中枢5-HT系统和阿尔茨海默病的相关性

刘帅 彭良玉 刘甜甜 刘斌文 顾小萍

(1南京医科大学鼓楼临床医学院， 江苏 南京 210008；2南京大学医学院附属鼓楼医院麻醉科)

阿尔茨海默病(AD)是一种神经退行性疾病，认知功能下降是其主要临床症状，当前抗AD药物只能短暂缓解症状，难以逆转病理过程而且长期使用会引起情绪异常等不良反应；作用于5-羟色胺(HT)系统信号转导为AD的药物研究带来新希望，不仅能改善认知和情绪，还能延缓β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积；本文对5-HT系统与AD的相关性进行综述。

1 AD

AD主要表现为进行性的认知功能障碍，伴随着情绪、摄食、睡眠等其他生理功能失调。AD是痴呆的主要类型〔1〕，据统计，截至2016年，全球痴呆患者数量为4 380万人，相较于1990年增加了1倍，痴呆也上升为全球第五大死亡原因。AD的病理机制主要分为：①Aβ学说：Aβ形成不溶性老年斑引起线粒体和突触功能障碍〔2,3〕。②Tau蛋白学说：Tau蛋白过度磷酸化形成胞内神经纤维缠结，正常微管结构受损，引发突触功能障碍〔3,4〕。③胆碱能学说：基底前脑胆碱能向皮质和海马投射退变，胆碱摄取、乙酰胆碱释放受损，烟碱和毒蕈碱受体表达不足，神经营养支持功能失调，轴突运输不足〔5〕。除了上述病理因素外，Aβ引发的胶质细胞反应增强，神经炎症，载脂蛋白(Apo)E，神经递质系统(5-HT、多巴胺、去甲肾上腺素、谷氨酸等)的异常变化等均参与AD的发生。目前，已经上市治疗AD的药物主要为胆碱酯酶抑制剂(AchE)-I和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体拮抗剂，但只能暂时缓解AD进展，长期使用会导致恶心、头痛、幻觉等症状。5-HT系统参与认知、情绪、睡眠、摄食等生理功能的调节，介导5-HT系统可有效延缓Aβ等病理变化及改善认知作用，联合抗AD药时，不仅增强AchE-I和NMDA受体拮抗剂认知改善作用，同时有助于减轻AchE-I和NMDA受体拮抗剂的不良反应，靶点于5-HT系统为AD的研究带来新的方向。

2 5-HT

5-HT，又称为血清素，属于单胺类神经递质，在中枢神经系统中，由色氨酸经色氨酸羟化酶(tph)2生成5-羟基色氨酸(HTP)，最后经5-羟基脱羧酶生成5-HT〔6〕。5-HT生成后，由囊泡转运体至囊泡内，然后胞吐至突触间隙，并且与突触前或者突触后受体结合发挥生理作用。突触间隙的5-HT主要由5-HT转运体(SERT)回收至突触前膜，然后经单胺氧化酶(MAO)A分解代谢形成无活性的5-羟吲哚乙酸(HTIAA)。 5-HT受体主要分为7个家族(5-HT1～7受体)，至少有14个亚型，除了5-HT3受体为离子型门控通道蛋白，其余均属于G蛋白耦联受体(GPCRS)〔7〕。5-HT受体在学习记忆相关的区域(如海马、杏仁核、皮质)高密度分布〔8〕，通过耦联G蛋白，引起下游环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)、脑源性神经营养因子(BDNF)等表达增加，参与记忆的获取和巩固。同样，作用于SERT位点，调节5-HT再摄取，也能发挥类似作用。大量研究表明〔9,10〕，5-HT系统紊乱(尤其是5-HT受体和SERT的改变)在AD的发生发展中扮演重要作用，包括病理和临床表现的调节。

