缺血性脑卒中对阿尔茨海默病发病机制的影响

朱瑾 王帅 吴伊丽 季丙元 (济宁医学院行为医学实验室，山东 济宁 272067)

阿尔茨海默病(AD)是以渐进性记忆力减退、认知功能障碍、人格改变等多方面痴呆表现为主要临床特征的中枢神经系统退行性疾病，流行病学调查显示，2010年我国约有900万AD患者〔1,2〕，一般在65岁以上的人群中发病率较高，其患病率为1%，95岁及以上人群的患病率可达50%，年龄每增加5岁，AD发病就增加近一倍。缺血性脑卒中(IS)是由于大脑血管堵塞造成大脑缺血、缺氧，引发的言语困难、半身瘫痪或无力、严重的甚至会出现记忆、认知功能和行为异常等一系列痴呆表现的血管性疾病。据国外研究报道，IS的年平均发病率为0.58%～0.61%，复发率为8.47%，55岁后发生率每10年翻一番〔3,4〕。

它们不仅在发病年龄、临床症状有相似之处，而且拥有许多相同的危险因素，例如，高龄、吸烟、心脏病、高胱氨酸血症、载脂蛋白基因多态性等〔5～7〕。因此，它们的病理过程甚至发病机制才能相互重叠、相互作用，为我们研究两种疾病的关联及IS对AD的影响提供依据〔8～11〕。

1 AD的主要病理特征及发病机制

1.1β-淀粉样蛋白(Aβ)为老年斑(SP)的核心 SP主要是由含有39～42个氨基酸残基的(Aβ)组成。位于细胞外的SP多呈5～10 nm的球形结构，以Aβ为核心，周围是变性的神经细胞树突与轴突、小胶质细胞、星型胶质细胞及溶酶体。随着时间的流逝，颗粒状结构逐渐消失形成纤维状结构。而这种Aβ纤维状结构与SP的形成直接有关。Aβ是由β淀粉样前体蛋白(APP)经一系列酶切产生的不溶性产物，异常沉积的Aβ可通过多种途径导致AD的病理变化，例如，Aβ能通过氧化应激、增强致炎因子引起炎性反应、坏钙离子稳态、能量代谢异常、线粒体功能障碍、诱导细胞凋亡等途径引发神经细胞损伤〔12〕。Aβ与细胞表面的糖基化终末产物受体(RAGE)受体结合，使Aβ与细胞黏附诱导过度的氧化应激，从而产生大量的氧自由基，使活性氧(ROS)增加，氧化细胞DNA、神经细胞膜蛋白及脂质，使核苷酸二聚体化，分别导致复制出现错误、蛋白功能的改变及膜障碍及细胞溶解。Aβ会使小胶质细胞激活、星形胶质细胞增生，激活后分泌细胞因子、补体、炎性分泌物，合成释放大量炎症因子和过氧化物，引起兴奋性毒性作用。Aβ还能够在皮层神经元中诱导非选择性的电流，从而转运Ca2+进入脂质体，Ca2+通过其通道向内流动，引起钙离子稳态的变化。研究认为Ca2+超载是引起神经可塑性及认知下降的原因之一〔13～15〕。Aβ还能够直接沉积在线粒体膜，轻微的损伤就造成线粒体内膜快速去极化、氧化磷酸化的障碍，线粒体通透性转换孔(mPTP)开放，降低了ATP的合成水平，破坏线粒体的结构，使其功能下降。释放凋亡诱导因子，启动含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白(Caspase)-9等触发凋亡级联反应。

