骨鈣素與認知功能障礙機制的研究進展

趙雅莉 閆彩鳳

認知功能障礙和骨質疏松癥發病率都是隨年齡增加而增高的疾病，是普遍的公共健康問題，流行病學發現這兩種疾病具有非常高的共病率。研究表明，許多腦源性信號可以同時調節成骨細胞和破骨細胞活動，進而影響骨量?；加猩窠浘裾系K性疾病的病人通常合并有骨質疏松癥或骨量減少[1]；同時也發現骨質疏松癥病人發生阿爾茨海默病的概率是正常人的2倍[2]。大量的研究也證實了骨量減少和骨質疏松癥與認知功能障礙和阿爾茨海默病密切相關[3-5]。這種相互之間的關聯引發骨骼和大腦認知功能之間的聯系，提示骨調節和其功能相關因素具有影響大腦認知功能的可能。

一直以來，骨骼被視為靜止且堅硬的器官，這種特征決定了骨在維持人體結構、促進運動中的重要性。但是近些年發現骨也有其“柔軟”的一面，即它的內分泌功能，作為全身穩態的調節器，控制各種生理途徑。骨鈣素是一種由成骨細胞表達和分泌的非膠原蛋白，又稱骨γ-羧基谷氨酸蛋白，臨床上可以作為骨形成的標志物，同時也是骨內分泌學的關鍵因子之一[6]。2013年，Oury等[7]觀察到骨鈣素基因敲除(Ocn-/-)小鼠較同窩野生型小鼠活躍度明顯降低，它們表現為更加焦慮，記憶力下降更明顯。在解剖學上，這些小鼠的大腦，尤其是海馬體更小，更不發達。另外，該研究者還觀察到，將年輕小鼠含有骨鈣素的血漿注射到老年小鼠中，能改善其認知功能，提示外源性骨鈣素可以糾正老年小鼠的認知功能下降。Gu等[8]的研究發現，2型糖尿病小鼠血清中羧化不足骨鈣素的降低與認知功能受損有關。一項納入225名老年人的橫斷面研究顯示，骨鈣素水平與老年女性的執行功能和整體認知能力呈正相關[9]。此外，Puig等[10]對肥胖受試者的研究發現，較低的骨鈣素與較低的認知能力以及大腦微結構的變化有關。無論是動物實驗還是臨床研究都證實了骨鈣素和大腦認知功能的相關性。

1 骨鈣素通過改變大腦神經遞質影響認知功能

在胚胎發生過程中，母體骨鈣素能有效穿過胎盤屏障、進入胎兒的血流，阻止海馬神經元凋亡影響大腦認知功能發育。這一點可以從母體Ocn-/-小鼠的幼崽表現為海馬區解剖缺陷這一實驗中得以證明。在胚胎發育第16.5天(E16.5)小鼠的骨骼中沒有檢測到內源性骨鈣素表達，但是在E14.5胚胎的血液中檢測到了該蛋白質。在沒有母體和內源性骨鈣素的情況下，胚胎側腦室擴大，海馬體凋亡細胞數量增加。每天向Ocn-/-母親注射骨鈣素可糾正這種解剖表型的異常，并可以部分挽救后代的學習和記憶缺陷[7]。

骨鈣素通過血腦屏障可以在中腦(腹側被蓋區，呈現多巴胺能神經元的核)、腦干(中縫背核和中縫核，富含5-羥色胺能神經元)和海馬CA3區積累，并且可以與這些區域中影響多種神經遞質合成和信號轉導的神經元特異性結合。在腦干，骨鈣素結合在包含5-羥色胺能神經元的中縫背核和中縫核中，增加5-羥色胺的合成，誘導鈣內流并激活動作電位[11]。此外，γ-氨基丁酸在Ocn-/-小鼠大腦的所有區域都升高，給予外源性骨鈣素處理后，小鼠體內γ-氨基丁酸合成和γ-氨基丁酸能中間神經元的動作電位頻率均降低。在中腦，骨鈣素與腹側被蓋區的神經元結合，降低谷氨酸脫羧酶1(Gad1)的表達，Gad1參與γ-氨基丁酸生物合成；骨鈣素也增加腦干和中腦中色氨酸羥化酶2(Tph2)和酪氨酸羥化酶(Th)的表達，這兩種酶分別是5-羥色胺、去甲腎上腺素和多巴胺合成的關鍵酶[7, 11]。通過腦室內途徑把骨鈣素注射到Ocn-/-小鼠身上，可使Tph2、Th、Gad1和Gad2的表達正常[12]。最近一項研究發現，骨鈣素能夠減少黑質紋狀體系統Th的丟失，調節星形膠質細胞和小膠質細胞的功能，進而影響大腦認知水平，給予外源性骨鈣素可以改善與帕金森病相關的行為功能障礙[13]。這些結果為骨鈣素通過腦內神經遞質影響認知功能提供了理論基礎。

