慢性腦缺血與認知功能障礙及阿爾茨海默樣病理生理改變

太史葉子，趙 陽，安 慶綜述，孫 莉審校

癡呆是一種老年期常見的以認知功能損害為主要臨床特征，可表現為記憶、執行功能、注意力、語言及視空間等功能受損，嚴重者可伴精神行為異常的且影響日常生活和社會功能的慢性退行性疾病。阿爾茨海默病(Alzheimer’s Disease，AD)是最常見的癡呆病因，約占60%～70%；血管性癡呆(vascular dementia，VaD)為癡呆第二大病因，占15%～20%，是由各種腦血管因素所致認知功能損害，可表現為記憶力損害、執行功能受損等一系列異質性臨床癥狀。其他常見原因還包括在病理和臨床表現上兼具AD和VaD表現的混合性癡呆(mixed dementia，MD)、額顳葉變性(frontotemporal lobar degeneration，FTLD)、路易體癡呆(dementia with Lewy bodies，DLB)等[1]。雖然各類型癡呆都有其獨特的病理特征，但它們常有一共同病因即某一時刻的腦血管功能障礙。因此，探討腦血管病變與癡呆之間潛在的病理生理聯系意義重大。

慢性腦缺血(chronic cerebral hypoperfusion，CCH)是一種十分常見的病理生理狀態及臨床過程，既往與之相關的概念還有慢性腦供血不足(chronic cerebral circulation insufficiency)、腦動脈硬化癥(cerebral artery atherosclerosis)等[2]，但其作為一種獨立的疾病長期以來一直缺乏客觀、明確的診斷標準。中華醫學會神經病學分會腦血管病學組于2017年發表的《中國腦血管疾病分類2015》中提出CCH是指腦整體水平血液供應減少狀態(腦血流量 25～45 ml/(100g·min))而非局灶性的腦缺血，患者多為老年人，以頭重、頭暈、頭痛為常見臨床表現，除動脈硬化或腦動脈狹窄外，無局灶性神經系統缺損的癥狀和體征，也無顱腦影像學異常(即無結構性改變)[3]。可被定義為由于長期血管病變或循環障礙所導致的腦供血減少，因失代償而引發的一系列臨床綜合征，癥狀出現時間一般在失代償后3 m以上，可持續存在或間斷性發作[4]?，F已證明，CCH不僅是各種腦血管疾病的重要機制，同時與AD、VaD、皮質下動脈硬化性腦病(subcortical arteriosclerotic encephalopathy，SAE)等認知障礙相關疾病關系密切。高齡、高血壓病、高脂血癥、吸煙、糖尿病、高同型半胱氨酸血癥(hyperhomocysteinemia，HCY)、阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome，OSAHS)、動脈粥樣硬化、心臟病等危險因素均可引起慢性腦缺血[5，6]，導致長期腦血流灌注不足，最終出現不同程度的認知缺陷。AD病理改變常與其他神經退行性變及血管性病理改變共存而呈現混合性癡呆，其中AD與腦血管性病理改變共存為最常見類型，一份來自美國國家阿爾茨海默病協調中心的報告顯示近80%的散發性晚發型AD中存在某種形式的腦血管病理改變[7]，另一納入114例研究病例的結果表明約三分之一患者的癡呆類型臨床診斷與尸檢診斷不一致[8]。可能的原因為一方面由于老年病科醫生、精神科醫師等非癡呆病專業人士過分看重以記憶喪失為主要表現的AD，時常會忽略具有異質性臨床表現的血管性認知功能損害(Vascular Cognitive Impairment，VCI)；同時專業的卒中門診因過度關注神經功能障礙而無意中忽視認知損害癥狀，致使純(或)混合型VCI的實際負擔和流行率很可能比目前估計的要高得多[9]。因此，探討腦血管病變與癡呆之間潛在的病理生理聯系具有十分重要的社會意義，兩者關系已成為近年神經病學領域的研究熱點[10～13]，本文就CCH引起的神經退行性變及與阿爾茨海默樣病理生理改變和認知功能障礙的相關研究進行綜述。

