针灸改善阿尔茨海默病突触可塑性机制研究进展

赵 耀,梅书雅,雷 露,刘 奇,张 宁

陕西中医药大学,陕西 咸阳 712046

中医学将阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)归属于“呆病”“健忘”“痴呆”范畴。本病病位在脑,病机为五脏虚损,本虚标实,以髓海失养为本,痰浊、瘀血邪实壅滞脑窍为实,致使神机运转不利。治疗多从五脏出发,标本兼治,以补肾益精填髓为主,兼顾化痰、祛瘀和降浊等基本治则[1]。近年来,针灸在对本病的防治与延缓其病理进程方面的研究取得一定进展,成为该领域的研究热点[2]。如针灸在改善认知功能、日常生活能力方面可能比药物更有效[3];Meta分析结果表明针药结合的治疗方法优于单纯药物治疗[4];静息态功能磁共振成像提示针灸可以有效调节AD患者认知相关脑区的功能活动和连通性[5]。本研究对针灸改善AD突触可塑性的基础研究概况予以分析,旨在为临床针灸防治AD的实践应用提供理论依据。

1 突触可塑性

突触是神经元间信息传递的枢纽,其结构和数量是保证学习记忆功能正常的前提。1949年,Donald Hebb提出神经元之间信息传递效能随神经活动的变化而变化的现象被称为突触修饰,神经突触的这种可改变性被称为突触可塑性[6]。蒲慕明院士在Neuron刊载的关于活动依赖性神经元突触可塑性的综述中,将神经可塑性主要概括为3个层面,即宏观层面上表现为不同脑区激活的时空模式的改变;中观层面上表现为不同神经元类型之间远程和局部联系的改变;在微观层面上表现为神经元和突触在细胞和亚细胞水平上的改变[7]。可见神经突触可塑性是神经系统对外在和内在因素的刺激而产生新的功能或结构状态的能力,主要包括神经细胞再生、脑功能重组和突触连接等环节。研究报道,AD患者神经元突触可塑性的损害是记忆和认知功能减退的重要原因[8]。突触的可塑性在发育早期很高,成年后降低。适应不良的神经可塑性可能是诸多发育性、获得性以及神经退行性脑病的发病原因[7]。海兔防御性鳃反射下的感觉运动性突触活动诱导易化的研究表明[9],长期的功能性和结构性突触变化可以作为学习和记忆的底物。且突触的形成和消除或突触形态的改变也伴随着长时程增强(Long-term potentiation,LTP)/长时程抑制(Long-term depression,LTD)的突触效应,进而表明突触的结构可塑性和功能可塑性之间存在着密切的联系[7]。其中结构可塑性(包括突触数量、形态结构的正常)是功能可塑性(主要表现为LTP和LTD活动的平衡)的基础。

记忆和认知能力的建立与突触可塑性密切相关。近几十年来,突触可塑性[10]、成年神经发生、神经调节和睡眠等在学习记忆中的作用已成为业界普遍关注的问题。尤其是计算机科学、分子生物学、细胞学和心理学等的推动以及新的技术、工具的出现,为该领域的发展提供了重要的支持。

2 针灸改善AD小鼠突触可塑性机制

早有报道表明针灸对认知功能障碍有积极作用,其可能通过调节参与神经元的生存和功能的信号通路来提高学习记忆能力,尤其是通过促进多巴胺能突触传递、促进胆碱能神经传递、抑制氧化应激、调节糖代谢酶、减缓凋亡进程以及减少小胶质细胞的激活等来实现[11]。针灸改善AD突触可塑性作用机制的研究中,相关实验研究则分别从树突棘、突触形态结构、突触相关蛋白、神经递质表达、突触功能增强、神经细胞粘附分子及能量代谢等多角度证实针灸具有改善突触可塑性、延缓AD的重要作用。

2.1 针灸可以减少树突棘丢失

树突棘密度、数量的可塑性是突触结构可塑性的重要体现,可直接影响突触的功能可塑性[10]。Yu CC等报道[12],在衰老过程中,电针预处理可以减少AD模型动物海马树突棘的丢失,进而改善神经元微管和突触损伤,这一作用可能是通过抑制GSK 3β/mTOR通路活性,同时降低Tau蛋白磷酸化水平并促进自噬活性来实现的。Wang Y等[13]研究表明,三焦针法可增加SAMP8小鼠树突棘的数量,这可能是因其抑制了RhoA/ROCK通路活性,进而改善AD小鼠的学习和记忆功能。见图1a。

2.2 针灸改善突触形态结构

针灸改善AD鼠突触超微结构状态,可能与增加神经突触的数密度、面密度、平均面积和突触曲率、减小突触间隙宽度及增厚突触后密度相关,从而改善学习记忆能力,且高频电针可能会增强海马区突触传递,并有可能改善AD记忆障碍。见图1b。

