縫隙連接通訊與認知功能障礙關(guān)系的研究進展

朱有厚（綜述），王 飛（審校）

同濟大學附屬同濟醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200065

縫隙連接是細胞間普遍存在的連接方式，它介導相鄰細胞間電偶聯(lián)以及小分子物質(zhì)的胞間轉(zhuǎn)移，這種信息交流和物質(zhì)交換方式被稱為縫隙連接通訊[1]?，F(xiàn)已證實在機體組織中均存在縫隙連接，這對維持細胞之間的功能具有重要作用，因此縫隙連接和心腦血管疾病以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有密不可分的關(guān)系。中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后引起的認知功能障礙主要有以下幾種機制：（1）主管認知功能的腦解剖學部位直接受損；（2）損傷部位通過縫隙連接通訊間接影響腦認知功能的關(guān)鍵部位；（3）縫隙連接通訊從認知功能形成機制上直接參與認知功能障礙的形成。

1 縫隙連接的結(jié)構(gòu)

縫隙連接在質(zhì)膜上常以“斑塊”的形式出現(xiàn)，每個斑塊中含有數(shù)百至數(shù)千個縫隙連接通道。電鏡下顯示縫隙連接是由兩個相鄰質(zhì)膜上相對應(yīng)的半通道（連接子）組成，兩者間隔僅為2～3 nm。連接子（connexon）是由縫隙連接蛋白（connexin，Cx）6個亞蛋白構(gòu)成的六邊形中空管道，直徑約1.5 nm，它的數(shù)量影響縫隙連接通訊的功能[2]。研究表明縫隙連接通道能夠使相鄰細胞之間的小分子（＜1 000）雙向被動擴散，如無機鹽、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)、1，4，5—三磷酸肌醇(IP3)、氧氣、核苷酸、氨基酸、葡萄糖、維生素及部分激素等通過，而阻止大分子蛋白質(zhì)和核酸通過[3]?？p隙連接蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達，與機體認知功能有密切關(guān)系的海馬部位主要表達Cx36。

2 縫隙連接蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達及功能調(diào)節(jié)

2.1 縫隙連接蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的各個區(qū)域中都有縫隙連接的表達?，F(xiàn)已證實腦內(nèi)特異性細胞類型只表達特異縫隙連接蛋白。成年腦組織星形膠質(zhì)細胞主要表達Cx43，同時還有Cx40、Cx30；少突膠質(zhì)細胞主要是Cx32、Cx35；神經(jīng)元中Cx26、Cx32、Cx36有較豐富的表達，海馬組織也包括在其中[4]。

2.2 縫隙連接的功能及調(diào)節(jié)

參與胞間信息傳遞：GJ具有阻抗低、傳導快、延擱時間短的特點。如某一細胞受到刺激，其膜信號發(fā)生改變并通過GJ迅速將調(diào)節(jié)信號傳遞給相鄰細胞，此同步化機制對完成整體功能有重要作用[5]。緩沖毒性物質(zhì)：受損害細胞通過GJ向鄰近細胞排出毒物，降低對細胞的損害。周圍細胞借助GJ向該部分細胞提供營養(yǎng)，協(xié)助其功能恢復。若細胞受損害過于嚴重或其毒物濃度過高，GJ通道關(guān)閉而限制毒物擴散[6]。

Ca2+和pH值是最早發(fā)現(xiàn)調(diào)控GJ的因子。Ca2+可直接結(jié)合連接蛋白使GJ導通性降低；pH值下降可引起GJIC減低。Spray等發(fā)現(xiàn)當pH值低于6.6時，電偶聯(lián)逐漸降低，當細胞內(nèi)pH恢復，GJ電導性亦隨之恢復[7]。提高細胞外K+濃度或用谷氨酸激動劑引起膜電位改變，上調(diào)Cx43電偶聯(lián)，增加GJIC。實驗表明缺氧、NO和外源性花生四烯酸都可減少星形膠質(zhì)細胞間的GJIC，提示GJ通透性可能受神經(jīng)元及內(nèi)皮細胞釋放的內(nèi)源性物質(zhì)調(diào)控[8]。

3 認知功能障礙與縫隙連接通訊的關(guān)系

臨床研究發(fā)現(xiàn)，認知功能障礙是腦損傷后常見反應(yīng)之一。國內(nèi)動物實驗也證實了這一點，具有代表性的是章建軍等[9]通過建立大鼠慢性腦缺血模型來觀察大鼠認知功能變化與縫隙連接蛋白的關(guān)系。實驗表明缺血組較對照組在水迷宮實驗中尋找平臺潛伏期時間明顯延長，之前實驗還證實前者海馬區(qū)縫隙連接蛋白在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平明顯低于后者。這些均提示著顱腦損傷后細胞間GJIC發(fā)生改變，這會直接或者間接與腦的認知功能相關(guān)區(qū)域產(chǎn)生影響，從而影響認知功能。

