成年海馬神經(jīng)發(fā)生與阿爾茨海默病的關(guān)系

丁圣愷 劉倩倩 劉新楊 商亞珍

承德醫(yī)學(xué)院中藥研究所，河北省中醫(yī)藥抗癡呆重點(diǎn)研究室，河北省中藥研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，承德，067000，中國

隨著人口老齡化程度的持續(xù)加深，阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）的患病率逐年增加。表現(xiàn)為漸進(jìn)性的學(xué)習(xí)記憶能力減退、日常生活的能力下降，嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量，給社會和家庭帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)和心理負(fù)擔(dān)。病理上，AD 主要特征為β-淀粉樣斑塊形成的老年斑、Tau 蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)等，AD 患者突觸的逐漸喪失和神經(jīng)元的死亡而引發(fā)學(xué)習(xí)和記憶障礙［1-2］。然而，研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)發(fā)生可補(bǔ)償受損神經(jīng)元及功能，對學(xué)習(xí)記憶能力有改善作用。AD 患者都存在較為明顯的神經(jīng)發(fā)生障礙，神經(jīng)發(fā)生障礙已成為AD 發(fā)病機(jī)制研究的熱點(diǎn)［3］。神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells，NSCs）對于重建或修復(fù)衰老病變組織器官的方面有著巨大的潛力，是目前治療神經(jīng)退行性疾病最有前景的細(xì)胞類型。近年來，研究發(fā)現(xiàn)成年哺乳動物海馬齒狀回存在可以分化為神經(jīng)元的神經(jīng)干細(xì)胞，這一過程與AD 發(fā)生發(fā)展存在著密切聯(lián)系。

1 AD 現(xiàn)狀

AD 是發(fā)生于中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病類的一種?；颊叩呐R床表現(xiàn)以記憶障礙、行為改變以及定向障礙等全面性癡呆為主要特征。隨著人口老齡化的進(jìn)程，2010 年我國第六次全國人口普查顯示，65 歲以上人口1.19 億，約占總?cè)丝诘?.87%。全國精神疾病流行病學(xué)調(diào)查顯示，65 歲人群中AD 的患病率高達(dá)5.56%，患病人數(shù)居世界之首。2019 年阿爾茨海默病協(xié)會（Alzheimer’s Disease International，ADI）在“World Alzheimer Report 2019 Attitudes to Dementia”的報告顯示，全球有超過5 000 萬癡呆癥患者，到2050 年，這一數(shù)字將增加到1.52 億［4］。然而，AD 的病程時間長，有多種并發(fā)癥，需要長期的悉心護(hù)理，不僅嚴(yán)重危害AD 患者的身心健康，而且癡呆癥所帶來的經(jīng)濟(jì)社會負(fù)擔(dān)在全球范圍內(nèi)不斷增加，不同國家的社會經(jīng)濟(jì)后果各不相同［5］。ADI 公布目前癡呆癥的年成本估計為1萬億美元，到2030 年將成本將達(dá)到2 萬億美元［4］。據(jù)調(diào)查，中國每位患者的每年社會經(jīng)濟(jì)成本為19 144.36美元［6］，但目前仍缺乏有效的治療手段和藥物。

2 AD 神經(jīng)病理改變

AD 改變主要為神經(jīng)病理學(xué)特征和神經(jīng)化學(xué)特征兩個方面。目前關(guān)于AD 的發(fā)病機(jī)制有多種學(xué)說，分別為β淀粉樣蛋白（amyloid-β protein，Aβ）學(xué)說，Tau 蛋白纏結(jié)學(xué)說，基因遺傳學(xué)說等。Aβ和Tau 蛋白學(xué)說分別基于AD 的老年斑和神經(jīng)元纖維纏結(jié)2 種神經(jīng)病理學(xué)特征變化提出的。基因遺傳學(xué)說則認(rèn)為AD 是一種遺傳異質(zhì)性疾病，有13 對染色體上的基因與AD 的發(fā)病相關(guān)，其中認(rèn)為有四個基因與疾病風(fēng)險的增加有關(guān)：淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）、早老素1（recombinant presenilin 1，PSEN1）、PSEN2 和載脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）等［7］。

AD 患者大體觀主要病理特征為腦萎縮；鏡下觀臨床尸檢的AD 患者主要特征是Aβ聚集在細(xì)胞外形成老年斑（senile plaque，SP）和Tau 蛋白過度磷酸化聚集在細(xì)胞內(nèi)形成神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangle，NFT），同時，AD 患者大腦不同區(qū)域伴隨著病理進(jìn)展也發(fā)生進(jìn)行性神經(jīng)元凋亡［8-9］。

