酒精性腦損傷的突觸機(jī)制及其修復(fù)策略述評(píng)

[摘要]酒精性癡呆日益成為嚴(yán)峻的醫(yī)學(xué)和社會(huì)問題，整體機(jī)制不明是目前酒精性腦損傷干預(yù)和治療的瓶頸。突觸作為神經(jīng)元之間遞質(zhì)釋放與跨膜信息傳遞及整合的核心結(jié)構(gòu)，對(duì)于學(xué)習(xí)記憶等腦的高級(jí)功能具有決定性作用。本文基于突觸傳遞的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，圍繞酒精分子脅迫下突觸傳遞過程和效率的變化，分別從突觸形態(tài)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)基礎(chǔ)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等層面，系統(tǒng)評(píng)述了酒精性腦損傷的突觸機(jī)制及其修復(fù)策略，以期為酒精性腦損傷的深入研究和益智類保健食品開發(fā)提供思路借鑒。

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(No.2014M552203)。

作者單位：1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州市510640；2.無限極(中國(guó))有限公司技術(shù)中心，廣東廣州市510665；3.廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江市524088。作者簡(jiǎn)介：徐德峰(1978-)，男，漢族，安徽碭山縣人，博士，副教授，主要研究方向：食源性益智肽的制備與機(jī)制解析。通訊作者：趙謀明、馬忠華。E-mail: zhaomouming@163.com(趙謀明)；William.Ma@infinitus.com(馬忠華)。

DOI: 10.3969/j.issn.1006-9771.2015.10.014

SynapticMechanismand RepairingStrategiesfor AlcoholicRecognition Impairment (review)

XU De-feng 1,2,3, ZHAOMou-ming 1, MAZhong-hua 2, SU Guo-wan 1, ZHANGTing 2

1.College of Light Industry and Food Science Technology, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China; 2.Technique Center of Infinitus(China)Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510665, China; 3.Collegeof Food Scienceand Technology of Guangdong Ocean University, Zhanjiang, Guangdong524088, China

Abstract: Alcoholic dementiaisincreasingly becoming both aseveremedical issueand asocial problem; theunknown overall mechanism isthebottleneck for effectiveintervention and treatment of alcoholic brain injury.Astheprimary structurefor therelease, transmission of neurotransmitter and information integration between neurons, synapse plays a significant role in performing the advanced function of brain, such as learning and memory.Based on the neurobiological principles of synaptic structure and function, the changes in process and efficiency of synaptic transmission and information integration stressed by alcoholic molecular were reviewed in comparison with the normal process.Themolecular mechanismsfor alcoholic brain damagein learning and memory abilitiesweresystematically discussed from the levelsof synaptic morphology, material components, and signal transduction, respectively, and therepairing strategiesfor thedamaged synaptic structurewereproposed accordingly.Hopefully, thisreview could provideadeep insight into understanding themolecular mechanism of alcoholicbraindamage, anddraw ideasfor thememory-enhancingpeptidesdevelopment.

Keywords: alcoholicbraininjury; synapticmechanism; repairingstrategies; review

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-9771(2015)10-1187-04

[本文著錄格式]徐德峰，趙謀明，馬忠華，等.酒精性腦損傷的突觸機(jī)制及其修復(fù)策略述評(píng)[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐, 2015, 21(10): 1187-1190.

CITED AS: Xu DF, Zhao MM, Ma ZH, et al.Synaptic mechanism and repairing strategies for alcoholic recognition impairment (review)[J].Zhongguo Kangfu LilunYu Shijian, 2015, 21(10): 1187-1190.

