基于Notch信號(hào)通路與突觸可塑性探討針刺治療腦卒中后認(rèn)知障礙*

陳麗敏,白艷杰,王巖,陳淑穎,張雍闖,李曉曉

1.河南中醫(yī)藥大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,河南 鄭州 450000

腦卒中后認(rèn)知障礙(post-stroke cognitive impairment,PSCI)是血管性認(rèn)知障礙的一種亞型,通常在腦卒中發(fā)病后出現(xiàn),包含卒中后非癡呆型認(rèn)知障礙至卒中后癡呆的一系列癥狀[1],主要表現(xiàn)為學(xué)習(xí)記憶障礙、失語(yǔ)、失認(rèn)、失用等。我國(guó)PSCI患病率較高,國(guó)內(nèi)一項(xiàng)社區(qū)現(xiàn)況調(diào)查顯示,腦卒中患者中,PSCI 的發(fā)病率為80.97%,其中,卒中后非癡呆型認(rèn)知障礙占48.91%,卒中后癡呆占32.05%[2]。此外,腦卒中復(fù)發(fā)常見(jiàn)于伴認(rèn)知障礙的患者,簡(jiǎn)易智力狀態(tài)檢查量表評(píng)分越低的患者復(fù)發(fā)的可能性越大[3]。因此,PSCI嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,對(duì)患者、家庭及社會(huì)都造成了沉重負(fù)擔(dān),甚至增加了腦卒中患者的病死率。

目前,PSCI的發(fā)病機(jī)制尚未明確,現(xiàn)有研究多集中于腦血管損傷機(jī)制、腦神經(jīng)退行性變、炎癥機(jī)制及氧自由基損傷機(jī)制等方面[4]。PSCI的臨床用藥主要參考阿爾茨海默病,阻礙疾病向癡呆轉(zhuǎn)化,但藥物療效并不理想,且長(zhǎng)期服用會(huì)出現(xiàn)不良反應(yīng)。因此,尋求PSCI安全有效的治療方法非常重要。有研究表明,突觸可塑性的變化極大程度上影響了腦卒中后神經(jīng)修復(fù)以及認(rèn)知功能障礙的改善,且Notch信號(hào)通路與突觸可塑性密切相關(guān)[5]。針灸治療 PSCI 的主要機(jī)理為抑制炎癥反應(yīng)、調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞凋亡和自噬的過(guò)程、調(diào)節(jié)中樞膽堿能系統(tǒng)、提高突觸可塑性、控制腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和生長(zhǎng)控制因子分泌等[6]。本文以Notch信號(hào)通路為切入點(diǎn),探討針刺提高神經(jīng)細(xì)胞的突觸可塑性,以期為治療PSCI提供新的生物學(xué)依據(jù)。

1 Notch信號(hào)通路與突觸可塑性在治療 PSCI 中的聯(lián)系

1.1 Notch信號(hào)通路與腦卒中Notch信號(hào)通路主要由Notch配體(Delta-like1、3、4和Jagged1、2)、Notch受體(Notch1、2、3、4)、轉(zhuǎn)錄因子CSL、靶基因(Hes1、3、5和Hey)4部分組成[7]。Notch受體可以分為胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū),當(dāng)相鄰細(xì)胞通過(guò)“旁分泌”途徑促進(jìn)Notch配體與受體結(jié)合時(shí),蛋白酶切水解Notch受體、胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(notch intracellular domain,NICD)在細(xì)胞核中與轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物CSL、輔助激活因子MAML等結(jié)合,形成功能性轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物,最后作用于靶基因,調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化和凋亡[8-9]。在腦卒中發(fā)生后,Notch信號(hào)通路的不同配體、受體、靶基因等的表達(dá)水平會(huì)發(fā)生變化,使腦內(nèi)組織發(fā)生一系列病理生理學(xué)改變,對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有害或有益的影響。

腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury,CIRI)后,Notch1的激活可能會(huì)引起細(xì)胞凋亡、保護(hù)神經(jīng)元、提高突觸可塑性等。在細(xì)胞凋亡方面,大腦缺氧時(shí)刺激Notch1受體,游離的胞內(nèi)區(qū)可能激活核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)、缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)、p53及Pin1,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[10-11]。與此相反,在腦內(nèi)低氧時(shí)注入γ-分泌酶抑制劑,會(huì)阻止胞內(nèi)區(qū)的形成,NF-κB表達(dá)減少,進(jìn)一步證實(shí)胞內(nèi)區(qū)能夠上調(diào)NF-κB表達(dá),促進(jìn)神經(jīng)元凋亡。在保護(hù)神經(jīng)元和提高突觸可塑性方面,有研究表明大腦輕度缺氧會(huì)使Notch1、Jagged1、Hes1和BDNF的表達(dá)水平升高,神經(jīng)元突起延長(zhǎng),而使用抑制劑DAPT后,上述分子的表達(dá)急劇下降,且可抑制神經(jīng)元突起的生長(zhǎng)[12]。腦卒中發(fā)生后,Notch1蛋白的表達(dá)增加,海馬神經(jīng)元突觸可塑性相對(duì)提高,而Notch1基因敲除的小鼠會(huì)出現(xiàn)樹突棘數(shù)量的減少[13-14]。

腦卒中的發(fā)病過(guò)程中,Notch2的表達(dá)會(huì)降低血管平滑肌細(xì)胞的活性,使血管損傷后內(nèi)膜的病變加劇。而Notch3的作用與之相反,它能通過(guò)調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)信號(hào)通路促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞的增殖,保護(hù)腦血管[15]。但另一項(xiàng)研究顯示,常染色體顯性遺傳性腦動(dòng)脈病伴皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)腦病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts andleukoencephalopathy,CADASIL)是腦卒中的常見(jiàn)遺傳因素。在CADASIL中,Notch3蛋白增加,腦動(dòng)脈最大擴(kuò)張能力下降,進(jìn)而使腦血流量減少,加重腦損傷[16]。所以,腦卒中發(fā)病后,Notch3的激活對(duì)腦血管的具體作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。在心腦血管疾病研究中,Notch4作用微小,文獻(xiàn)相對(duì)較少[17]。

綜上,Notch信號(hào)通路與腦卒中的進(jìn)展緊密相連,而Notch1蛋白的表達(dá)與神經(jīng)功能的保護(hù)有關(guān)。因此,調(diào)控Notch1的表達(dá)能夠改善腦卒中后的功能障礙。

1.2 突觸可塑性與PSCI在大腦結(jié)構(gòu)中,突觸主要有傳遞信息和儲(chǔ)存信息兩個(gè)功能。突觸可塑性是人類學(xué)習(xí)和記憶的基石,包括結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性。海馬體可以作為機(jī)體學(xué)習(xí)及記憶功能的“操控室”,其作用主要為形成記憶并儲(chǔ)存[18-19]。腦卒中發(fā)生后,腦組織受損程度各異,神經(jīng)系統(tǒng)被損害,激活各種細(xì)胞因子,導(dǎo)致突觸發(fā)生病理性改變,同時(shí)大腦釋放神經(jīng)毒性物質(zhì),抑制神經(jīng)電生理活動(dòng),造成突觸的脫落及結(jié)構(gòu)的改變,從而降低突觸結(jié)構(gòu)可塑性,影響突觸的傳遞功能,引起學(xué)習(xí)、記憶能力下降等認(rèn)知障礙[20]。

