缺血性腦卒中對阿爾茨海默病發(fā)病機制的影響

朱瑾 王帥 吳伊麗 季丙元 (濟寧醫(yī)學院行為醫(yī)學實驗室，山東 濟寧 272067)

阿爾茨海默病(AD)是以漸進性記憶力減退、認知功能障礙、人格改變等多方面癡呆表現(xiàn)為主要臨床特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，流行病學調(diào)查顯示，2010年我國約有900萬AD患者〔1,2〕，一般在65歲以上的人群中發(fā)病率較高，其患病率為1%，95歲及以上人群的患病率可達50%，年齡每增加5歲，AD發(fā)病就增加近一倍。缺血性腦卒中(IS)是由于大腦血管堵塞造成大腦缺血、缺氧，引發(fā)的言語困難、半身癱瘓或無力、嚴重的甚至會出現(xiàn)記憶、認知功能和行為異常等一系列癡呆表現(xiàn)的血管性疾病。據(jù)國外研究報道，IS的年平均發(fā)病率為0.58%～0.61%，復發(fā)率為8.47%，55歲后發(fā)生率每10年翻一番〔3,4〕。

它們不僅在發(fā)病年齡、臨床癥狀有相似之處，而且擁有許多相同的危險因素，例如，高齡、吸煙、心臟病、高胱氨酸血癥、載脂蛋白基因多態(tài)性等〔5～7〕。因此，它們的病理過程甚至發(fā)病機制才能相互重疊、相互作用，為我們研究兩種疾病的關(guān)聯(lián)及IS對AD的影響提供依據(jù)〔8～11〕。

1 AD的主要病理特征及發(fā)病機制

1.1β-淀粉樣蛋白(Aβ)為老年斑(SP)的核心 SP主要是由含有39～42個氨基酸殘基的(Aβ)組成。位于細胞外的SP多呈5～10 nm的球形結(jié)構(gòu)，以Aβ為核心，周圍是變性的神經(jīng)細胞樹突與軸突、小膠質(zhì)細胞、星型膠質(zhì)細胞及溶酶體。隨著時間的流逝，顆粒狀結(jié)構(gòu)逐漸消失形成纖維狀結(jié)構(gòu)。而這種Aβ纖維狀結(jié)構(gòu)與SP的形成直接有關(guān)。Aβ是由β淀粉樣前體蛋白(APP)經(jīng)一系列酶切產(chǎn)生的不溶性產(chǎn)物，異常沉積的Aβ可通過多種途徑導致AD的病理變化，例如，Aβ能通過氧化應激、增強致炎因子引起炎性反應、壞鈣離子穩(wěn)態(tài)、能量代謝異常、線粒體功能障礙、誘導細胞凋亡等途徑引發(fā)神經(jīng)細胞損傷〔12〕。Aβ與細胞表面的糖基化終末產(chǎn)物受體(RAGE)受體結(jié)合，使Aβ與細胞黏附誘導過度的氧化應激，從而產(chǎn)生大量的氧自由基，使活性氧(ROS)增加，氧化細胞DNA、神經(jīng)細胞膜蛋白及脂質(zhì)，使核苷酸二聚體化，分別導致復制出現(xiàn)錯誤、蛋白功能的改變及膜障礙及細胞溶解。Aβ會使小膠質(zhì)細胞激活、星形膠質(zhì)細胞增生，激活后分泌細胞因子、補體、炎性分泌物，合成釋放大量炎癥因子和過氧化物，引起興奮性毒性作用。Aβ還能夠在皮層神經(jīng)元中誘導非選擇性的電流，從而轉(zhuǎn)運Ca2+進入脂質(zhì)體，Ca2+通過其通道向內(nèi)流動，引起鈣離子穩(wěn)態(tài)的變化。研究認為Ca2+超載是引起神經(jīng)可塑性及認知下降的原因之一〔13～15〕。Aβ還能夠直接沉積在線粒體膜，輕微的損傷就造成線粒體內(nèi)膜快速去極化、氧化磷酸化的障礙，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)開放，降低了ATP的合成水平，破壞線粒體的結(jié)構(gòu)，使其功能下降。釋放凋亡誘導因子，啟動含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白(Caspase)-9等觸發(fā)凋亡級聯(lián)反應。

