骨鈣素與認(rèn)知功能障礙機(jī)制的研究進(jìn)展

趙雅莉 閆彩鳳

認(rèn)知功能障礙和骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率都是隨年齡增加而增高的疾病，是普遍的公共健康問題，流行病學(xué)發(fā)現(xiàn)這兩種疾病具有非常高的共病率。研究表明，許多腦源性信號可以同時(shí)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活動(dòng)，進(jìn)而影響骨量?；加猩窠?jīng)精神障礙性疾病的病人通常合并有骨質(zhì)疏松癥或骨量減少[1]；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥病人發(fā)生阿爾茨海默病的概率是正常人的2倍[2]。大量的研究也證實(shí)了骨量減少和骨質(zhì)疏松癥與認(rèn)知功能障礙和阿爾茨海默病密切相關(guān)[3-5]。這種相互之間的關(guān)聯(lián)引發(fā)骨骼和大腦認(rèn)知功能之間的聯(lián)系，提示骨調(diào)節(jié)和其功能相關(guān)因素具有影響大腦認(rèn)知功能的可能。

一直以來，骨骼被視為靜止且堅(jiān)硬的器官，這種特征決定了骨在維持人體結(jié)構(gòu)、促進(jìn)運(yùn)動(dòng)中的重要性。但是近些年發(fā)現(xiàn)骨也有其“柔軟”的一面，即它的內(nèi)分泌功能，作為全身穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)器，控制各種生理途徑。骨鈣素是一種由成骨細(xì)胞表達(dá)和分泌的非膠原蛋白，又稱骨γ-羧基谷氨酸蛋白，臨床上可以作為骨形成的標(biāo)志物，同時(shí)也是骨內(nèi)分泌學(xué)的關(guān)鍵因子之一[6]。2013年，Oury等[7]觀察到骨鈣素基因敲除(Ocn-/-)小鼠較同窩野生型小鼠活躍度明顯降低，它們表現(xiàn)為更加焦慮，記憶力下降更明顯。在解剖學(xué)上，這些小鼠的大腦，尤其是海馬體更小，更不發(fā)達(dá)。另外，該研究者還觀察到，將年輕小鼠含有骨鈣素的血漿注射到老年小鼠中，能改善其認(rèn)知功能，提示外源性骨鈣素可以糾正老年小鼠的認(rèn)知功能下降。Gu等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病小鼠血清中羧化不足骨鈣素的降低與認(rèn)知功能受損有關(guān)。一項(xiàng)納入225名老年人的橫斷面研究顯示，骨鈣素水平與老年女性的執(zhí)行功能和整體認(rèn)知能力呈正相關(guān)[9]。此外，Puig等[10]對肥胖受試者的研究發(fā)現(xiàn)，較低的骨鈣素與較低的認(rèn)知能力以及大腦微結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。無論是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還是臨床研究都證實(shí)了骨鈣素和大腦認(rèn)知功能的相關(guān)性。

1 骨鈣素通過改變大腦神經(jīng)遞質(zhì)影響認(rèn)知功能

在胚胎發(fā)生過程中，母體骨鈣素能有效穿過胎盤屏障、進(jìn)入胎兒的血流，阻止海馬神經(jīng)元凋亡影響大腦認(rèn)知功能發(fā)育。這一點(diǎn)可以從母體Ocn-/-小鼠的幼崽表現(xiàn)為海馬區(qū)解剖缺陷這一實(shí)驗(yàn)中得以證明。在胚胎發(fā)育第16.5天(E16.5)小鼠的骨骼中沒有檢測到內(nèi)源性骨鈣素表達(dá)，但是在E14.5胚胎的血液中檢測到了該蛋白質(zhì)。在沒有母體和內(nèi)源性骨鈣素的情況下，胚胎側(cè)腦室擴(kuò)大，海馬體凋亡細(xì)胞數(shù)量增加。每天向Ocn-/-母親注射骨鈣素可糾正這種解剖表型的異常，并可以部分挽救后代的學(xué)習(xí)和記憶缺陷[7]。