突觸結(jié)構(gòu)可塑性表現(xiàn)為突觸數(shù)量、樹突棘密度、平均面積、間隙距離、突觸后致密物、突觸界面曲率的變化及新突觸的形成等[21]。突觸功能可塑性可分為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制,能夠反應(yīng)受損突觸的傳遞效率。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)表現(xiàn)為兩個(gè)神經(jīng)元信號(hào)傳輸過(guò)程中的一種持續(xù)增強(qiáng)現(xiàn)象,能夠促進(jìn)受損突觸的功能恢復(fù)。長(zhǎng)時(shí)程抑制與長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)的功能相反,其中長(zhǎng)時(shí)程抑制表現(xiàn)為持續(xù)的刺激降低突觸的效率,不利于突觸功能的重建[22]。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)是功能可塑性研究最多的一種形式,可以分為早期長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和晚期長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng),突觸蛋白大部分在晚期長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)中合成并運(yùn)輸,主要包括突觸素(synaptophysin,SYP)、神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor,NGF)、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43(growth associated protein,GAP-43)、神經(jīng)細(xì)胞黏附分子(neural cell adhesion molecule,NCAM)等,它們不僅能夠增加樹突棘的數(shù)量,促進(jìn)新突觸間的相互聯(lián)系,而且能提高突觸間的傳遞效率[23-24]。因此,腦卒中后認(rèn)知功能的改變與突觸結(jié)構(gòu)功能被破壞有關(guān),提高海馬區(qū)神經(jīng)突觸可塑性是改善PSCI的有效手段。

2 針刺治療PSCI

中醫(yī)學(xué)將PSCI歸屬于“呆病”的范疇,主要表現(xiàn)為神智異常,由腎虛、痰濁、瘀血等引起,其病位在腦,涉及心、肝、脾、腎[25]。針灸作為中醫(yī)治療的常用手段,治療PSCI經(jīng)驗(yàn)豐富且療效顯著。

2.1 針刺調(diào)控Notch通路Notch通路激活后參與CIRI后的各種病理生理反應(yīng),特別是Notch1受體的激活,能夠發(fā)揮保護(hù)腦組織的作用,與提高海馬組織的學(xué)習(xí)記憶能力有關(guān)[26]。許多研究顯示,針刺可以調(diào)控Notch信號(hào)通路,保護(hù)大腦,改善腦卒中后的功能障礙。Sha等[27]認(rèn)為,電針針刺足三里和外關(guān)穴對(duì)大腦中動(dòng)脈阻塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)大鼠模型的CIRI具有保護(hù)作用,其機(jī)制可能是電針刺激穴位激活Notch1受體,促進(jìn)miR-223的表達(dá),進(jìn)而增加神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells,NSCs)數(shù)量。Tao等[28]研究發(fā)現(xiàn),電針足三里、曲池穴可以通過(guò)促進(jìn)Notch信號(hào)傳導(dǎo)增加BDNF和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞衍生的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的分泌,促進(jìn)海馬NSCs的增殖和分化。在此之后,又有研究顯示,電針MCAO大鼠百會(huì)穴、水溝穴可以上調(diào)大鼠海馬齒狀回區(qū)Notch1、Hes1的表達(dá)水平,促進(jìn)NSCs的增殖[29]。

針刺除了能夠刺激Notch通路,促進(jìn)NSCs的增殖和分化,還能通過(guò)其他途徑保護(hù)受損腦組織。Zhao等[30]認(rèn)為,電針百會(huì)可以促進(jìn)胞內(nèi)區(qū)和HIF-1α的表達(dá),抑制細(xì)胞凋亡,減輕CIRI。趙俊紅等[31]發(fā)現(xiàn),電針百會(huì)、人中穴能夠減輕認(rèn)知障礙,可能與Notch通路調(diào)控神經(jīng)可塑性有關(guān)。雖無(wú)基礎(chǔ)試驗(yàn)直接顯示針刺可以通過(guò)調(diào)控Notch通路改變突觸可塑性,進(jìn)而改善PSCI,但是一項(xiàng)電針干預(yù)放射性腦損傷的實(shí)驗(yàn)表明,針刺百會(huì)、風(fēng)府和雙側(cè)腎俞穴可以增加小鼠體內(nèi)突觸后致密蛋白95、SYP和BDNF的分泌,提高突觸可塑性,改善小鼠學(xué)習(xí)記憶功能,這與針刺調(diào)節(jié)Notch信號(hào)通路密切相關(guān)[32]。見(jiàn)表1。

