运动介导的谷氨酸神经元功能改善与AD病理的相关性研究

毛倩 徐波

摘 要：阿尔兹海默病是临床上最常见的神经退行性疾病，主要表现为进行性记忆与空间认知障碍。AD病理中，与认知相关脑区萎缩并伴随神经元及突触损伤，突触密度及神经网络异常与认知及痴呆程度具有最高的相关性。Aβ寡聚体攻击兴奋性突触后膜谷氨酸受体NMDARs和AMPARs，导致下游信号通路紊乱，降低突触效能及突触可塑性，最终造成神经元-突触丢失或突触丢失。运动能调控谷氨酸受体的选择性表达，提高突触相关调控蛋白的分泌，进而提高突触可塑性及神经网络的完整性，但具体的机制及与AD发病的其他相关因素的交互作用还需进一步的研究与证实。

关键词：阿尔兹海默症 运动 突触丢失 NMDA AMPA

中图分类号：G804 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）12（c）-0009-04

阿尔兹海默病（Alzheimers disease， AD）主要的神经病理学标志包括神经细胞间毒性Aβ集聚产生的老年斑（senile plaques，SP），神经细胞内因微管蛋白Tau异常磷酸化形成的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles， NFTs）和神经元-突触丢失，相对于正常衰老，AD进程中的突触损伤程度更加明显，Aβ寡聚体聚集导致突触失活和成熟神经元凋亡，被认为是AD发病的重要原因[1]。在AD脑中，Aβ斑块周围树突棘异常弯曲并肿胀，Aβ寡聚体通过磷酸化突触后膜NMDA受体调节亚基NR2B，使其激活并对Ca2+通透性增加，导致细胞内Ca2+超载引发细胞毒性。Aβ也可通过与后膜AMPA受体亚基结合，造成其内吞及去稳定化，引发细胞骨架蛋白的丢失。

1 AD与突触损伤

在AD病理中，记忆与认知与突触密度及神经网络异常与认知状态具有最高的相关性。Aβ寡聚体对突触的损伤包括突触数量的改变，突触传递及突触可塑性的变化。临床上AD患者脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）中Aβ寡聚体浓度高于同龄的正常人群。运用最新的阵列层析成像技术（array tomography）對11名AD患者大脑颞上回II-III层皮质中超过50000个突触进行3D成像分析，用synapsinⅠ标记的突触前成分，PSD95标记的突触后成分在NAB61标记的Aβ斑块沉积距离20um以内，突触数量显著降低，在近斑块10um处，突触前成分的丢失高达65%[2]。

1.1 AD脑中突触形态学异常

突触结构损伤作为AD发病的中心环节，在不同种类的转基因模型鼠中已得到证实。通过激光共聚焦技术对3月龄PDAPP小鼠齿状回颗粒细胞（Granular cells，GCs）的树突形态学参数进行量化研究，背侧面浅层GCs树突总长度减少12%，树突的复杂性显著降低[3]。5.5月龄Tg2576转基因鼠的研究中发现，海马CA1区椎体神经元周围的蘑菇样树突棘的密度减少34%，CA1区活性调节细胞骨架相关蛋白Arc（activity-regulated cytoskeleton-associated protein）的表达皆显著上调[4]。运用无偏体视学方法结合透视电镜技术对APP/PS1双转基因AD小鼠的研究显示，10月龄转基因小鼠海马总体积，CA1与 DG体积均显著性减小，CA1和DG区内有髓神经纤维的总体积显著减小，髓鞘总体积也显著减小，这些脱髓鞘的结构性变异可能是AD早期空间学习记忆能力减退的结构基础之一[5]。

1.2 AD脑中突触化学传递与电生理异常

在单转基因hAPP鼠中发现，海马神经元树突棘密度显著下降，兴奋性突触数量减少，从而导致兴奋性突触传递受到抑制，突触循环中的关键突触蛋白的表达下降与突触密度下降成正比，电生理检测发现，海马齿状回及CA1区LTP明显收到抑制。研究发现，在9月龄TgAPP/PS1鼠小脑中，与同月龄野生型小鼠相比，突触素（Synaptophysin， SYP）及BDNF/Trk-B的表达显著下降。BDNF（brain derived neurotrophic factor）作为神经系统内重要的神经营养性蛋白，Trk-B作为其受体，共同参与突触可塑性的调节。用Aβ42处理大鼠海马切片，CA1区Schaffer侧支通路和齿状内侧穿孔路径中的LTP显著降低，CaMKII和AMPA受体的磷酸化激活被阻断，但用BDNF共同培养切片时，Aβ诱导的LTP损伤被抵消[6]。