骨鈣素通過血腦屏障可以在中腦(腹側(cè)被蓋區(qū)，呈現(xiàn)多巴胺能神經(jīng)元的核)、腦干(中縫背核和中縫核，富含5-羥色胺能神經(jīng)元)和海馬CA3區(qū)積累，并且可以與這些區(qū)域中影響多種神經(jīng)遞質(zhì)合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的神經(jīng)元特異性結(jié)合。在腦干，骨鈣素結(jié)合在包含5-羥色胺能神經(jīng)元的中縫背核和中縫核中，增加5-羥色胺的合成，誘導(dǎo)鈣內(nèi)流并激活動(dòng)作電位[11]。此外，γ-氨基丁酸在Ocn-/-小鼠大腦的所有區(qū)域都升高，給予外源性骨鈣素處理后，小鼠體內(nèi)γ-氨基丁酸合成和γ-氨基丁酸能中間神經(jīng)元的動(dòng)作電位頻率均降低。在中腦，骨鈣素與腹側(cè)被蓋區(qū)的神經(jīng)元結(jié)合，降低谷氨酸脫羧酶1(Gad1)的表達(dá)，Gad1參與γ-氨基丁酸生物合成；骨鈣素也增加腦干和中腦中色氨酸羥化酶2(Tph2)和酪氨酸羥化酶(Th)的表達(dá)，這兩種酶分別是5-羥色胺、去甲腎上腺素和多巴胺合成的關(guān)鍵酶[7, 11]。通過腦室內(nèi)途徑把骨鈣素注射到Ocn-/-小鼠身上，可使Tph2、Th、Gad1和Gad2的表達(dá)正常[12]。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，骨鈣素能夠減少黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)Th的丟失，調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的功能，進(jìn)而影響大腦認(rèn)知水平，給予外源性骨鈣素可以改善與帕金森病相關(guān)的行為功能障礙[13]。這些結(jié)果為骨鈣素通過腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)影響認(rèn)知功能提供了理論基礎(chǔ)。

2 骨鈣素與Gpr158結(jié)合影響認(rèn)知功能

Ocn-/-小鼠與Gprc6a(G protein-coupled receptor, family C, group 6, member A)受體缺乏(OcnR-/-)小鼠之間行為表型的差異表明骨鈣素對認(rèn)知功能影響的機(jī)制不是由Gprc6a受體介導(dǎo)的。在小鼠的大腦、小腦和腦干中，Gpr158(G protein-coupled receptor 158)的mRNA表達(dá)水平比Gprc6a高5～150倍。Gpr158在Ocn-/-小鼠的海馬體中比在野生型小鼠中更豐富。Gpr 158-/-小鼠表現(xiàn)出比野生型小鼠更嚴(yán)重的焦慮樣行為，在這些小鼠中，認(rèn)知缺陷和焦慮樣行為都不能通過長期注射骨鈣素來糾正，這表明Gpr158是骨鈣素調(diào)節(jié)認(rèn)知功能和焦慮樣行為所必需的受體[14-15]。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究顯示，生物素標(biāo)記的骨鈣素在野生型小鼠海馬體中結(jié)合了一個(gè)含有Gpr158和Gαq(鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白α-q)的復(fù)合物。進(jìn)一步對Gpr158-/-小鼠海馬體的膜進(jìn)行分析時(shí)，Gαq含量大大減少。同樣的，在野生型小鼠中，骨鈣素增加三磷酸肌醇(IP3)的生成顯著多于Gpr158-/-小鼠。IP3是GPCRs信號傳導(dǎo)的第二信使。最終研究分析確定骨鈣素可以結(jié)合一個(gè)含有Gpr158和Gαq的復(fù)合物，這種相互作用促進(jìn)了作為第二信使的IP3的積累增加，IP3可以促進(jìn)細(xì)胞鈣庫內(nèi)鈣離子釋放，發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[14]。