1.2微管相关蛋白-Tau过度磷酸化造成的神经纤维缠结(NFT) Tau蛋白主要分布在神经系统，如大脑额叶、颞叶、海马及内嗅区的神经细胞，是微管相关蛋白组分之一，其含量最高，是一种含磷糖蛋白，主要分布在神经元轴突与胞质。Tau蛋白一级结构是在蛋白质羧基端具有3～4个Pro-Gly-Gly-Gly重复区，即构成Tau蛋白的微管结合区。当酸性C端区至少有6个二聚体与Tau蛋白相互作用时，Tau蛋白便结合在微管的外表面，Tau蛋白与微管蛋白结合后，N端的外伸结构域从微管表面伸出来，与其他细胞骨架成分和细胞膜接触。这样微管蛋白在此基础上就延伸聚集形成微管，Tau蛋白相当于微管间的横桥，维持微管稳定性，使微管成束，微管蛋白不易分离。微管、微丝和中间丝组成细胞骨架，对细胞起到机械支撑并参与神经细胞轴浆等物质运输。正常情况，磷酸化的Tau蛋白是体内多种特异蛋白激酶磷酸化和蛋白磷酸酯酶脱磷酸化作用间相互平衡的结果，而病理情况下，这种平衡被打破〔16〕。研究表明Tau蛋白过度磷酸化后，丧失与微管结合的能力，其重复区R2可与Aβ相结合形成更稳定的可溶性复合物，使Tau蛋白从微管快速分离后很快被Caspases在C末端Asp421位点酶解，酶解产物由于缺乏C末端而更趋向于组装成病理性神经细丝，轴索结构崩解、导致突触的功能障碍并最终导致神经元细胞的死亡。蛋白磷酸酯酶缺陷也是AD患者神经细胞骨架蛋白异常磷酸化及其所致的神经原纤维变性的基础。Tau蛋白磷酸化还受O位N-乙酰葡萄糖胺糖基化修饰的负性调节，降低细胞的糖基化能够诱导AD样神经细胞的过度磷酸化和细胞活性下降，影响神经丝蛋白轴突转运功能〔17，18〕。

1.3突触和神经元的丢失 突触是神经元之间特异的连接结构，主要形成功能性神经环路，具有储存信息的作用，所以说，它的结构和功能是学习和记忆的结构基础。突触在神经元持续活动影响下可发生数目、结构和功能变化，称突触可塑性。AD患者中突触和神经元较正常人减少36%～46%。突触缺失在AD早期即可出现，以海马的齿状回分子层最严重，而在海马的其他区域和新皮质区程度较轻。突触减少与神经元丧失不成比例，突触的减少较神经元的丢失更为明显，而且突触与痴呆的严重程度更为密切。在AD中，突触不仅仅表现为数目减少、结构异常、甚至还包括功能蛋白紊乱及可塑性受损〔19〕。有研究认为AD早期，由Aβ诱导的钙浓度的变化和钙调磷酸酶的活化等多种途径干扰正常突触的可塑性，主要影响长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)〔20〕。LTP与大脑学习与记忆的关系是公认的，是表现突触可塑性的重要电生理指标。在正常的生理条件下，LTP 促进神经递质受体集聚和突触的激活，并使得突触间连接增强，保持其稳定和生长；LTD 导致突触间的削弱和树突棘凋亡。在AD中突触参与记忆过程的两个重要标记-神经信号传递的维持均明显受抑制。还有研究发现AD模型大鼠中突触后致密区(PSD)厚度明显变薄。PSD主要由突触相关蛋白组成，包括在突触前膜与突触后膜聚集的蛋白质，如突触结合蛋白和突触后致密物质(PSD-95)等，这些蛋白质都参与突触可塑性的调节。突触和神经元的存活主要依赖于存活信号和凋亡信号转导通路之间的稳态平衡，它们在异常情况下会引起凋亡级联反应，导致神经元和突触减少。

客观的说AD与IS临床症状的起点只是根据其病理过程的严重程度是否发展到了相应的诊断标准而判断的，这就解释了AD与IS只是一种老化过程，并且它们的衰老是一个协同和累积的病理过程。所以说IS与AD必然存在着关联性，而且使得IS对AD有着如此影响。

