Nrf2-ARE信號通路在阻塞性睡眠呼吸暫停導致神經認知損傷中的研究進展

董文平 任壽安

阻塞性睡眠呼吸暫停(Obstructive sleep apnea，OSA)是導致睡眠呼吸障礙的常見原因，慢性間歇性缺氧(Chronic intermittent hypoxia，CIH)為其特征性改變，表現為睡眠期間反復發生上氣道阻塞，導致上呼吸道氣流停止或明顯受限，常伴有血氧飽和度下降和睡眠覺醒[1]。OSA患者常見的臨床表現為睡眠期間出現打鼾、呼吸暫停以及白天嗜睡，不僅如此，OSA還可影響全身多個臟器系統的病理改變，患者可不同程度的出現心血管疾病、內分泌紊亂及神經認知損傷等[2]。近年來關于OSA與神經認知損傷關系的研究較多，其可能的機制包括氧化應激致炎癥反應、睡眠微結構紊亂、血腦屏障的適應性穩態反應改變以及默認模式網絡(Default mode network，DMN)功能連通性降低等[3-5]。核因子紅細胞2相關因子2-抗氧化反應元件(Nuclear factor erythrocyte 2-related factor 2-antioxidant response element，Nrf2-ARE)信號通路是機體重要的氧化還原途徑之一，在調節細胞抗氧化應激反應及維持細胞氧化還原穩態方面發揮防御保護作用[6]。很多動物及臨床實驗研究均證明了Nrf2激活在OSA導致神經認知損傷的過程中發揮抗炎反應及神經保護作用[6-8]。本文就Nrf2-ARE信號通路在OSA導致神經認知損傷中的研究進展綜述如下。

Nrf2-ARE信號通路的組成

Nrf2屬于堿性亮氨酸拉鏈轉錄因子家族的一員，是細胞氧化還原的中央調節器[7]，Nrf2-ARE信號通路是體內最重要的抗氧化途徑之一，在促進神經系統抗氧化應激方面起到關鍵作用[9]。Nrf2-ARE信號通路由三部分組成：Kelch樣ECH相關蛋白1(Kelch-like ECH associated protein 1，Keap1)、Nrf2和抗氧化反應元件(ARE)。Nrf2的調節主要是通過控制維持Nrf2蛋白水平來實現的[10]。在基本的穩態條件下，細胞質中的Nrf2主要通過Keap1-Cullin3(Cul3)-Rbx1泛素E3連接酶復合物與Keap1結合，促進泛素化降解Nrf2[11]，所以細胞質內Nrf2的蛋白水平通常較低。當氧化應激時，Nrf2依賴的細胞防御機制啟動，Keap1的半胱氨酸被親電試劑修飾使Keap1失活，Nrf2從Keap1釋放并易位到細胞核內，一旦進入細胞核內，活化的Nrf2與小的肌肉腱膜纖維肉瘤(small Musculoaponeurotic fibrosarcoma，sMAF)蛋白異源二聚形成蛋白復合物以啟動含ARE靶基因的轉錄[10]。Nrf2調控通過與啟動子區域的ARE結合來控制細胞保護基因的表達[11]，并誘導一系列抗氧化酶的激活，包括血紅素氧化酶1(Heme oxygenase-1，HO-1)、醌氧化還原酶(Quinone oxidoreductase，NQO1)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽轉移酶(Glutathione S-transferase，GST)等[12-13]，從而進一步調節細胞對氧化應激的適應性反應，并且在維持細胞氧化還原穩態方面發揮保護作用。

OSA神經認知損傷機制

一、氧化應激

海馬在空間學習及記憶中起到關鍵作用，研究表明CIH引起大鼠海馬強烈的氧化應激及神經元凋亡，并且OSA患者的海馬結構受炎癥刺激可引起膠質細胞活化，可進一步導致特異性區域體積增加[14]，所以OSA患者的認知障礙也很可能與海馬結構及功能改變相關。另外也有研究表明CIH可致海馬體促氧化狀態，從而破壞海馬突觸可塑性及空間記憶[15]。在OSA導致神經認知損傷中，氧化應激引起的炎癥反應貫穿整個進展過程[16]，大腦本身是一個耗氧器官，海馬神經元對氧化應激反應更敏感，所以當OSA患者反復出現缺氧復氧，機體可產生大量活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，ROS可激活多個途徑誘導神經元功能障礙，包括線粒體功能障礙、炎癥反應、細胞凋亡、內質網的應激及神經元活動的干擾，使海馬神經元氧化/抗氧化失衡，出現異常的信號轉導，最終導致空間學習及記憶能力下降[17]。

