血管性認知障礙與NMDA受體相關通路研究進展

張 欣,徐忠信,何金婷,王姣琦

(吉林大學中日聯誼醫院 神經內科四病區,吉林 長春130033)

當今社會人口老齡化趨勢日益突出,各種年齡相關疾病的發病率及患病率均有所上升,認知功能障礙作為神經內科常見疾病,其致病因素復雜、癥狀多種多樣,前期輕微的癥狀常被患者及家屬忽略,增加了診斷的難度,甚至延誤了最好的治療時機,給社會帶來了重大的醫學與社會問題。阿爾滋海默病(AD)與血管性認知障礙(VCI)是導致人群發生認知功能障礙的兩大主要疾病。目前,VCI發病率逐年上升,患病率每5年就會增加一倍,僅次于AD,排名第二[1],占所有癡呆患者的1/4-1/2。隨著心腦血管疾病患者增多,VCI將有可能取代AD成為引起癡呆的第一大病因[2]。研究發現,32%的腦卒中患者1年后可能罹患不同程度的認知功能障礙[3],既往患腦卒中的患者總體認知功能障礙的患病率高達64%,其中1/3會進展為癡呆。如不進行有效的干預治療,患卒中和(或)癡呆的人口將高達總人口的1/3[4]。遺憾的是,目前我們對血管性認知障礙病因及發病機制的認識尚不完全清楚,多種影響因素可能參與了其發生發展過程。其中,N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體作為一種興奮性離子型谷氨酸受體,在大腦皮層及海馬中高度表達,參與學習和記憶的主要過程。其功能與結構改變可能與認知功能障礙的發生相關。本文擬以此為出發點,將血管性認知障礙與NMDA受體相關通路研究進行簡要總結。

1 血管性認知障礙概述

1.1 血管性認知障礙的定義及病因

血管性認知功能障礙的定義在很長一段時間都存在爭議。問題的核心主要集中在對血管性認知功能障礙病因的劃分以及認知功能損傷水平的界定上。既往,神經內科醫師多將腦卒中導致的癡呆稱為多發腦梗死性癡呆(MID)或血管性癡呆(VaD)。但臨床上可以見到部分患者無明確卒中病史,僅有腦血管病相關的危險因素,同樣出現了不同程度的認知功能障礙,這類患者的認知功能下降是否應該歸類于血管性認知功能障礙仍存在爭議。更進一步從疾病發生的角度探討,腦血管病相關危險因素是否可歸類為血管性認知功能障礙的病因,這將對認知功能障礙的發病機制研究、可能患病人群及干預治療措施產生很大影響。另一方面,認知功能損傷水平上,有學者認為除癡呆外,還應包含未達到癡呆診斷標準的認知障礙綜合征。伴隨著這些問題的提出和探討,血管性認知功能障礙的定義也幾經完善和補充。2006年美國及加拿大學者基于對歐美國家的卒中患者數據進行分析,對VCI的病因、范圍等作出了明確規定：VCI是指不同程度的認知功能障礙,其特點是由血管或與血管相關因素引起,可合并或不合并AD。VCI根據病因及程度分為三類：未達癡呆診斷標準的VCI稱為非癡呆性血管性認知障礙(VCIND),達到癡呆診斷標準的VCI稱為血管性癡呆(VaD),如VCI合并AD共同致病稱為混合型癡呆(MD)等[5,6]。無明確卒中病史,但存在腦血管病危險因素的患者出現認知功能障礙可歸類為VCIND。將腦血管病危險因素囊括其中是為了更加有效的評估可能出現認知功能障礙的患者,并提前干預認知功能損害的發生及發展。VCI是一種高度流行和可以防治的綜合征,對其進行早期干預可使更多的患者受益[5]。

