慢性脑低灌注致血管性痴呆的病理机制和模型建立

孙成成 刘剑刚 刘美霞 李 浩 罗增刚

1.中国中医科学院西苑医院老年病科，北京，100091，中国

2.中国中医科学院西苑医院心血管病科，北京，100091，中国

3.北京市中医管理局，北京，100053，中国

慢性脑低灌注（chronic cerebral hypoperfusion，CCH）是指由于各种血管因素或者其他原因所导致的管腔狭窄，造成脑血流量降低、长期供血供氧不足的状态，是导致机体认知障碍的重要危险因素。越来越多的临床研究发现，伴有不同程度的认知功能减退的个体，脑灌注量都有明显的减少［1］；伴有CCH 状态的个体与健康对照组相比较有不同程度的认知功能减退［2］。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）与血管性痴呆（vascular dementia，VaD）是老年时期认知功能损害的两个主要临床类型，而CCH 所致的血管性认知功能损害普遍存在于AD 和VaD 的发生发展过程中，是导致神经退行性疾病和认知障碍的高危因素［3］。本文主要介绍CCH 过程中脑损伤的作用机制及致血管性痴呆的机制，并在此基础上，概述几种常用的实验性慢性脑低灌注动物模型的制作方法，旨在为寻找有效的慢性脑低灌注损伤的保护策略提供新思路。

1 慢性脑低灌注致血管性痴呆的病理机制

慢性脑低灌注和局灶性脑缺血有着本质区别，是现代社会临床常见病和多发病，也是AD、VaD 和缺血性脑卒中等多种疾病发生发展的重要环节，同时也是导致脑淀粉样血管病（cerebral amyloid angiopathy，CAA）的重要原因。随着CAA 的进展，临床特征以认知功能障碍、痴呆、精神症状等为主要表现。这些疾病的具体生理病理机制尚不十分清楚，涉及遗传因素、局限性炎性病变、退行性病变及机体自身老化等方面。

1.1 脑白质结构损伤和血管病变

血管性痴呆的发生机制与脑白质受损相关，缺血性损伤是导致脑白质受损的最主要原因。脑白质是神经纤维聚集区域，区域内小动脉（壁）发生玻璃变性、纤维增生和变厚等改变，可引起皮质下供血障碍，进而导致其局限性脱髓鞘［4］，中断皮层和皮层下区域的联系通路，破坏与认知功能相关的纤维结构的完整性，从而出现不同程度的认知功能障碍［5］。由于深部白质常处在不同血管远端细小分支的交界处，因而血流动力学不稳定，极易缺血。而血管性痴呆患者的白质病变时血液循环中的一氧化氮（nitric oxide，NO）合成酶抑制剂的非对称二甲基精氨酸（NO synthetase inhibitor asymmetric dimethylarginine，AD-MA）的水平升高，可损害脑动脉NO 依赖性血管的舒张功能，使其僵硬度增高［6］。

1.2 脑血管的舒缩调节功能障碍

高血压会导致血管内皮受损、平滑肌细胞脂质透明变性及血管纤维性坏死，导致血管狭窄。同时为保障脑血流，血压持续升高，形成恶性循环，最终导致小血管的破裂［7］。小动脉粥样硬化是高血压性脑血管病变的主要表现形式，有研究表明，其发病率与血管危险因素相关，其严重程度与认知功能障碍的严重程度呈正相关［8］。CAA 是一种常见的脑小血管病，是Aβ淀粉样物质在大脑皮质及覆盖其上的软脑膜血管管壁渐进性沉积，临床主要表现为复发性和（或）多发性脑叶出血、痴呆、认知和神经功能减退、短暂性局灶性神经症状发作等［9］。淀粉样前体蛋白（amyliod precursor protein，APP）的降解过程变化引起淀粉样蛋白（amyliod protein，Aβ）的生成增加，并沉积于动脉壁的中层和外膜中，可能导致血管功能丧失而造成血流调节障碍，严重时血管扩张可致微动脉瘤并引起出血［10］。研究证实，CAA 几乎存在于所有痴呆或认知功能损伤的患者。