1 CCH的流行病學、病因及分型

CCH是中老年人的常見病、多發病，據2016年度中國流行病學調查報告顯示：65歲以上的人群中2/3有CCH病史，在50～65歲人群中約50%有CCH病史，45～50歲人群中亦存在25%的CCH[4]。導致CCH的病因主要有三類：(1)血管結構性病變：動脈粥樣硬化導致的顱內血管狹窄或閉塞，動-靜脈畸形，大動脈炎，moyamoya病，腦動-靜脈瘺等；(2)血流動力學改變：慢性失血、長期低血壓、心功能不全等導致的心輸出量減少，引發腦灌注不足；(3)血液成分改變：任何原因引起的血液黏度增高，如高脂血癥、真紅細胞增多癥等[14，15]。臨床上可按照缺血區域分型：(1)后循環(椎-基底動脈系統)缺血型：臨床表現以頭暈、行走不穩感、傾斜感、站立不穩感或頭重腳輕感等持續性椎-基底動脈供血不足癥狀為主，癥狀可有波動性，重時可有眩暈，伴惡心、視物模糊、肢體乏力等表現，為最常見類型；(2)前循環(頸內動脈系統)缺血型：臨床表現以記憶力減退，注意力不集中，情緒不穩定(焦慮、易怒)，失眠，工作能力下降，判斷力下降等前循環功能障礙為主；隨時間推移可出現人格改變、偏執、輕度癡呆，偏側肢體麻木、酸困、發涼；(3)全腦缺血型：同時具有前、后循環供血不足表現[4]。熟悉CCH常見病因及分型對準確識別其異質性的臨床表現及正確診斷十分必要。

2 CCH的評估及輔助檢查

2.1 神經心理評估 針對CCH導致的認知及情緒改變等臨床表現，目前有較完善的相關量表推薦：情緒評估通常采用焦慮自評量表(SAS)、抑郁自評量表(SDS)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)、漢密爾頓焦慮量表(HAMA)進行評估，對有精神病性癥狀的患者可采用神經精神量表(NPI)。認知功能評估可采用蒙特利爾認知評估量表(MoCA)、簡易精神狀態量表(MMSE)進行篩查，發現異常者，進一步采用各專項功能表包括阿爾茨海默病評估量表一認知分量表(ADAS—cog)，數字廣度測驗(DST)、畫鐘測驗(CDT)、連線測驗、受控口頭語詞聯想試驗及Stroop色一詞關聯試驗等對認知各項功能進行全面評估[4]。值得注意的是CCH所致認知障礙常為執行能力、注意力受損等異質性臨床表現，在實際臨床工作中對于相關量表選擇及結果關注我們應有所側重。另應注意完善頭暈、頭痛、睡眠障礙等相關專項評估以全面了解病情。

2.2 相關輔助檢查 目前臨床上用于評估CCH方法主要有經顱多普勒超聲(TCD)、頸動脈彩色多普勒超聲(CDFI)、CT血管造影(CTA)、磁共振血管造影(MRA)等血管檢查；計算機斷層灌注成像(CTP)、磁共振灌注造影成像(PWI)、動脈質子自旋標記(ASL)、單光子發射計算機斷層成像(SPECT)、正電子發射型計算機斷層顯像(PET)、氙氣CT(Xe-CT)等灌注檢查。腦血管檢查方面：TCD及其基礎上進一步發展的經顱彩色編碼超聲檢查(TCCS)已被應用于癡呆相關疾病腦血管狀態評估，腦血流速度下降和腦血管儲備容量下降等為主要觀察指標[16，17]。腦灌注檢查方面：PET是評價腦血流灌注的金標準，但因其價格昂貴、儀器限制等原因尚無法成為CCH常規檢查手段。而CTP目前已在缺血性腦病中較為廣泛應用，腦血流量(cerebral blood flow，CBF)、腦血容量(cerebral blood volume，CBV)、平均通過時間(mean transit time，MTT)和達峰時間 (time to peak，TTP)為其主要參數，頭頸部CTA聯合CTP不僅可顯示腦血管狹窄程度，還可定量反映CCH患者腦組織血流灌注情況，能為臨床提供較詳實、全面的評估結果[18～20]。在動物研究中，CCH可通過激光多普勒血流檢測儀(LDP)、磁共振血管造影(MRA)、動脈質子自旋標記(ASL)反應腦血管情況及血流量[21]或活體磁共振波譜(in-vivo MRS)檢測實驗動物在缺血狀態下腦組織的生化改變[22]，光學相干斷層掃描(OCT)評估腦血管和血流動力學的特征[23，24]。通過分子標記如缺氧誘導因子1β(hypoxia inducible factor-1β，HIF-1β)，TP53誘導糖酵解和凋亡調節因子(TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator，TIGAR)以及葡萄糖轉運蛋白(glucose transporters，GLUTs)1和3等測定作為證實及評估缺血程度的指標[25～27]。現代醫學技術的發展使CCH的臨床評價變得更多維度、更加實用。綜上，以上檢查可協助定量、半定量顯示腦血流量及組織代謝情況。其中，腦血流灌注檢查是確定CCH的關鍵指標，在具體實施過程中應充分考慮各項檢查準確性、安全性及可重復性等優缺點，結合患者實際情況綜合把握。

