酒精干扰成年海马神经发生与诱导痴呆发病的研究

杨海玉 刘勇

酒精干扰成年海马神经发生与诱导痴呆发病的研究

杨海玉 刘勇

酒精中毒是诱导痴呆发病的重要因素。近年来研究证实酒精干扰成年海马神经发生与诱导痴呆发病密切相关。酒精可通过抑制成年海马新生神经元的发生过程而影响学习记忆功能调控,其具体作用机制包括诱导促进神经炎性反应、抑制神经营养因子表达及干扰神经干细胞增殖分化相关信号通路等。目前针对酒精性痴呆患者的治疗手段有限且治疗效果不佳,因此深入阐明酒精导致学习记忆功能障碍的分子机制对于寻求更为有效的治疗方法具有十分重要的意义。

痴呆；酒精性神经病；酒精滥用；海马；神经发生；学习；记忆

目前酒精滥用已成为全球性的医学和社会问题,在我国酒精滥用亦日趋严重。酒精是酒类饮料的主要成分,属亲脂性小分子化学物质,能迅速透过血-脑脊液屏障和细胞膜,对脑内神经元造成直接或间接损害。研究显示酒精中毒已成为诱导痴呆发病的重要因素,但其具体机制仍不十分清楚［1］。长期以来人们认为成年哺乳动物脑内存在的成熟神经元是终末细胞,一旦神经元受损死亡将不可再生,然而神经干细胞(neural stem cell, NSC)的发现改变了这一传统观点。NSC是指存在于中枢神经系统中具有自我更新能力且能够分化为成熟脑细胞(包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞)的多潜能细胞,也是新生神经细胞的发源地。目前认为海马齿状回颗粒下层是成年哺乳动物脑内最重要的NSC聚集区之一,能够不断产生新的颗粒细胞。这些新生的神经细胞通过迁移、分化,最终发育成为新的成熟功能细胞,该过程被称为成年海马神经发生(neurogenesis)。近年来研究证实酒精干扰成年海马神经发生与诱导痴呆发病密切相关。本文就此方面的研究进展做一综述。

1 成年海马神经发生与学习记忆功能

作为中枢神经系统高级活动之一,学习和记忆不仅是高等动物认知的基础,也是动物赖以生存和进化发展的关键。学习和记忆是两个密切联系的神经活动过程。学习是指人或动物通过神经系统接受外界环境信息并通过改变自身行为以适应环境的神经活动过程；而记忆则是指将所获取的信息在脑内储存再现的神经活动过程,按记忆时间长短可将其分为瞬时记忆、短时记忆和长时记忆。作为大脑边缘系统的重要组成部分,海马在学习记忆过程中充当中转站的角色,可接收和加工来自大脑皮质或皮质下中枢神经元传递的感知觉信息,进而形成短时记忆；然后将短时记忆信号转存至大脑皮质或皮质下中枢神经元,最终形成长时记忆。目前研究证实成年海马神经发生与学习记忆功能调控密切相关,新生神经元成熟后可整合到已存在的海马神经环路中,补充和替代衰老/损伤细胞发挥生理功能,进而参与学习记忆的调控过程［2］。研究还发现学习训练可促使正常成年大鼠海马齿状回的新生神经元数目增加,并且进一步证实通过促进海马NSC增殖分化可明显改善动物的学习记忆功能［3-4］。鉴于海马在学习记忆中的重要作用,而且学习过程可以促进海马区新生细胞增加,学者认为成年海马神经发生对于维持正常学习记忆功能具有十分重要的意义,同时关于海马神经发生的研究也为人们对海马功能的认识开辟了一个新的研究领域。

2 酒精干扰成年海马神经发生与诱导痴呆发病

大脑是酒精诱导损伤的最常见靶器官之一,成人慢性酒精中毒患者容易伴发慢性酒精中毒性脑病,亦称为慢性酒精中毒性精神障碍或酒精性痴呆(alcohol-associated dementia,AAD),临床表现为记忆缺损并伴有一种或一种以上认知功能受损的精神行为异常,同时可伴有震颤、谵妄、痉挛发作等神经功能障碍,记忆受损是其最重要和最基本的特征［5］。目前研究认为酒精导致学习记忆功能障碍的主要机制是由于酒精毒性造成海马组织结构破坏及其相关信号通路失调,特别是导致海马神经元大量丢失［6-7］。尽管众多学者对此进行了深入研究,但其具体机制仍不十分清楚。研究推测一方面酒精毒性可导致原有神经元凋亡,而另一方面又启动了神经新生过程,从而导致海马神经结构重建。当神经新生过程不能代偿神经元的丢失,或者新生神经元不能正常分化成熟及重新构建突触结构,最终导致学习记忆功能受到影响。