2 IS对AD发病机制的影响

2.1IS对Aβ的影响 IS引起的能量代谢障碍(如氧-葡萄糖的代谢率下降、钙超载、兴奋性氨基酸毒性作用等)使APP的快速顺行转运受阻，导致APP积聚和异常降解，从而导致Aβ产生增多〔21〕。APP基因定位于人类第21号染色体上，由细胞外N端长片段、跨膜区、膜内C端构成，Aβ部分结构与跨膜区有重叠部分。编码细胞表面受体和跨膜前体蛋白，该基因的第16和17外显子编码的APP水解片段Aβ淀粉样肽。也就是APP经β分泌酶和γ分泌酶连续切割产生，β分泌酶水解产生可溶性淀粉样前体蛋白(SAPP)β和C99，随后C99被γ分泌酶水解生成Aβ和活化诱导细胞凋亡(AICD)；目前的证据显示，APP与脑卒中的关联性可能来至于Aβ的神经毒性机制。IS后的星形胶质细胞中含有的Kunitz蛋白酶抑制剂(KPI)结构域的剪切体增加，而不含KPI结构剪切体表达下降，抑制α分泌酶的活动，而α分泌酶是水解APP生成SAPPα和C83，随后C83经γ分泌酶水解生成P3和AICD。也就是说它是不产生Aβ的代谢途径的关键酶，这样就使非Aβ源裂解途径受抑制〔22〕，Aβ源裂解途径相对增加，导致Aβ产生增多。另外，IS还可以诱导神经元β位点淀粉样前体蛋白剪切酶(BACE)mRNA与蛋白水平表达增加从而使其活性增加〔23，24〕，β分泌酶活性增加使APP裂解异常，通过Aβ产生的途径裂解。而脑内Aβ的主要清除途径之一是通过血脑屏障(BBB)，BBB其重要组成部分是脑微血管内皮细胞，正常生理情况下阻挡大分子物质通过血液循序入脑，而Aβ作为一种可溶性大分子物质它在BBB间的转运可能与血管内皮细胞表面的转运受体-低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP) 和糖基化终末产物(AGE)表达异常有关。但缺血可破环BBB，而其防止循环中Aβ进入中枢神经系统的作用也被破坏，Aβ稳态调节的功能减弱，增加了对Aβ的通透性。有研究值得关注，它认为BBB上受体转运系统及以BBB为核心组分的神经血管单元系统异常也可上调Aβ的水平。一项关于ApoE的影像学研究显示，携带载脂蛋白(Apo)E基因比非携带者的脑血流量呈明显下降，这表明ApoE基因与IS存在相关性。而研究认为ApoE是介导细胞外Aβ清除的主要受体，ApoE4还可通过与可溶性Aβ相结合，从而促进Aβ从α螺旋到β折叠的桔构转换，使得Aβ肽具有神经毒性〔25～27〕。而ApoE作为清除Aβ的载体蛋白，对Aβ通过BBB也发挥重要作用。有研究表明，在早老素(PS)1突变小鼠较PS1敲除小鼠中脑缺血梗死面积增加，而形成Aβ的关键酶-γ分泌酶是PS1的组成部分，PS1的第6和第7跨膜区上有两个天冬氨酸位点，突变后的表达产物可通过C末端蛋白水解酶的影响而作用于APP的水解过程，使Aβ增加。与PS1的作用基本一致，突变的PS可导致AD患者中Aβ的沉积。

2.2IS诱导Tau蛋白磷酸化导致NFT 有研究显示在急性IS(AIS)患者的脑脊液中可检测到Tau蛋白，在梗死发生的第2天就可检测到上升，1 w左右达峰值，3～5个月恢复正常，而且Tau蛋白水平的高低与ASI的梗死面积呈正相关〔28，29〕，可以反映神经元的损伤程度。甚至有报道发现脑缺血再灌注5 min就检测到Tau蛋白发生磷酸化。Tau蛋白作为一种神经系统特异性蛋白，在脑损伤后可从神经细胞释放到细胞外间隙，然后进入脑脊液中，后通过被破坏的BBB渗漏到外周血，因此，脑脊液、外周血Tau蛋白浓度在一定程度上可以反映脑损伤程度〔30〕。IS的早期细胞损伤状态激活有丝分裂相关蛋白激酶，Tau蛋白高度异常磷酸化位点与有丝分裂原激活的蛋白激酶，包括糖原合成激酶Ⅲ，丝裂原活化蛋白激酶、细胞周期依赖性蛋白激酶5、蛋白激酶C，钙/钙调素-依赖性蛋白激酶Ⅱ等信号转导途径有关，这些信号途径的上调可导致蛋白激酶的异常活化，Tau蛋白作为底物可被磷酸化，而Tau蛋白磷酸化除了受蛋白激酶的调节，还有磷酸脂酶的参与，糖原合成激酶(GSK)-3是主要的Tau蛋白激酶，蛋白磷酸酶(PP)2A是Tau的主要磷酸脂酶，GSK-3诱导Tau蛋白的多个位点磷酸化，而在诸多磷酸化位点中，pAT8Ser202位点的磷酸化与脑卒中的关系最为密切，因为pAT8Ser202位点与Tau的微管结合区的结合活性强。而PP2A是Tau蛋白大多数位点磷酸化后脱磷酸化。蛋白激酶活性升高或磷酸酯酶活性降低都会引起微管相关蛋白高度磷酸化，具有不可溶性，与微管亲和力低，微管的组装被打乱，Tau蛋白从微管上脱离，聚集成有神经毒性的寡聚体，改变了其结构使之形成双螺旋纤维丝(PHFs)的NFT的结构，树突、轴突萎缩，导致神经元骨架蛋白结构异常、影响神经细胞信号传导、产生毒性作用〔31，32〕、最终诱导分化成熟的神经元进入异常有丝分裂状态而最终引起凋亡的过程。反过来Tau蛋白的磷酸化又可加重缺血性脑卒中后神经的损伤和细胞凋亡。

