輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙分子機(jī)制的研究進(jìn)展

方連英，王津晗，趙 輝*

(1.天津商業(yè)大學(xué) 生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院 天津市食品生物技術(shù)重點實驗室， 天津 300134; 2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 放射醫(yī)學(xué)研究所 輻射危害評價室，天津 300192)

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輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙分子機(jī)制的研究進(jìn)展

方連英1，王津晗2，趙 輝1*

(1.天津商業(yè)大學(xué) 生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院 天津市食品生物技術(shù)重點實驗室， 天津 300134; 2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 放射醫(yī)學(xué)研究所 輻射危害評價室，天津 300192)

輻射誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙是多種類型細(xì)胞相互作用的結(jié)果，包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞等。目前研究表明輻射會引起海馬神經(jīng)發(fā)生的減少，突觸可塑性等神經(jīng)功能的改變以及神經(jīng)細(xì)胞炎性因子的升高。

輻射；認(rèn)知障礙；神經(jīng)發(fā)生；神經(jīng)功能；神經(jīng)炎性反應(yīng)

腫瘤是嚴(yán)重危害人類健康的公共衛(wèi)生問題。尤其是顱內(nèi)腫瘤，每年約有50%的原發(fā)性或轉(zhuǎn)移性顱內(nèi)腫瘤患者接受放射治療。放療在抑制顱內(nèi)腫瘤細(xì)胞增殖和促進(jìn)其凋亡方面有很好的效果，但輻射后期會引起認(rèn)知障礙。在接受分次全腦輻射(fractionated whole-brain radiation，fWBI)6個月后的成年顱內(nèi)腫瘤患者中，輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙的發(fā)生率高達(dá)90%，其中約有2%～5%發(fā)展成阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)[1]。因此預(yù)防和治療輻射誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙是臨床亟待解決的問題。輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙的臨床前研究涉及到多種發(fā)病機(jī)理，其致病的相關(guān)分子機(jī)制主要包括以下幾個方面。

1 血管和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞

研究表明輻射會引起血管和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量的改變。接受fWBI的大鼠，腦部內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量、血管密度、血管長度的變化幅度與接受輻射的時間、劑量是相關(guān)的[2]。大鼠接受fWBI 2個月后，海馬組織中毛細(xì)血管稀疏，組織缺氧增加。接受5-Gy劑量輻射后的大鼠，靜脈注射由原代培養(yǎng)的大鼠胚胎神經(jīng)干細(xì)胞(neuronal stem cells，NSCs)，分化成腦內(nèi)皮細(xì)胞和其他類型的腦細(xì)胞，可以恢復(fù)輻射誘導(dǎo)前的腦血流量和認(rèn)知功能[3]。

除了血管內(nèi)皮細(xì)胞以外，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞也在神經(jīng)系統(tǒng)的高級活動中具有復(fù)雜的功能，對神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生、突觸的形成以及學(xué)習(xí)、記憶是至關(guān)重要的。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞主要包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，其中少突膠質(zhì)Ⅱ型星形祖細(xì)胞(oligodendrocyte type-2 astrocyte progenitor cell，O-2A祖細(xì)胞)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中數(shù)量最多且具有增殖能力的祖細(xì)胞[4]。輻射誘導(dǎo)O-2A祖細(xì)胞缺失，使其無法成功分化成少突膠質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而引起髓鞘脫失和白質(zhì)壞死，最終導(dǎo)致認(rèn)知障礙。成年大鼠接受單次全腦輻射(whole-brain irradiation，WBI)(劑量≥3-Gy)或fWBI(劑量≥4.5-Gy)后會導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞缺失[5]。輻射誘導(dǎo)少突膠質(zhì)細(xì)胞缺失可能是瞬時效應(yīng)，因為中年大鼠在接受fWBI 40-Gy 12個月后會引起認(rèn)知障礙，但其腦中髓鞘軸突數(shù)目，髓鞘厚度，髓鞘軸突橫截面積沒有明顯的變化[6]。

2 神經(jīng)發(fā)生

海馬在學(xué)習(xí)、記憶和檢索信息方面起著重要的作用，與人類及嚙齒動物的認(rèn)知功能相關(guān)。海馬主要由齒狀回(dentate gyrus，DG)、CA3和CA1 3部分組成，其中DG是海馬神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生位點之一。在DG中，神經(jīng)干細(xì)胞可以自我更新，分化成神經(jīng)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞等。嚙齒動物接受輻射后，會引起NSCs數(shù)量下降，NSCs再生能力、分化能力下降，并且下降的幅度和接受輻射的劑量相關(guān)[7]。接受單次10-Gy WBI(此劑量不會引起白質(zhì)壞死和髓鞘脫失)的年輕雄性大鼠，和未接受輻射的大鼠相比僅僅會產(chǎn)生3%新的海馬神經(jīng)細(xì)胞[8]?？梢娸椛湔T導(dǎo)的認(rèn)知障礙和海馬神經(jīng)發(fā)生是相關(guān)的，但其分子機(jī)制仍不明確。