2.1 酒精对成年海马神经发生的干扰作用 目前大多数研究支持中大量饮酒可抑制成年海马新生神经元的发生过程,并且认为是导致海马大量神经元丢失的重要因素。有学者研究证实急性或慢性酒精作用均能明显抑制成年大鼠海马NSC增殖,尤其是慢性酒精作用可明显抑制NSC存活［8］。Anderson等［9］则研究发现即使低浓度酒精(4%)暴露也可导致动物海马齿状回新生细胞数量明显减少(可达40%)。还有学者给予出生35～40 d的大鼠单次酒精灌胃,5 h后观察到海马新生细胞减少达78%,28 d后仍然保持数目减少［10］。这些研究充分证实了海马NSC对酒精损伤的高度敏感性。然而,另有一些学者观察到酒精对成年海马神经发生具有促进作用,并且可代偿酒精诱导的神经元丢失。Pawlak等证实给予小鼠酒精灌胃14 d后,小鼠海马CA1和CA2区大约有20%的神经元丢失,但齿状回细胞并未减少,实验进一步证实齿状回颗粒下区新生细胞数目明显增加,提示可能是新生神经元代偿了酒精导致的细胞丢失［11］。然而,Aberg等通过对出生10 d的大鼠单次酒精腹腔注射(1.5～3 g/kg),进一步证实酒精虽可促进海马齿状回新生细胞数目增加,但是这些新生细胞表现为未成熟分化表型,提示能够真正分化为成熟神经元的细胞数目并未增加［12］。另外,还有研究发现酒精作用可导致海马新生神经元功能异常,提示新生神经元整合进入海马神经环路中可能存在缺陷［13］。由此可见,关于酒精对海马神经发生的干扰作用涉及多个方面,其具体作用机制及与诱导痴呆发病的关系仍需进一步研究探讨。

2.2 酒精干扰成年海马神经发生的分子机制

2.2.1 诱导促进神经炎性反应：神经炎性损害是酒精性脑病的主要致病机制之一。研究发现慢性酒精作用可通过促进炎性介质如诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧化酶-2(COX-2)等的合成,以及诱导神经胶质细胞释放炎性因子如白细胞介素-1β (IL-1β)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)及IL-6等,进而加重脑组织炎症反应和促进神经细胞死亡［14-15］。目前研究证实酒精诱导的神经炎性反应与酒精抑制海马神经发生密切相关,炎性细胞因子IL-1β信号通路就是其中的关键调控因素［16］。并且研究进一步证实不同年龄及不同脑区对酒精诱导的神经免疫炎性反应具有不同的敏感性,提示可能与不同年龄酒精暴露导致不同的神经系统病理变化有关［17］。另外,有学者通过研究酒精滥用者血液中炎性因子变化与脑组织神经环路功能变化的相关性发现,反复过量饮酒者血液中炎性和抗炎因子水平均发生改变,由此推测反复酒精滥用可诱导细胞因子水平发生改变,从而激活某些特定脑区如海马和前额皮层中的炎性信号通路,进而导致易感个体发生认知障碍［18］。

2.2.2 抑制神经营养因子表达：神经营养因子包括神经生长因子(NGF)、脑源性神经营养因子(BDNF)、神经营养因子3和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等。研究认为神经营养因子是调节神经细胞存活的重要信号分子,在中枢神经系统发育成熟过程中起关键作用［19］。慢性大量饮酒可抑制海马NSC生存与分化并且可能与神经营养因子调控相关［20-21］。Aloe等［22］研究发现慢性酒精作用可明显抑制成年小鼠脑内神经生长因子表达。Climent等［23］也证实酒精可通过降低BDNF的表达,并进一步抑制其受体功能以及与细胞存活密切相关的蛋白激酶信号通路,包括细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2, ERK1/2)和磷脂酰肌醇3-激酶/AKT蛋白激酶(phosphoinositie-3-kinase/Akt,PI3 K/Akt)信号通路,进而影响神经元的生长、分化及生存。有研究通过从大鼠胚胎中提取培养NSC,进一步分析NSC分化与神经营养因子的关系,结果证实促生长因子IGF-1和BDNF均可阻断酒精对NSC分化的抑制作用［24］。以上研究结果提示酒精可通过干扰局部微环境细胞因子信号通路进而影响NSC的增殖与分化过程。