2 骨鈣素與Gpr158結合影響認知功能

Ocn-/-小鼠與Gprc6a(G protein-coupled receptor, family C, group 6, member A)受體缺乏(OcnR-/-)小鼠之間行為表型的差異表明骨鈣素對認知功能影響的機制不是由Gprc6a受體介導的。在小鼠的大腦、小腦和腦干中，Gpr158(G protein-coupled receptor 158)的mRNA表達水平比Gprc6a高5～150倍。Gpr158在Ocn-/-小鼠的海馬體中比在野生型小鼠中更豐富。Gpr 158-/-小鼠表現出比野生型小鼠更嚴重的焦慮樣行為，在這些小鼠中，認知缺陷和焦慮樣行為都不能通過長期注射骨鈣素來糾正，這表明Gpr158是骨鈣素調節認知功能和焦慮樣行為所必需的受體[14-15]。

動物實驗研究顯示，生物素標記的骨鈣素在野生型小鼠海馬體中結合了一個含有Gpr158和Gαq(鳥嘌呤核苷酸結合蛋白α-q)的復合物。進一步對Gpr158-/-小鼠海馬體的膜進行分析時，Gαq含量大大減少。同樣的，在野生型小鼠中，骨鈣素增加三磷酸肌醇(IP3)的生成顯著多于Gpr158-/-小鼠。IP3是GPCRs信號傳導的第二信使。最終研究分析確定骨鈣素可以結合一個含有Gpr158和Gαq的復合物，這種相互作用促進了作為第二信使的IP3的積累增加，IP3可以促進細胞鈣庫內鈣離子釋放，發揮生物學效應[14]。

2.1 腦源性神經營養因子(BDNF)的表達 在探索Gpr158是否是骨鈣素在大腦中改善認知功能的受體時，研究人員發現神經元中一種眾所周知與認知功能相關的神經介質——BDNF的表達和合成增加[16]。Khrimian等[14]的研究也支持了BDNF是骨鈣素在大腦中發揮作用所涉及的因子。首先，與Gpr158-/-小鼠的海馬神經元相比，野生型小鼠BDNF的表達顯著增加。第二，外周注射未羧化骨鈣素可以通過血腦屏障使16月齡小鼠海馬中BDNF的表達增加。第三，在接受幼鼠血漿的老年鼠的海馬中BDNF積累增加，但在接受骨鈣素缺乏幼鼠血漿的老年鼠的海馬中BDNF并沒有增加。此研究進一步證實了骨鈣素不僅可以使BDNF囊泡的運輸速度增加、暫停時間減少及活動的順行囊泡數量增多，也可以刺激BDNF囊泡在全身神經元中向突觸的特異性運輸[14]。這些都表明骨鈣素可以通過與Gpr158結合后誘導BDNF信號轉導增加，進而影響大腦認知功能。

2.2 原癌基因c-FOS的積累 在野生型小鼠神經元中，骨鈣素的局部傳遞可誘導原癌基因蛋白c-FOS的積累，而在Gpr158-/-小鼠中則沒有[15]。一直以來，c-FOS被認為是細胞增殖、分化和轉化的調節因子，在神經元中，它的表達也與涉及記憶和學習的過程有關[17]。骨鈣素與Gpr158結合誘導神經活性基因c-FOS的表達，對認知功能產生一定影響，這是另一種可能涉及的分子機制。

