血管性認知障礙的關(guān)鍵蛋白研究進展

譚曉云，陳真

(中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 211198)

血管性認知障礙(vascular cognitive impairment，VCI)是繼阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)后致老年認知障礙的第二大常見病因。根據(jù)VCI的臨床特點，可將其分為卒中后癡呆、皮質(zhì)下缺血性血管性癡呆、多發(fā)梗死性癡呆和混合型癡呆，其危險因素包括年齡、高血壓、高脂血癥、高尿酸血癥、糖尿病、心臟病、腦卒中、頸動脈斑塊、吸煙[1]等。VCI患者腦內(nèi)發(fā)生的腦血管病變類型、程度和位置的不同，通常會使其出現(xiàn)不同程度的記憶、執(zhí)行功能缺陷和精神遲緩以及焦慮、抑郁等行為問題。

目前VCI的病理生理和發(fā)病機制仍未完全闡明。現(xiàn)有研究表明，VCI可能由多種機制和代謝途徑引起，其病理機制可能包括氧化應激、神經(jīng)炎癥、毒性廢物的血管堆積、神經(jīng)血管解偶聯(lián)以及小膠質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞功能受損等。對VCI中關(guān)鍵蛋白的尋找和研究，能夠為臨床治療和藥物研發(fā)提供新思路和新靶點。本文就近期與VCI相關(guān)的關(guān)鍵蛋白研究狀況進行綜述。

1 HMGB1

高遷移率族蛋白Box-1(HMGB1)是一種25 kDa的非組蛋白DNA結(jié)合蛋白，由215個氨基酸組成[2]。體細胞和免疫細胞均能夠向細胞外分泌HMGB1，在到達細胞外環(huán)境后，HMGB1作為一種損傷相關(guān)分子模式(DAMP)蛋白，會與其受體Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)和晚期糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)結(jié)合，激活下游炎癥相關(guān)通路，表達包括腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)和白細胞介素-1β(IL-1β)等炎癥標記物[3]，激活炎癥反應。這些HMGB1相關(guān)通路在腦低灌注急性期的海馬中激活，同時可以觀察到海馬CA1區(qū)神經(jīng)元中HMGB1釋放的顯著增加，導致氧化應激和炎癥反應的發(fā)生[4-5]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，在脂多糖(LPS)誘導的BV2細胞模型中，黃芩苷(BAI)能夠通過介導上游信號SIRT1的激活，抑制HMGB1的釋放，同時通過減少HMGB1的核轉(zhuǎn)位，減輕小膠質(zhì)細胞相關(guān)的神經(jīng)炎癥[6]。在建立永久性雙側(cè)頸總動脈阻塞(BCCAO)模型3個月后的C57BL/6小鼠中，血清HMGB1、TNF-α、IL-1β、IL-6水平均升高，腦血流量降低，并伴有神經(jīng)元丟失和海馬萎縮的發(fā)生；且這種現(xiàn)象在雙側(cè)海馬內(nèi)注射HMGB1 CRISPR/Cas9基因敲除質(zhì)粒后，可以被逆轉(zhuǎn)，并恢復認知功能[7]。因此，HMGB1可能在VCI的病理生理過程中起關(guān)鍵的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，抑制HMGB1信號轉(zhuǎn)導具有神經(jīng)保護作用。抑制HMGB1信號能夠通過上調(diào)髓鞘堿性蛋白，促進膽堿能傳遞，從而下調(diào)炎癥反應[8]。抗HMGB1抗體(Ab)能夠抑制海馬區(qū)HMGB1的動態(tài)變化，抑制膠質(zhì)細胞的激活、促炎因子的產(chǎn)生和氧化應激，保持BBCAO模型大鼠血腦屏障的完整性[9]，對海馬神經(jīng)元的存活和認知功能恢復產(chǎn)生長期的有利影響。