3 成年海馬的神經(jīng)發(fā)生

神經(jīng)發(fā)生是由神經(jīng)前體細(xì)胞增殖、分化產(chǎn)生為新的成熟神經(jīng)元的過程，新生的神經(jīng)元整合到既有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而發(fā)揮作用［10］。前腦側(cè)腦室內(nèi)側(cè)壁的室下區(qū)（subventricular zone，SVZ）和海馬齒狀回的顆粒細(xì)胞下層（subgranular zone，SGZ）被證實(shí)是成年哺乳動物腦內(nèi)具有神經(jīng)發(fā)生的兩個關(guān)鍵區(qū)域［11］。研究顯示成年海馬中新神經(jīng)元的持續(xù)產(chǎn)生［12］，這些新神經(jīng)元來自成年海馬齒狀回的顆粒細(xì)胞層的前體細(xì)胞和成人NSCs，形成具有活性的新的顆粒細(xì)胞神經(jīng)元［13］。其中，研究結(jié)果顯示SGZ 中的神經(jīng)發(fā)生與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)［14］；海馬的前體細(xì)胞就存在于SGZ 區(qū)，前體細(xì)胞不斷增殖，再分化為顆粒細(xì)胞，并將軸和樹突投射到海馬CA3 區(qū)和分子層［15］，新生的細(xì)胞其功能類似于成熟的神經(jīng)元，可遷移至腦損害部位，顯示神經(jīng)元的形態(tài)，產(chǎn)生動作電位，接受功能突觸輸入，并與周圍神經(jīng)元建立突觸聯(lián)系，從而補(bǔ)償損傷神經(jīng)元的功能。對于AD 患者來說，海馬體的重塑性對記憶和學(xué)習(xí)很重要，而記憶和學(xué)習(xí)是海馬區(qū)研究最多的角色［16］，這一神經(jīng)再生對于改善認(rèn)知障礙具有重要作用。同時，許多神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)精神疾病隨著年齡的增加相應(yīng)增多，并且伴隨著認(rèn)知能力的下降，海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生也受到影響，如AD、帕金森綜合征、抑郁癥和亨廷頓病等［17］。在一定程度上成年海馬神經(jīng)發(fā)生對改善該類疾病的癥狀有潛在意義。

4 成年海馬神經(jīng)發(fā)生與AD

AD 早期，其病理變化始于橫嗅皮層，并逐漸延伸至內(nèi)嗅皮層、海馬，AD 晚期，繼而累及到顳葉、額葉和頂葉，最后直至整個大腦皮層［18］。在AD 患者或AD動物模型中，海馬是大腦中較易損壞的區(qū)域之一，這種損害往往導(dǎo)致AD 的早期癥狀及學(xué)習(xí)記憶缺陷的出現(xiàn)，而早期影響到的主要是海馬神經(jīng)發(fā)生區(qū)域，因此，AD 發(fā)病影響海馬神經(jīng)發(fā)生，海馬神經(jīng)發(fā)生障礙則可能進(jìn)一步加重AD 的認(rèn)知功能的損害。大量研究顯示，伴隨著AD的病變過程中，海馬神經(jīng)發(fā)生也發(fā)生著異常改變［19-21］。