1.2 血管性認知功能障礙的發病機制

由于引起VCI的病因不同,細胞和組織損害亦不同,VCI可能是血管性危險因素、機體和遺傳因素共同作用的結果。有研究顯示,AD與VaD可能存在共同的病理生理基礎,如都發生了不同程度的腦組織灌注不足,通過對相關病理過程進行干預,可能會有效控制AD與VaD的發生發展。對于 VCI的神經元損傷機制,興奮性神經毒性、中樞膽堿能系統功能紊亂、自由基損傷等均有研究[7],其中興奮性神經毒性與VCI神經元的病理生理改變關系最為密切且有廣泛報道。

中樞神經系統內的興奮性氨基酸以天門冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)為主。生理情況下可維持正常的生理功能,但在某些病理情況下,興奮性氨基酸持續過度釋放,或其受體的過度活化,引起神經元死亡的過程稱為興奮性神經毒性。谷氨酸受體有代謝型和離子型兩種類型。代謝型谷氨酸受體可通過膜內 G-蛋白、第二信使等信號轉導系統；離子型谷氨酸受體包括 NMDAR(NMDAR)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPAR) 和海人藻酸受體,通過離子通道偶聯系統。前者產生緩慢的生理變化,后者介導快信號傳導。在前文中所提及的病因做用于腦組織,使其發生缺血缺氧后,突觸前膜釋放的谷氨酸含量明顯增高,持續過度激活NMDA受體損傷神經元,使其釋放更多谷氨酸,最終導致神經細胞腫脹、空泡變性和細胞遲發性死亡。同時,Glu的超常釋放可導致海馬區域內病理性的長時程增強效應,可能導致海馬神經元遲發性壞死,引起學習記憶功能障礙[8]。因此興奮性氨基酸結合突觸后的NMDA受體,是興奮性神經毒性的重要步驟。

2 血管性認知障礙與NMDA受體

2.1 NMDA受體的組成

NMDA 受體在腦內廣泛分布,海馬 CA1 區突觸后膜處最為密集[9],這也決定了海馬在學習、記憶過程中的解剖學基礎。編碼NMDA受體亞單位的基因來源于 3 個家族,產生了NR1,NR2A-D 和 NR3幾種亞基[10],構成了幾種不同的四聚體或五聚體。兩個NR1 亞基共同組成NMDA通道的必需組成部分,是NMDAR發揮生物學效應必不可少的功能亞基。在腦組織中廣泛分布,海馬、大腦皮質中分布最為豐富[11]。NR2 亞基對 NMDAR 功能起修飾作用,是 NMDAR 的調節亞基,其本身不具有傳遞信息和遞質釋放的功能活性[12]。 NR2B亞基參與學習記憶的形成過程,其數量的增加及功能的增強可提高學習記憶能力,可分為NR2A-D四種亞單位[13]。小鼠海馬 NR2B數量幼年時較多,其數量隨著年齡增長逐漸減少,這也解釋了隨年齡增長逐漸退化的學習記憶功能。NR2C 和 NR2D 的數量則較穩定。小鼠海馬的 NR2B 基因過度表達,可降低海馬的長時程增強(LTP)的誘導閾值,使突觸可塑性發生變化,LTP更易發生,小鼠學習記憶能力增強[14]。NR2B包含糖苷化位點的胞外 N 端、M1-M4 四個跨膜區域和含有多個磷酸酯酶 C(PKC)和 Ca MKII 的磷酸化位點的胞內 C 端三個結構域[15]。正常生理情況下,NMDA 受體具有Mg2+結合位點,Mg2+與NMDA受體結合,可導致Ca2+結合受阻,NMDAR可以通過M2 區域的冬氨基殘基的磷酸化/去磷酸化過程改變空間構象,使Mg2+移位,使突觸后膜對Ca2+的通透性增加。NR3 亞基在與 NR1/NR2 連接形成復合體后發揮抑制作用,使突觸后膜對Ca2+的通透性降低、對Mg2+的靈敏度下降,限制興奮性突觸過度興奮,起到神經元保護作用[16,17]。不同亞基構成不同的NMDAR,分布于不同的腦區,也發揮著不同的生理功能。