除了海馬之外，腦的其他部位在輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙的發(fā)生和發(fā)展過程中也是極其重要的。研究發(fā)現(xiàn)適性局部腦輻射和WBI相比不會引起同程度的認(rèn)知障礙，輻射腦部某些特殊區(qū)域也會導(dǎo)致認(rèn)知障礙[9]。Peiffer使用劑量-體積直方圖分析了兩個臨床試驗表明輻射不是傳送至全腦，而是至腦的特定區(qū)域，如顳葉和海馬[10]。因此輻射誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙不僅僅是海馬神經(jīng)發(fā)生引起的。

3 神經(jīng)功能

輻射會引起突觸可塑性等神經(jīng)功能的改變，進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知障礙。輻射引起海馬長時程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)、即早基因(early-response gene)活性調(diào)控細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白(activity-regulated cytoskeleton，Arc)神經(jīng)受體表達(dá)的改變，此外還會引起N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-Daspartic acid，NMDA)受體亞基和谷氨酰胺轉(zhuǎn)移的改變[11- 12]。近期研究表明，在接受2～10-Gy輻射劑量的腦切片中，酪氨酸磷酸化急劇下降，細(xì)胞表面興奮性NMDA受體減少，抑制性γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)受體增加[13]。此外，Homer1a分子可以調(diào)控突觸后致密物之間的信號傳導(dǎo)，而輻射會引起海馬和皮質(zhì)中Homer1a基因表達(dá)的改變，同時引起代謝性谷氨酸受體1的增加[14- 15]。這些研究結(jié)果為fWBI改變突觸可塑性提供了新的分子機(jī)制。

4 神經(jīng)炎性反應(yīng)

嚙齒動物模型中，接受fWBI/WBI后會引起慢性炎性反應(yīng)，主要包括輻射6個月后DG區(qū)激活的小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量明顯增加，炎性細(xì)胞因子升高；輻射9個月后DG區(qū)顆粒下層趨化因子受體2(chemokine receptor 2，CCR2)增加，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞持續(xù)性激活[16]。接受WBI后，對嚙齒動物進(jìn)行神經(jīng)干細(xì)胞治療，在其腦中注射NSCs。NSCs可分化成神經(jīng)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮膠質(zhì)細(xì)胞，改變海馬的微環(huán)境，進(jìn)而改善認(rèn)知功能。

目前臨床上用于治療輻射誘導(dǎo)腦損傷的處方藥主要包括PPARα、PPARγ拮抗劑以及腎素血管緊張系統(tǒng)的阻斷劑(renin-angiotensin system，RAS)。PPARα和PPARγ是配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，是核受體超家族成員之一，主要調(diào)控炎性信號，在多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中具有保護(hù)神經(jīng)的作用[17]。

成年大鼠服用PPARγ拮抗劑匹格列酮(pioglitazone)3 d后，接受40-Gy劑量的fWBI，持續(xù)給藥54周，第52周時檢測到該藥物抑制輻射誘導(dǎo)的邊緣皮質(zhì)依賴性認(rèn)知障礙[18]。成年雄性大鼠服用PPARα拮抗劑非諾貝特(fenofibrat)1周后，接受40-Gy劑量的fWBI，持續(xù)給藥30周，第26周時檢測到該藥物抑制邊緣皮質(zhì)依賴性認(rèn)知損傷，第30周時檢測到該藥物抑制海馬神經(jīng)細(xì)胞數(shù)目的下降和小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的活化[19]。

另一類藥物RAS阻斷劑也有效預(yù)防和緩解輻射引起的認(rèn)知障礙。研究表明血管緊張素Ⅱ型受體1阻斷劑(angiotensin II type 1 receptor blockers，ARB)和血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑(angiotensin-converting enzyme inhibitors，ACEI)在預(yù)防和治療輻射引起腎、肺的不良反應(yīng)中具有很好的效果。成年雄性大鼠口服ARB(L-158,809)3 d后，接受40-Gy劑量的輻射，持續(xù)給藥28和54周，第26和52周時可檢測到該藥物抑制輻射誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙[20]。值得重視的是，雖然RAS阻斷劑不能阻止輻射誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生的下降，但ACEI和ARB可以抑制輻射誘導(dǎo)的神經(jīng)炎性反應(yīng)和海馬和皮質(zhì)中Homer1a基因表達(dá)的改變[21]。大量的證據(jù)表明，PPARα、PPARγ拮抗劑以及RAS阻斷劑可以抑制輻射誘導(dǎo)的突觸可塑性和神經(jīng)炎性反應(yīng)的變化。因此，采用抗感染的方法改善輻射誘導(dǎo)的腦損傷是有據(jù)可循的。