3 5-HT受体和AD

AD患者尸检发现〔10,11〕，中缝背核上5-HT能神经元大量丢失，进而降低向大脑皮层、海马等区域的投射，最终导致大脑内5-HT含量减少；5-HT水平的变化，会引起5-HT受体的适应性改变〔12〕，病理状态下如AD也会直接引起5-HT受体密度的改变；而靶点于5-HT受体的配体已经在研究AD的动物或者临床试验中证实具有改善认知效应，和AD密切相关的主要有5-HT1A、5-HT2A/C,5-HT3受体，5-HT4受体、5-HT6受体、5-HT7受体。

3.15-HT1A受体和AD 5-HT1A受体属于抑制性受体，包括突触前受体(自身受体，位于中缝背核神经元胞体上)和突触后受体(位于海马、内嗅皮质、隔核、皮质)。从5-HT1A受体在AD患者脑内波动可发现，海马区5-HT1A受体分为两种状态，对激动剂高亲和力的功能性受体/耦联G蛋白和低亲和力的非功能性受体/未耦联G蛋白，以往研究发现5-HT1A受体在AD晚期明显降低，近年来，在前期AD患者脑内观察到海马CA1区5-HT1A功能性受体明显下降，非功能性受体增加〔13〕，这种前期功能性受体的下降可认为是代偿性的“拮抗”作用。

激活突触前5-HT1A受体，能降低5-HT神经元放电，减少神经末梢5-HT释放；激活突触后5-HT1A受体，导致胞膜超极化，抑制钙离子内流，进而减少神经递质(乙酰胆碱、去甲肾上腺素、γ-氨基丁酸(GABA)、谷氨酸)释放〔14〕。相反，拮抗5-HT1A受体从而提高谷氨酸能和胆碱能神经传递能改善AD认知功能〔15〕。5-HT1A受体还作用于海马神经元的节律震荡改善认知功能。大脑神经元保持同步性活动即节律震荡对于认知功能至关重要，海马γ振荡由抑制性中间神经元和兴奋性椎体细胞相互作用产生。在动物和人体实验中，AD的γ震荡受到破坏〔16〕，通过光和声音刺激大脑γ震荡，能减轻Aβ的沉积及认知损害〔17〕；激活5-HT1A受体，诱导海马CA3区椎体细胞超级化，破坏兴奋性和抑制性平衡，因此，拮抗5-HT1A受体可能有助于重建AD患者脑内正常的神经元震荡水平〔18〕。

在临床前研究中，5-HT1A受体的拮抗剂NAD-299，已经被证实，能显著改善AD模型鼠在新物体识别实验和被动回避中的表现，同时降低Aβ水平，保护海马神经元〔19〕。有趣的是，低剂量5-HT1A受体激动剂8-羟基-2(二丙基氨基)四氯萘(8-OH-DAPT)也可改善小鼠的记忆水平，究其原因，5-HT1A受体广泛存在于前额叶皮质的锥体神经元(50%～60%)和GABA能神经元(25%)〔20〕，激动5-HT1A受体时可能优先抑制GABA能神经元，局部细胞相互作用导致锥体神经元放电增加，进而提高记忆水平〔21,22〕。综上，5-HT1A受体功能状态的变化对AD的诊治均有重要意义，但是相关配体在AD模型或者患者中的作用仍需要进一步研究。

3.25-HT2A/C受体和AD 5-HT2A主要位于海马和大脑皮质。在Aβ注射导致记忆受损的动物和轻度认知障碍(MCI)患者中均观察到5-HT2A水平的降低〔23,24〕，同时5-HT2A/C受体基因多态性被证实和AD的精神行为症状有关，包括幻想、焦虑、食欲障碍等〔25〕，表明5-HT2A受体和AD密切相关。

5-HT2A受体耦联G蛋白后，激活磷脂酶(PL)A2，刺激淀粉样前体蛋白(APP)分泌，降低Aβ水平〔26〕；激活5-HT2A受体，也可降低AD模型鼠的氧化应激反应，防止海马神经元的丢失〔27〕。研究发现，Rac1是5-HT2A受体下游靶点，Rac1通过控制肌动蛋白细胞骨架重组影响突触结构和功能可塑性，参与主动遗忘过程〔28〕，已经有研究证实通过药物抑制Rac1活性，可抑制AD模型鼠的遗忘过程，改善记忆水平〔29〕；而激活5-HT2A受体抑制Rac1表达，改善场景恐惧记忆〔30〕，所以5-HT2A可能通过调控Rac1来改善AD患者认知，但需要进一步验证。