1.2微管相關(guān)蛋白-Tau過度磷酸化造成的神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT) Tau蛋白主要分布在神經(jīng)系統(tǒng)，如大腦額葉、顳葉、海馬及內(nèi)嗅區(qū)的神經(jīng)細胞，是微管相關(guān)蛋白組分之一，其含量最高，是一種含磷糖蛋白，主要分布在神經(jīng)元軸突與胞質(zhì)。Tau蛋白一級結(jié)構(gòu)是在蛋白質(zhì)羧基端具有3～4個Pro-Gly-Gly-Gly重復區(qū)，即構(gòu)成Tau蛋白的微管結(jié)合區(qū)。當酸性C端區(qū)至少有6個二聚體與Tau蛋白相互作用時，Tau蛋白便結(jié)合在微管的外表面，Tau蛋白與微管蛋白結(jié)合后，N端的外伸結(jié)構(gòu)域從微管表面伸出來，與其他細胞骨架成分和細胞膜接觸。這樣微管蛋白在此基礎(chǔ)上就延伸聚集形成微管，Tau蛋白相當于微管間的橫橋，維持微管穩(wěn)定性，使微管成束，微管蛋白不易分離。微管、微絲和中間絲組成細胞骨架，對細胞起到機械支撐并參與神經(jīng)細胞軸漿等物質(zhì)運輸。正常情況，磷酸化的Tau蛋白是體內(nèi)多種特異蛋白激酶磷酸化和蛋白磷酸酯酶脫磷酸化作用間相互平衡的結(jié)果，而病理情況下，這種平衡被打破〔16〕。研究表明Tau蛋白過度磷酸化后，喪失與微管結(jié)合的能力，其重復區(qū)R2可與Aβ相結(jié)合形成更穩(wěn)定的可溶性復合物，使Tau蛋白從微管快速分離后很快被Caspases在C末端Asp421位點酶解，酶解產(chǎn)物由于缺乏C末端而更趨向于組裝成病理性神經(jīng)細絲，軸索結(jié)構(gòu)崩解、導致突觸的功能障礙并最終導致神經(jīng)元細胞的死亡。蛋白磷酸酯酶缺陷也是AD患者神經(jīng)細胞骨架蛋白異常磷酸化及其所致的神經(jīng)原纖維變性的基礎(chǔ)。Tau蛋白磷酸化還受O位N-乙酰葡萄糖胺糖基化修飾的負性調(diào)節(jié)，降低細胞的糖基化能夠誘導AD樣神經(jīng)細胞的過度磷酸化和細胞活性下降，影響神經(jīng)絲蛋白軸突轉(zhuǎn)運功能〔17，18〕。

1.3突觸和神經(jīng)元的丟失 突觸是神經(jīng)元之間特異的連接結(jié)構(gòu)，主要形成功能性神經(jīng)環(huán)路，具有儲存信息的作用，所以說，它的結(jié)構(gòu)和功能是學習和記憶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。突觸在神經(jīng)元持續(xù)活動影響下可發(fā)生數(shù)目、結(jié)構(gòu)和功能變化，稱突觸可塑性。AD患者中突觸和神經(jīng)元較正常人減少36%～46%。突觸缺失在AD早期即可出現(xiàn)，以海馬的齒狀回分子層最嚴重，而在海馬的其他區(qū)域和新皮質(zhì)區(qū)程度較輕。突觸減少與神經(jīng)元喪失不成比例，突觸的減少較神經(jīng)元的丟失更為明顯，而且突觸與癡呆的嚴重程度更為密切。在AD中，突觸不僅僅表現(xiàn)為數(shù)目減少、結(jié)構(gòu)異常、甚至還包括功能蛋白紊亂及可塑性受損〔19〕。有研究認為AD早期，由Aβ誘導的鈣濃度的變化和鈣調(diào)磷酸酶的活化等多種途徑干擾正常突觸的可塑性，主要影響長時程增強(LTP)和長時程抑制(LTD)〔20〕。LTP與大腦學習與記憶的關(guān)系是公認的，是表現(xiàn)突觸可塑性的重要電生理指標。在正常的生理條件下，LTP 促進神經(jīng)遞質(zhì)受體集聚和突觸的激活，并使得突觸間連接增強，保持其穩(wěn)定和生長；LTD 導致突觸間的削弱和樹突棘凋亡。在AD中突觸參與記憶過程的兩個重要標記-神經(jīng)信號傳遞的維持均明顯受抑制。還有研究發(fā)現(xiàn)AD模型大鼠中突觸后致密區(qū)(PSD)厚度明顯變薄。PSD主要由突觸相關(guān)蛋白組成，包括在突觸前膜與突觸后膜聚集的蛋白質(zhì)，如突觸結(jié)合蛋白和突觸后致密物質(zhì)(PSD-95)等，這些蛋白質(zhì)都參與突觸可塑性的調(diào)節(jié)。突觸和神經(jīng)元的存活主要依賴于存活信號和凋亡信號轉(zhuǎn)導通路之間的穩(wěn)態(tài)平衡，它們在異常情況下會引起凋亡級聯(lián)反應，導致神經(jīng)元和突觸減少。