表1 針刺調(diào)控Notch通路改善腦損傷的機(jī)制

2.2 針刺調(diào)控突觸可塑性海馬區(qū)神經(jīng)元的突觸是大腦學(xué)習(xí)記憶的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),許多基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)顯示,針刺可以通過(guò)調(diào)節(jié)突觸的結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性改善受損大腦的認(rèn)知功能障礙。在突觸結(jié)構(gòu)可塑性方面,一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)采用于氏頭穴叢刺法治療MCAO大鼠后,電鏡觀察結(jié)果顯示大鼠大腦缺血區(qū)突觸小泡數(shù)量增加,突觸間隙減小[33]。Xie等[34]通過(guò)針刺神庭穴和百會(huì)穴治療MCAO大鼠,14 d后,發(fā)現(xiàn)經(jīng)治療的大鼠突觸數(shù)目明顯增多,突觸小泡分布密集,突觸間隙相對(duì)較小,并且神經(jīng)功能缺損評(píng)分和行為學(xué)測(cè)試均有所改善。與以上研究結(jié)果相同,Wen等[35]認(rèn)為滋養(yǎng)肝腎針灸療法能夠通過(guò)分泌BDNF、SYN改變突觸結(jié)構(gòu),改善腦缺血后引起的認(rèn)知障礙。

在突觸功能可塑性方面,有研究發(fā)現(xiàn),針刺足三里和百會(huì)可以促進(jìn)多巴胺及其分泌物的釋放,增加多巴胺受體的表達(dá),進(jìn)而易化LTP,改善認(rèn)知功能[36]。Lin等[37]認(rèn)為電針可以通過(guò)降低N-甲基-D-天冬氨酸受體亞型1(N-methyl-d-aspartate receptor subtype 1,NMDAR1)的表達(dá)和瞬時(shí)受體電位香草亞型1(Transient receptor potential Vanilla subtype 1,TRPV1)介導(dǎo)的神經(jīng)毒性,減輕血管性癡呆大鼠模型中LTP的缺乏。隨后,柳維林[38]發(fā)現(xiàn),電針可能通過(guò)miRNA-129a/PRKG途徑,增加CREB磷酸化,上調(diào)c-fos、c-jun的表達(dá),進(jìn)而修復(fù)樹突結(jié)構(gòu)、易化LTP,減輕學(xué)習(xí)記憶障礙。因此,針刺也可以通過(guò)提高突觸的功能可塑性來(lái)改善PSCI。然而,針刺改善PSCI的相關(guān)研究尚未將Notch信號(hào)通路調(diào)控突觸可塑性的機(jī)制闡明清楚,所以未來(lái)針刺治療PSCI的基礎(chǔ)研究需要向該方向發(fā)展。見(jiàn)表2。