5-HT2C受体主要位于海马和杏仁核中，和5-HT2A受体的信号转导通路相似，也能调节APP分泌，不过该过程除了涉及PLA2外，蛋白激酶(PK)C也参与其中〔26,31〕。因此，5-HT2A/C通过参与认知、精神症状的调节为AD研究提供重要方向。

3.35-HT3受体和AD 5-HT3受体主要位于海马、嗅球、大脑皮质及杏仁核中〔32〕，与其他亚型受体不同，在AD的发展中，受体表达水平恒定〔33〕，但5-HT3受体和AD仍具有相关性。

5-HT3受体可作用于胆碱能和GABA能调节认知功能。5-HT3受体拮抗剂昂丹司琼能增加乙酰胆碱释放，联合GABA受体拮抗剂能进一步促进乙酰胆碱释放〔34,35〕。可能机制如下：大部分表达5-HT3受体细胞属于GABA能群细胞〔36〕，拮抗5-HT3受体通过解除GABA能对胆碱能的抑制，从而促进乙酰胆碱释放；行为学试验中，昂丹司琼也可减轻基底前脑胆碱能损伤引起的记忆损伤〔37,38〕。5-HT3受体拮抗剂具有神经保护作用。在一项体外细胞实验中，拮抗5-HT3受体能降低胞内Ca2+，抑制谷氨酸的过度兴奋，降低活性氧的产生及降低含半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)-3活性〔39〕；5-HT3受体拮抗剂可能也在AD中发挥相同作用。5-HT3受体同样也作用于海马神经元节律震荡，θ振荡及θ和γ相位振幅耦合损害是AD患者认知损害的标志和机制之一〔40,41〕。研究发现，拮抗5-HT3受体，抑制GABA介导的抑制性突触后电位所导致的波间超极化，进而引起海马神经元θ节律增加〔42〕；激活5-HT3受体后，破坏小清蛋白(PV)中间神经元放电频率的同步性，最终导致γ振荡受损〔43〕；临床前研究中，胆碱酯酶抑制剂多奈哌齐能增强θ和γ功率，并且引起θ和γ相位振幅耦合，虽然单独使用昂丹司琼不影响相位振幅耦合，但是昂丹司琼联合多奈哌齐可明显提高多奈哌齐的效应〔44〕。

目前，托烷司琼作为5-HT3受体拮抗剂和部分α7烟碱性乙酰胆碱受体(nAchR)激动剂，能持续增加可溶性(s)APPα/Aβ比值及记忆改善作用，已经被批准进入临床试验〔45〕。

3.45-HT4受体和AD 5-HT4受体主要分布于边缘系统和基底节〔46～48〕，尤其是海马突触后膜。早期AD患者尸检发现〔47〕，5-HT4受体明显降低；近来，通过正电子放射断层造影术(PET)手段，发现AD患者脑中5-HT4受体，在临床前期和MCI，5-HT4受体结合明显增加，和Aβ沉积成正相关，表明可能在AD前期，因为胆碱能降低和Aβ累积，5-HT4受体代偿性增加改善记忆功能，而在疾病后期，代偿机制失活，逐渐减少。