4.1 AD 動物模型海馬神經(jīng)發(fā)生的變化

AD 轉(zhuǎn)基因小鼠模型代表AD 的某一病理機(jī)制的特性，對AD 和成年海馬神經(jīng)發(fā)生存在著共同的相關(guān)病理學(xué)機(jī)制。例如，APP 是一種主要表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的跨膜蛋白。切割時，APP 通過β-和γ-分泌酶裂解釋放出來具有毒性的Aβ，而老年斑就是由38～43 個氨基酸的Aβ組成，是AD 的一個主要神經(jīng)病理學(xué)特征。在非淀粉樣蛋白生成途徑中，α-分泌酶在Aβ結(jié)構(gòu)域內(nèi)裂解APP，導(dǎo)致APP 的可溶性片段 α（soluble amyloid precursor protein α，sAPPα）和膜結(jié)合的羧基末端片段的產(chǎn)生，從而阻止Aβ的形成。APP 的這一種代謝產(chǎn)物sAPPα具有神經(jīng)營養(yǎng)和神經(jīng)保護(hù)的特性［22-24］。觀察PDGF-APPSW，Ind 轉(zhuǎn)基因小鼠，2 月齡，無Aβ斑塊期小鼠出現(xiàn)海馬神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、分化增加，8 月齡，Aβ斑塊初始期和12 月齡，Aβ斑塊進(jìn)展期小鼠海馬神經(jīng)干細(xì)胞增殖降低，分化為神經(jīng)元的能力增強(qiáng)［25］。早老蛋白（presenilin，PS）形成了天冬氨酸蛋白酶γ-分泌酶復(fù)合體的催化核心，負(fù)責(zé)各種I 型膜蛋白的膜內(nèi)加工，包括APP［19］。人類的突變體PS1P117L 在轉(zhuǎn)基因小鼠中表達(dá)降低了BrdU 標(biāo)記的神經(jīng)前體細(xì)胞的存活率，導(dǎo)致家族性AD 突變動物在標(biāo)記后4 周內(nèi)所產(chǎn)生的新的β-Ⅲ-微管蛋白免疫反應(yīng)神經(jīng)元的減少［26］。不同的是在 PS1A246E 轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中，新生細(xì)胞的存活能力降低，而神經(jīng)干細(xì)胞的增殖能力增加［27］。ApoE 中載脂蛋白4（ε4）等位基因的存在是AD 最重要的遺傳危險因素［28］。Jia 等在404 個家族性AD 患者中研究結(jié)果顯示，在無PSEN/APP 突變的患者中，44.31%攜帶一個ApoEε4 等位基因，14.85%攜帶兩個ApoEε4 等位基因［29］。研究發(fā)現(xiàn)ApoE 基因敲除（KO）或人類ApoE4 敲除（Ki）等位基因小鼠的成年神經(jīng)發(fā)生，報告了ApoE-KO 和ApoE4-Ki 小鼠的神經(jīng)發(fā)生均減少，在產(chǎn)生ApoE4 的神經(jīng)元中，Tau 磷酸化和神經(jīng)毒性ApoE 片段的水平都升高，同時伴隨著γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能神經(jīng)元存活率的下降［30］。

4.2 AD 患者海馬神經(jīng)發(fā)生的變化

對于AD 大腦中海馬神經(jīng)發(fā)生增加與否的問題還是存在爭議。例如：臨床尸檢的AD 患者，和正常腦組織對比，AD 患者海馬區(qū)神經(jīng)干細(xì)胞數(shù)目和未成熟的神經(jīng)元標(biāo)志蛋白的表達(dá)增加，但成熟神經(jīng)元標(biāo)志蛋白沒有增加［31］；另外，從AD 患者海馬中分離出的神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)與正常細(xì)胞對比，AD 患者出現(xiàn)較為明顯的神經(jīng)干細(xì)胞增殖降低并且達(dá)到衰老的時間較早［32］。其臨床尸檢結(jié)果來觀察僅僅可能代表患者的后期病變，AD 轉(zhuǎn)基因小鼠模型代表AD 的某一病理機(jī)制的特性，顯然，這些研究發(fā)現(xiàn)并不一致，可能是由于疾病類型的分期、患者所接受的治療以及增殖細(xì)胞的標(biāo)記方法的不同。無論是何種情況，得出AD 患者海馬區(qū)新生神經(jīng)元不能成熟，不能整合到海馬神經(jīng)環(huán)路導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。

5 調(diào)控海馬神經(jīng)發(fā)生與AD

成年海馬神經(jīng)發(fā)生受多種因素的調(diào)控，其中包括神經(jīng)營養(yǎng)因子（neurotrophic factor，NTF）、神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)（neurotransmitter system）、應(yīng)激、蛋白激酶（protein kinase）和激素等，這些因素動態(tài)的影響神經(jīng)發(fā)生的各個階段。Wnt、PI3K/Akt、胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）和cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋 白（cyclic-AMP response element binding protein，CREB）等信號通路調(diào)控著海馬神經(jīng)發(fā)生。Wnt 信號通路參與調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、凋亡等生理病理的環(huán)節(jié)，不僅能抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞活性，同時也能抑制SGZ 區(qū)神經(jīng)發(fā)生［33］。在 AD 中，Wnt 信號通路通過激活 β-catenin 因子抑制GSK-3 活性，減少了Aβ 產(chǎn)生及Tau 蛋白的過度磷酸化，對AD 起到了神經(jīng)保護(hù)作用［34］。PI3K 信號通路在細(xì)胞的分化、增殖和凋亡等生命周期活動中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用，其中蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）是關(guān)鍵的一個因子，AKT磷酸化后處于活化狀態(tài)，然后通過抑制作用于下游的Bax 蛋白的表達(dá)，抑制細(xì)胞凋亡，進(jìn)而起到了神經(jīng)保護(hù)作用［35］。研究表明，PI3K/Akt 信號通路的激活可保護(hù)神經(jīng)元免受Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性的作用［36］。另一條重要途徑是ERK 信號通路，ERK 信號通路的激活明顯提高了神經(jīng)發(fā)生并促進(jìn)新生神經(jīng)元的遷移和存活［37］。Li 等檢測了神經(jīng)絲，一種神經(jīng)發(fā)生的標(biāo)志，均受ERK信號的調(diào)節(jié)［38］。CREB 是一種調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄蛋白，Ser133 位點(diǎn)磷酸化（p-CREB-Ser133）后才具轉(zhuǎn)錄活性，p-CREB-Ser133 通過一系列機(jī)制啟動靶基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)與細(xì)胞周期、信號傳導(dǎo)、生長發(fā)育等相關(guān)的神經(jīng)肽、受體、生長因子及信號分子等，特別是腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）和血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等是促進(jìn)突觸可塑性和海馬神經(jīng)發(fā)生的重要神經(jīng)營養(yǎng)因子，這些因子通過刺激下游信號通路激活CREB，可誘導(dǎo)某些基因表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，發(fā)揮學(xué)習(xí)記憶功能［39-41］。紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）能提高成年海馬神經(jīng)發(fā)生，敲除 EPO 受體使小鼠腦內(nèi)的細(xì)胞凋亡增加［42］。雌激素水平具有潛在的增加神經(jīng)發(fā)生的功能［43］。環(huán)境富集可以增強(qiáng)SGZ 的神經(jīng)發(fā)生，使神經(jīng)元數(shù)量增加功能增強(qiáng)［44］等。這些表現(xiàn)均與AD 的流行病學(xué)相一致。