2 APOE

載脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)是一種小分子分泌型糖蛋白，人類的APOE主要在肝臟和腦組織中合成，主要存在于血漿和各組織的乳糜微粒(CM)、低密度脂蛋白(LDL)和極低密度脂蛋白(VLDL)中，具有轉(zhuǎn)運膽固醇、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的作用。APOE基因在普通人群中具有多態(tài)性，位于19號染色體，有3個等位基因分別為：APOE ε3(野生型)、APOE ε2、(變異型)和APOE ε4(變異型)，能夠組成6種表型。APOE ε2等位基因能夠降低膽固醇含量，減少β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)聚集，減緩皮質(zhì)變薄，對認知能力下降具有一定的保護作用[10]。APOE ε3等位基因是最常見的等位基因，基因頻率為79%。與APOE ε2相反，APOE ε4的一般作用是顯著升高體內(nèi)的總膽固醇濃度。APOE ε4與早期記憶能力下降、邊緣功能障礙、腦血流量減少、血腦屏障滲漏增加、脂質(zhì)代謝異常和神經(jīng)炎癥[11]等有關(guān)。APOE ε4能夠促進星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的脂質(zhì)失調(diào)，導致慢性神經(jīng)炎癥的發(fā)生發(fā)展；還能夠擾亂巨噬細胞和平滑肌細胞的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)，從而加劇全身炎癥[12]。因此，APOE ε4與動脈粥樣硬化和冠狀動脈粥樣硬化以及蛛網(wǎng)膜下腔出血等血管風險因素呈正相關(guān)。最近的研究表明，APOE ε4可能導致VCI的患病風險增加[13]。通過對VCI患者的臨床統(tǒng)計研究分析發(fā)現(xiàn)：VCI組的APOE ε4頻率均高于對照組，VCI組APOE ε4攜帶者的簡易智力狀況檢查法(mini-mental state examination,MMSE)評分低于同組非APOE ε4攜帶者[14]，表明APOE ε4等位基因與血管性癡呆患者的認知功能相關(guān)，可能是VCI的危險因素之一。

APOE ε4與神經(jīng)血管功能障礙有關(guān)，導致APOE ε4基因型個體在沒有其他血管危險因素的情況下，更容易產(chǎn)生低灌注性的白質(zhì)損傷，從而導致局部缺氧和認知損害。實驗表明，在腦低灌注的條件下，與野生型(WT)和APOE ε3基因靶向替換(APOE ε3-TR)小鼠相比，APOE ε4-TR小鼠的腦血流量顯著下降，白質(zhì)缺氧和白質(zhì)損傷增加，表現(xiàn)出更嚴重的認知障礙[15]。APOE ε4還會導致異常的神經(jīng)血管偶聯(lián)，激活缺氧敏感通路，降低神經(jīng)元損傷的修復能力，致使攜帶者的血管脆弱性增加，血管反應性受損[16]，從而增加了認知障礙發(fā)生的可能性。在建立慢性腦低灌注(CCH)模型的APOE基因敲除(APOE-KO)小鼠中，能夠觀察到Aβ和tau蛋白的過度磷酸化，白質(zhì)膠質(zhì)增生以及膠質(zhì)細胞活化[17]，提示VCI的發(fā)病機制可能與tau蛋白以及神經(jīng)炎癥相關(guān)。

3 神經(jīng)營養(yǎng)因子

3.1 血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF) VEGF家族包括從VEGF-A到VEGF-E和胎盤生長因子共6個成員，在人體內(nèi)主要由腦星形膠質(zhì)細胞表達；VEGF受體主要分為VEGFR-1、VEGFR-2、VEGFR-3三類。VEGF-A是參與調(diào)節(jié)血管再生的主要成分，通過激活VEGFR-1(Flt-1)和VEGFR-2(Flk-1)介導了大部分的下游血管生成和神經(jīng)再生修復效應[18]。在成人腦中，VEGF被認為能夠?qū)δX血管損傷后的神經(jīng)起修復作用，在VCI患者和VCI模型大鼠受損的腦組織中，均檢測到VEGF-A和VEGFR-2表達上調(diào)[19]。此外，研究表明VEGFR-2在老年人腦小動脈的血管平滑肌細胞中持續(xù)表達，且VEGFR2的表達會隨著年齡的年齡增加而增強，因此VEGFR-2可能還介導了VEGF相關(guān)的腦血管的老化過程[20]。