5-HT4受体调节APP的代谢过程。5-HT4受体耦联Gs蛋白，激活腺苷酸环化酶(AC)〔49〕，进而引起环磷酸腺苷(cAMP)聚集诱发Epac，通过Rap1/Rac途径，调节α-分泌酶，导致sAPPα生成增加，减少Aβ的沉积，发挥神经保护作用〔50～52〕。在动物模型中也证实〔53〕，5-HT4受体激动剂能增加sAPPα水平，降低Aβ沉积，并且联合胆碱酯酶抑制剂能达到标准剂量的记忆改善效果。5-HT4受体激动剂增强胆碱能来改善认知作用。胆碱能功能退变是AD患者认知损害的重要因素〔54〕，5-HT4受体激活促进皮质和海马区乙酰胆碱释放〔50,55,56〕。但5-HT4受体mRNA不存在于基底前脑胆碱能细胞群上，而分布于基底前脑GABA能、小清蛋白、谷氨酸能细胞及海马和皮层的谷氨酸能细胞，表明5-HT4受体激动剂可能是通过非胆碱能细胞群来促进乙酰胆碱分泌〔57〕。其他研究发现〔58〕，5-HT4受体激动剂能促进组胺释放，后者通过作用于胆碱能神经元胞体促进乙酰胆碱释放来实现促认知作用；同时，5-HT4受体激动剂也可增加海马θ节律功率，提高θ震荡水平，而θ震荡主要由胆碱能调节，对于5-HT4受体是直接作用于海马节律性震荡还是间接通过胆碱能实现有待进一步研究证实。

目前，多种5-HT4受体激动剂(如SL65.0155〔59〕，PRX-03140〔60〕和PF-04995274〔60〕等)都已进入初期临床试验，表现出良好的安全性、耐受性，但是临床疗效并未达到预期，在一项随机对照双盲的健康成人临床试验中〔61〕，prucalopride组比安慰剂组表现出更好的学习记忆水平，且prucalopride并不诱发心律失常〔62,63〕，是AD临床试验的重要候选药物。

3.55-HT6受体和AD 5-HT6受体几乎只分布于中枢神经系统中，尤其是与学习记忆相关的前额叶皮质和海马〔64〕，分布的特异性表明外周不良反应较低。在一项AD患者尸检中，大脑皮质内5-HT6受体密度明显降低，同时和AD的行为症状密切相关〔65〕。

5-HT6受体通过调节胆碱能和谷氨酸能来改善认知行为。5-HT6受体拮抗剂和激动剂均可改善新物体识别实验、社会识别测试、被动回避、水迷宫行为表现〔66〕，而且都能增加胆碱能和谷氨酸能神经传递〔67〕。5-HT6受体的配体介导神经递质的可能机制如下：5-HT6受体在胆碱能神经元上分布较少，而在GABA能神经元广泛分布〔68,69〕，5-HT6受体拮抗剂和激动剂作用位点可能不同，激动剂作用于胆碱能和(或)谷氨酸能神经元上的少量受体，获得血清素能传入；拮抗剂作用于抑制性GABA能中间神经元上的受体，解除GABA对乙酰胆碱和谷氨酸的抑制〔70〕。其他研究发现，5-HT6受体激动剂也能抑制钙离子依赖性的谷氨酸释放〔71〕及损害工作记忆〔72〕，这限制了5-HT6受体激动剂临床研究。而5-HT6受体拮抗剂idalopirdine作为轻中度AD的辅助用药〔73〕，Ⅱ期临床试验有较好的安全性和耐受性，但是Ⅲ期临床试验联合多奈哌齐并没有达到预期改善认知的效果〔74〕。

5-HT6受体拮抗剂也作为抗精神病药物有助于降低抗胆碱酯酶药诱发的锥体外系不良反应〔75〕。虽然idalopirdine临床试验以失败告终，但5-HT6受体拮抗剂凭借改善AD患者认知和行为症状及自身较低的药物不良反应，在未来AD的研究中会受到更多的关注。

3.65-HT7受体和AD 5-HT7受体主要位于丘脑、下丘脑、海马及大脑皮质〔76〕。突触功能的损害是AD的病理之一，激活5-HT7受体调节细胞骨架，影响神经突的延长和生长，从而调节突触可塑性〔77〕，该过程主要由两个信号机制介导：①耦联Gs蛋白，激活细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)5和细胞外信号调节激酶(ERK)；②耦联Gα12蛋白，进一步直接或者间接通过mTOR来激活Rho三磷酸鸟苷(GTP)酶家族(Cdc42和RhoA)。5-HT7受体还可激活血小板源性生长因子(PDGF)β受体，PDGF-β受体具有抑制NMDA受体(NR1和NR2B)的作用，减轻NMDA受体过度兴奋引起的神经毒性〔78〕，但急性给药时，反而通过激活cAMP/PKA途径来刺激NMDA受体依赖性的活动(如LTP和LTD)，改善学习记忆水平〔79〕。在临床前研究中，5-HT7受体激动剂AS-19，能减少海马神经元的凋亡，进而改善海马突触功能〔80〕。