各種急慢性酒精濫用及依賴可嚴(yán)重降低大腦的認(rèn)知功能，并引發(fā)諸多社會(huì)問題 [1-4]。突觸作為學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)直接決定了學(xué)習(xí)記憶等大腦高級(jí)功能的有效性和效率。已有的研究表明，酒精性腦損傷的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)主要表現(xiàn)在酒精分子致皮質(zhì)和海馬等學(xué)習(xí)記憶關(guān)鍵腦區(qū)神經(jīng)元丟失和突觸連接弱化 [2,5-8]。但鑒于酒精分子的多靶點(diǎn)和多途徑損傷效應(yīng)，從分子到行為系統(tǒng)闡明突觸傳遞的細(xì)胞與分子機(jī)制是制約酒精性腦損傷功能修復(fù)的瓶頸，而在突觸傳遞微環(huán)路水平闡明酒精性腦損傷的分子機(jī)制則是受損神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重建和功能恢復(fù)的基礎(chǔ)。因此，本文在對(duì)酒精性腦損傷整體現(xiàn)狀文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，圍繞酒精應(yīng)激狀態(tài)下神經(jīng)元突觸傳遞過程和效率的變化，分別從突觸微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)基礎(chǔ)、信號(hào)分子及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等層面，系統(tǒng)評(píng)述了酒精性腦損傷的突觸機(jī)制及其修復(fù)策略，以期為深入理解酒精性腦損傷的分子機(jī)制和促進(jìn)益智類保健食品開發(fā)提供思路借鑒。

1　整體現(xiàn)狀分析

1.1嗜酒和酒精濫用已成為日益嚴(yán)重的全球性醫(yī)學(xué)和社會(huì)問題近年來，因嗜酒和酒精濫用造成的傷害正日益成為全球性醫(yī)學(xué)和社會(huì)問題，酒精中毒者均出現(xiàn)不同程度的學(xué)習(xí)和記憶障礙，長(zhǎng)期亞急性酒精攝入可導(dǎo)致柯薩可夫綜合征，嚴(yán)重?fù)p害學(xué)習(xí)和記憶已是不爭(zhēng)的事實(shí) [9]。在美國(guó)有超過14%的人對(duì)酒精具有依賴，是造成癡呆的第2位原因，并且50%～75%的酗酒者清醒后存在認(rèn)知障礙 [10]。在印度有流行病學(xué)調(diào)查表明，與飲酒相關(guān)的癡呆占10.5%，而與營(yíng)養(yǎng)和阿爾茨海默病相關(guān)的癡呆僅分別為7.5%和4.8% [11]。由WHO資助在中國(guó)五省區(qū)的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在24992名15歲以上的人群中，26.1%的男性和5.4%的女性每天飲酒，所消費(fèi)的酒主要是烈性白酒(占消費(fèi)酒量的50%～ 55%)，其中6.7%每日飲酒多于40 g純酒精 [12]。除醫(yī)學(xué)問題外，酒精依賴和酒精濫用所推高的離婚率、自殺率、交通事故和暴力犯罪率等社會(huì)問題也日益引起人們的關(guān)注。

1.2酒精性腦損傷的整體機(jī)制尚不明確已成為酒精性神經(jīng)退變干預(yù)和治療的瓶頸問題

目前，關(guān)于酒精損害學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制，不同學(xué)者已從突觸構(gòu)成 [3, 13-15]、神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng) [10, 16-18]、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子 [9, 11-13]、受體 [13,19-20]及信號(hào)通路 [22-25]等不同角度進(jìn)行研究，但具體機(jī)制尚未闡明，尤其是從分子到行為的系統(tǒng)深入研究較為缺乏?？傮w研究表明，酒精性腦損傷的主要機(jī)制在于降低了腦區(qū)神經(jīng)傳導(dǎo)的突觸可塑性。作為神經(jīng)元之間連接方式和信息交換的特殊部位，突觸既是內(nèi)外環(huán)境變化最敏感部位，易受年齡、藥物、機(jī)體內(nèi)外環(huán)境變化等因素的影響，同時(shí)突觸又在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能方面表現(xiàn)出一定的可塑性。海馬作為學(xué)習(xí)記憶的關(guān)鍵腦區(qū)，突觸界面結(jié)構(gòu)的可塑性變化與學(xué)習(xí)記憶行為關(guān)系密切 [3,12,14,16]。鑒于突觸傳遞復(fù)雜性和靈敏性，酒精性神經(jīng)退變的干預(yù)和防治研究必須在分子-網(wǎng)絡(luò)-系統(tǒng)-行為的整體層面上展開。

