慢性脑缺血与认知功能障碍及阿尔茨海默样病理生理改变

太史叶子，赵 阳，安 庆综述，孙 莉审校

痴呆是一种老年期常见的以认知功能损害为主要临床特征，可表现为记忆、执行功能、注意力、语言及视空间等功能受损，严重者可伴精神行为异常的且影响日常生活和社会功能的慢性退行性疾病。阿尔茨海默病(Alzheimer’s Disease，AD)是最常见的痴呆病因，约占60%～70%；血管性痴呆(vascular dementia，VaD)为痴呆第二大病因，占15%～20%，是由各种脑血管因素所致认知功能损害，可表现为记忆力损害、执行功能受损等一系列异质性临床症状。其他常见原因还包括在病理和临床表现上兼具AD和VaD表现的混合性痴呆(mixed dementia，MD)、额颞叶变性(frontotemporal lobar degeneration，FTLD)、路易体痴呆(dementia with Lewy bodies，DLB)等[1]。虽然各类型痴呆都有其独特的病理特征，但它们常有一共同病因即某一时刻的脑血管功能障碍。因此，探讨脑血管病变与痴呆之间潜在的病理生理联系意义重大。

慢性脑缺血(chronic cerebral hypoperfusion，CCH)是一种十分常见的病理生理状态及临床过程，既往与之相关的概念还有慢性脑供血不足(chronic cerebral circulation insufficiency)、脑动脉硬化症(cerebral artery atherosclerosis)等[2]，但其作为一种独立的疾病长期以来一直缺乏客观、明确的诊断标准。中华医学会神经病学分会脑血管病学组于2017年发表的《中国脑血管疾病分类2015》中提出CCH是指脑整体水平血液供应减少状态(脑血流量 25～45 ml/(100g·min))而非局灶性的脑缺血，患者多为老年人，以头重、头晕、头痛为常见临床表现，除动脉硬化或脑动脉狭窄外，无局灶性神经系统缺损的症状和体征，也无颅脑影像学异常(即无结构性改变)[3]。可被定义为由于长期血管病变或循环障碍所导致的脑供血减少，因失代偿而引发的一系列临床综合征，症状出现时间一般在失代偿后3 m以上，可持续存在或间断性发作[4]。现已证明，CCH不仅是各种脑血管疾病的重要机制，同时与AD、VaD、皮质下动脉硬化性脑病(subcortical arteriosclerotic encephalopathy，SAE)等认知障碍相关疾病关系密切。高龄、高血压病、高脂血症、吸烟、糖尿病、高同型半胱氨酸血症(hyperhomocysteinemia，HCY)、阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome，OSAHS)、动脉粥样硬化、心脏病等危险因素均可引起慢性脑缺血[5，6]，导致长期脑血流灌注不足，最终出现不同程度的认知缺陷。AD病理改变常与其他神经退行性变及血管性病理改变共存而呈现混合性痴呆，其中AD与脑血管性病理改变共存为最常见类型，一份来自美国国家阿尔茨海默病协调中心的报告显示近80%的散发性晚发型AD中存在某种形式的脑血管病理改变[7]，另一纳入114例研究病例的结果表明约三分之一患者的痴呆类型临床诊断与尸检诊断不一致[8]。可能的原因为一方面由于老年病科医生、精神科医师等非痴呆病专业人士过分看重以记忆丧失为主要表现的AD，时常会忽略具有异质性临床表现的血管性认知功能损害(Vascular Cognitive Impairment，VCI)；同时专业的卒中门诊因过度关注神经功能障碍而无意中忽视认知损害症状，致使纯(或)混合型VCI的实际负担和流行率很可能比目前估计的要高得多[9]。因此，探讨脑血管病变与痴呆之间潜在的病理生理联系具有十分重要的社会意义，两者关系已成为近年神经病学领域的研究热点[10～13]，本文就CCH引起的神经退行性变及与阿尔茨海默样病理生理改变和认知功能障碍的相关研究进行综述。

