血管性認(rèn)知障礙與NMDA受體相關(guān)通路研究進(jìn)展

張 欣,徐忠信,何金婷,王姣琦

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科四病區(qū),吉林 長(zhǎng)春130033)

當(dāng)今社會(huì)人口老齡化趨勢(shì)日益突出,各種年齡相關(guān)疾病的發(fā)病率及患病率均有所上升,認(rèn)知功能障礙作為神經(jīng)內(nèi)科常見(jiàn)疾病,其致病因素復(fù)雜、癥狀多種多樣,前期輕微的癥狀常被患者及家屬忽略,增加了診斷的難度,甚至延誤了最好的治療時(shí)機(jī),給社會(huì)帶來(lái)了重大的醫(yī)學(xué)與社會(huì)問(wèn)題。阿爾滋海默病(AD)與血管性認(rèn)知障礙(VCI)是導(dǎo)致人群發(fā)生認(rèn)知功能障礙的兩大主要疾病。目前,VCI發(fā)病率逐年上升,患病率每5年就會(huì)增加一倍,僅次于AD,排名第二[1],占所有癡呆患者的1/4-1/2。隨著心腦血管疾病患者增多,VCI將有可能取代AD成為引起癡呆的第一大病因[2]。研究發(fā)現(xiàn),32%的腦卒中患者1年后可能罹患不同程度的認(rèn)知功能障礙[3],既往患腦卒中的患者總體認(rèn)知功能障礙的患病率高達(dá)64%,其中1/3會(huì)進(jìn)展為癡呆。如不進(jìn)行有效的干預(yù)治療,患卒中和(或)癡呆的人口將高達(dá)總?cè)丝诘?/3[4]。遺憾的是,目前我們對(duì)血管性認(rèn)知障礙病因及發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不完全清楚,多種影響因素可能參與了其發(fā)生發(fā)展過(guò)程。其中,N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體作為一種興奮性離子型谷氨酸受體,在大腦皮層及海馬中高度表達(dá),參與學(xué)習(xí)和記憶的主要過(guò)程。其功能與結(jié)構(gòu)改變可能與認(rèn)知功能障礙的發(fā)生相關(guān)。本文擬以此為出發(fā)點(diǎn),將血管性認(rèn)知障礙與NMDA受體相關(guān)通路研究進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)。

1 血管性認(rèn)知障礙概述

1.1 血管性認(rèn)知障礙的定義及病因

血管性認(rèn)知功能障礙的定義在很長(zhǎng)一段時(shí)間都存在爭(zhēng)議。問(wèn)題的核心主要集中在對(duì)血管性認(rèn)知功能障礙病因的劃分以及認(rèn)知功能損傷水平的界定上。既往,神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師多將腦卒中導(dǎo)致的癡呆稱為多發(fā)腦梗死性癡呆(MID)或血管性癡呆(VaD)。但臨床上可以見(jiàn)到部分患者無(wú)明確卒中病史,僅有腦血管病相關(guān)的危險(xiǎn)因素,同樣出現(xiàn)了不同程度的認(rèn)知功能障礙,這類患者的認(rèn)知功能下降是否應(yīng)該歸類于血管性認(rèn)知功能障礙仍存在爭(zhēng)議。更進(jìn)一步從疾病發(fā)生的角度探討,腦血管病相關(guān)危險(xiǎn)因素是否可歸類為血管性認(rèn)知功能障礙的病因,這將對(duì)認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制研究、可能患病人群及干預(yù)治療措施產(chǎn)生很大影響。另一方面,認(rèn)知功能損傷水平上,有學(xué)者認(rèn)為除癡呆外,還應(yīng)包含未達(dá)到癡呆診斷標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知障礙綜合征。伴隨著這些問(wèn)題的提出和探討,血管性認(rèn)知功能障礙的定義也幾經(jīng)完善和補(bǔ)充。2006年美國(guó)及加拿大學(xué)者基于對(duì)歐美國(guó)家的卒中患者數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)VCI的病因、范圍等作出了明確規(guī)定：VCI是指不同程度的認(rèn)知功能障礙,其特點(diǎn)是由血管或與血管相關(guān)因素引起,可合并或不合并AD。VCI根據(jù)病因及程度分為三類：未達(dá)癡呆診斷標(biāo)準(zhǔn)的VCI稱為非癡呆性血管性認(rèn)知障礙(VCIND),達(dá)到癡呆診斷標(biāo)準(zhǔn)的VCI稱為血管性癡呆(VaD),如VCI合并AD共同致病稱為混合型癡呆(MD)等[5,6]。無(wú)明確卒中病史,但存在腦血管病危險(xiǎn)因素的患者出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙可歸類為VCIND。將腦血管病危險(xiǎn)因素囊括其中是為了更加有效的評(píng)估可能出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙的患者,并提前干預(yù)認(rèn)知功能損害的發(fā)生及發(fā)展。VCI是一種高度流行和可以防治的綜合征,對(duì)其進(jìn)行早期干預(yù)可使更多的患者受益[5]。