2.3IS对突触和神经元的影响 IS时缺血区域形成中心坏死区和缺血半暗带，中心坏死区以神经元坏死为主，半暗带以神经元凋亡为主。神经元受到损伤，细胞核病变，细胞内的分子释放到细胞外，而线粒体信号凋亡是神经元凋亡的主要途径。IS后，多种凋亡刺激信号被激活，一对凋亡调控基因bax和bcl-2增高，bax与bcl-2可形成二聚体阻止bcl-2y抑制凋亡，Bax/Bcl-2的比值升高，线粒体膜上的Bax蛋白孔道开放增加，引起细胞色素(Cyt)C的释放，与凋亡蛋白激活因子A paf-1相结合形成复合物，激活Caspase-9，活化的Caspase-9活化下游Caspase-3，从而促进细胞凋亡的激活。凋亡一经启动，许多相关基因转录随即增加，大量氧自由基聚集，细胞内钙超载等，最终发生神经细胞的死亡。而IS参与凋亡的相关基因bax、bcl-2同样在AD中也启动Caspase-9等触发凋亡级联反应。还有研究证明，微管是脑内神经元重要的骨架，而Tau蛋白作为微管相关蛋白，在神经元的生长、轴突和树突的发出等有重要作用。所以说，在IS后，Tau蛋白的异常可能直接导致神经细胞的凋亡。而发生IS，神经元自身就直接发生变化，树突呈念珠状，树突棘长度、密度及树突分支数量减少，突触界面曲率降低。PSD-95表达也下降〔33〕，直接影响神经环路的完整新。成年大鼠缺血损伤后还可观察到突触形态以及LTP、LTD的改变。脑卒中后缺血区突触兴奋性增加，梗死灶周边区功能依赖性LTP的诱导增强〔34〕，影响神经递质的释放及脑功能，导致认知功能不同程度的损害，这可能就是缺血引起痴呆症状的主要机制。还有研究〔35〕认为IS可引起胶质细胞增生，过度的胶质细胞增生会形成胶质瘢痕，阻碍轴突延伸形成新突触。Briones等〔36〕发现，脑缺血损伤的大鼠经过康复训练后，不仅增加海马齿状回的神经发生，同时促进齿状回突触形态可塑性的改变，表现为突触密度增加、多样性突触出现及突触界面曲率、突触后致密物厚度和穿孔突触数量增加等，改善脑缺血大鼠学习和记忆功能。

就目前而言，没有一种行之可效的方法或药物可以根本治愈AD，基于上述对AD与IS发病机制的理解，我们可以认为治疗其中某一种疾病的同时对另一种疾病的预防或治疗或许也是有效的，而且根据文献报道认为脑卒中后发生的痴呆是唯一可以预防的痴呆类型，早期积极防治可以看到疗效。这样就提出了对AD防治策略的假设，应采取三级预防：对危险因素的控制、在AD的轻度认知障碍时期的早期预防及对AD病程的延缓。在疾病的早期甚至于刚出现临床症状或是还没有出现症状的时候就进行干预，对疾病的预防和治疗才是最佳的。那么良好生活方式正是AD和IS预防的基础手段。为此，我们应向AD和IS高危人群宣传健康的饮食和适当运动、并定期监测危险因子水平。如增强神经血管保护与修复等。有研究表明，防治IS的药物有助于降低AD的发病风险。其中降压治疗可使每年的痴呆和AD风险分别降低5%〔37，38〕。综上，AD与IS作为老年人中最常见的两种疾病，两者之间必然存在着千丝万缕的联系，研究IS对AD的影响及机制对我们认识两种疾病进而对其进行预防和治疗有着至关重要的作用，更关注老年疾病就要在两者的关联性上寻找新的突破点，我们的任务还任重道远。