1 CCH的流行病学、病因及分型

CCH是中老年人的常见病、多发病，据2016年度中国流行病学调查报告显示：65岁以上的人群中2/3有CCH病史，在50～65岁人群中约50%有CCH病史，45～50岁人群中亦存在25%的CCH[4]。导致CCH的病因主要有三类：(1)血管结构性病变：动脉粥样硬化导致的颅内血管狭窄或闭塞，动-静脉畸形，大动脉炎，moyamoya病，脑动-静脉瘘等；(2)血流动力学改变：慢性失血、长期低血压、心功能不全等导致的心输出量减少，引发脑灌注不足；(3)血液成分改变：任何原因引起的血液黏度增高，如高脂血症、真红细胞增多症等[14，15]。临床上可按照缺血区域分型：(1)后循环(椎-基底动脉系统)缺血型：临床表现以头晕、行走不稳感、倾斜感、站立不稳感或头重脚轻感等持续性椎-基底动脉供血不足症状为主，症状可有波动性，重时可有眩晕，伴恶心、视物模糊、肢体乏力等表现，为最常见类型；(2)前循环(颈内动脉系统)缺血型：临床表现以记忆力减退，注意力不集中，情绪不稳定(焦虑、易怒)，失眠，工作能力下降，判断力下降等前循环功能障碍为主；随时间推移可出现人格改变、偏执、轻度痴呆，偏侧肢体麻木、酸困、发凉；(3)全脑缺血型：同时具有前、后循环供血不足表现[4]。熟悉CCH常见病因及分型对准确识别其异质性的临床表现及正确诊断十分必要。

2 CCH的评估及辅助检查

2.1 神经心理评估 针对CCH导致的认知及情绪改变等临床表现，目前有较完善的相关量表推荐：情绪评估通常采用焦虑自评量表(SAS)、抑郁自评量表(SDS)、汉密尔顿抑郁量表(HAMD)、汉密尔顿焦虑量表(HAMA)进行评估，对有精神病性症状的患者可采用神经精神量表(NPI)。认知功能评估可采用蒙特利尔认知评估量表(MoCA)、简易精神状态量表(MMSE)进行筛查，发现异常者，进一步采用各专项功能表包括阿尔茨海默病评估量表一认知分量表(ADAS—cog)，数字广度测验(DST)、画钟测验(CDT)、连线测验、受控口头语词联想试验及Stroop色一词关联试验等对认知各项功能进行全面评估[4]。值得注意的是CCH所致认知障碍常为执行能力、注意力受损等异质性临床表现，在实际临床工作中对于相关量表选择及结果关注我们应有所侧重。另应注意完善头晕、头痛、睡眠障碍等相关专项评估以全面了解病情。

2.2 相关辅助检查 目前临床上用于评估CCH方法主要有经颅多普勒超声(TCD)、颈动脉彩色多普勒超声(CDFI)、CT血管造影(CTA)、磁共振血管造影(MRA)等血管检查；计算机断层灌注成像(CTP)、磁共振灌注造影成像(PWI)、动脉质子自旋标记(ASL)、单光子发射计算机断层成像(SPECT)、正电子发射型计算机断层显像(PET)、氙气CT(Xe-CT)等灌注检查。脑血管检查方面：TCD及其基础上进一步发展的经颅彩色编码超声检查(TCCS)已被应用于痴呆相关疾病脑血管状态评估，脑血流速度下降和脑血管储备容量下降等为主要观察指标[16，17]。脑灌注检查方面：PET是评价脑血流灌注的金标准，但因其价格昂贵、仪器限制等原因尚无法成为CCH常规检查手段。而CTP目前已在缺血性脑病中较为广泛应用，脑血流量(cerebral blood flow，CBF)、脑血容量(cerebral blood volume，CBV)、平均通过时间(mean transit time，MTT)和达峰时间 (time to peak，TTP)为其主要参数，头颈部CTA联合CTP不仅可显示脑血管狭窄程度，还可定量反映CCH患者脑组织血流灌注情况，能为临床提供较详实、全面的评估结果[18～20]。在动物研究中，CCH可通过激光多普勒血流检测仪(LDP)、磁共振血管造影(MRA)、动脉质子自旋标记(ASL)反应脑血管情况及血流量[21]或活体磁共振波谱(in-vivo MRS)检测实验动物在缺血状态下脑组织的生化改变[22]，光学相干断层扫描(OCT)评估脑血管和血流动力学的特征[23，24]。通过分子标记如缺氧诱导因子1β(hypoxia inducible factor-1β，HIF-1β)，TP53诱导糖酵解和凋亡调节因子(TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator，TIGAR)以及葡萄糖转运蛋白(glucose transporters，GLUTs)1和3等测定作为证实及评估缺血程度的指标[25～27]。现代医学技术的发展使CCH的临床评价变得更多维度、更加实用。综上，以上检查可协助定量、半定量显示脑血流量及组织代谢情况。其中，脑血流灌注检查是确定CCH的关键指标，在具体实施过程中应充分考虑各项检查准确性、安全性及可重复性等优缺点，结合患者实际情况综合把握。