1.2 血管性認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制

由于引起VCI的病因不同,細(xì)胞和組織損害亦不同,VCI可能是血管性危險(xiǎn)因素、機(jī)體和遺傳因素共同作用的結(jié)果。有研究顯示,AD與VaD可能存在共同的病理生理基礎(chǔ),如都發(fā)生了不同程度的腦組織灌注不足,通過(guò)對(duì)相關(guān)病理過(guò)程進(jìn)行干預(yù),可能會(huì)有效控制AD與VaD的發(fā)生發(fā)展。對(duì)于 VCI的神經(jīng)元損傷機(jī)制,興奮性神經(jīng)毒性、中樞膽堿能系統(tǒng)功能紊亂、自由基損傷等均有研究[7],其中興奮性神經(jīng)毒性與VCI神經(jīng)元的病理生理改變關(guān)系最為密切且有廣泛報(bào)道。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的興奮性氨基酸以天門(mén)冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)為主。生理情況下可維持正常的生理功能,但在某些病理情況下,興奮性氨基酸持續(xù)過(guò)度釋放,或其受體的過(guò)度活化,引起神經(jīng)元死亡的過(guò)程稱為興奮性神經(jīng)毒性。谷氨酸受體有代謝型和離子型兩種類型。代謝型谷氨酸受體可通過(guò)膜內(nèi) G-蛋白、第二信使等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)；離子型谷氨酸受體包括 NMDAR(NMDAR)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPAR) 和海人藻酸受體,通過(guò)離子通道偶聯(lián)系統(tǒng)。前者產(chǎn)生緩慢的生理變化,后者介導(dǎo)快信號(hào)傳導(dǎo)。在前文中所提及的病因做用于腦組織,使其發(fā)生缺血缺氧后,突觸前膜釋放的谷氨酸含量明顯增高,持續(xù)過(guò)度激活NMDA受體損傷神經(jīng)元,使其釋放更多谷氨酸,最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞腫脹、空泡變性和細(xì)胞遲發(fā)性死亡。同時(shí),Glu的超常釋放可導(dǎo)致海馬區(qū)域內(nèi)病理性的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng),可能導(dǎo)致海馬神經(jīng)元遲發(fā)性壞死,引起學(xué)習(xí)記憶功能障礙[8]。因此興奮性氨基酸結(jié)合突觸后的NMDA受體,是興奮性神經(jīng)毒性的重要步驟。