3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷導致GJIC的變化與認知功能障礙的關(guān)系

鄰近腦認知區(qū)域腦組織損傷會引起組織缺血、缺氧、腦內(nèi)pH變化、炎性介質(zhì)產(chǎn)生等，GJIC通過自身變化并將上述微環(huán)境的改變信號傳至與之臨近的海馬等對認知起重要作用的區(qū)域，并引起該部位間接損傷，從而導致認知功能的障礙。支持這一觀點的前提是損傷發(fā)生在與主管認知區(qū)域臨近的腦組織。

Orellana等[10]認為腦組織星形膠質(zhì)細胞借助GJIC可使凋亡信號在半暗帶區(qū)內(nèi)傳播，并且動物實驗顯示缺血、缺氧時細胞間GJIC仍保持開放狀態(tài)，而這一狀態(tài)則更有利于有害信號向臨近健康組織傳播，一旦有害信號波及到主管認知區(qū)域臨近的腦組織，就會一起該部位損傷，從而導致認知功能改變。Rami[11]認為梗死區(qū)瀕死細胞通過GJIC，使得缺血損傷逐步擴大；并且實驗發(fā)現(xiàn)易受缺血損傷的海馬CA1、CA2區(qū)具有更高密度GJ。因此他們提出抑制細胞間縫隙連接通訊，可以減少神經(jīng)元的損害，特別是海馬等高度敏感的部位。然而也有學者認為臨近腦組織可借助GJIC稀釋缺血區(qū)的有害物質(zhì)，有利于物質(zhì)重新分配，阻斷細胞間縫隙連接通訊會加重該部位腦組織的損害[12]，但該觀點強調(diào)的只是加重對受損部位腦組織本身的影響，對與之臨近的腦組織并沒有明顯改變。

主管認知區(qū)域臨近的腦組織損傷后，受傷腦組織微環(huán)境的變化會引起乳酸堆積。前面提到縫隙連接對Ph改變十分敏感[13]；當主管認知區(qū)域臨近腦組織損傷引起局部乳酸堆積，導致pH改變，胞間GJIC會將這一信號傳至周圍健康腦組織，引起周圍腦組織的損害[14]；如果該部位是主管認知的區(qū)域，必然會引起機體認知功能的改變。

主管認知區(qū)域臨近腦組織受損后，由于局部微環(huán)境的改變必然導致炎癥因子的產(chǎn)生，炎性因子除了對GJ本身有一定的影響外，GJIC的變化還可以將該信號外傳至腦認知區(qū)域引起腦組織損傷。大量實驗已證實影響GJIC的有白細胞介素、腫瘤壞死因子、一氧化氮，而其中有些因子是腦組織損傷后的經(jīng)常性因子。Forger等[15]通過動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，正常大鼠皮層＜5%的小膠質(zhì)細胞表達Cx43，而伴隨針刺損傷后，大約60%的小膠質(zhì)細胞表達Cx43，體外原代培養(yǎng)的大鼠小膠質(zhì)細胞染料偶聯(lián)實驗也證實小膠質(zhì)細胞的激活與Cx43表達和GJIC相關(guān)，并在細胞培養(yǎng)液中檢測到炎性因子。干擾素聯(lián)合內(nèi)毒素原代培養(yǎng)的小鼠小膠質(zhì)細胞，導致染料偶聯(lián)率增高，提示小膠質(zhì)細胞的縫隙連接蛋白除自身表達以外，還通過炎癥介質(zhì)影響膠質(zhì)細胞GJIC；Marandykina等[16]認為炎性因子影響偶聯(lián)增強的GJIC可以進一步將損傷信號傳播，引起周圍組織損傷，之前許多實驗證實在創(chuàng)傷早期阻斷縫隙連接通訊，可以顯著減少創(chuàng)傷早期炎性介質(zhì)的釋放從而對創(chuàng)傷早期起保護作用

神經(jīng)變性疾病與縫隙連接分子結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系目前還未闡明。Takeuchi等[17]以阿爾茨默海病大鼠模型做了一項研究，用縫隙連接通道蛋白阻滯劑的作用，動物行為學實驗表明實驗組的記憶認知能力明顯高于對照組，而實驗組腦組織中β蛋白定量也較對照組有所減少。雖然其中的具體分子學機制還未闡明，但這都提示適時阻斷縫隙連接通訊可以改善神經(jīng)變性疾病癥狀。