2　突觸機(jī)制研究現(xiàn)狀

2.1突觸可塑性

研究表明，酒精可以直接通過血腦屏障進(jìn)入腦組織，一方面對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生毒害，抑制蛋白質(zhì)合成，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)；另一方面影響神經(jīng)遞質(zhì)的合成、釋放與回?cái)z，引起突觸傳遞功能障礙 [10, 14-16]。突觸可塑性是神經(jīng)系統(tǒng)生長(zhǎng)發(fā)育、損傷與修復(fù)、學(xué)習(xí)與記憶的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)記憶的實(shí)質(zhì)是信號(hào)的傳導(dǎo)和處理過程，這一功能的產(chǎn)生以特定結(jié)構(gòu)的形成為基礎(chǔ)。突觸后致密帶(postsynaptic density, PSD)位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸后膜，除參與錨定突觸后受體和組成細(xì)胞骨架外，更是突觸后信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和整合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。許多研究結(jié)果證明PSD的形態(tài)變化是突觸功能活動(dòng)變化的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。研究表明，急性/亞急性乙醇中毒致小鼠學(xué)習(xí)記憶功能障礙與其降低腦組織抗氧化能力，致海馬突觸界面結(jié)構(gòu)可塑性退變有關(guān) [3, 8, 12]。酒精長(zhǎng)期攝入會(huì)抑制突觸膜上的Na-K-ATP酶活性，使細(xì)胞內(nèi)游離Ca 2+減少，Ca 2+穩(wěn)態(tài)的紊亂導(dǎo)致突觸可塑性變化，引起包括長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-termpotential, LTP)在內(nèi)的多種突觸傳遞功能障礙 [21]。

2.2神經(jīng)生長(zhǎng)因子

受損突觸的修復(fù)需要多種蛋白和因子的參與，其中具有營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)元和促進(jìn)神經(jīng)突起生長(zhǎng)雙重功能的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，對(duì)受損神經(jīng)細(xì)胞的再生和功能特性表達(dá)具有重要調(diào)控作用 [9-10]。目前，酒精性腦損傷研究較多涉及腦源性神經(jīng)生長(zhǎng)因子(brain-derived neurotropic factor, BDNF)。BDNF是體內(nèi)含量最多的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，通過與酪氨酸受體激酶B(tyrosinereceptor kinaseB, TrkB)的結(jié)合而發(fā)揮作用。TrkB胞內(nèi)區(qū)域具有內(nèi)在的酪氨酸激酶活性，BDNF與TrkB結(jié)合后激活胞內(nèi)區(qū)域，引起TrkB自身磷酸化，進(jìn)而激活Ras-有絲分裂原蛋白激酶(Ras-MAPK)通路，最后在cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein, CREB)的絲氨酸位點(diǎn)激活CREB [2,8,22]。CREB通過增加BDNF基因及抗凋亡蛋白基因Bcl-2的表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞生存，并增加突觸可塑性和LTP，從而改善學(xué)習(xí)過程和促進(jìn)記憶形成。BDNF基因敲除的雜合子小鼠，其神經(jīng)病變的發(fā)生比野生型小鼠高許多，表明BDNF作為信號(hào)分子參與突觸傳遞和損傷修復(fù) [10]。

2.3 CREB磷酸化水平

磷酸化是細(xì)胞信號(hào)通路中轉(zhuǎn)錄因子活性調(diào)控的主要機(jī)制。CREB作為最早證實(shí)由磷酸化調(diào)控其活性的轉(zhuǎn)錄因子之一，在腦內(nèi)所有細(xì)胞中均有表達(dá)，定位于核內(nèi)并在多種信號(hào)分子誘導(dǎo)下調(diào)控下游靶基因的表達(dá)。由于在多種細(xì)胞及動(dòng)物模型中證實(shí)CREB磷酸化在學(xué)習(xí)記憶過程中發(fā)揮重要的作用，CREB磷酸化成為近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。CREB可在不同信號(hào)通路的激酶作用下實(shí)現(xiàn)Ser133磷酸化而活化，并在學(xué)習(xí)記憶過程中起重要作用，其中研究最為透徹的為環(huán)腺苷酸單磷酸-蛋白激酶A(cAMP-PKA)通路對(duì)CREB的磷酸化 [13, 21, 23-25]。膜上的G蛋白偶聯(lián)受體與胞外遞質(zhì)等配體結(jié)合后活化，刺激腺苷酸環(huán)化酶增加胞內(nèi)cAMP濃度，4分子cAMP與PKA結(jié)構(gòu)亞基上的位點(diǎn)結(jié)合激活PKA，具有催化活性的PKA調(diào)節(jié)亞基解離并進(jìn)入核內(nèi)，從而啟動(dòng)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。近期研究證實(shí)，在阿爾茨海默病中存在PKA-CREB信號(hào)通路功能障礙 [21]，提示提高CREB活性有望成為改善學(xué)習(xí)記憶的新途徑。而目前關(guān)于p-CREB與酒精染毒對(duì)學(xué)習(xí)記憶功能損傷的研究尚未見報(bào)道。