客觀的說AD與IS臨床癥狀的起點只是根據(jù)其病理過程的嚴重程度是否發(fā)展到了相應的診斷標準而判斷的，這就解釋了AD與IS只是一種老化過程，并且它們的衰老是一個協(xié)同和累積的病理過程。所以說IS與AD必然存在著關(guān)聯(lián)性，而且使得IS對AD有著如此影響。

2 IS對AD發(fā)病機制的影響

2.1IS對Aβ的影響 IS引起的能量代謝障礙(如氧-葡萄糖的代謝率下降、鈣超載、興奮性氨基酸毒性作用等)使APP的快速順行轉(zhuǎn)運受阻，導致APP積聚和異常降解，從而導致Aβ產(chǎn)生增多〔21〕。APP基因定位于人類第21號染色體上，由細胞外N端長片段、跨膜區(qū)、膜內(nèi)C端構(gòu)成，Aβ部分結(jié)構(gòu)與跨膜區(qū)有重疊部分。編碼細胞表面受體和跨膜前體蛋白，該基因的第16和17外顯子編碼的APP水解片段Aβ淀粉樣肽。也就是APP經(jīng)β分泌酶和γ分泌酶連續(xù)切割產(chǎn)生，β分泌酶水解產(chǎn)生可溶性淀粉樣前體蛋白(SAPP)β和C99，隨后C99被γ分泌酶水解生成Aβ和活化誘導細胞凋亡(AICD)；目前的證據(jù)顯示，APP與腦卒中的關(guān)聯(lián)性可能來至于Aβ的神經(jīng)毒性機制。IS后的星形膠質(zhì)細胞中含有的Kunitz蛋白酶抑制劑(KPI)結(jié)構(gòu)域的剪切體增加，而不含KPI結(jié)構(gòu)剪切體表達下降，抑制α分泌酶的活動，而α分泌酶是水解APP生成SAPPα和C83，隨后C83經(jīng)γ分泌酶水解生成P3和AICD。也就是說它是不產(chǎn)生Aβ的代謝途徑的關(guān)鍵酶，這樣就使非Aβ源裂解途徑受抑制〔22〕，Aβ源裂解途徑相對增加，導致Aβ產(chǎn)生增多。另外，IS還可以誘導神經(jīng)元β位點淀粉樣前體蛋白剪切酶(BACE)mRNA與蛋白水平表達增加從而使其活性增加〔23，24〕，β分泌酶活性增加使APP裂解異常，通過Aβ產(chǎn)生的途徑裂解。而腦內(nèi)Aβ的主要清除途徑之一是通過血腦屏障(BBB)，BBB其重要組成部分是腦微血管內(nèi)皮細胞，正常生理情況下阻擋大分子物質(zhì)通過血液循序入腦，而Aβ作為一種可溶性大分子物質(zhì)它在BBB間的轉(zhuǎn)運可能與血管內(nèi)皮細胞表面的轉(zhuǎn)運受體-低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP) 和糖基化終末產(chǎn)物(AGE)表達異常有關(guān)。但缺血可破環(huán)BBB，而其防止循環(huán)中Aβ進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用也被破壞，Aβ穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的功能減弱，增加了對Aβ的通透性。有研究值得關(guān)注，它認為BBB上受體轉(zhuǎn)運系統(tǒng)及以BBB為核心組分的神經(jīng)血管單元系統(tǒng)異常也可上調(diào)Aβ的水平。一項關(guān)于ApoE的影像學研究顯示，攜帶載脂蛋白(Apo)E基因比非攜帶者的腦血流量呈明顯下降，這表明ApoE基因與IS存在相關(guān)性。而研究認為ApoE是介導細胞外Aβ清除的主要受體，ApoE4還可通過與可溶性Aβ相結(jié)合，從而促進Aβ從α螺旋到β折疊的桔構(gòu)轉(zhuǎn)換，使得Aβ肽具有神經(jīng)毒性〔25～27〕。而ApoE作為清除Aβ的載體蛋白，對Aβ通過BBB也發(fā)揮重要作用。有研究表明，在早老素(PS)1突變小鼠較PS1敲除小鼠中腦缺血梗死面積增加，而形成Aβ的關(guān)鍵酶-γ分泌酶是PS1的組成部分，PS1的第6和第7跨膜區(qū)上有兩個天冬氨酸位點，突變后的表達產(chǎn)物可通過C末端蛋白水解酶的影響而作用于APP的水解過程，使Aβ增加。與PS1的作用基本一致，突變的PS可導致AD患者中Aβ的沉積。