3.2 縫隙連接通訊與認知功能形成機制的關(guān)系

機體認知功能形成和狀態(tài)維持是一個極為復雜的過程，它由多種細胞因子及神經(jīng)神經(jīng)遞質(zhì)參與，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將不同神經(jīng)認知結(jié)構(gòu)域的信息整合，最終在個體中表現(xiàn)學習、記憶、理解、判斷、執(zhí)行等能力。從宏觀方面講，認知功能的形成是在大腦的特定的部位，如額葉、基底核、顳葉，特別是海馬部位，但這些部位在認知形成和維持中并不是孤立存在的［19］；從微觀層面來說，認知功能形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是腦認知結(jié)構(gòu)域神經(jīng)元的電活動信號，而信號之間的整合和傳導則借助神經(jīng)遞質(zhì)和細胞因子（多巴胺、乙酰膽堿、三磷酸肌醇、Ca2+、K+等），通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及信號傳導途徑來完成［20］。不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及信號轉(zhuǎn)導途徑對信息匯總起重要作用。因此，以上任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導致認知功能障礙。

現(xiàn)已證實縫隙連接直接參與了腦認知功能的過程。目前公認的觀點是海馬振蕩信號（ripple振蕩）讓神經(jīng)元放電同步化，使分散在大腦中的活動集合起來，參與腦的認知功能。海馬震蕩的物質(zhì)基礎(chǔ)是海馬組織的縫隙連接通訊，換句話說是縫隙連接通訊通過介導海馬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)振蕩而參與了認知處理的過程。

Hormuzdi等[18]認為盡管在腦海馬中興奮性或者抑制性化學連接足以產(chǎn)生節(jié)律性振蕩活動，這種節(jié)律性震蕩是腦活動的普遍現(xiàn)象，但是無規(guī)律的微弱的活動是無法被記錄下來的，在沒有縫隙連接參與時，這種震蕩活動的精度和力度都會明顯減弱，縫隙連接組成的電偶聯(lián)具有濾波器特性，能在不同基礎(chǔ)頻率水平同步化神經(jīng)元群活動，從而使神經(jīng)元活動更為有效。這就提示在認知功能過程是GJIC和化學性突觸協(xié)同完成的，后者負責產(chǎn)生基礎(chǔ)震蕩，前者主要是加強調(diào)整、整合震蕩信號。目前研究做多的是超快的ripple振蕩，這些振蕩被認為在多種認知過程中，包括記憶形成、感知覺和其他高級功能中起重要作用。

神經(jīng)元的基礎(chǔ)快速放電對產(chǎn)生ripple振蕩是必須的，但是縫隙連接對ripple的產(chǎn)生也及其重要，實驗證實海馬腦片中縫隙連接抑制劑可以阻斷ripple振蕩，在體外大鼠海馬腦片CA1/CA3區(qū)記錄到的振蕩，也可以被氟烷這種縫隙連接阻滯劑阻斷［21-22］；Marcela[23]通過動物實驗提示Cx36基因敲除的小鼠的ripple振蕩沒有受損，但是卻能夠被縫隙連接的阻滯劑破壞。越來越多的動物實驗證實Cx36基因敲除小鼠通過行為學分析發(fā)現(xiàn)小鼠感覺運動能力和學習記憶過程受損；在實驗中用縫隙連接阻斷劑生胃酮對大鼠水迷宮中的空間學習能力的影響，同樣發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)生胃酮能顯著降低大鼠在空間記憶任務(wù)中的學習能力［24］。這些結(jié)果有力證實了阻斷縫隙連接通訊可以降低機體認知功能。

4 小結(jié)

縫隙連接通訊對認知功能的作用存在兩面性，根據(jù)腦認知功能發(fā)生機制，在正常情況下阻斷縫隙連接可直接降低認知功能，而腦損傷后阻斷縫隙連接通訊則可以改善認知功能。腦損傷后損傷區(qū)瀕死的細胞，可通過縫隙連接通訊使有害信號由損傷區(qū)傳播到臨近腦組織，這對病灶部位的細胞是有利的，但有時卻連累了周圍腦認知功能區(qū)域，這將導致機體認知功能障礙，因此，從這角度講適時阻斷縫隙連接通訊可以減少認知功能損害。

綜上所述，關(guān)于是否可以通過阻斷縫隙連接通訊減少對認知功能的影響，目前尚有爭議。雖然縫隙連接對認知功能存在兩面性，但是可以肯定的是縫隙連接通訊確實參與了腦認知動能的活動。我們還需要進一步研究縫隙連接參與認知功能活動的具體機制，適時調(diào)節(jié)縫隙連接通訊，改善認知功能障礙患者的癥狀，為提高生活質(zhì)量提供重要依據(jù)。

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