作為血管活性物質(zhì)，VEGF除了能夠增加血管通透性以外，還能夠促進內(nèi)皮細胞的增殖、遷移和存活，促進血管生長，從而改善缺血腦組織的血液供應。隨著腦部缺血組織的血液供應改善，神經(jīng)血管單位的原有結(jié)構(gòu)得以保留，神經(jīng)重構(gòu)減少。除此之外，VEGF還有促進神經(jīng)元存活，刺激軸突生長，抗凋亡，促進海馬的神經(jīng)元再生等功能。外源性VEGF已被確定為有效改善因急性或慢性局部腦缺血而受損的認知功能的潛在治療方法[21]，但其中的機制還有待研究。近年來的許多研究發(fā)現(xiàn)，一些藥物和療法，如中藥參麥湯、羥基紅花黃色素A和化瘀通絡針灸等，可以通過促進VEGFR和VEGF-A的表達，促進血管生成，增加突觸可塑性，促進腦循環(huán)的恢復和神經(jīng)元網(wǎng)絡的重建[22-23]；激活VEGF相關(guān)機制來保護神經(jīng)元免受缺氧損傷，抵抗氧化應激等有害過程的級聯(lián)反應，減少神經(jīng)細胞丟失，增加海馬區(qū)血管數(shù)量[22，24]，從而改善VCI模型大鼠的空間學習和記憶能力。

研究表明，血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)誘導的一氧化氮合酶(NOS)參與了骨髓單個核細胞(BMMNC)移植后VD大鼠的血管生成；且BMMNCs移植能夠提高永久性雙側(cè)頸總動脈閉塞(2-VO)大鼠的VEGF水平以及p-Raf1和p-ERK(VEGFR2信號通路下游蛋白)的水平，增加血管密度，減少白質(zhì)損傷[25]，認知功能改善。在慢性腦低灌注模型中，神經(jīng)元的損傷、凋亡和過度自噬增加了VEGF-mRNA的表達[26]，MDP能有效促進VEGF-mRNA的進一步表達[27]。VEGF表達的增加促進了血管再生，同時抑制炎癥、細胞自噬、細胞凋亡和膠質(zhì)增生，促進海馬神經(jīng)血管單位恢復[21]，改善空間學習記憶能力。

3.2 胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1，IGF-1) IGF-1是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達的神經(jīng)營養(yǎng)因子之一，對神經(jīng)發(fā)生、血管生成和正常的生長發(fā)育十分重要。在人類與實驗動物中，循環(huán)中IGF-1濃度隨著年齡的增長而顯著降低，導致神經(jīng)血管解偶聯(lián)、微血管疏松、內(nèi)皮功能障礙和血腦屏障的破壞[28]，使認知能力下降。IGF-1與其受體(IGF1R)結(jié)合后，通過控制神經(jīng)營養(yǎng)反應和細胞信號發(fā)揮作用，主要激活PI3K/mTOR/AKT和MAPK/ERK兩條信號通路，從而調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞線粒體的葡萄糖攝取、能量代謝、活性氧代謝和谷氨酸轉(zhuǎn)運[29]。在慢性腦灌注不足導致的血管性癡呆大鼠海馬中，檢測到IGF-1/IGF-1R信號表達下調(diào)[30]，表明IGF-1介導的信號通路可能與VCI的發(fā)病機制相關(guān)。除了相關(guān)的信號通路，IGF-1還可增強海馬CA1區(qū)的興奮性突觸傳遞，通過誘導海馬區(qū)血管生成和神經(jīng)生成改善空間學習和記憶能力[30]。在一項平均時長為3.6年的隨訪研究中，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：血清IGF-1濃度低與血管性癡呆風險增加顯著相關(guān)，且在對多個協(xié)變量進行調(diào)整后，這種相關(guān)性仍然十分顯著[31]，表明低血清IGF-1是向血管性癡呆轉(zhuǎn)化的危險標志。