3 CCH的常見動物模型

3.1 雙側頸總動永久性結扎模型 永久性雙側頸總動脈結扎(Permanent bilateral common carotid artery occlusion，BCCAO或two vessel occlusion，2VO)是代表性的慢性腦低灌注模型，該模型1992年由Torre等建立，雙側頸總動脈永久結扎后造成全腦低灌注。在大鼠中因其Wills環發達、代償好，術后仍能保持持續血流供應同時無任何一個腦區血流灌注完全停止，只是不同腦區腦血流下降的程度不同，其中以前大腦皮質及白質血流減少較顯著。相比之下，大部分小鼠因Wills環發育不全常導致嚴重缺血[28]。2VO大鼠為永久性、持續性的全腦灌注下降，不會造成因血流瞬間恢復而導致的再灌注損傷，神經損傷輕微，無明確的缺血核心及半暗帶，亦無明顯運動功能障礙及癲癇發作。因此，就技術層面而言，大鼠2VO模型無論是從實驗動物本身亦或是手術操作及溫和持續的血流下降過程而言都是較優選擇。但不可忽視的缺點是其較高的死亡率，同時因常累及視覺通路而使得行為學評估受影響。

3.2 大鼠分次永久性結扎四動脈(4VO)模型 大鼠分次永久性結扎四動脈(four vessel occocclusion，4VO)最早由Pulsinelli等[29]建立，隨后亦在其基礎上發展4-VO/ICA (four-vessel occlusion/internal carotid artery )模型[30，31]，主要操作流程均為分次結扎雙側頸總動脈及椎動脈，其對腦灌注的降低較2VO緩和，其缺點為手術分次進行耗時、步驟復雜、電凝創傷大且感染幾率較2VO模型高。

3.3 微線圈模型 此模型由Shibata等[32]首次提出，同樣利用小鼠Wills環發育不完整的特點，用直徑為0.16～0.22 mm的微線圈纏繞小鼠雙側頸總動脈，造成雙側頸動脈狹窄(bilateral carotid artery stenosis，BCAS)。Boehm-Sturm等[33]利用ASL證明了BCAS術后24 h內全腦血流量減少超過50%，考慮由于其在腦血流下降時的自動調節功能，4 w時CBF恢復到了基線期的75%。該模型優勢是所致低灌注并不局限于皮質血管，但在使用微線圈纏繞時CBF的急劇降低為其較大局限性。

3.4 單側頸總動脈結扎模型 小鼠單側頸總動脈結扎(unilateral common carotid artery occlusion，UCCAO)是在2VO模型上發展起來的一種新型實驗動物模型，高存活率是其顯著優勢，由Yoshizaki等首次提出[34]，已被證明會產生多種認知障礙相關病理改變，包括白質損傷、炎癥、神經元變性和認知缺陷等[34～36]，對研究血管性癡呆特別是皮質下缺血性癡呆的病理機制有一定應用價值。