3 CCH的常见动物模型

3.1 双侧颈总动永久性结扎模型 永久性双侧颈总动脉结扎(Permanent bilateral common carotid artery occlusion，BCCAO或two vessel occlusion，2VO)是代表性的慢性脑低灌注模型，该模型1992年由Torre等建立，双侧颈总动脉永久结扎后造成全脑低灌注。在大鼠中因其Wills环发达、代偿好，术后仍能保持持续血流供应同时无任何一个脑区血流灌注完全停止，只是不同脑区脑血流下降的程度不同，其中以前大脑皮质及白质血流减少较显著。相比之下，大部分小鼠因Wills环发育不全常导致严重缺血[28]。2VO大鼠为永久性、持续性的全脑灌注下降，不会造成因血流瞬间恢复而导致的再灌注损伤，神经损伤轻微，无明确的缺血核心及半暗带，亦无明显运动功能障碍及癫痫发作。因此，就技术层面而言，大鼠2VO模型无论是从实验动物本身亦或是手术操作及温和持续的血流下降过程而言都是较优选择。但不可忽视的缺点是其较高的死亡率，同时因常累及视觉通路而使得行为学评估受影响。

3.2 大鼠分次永久性结扎四动脉(4VO)模型 大鼠分次永久性结扎四动脉(four vessel occocclusion，4VO)最早由Pulsinelli等[29]建立，随后亦在其基础上发展4-VO/ICA (four-vessel occlusion/internal carotid artery )模型[30，31]，主要操作流程均为分次结扎双侧颈总动脉及椎动脉，其对脑灌注的降低较2VO缓和，其缺点为手术分次进行耗时、步骤复杂、电凝创伤大且感染几率较2VO模型高。

3.3 微线圈模型 此模型由Shibata等[32]首次提出，同样利用小鼠Wills环发育不完整的特点，用直径为0.16～0.22 mm的微线圈缠绕小鼠双侧颈总动脉，造成双侧颈动脉狭窄(bilateral carotid artery stenosis，BCAS)。Boehm-Sturm等[33]利用ASL证明了BCAS术后24 h内全脑血流量减少超过50%，考虑由于其在脑血流下降时的自动调节功能，4 w时CBF恢复到了基线期的75%。该模型优势是所致低灌注并不局限于皮质血管，但在使用微线圈缠绕时CBF的急剧降低为其较大局限性。

3.4 单侧颈总动脉结扎模型 小鼠单侧颈总动脉结扎(unilateral common carotid artery occlusion，UCCAO)是在2VO模型上发展起来的一种新型实验动物模型，高存活率是其显著优势，由Yoshizaki等首次提出[34]，已被证明会产生多种认知障碍相关病理改变，包括白质损伤、炎症、神经元变性和认知缺陷等[34～36]，对研究血管性痴呆特别是皮质下缺血性痴呆的病理机制有一定应用价值。