研究表明，IGF-1在治療腦缺血中具有潛在的神經(jīng)保護作用，外周注射IGF-1可以透過血腦屏障，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用：缺血性腦損傷后給予IGF-1可減少腦梗死體積，減少相關(guān)的少突膠質(zhì)細胞凋亡[32]，改善神經(jīng)功能。最近的研究發(fā)現(xiàn)，丹酚酸B(SalB)和2，3-二羥基苯甲酸十四酯(ABG-001)治療可以通過激活I(lǐng)GF-1/IGF-1R途徑抑制海馬CA1區(qū)神經(jīng)元的凋亡，保護少突膠質(zhì)細胞，減輕慢性腦灌注不足所致的脫髓鞘，從而維持正常的神經(jīng)血管偶聯(lián)，顯著改善血管性癡呆模型大鼠的認知功能障礙[33-34]。

神經(jīng)血管偶聯(lián)(NVC)損害是VCI發(fā)病機制中的重要一環(huán)。NVC損害會影響大腦活躍區(qū)對神經(jīng)元活動的局部腦血流量的即時調(diào)節(jié)，阻礙有毒性代謝副產(chǎn)物的清除以及能量和氧氣向神經(jīng)元的輸送。星形膠質(zhì)細胞和微血管內(nèi)皮細胞介導的微血管擴張，在 NVC 反應中起著核心作用。內(nèi)皮特異性的IGF1R信號干擾會損害NVC反應[35]，表明IGF-1對腦微血管內(nèi)皮細胞健康和維持正常的NVC反應至關(guān)重要。相似的，在星形膠質(zhì)細胞的IGF1R信號受阻后，作為血管擴張劑和膠質(zhì)遞質(zhì)的環(huán)氧二十碳三烯酸(EETs)釋放減少，可溶性環(huán)氧水解酶(SEH)表達上調(diào)，導致EET介導的膠質(zhì)血管偶聯(lián)反應受損[38]，使認知能力下降。

3.3 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF) BNDF是體內(nèi)含量最多的一種神經(jīng)保護因子，是一類由神經(jīng)細胞合成的小分子堿性蛋白，廣泛分布于周圍和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，在大腦的海馬和皮質(zhì)高表達。BDNF介導長時程增強(long-term potentiation，LTP)和長時程抑制(long term depression,LTD)，與學習記憶過程中的突觸可塑性(synaptic plasticity)有關(guān)，能夠控制影響記憶和認知的突觸相互作用，促進神經(jīng)元突觸發(fā)生，提高海馬學習記憶相關(guān)的突觸可塑性[37]。BNDF還能夠促進神經(jīng)干細胞的增殖和分化，調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)分泌，拮抗神經(jīng)毒性物質(zhì)，提供神經(jīng)保護作用。BDNF與其特異性受體原肌球蛋白受體激酶B(TrkB)結(jié)合，激活包括絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、磷脂酶C(PI-PLC)等信號分子，調(diào)節(jié)局部突觸功能。BNDF還能夠與p75神經(jīng)營養(yǎng)素受體(P75NTR)結(jié)合，發(fā)揮相應的生物學效應。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)中BDNF的表達會受到許多腦損傷的影響，缺氧后海馬神經(jīng)元BDNF表達水平明顯降低[38]，提示BDNF可能在VCI的發(fā)病機制中起重要作用。最近的研究表明，3-正丁基苯酞(NBP)和利培酮均能夠通過提高海馬的BDNF表達水平，改善VCI動物模型所致的認知功能減退[39-40]。

運動會強烈誘導BDNF的上調(diào)，加強對神經(jīng)元的保護，使其免受最終損傷，并有利于神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)可塑性。Niu等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在反復結(jié)扎雙側(cè)頸總動脈誘導的小鼠VCI模型中，有氧運動可以改善小鼠認知能力，提高環(huán)形RNA circRIMS2的表達水平，circRIMS2通過miR-186/BDNF途徑增加BNDF表達，降低miR-186表達，從而抑制神經(jīng)元凋亡。同時，miR-186對BDNF有直接的負調(diào)控作用。有氧運動還能夠下調(diào)NF-κB，通過降低miR-503表達、提高BDNF表達，減輕血管性腦梗死[42]。康復訓練同樣能夠通過提高BDNF及其活化受體pTrkB/TrkB的表達水平，下調(diào)JNK的表達及其通路的活性，提高Bcl-2/Bax比值[43]，產(chǎn)生神經(jīng)保護、抑制細胞凋亡作用，促進神經(jīng)系統(tǒng)的重塑和功能恢復。