1.3 血管性结构病变导致脑实质性的损伤

血管性痴呆的脑实质损伤以缺血病灶为多见。血管性认知功能障碍（vascular cognitive impairment，VCI）是临床最常见的认知功能障碍类型之一。以小血管病和慢性脑低灌注为主要病因，小动脉管壁病变导致脑缺血、缺氧、毛细血管通透性下降、神经脱髓鞘等，引起皮质下多发腔隙性脑梗死（lacunar infarction，LI）和缺血性脑白质病变（white matter lesions，WML）为主要脑部损伤特点的皮质下缺血性认知功能障碍，是VCI的主要和常见亚型［11］。有研究通过脑成像、尸检等检测技术显示，因动脉闭塞所致血管性痴呆患者的深部白质在供血受损程度上最为严重，其形成多发性梗死灶的原因与深部半球白质受到深部小血管病变的影响有关［12］。白质损伤与认知障碍存在正相关性，伴有LI 的白质损伤，认知障碍明显高于非腔梗组［13］。LI 是脑部深穿支动脉的缺血性梗死，梗死灶直径大小多为 2～20 mm［14］。在磁共振成像检查中约50%初发性脑梗死患者可见LI病灶［15］。研究显示，未加干预的LI 患者3 年内发生脑卒中的风险显著增加，且更易形成VaD［16］。

1.4 脑微出血导致认知功能障碍

脑微出血（cerebral microbleeds，CMB）是老年群体中发病率较高的脑小血管病之一，多于晚期出现痴呆、认知功能减退等症状。脑缺血再灌注后，脑血流仍然处于低灌注状态，可在敏感脑区观察到小血管比例增多，慢性脑低灌注致脑小动脉压力增加而破裂出血或渗出，脑缺血再灌注损伤导致兴奋性氨基酸大量释放，导致细胞凋亡，导致脑组织应激性受损［17］，进而导致脑微血管损害引起的微出血，微血管周围间隙的扩增、血管壁变薄诱发出血，而慢性脑低灌注性引起脑缺血缺氧代谢异常，导致血管弹性衰退等病理改变，CCH是导致CMB 的主要病理机制，晚期的CMB 主要病理改变是Aβ沉积［18］，与淀粉样脑血管病变相关的CMB病灶主要分布在脑叶皮质和海马等区域，与认知功能障碍和痴呆密切相关［19］。

1.5 海马区域损伤导致的神经血管单元障碍

海马与空间学习和记忆能力高度相关，海马CA1区对缺血及细胞凋亡十分敏感，因此海马是脑缺血后最易受损的部位之一。慢性脑缺血后会导致海马细胞凋亡造成海马区的神经元受损，是血管性认知功能障碍的重要致病环节。有研究在CCH 模型中观察到海马区α-突触核蛋白明显增多，并随时间增多更明显，与认知损失趋势相似，因此推测α-突触核蛋白增多对慢性脑低灌注相关认知障碍可能有重要影响［20］。神经血管单元（neurovascular unit，NVU）由星形胶质细胞足突的水通道蛋白-4（aquqporin-4，AQP4）锚定在血管基底膜形成的胶质血管链接与神经元、小胶质细胞、周细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞共同构成，参与调控脑血流量和血脑屏障的通透性，在认知功能受损的发病机制中有重要作用［21］。

研究表明，大鼠脑低灌注在持续状态下引发不同程度的学习和记忆能力受损，进而降低了认知功能，其相关因素包括神经元损伤、氧化应激损伤等。同时在脑低灌注情况下，胶质细胞和神经元等在认知功能回路中可能有直接或间接的参与，而氧化应激损伤则从一定程度上引起胶质细胞活化，进而使得大鼠体内细胞毒性分子的释放和合成受到影响，最终表现出中枢胆碱功能障碍和脑神经代谢紊乱的情况［22］。

2 慢性脑低灌注动物模型的制作

慢性脑缺血导致的慢性低灌注模型通常采用双侧颈总动脉结扎和单侧颈总动脉结扎伴一侧狭窄，尽管目前没有一种动物模型可以完全反映慢性脑低灌注致人类血管性痴呆的特点，但不同的慢性低灌注模型各具有不同的优缺点，是探索疾病机制和寻找临床治疗方法的有效途径。

2.1 血管阻塞模型

模型制作采用双侧颈总动脉结扎，是目前模拟慢性脑缺血病理过程的常用模型。制作常选用大鼠，以无菌器械沿颈部正中切开皮肤及皮下组织，在一侧颈前肌肉和侧方肌肉间隙钝性分离该侧颈总动脉结扎，另一侧操作同上，间断缝合皮肤。此模型损伤小、制作时间短。双侧颈总动脉结扎可以影响脑血流，导致学习记忆能力下降并可诱发慢性、广泛的低灌注状态，是目前研究慢性脑缺血相关认知功能障碍病理机制较为方便和稳定的模型方法。

