑制作用。275钙激活的细胞应激级联反应（包括未折叠的蛋白反应）的下调降低了炎症反应。这将产生预处理效应，使神经元因免疫记忆而产生更有效的反应。262TRESK被MT亲和力调节激酶磷酸化276也负责tau的磷酸化。277此外，至少在体外，TRESK与微管蛋白和可能的MT有物理联系。12这表明TRESK/PrP的（假设）支架^C类/MT可以直接或通过其他机制与光子（PBM）反应，以促进MT的分解和静脉曲张的形成。

已知许多化学物质以与PBM类似的方式破坏MT的稳定性。秋水仙碱和诺卡唑等药物与微管蛋白结合，从而阻止组装成MT。紫杉醇和其他紫杉烷药物与MT结合并稳定MT，防止解聚，而去甲秋水仙素解聚MT。278,279如前所述，麻醉剂也已知与细胞骨架相互作用76–78并能与微管蛋白结合，导致MT分解。80卤代烷干扰动物模型周围神经中MT的重组，280长期接触可导致行为损伤和神经损伤，包括树突分支减少。281异丙酚通过GABA介导导致培养大鼠神经元的轴突可逆性收缩_A类异氟醚可影响星形胶质细胞中的MT和神经丝。64研究表明，麻醉剂七氟醚在单次用药时会在小鼠体内产生短暂的tau过度磷酸化，而重复用药会导致tau持续过度磷酸化和显著的记忆障碍（POCD）。84麻醉用异丙酚也能在AD小鼠海马模型中诱导tau过度磷酸化。86

尽管小的可逆性静脉曲张被视为对压力的反应，具有神经保护作用，但细胞骨架组装/拆卸的持续攻击或持续失调会导致破坏性的细胞骨架破坏。轴索损伤可引发重大MT断裂，在比正常灾难和救援更大程度上阻碍货物运输。282创伤造成的损伤可能无法通过正常的内源性机制轻易修复，从而对神经元功能产生更长期的影响，并可能导致MT受损，从而进一步加剧问题。65创伤性外周轴突损伤（动态拉伸损伤）就是一例246导致轴突肿胀(图5A). 这些轴突肿胀也见于头部外伤(图5B).246除了外周轴突的病理状况外，轴突突触和海马也可能发生同样的生理机制，这涉及突触可塑性和记忆和学习的长期增强，两者都与PSD-95有关。107,283

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图5

病理性静脉曲张：(A类)培养神经元动态拉伸损伤过程中产生的轴突肿胀的免疫荧光图像，微管蛋白（a）、tau（b）、淀粉样前体蛋白（c）和神经丝（d）染色；246(B类)淀粉样前体蛋白免疫组化染色，显示由机动车辆碰撞（a、e、f）、跌倒（b、c）和钝器伤（d）引起的创伤性脑损伤患者胼胝体轴突静脉曲张；246(C类)帕金森病患者壳核组织的共焦激光显微镜图像，显示静脉曲张，酪氨酸羟化酶（TH）、α-突触核蛋白（s-129）染色，合并图像；292(D类)TH免疫反应的电子显微照片显示，由于感觉和交感相互作用，大鼠DRG出现轴突（突触）静脉曲张；284(E类)暴露于朊蛋白肽106-126后，神经细胞培养物中静脉曲张形成的免疫染色图像，显示静脉曲张（箭头1-5）；239(F类)免疫组织化学染色显示阿尔茨海默病小鼠模型中的静脉曲张和球体，对神经丝（a，b，c）和早发阿尔茨海默病病例的脊髓进行染色，对淀粉样蛋白前体蛋白进行染色（d）。289

Chung等人284当躯体感觉神经与DRG中的交感神经沟通时，在交感神经慢性疼痛中显示出病理性静脉曲张(图5D). 局部肿胀或球体在缺血时也很明显，285癫痫，286和脑瘤。287静脉曲张（也称为局灶性肿胀、串珠或球体）是神经退行性疾病的标志，通常是神经退变疾病的早期指标，288如AD182,285,289–291(图5F)，PD292,293(图5C)朊病毒病，294多发性硬化，295沃勒变性，296rett综合征，297以及暴露于高水平空气污染的儿童，他们表现出早期AD的迹象。231PrP过度表达^C类模仿朊病毒病，239导致轻微扭曲矮墩墩的突起明显肿胀(图5E).