2.2.3 干扰NSC增殖分化信号通路：NSC增殖分化调控是成年海马神经发生的关键环节。研究证实NSC的增殖分化过程受到细胞内多种信号通路调控,主要包括wnt信号通路、Notch信号通路等；并且在神经系统不同部位以及NSC发育不同时期,各种信号通路所发挥的作用也不尽相同。在多种情况下,各种信号通路相互“crosstalk”,最终通过协调作用表现出对神经系统的特定效应［25-26］。有证据表明神经细胞发育的多样性可能与NSC表达多种多样的转录因子有关,不同转录因子的表达可导致不同细胞类型的分化。研究证实酒精可通过DNA甲基化改变某些基因表达,而这些基因主要涉及调控神经元增殖、生存、迁移和分化过程［27］。还有学者从人胚胎脑组织中分离培养NSC,给予酒精(100 mol/L)作用96 h之后,采用基因阵列技术分析证实酒精能明显改变与神经发生及NSC分化相关的基因表达［28］。上述研究结果表明NSC的增殖分化受到内外各种因素的调控影响。深入了解酒精对NSC增殖分化的具体干扰作用,进一步明确哪些作用环节,对于进一步阐明酒精诱导痴呆发病的分子机制具有十分重要的意义。

综上所述,酒精干扰成年海马神经发生与诱导痴呆发病密切相关,酒精可通过干扰NSC增殖分化为成熟神经元进而影响学习记忆功能调控,但其具体作用机制仍需进一步研究探讨。目前针对AAD患者的治疗手段有限且治疗效果不佳,大多数患者不能恢复至正常。因此,深入阐明酒精导致学习记忆功能障碍的分子机制对于寻求更为有效的AAD治疗方法具有十分重要的临床意义和应用价值。

［1］Chen JH,Lin KP,Chen YC.Risk factors for dementia［J］.J Formos Med Assoc,2009,108：754-764.

［2］Deng W,Aimone JB,Gage FH.New neurons and new memories：how does adult hippocampal neurogenesis affect learning and memory？［J］.Nat Rev Neurosci,2010,11：339-350.

［3］Li H,Liang A,Guan F,et al.Regular treadmill running improves spatial learning and memory performance in young mice through increased hippocampal neurogenesis and decreased stress［J］.Brain Res,2013,1531：1-8.

［4］Li E,Chung H,Kim Y,et al.Ghrelin directly stimulates adult hippocampal neurogenesis：implications for learning and memory［J］.Endocr J,2013,60：781-789.

［5］李舜伟.认知功能障碍的诊断与治疗［J］.中国神经精神疾病杂志,2006,32：189-191.

［6］Silvia AL,Consuelo G.Molecular and behavioral aspects of the actions of alcohol on the adult and developing brain［J］. Crit Rev Clin Lab Sci,2011,48：19-47.

［7］Alijan-pour J,Abrari K,Lashkar bluki T.Acute ethanol administration affects memory reactivation：A look at the neuronal density and apoptosis in the rat hippocampus［J］.Pharmacol Biochem Behav,2012,102：321-328.

［8］Nixon K,Crews FT.Binge ethanol exposure decreases neurogenesis in adult rat hippocampus［J］.J Neurochem,2002,83：1087-1093.

［9］Anderson ML,Nokia MS,Govindaraju KP,et al.Moderatedrinking？Alcohol consumption significantly decreases neurogenesis in the adult hippocampus［J］.Neuroscience,2012, 224：202-209.

［10］Crews FT,Mdzinarishvili A,Kim D,et al.Neurogenesis in adolescent brain is potently inhibited by ethanol［J］.Neuroscience,2006,137：437-445.