Nrf2-ARE信號通路是機體重要的氧化還原途徑，在CIH導致的抗氧化應激過程中發揮重要作用，對神經系統氧化應激引起的炎癥反應及神經毒性也起到防御保護作用，Nrf2抑制或缺乏，可導致細胞線粒體功能障礙、炎癥上調及抗氧化酶下調，與CIH本身誘導的氧化應激產物的過度產生，共同破壞神經元及神經信號通路，導致神經認知損傷[6]。在很多動物實驗研究中，Nrf2-ARE信號通路的研究受到廣泛關注，一項Nrf2基因敲除的小鼠實驗[18]中發現Nrf2基因缺乏的小鼠對氧化應激和炎癥反應更敏感，海馬區域氧化和促炎標志物水平增加，而且Nrf2的缺乏會降低海馬區域的長時程增強(Longterm potentiation，LTP)，這表明Nrf2對海馬電生理功能維持具有重要意義。在一項關于脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)誘導的小鼠神經炎癥模型實驗研究中也證明了Nrf2缺乏會加重氧化應激，使小鼠的海馬膠質細胞和星形膠質細胞反應性增多，加重LPS誘導下的小鼠認知障礙和反應性腦損傷，表明Nrf2通路激活在LPS觸發的膠質反應和認知損傷中發揮重要作用[7]。所以當機體間歇性缺氧出現氧化應激時，Nrf2-ARE信號通路可被激活傳導，對神經系統可能起到抗氧化應激的保護作用。另外也有相關研究表明[6]，中重度的OSA患者外周血中Nrf2-ARE通路相關抗氧化物酶顯著降低，Nrf2-ARE蛋白表達的降低也與OSA患者的記憶及執行功能損傷有顯著相關性。這些均提示Nrf2-ARE信號通路對OSA神經系統維持細胞正常的氧化還原穩態具有重要意義，但是關于CIH導致Nrf2-ARE信號通路紊亂是如何影響OSA神經認知損傷的具體機制仍不明確。

二、睡眠微結構紊亂

睡眠微結構包括睡眠覺醒和循環交替模式(Cyclic alternating pattern，CAP)，OSA患者常表現為睡眠覺醒，而覺醒不穩定是由于腦電圖中循環交替模式的改變引起的[3]，頻繁的睡眠覺醒會中斷睡眠連續性，最終導致睡眠障礙。有研究提出OSA的嚴重程度是與A期亞型相關，且在不同嚴重程度的OSA患者中，CAP的適應性覺醒過程和不適應覺醒過程之間是存在平衡的[19]，但是當在較重的OSA中，睡眠穩定機制可能會發生失代償，導致睡眠結構紊亂，睡眠電路被破壞。另外OSA患者的睡眠微結構的改變與其白天嗜睡及認知障礙的臨床特征是相關的，CAP和覺醒參數隨著OSA的嚴重程度逐漸增加，而且A3期指數的增加與白天嗜睡和認知功能密切相關[3,20]。CAP-A相主要在額頂葉皮質激活，隨著CAP率(即CAP時間與非快速眼動睡眠時間的百分比)的增加這些區域的A相活動顯著增強，導致覺醒不穩定，睡眠效率低，從而使睡眠期間鞏固額葉和頂葉皮質區域的認知輸入能力受損[21]，表現出語言流利性、記憶和視覺空間技能的受損。但是目前關于循環交替模式與OSA嚴重程度及認知功能影響的研究尚不充分，仍需進一步探索。

三、血腦屏障的適應性穩態反應改變

還有許多研究提出OSA導致神經認知損傷是CIH通過分子反應破壞血腦屏障(Blood brain barrier，BBB)來影響的[4]，認為OSA因其CIH產生氧化應激的特性，引起機體微環境的改變，尤其使耗氧量高的大腦海馬及海馬神經元受損，影響大腦突觸的連接結構及功能可塑性，從而影響BBB。這種微環境的改變最初表現為微血管通透性的改變，是BBB的適應性穩態反應，但是在長期CIH中，復雜的適應性改變可能引起BBB產生不良反應，使這樣一種適應性穩態反應轉變為一種破壞性的反應。