2.2IS誘導Tau蛋白磷酸化導致NFT 有研究顯示在急性IS(AIS)患者的腦脊液中可檢測到Tau蛋白，在梗死發(fā)生的第2天就可檢測到上升，1 w左右達峰值，3～5個月恢復正常，而且Tau蛋白水平的高低與ASI的梗死面積呈正相關(guān)〔28，29〕，可以反映神經(jīng)元的損傷程度。甚至有報道發(fā)現(xiàn)腦缺血再灌注5 min就檢測到Tau蛋白發(fā)生磷酸化。Tau蛋白作為一種神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白，在腦損傷后可從神經(jīng)細胞釋放到細胞外間隙，然后進入腦脊液中，后通過被破壞的BBB滲漏到外周血，因此，腦脊液、外周血Tau蛋白濃度在一定程度上可以反映腦損傷程度〔30〕。IS的早期細胞損傷狀態(tài)激活有絲分裂相關(guān)蛋白激酶，Tau蛋白高度異常磷酸化位點與有絲分裂原激活的蛋白激酶，包括糖原合成激酶Ⅲ，絲裂原活化蛋白激酶、細胞周期依賴性蛋白激酶5、蛋白激酶C，鈣/鈣調(diào)素-依賴性蛋白激酶Ⅱ等信號轉(zhuǎn)導途徑有關(guān)，這些信號途徑的上調(diào)可導致蛋白激酶的異?；罨?，Tau蛋白作為底物可被磷酸化，而Tau蛋白磷酸化除了受蛋白激酶的調(diào)節(jié)，還有磷酸脂酶的參與，糖原合成激酶(GSK)-3是主要的Tau蛋白激酶，蛋白磷酸酶(PP)2A是Tau的主要磷酸脂酶，GSK-3誘導Tau蛋白的多個位點磷酸化，而在諸多磷酸化位點中，pAT8Ser202位點的磷酸化與腦卒中的關(guān)系最為密切，因為pAT8Ser202位點與Tau的微管結(jié)合區(qū)的結(jié)合活性強。而PP2A是Tau蛋白大多數(shù)位點磷酸化后脫磷酸化。蛋白激酶活性升高或磷酸酯酶活性降低都會引起微管相關(guān)蛋白高度磷酸化，具有不可溶性，與微管親和力低，微管的組裝被打亂，Tau蛋白從微管上脫離，聚集成有神經(jīng)毒性的寡聚體，改變了其結(jié)構(gòu)使之形成雙螺旋纖維絲(PHFs)的NFT的結(jié)構(gòu)，樹突、軸突萎縮，導致神經(jīng)元骨架蛋白結(jié)構(gòu)異常、影響神經(jīng)細胞信號傳導、產(chǎn)生毒性作用〔31，32〕、最終誘導分化成熟的神經(jīng)元進入異常有絲分裂狀態(tài)而最終引起凋亡的過程。反過來Tau蛋白的磷酸化又可加重缺血性腦卒中后神經(jīng)的損傷和細胞凋亡。