1.3 AD脑中神经环路调控异常

Aβ的产生与分泌被神经网络精密调控，神经环路由兴奋性，抑制性和神经调节细胞之间大量的突触连接构成。与野生型鼠相比，单转基因hAPP-J20小鼠齿状回可溶性Aβ水平升高，通过EEG（Electroencephalographic）电位记录显示兴奋性神经元的异常放电，齿状回分子层及苔藓纤维神经肽（neuropeptide Y，NPY）的表达水平增高，而其表达的改变是海马兴奋性和抑制性神经元活动失衡的敏感指标，在齿状回切片中发现AD小鼠齿状回颗粒细胞抑制性性突触后电流（EPSPs）的频率与振幅增加，与LTP及钙流相关的谷氨酸能受体NMDA亚基NR2B 1472 位点的磷酸化水平和AMPA亚基GluR1和GluR2的表达显著下降[7]。利用双光子钙成像技术发现，转基因APP23×PS45 AD大鼠皮层中抑制性神经递质GABA（γ-氨基丁酸）的释放较对照组显著减少[8]，在临床研究中，AD患者海马脑区抑制性GABA中间神经元的数量也显著下降。综上所述，抑制性GABA能神经元在AD病理中具有重要作用，通过抑制兴奋性神经元，避免过度兴奋引发突触后膜Ca2+超载引发的神经毒性作用，保持神经网络抑制-兴奋的平衡状态。

2 Aβ累及谷氨酸能受体降低突触可塑性

谷氨酸（Glutamate，Glu）是中枢神经系统主要的兴奋性神经递质。在AD疾病进程中，Aβ造成突触前后膜分泌蛋白，受体的表达异常，进而造成下游信号转导通路的紊乱。N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptors， NMDARs）和α-氨基羟甲基恶唑 丙酸受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor，AMPARs）是调节兴奋性突触传递至关重要的突触后膜受体，也是突触后致密物（PSD）的主要组成部分。

2.1 Aβ与NMDARs

NMDARs是一种离子通道型谷氨酸受体，由3类同源性亚基构成，NR1为结构亚基，NR2作为影响受体通道动力学的调节亚基常被用于NMDARs生理及病理的研究中，NMDARs通过参与LTP（Long-term potentiation）的形成调控突触可塑性。Aβ可直接与NMDARs亚基结合，并显著减少NR1亚基在突触的分布。敲除NR2B的小鼠其树突棘密度显著降低，空间学习能力受损。AD病人海马神经元内NR1亚基表达水平显著降低，突触效能下降。Aβ能引起NMDARs介导的EPSP异常升高，而利用NMDARs拮抗剂MK-801，美金刚等则可以阻断突触的持续高兴奋性，刚美金能够保护Aβ寡聚体引起的ERK信号通路的抑制，从而保护LTP的完整性，在临床上作为兴奋性氨基酸受体拮抗剂，用于治疗中重度至重度阿尔兹海默型痴呆。经过3个月美金刚干预的3xTg-AD鼠，Aβ寡聚体的聚集下降了70%，空间学习能力显著改善。在转基因TgCRND8 鼠的研究中，6月龄鼠脑中CA1区和DG区有大量Aβ斑块沉积，DG斑块面积与CA1区斑块面积相比减少了73%，NMDA/AMPA受体的比率减少47%，CA1区LTP的振幅显著下降，经过美金刚处理后的细胞，LTP的振幅恢复至基础水平的2倍[9]。临床研究表明，在AD晚期，Glu的摄取与释放的循环过程出现障碍，患者顶叶及枕叶皮质中突触素和囊泡谷氨酸转运体（vesicular glutamate transporter，VGLUT1）的表达显著下降[10]，Aβ也可与星型胶质细胞上的α7烟碱型乙酰胆碱能受体（nicotinic acetylcholine receptors，α7-nAChRs）结合，使其释放过高浓度的Glu于突触间隙，引起膜上NMDARs过度激活。推测可能机制是NMDARs的激活能调节下游Ca2+/钙调蛋白CaM依赖的蛋白激酶II（CaMKII），其作为神经细胞兴奋性转录耦联的媒介，通过ser133位点的磷酸化，激活下游cAMP反映元件结合蛋白（CBEB）的持续磷酸化，促进与突触可塑性相关转录因子的转录，p-CERB也能促进BDNF的表達；另一方面，通过抑制凋亡相关通路中相关因子半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspases），Bcl-2和FOXO（forkhead box protein O）的表达，从而发挥其神经保护作用[11]。

2.2 Aβ与AMPARs

AMPARs是由四种亚基（GluA1，GluA2，GluA3和GluA4）组成的四聚体离子通道，介导中枢神经系统大部分的快速兴奋性传递。神经元超过60%的AMPARs是可移动的，与MAGUK蛋白家族（membrane-associated guanylate kinase，）间接锚定于突触后膜，形成PSD-MAGUK复合体。AMPARs在膜上通过胞吐，插入，内吞等一系列转运过程影响树突棘的细胞骨架结构，通过荧光标记AMPARs的动态成像，能够实现对突触可塑性的实时观测。在AD患者脑内GluA1的表达上调，研究发现，Aβ寡聚体能诱导PKA（protein kinase A，）介导的GluA1 S845 位点的磷酸化，促进Ca2+渗透性AMPARs（Ca2+ permeable AMPARs， CP-AMPARs）的在突触后膜的表达，引起短期内突触传递与神经元活性的快速增强。在1月龄转基因APP/PS1鼠中，相比于野生型，AMPARs亚基GluA1的特定磷酸化位点，S845和S831位点的磷酸化水平显著升高[12]。