4 5-HT再摄取抑制剂(SSRI)和AD

SSRI作用于5-HT再摄取SERT，增加突触间隙内5-HT水平。通过影像学技术发现，AD鼠晚期SERT密度明显降低〔81,82〕，表明SSRI治疗AD晚期效果可能较差。

SSRI类药物能作用于Aβ 代谢过程。聚集动力学实验发现〔83〕，SSRI类药物可抑制Aβ42聚集，减少Aβ42生成；机制可能是SSRI类药物通过激活Gs受体，引起ERK的磷酸化，调节α分泌酶活性，达到降低Aβ的作用〔84〕；去整合素金属蛋白酶(ADAM)10是调节α-分泌酶活性的主要调节酶，在一项对AD患者血液中ADAM10进行定量分析后，发现服用SSRI药物能增加ADAM10水平,最终提高α-分泌酶活性，促进sAPPα的分泌〔85〕。相较于其他SSRI类药物，舍曲林和氟西汀具有独特的神经保护性，减少Aβ诱导的神经毒性，但是具体机制不清，有研究者认为氟西汀能激活Wnt信号通路，上调Wnt-3a表达，抑制糖原合成酶激酶(GSK)-3β活性，增加磷酸化GSK-3β水平及稳定β-连环素(catenin)水平，从而发挥神经保护作用〔86〕；还可能是通过刺激星形胶质细胞旁分泌转化生长因子(TGF)-β1来增加神经元存活，且该效应不依赖于SERT，因此，氟西汀可能具有较好应用前景〔87〕。SSRI类药物还可和神经胶质细胞相互作用，西酞普兰能降低海马和皮质小胶质细胞的增生和激活，氟西汀同样能降低星形胶质细胞的数量，减轻胶质细胞反应性〔88,89〕。另外，依他普伦还能通过抑制HPA轴和加强磷酸化GSK-3β来减轻应激诱导的认知损害和Tau蛋白磷酸化〔90〕，曲唑酮也能减少磷酸化Tau蛋白沉积，恢复认知水平〔91〕。除了认知行为以外，多项临床试验证明，西酞普兰能够减轻AD患者的激越状态〔92,93〕。

实际上，SSRI类药物的研究仍存在争议，有研究者发现，长期使用SSRI类药物对Aβ病理沉积无明显作用〔94,95〕，Wang等〔96〕的Meta分析提示SSRI类药物的应用增加痴呆的风险，而Xie等〔97〕Meta分析的结果相反；表明SSRI类药物在AD中扮演重要作用，但同时也需要研究者进一步去探索，验证其内在机制。

综上，5-HT系统功能失调和AD的病理及临床表现密切相关，5-HT系统主要通过调节APP代谢、介导神经传递、改善突触功能及影响神经振荡来干预AD。虽然众多5-HT相关药物投入临床试验，但鲜有达到预期效果，一方面是由于AD涉及众多病理变化，单一靶点干预难以维持长期疗效；另一方面，AD确诊过晚，病情严重。因此，在胆碱酯酶抑制剂和NMDA受体拮抗剂长期治疗效果有限的背景下，应提倡多靶点药物治疗，临床上已经有5-HT4受体激动剂和胆碱酯酶抑制剂及5-HT4受体激动剂和5-HT6受体激动剂双靶点药物，可能会有更好的效果及更少的不良反应；不过更重要的是完善诊断标准，确定早期生物标志物(血清素、胆碱能系统等)，实现早期干预，是以后的重点研究目标。