4 CCH與認知功能障礙

慢性腦缺血可導致認知功能障礙，或使具有阿爾茨海默樣病理改變的動物模型的認知障礙加重。盡管CCH導致認知障礙的具體機制尚不十分清楚，但多項公認的CCH動物模型研究已證實其與記憶能力、運動能力、空間學習能力、空間記憶能力等受損具有相關性。Zhao等對4.5～6月齡雄性小鼠實施右側頸總動脈結扎術(UCCAO)術后1 m發現CCH可以導致焦慮，輕度運動學習能力及運動協調能力受損，近期記憶障礙，以及輕度空間記憶障礙[35]。Yao等對成年雄性SD大鼠實施了2-VO術，術后28 d通過新物體識別測試(NOR)、Morris水迷宮(MWM)評估認知能力發現慢性腦缺血對老年大鼠的空間學習能力及空間記憶能力均有損傷[37]。Lee等對14～15月齡的雌性Tg2576小鼠(過度表達具有Swedish突變的人類APP695基因的轉基因鼠)實施rUCCAO術后發現CCH可加重小鼠的空間學習及記憶障礙[38]。臨床上對無癥狀性頸動脈狹窄的研究也表明認知功能與頸動脈狹窄程度密切相關。雙側頸動脈狹窄患者在執行功能、注意力和記憶力方面的表現往往比單側頸動脈狹窄患者差，重度頸動脈狹窄患者(>70%)的心理量表檢查得分始終低于輕度至中度頸動脈狹窄組(40-70%)[39]。對一項納入了4006例65歲以上的右利手無癥狀性頸動脈狹窄患者隨訪發現，左側頸內動脈重度(≥75%)狹窄與認知功能下降表現出明顯相關性[40]。大多頸動脈狹窄患者常表現出不影響日?；顒拥恼J知損害，無癥狀頸動脈狹窄可作為認知能力下降的獨立危險因素，這種認知能力下降最終可能會導致癡呆[41，42]。多項研究顯示，慢性腦缺血與認知功能障礙存在著密不可分的因果及促進關系，進一步探索其共同的病因及病理生理機制顯得尤為重要。

5 CCH與阿爾茨海默樣病理生理改變

AD分為散發型(sporadic Alzheimer’s Disease，SAD)和家族型(familial Alzheimer’s Disease，FAD)，95%的AD為環境、基因及代謝等多種因素導致的散發型。細胞內由異常的過度磷酸化的Tau蛋白聚集而成的神經纖維纏結、細胞外的由β-淀粉樣蛋白沉積構成的老年斑及海馬和皮質的神經纖維退行性病變為其特征性病理改變。其他可能機制有：突觸功能障礙、神經元丟失、氧化應激及血管因素等。近年來，越來越多研究證實CCH可致阿爾茨海默樣病理生理改變。

5.1 CCH與Aβ沉積 作為AD腦內特征性病理改變老年斑的主要成分Aβ由39-43個氨基酸組成，由淀粉樣前體蛋白(β-amyloid precursor protein，APP)在β-分泌酶和γ-分泌酶的聯合參與下水解形成，發生病理情況時在細胞外逐漸聚集形成老年斑，啟動一系列級聯反應，產生神經毒性。研究發現，BCAS術后1 m APPSw/Ind-Tg小鼠腦內提前出現Aβ病理性沉積，并可加速老年斑的形成，進一步證實CCH促進Aβ沉積[43]。多項研究證實，CCH可加速APP-Tg或APP/PS1-Tg等轉基因鼠腦內Aβ的病理性沉積，從而導致顱內小血管病變，進一步加重腦缺血，形成惡性循環[44，45]。Aβ進入細胞后可引起線粒體損傷、氧化應激并進一步引起神經細胞凋亡。CCH可導致Aβ沉積，且使得AD模型小鼠Aβ沉積提前出現并加速Aβ形成老年斑的進程。

5.2 CCH導致Tau蛋白的過度磷酸化 tau蛋白是一種含量最高的微管相關蛋白，作為神經原纖維纏結的主要蛋白成分，與阿爾茨海默癥患者的癡呆程度呈正相關。當tau蛋白過度磷酸化時，其與微管蛋白的親和力降低，促進微管解聚，抑制軸突運輸，破壞神經元骨架的穩定性，導致神經炎癥及功能障礙，促進凋亡過程，進而導致認知功能障礙[46]。既往研究證實CCH可誘導tau蛋白過度磷酸化。Yao等發現慢性腦缺血可導致Tau蛋白可能通過糖原合成酶激酶3β(GSK 3β)、細胞周期蛋白依賴性激酶(CDK5)及鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)等主要導致Tau蛋白磷酸化的激酶的激活，以及Tau蛋白主要的磷酸酶PP2A的抑制導致多個AD相關的磷酸化位點過度磷酸化[47]。Zhao等通過UCCAO動物模型探討了CCH對于4.5～6月齡小鼠腦內Tau蛋白磷酸化水平的影響，UCCAO組小鼠的缺血側皮質及海馬內的O-GlcNAc糖基化水平較假手術組小鼠明顯降低，皮質內Tau蛋白的磷酸化在pThr212和pSer262位點呈顯著升高，鑒于O-GlcNAc糖基化與Tau蛋白的磷酸化存在共同修飾位點認為兩者存在競爭性拮抗關系，提出了慢性腦缺血可通過下調O-GlcNAc糖基化水平導致Tau蛋白異常過度磷酸化[35]。Qiu等通過UCCAO模型發現大腦低灌注導致16個月齡的3xTg-AD小鼠和野生型小鼠海馬和皮質磷酸化Tau蛋白顯著升高，且這種變化在AD小鼠中更為明顯[13]。Li等用2VO處理雄性大鼠后動態觀察大鼠海馬CA1區磷酸化TAU蛋白陽性的細胞數量發現較對照組明顯增加，且隨著時間推移而加重[48]。上述研究均證實CCH可導致或促進Tau蛋白過度磷酸化，并與催化Tau蛋白的磷酸化及去磷酸化酶活性有關。