2 血管性認(rèn)知障礙與NMDA受體

2.1 NMDA受體的組成

NMDA 受體在腦內(nèi)廣泛分布,海馬 CA1 區(qū)突觸后膜處最為密集[9],這也決定了海馬在學(xué)習(xí)、記憶過(guò)程中的解剖學(xué)基礎(chǔ)。編碼NMDA受體亞單位的基因來(lái)源于 3 個(gè)家族,產(chǎn)生了NR1,NR2A-D 和 NR3幾種亞基[10],構(gòu)成了幾種不同的四聚體或五聚體。兩個(gè)NR1 亞基共同組成NMDA通道的必需組成部分,是NMDAR發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)必不可少的功能亞基。在腦組織中廣泛分布,海馬、大腦皮質(zhì)中分布最為豐富[11]。NR2 亞基對(duì) NMDAR 功能起修飾作用,是 NMDAR 的調(diào)節(jié)亞基,其本身不具有傳遞信息和遞質(zhì)釋放的功能活性[12]。 NR2B亞基參與學(xué)習(xí)記憶的形成過(guò)程,其數(shù)量的增加及功能的增強(qiáng)可提高學(xué)習(xí)記憶能力,可分為NR2A-D四種亞單位[13]。小鼠海馬 NR2B數(shù)量幼年時(shí)較多,其數(shù)量隨著年齡增長(zhǎng)逐漸減少,這也解釋了隨年齡增長(zhǎng)逐漸退化的學(xué)習(xí)記憶功能。NR2C 和 NR2D 的數(shù)量則較穩(wěn)定。小鼠海馬的 NR2B 基因過(guò)度表達(dá),可降低海馬的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)的誘導(dǎo)閾值,使突觸可塑性發(fā)生變化,LTP更易發(fā)生,小鼠學(xué)習(xí)記憶能力增強(qiáng)[14]。NR2B包含糖苷化位點(diǎn)的胞外 N 端、M1-M4 四個(gè)跨膜區(qū)域和含有多個(gè)磷酸酯酶 C(PKC)和 Ca MKII 的磷酸化位點(diǎn)的胞內(nèi) C 端三個(gè)結(jié)構(gòu)域[15]。正常生理情況下,NMDA 受體具有Mg2+結(jié)合位點(diǎn),Mg2+與NMDA受體結(jié)合,可導(dǎo)致Ca2+結(jié)合受阻,NMDAR可以通過(guò)M2 區(qū)域的冬氨基殘基的磷酸化/去磷酸化過(guò)程改變空間構(gòu)象,使Mg2+移位,使突觸后膜對(duì)Ca2+的通透性增加。NR3 亞基在與 NR1/NR2 連接形成復(fù)合體后發(fā)揮抑制作用,使突觸后膜對(duì)Ca2+的通透性降低、對(duì)Mg2+的靈敏度下降,限制興奮性突觸過(guò)度興奮,起到神經(jīng)元保護(hù)作用[16,17]。不同亞基構(gòu)成不同的NMDAR,分布于不同的腦區(qū),也發(fā)揮著不同的生理功能。

2.2 NMDA受體的傳導(dǎo)通路

當(dāng)配體與NMDA 受體結(jié)合后,突觸后 Ca2+濃度迅速升高,與G 蛋白結(jié)合使PKC活化,引起細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)反應(yīng)：首先,可通過(guò)激活PKC,通過(guò)使蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化修飾核轉(zhuǎn)錄因子,干預(yù)相關(guān)靶基因啟動(dòng)和轉(zhuǎn)錄。其次,PKC可使依賴性谷氨酸的釋放增加。最后,突觸后迅速變化的 Ca2+濃度可以進(jìn)一步調(diào)控電壓依賴性通道開(kāi)放,促進(jìn)Ca2+內(nèi)流,引起正反饋效應(yīng)。以上過(guò)程共同作用,可啟動(dòng)LTP效應(yīng)[18],適當(dāng)?shù)拇碳た梢允筁TP作用增強(qiáng),學(xué)習(xí)記憶能力得到提高,但在損傷的腦組織中,過(guò)度興奮的NMDA受體可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣超載,引起細(xì)胞毒性作用,甚至可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,這就是卒中患者認(rèn)知功能下降的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

2.3 NMDA受體的亞細(xì)胞分布

在卒中患者中,認(rèn)知功能障礙發(fā)生率很高,甚是在未發(fā)生明顯腦組織缺血缺氧,僅存在損害腦血管的危險(xiǎn)因素時(shí),認(rèn)知障礙仍較其他神經(jīng)功能缺損癥狀發(fā)生率高。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn),我們可以發(fā)現(xiàn),不同NMDA受體具有細(xì)胞及亞細(xì)胞分布上的差異,這或許可以解釋為什么血管損傷患者易合并認(rèn)知障礙。

在大腦皮質(zhì)、小腦等部位的錐體神經(jīng)細(xì)胞中,微弱的突觸活動(dòng)不能引起動(dòng)作電位時(shí),NMDA 受體偶聯(lián)離子通道可以使少量 Ca2+進(jìn)入細(xì)胞；動(dòng)作電位閾值以上的刺激做用于電壓門(mén)控性鈣通道,使Ca2+大量?jī)?nèi)流,此時(shí)突觸后仍具有自身緩沖Ca2+濃度變化的能力。而海馬 CA1 區(qū)錐體神經(jīng)元這種對(duì)抗Ca2+濃度短時(shí)間、大幅度的變化的能力較弱,這也解釋了為何卒中或存在腦血管病危險(xiǎn)因素的患者,其腦組織缺血缺氧后易發(fā)生認(rèn)知障礙。綜合以上,鈣離子可通過(guò)不同部位、不同時(shí)間、不同濃度的變化,在不同的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生不同的生化改變,產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)[19],這也為干預(yù)突觸可塑性,進(jìn)而干預(yù)認(rèn)知功能障礙提供了生物學(xué)基礎(chǔ)。