4 CCH与认知功能障碍

慢性脑缺血可导致认知功能障碍，或使具有阿尔茨海默样病理改变的动物模型的认知障碍加重。尽管CCH导致认知障碍的具体机制尚不十分清楚，但多项公认的CCH动物模型研究已证实其与记忆能力、运动能力、空间学习能力、空间记忆能力等受损具有相关性。Zhao等对4.5～6月龄雄性小鼠实施右侧颈总动脉结扎术(UCCAO)术后1 m发现CCH可以导致焦虑，轻度运动学习能力及运动协调能力受损，近期记忆障碍，以及轻度空间记忆障碍[35]。Yao等对成年雄性SD大鼠实施了2-VO术，术后28 d通过新物体识别测试(NOR)、Morris水迷宫(MWM)评估认知能力发现慢性脑缺血对老年大鼠的空间学习能力及空间记忆能力均有损伤[37]。Lee等对14～15月龄的雌性Tg2576小鼠(过度表达具有Swedish突变的人类APP695基因的转基因鼠)实施rUCCAO术后发现CCH可加重小鼠的空间学习及记忆障碍[38]。临床上对无症状性颈动脉狭窄的研究也表明认知功能与颈动脉狭窄程度密切相关。双侧颈动脉狭窄患者在执行功能、注意力和记忆力方面的表现往往比单侧颈动脉狭窄患者差，重度颈动脉狭窄患者(>70%)的心理量表检查得分始终低于轻度至中度颈动脉狭窄组(40-70%)[39]。对一项纳入了4006例65岁以上的右利手无症状性颈动脉狭窄患者随访发现，左侧颈内动脉重度(≥75%)狭窄与认知功能下降表现出明显相关性[40]。大多颈动脉狭窄患者常表现出不影响日常活动的认知损害，无症状颈动脉狭窄可作为认知能力下降的独立危险因素，这种认知能力下降最终可能会导致痴呆[41，42]。多项研究显示，慢性脑缺血与认知功能障碍存在着密不可分的因果及促进关系，进一步探索其共同的病因及病理生理机制显得尤为重要。

5 CCH与阿尔茨海默样病理生理改变

AD分为散发型(sporadic Alzheimer’s Disease，SAD)和家族型(familial Alzheimer’s Disease，FAD)，95%的AD为环境、基因及代谢等多种因素导致的散发型。细胞内由异常的过度磷酸化的Tau蛋白聚集而成的神经纤维缠结、细胞外的由β-淀粉样蛋白沉积构成的老年斑及海马和皮质的神经纤维退行性病变为其特征性病理改变。其他可能机制有：突触功能障碍、神经元丢失、氧化应激及血管因素等。近年来，越来越多研究证实CCH可致阿尔茨海默样病理生理改变。

5.1 CCH与Aβ沉积 作为AD脑内特征性病理改变老年斑的主要成分Aβ由39-43个氨基酸组成，由淀粉样前体蛋白(β-amyloid precursor protein，APP)在β-分泌酶和γ-分泌酶的联合参与下水解形成，发生病理情况时在细胞外逐渐聚集形成老年斑，启动一系列级联反应，产生神经毒性。研究发现，BCAS术后1 m APPSw/Ind-Tg小鼠脑内提前出现Aβ病理性沉积，并可加速老年斑的形成，进一步证实CCH促进Aβ沉积[43]。多项研究证实，CCH可加速APP-Tg或APP/PS1-Tg等转基因鼠脑内Aβ的病理性沉积，从而导致颅内小血管病变，进一步加重脑缺血，形成恶性循环[44，45]。Aβ进入细胞后可引起线粒体损伤、氧化应激并进一步引起神经细胞凋亡。CCH可导致Aβ沉积，且使得AD模型小鼠Aβ沉积提前出现并加速Aβ形成老年斑的进程。

5.2 CCH导致Tau蛋白的过度磷酸化 tau蛋白是一种含量最高的微管相关蛋白，作为神经原纤维缠结的主要蛋白成分，与阿尔茨海默症患者的痴呆程度呈正相关。当tau蛋白过度磷酸化时，其与微管蛋白的亲和力降低，促进微管解聚，抑制轴突运输，破坏神经元骨架的稳定性，导致神经炎症及功能障碍，促进凋亡过程，进而导致认知功能障碍[46]。既往研究证实CCH可诱导tau蛋白过度磷酸化。Yao等发现慢性脑缺血可导致Tau蛋白可能通过糖原合成酶激酶3β(GSK 3β)、细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK5)及钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)等主要导致Tau蛋白磷酸化的激酶的激活，以及Tau蛋白主要的磷酸酶PP2A的抑制导致多个AD相关的磷酸化位点过度磷酸化[47]。Zhao等通过UCCAO动物模型探讨了CCH对于4.5～6月龄小鼠脑内Tau蛋白磷酸化水平的影响，UCCAO组小鼠的缺血侧皮质及海马内的O-GlcNAc糖基化水平较假手术组小鼠明显降低，皮质内Tau蛋白的磷酸化在pThr212和pSer262位点呈显著升高，鉴于O-GlcNAc糖基化与Tau蛋白的磷酸化存在共同修饰位点认为两者存在竞争性拮抗关系，提出了慢性脑缺血可通过下调O-GlcNAc糖基化水平导致Tau蛋白异常过度磷酸化[35]。Qiu等通过UCCAO模型发现大脑低灌注导致16个月龄的3xTg-AD小鼠和野生型小鼠海马和皮质磷酸化Tau蛋白显著升高，且这种变化在AD小鼠中更为明显[13]。Li等用2VO处理雄性大鼠后动态观察大鼠海马CA1区磷酸化TAU蛋白阳性的细胞数量发现较对照组明显增加，且随着时间推移而加重[48]。上述研究均证实CCH可导致或促进Tau蛋白过度磷酸化，并与催化Tau蛋白的磷酸化及去磷酸化酶活性有关。