Kan BH等[14]报道,针刺可通过改善中年AD小鼠海马CA1区锥体细胞树突结构,从而提高空间学习记忆能力。相关研究亦发现[15-17],针灸能显著增加AD模型动物海马CA1区突触数目、密度,改善海马区突触超微结构的受损。余曙光团队以往相关研究表明,与SAMR1小鼠比较,快速老化SAMP8小鼠的海马CA1区神经元突触后致密带变薄,突触间隙增宽,突触界面曲率下降[18]。而针灸可明显增加痴呆模型动物神经突触的数密度、面密度和平均面积[19],表明针灸具有增强突触形态重塑的重要作用。Yu CC等[20]报道,不同频率的电针治疗能明显改善大鼠的学习记忆能力,增加突触曲率,减小突触间隙宽度,增厚突触后密度,对AD大鼠突触超微结构损伤具有较好的保护作用,高频电针(50 Hz)比低频电针(2 Hz)和中频电针(30 Hz)更有效。

2.3 针灸调控突触相关蛋白、神经递质表达

针灸可上调AD动物突触可塑性相关蛋白SYN、PSD95 、GAP-43水平、乙酰胆碱和乙酰胆碱转移酶表达,下调GSK-3β、乙酰胆碱酯酶表达;提高肾上腺素、5-羟色胺(5-HT)、多巴胺等神经递质的含量和脑源性神经营养因子(Brain derived neurotrophic factor,BDNF)水平,进而增加突触数量,改善其空间学习记忆能力。针灸还可能提高AMPA受体的表达及其亚基GluR1的磷酸化水平,唤醒沉默突触。见图1c。

Dong W等[21]报道,电针可改善SAMP8小鼠突触丢失,增加SYN和PSD95的表达,抑制AMPK激活和eEF2K活性,认为电针改善AD突触功能的机制可能与抑制AMPK/eEF2K/eEF2信号通路有关。张亢亢[22]研究表明,电针能显著提高突触可塑性相关蛋白SYN和PSD-95在AD大鼠脑内的表达,且电针的作用成效与频率密切相关,高频电针(50 Hz)的疗效最佳,中频电针次之(30 Hz),低频电针(2 Hz)最弱。阚伯红等[23]研究发现,韩景献教授的三焦针法可增加SAMP8小鼠SYN的表达,从而改善锥体神经的形态。赵恩聪等[24]报道,电针对不同阶段(3、6和9月龄)AD小鼠学习记忆能力及海马区SYN、PSD-95表达均具有明显提高作用,且3月龄电针组最显著。王颖等[25]报道,电针可能通过下调AD小鼠GSK-3β、上调GAP-43蛋白的表达,有利于突触损伤修复。Cai M等[26]发现,电针可上调5×FAD小鼠的突触素和PSD-95蛋白表达,改善工作记忆和突触可塑性,减轻神经炎症。此外,电针治疗后,小胶质细胞介导的Aβ沉积减少,同时淀粉样蛋白前体蛋白也减少,表明电针治疗通过抑制AD小鼠突触变性和神经炎症进而改善认知障碍。

沉默突触的唤醒作用可能是针灸促神经康复和影响突触可塑性的又一重要途径和机制[27]。封敏[28]发现,针灸可明显提高AD模型动物AMPA受体的表达及其亚基GluR1的磷酸化水平,唤醒沉默突触;同时,针灸可以促进AMPA受体和NMAD受体的共存,以平衡突触的传递功能,进而增强突触可塑性。熊殷艺[29]研究表明,突触后可塑性关键物质——NMDA受体的亚基NR2A、NR2B可能参与了针刺促突触可塑性的发挥。

针灸还可以调控神经递质的表达。贾成文等[30]报道“补肾益髓”针刺法(百会、风府、悬钟、肾俞和涌泉)能够显著提高AD模型大鼠中枢神经系统肾上腺素、5-羟色胺(5-HT)和多巴胺的含量。林瑶[16]报道,艾灸能显著提高AD小鼠海马区BDNF水平,进而参与促进突触可塑性。霍金报道[31],电项针可以增强AD模型大鼠海马胆碱能神经元乙酰胆碱转移酶的阳性表达,减弱乙酰胆碱酯酶的阳性表达,并且可以增强海马组织中单胺类递质及多巴胺受体D1(DRD1)的阳性表达,增加单胺类递质的分泌,从而防止AD模型大鼠学习记忆能力下降。徐飞等[32]报道,头穴丛刺法可以上调AD小鼠乙酰胆碱、乙酰胆碱转移酶表达,下调乙酰胆碱酯酶表达,通过促进乙酰胆碱合成,抑制其分解,从而改善AD大鼠学习和记忆能力下降的症状。

2.4 针灸增强突触功能

兴奋性突触后场电位(Field excitatory postsynaptic potential,fEPSP)和群峰电位(Population spike,PS)是判断突触传递强化的标志。针刺可以提高AD动物fEPSP 和PS增幅,加强神经元突触兴奋性传递功能,进而改善学习记忆能力。见图1d。