2.3IS對突觸和神經(jīng)元的影響 IS時缺血區(qū)域形成中心壞死區(qū)和缺血半暗帶，中心壞死區(qū)以神經(jīng)元壞死為主，半暗帶以神經(jīng)元凋亡為主。神經(jīng)元受到損傷，細胞核病變，細胞內(nèi)的分子釋放到細胞外，而線粒體信號凋亡是神經(jīng)元凋亡的主要途徑。IS后，多種凋亡刺激信號被激活，一對凋亡調(diào)控基因bax和bcl-2增高，bax與bcl-2可形成二聚體阻止bcl-2y抑制凋亡，Bax/Bcl-2的比值升高，線粒體膜上的Bax蛋白孔道開放增加，引起細胞色素(Cyt)C的釋放，與凋亡蛋白激活因子A paf-1相結(jié)合形成復合物，激活Caspase-9，活化的Caspase-9活化下游Caspase-3，從而促進細胞凋亡的激活。凋亡一經(jīng)啟動，許多相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄隨即增加，大量氧自由基聚集，細胞內(nèi)鈣超載等，最終發(fā)生神經(jīng)細胞的死亡。而IS參與凋亡的相關(guān)基因bax、bcl-2同樣在AD中也啟動Caspase-9等觸發(fā)凋亡級聯(lián)反應。還有研究證明，微管是腦內(nèi)神經(jīng)元重要的骨架，而Tau蛋白作為微管相關(guān)蛋白，在神經(jīng)元的生長、軸突和樹突的發(fā)出等有重要作用。所以說，在IS后，Tau蛋白的異?？赡苤苯訉е律窠?jīng)細胞的凋亡。而發(fā)生IS，神經(jīng)元自身就直接發(fā)生變化，樹突呈念珠狀，樹突棘長度、密度及樹突分支數(shù)量減少，突觸界面曲率降低。PSD-95表達也下降〔33〕，直接影響神經(jīng)環(huán)路的完整新。成年大鼠缺血損傷后還可觀察到突觸形態(tài)以及LTP、LTD的改變。腦卒中后缺血區(qū)突觸興奮性增加，梗死灶周邊區(qū)功能依賴性LTP的誘導增強〔34〕，影響神經(jīng)遞質(zhì)的釋放及腦功能，導致認知功能不同程度的損害，這可能就是缺血引起癡呆癥狀的主要機制。還有研究〔35〕認為IS可引起膠質(zhì)細胞增生，過度的膠質(zhì)細胞增生會形成膠質(zhì)瘢痕，阻礙軸突延伸形成新突觸。Briones等〔36〕發(fā)現(xiàn)，腦缺血損傷的大鼠經(jīng)過康復訓練后，不僅增加海馬齒狀回的神經(jīng)發(fā)生，同時促進齒狀回突觸形態(tài)可塑性的改變，表現(xiàn)為突觸密度增加、多樣性突觸出現(xiàn)及突觸界面曲率、突觸后致密物厚度和穿孔突觸數(shù)量增加等，改善腦缺血大鼠學習和記憶功能。

就目前而言，沒有一種行之可效的方法或藥物可以根本治愈AD，基于上述對AD與IS發(fā)病機制的理解，我們可以認為治療其中某一種疾病的同時對另一種疾病的預防或治療或許也是有效的，而且根據(jù)文獻報道認為腦卒中后發(fā)生的癡呆是唯一可以預防的癡呆類型，早期積極防治可以看到療效。這樣就提出了對AD防治策略的假設，應采取三級預防：對危險因素的控制、在AD的輕度認知障礙時期的早期預防及對AD病程的延緩。在疾病的早期甚至于剛出現(xiàn)臨床癥狀或是還沒有出現(xiàn)癥狀的時候就進行干預，對疾病的預防和治療才是最佳的。那么良好生活方式正是AD和IS預防的基礎(chǔ)手段。為此，我們應向AD和IS高危人群宣傳健康的飲食和適當運動、并定期監(jiān)測危險因子水平。如增強神經(jīng)血管保護與修復等。有研究表明，防治IS的藥物有助于降低AD的發(fā)病風險。其中降壓治療可使每年的癡呆和AD風險分別降低5%〔37，38〕。綜上，AD與IS作為老年人中最常見的兩種疾病，兩者之間必然存在著千絲萬縷的聯(lián)系，研究IS對AD的影響及機制對我們認識兩種疾病進而對其進行預防和治療有著至關(guān)重要的作用，更關(guān)注老年疾病就要在兩者的關(guān)聯(lián)性上尋找新的突破點，我們的任務還任重道遠。