［11］Pawlak R,Skrzypiec A,Sulkowski S,et al.Ethanol-induced neurotoxicity is counterbalanced by increased cell proliferation in mouse dentate gyrus［J］.Neurosci Lett,2002,327：83-86.

［12］Aberg E,Hofstetter CP,Olson L,et al.Moderate ethanol consumption increases hippocampal cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse［J］.Int J Neuropsychopharmacol,2005,8：557-567.

［13］McClain JA,Morris SA,Marshall SA,et al.Ectopic hippocampal neurogenesis in adolescent male rats following alcohol dependence［J］.Addict Biol,2013 Jul 11.［Epub ahead of print］

［14］Alfonso-Loeches S,Pascual-Lucas M,Blanco AM,et al. Pivotal role of TLR4 receptors in alcohol-induced neuroinflammation and brain damage［J］.J Neurosci,2010,30：8285-8295.

［15］Ehrlich D,Pirchl M,Humpel C.Effects of long-term moderate ethanol and cholesterol on cognition,cholinergic neurons, inflammation,and vascular impairment in rats［J］.Neuroscience,2012,205：154-166.

［16］Zou J,Crews FT.Inflammasome-IL-1βsignaling mediates ethanol inhibition of hippocampal neurogenesis［J］.Front Neurosci,2012,6：77.

［17］Kane CJ,Phelan KD,Douglas JC,et al.Effects of ethanol on immune response in the brain：region-specific changes in adolescent versus adult mice［J］.Alcohol Clin Exp Res, 2014,38：384-391.

［18］Ward RJ,Lallemand F,de Witte P.Influence of adolescent heavy session drinking on the systemic and brain innate immune system［J］.Alcohol Alcohol,2014 Feb 13.［Epub ahead of print］

［19］Fiore M,Laviola G,Aloe L,et al.Early exposure to ethanol but not red wine at the same alcohol concentration induces behavioral and brain neurotrophin alterations in young and adult mice［J］.Neurotoxicology,2009,30：59-71.

［20］Briones TL,Woods J.Chronic binge-like alcohol consumption in adolescence causes depression-like symptoms possibly mediated by the effects of BDNF on neurogenesis［J］.Neuroscience,2013,254：324-334.

［21］杨海玉,吴晓牧,曾玉娥,等.乙醇性痴呆大鼠海马区脑源性神经营养因子的表达变化［J］.中国神经免疫学和神经病学杂志,2013,20：405-407.

［22］Aloe L,Bracci-Laudiero L,Tirassa P.The effect of chronic ethanol intake on brain NGF level and on NGF-target tissues of adult mice［J］.Drug Alcohol Depend,1993,31：159-167.

［23］Climent E,Pascual M,Renau-Piqueras J,et al.Ethanol exposure enhances cell death in the developing cerebral cortex：role of brain-derived neurotrophic factor and its signaling pathways［J］.J Neurosci Res,2002,68：213-225.

［24］Tateno M,Ukai W,Ozawa H,et al.Ethanol inhibition of neural stem cell differentiation is reduced by neurotrophic factors［J］.Alcohol Clin Exp Res,2004,28：S134-S138.

［25］Azim K,Fischer B,Hurtado-Chong A,et al.Persistent Wnt/β-Catenin signaling determines dorsalization of the postnatal subventricular zoneand neural stem cell specification into oligodendrocytes and glutamatergic neurons［J］.Stem Cells,2014 Jan 21.［Epub ahead of print］

［26］Dai Q,Andreu-Agullo C,Insolera R,et al.BEND6 is a nuclear antagonist of Notch signaling during self-renewal of neural stem cells［J］.Development,2013,140：1892-1902.

［27］Chen Y,Ozturk NC,Zhou FC.DNA methylation program in developing hippocampus and its alteration by alcohol［J］. PLoS One,2013,8：e60503.

［28］Vangipuram SD,Lyman WD.Ethanol affects differentiationrelated pathways and suppresses Wnt signaling protein expression in human neural stem cells［J］.Alcohol Clin Exp Res,2012,36：788-797.

(本文编辑：时秋宽)

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国家自然科学基金课题(No.81060111)；江西省卫生厅中医药科研基金重大课题(No.2013Z005)

330006江西省人民医院临床医学研究所(杨海玉)；江西省人民医院病理科(刘勇)

刘勇,Email：jxpathology@126.com