5 問題與展望

臨床前研究為輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙的分子機(jī)制提供了可靠依據(jù)。盡管已檢測到海馬神經(jīng)發(fā)生和海馬依賴性認(rèn)知功能相關(guān)，但其他腦區(qū)域?qū)椛湔T導(dǎo)認(rèn)知障礙也產(chǎn)生了明顯的影響。此外，臨床處方藥PPARα、PPARγ拮抗劑和RAS阻斷劑可以預(yù)防或改善輻射誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙，但是不能恢復(fù)神經(jīng)發(fā)生。因此臨床上通過干細(xì)胞療法或應(yīng)用PPARα、PPARγ拮抗劑和RAS阻斷劑等干涉類藥物來治愈輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙仍需進(jìn)行深入的研究。與此同時，進(jìn)一步探討輻射誘導(dǎo)認(rèn)知障礙的分子機(jī)制將有助于為臨床預(yù)防、診斷治療腦腫瘤提供更科學(xué)的依據(jù)。

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新聞點擊

山桑子及越橘萃取物保護(hù)眼睛不受紫外線傷害

據(jù)英國《BBC新聞》(BBC NEWS)2013年11月2日報道，日本研究發(fā)現(xiàn)山桑子(bilberry)及越橘萃取物(lingonberry)能保護(hù)眼睛視網(wǎng)膜對抗UV的傷害。

山桑子及越橘萃取物能通過抑制活性氧(ROS)產(chǎn)生及調(diào)節(jié)與壓力(如UVA)的反應(yīng)有關(guān)的特定路徑，保護(hù)對抗UVA誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞傷害，山桑子及越橘萃取物中參與的活性物質(zhì)包括花青素、前花青素、白藜蘆醇等。紫外線是眾所周知造成眼睛各種疾病的原因之一，因此補(bǔ)充山桑子及越橘萃取物能幫助預(yù)防眼部疾病的發(fā)生。

退化性黃斑部病變是目前常見并受到矚目的眼部疾病，為視網(wǎng)膜中央部位退化造成視力出現(xiàn)問題，紫外線也是造成退化性黃斑部病變的原因之一。紫外線照射會造成活性氧(ROS)產(chǎn)生，莓果類的萃取物中的活性成分會掃除這些活性氧(ROS)，例如此項研究指出山桑子及越橘萃取物能幫助對抗UVA對視網(wǎng)膜造成的傷害。

日本研究團(tuán)隊將視網(wǎng)膜細(xì)胞使用山桑子及越橘萃取物或是安慰劑預(yù)處理，然后照射暴露在UVA下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)山桑子及越橘萃取物能改善視網(wǎng)膜細(xì)胞生存能力，以及抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生。山桑子及越橘萃取物能抑制特定的生物化學(xué)路徑，這些路徑扮演著關(guān)鍵角色調(diào)節(jié)細(xì)胞生存或UVA誘導(dǎo)死亡。另外，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)山桑子及越橘萃取物同時處理視網(wǎng)膜細(xì)胞，效果會比單獨山桑子或越橘萃取物處理效果好。

Progress on the molecular pathways of radiation-induced cognitive impairment

FANG Lian-ying1，WANG Jin-han2，ZHAO Hui1*

(1.Tianjin Key Laboratory of Food and Biotechnology, School of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134； 2.Laboratory of Radiation Hazard Assessmen, Institute of Radiation Medicine, Chinese Academy of Medical Sciences, Tianjin 300192, China)

Radiation-induced cognitive impairment is hypothesized to occur because of dynamic interactions between multiple cell types, including astrocytes, endothelial cells, microglia, neurons, and oligodendrocytes. Current researche indicates that radiation-induced changes include the decrease in hippocampus neurogenesis, alterations of neuronal functions, particularly synaptic plasticity, as well as the elevation of neuroinflammatory cytokines.

radiation; cognitive impairment; neurogenesis; neuronal function; neuroinflammation

2014- 06- 20

：2014- 09- 25

國家自然科學(xué)基金(81172837)；天津市農(nóng)產(chǎn)品儲藏加工新工藝及相關(guān)機(jī)理研究創(chuàng)新團(tuán)隊(TD12- 5049)

*通信作者(correspondingauthor)：zhaohui@tjcu.edu.cn

1001-6325(2015)02-0244-04

短篇綜述

R 739.41

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