在神經(jīng)元中,NMDA 受體在突觸內(nèi)外均有分布,包括突觸前、后、突觸旁和突觸外等區(qū)域,但突觸后致密區(qū)(PSD)最為密集。在興奮性PSD中,樹(shù)突棘NMDA 受體的密度高于樹(shù)突桿和胞體細(xì)胞膜[20-22]。在生理情況下,突觸前膜釋放的谷氨酸鹽遞質(zhì)的含量只能激活較敏感的樹(shù)突棘部位的NMDA受體,而不能使樹(shù)突桿和胞體細(xì)胞膜產(chǎn)生反應(yīng),只有接受了較強(qiáng)刺激,突觸外的NMDA受體才會(huì)激活,引起Ca2+大量進(jìn)入突觸后膜,激活下游通路[20]。上述NMDA受體的分布差異為不同強(qiáng)度刺激引起不同生物學(xué)效應(yīng)提供了解剖學(xué)解釋。

3 NMDA受體與突觸可塑性

突觸的數(shù)量、形態(tài)結(jié)構(gòu)(如突觸小泡數(shù)量)、功能以及突觸間隙的距離可在外界刺激下發(fā)生改變,甚至發(fā)生突觸變性失活,這種特性被稱為突觸可塑性。根據(jù)突觸傳遞效能發(fā)生的變化,可以分為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)[10,21]。Bliss 等[22]在家兔海馬的研究中發(fā)現(xiàn)了LTP現(xiàn)象。NMDA受體在海馬的LTP中起重要作用,其中最重要的是NR2B 亞基。動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn),增加NR2B 基因表達(dá),可以使海馬 LTP得到提高,新生樹(shù)突棘數(shù)量增加,存活率提高[14]。

LTP可分為早時(shí)相 LTP 和晚時(shí)相 LTP,早時(shí)相LTP持續(xù)時(shí)間較短,晚時(shí)相 LTP持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。NMDAR 在突觸長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生過(guò)程中其重要作用,被稱為L(zhǎng)TP的“觸發(fā)器”[23],主要通過(guò) NMDAR-Ca MKII-AMPAR 通路起到調(diào)節(jié)LTP的作用。LTP的第一階段為誘導(dǎo)：NMDA 受體與配體結(jié)合后激活A(yù)MPA 通路,Ca2+釋放激活鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(Ca MKⅡ),Ca MKII是一種多功能絲/蘇氨酸激酶[24]。Ca MKII未激活時(shí),自身抑制結(jié)構(gòu)域可以阻遏催化活性結(jié)構(gòu)域的活性,Ca2+進(jìn)入突觸后與鈣調(diào)蛋白結(jié)合,蘇氨酸殘端自抑制功能區(qū)(Thr286)磷酸化,Ca MKII活化并發(fā)生位移,移位至突觸后致密區(qū)與NMDAR結(jié)合,通過(guò) Ras GEF 或 Ras GAP 兩個(gè)方向調(diào)節(jié) Ras-ERK 通路活性,也可以直接激活GEF,通過(guò)激活A(yù)MPAR受體[25],誘導(dǎo)啟動(dòng)LTP。AMPAR 激活后可使NMDA受體的N2B亞基上的Glu R1 的 S831 位點(diǎn)磷酸化,使 AMPAR 電導(dǎo)能力增強(qiáng),傳遞效率增加,同時(shí)可以通過(guò)增加受體向突觸后膜的遷移效率增加受體數(shù)量,提高LTP效率。Ca MKⅡ激活后,可自身持續(xù)磷酸化引起酶持續(xù)性的活動(dòng),完成LTP的第二階段,即維持[26-28]。在LTP誘導(dǎo)及維持的過(guò)程中,NMDAR起到了至關(guān)重要的作用,過(guò)度的NMDA受體激活會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損害,因此有效阻止NMDAR過(guò)度激活可以降低認(rèn)知障礙的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),換一個(gè)角度思考,在已經(jīng)發(fā)生損傷的神經(jīng)元中,提高LTP的效能,是否可以改善患者的認(rèn)知功能障礙,這為認(rèn)知障礙的治療提供了思路?，F(xiàn)階段部分治療認(rèn)知障礙的藥物正是通過(guò)干預(yù)NMDA傳導(dǎo)通路起作用。