2.3 RbAp48(組蛋白結合蛋白)與骨鈣素相互作用 組蛋白結合蛋白RbAp4/RbAp48表達減少是人類和野生型小鼠年齡相關記憶喪失的分子標志。老年小鼠RbAp48的過度表達減輕了衰老相關的認知缺陷并恢復了組蛋白乙?；痆18]。Kosmidis等[19]發現，在抑制RbAp48表達的大鼠海馬中，Gpr158 mRNA水平顯著降低，Gpr158蛋白水平降低，而且RbAp48可影響BDNF的mRNA水平。這表明了RbAp48可以通過控制Gpr158和BDNF的表達增加影響骨鈣素在認知方面的有益功能。該研究團隊進一步的研究表明，Ocn/Gpr158通路的激活增加了老年人齒狀回中CA3c和CA3a腦區RbAp48的表達，并挽救了與年齡相關的記憶喪失[18]。這些發現表明Ocn/Gpr158/RbAp48信號通路相互作用可以挽救與年齡相關的記憶喪失，改善年齡相關的認知功能障礙。

2.4 神經元突觸活動的維持 Gpr158被證明是海馬體中一種通路特異性突觸組織者，是正常苔蘚纖維(Mossy fibers, MFs)結構和功能及CA3區神經回路建立所必需的[20]。神經元樹突結構對神經元整合信號至關重要，可以影響細胞的內在特性，從而影響學習和記憶。Gpr158-/-小鼠干擾了神經元形態的正常發育。在缺乏Gpr158的情況下，海馬CA3區苔蘚神經元輸入端的突觸傳遞受損[21]。在全細胞電流鉗記錄(電生理測定)中，骨鈣素增加野生型小鼠海馬CA3區錐體神經元的動作電位頻率，但不增加Gpr 158-/-小鼠的動作電位頻率[14]。這些發現表明，骨鈣素與Gpr158結合后，可維持神經元的正常發育，增加神經元動作電位頻率，從而影響大腦認知水平。

綜上所述，骨鈣素與Gpr158結合后通過BDNF、c-FOS、RbAp48以及刺激動作電位頻率增加、維持神經元正常發育等方面影響認知功能。但是通過原位雜交技術分析發現，Gpr158在皮層、梨狀皮質、脾后區和腹側被蓋區的體感、運動和聽覺區域表達，并不在骨鈣素活躍的所有大腦區域表達，這表明其他受體和機制也參與了大腦中骨鈣素的信號轉導。

3 骨鈣素通過多種途徑對認知功能產生間接影響

骨鈣素不僅具有促進胰島B細胞增殖、增加胰島素敏感性、調節葡萄糖穩態、防止高脂飲食誘導的葡萄糖不耐受出現等功能[22-24]，也能通過Gprc6a促進腸上皮細胞胰高血糖素樣肽-1 的釋放，從而間接刺激胰島素分泌[25]。長期高血糖通過氧化應激反應、微血管及神經病變等機制使大腦神經元數量減少、形態異常及功能失調，導致學習和記憶功能障礙[26]。

骨鈣素能夠促進脂肪細胞中脂聯素的表達，通過改善血糖，調節脂代謝發揮糾正代謝異常的作用。研究提示，骨鈣素可能通過NF-κB途徑減輕血管組織中的自噬和內質網應激，進而維持血管內皮細胞功能正常[27-28]。脂聯素通過降低炎癥標志物水平，如C反應蛋白、白細胞介素-6 和腫瘤壞死因子-α而發揮神經保護作用[29-30]。糖脂代謝紊亂導致以血管內皮損傷為早期表現的動脈粥樣硬化的進展加速，而動脈硬化是血管性認知功能障礙的重要危險因素之一[31-32]。

大量臨床研究也表明，在正常受試者或患有1型或2型糖尿病、妊娠糖尿病、代謝綜合征和多囊卵巢綜合征的病人中，循環中骨鈣素水平與空腹血糖、空腹胰島素、胰島素抵抗和脂肪量呈負相關，與胰島素分泌、血清脂聯素水平和無脂肪量(fat free mass, FFM)呈正相關[12, 24]。這些研究均提示，骨鈣素通過多種間接途徑對認知功能產生影響(圖1)。

圖1 骨鈣素與認知功能障礙的機制

4 總結和展望

臨床研究證實，骨鈣素和大腦認知功能之間存在聯系，但其作用機制目前還研究甚少。老年人通常是骨質疏松癥、認知功能障礙和2型糖尿病等與增齡相關疾病的高危人群，結合骨鈣素在改善胰島功能、能量代謝及血管內皮功能方面的作用，以及骨鈣素對認知功能影響的研究，引發人們思考是否可以把骨鈣素作為治療老年相關疾病的一個有意義的靶點。