2.2 NMDA受體的傳導通路

當配體與NMDA 受體結合后,突觸后 Ca2+濃度迅速升高,與G 蛋白結合使PKC活化,引起細胞內級聯反應：首先,可通過激活PKC,通過使蛋白質磷酸化和去磷酸化修飾核轉錄因子,干預相關靶基因啟動和轉錄。其次,PKC可使依賴性谷氨酸的釋放增加。最后,突觸后迅速變化的 Ca2+濃度可以進一步調控電壓依賴性通道開放,促進Ca2+內流,引起正反饋效應。以上過程共同作用,可啟動LTP效應[18],適當的刺激可以使LTP作用增強,學習記憶能力得到提高,但在損傷的腦組織中,過度興奮的NMDA受體可導致細胞內鈣超載,引起細胞毒性作用,甚至可導致細胞凋亡,這就是卒中患者認知功能下降的分子生物學基礎。

2.3 NMDA受體的亞細胞分布

在卒中患者中,認知功能障礙發生率很高,甚是在未發生明顯腦組織缺血缺氧,僅存在損害腦血管的危險因素時,認知障礙仍較其他神經功能缺損癥狀發生率高。經過查閱相關文獻,我們可以發現,不同NMDA受體具有細胞及亞細胞分布上的差異,這或許可以解釋為什么血管損傷患者易合并認知障礙。

在大腦皮質、小腦等部位的錐體神經細胞中,微弱的突觸活動不能引起動作電位時,NMDA 受體偶聯離子通道可以使少量 Ca2+進入細胞；動作電位閾值以上的刺激做用于電壓門控性鈣通道,使Ca2+大量內流,此時突觸后仍具有自身緩沖Ca2+濃度變化的能力。而海馬 CA1 區錐體神經元這種對抗Ca2+濃度短時間、大幅度的變化的能力較弱,這也解釋了為何卒中或存在腦血管病危險因素的患者,其腦組織缺血缺氧后易發生認知障礙。綜合以上,鈣離子可通過不同部位、不同時間、不同濃度的變化,在不同的神經細胞內發生不同的生化改變,產生不同的生物學效應[19],這也為干預突觸可塑性,進而干預認知功能障礙提供了生物學基礎。

在神經元中,NMDA 受體在突觸內外均有分布,包括突觸前、后、突觸旁和突觸外等區域,但突觸后致密區(PSD)最為密集。在興奮性PSD中,樹突棘NMDA 受體的密度高于樹突桿和胞體細胞膜[20-22]。在生理情況下,突觸前膜釋放的谷氨酸鹽遞質的含量只能激活較敏感的樹突棘部位的NMDA受體,而不能使樹突桿和胞體細胞膜產生反應,只有接受了較強刺激,突觸外的NMDA受體才會激活,引起Ca2+大量進入突觸后膜,激活下游通路[20]。上述NMDA受體的分布差異為不同強度刺激引起不同生物學效應提供了解剖學解釋。

3 NMDA受體與突觸可塑性

突觸的數量、形態結構(如突觸小泡數量)、功能以及突觸間隙的距離可在外界刺激下發生改變,甚至發生突觸變性失活,這種特性被稱為突觸可塑性。根據突觸傳遞效能發生的變化,可以分為長時程增強(LTP)和長時程抑制(LTD)[10,21]。Bliss 等[22]在家兔海馬的研究中發現了LTP現象。NMDA受體在海馬的LTP中起重要作用,其中最重要的是NR2B 亞基。動物研究發現,增加NR2B 基因表達,可以使海馬 LTP得到提高,新生樹突棘數量增加,存活率提高[14]。