2.1 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)的表達(dá) 在探索Gpr158是否是骨鈣素在大腦中改善認(rèn)知功能的受體時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元中一種眾所周知與認(rèn)知功能相關(guān)的神經(jīng)介質(zhì)——BDNF的表達(dá)和合成增加[16]。Khrimian等[14]的研究也支持了BDNF是骨鈣素在大腦中發(fā)揮作用所涉及的因子。首先，與Gpr158-/-小鼠的海馬神經(jīng)元相比，野生型小鼠BDNF的表達(dá)顯著增加。第二，外周注射未羧化骨鈣素可以通過血腦屏障使16月齡小鼠海馬中BDNF的表達(dá)增加。第三，在接受幼鼠血漿的老年鼠的海馬中BDNF積累增加，但在接受骨鈣素缺乏幼鼠血漿的老年鼠的海馬中BDNF并沒有增加。此研究進(jìn)一步證實(shí)了骨鈣素不僅可以使BDNF囊泡的運(yùn)輸速度增加、暫停時(shí)間減少及活動(dòng)的順行囊泡數(shù)量增多，也可以刺激BDNF囊泡在全身神經(jīng)元中向突觸的特異性運(yùn)輸[14]。這些都表明骨鈣素可以通過與Gpr158結(jié)合后誘導(dǎo)BDNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)增加，進(jìn)而影響大腦認(rèn)知功能。

2.2 原癌基因c-FOS的積累 在野生型小鼠神經(jīng)元中，骨鈣素的局部傳遞可誘導(dǎo)原癌基因蛋白c-FOS的積累，而在Gpr158-/-小鼠中則沒有[15]。一直以來，c-FOS被認(rèn)為是細(xì)胞增殖、分化和轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)因子，在神經(jīng)元中，它的表達(dá)也與涉及記憶和學(xué)習(xí)的過程有關(guān)[17]。骨鈣素與Gpr158結(jié)合誘導(dǎo)神經(jīng)活性基因c-FOS的表達(dá)，對認(rèn)知功能產(chǎn)生一定影響，這是另一種可能涉及的分子機(jī)制。

2.3 RbAp48(組蛋白結(jié)合蛋白)與骨鈣素相互作用 組蛋白結(jié)合蛋白RbAp4/RbAp48表達(dá)減少是人類和野生型小鼠年齡相關(guān)記憶喪失的分子標(biāo)志。老年小鼠RbAp48的過度表達(dá)減輕了衰老相關(guān)的認(rèn)知缺陷并恢復(fù)了組蛋白乙?；痆18]。Kosmidis等[19]發(fā)現(xiàn)，在抑制RbAp48表達(dá)的大鼠海馬中，Gpr158 mRNA水平顯著降低，Gpr158蛋白水平降低，而且RbAp48可影響B(tài)DNF的mRNA水平。這表明了RbAp48可以通過控制Gpr158和BDNF的表達(dá)增加影響骨鈣素在認(rèn)知方面的有益功能。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的研究表明，Ocn/Gpr158通路的激活增加了老年人齒狀回中CA3c和CA3a腦區(qū)RbAp48的表達(dá)，并挽救了與年齡相關(guān)的記憶喪失[18]。這些發(fā)現(xiàn)表明Ocn/Gpr158/RbAp48信號通路相互作用可以挽救與年齡相關(guān)的記憶喪失，改善年齡相關(guān)的認(rèn)知功能障礙。

2.4 神經(jīng)元突觸活動(dòng)的維持 Gpr158被證明是海馬體中一種通路特異性突觸組織者，是正常苔蘚纖維(Mossy fibers, MFs)結(jié)構(gòu)和功能及CA3區(qū)神經(jīng)回路建立所必需的[20]。神經(jīng)元樹突結(jié)構(gòu)對神經(jīng)元整合信號至關(guān)重要，可以影響細(xì)胞的內(nèi)在特性，從而影響學(xué)習(xí)和記憶。Gpr158-/-小鼠干擾了神經(jīng)元形態(tài)的正常發(fā)育。在缺乏Gpr158的情況下，海馬CA3區(qū)苔蘚神經(jīng)元輸入端的突觸傳遞受損[21]。在全細(xì)胞電流鉗記錄(電生理測定)中，骨鈣素增加野生型小鼠海馬CA3區(qū)錐體神經(jīng)元的動(dòng)作電位頻率，但不增加Gpr 158-/-小鼠的動(dòng)作電位頻率[14]。這些發(fā)現(xiàn)表明，骨鈣素與Gpr158結(jié)合后，可維持神經(jīng)元的正常發(fā)育，增加神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢活l率，從而影響大腦認(rèn)知水平。