行为学特点表明，在Morris 水迷宫检测双侧颈总动脉结扎模型大鼠的空间学习记忆障碍时发现，Morris水迷宫逃避潜伏期延长［23］。术后4 周，模型大鼠学习记忆能力显示明显降低［24］。对其病理机制的研究表明，双侧颈总动脉结扎可以减少脑内1/3 的血流量，同时伴随神经胶质细胞增生、神经炎性、胆碱能障碍及神经元凋亡等变化［25］，导致海马区域选择性神经元损伤及死亡、突触及树突损伤，以及炎症反应等，最终造成学习记忆功能下降［26］。

2.2 双侧颈动脉狭窄模型

大鼠颈部双侧颈总动脉一并结扎，造成脑持续性低灌注，缺血缺氧性脑损伤，模拟了因动脉粥样硬化、动脉管腔狭窄等因素造成的 VaD，且此类模型操作简单，持续时间长。双侧颈总动脉狭窄30 d 的模型小鼠可以适度降低脑血流量，模拟慢性脑组织低灌注疾病或脑小血管疾病所致的脑白质损伤［27］。

认知能力行为学测试结果显示，术后5～6 个月双侧颈总动脉狭窄的小鼠有明显的工作记忆损害［28］。相关性分析表明，八臂迷宫检测的工作记忆损害和弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）显示的脑白质损害之间存在显著相关性。工作记忆被认为和前额叶-皮质下环路或者海马相关，可推测该模型造成的脑白质损害可能使前额叶-皮质下环路或深部白质长联系纤维等受损，使信息传递发生障碍，最终导致工作记忆损害。小鼠双侧颈动脉狭窄后，海马神经元排列紊乱，细胞分散，出现细胞核浓缩、核仁消失、结构不清的神经元。低灌注部位神经元由于供血供氧不足，无氧酵解途径的能量产生有限，神经元能量不足，进而引发病理状态［29］。

2.3 慢性脑低灌注复合模型

针对大鼠脑血液循环有丰富的侧支循环，结扎双侧颈总动脉不足以造成持续的脑血流下降，通过动物尾动脉放血、颈动脉加压、腹腔注射硝普钠等方法降低血压，增加模型低血流量的成模性，增加模型的可靠性。下面主要介绍双侧颈总动脉结扎合并腹腔注射硝普钠模型。在结扎颈总动脉之前，腹腔注射硝普钠（2.5 mg·kg-1，用生理盐水溶解），随即结扎颈总动脉，另一侧操作同上，伤口内撒少许青霉素，间断缝合皮肤，缝合完毕后酒精消毒伤口。此法制作模型可重复性、稳定性较好，手术操作简单，尤其是以学习记忆低下为主要特点。于术后第7天左右，通过Morris 水迷宫实验可观察到学习和记忆功能受损，大约术后8周经八臂迷宫实验也可检测到空间工作记忆受损［30］。

病理结果显示，双侧颈总动脉结扎模型动物认知功能的损害主要是由脑白质病变引起的，包括脱髓鞘、髓鞘碱性蛋白的缺失和小胶质细胞的活化等。一般从术后4周开始，海马CA1 区会出现星形胶质细胞密度增加和神经元的缺失［31］。

2.4 脑血管基因缺陷模型

Cadasil 动物模型是由于Notch3 基因突变造成的脑内血管平滑肌细胞广泛表达Notch3 基因，导致脑细胞变性并干扰脑血流流量调节功能，对小动脉结构和功能造成病理影响，形成反复发作的缺血性脑卒中和认知能力下降等症状。

模型的行为认知能力和生长发育过程，是了解疾病发展过程的良好模型，对于进行早期临床干预工作起到重要作用，但由于其费用较高，现在还不适宜用于广泛的科学实验研究。

3 结语

慢性脑低灌注导致脑血管受损致血管性的认知障碍已得到学者共识。对于血管性痴呆模型的不断改进和探索，有助于了解慢性脑低灌注在痴呆中引起的病理变化的重要性，以及推动新的、有效的神经血管单元保护药物的研发具有重要意义，并在模型研究中寻找生物学标记物和制定合理的治疗方法。