LTP可分為早時相 LTP 和晚時相 LTP,早時相LTP持續時間較短,晚時相 LTP持續時間較長。NMDAR 在突觸長時程增強效應發生過程中其重要作用,被稱為LTP的“觸發器”[23],主要通過 NMDAR-Ca MKII-AMPAR 通路起到調節LTP的作用。LTP的第一階段為誘導：NMDA 受體與配體結合后激活AMPA 通路,Ca2+釋放激活鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(Ca MKⅡ),Ca MKII是一種多功能絲/蘇氨酸激酶[24]。Ca MKII未激活時,自身抑制結構域可以阻遏催化活性結構域的活性,Ca2+進入突觸后與鈣調蛋白結合,蘇氨酸殘端自抑制功能區(Thr286)磷酸化,Ca MKII活化并發生位移,移位至突觸后致密區與NMDAR結合,通過 Ras GEF 或 Ras GAP 兩個方向調節 Ras-ERK 通路活性,也可以直接激活GEF,通過激活AMPAR受體[25],誘導啟動LTP。AMPAR 激活后可使NMDA受體的N2B亞基上的Glu R1 的 S831 位點磷酸化,使 AMPAR 電導能力增強,傳遞效率增加,同時可以通過增加受體向突觸后膜的遷移效率增加受體數量,提高LTP效率。Ca MKⅡ激活后,可自身持續磷酸化引起酶持續性的活動,完成LTP的第二階段,即維持[26-28]。在LTP誘導及維持的過程中,NMDAR起到了至關重要的作用,過度的NMDA受體激活會導致神經細胞損害,因此有效阻止NMDAR過度激活可以降低認知障礙的發生風險。同時,換一個角度思考,在已經發生損傷的神經元中,提高LTP的效能,是否可以改善患者的認知功能障礙,這為認知障礙的治療提供了思路。現階段部分治療認知障礙的藥物正是通過干預NMDA傳導通路起作用。

4 血管性認知障礙與NMDA受體相關的治療

美金剛(1-氨基-3,5-二甲基金剛烷鹽酸,Memantine)為NMDA受體拮抗劑,從上世紀80年代開始用于治療Parkinson病。美金剛是一種中等親和力、電壓依賴性、非競爭性NMDA受體拮抗劑,既能維持NMDA受體生理性激活,又可阻斷其輕度病理性激活,使得NMDA受體能夠保持其基本的生理活性,且其有效量與中毒量差距較大。美金剛還可以對缺血缺氧的腦組織起保護作用[29]。

尼莫地平是二氫吡啶類鈣離子拮抗劑,可以有效阻斷L型鈣通道,避免NMDAR過度激活,可有效降低細胞內鈣超載的發生幾率,減輕缺血缺氧造成的神經毒性作用。因其較高的脂溶性可有效的的通過血腦屏障[30],同時尼莫地平可以與腦血管平滑肌細胞上的受體特異性地結合,因此對腦組織具有較好的組織特異性；此外尼莫地平可以與海馬、皮質等與學習、記憶相關腦區的腦神經元細胞受體結合,改善學習、認知功能[31]。因其作用于小血管,可以實現腦血流的自動調節、擴張腦血管,同時不產生盜血作用,對于腦組織代謝的影響較小,對于心血管疾病外周循環的血流動力學影響也較小,對改善腦血管病患者的認知功能障礙安全有效[32]。

5 問題與展望

美國心臟協會(AHA)和美國卒中協會(ASA)建議成人卒中康復過程中,所有患者均應對認知功能進行評估(I,B),在干預卒中的同時進行認知功能障礙的干預治療。我國也出臺了《卒中后認知障礙管理專家共識》,針對腦血管病危險因素的一級預防、針對腦卒中發生發展及復發的二級預防和對癥治療,以減輕卒中后認知功能障礙的損害[33]。VCI的診斷一旦明確,就應以減輕患者癥狀、延長患者的生存期、提高患者的生活質量為目的進行藥物及心理社會行為等治療。由于目前對VCI發生機制的認識尚不充分,在腦組織缺血缺氧過程中發生的與認知功能相關的病理生理過程又非常復雜,致使臨床藥物有限,治療成本高,給家庭及社會都帶來了極大的負擔。NMDA受體相關通路對學習和記憶的影響已經得到了公認。通過圍繞NMDA受體的多靶點干預,實現對突觸可塑性的調控,可能成為延緩或逆轉認知功能障礙發生發展的一個潛在途徑,為臨床藥物的開發提供潛在干預位點。