綜上所述，骨鈣素與Gpr158結(jié)合后通過BDNF、c-FOS、RbAp48以及刺激動(dòng)作電位頻率增加、維持神經(jīng)元正常發(fā)育等方面影響認(rèn)知功能。但是通過原位雜交技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，Gpr158在皮層、梨狀皮質(zhì)、脾后區(qū)和腹側(cè)被蓋區(qū)的體感、運(yùn)動(dòng)和聽覺區(qū)域表達(dá)，并不在骨鈣素活躍的所有大腦區(qū)域表達(dá)，這表明其他受體和機(jī)制也參與了大腦中骨鈣素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

3 骨鈣素通過多種途徑對認(rèn)知功能產(chǎn)生間接影響

骨鈣素不僅具有促進(jìn)胰島B細(xì)胞增殖、增加胰島素敏感性、調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)、防止高脂飲食誘導(dǎo)的葡萄糖不耐受出現(xiàn)等功能[22-24]，也能通過Gprc6a促進(jìn)腸上皮細(xì)胞胰高血糖素樣肽-1 的釋放，從而間接刺激胰島素分泌[25]。長期高血糖通過氧化應(yīng)激反應(yīng)、微血管及神經(jīng)病變等機(jī)制使大腦神經(jīng)元數(shù)量減少、形態(tài)異常及功能失調(diào)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶功能障礙[26]。

骨鈣素能夠促進(jìn)脂肪細(xì)胞中脂聯(lián)素的表達(dá)，通過改善血糖，調(diào)節(jié)脂代謝發(fā)揮糾正代謝異常的作用。研究提示，骨鈣素可能通過NF-κB途徑減輕血管組織中的自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)而維持血管內(nèi)皮細(xì)胞功能正常[27-28]。脂聯(lián)素通過降低炎癥標(biāo)志物水平，如C反應(yīng)蛋白、白細(xì)胞介素-6 和腫瘤壞死因子-α而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[29-30]。糖脂代謝紊亂導(dǎo)致以血管內(nèi)皮損傷為早期表現(xiàn)的動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展加速，而動(dòng)脈硬化是血管性認(rèn)知功能障礙的重要危險(xiǎn)因素之一[31-32]。

大量臨床研究也表明，在正常受試者或患有1型或2型糖尿病、妊娠糖尿病、代謝綜合征和多囊卵巢綜合征的病人中，循環(huán)中骨鈣素水平與空腹血糖、空腹胰島素、胰島素抵抗和脂肪量呈負(fù)相關(guān)，與胰島素分泌、血清脂聯(lián)素水平和無脂肪量(fat free mass, FFM)呈正相關(guān)[12, 24]。這些研究均提示，骨鈣素通過多種間接途徑對認(rèn)知功能產(chǎn)生影響(圖1)。

圖1 骨鈣素與認(rèn)知功能障礙的機(jī)制

4 總結(jié)和展望

臨床研究證實(shí)，骨鈣素和大腦認(rèn)知功能之間存在聯(lián)系，但其作用機(jī)制目前還研究甚少。老年人通常是骨質(zhì)疏松癥、認(rèn)知功能障礙和2型糖尿病等與增齡相關(guān)疾病的高危人群，結(jié)合骨鈣素在改善胰島功能、能量代謝及血管內(nèi)皮功能方面的作用，以及骨鈣素對認(rèn)知功能影響的研究，引發(fā)人們思考是否可以把骨鈣素作為治療老年相關(guān)疾病的一個(gè)有意義的靶點(diǎn)。