2.4從信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的系統(tǒng)水平研究酒精性腦損傷的分子機(jī)制目前仍較為薄弱

迄今為止，仍沒有直接證據(jù)表明改變信號(hào)通路是否能影響酒精攝取和/或酒精依賴戒斷癥狀 [22, 26-28]，確定cAMP信號(hào)通路改變與酒精依賴和/或酒精戒斷綜合征之間因果關(guān)系將是酒精成癮機(jī)理研究的主要方向。酒精依賴的機(jī)制涉及細(xì)胞內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)和基因表達(dá)等一系列調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的改變，在正常機(jī)體內(nèi)，機(jī)體通過各種復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)體內(nèi)眾多神經(jīng)遞質(zhì)及激素代謝，保持各系統(tǒng)之間的功能平衡。當(dāng)酒精進(jìn)入體內(nèi)并作用于受體后，引起機(jī)體一系列適應(yīng)性變化以建立新的平衡，而且當(dāng)這種平衡機(jī)制導(dǎo)致依賴時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生酒精依賴癥。酒精攝入一旦停止，便造成機(jī)體功能紊亂產(chǎn)生戒斷綜合征。目前關(guān)于學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)主要集中在MARK和ERK通路上 [22, 25, 29-31]，而對(duì)于酒精性腦損害的信號(hào)機(jī)制缺乏深入研究。由于體內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，必須進(jìn)一步研究與突觸可塑性修復(fù)密切相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)機(jī)制，為分子干預(yù)和靶向修復(fù)奠定理論基礎(chǔ)。

2.5內(nèi)源性神經(jīng)肽

學(xué)習(xí)記憶過程受多種遞質(zhì)和神經(jīng)肽的調(diào)節(jié)，神經(jīng)肽作為含量極低的內(nèi)源性信息物質(zhì)，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)有著廣泛的調(diào)節(jié)作用 [30-32]。研究表明，神經(jīng)肽通常與神經(jīng)遞質(zhì)通過相互作用來影響學(xué)習(xí)和記憶的某環(huán)節(jié)或者某方面，從而參與對(duì)學(xué)習(xí)記憶的調(diào)節(jié) [33-36]。陳麗萍研究發(fā)現(xiàn)慢性酒精作用可改變大鼠下丘腦、海馬、紋狀體和前額葉皮質(zhì)腦區(qū)內(nèi)的腦啡肽水平，慢性酒精作用損害學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制可能是其影響了動(dòng)物腦區(qū)內(nèi)阿片肽的釋放及其活動(dòng)，而非選擇性阿片受體拮抗劑納洛酮能部分逆轉(zhuǎn)或完全逆轉(zhuǎn)慢性酒精攝入后腦區(qū)內(nèi)阿片肽水平的變化。

3　酒精性腦損傷的突觸修復(fù)策略

3.1 ERK信號(hào)通路

從分子水平看，突觸傳遞是一系列信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳導(dǎo)過程，需要突觸前和突觸后許多蛋白和信號(hào)分子共同完成。BNDF作為神經(jīng)生長(zhǎng)因子家族中的重要成員參與突觸形成的調(diào)節(jié)。張子韜對(duì)大鼠原代培養(yǎng)神經(jīng)元的研究表明，BDNF可顯著促進(jìn)突觸形成 [9]。Shiflett等研究發(fā)現(xiàn)BDNF長(zhǎng)時(shí)間作用于神經(jīng)元(12～24h)可通過ERK通路調(diào)節(jié)突觸形成 [31]。ERK通道是與突觸可塑性密切相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道，聯(lián)系著細(xì)胞外信號(hào)與細(xì)胞核的信息表達(dá)，ERK參與多種學(xué)習(xí)和記憶過程，調(diào)控細(xì)胞增殖與分化 [29-31]。ERK對(duì)多種胞外刺激有響應(yīng)，激活狀態(tài)的ERK調(diào)節(jié)突觸蛋白的合成，促進(jìn)新生樹突棘的形成。因此，從ERK信號(hào)通路深入研究突觸修復(fù)的分子機(jī)制可為酒精性腦損傷的功能修復(fù)提供分子靶點(diǎn)。