4 血管性認(rèn)知障礙與NMDA受體相關(guān)的治療

美金剛(1-氨基-3,5-二甲基金剛烷鹽酸,Memantine)為NMDA受體拮抗劑,從上世紀(jì)80年代開(kāi)始用于治療Parkinson病。美金剛是一種中等親和力、電壓依賴性、非競(jìng)爭(zhēng)性NMDA受體拮抗劑,既能維持NMDA受體生理性激活,又可阻斷其輕度病理性激活,使得NMDA受體能夠保持其基本的生理活性,且其有效量與中毒量差距較大。美金剛還可以對(duì)缺血缺氧的腦組織起保護(hù)作用[29]。

尼莫地平是二氫吡啶類鈣離子拮抗劑,可以有效阻斷L型鈣通道,避免NMDAR過(guò)度激活,可有效降低細(xì)胞內(nèi)鈣超載的發(fā)生幾率,減輕缺血缺氧造成的神經(jīng)毒性作用。因其較高的脂溶性可有效的的通過(guò)血腦屏障[30],同時(shí)尼莫地平可以與腦血管平滑肌細(xì)胞上的受體特異性地結(jié)合,因此對(duì)腦組織具有較好的組織特異性；此外尼莫地平可以與海馬、皮質(zhì)等與學(xué)習(xí)、記憶相關(guān)腦區(qū)的腦神經(jīng)元細(xì)胞受體結(jié)合,改善學(xué)習(xí)、認(rèn)知功能[31]。因其作用于小血管,可以實(shí)現(xiàn)腦血流的自動(dòng)調(diào)節(jié)、擴(kuò)張腦血管,同時(shí)不產(chǎn)生盜血作用,對(duì)于腦組織代謝的影響較小,對(duì)于心血管疾病外周循環(huán)的血流動(dòng)力學(xué)影響也較小,對(duì)改善腦血管病患者的認(rèn)知功能障礙安全有效[32]。

5 問(wèn)題與展望

美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(AHA)和美國(guó)卒中協(xié)會(huì)(ASA)建議成人卒中康復(fù)過(guò)程中,所有患者均應(yīng)對(duì)認(rèn)知功能進(jìn)行評(píng)估(I,B),在干預(yù)卒中的同時(shí)進(jìn)行認(rèn)知功能障礙的干預(yù)治療。我國(guó)也出臺(tái)了《卒中后認(rèn)知障礙管理專家共識(shí)》,針對(duì)腦血管病危險(xiǎn)因素的一級(jí)預(yù)防、針對(duì)腦卒中發(fā)生發(fā)展及復(fù)發(fā)的二級(jí)預(yù)防和對(duì)癥治療,以減輕卒中后認(rèn)知功能障礙的損害[33]。VCI的診斷一旦明確,就應(yīng)以減輕患者癥狀、延長(zhǎng)患者的生存期、提高患者的生活質(zhì)量為目的進(jìn)行藥物及心理社會(huì)行為等治療。由于目前對(duì)VCI發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不充分,在腦組織缺血缺氧過(guò)程中發(fā)生的與認(rèn)知功能相關(guān)的病理生理過(guò)程又非常復(fù)雜,致使臨床藥物有限,治療成本高,給家庭及社會(huì)都帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)。NMDA受體相關(guān)通路對(duì)學(xué)習(xí)和記憶的影響已經(jīng)得到了公認(rèn)。通過(guò)圍繞NMDA受體的多靶點(diǎn)干預(yù),實(shí)現(xiàn)對(duì)突觸可塑性的調(diào)控,可能成為延緩或逆轉(zhuǎn)認(rèn)知功能障礙發(fā)生發(fā)展的一個(gè)潛在途徑,為臨床藥物的開(kāi)發(fā)提供潛在干預(yù)位點(diǎn)。