4 Nrf2

核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)是抗氧化防御的主要調(diào)節(jié)因子之一，細胞通常通過Nrf2來抵消過量活性氧和親電試劑造成的氧化應激傷害。Nrf2具有7個Nrf2-ECH同源結(jié)構(gòu)域(Neh1-7)，其中Neh2結(jié)構(gòu)域包含DLG和ETGE兩個高度保守的氨基酸序列，介導與Nrf2負調(diào)節(jié)因子Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)的相互作用，對Nrf2的表達進行嚴格的調(diào)控[44]。Keap1是一種氧化還原敏感的E3泛素連接酶底物適配器，在正常條件下，Nrf2與Keap1形成共價化合物，在胞漿中維持持續(xù)泛素化的非活性狀態(tài)。當被氧化應激過程產(chǎn)生的活性氧(ROS)激活時，Nrf2的DLG基序從Keap1的DGR結(jié)構(gòu)域中釋放，使Nrf2的泛素化和降解被停止，細胞質(zhì)釋放Nrf2，由Neh5結(jié)構(gòu)域調(diào)控其定位進入細胞核，并與抗氧化反應元件(AREs)結(jié)合[45]。ARE是多種抗氧化和解毒酶基因啟動子中的關(guān)鍵調(diào)控元件，其中包括血紅素加氧酶(HO-1)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、超氧化物歧化酶(SOD)和醌氧化還原酶1(NQO1)等[46]。Nrf2與ARE在細胞核內(nèi)的結(jié)合誘導這些基因的轉(zhuǎn)錄表達，從而發(fā)揮抗氧化和調(diào)節(jié)代謝的作用。

最近的多項研究表明，Nrf2激活劑可以通過激活Nrf2相關(guān)通路，顯著提高Nrf2的表達水平，同時促進Nrf2的核轉(zhuǎn)位，從而上調(diào)下游相關(guān)的HO-1、SOD、NQO1等抗氧化酶的表達，對海馬CA1區(qū)神經(jīng)元死亡和膠質(zhì)細胞激活起保護作用，降低氧化應激水平[47-49]，從而改善認知功能。在體外缺氧缺糖模型中，蘿卜硫素(SFN)能夠抑制 Keap1并上調(diào)Nrf2的表達，減少神經(jīng)元和內(nèi)皮細胞的死亡，減輕軸突損傷，增加髓鞘碎片清除，從而維持血腦屏障的完整性[50]。Sadovnikova等[51]研究發(fā)現(xiàn)，激活Nrf2/ARE通路能夠增強老年小鼠海馬中線粒體的生物發(fā)生、有絲分裂和抗氧化防御，從而降低線粒體DNA的氧化損傷程度，改善記憶功能；還能夠?qū)е履c道微生物群組成發(fā)生積極變化。除了減輕神經(jīng)炎癥和氧化應激損傷外，Nrf2/ARE通路激活還被報道能夠通過抑制海馬神經(jīng)元的鐵死亡來改善CCH大鼠的認知障礙[52]。

5 小結(jié)與展望

隨著社會老齡化進程的不斷加快，VCI作為一種常見的老年性疾病，近年發(fā)病率不斷上升，給社會造成了巨大的經(jīng)濟負擔。因此，迫切需要在基礎(chǔ)科學、藥物研發(fā)和臨床治療方法上深入研究，建立有效的VCI治療策略。目前與VCI發(fā)病機制相關(guān)的通路研究還在不斷進行，深入了解VCI發(fā)生、發(fā)展過程信號通路中的關(guān)鍵蛋白，對于預防和治療VCI具有十分重要的意義。