表2 針刺提高突觸可塑性改善腦損傷的機(jī)制

3 通督醒神針調(diào)節(jié)Notch信號(hào)通路治療 PSCI 的研究思路

大量實(shí)驗(yàn)和臨床研究表明,通督醒神針在治療腦卒中各種并發(fā)癥方面療效顯著。本課題組前期的臨床研究對(duì)患者進(jìn)行百會(huì)、神庭、內(nèi)關(guān)和神門穴針刺治療,已經(jīng)證實(shí)通督醒神針能夠改善腦卒中后患者的認(rèn)知功能和精神行為癥狀[39-40]。在中醫(yī)學(xué)的理論之中,督脈是陽(yáng)脈之海,可以統(tǒng)領(lǐng)十二經(jīng)脈;腦為元神之府,可以控制機(jī)體活動(dòng);心主神明,可以調(diào)控機(jī)體的思維、意識(shí)和精神。百會(huì)和神庭是督脈穴位,因此刺激它們會(huì)使陽(yáng)氣運(yùn)至全身,保證機(jī)體各種活動(dòng)正常運(yùn)行。內(nèi)關(guān)穴屬手厥陰心包經(jīng),神門穴屬手少陰心經(jīng),二者都與心臟的功能有關(guān)。針刺二者會(huì)增強(qiáng)心臟泵血,為大腦供血供氧,促進(jìn)大腦功能恢復(fù),改善認(rèn)知障礙。有研究表明,針刺督脈穴位能夠增加與突觸可塑性相關(guān)蛋白的表達(dá),進(jìn)而提高大腦的學(xué)習(xí)記憶能力[41]。腦卒中發(fā)病后,腦組織處于缺血缺氧狀態(tài),Notch1受體被激活,可能會(huì)引起細(xì)胞凋亡,促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化,提高突觸可塑性。

基于以上理論基礎(chǔ)和相關(guān)研究,提示通督醒神針刺法有效治療PSCI與針刺調(diào)節(jié)Notch信號(hào)通路及突觸可塑性有很大的關(guān)聯(lián)。因此有以下假說(shuō):通督醒神針刺法可激活Notch信號(hào)通路,增強(qiáng)海馬區(qū)神經(jīng)元Notch1、Jagged1、NICD、Hes1表達(dá),進(jìn)而提高突觸結(jié)構(gòu)和功能的可塑性,促進(jìn)大腦學(xué)習(xí)記憶能力的恢復(fù),改善PSCI。故在未來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí),可用針刺MCAO大鼠的神庭、百會(huì)、內(nèi)關(guān)、神門等穴位,采取常用病理學(xué)技術(shù)觀察Notch信號(hào)通路和突觸改變的相關(guān)指標(biāo)。在分子層面上,使用免疫熒光、免疫印跡、定量聚合酶鏈反應(yīng)等方法檢測(cè)與該通路以及突觸可塑性有關(guān)的蛋白和基因表達(dá);在突觸的變化方面,用高爾基染色法觀察突觸和樹突的結(jié)構(gòu)可塑性改變,用電生理技術(shù)檢測(cè)LTP的增強(qiáng)并記錄突觸的功能可塑性改變。根據(jù)以上檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,推測(cè)該假說(shuō)是否成立,進(jìn)而探討通督醒神針刺法治療PSCI的病理生理學(xué)機(jī)制。

4 研究與展望

綜上所述,CIRI會(huì)引起神經(jīng)元凋亡、神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化和突觸重塑,而大腦海馬區(qū)的突觸又與機(jī)體的學(xué)習(xí)記憶功能密切相關(guān)。同時(shí),CIRI會(huì)激活Notch信號(hào)通路,進(jìn)而促進(jìn)突觸的重塑,但這不足以與大腦缺血缺氧導(dǎo)致的突觸結(jié)構(gòu)和功能的損害相抗衡,所以需要一種外界干預(yù)措施,促進(jìn)Notch通路的進(jìn)一步激活,提高海馬區(qū)突觸的可塑性。中醫(yī)針刺療法作為治療PSCI的一種手段,在臨床上被廣泛接受,并且療效顯著,但是有關(guān)針刺的分子生物學(xué)研究相對(duì)較少?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于PSCI的治療,針刺不僅可以調(diào)控Notch信號(hào)通路,而且還能提高神經(jīng)元的突觸可塑性。此外,通督醒神針刺法治療PSCI在臨床上有一定的療效,但是該針?lè)ǖ呐R床評(píng)價(jià)以及機(jī)制研究仍處于初步探索階段。因此,未來(lái)可以設(shè)計(jì)樣本量充足、設(shè)計(jì)合理的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證通督醒神針是否能夠通過(guò)調(diào)控Notch信號(hào)通路提高突觸可塑性,進(jìn)而改善PSCI,以豐富通督醒神針刺法治療PSCI的理論基礎(chǔ)。