6 促進(jìn)AD 神經(jīng)發(fā)生的藥物

截止目前，F(xiàn)DA 僅批準(zhǔn)兩類藥物用于治療AD：膽堿酯酶抑制藥（AChEIs）和N-甲基-D-天門冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體拮抗藥，這兩類藥物均能提高神經(jīng)發(fā)生。AChEIs 如加蘭他敏通過與煙堿受體結(jié)合而促進(jìn)腦神經(jīng)發(fā)生，具有神經(jīng)保護(hù)作用。在小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生研究中，加蘭他明可增加齒狀回顆粒下帶BrdU 陽性細(xì)胞數(shù)［45］。美金剛促神經(jīng)發(fā)生功能主要與抑制NMDA 受體的激活有關(guān)，減少興奮毒性，保護(hù)神經(jīng)元，減緩AD 神經(jīng)退化的節(jié)奏［46］。中藥活性成分在調(diào)控神經(jīng)發(fā)生治療AD 的研究也發(fā)揮了積極主動的作用，包括黃芩莖葉黃酮、姜黃素、淫羊藿苷等，可能通過激活多信號通路促進(jìn)成年海馬的神經(jīng)發(fā)生。如：黃芩莖葉黃酮是中藥黃芩地上部分提取分離黃酮類化合物，本實(shí)驗(yàn)室研究表明其具有抗炎、抗缺氧、抗氧化和改善記憶障礙等作用［47］。Zhang 等通過復(fù)合Aβ所致大鼠記憶障礙模型，給予不同劑量的黃芩莖葉黃酮30 d，研究結(jié)果顯示，給藥組比模型組的學(xué)習(xí)記憶能力強(qiáng)且神經(jīng)元凋亡減少［48］。姜黃素是從姜科與天南星科的一些植物根莖中提取的一種酮類化合物，具有抗氧化，抗衰老的活性。Dong 等通過成年雄性SD 大鼠，持續(xù)給藥6 周與12 周對比，其學(xué)習(xí)與記憶能力均有明顯改善，BrdU 陽性細(xì)胞的數(shù)量明顯增多［49］。NSCs 能促進(jìn)腦組織修復(fù)和神經(jīng)元的再生，抑制NSCs 治療AD 的神經(jīng)退行性疾病被認(rèn)為是一種新的治療方法。移植的NSCs細(xì)胞有可能替代受損的神經(jīng)回路，并分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子來對抗癥狀惡化或改變病變蛋白水平［50］。

7 展望

AD 給社會和家庭帶來的負(fù)擔(dān)日趨嚴(yán)峻。目前，治療AD 沒有較好的方法，多年的研究增加了對該疾病機(jī)制的了解，但是對疾病的治療方案仍未有較大突破，這也可能是一旦發(fā)生認(rèn)知功能障礙，就會出現(xiàn)不可逆的神經(jīng)元損傷，成年海馬神經(jīng)發(fā)生可補(bǔ)償受損神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及功能，因此，促進(jìn)AD 大腦中的神經(jīng)發(fā)生可能為AD 提供了一個嶄新的治療手段和應(yīng)用前景，也有利于研究AD 的發(fā)病機(jī)制。AD 是人類健康事業(yè)無法回避的問題，讓我們一起攜手共同克服困難。