3.2突觸傳遞效能

基于突觸傳遞過程的研究，在酒精性腦損傷的修復(fù)上目前已有較多報(bào)道。Tiwari等研究表明生育酚可通過降低乙酰膽堿酯酶活力和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的氧化應(yīng)激水平，從而改善慢性酒精致大鼠認(rèn)知功能的紊亂 [24]。陳翠桃等研究表明大蒜多糖可通過調(diào)節(jié)膽堿能和單胺神經(jīng)系統(tǒng)，拮抗持續(xù)過量飲酒導(dǎo)致的小鼠學(xué)習(xí)記憶能力下降和腦細(xì)胞損傷 [32]。于海芙研究了酒精中毒及戒斷對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶及海馬NMDA受體亞基NR2B表達(dá)的影響，結(jié)果表明長(zhǎng)期高濃度飲酒導(dǎo)致的學(xué)習(xí)記憶下降與海馬區(qū)NR2B含量增多密切相關(guān) [17]。李爽等的研究表明，心腦佳配方可能通過對(duì)NMDA受體亞基NR2B蛋白表達(dá)的調(diào)節(jié)而發(fā)揮抗酒精中毒作用 [33]。此類研究均從不同角度論證了修復(fù)突觸傳遞過程的某一方面即可改善酒精性腦損傷，進(jìn)一步表明突觸傳遞效能在學(xué)習(xí)記憶過程中發(fā)揮核心作用。

3.3結(jié)合ERK通路研究食源肽改善酒精性腦損傷的分子機(jī)制將是益智肽研究和開發(fā)的關(guān)鍵

自從Mellander 1950年首次揭示食源性生物活性肽具有生物活性以來，食源性生物活性肽的生物功能就一直引起科學(xué)家的興趣和關(guān)注。作為蛋白質(zhì)特定片段，生物活性肽的多種生物功能已被報(bào)道，其中影響人和動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶等腦高級(jí)功能的一些肽也有報(bào)道 [34-38]。Pei等以大馬哈魚皮膠原蛋白為底物，通過生物酶解技術(shù)制備海洋膠原蛋白寡肽MCP，評(píng)價(jià)了其對(duì)雌性衰老小鼠學(xué)習(xí)記憶的改善效果，并進(jìn)一步探究其分子機(jī)制 [34]。結(jié)果表明，所制備的MCP分子量分布為300～800 Da，添加0.44%濃度的飼料連續(xù)喂養(yǎng)3個(gè)月可以顯著提高受試小鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力，其機(jī)理在于降低氧化應(yīng)激、減少神經(jīng)元凋亡、上調(diào)BDNF和突觸后致密蛋白PSD95的表達(dá)，提示該產(chǎn)品可以開發(fā)為抗衰老的保健食品或藥品。

4　展望

近年來，對(duì)于蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)功能特性，越來越多的學(xué)者認(rèn)同蛋白質(zhì)以肽的形式吸收和發(fā)揮功能。從理論上分析，基于已知的活性肽氨基酸順序，可以采用現(xiàn)代酶解技術(shù)制備功能性肽，開發(fā)相應(yīng)的功能性食品或藥品。在現(xiàn)實(shí)方面，市場(chǎng)上各種功能肽產(chǎn)品的日益豐富也進(jìn)一步說明開發(fā)食源性益智活性肽的可行性?？傮w來講，食源性益智活性肽的研究和開發(fā)目前鮮見報(bào)道，而酒精依賴及其戒斷綜合征所引發(fā)的各種急慢性腦損傷卻嚴(yán)重降低了大腦學(xué)習(xí)記憶功能。因此，圍繞ERK信號(hào)通路系統(tǒng)深入研究酒精性腦損傷的分子機(jī)制及食源肽對(duì)受損神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)作用，明確酒精分子在神經(jīng)細(xì)胞上的信號(hào)靶點(diǎn)，不僅可深化對(duì)腦高級(jí)功能損傷與修復(fù)的理解，而且可為益智活性肽保健產(chǎn)品的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。