张晓抒[33]通过对AD小鼠海马进行在体LTP测试发现,与AD模型组比较,针刺组PS增幅显著上升,潜伏期降幅显著下降,表明针刺可以提高AD小鼠LTP增幅,加强神经元突触兴奋性传递功能,进而改善学习记忆能力。郭冠华[34]研究报道,与AD模型组比较,电针对照组和“双固一通”电针组fEPSP相对幅度值均明显升高,海马LTP均得到明显改善。沈梅红等[35]报道电针干预治疗后,AD模型大鼠海马兴奋性突触后电位斜率、PS以及群发电位峰面积均显著增加,尽管未达到正常水平, 但仍优于模型组, 表明电针对AD引起的LTP严重受抑具有显著恢复作用。此外,Li W等[36]也发现高频(50～100 Hz)电针能显著增强AD大鼠的海马突触传递。

2.5 针灸提高突触部位神经细胞粘附分子表达

针灸调控突触可塑性与神经粘附分子相关,提高突触部位神经细胞粘附分子(NCAM)、唾液酸化转移酶(ST8SIAII、ST8SIAV)和多聚唾液酸转移酶(ST8SiaII/IVmRNA)的表达,进而改善突触可塑性,提高学习记忆能力。见图1e。

卢圣锋[37]报道,电针可通过提高核转录因子κB的表达,诱导神经细胞粘附分子的合成,进而促进神经细胞粘附。此外研究人员还发现,电针改善AD小鼠学习记忆能力的效应可能是通过诱导神经细胞粘附分子及ST8SiaII/IVmRNA的合成、增强神经细胞粘附和促进神经元突触形态可塑性来实现的[38]。唐勇等[39]发现,电针亦可提高突触部NCAM及其唾液酸化转移酶ST8SIAII和ST8SIAV的表达。

2.6 针灸调节突触相关能量代谢

脑内能量代谢障碍与AD发病密切相关。针灸可提高葡萄糖转运体3、单羧酸转运体4和单羧酸转运体2、18氟-脱氧葡萄糖含量;降低液乳酸、葡萄糖和丙酮酸含量;促进海马线粒体SIRT3转录因子GATA-2表达升高、海马神经元和星形胶质细胞间“crosstalk”增强;改善神经元线粒体超微结构、Na+-K+-ATP酶等呼吸酶链以及细胞色素C等。见图1f。

刘奇[40]发现,针刺可以降低AD小鼠海马细胞间液乳酸、葡萄糖和丙酮酸含量,调控AD小鼠海马能量底物转运蛋白葡萄糖转运体3、单羧酸转运体4和单羧酸转运体2的含量,提升海马神经元能量物质转运,进而促神经元突触可塑性的发挥,提高AD小鼠学习记忆能力[41]。同时,针刺可以促进海马线粒体SIRT3转录因子GATA-2表达升高,进而改善线粒体能量代谢。姜婧等[42]发现,电针能明显提高AD小鼠脑18氟-脱氧葡萄糖的摄取及每克脑组织的摄取率,并可能通过影响脑葡萄糖代谢而发挥神经保护作用。曾芳等[43]报道,针刺可以有效改善AD小鼠海马神经元线粒体超微结构、Na+-K+-ATP酶等呼吸酶链以及细胞色素C等,同时提高了动物的空间学习记忆能力。但这些能量代谢相关因子与突触可塑性的深层机制仍不清楚。Zhang N等[44]通过结合空间转录组学研究发现,艾灸可以促进AD小鼠海马神经元和星形胶质细胞间“crosstalk”增强,调控能量代谢,为神经元提供更多的能量支持,进而改善AD小鼠突触可塑性,提高学习记忆能力。

3 小结

突触可塑性的强弱与学习记忆密切相关。通过本研究梳理发现,针灸改善AD模型动物突触可塑性的作用可能是通过减少树突棘丢失、通过改善突触形态结构、调控突触相关蛋白、神经递质、突触功能、神经细胞粘附分子及能量代谢等途径来实现的。并且对针刺、艾灸的起效机理、治疗的不同疗程和电针的不同频率均进行了深入的研究。因而,改善突触可塑性是针灸促进脑功能恢复、防治AD的重要途径。但笔者认为还存在一些不足。如由于实施针灸操作的独特性及AD老龄鼠的特殊性,导致难以在离体实验中对结果进一步进行验证,如进行病毒干扰等,以排除在体研究中的混淆因素对实验结果造成的影响。其次,针灸效应的发挥取决于机体的状态和疾病的发展阶段。由于针灸治疗时间较长,而AD模型动物随着时间的进程其疾病的病理不断加重,故而选择合适的干预时间段显得尤为重要,有益于进一步明确针灸作用起效的时效关系。此外,针灸改善AD模型动物突触可塑性方面研究颇丰,但更深层次的潜在机制还有待挖掘,结合新的科学技术,多学科交融,例如对新兴的病毒工具以及在提高分辨率成像的进一步应用,将对于解释针灸防治AD的作用机制更为清晰、直观且有说服力。