5.3 CCH与氧化应激 氧化应激即机体氧化及抗氧化水平失衡时氧化水平超出抗氧化水平，活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)和活性氮簇(reactive nitrogen species，RNS)等大量氧化中间产物堆积，若活性自由基未被及时清除，产生脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA氧化受损等广泛损害，进而出现认知障碍。氧化应激在AD发生发展中发挥重要作用，并与疾病的严重程度呈正相关。大量的研究已经提供了CCH导致氧化应激的证据，并描述了氧化损伤导致认知障碍的机制。Dong-Hee Choi[47]对10周龄雄性Wistar大鼠行2VO术后发现NADPH氧化酶1 (NOX1)在海马神经元中的表达逐渐增加，NOX1是活性氧的主要来源，可引起氧化应激，进而导致海马神经元死亡和认知障碍，抑制NOX1可以减轻这些大鼠的氧化损伤和记忆丧失。进一步证实NOX1介导的ROS生成和海马神经元的相应损失是认知功能损害的原因。Anil Kumar Saxena等证实大鼠2VO诱导后8 w脑组织中抗氧化酶即谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶较对照组相比明显升高，间接证实了氧化应激在CCH后的升高，且表明，氧化损伤的增加可能与中枢胆碱能功能障碍有关，导致空间学习/记忆功能障碍和工作记忆障碍[10，49]。此外，氧化应激产物的堆积可与神经细胞内钙超载及A-β相互促进，形成恶性循环，引起神经细胞变性、功能丧失，并引发神经细胞凋亡。

5.4 CCH导致脑白质损伤和胶质细胞激活 脑白质是一个复杂的结构单元，由神经轴突、髓鞘和支持细胞等构成，其完整性对维持大脑功能至关重要。白质改变是VCI及CCH的一个显著特征，其损伤程度与缺血程度明确相关，且多伴随胶质细胞数量的显著增加，激活的胶质细胞又可进一步加重白质损伤。中枢神经系统有4种类型的神经胶质细胞：星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞和室管膜细胞。其中小胶质细胞是大脑中固有的巨噬细胞，可通过释放促炎细胞因子/趋化因子参与低灌注诱导的白质损伤。在灌注不足后小胶质细胞数量显著增加可从闭塞后1 d在白质中检测到，并一直显著升高至28 d[50]。另一方面，脑灌注明显减少后组织含氧量下降，缺氧可对少突胶质细胞产生有害影响，少突胶质细胞损害导致的脱髓鞘是脑白质损伤的重要原因，还可直接引起血脑屏障通透性的改变，激活的炎性细胞可通过受损的血脑屏障进入脑实质，产生免疫炎性反应，共同促进白质损伤[12]。另有Bo-Ryoung Choi等[51]通过BCCAO模型不仅首次通过气味识别任务证实嗅觉相关的认知损害在CCH大鼠中受到了损害，同时验证了术后白质损害以显著的神经炎症反应、少突胶质细胞丢失、髓鞘密度衰减、郎飞氏结结构紊乱和白质束解体为特征。CCH白质损伤机制繁杂，可能通过多种途径共同作用，其深入机制仍需我们继续探索。

CCH引起的血管损伤、认知改变在老年人中很常见，与AD等神经退行性疾关系密切。随着其发病率不断上升，对其研究也日益深入，但仍未十分明确。其非特异性的临床表现对临床早期识别诊断提出挑战。同时，对现有CCH动物模型的进一步改进，开展相应临床研究，以及基于现有机制的针对性靶向治疗，都将是未来的重要研究方向。