5.3 CCH與氧化應激 氧化應激即機體氧化及抗氧化水平失衡時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)等大量氧化中間產物堆積，若活性自由基未被及時清除，產生脂質過氧化、蛋白質氧化和DNA氧化受損等廣泛損害，進而出現認知障礙。氧化應激在AD發生發展中發揮重要作用，并與疾病的嚴重程度呈正相關。大量的研究已經提供了CCH導致氧化應激的證據，并描述了氧化損傷導致認知障礙的機制。Dong-Hee Choi[47]對10周齡雄性Wistar大鼠行2VO術后發現NADPH氧化酶1 (NOX1)在海馬神經元中的表達逐漸增加，NOX1是活性氧的主要來源，可引起氧化應激，進而導致海馬神經元死亡和認知障礙，抑制NOX1可以減輕這些大鼠的氧化損傷和記憶喪失。進一步證實NOX1介導的ROS生成和海馬神經元的相應損失是認知功能損害的原因。Anil Kumar Saxena等證實大鼠2VO誘導后8 w腦組織中抗氧化酶即谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶較對照組相比明顯升高，間接證實了氧化應激在CCH后的升高，且表明，氧化損傷的增加可能與中樞膽堿能功能障礙有關，導致空間學習/記憶功能障礙和工作記憶障礙[10，49]。此外，氧化應激產物的堆積可與神經細胞內鈣超載及A-β相互促進，形成惡性循環，引起神經細胞變性、功能喪失，并引發神經細胞凋亡。

5.4 CCH導致腦白質損傷和膠質細胞激活 腦白質是一個復雜的結構單元，由神經軸突、髓鞘和支持細胞等構成，其完整性對維持大腦功能至關重要。白質改變是VCI及CCH的一個顯著特征，其損傷程度與缺血程度明確相關，且多伴隨膠質細胞數量的顯著增加，激活的膠質細胞又可進一步加重白質損傷。中樞神經系統有4種類型的神經膠質細胞：星形膠質細胞、小膠質細胞、少突膠質細胞和室管膜細胞。其中小膠質細胞是大腦中固有的巨噬細胞，可通過釋放促炎細胞因子/趨化因子參與低灌注誘導的白質損傷。在灌注不足后小膠質細胞數量顯著增加可從閉塞后1 d在白質中檢測到，并一直顯著升高至28 d[50]。另一方面，腦灌注明顯減少后組織含氧量下降，缺氧可對少突膠質細胞產生有害影響，少突膠質細胞損害導致的脫髓鞘是腦白質損傷的重要原因，還可直接引起血腦屏障通透性的改變，激活的炎性細胞可通過受損的血腦屏障進入腦實質，產生免疫炎性反應，共同促進白質損傷[12]。另有Bo-Ryoung Choi等[51]通過BCCAO模型不僅首次通過氣味識別任務證實嗅覺相關的認知損害在CCH大鼠中受到了損害，同時驗證了術后白質損害以顯著的神經炎癥反應、少突膠質細胞丟失、髓鞘密度衰減、郎飛氏結結構紊亂和白質束解體為特征。CCH白質損傷機制繁雜，可能通過多種途徑共同作用，其深入機制仍需我們繼續探索。

CCH引起的血管損傷、認知改變在老年人中很常見，與AD等神經退行性疾關系密切。隨著其發病率不斷上升，對其研究也日益深入，但仍未十分明確。其非特異性的臨床表現對臨床早期識別診斷提出挑戰。同時，對現有CCH動物模型的進一步改進，開展相應臨床研究，以及基于現有機制的針對性靶向治療，都將是未來的重要研究方向。