研究表明Aβ寡聚体的神经毒性作用依赖于GluA3的存在，敲除GluA3的海马神经元对Aβ介导的突触损伤具有抵抗性。在3月龄3xTgAD鼠的研究中，AMPARs数量下降了41%，PSD-95表达显著下降，蘑菇样树突棘的数量及形态发生病理性改变，表明AMPARs信号转导的下降与肌动蛋白细胞骨架完整性的改变相关[13]。rTg4510转P301L tau 蛋白基因小鼠模型模拟了前脑NFTs的形成，在此种AD鼠脑中，mEPSPs的振幅下降，荧光标记的APMARs亚基GluR1及Glu2/3在突触中的表达显著降低，tau蛋白通过损伤膜上NMDARs和AMPAs的转运与锚定可能是突触损伤的起始事件。

3 运动与突触功能改善

身体运动作为一种高效且经济的干预手段被广泛应用于AD的研究中，运动训练通过增加神经元突触数量来改善突触结构可塑性。4个月跑台运动干预16月龄APP/PS1 AD鼠，BrdU（5-Bromo-2-deoxyUridine 标记新生神经元的总数量显著增加，表明运动能够促进新生神经元的生成与迁移，补充进入神经环路，改善记忆与认知的损伤[14]。张毅[15]的研究表明，4个月跑台运动能显著增加AD小鼠大脑白质的体积及白质毛细血管的总长度，总体积和总表面积。运动可以逆转脑老化小鼠突触体数量衰减和突触体膜流动性下降，说明适量运动可以促进脑老化过程中大脑认知功能区突触的可塑性代偿，延缓脑老化的发生。实验研究表明，6个月的自主跑轮运动不仅能改善认知功能的恶化，缓解焦虑和惊吓行为，还能改善3xTg-AD小鼠GABA和谷氨酸能神经元传递效能，显著降低GABA受体的α5亚基的表达水平，而运动能够增加3xTg-AD 脑内NM2B亚基的蛋白及mRNA的表达水平，缓解了小鼠NMDARs的损伤[16]。

在对海马突触可塑性影响的时效性及延续性的研究中，5周游泳运动组雄性SD大鼠齿状回细胞增值率显著增加，且突触数目，PSD厚度显著高于对照，突触间隙宽度显著减小，运动促进了海马内微管相关蛋白2（Microtubule associated protein 2，MAP2）和突触素的表达水平，在运动干预后一周，中等强度游泳运动诱导的海马突触可塑性变化具有随运动时间延长而增加的依赖性[17]。4周自主跑轮运动训练可使大鼠大脑皮层突触后致密物质PSD-95蛋白的含量发生显著性的变化（上调112%），还可以使磷酸化的 NMDA受体亚基NR1的量增加150%，NR2B量增加183%[18]。於来康[19]等通过8周的有氧运动干预发现，运动组皮层区（额叶，颞叶）突触数目显著增加，且在海马区的CA1，CA3区也呈现相似的结果，有氧运动能够显著增加皮层及海马区的CaMKⅡα的表达，并显著减少p-CaMKⅡα的磷酸化率。帕金森病（Parkinson disease， PD）也是一种常见的神经退行性疾病，用注射MPTP（1-甲基-4-苯基-1236-四氢吡啶）造模的PD鼠中，持续4周的大强度跑台训练能显著上调GluR2的蛋白及mRNA表达水平，并改善小鼠的运动表现[20]。

综上所述运动能调节脑区神经性营养因子及突触相关蛋白的分泌，从而实现突触功能的重塑，同时通过抑制细胞凋亡降低神经元的损伤程度，这些都为运动延缓AD疫病的进程改善认知与记忆提供了有效的证据支撑。

4 结语

神经元-突触损伤是造成痴呆的主要原因，离子型谷氨酸受体损伤被认为是突触损伤的机制之一，其在维持突触正常形态及突触可塑性中发挥重要的作用。突触膜上和膜外NMDARs由于其功能的不同，在AD病理中的作用仍需研究，同时，代谢型谷氨酸受体也被证实参与AD的发病。临床上关于缓解谷氨酸能神经元损伤的药物研究仍在继续，运动作为一种缓和的干预，能降低脑内Aβ及tau蛋白的异常磷酸化，改善谷氨酸能受体介导的突触可塑性的异常进而改善认知与记忆功能，今后，药物结合运动干预可能成为预防与延缓AD发病的可行之策。

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