总之，PBM可能在许多促进神经保护的补充方法中发挥良好作用。PBM产生细胞骨架调节和神经保护性静脉曲张，抑制或减少货物运输和快速轴突流动，与疼痛阻滞的方式相同。19,182这些静脉曲张与内源性静脉曲张相似，因此PBM可能刺激身体自身的神经保护机制。在动物模型中，小的可逆性静脉曲张曾被认为是一种神经保护机制14,255并被援引为抗缺血神经保护的一部分。269这种PBM刺激可能通过氧化还原信号的光子激活（细胞膜上的线粒体或NADPH）或通过直接的蛋白质构象变化（可能在TRPV1中）进行18以及通过（假设的）TRESK-PrP向细胞骨架发送细胞信号^C类-tau-tubulin支架，包括分子PSD-95、cypin和MAPK（也被PBM调节）212,298tau的瞬时磷酸化。14这种免疫记忆效应262可以保护神经元免受细胞骨架的麻醉攻击。PBM还通过调节iNOS的表达来调节炎症反应196,199和HIF-1a，204炎症细胞因子IL-6、IL-1b和TNF-α的下调，208以及生长因子IGF-1的上调，201所有疑似与POCD有关的人员。PBM还通过减少氧化应激和增加抗氧化剂水平来调节细胞氧化还原平衡，203,211以及线粒体功能的上调，发现其生物标记物在POCD中很重要。111

结论

尽管早期的研究模棱两可，但POCD被认为是现代医疗系统中的一个重大问题，影响着接受麻醉剂和手术的老年患者。尽管大多数POCD似乎在数周或数月内可以逆转，但它对患者的生活质量和医疗资源都有影响。POCD也可能对某些患者产生长期影响，包括AD。随着医疗和手术程序的不断改进，手术时间越来越长，越来越常见，POCD的影响将在未来增加。随着人口老龄化，最易感染POCD的患者也是外科手术增加最多的人群。

POCD的病因似乎是多因素的，但可能涉及与AD相似的机制，其具有一些共同的特征和分子标记。麻醉剂的使用与神经炎症有关，动物和临床研究中有许多明显的神经炎症标志物。

MT和细胞骨架通常在信号转导中发挥作用，既是启动子又是导管。MTs的动态稳定性，以及它们在引导神经突起生长和细胞信号传递中的功能，使细胞骨架在神经元的稳定性中发挥作用，因此它们在神经系统中具有更普遍的变构作用。这包括对损伤和炎症刺激的反应，包括麻醉和手术，这是除麻醉剂对神经元细胞骨架的任何直接影响之外的。细胞骨架的组装和拆卸是神经可塑性的核心，涉及分子转换。MT的分解和随后的重组是冬眠、CSD相关的先兆偏头痛、皮层对损伤的适应性反应以及对毒性攻击（如NMDA和可能的麻醉剂）的神经保护作用的主要原因。鉴于MT在AD、PD和tau病等神经退行性疾病中的作用，有理由认为类似机制在POCD中很重要。

由于POCD没有可用的治疗方法，预处理和神经保护似乎是预防POCD的最佳干预措施。虽然神经保护药物和细胞因子拮抗剂在动物模型中已显示出一定的成功，但PBM可能是预处理POCD的可行选择。PBM已被证明直接影响MT，并导致小的、可逆的静脉曲张，从而影响细胞信号传导、快速轴突运输和疼痛阻断。这可能通过膜上的光感受器发生，如视蛋白（神经球蛋白）、NADPH或TRPV1，这些光感受者反过来可以通过ROS或涉及PrP的信号转导与tau和MT相互作用^C类和/或PSD-95。PBM产生的静脉曲张模拟了内源性静脉曲张，已知其对大的破坏性静脉曲张症、肿胀和对神经元的更大损伤具有神经保护作用。因此，PBM生成的静脉曲张作用于预处理神经元免受损伤，其机制与缺血预处理期间产生的静脉曲张症类似。PBM被称为其他疾病和条件的预处理治疗，如黄斑变性、心血管疾病和肌肉性能。结合PBM在预防和治疗神经退行性疾病动物模型方面的成功，提出术前使用PBM对手术患者，尤其是老年、弱势患者预防POCD具有预适应作用。

由于POCD对治疗没有反应，因此需要确定POCD风险患者，包括确定MCI和POCD风险的血清标记物。这将使受益于PBM预处理的患者能够被识别出来，尤其是那些易患POCD、AD和其他形式痴呆的老年患者。然而，这并不排除PBM在老年外科患者中的更广泛应用。PBM的优点是，在正确的剂量参数范围内，并遵循禁忌症建议，没有发现有害影响。最能从PBM预处理中获益的老年外科患者可能包括已知或怀疑与POCD或AD相关的患者（包括先前存在的认知功能减退、MCI、I型和II型糖尿病、酗酒、高血压和动脉粥样硬化）；有AD和POCD标记物和潜在标记物（包括β-淀粉样蛋白，载脂蛋白E4、Ab42/tau比值、CRP、SELP、C3F、iNOS、细胞色素P450、天冬氨酸和褪黑素）；黑素皮质素信号变异患者（如红发女性）；畏光、伴有先兆的CSD偏头痛和丛集性头痛患者；和其他TRESK多态性患者。

脚注

参考文献