Nrf2在血管生成過程中起到調控氧化還原信號通路的中心作用，與ARE結合后驅動抗氧化酶激活可調節BBB微環境的改變[22]。所以當氧化應激導致Nrf2受損時，腦微血管內皮細胞的血管生成能力會受到抑制，使內皮功能障礙加劇。而且Nrf2的缺乏可使大腦小膠質細胞增生，引起神經炎癥和微血管損傷，導致認知障礙[23]。研究發現在BBB模型中，CIH誘導產生大量ROS引起氧化應激導致炎癥級聯反應，使轉錄因子Nrf2、缺氧誘導因子(Hypoxia-inducible factor-1 α，HIF-1α)的表達和活性增加[24]。Nrf2與ARE結合后調節抗氧化防御基因表達及血管生成能力，HIF-1α也參與刺激血管生成、細胞增殖、炎癥反應等生物過程的基因轉錄，這些轉錄因子可以改變BBB上ATP結合盒(ATP binding cassette，ABC)轉運蛋白的表達和活性，長期ABC轉運蛋白的改變，將會引起BBB微血管通透性的變化，影響大腦的微環境，從而引起認知功能障礙[4]。研究提示OSA患者通過改變BBB的適應性來影響神經認知功能是與CIH密切相關的，而且Nrf2-ARE信號通路在抗氧化防御及BBB中血管生成作用中發揮重要作用，這為我們以后的研究提供了方向。

四、大腦默認模式網絡的功能連通性降低

OSA患者的認知功能損傷常表現為記憶力減退、注意力下降、警覺及執行能力減退以及運動功能障礙等[25]。研究提出這些功能區域的損害表現是由于對應的大腦區域長期間歇性缺氧導致腦血流灌注不足，使DMN的功能連接性受損所致。他們認為DMN是一個大腦區域網絡，而OSA可通過低氧血癥選擇性地影響雙側中顳回、雙側額極和雙側海馬區的神經活動[5,26-27]。有研究表明OSA患者海馬中參與記憶加工的區域中，存在皮質變薄和髓鞘丟失，而且海馬區萎縮及脫髓鞘會隨OSA的嚴重程度而增加，這提示OSA患者的認知功能受損，可能與海馬區功能連接性降低有關[28]。OSA患者的海馬結構在受炎癥刺激及膠質細胞的活化后出現特異性區域體積的增加[14]，表現在右半球額葉、中央和枕葉的皮質厚度及左側海馬和杏仁核的體積增加，但是左右顳葉皮質厚度卻減少[29]。OSA患者大腦出現不同皮質區域厚度的增加與減少，會對大腦結構的完整性產生影響，從而改變OSA患者的中央執行網絡與DMN之間存在的靜息狀態功能連接，最終影響大腦區域的執行功能。另外在睡眠記憶處理的關鍵區域，長期低氧血癥的患者海馬旁皮質之間的功能連接減少，且內側顳葉結構功能連接受損[30]，在工作記憶區域，工作記憶網絡額葉半球之間的有效連接性減少，但右半球連接性增加，使大腦由默認靜息狀態模式向與執行網絡相關的復雜認知活動轉換[31]。而且研究發現在持續正壓通氣治療(Continuous positive pressure ventilation，CPAP)下DMN的連接性增加且皮質改變減輕，CPAP治療3個月后，右額葉中回的連接性增加，CPAP治療12個月后幾乎可完全逆轉白質異常，而且注意力、執行功能和記憶改善與CPAP治療后白質的改變相平行[32]。這些均說明了CIH在大腦DMN功能連接性降低的機制中起到關鍵作用，而且通過CPAP治療后可以改善DMN功能連通性降低，從而提高OSA患者的神經認知功能，但是目前關于CIH影響DMN功能連通性的分子信號傳導仍不清楚。

OSA與阿爾茨海默癥

阿爾茲海默癥(Alzheimer's disease，AD)是一種長期進展的慢性疾病，OSA與AD在影響神經認知損傷的通路上是有相似性的，一項通過多模式的神經影像學檢查來探索OSA與阿爾茨海默癥關系的研究中，發現OSA患者的后扣帶回和楔前葉的淀粉樣蛋白沉積量較大，且增加的淀粉樣沉積位于相同的AD敏感解剖區域[33]，這說明OSA與阿爾茨海默癥在影響神經認知損傷方面可能有共同通路。

Nrf2-ARE信號通路在AD疾病發展中起重要作用，完整的Nrf2信號可保護AD小鼠免受氧化應激介導的細胞損傷和神經毒性[7-8]。BACE1是淀粉樣β肽(Aβ)生成的限速酶，也是AD發病機制中的關鍵事件，即使BACE1輕微表達，對Aβ的積累也可能產生深遠影響，Gahee Bahn等人研究提示Nrf2可通過結合小鼠和人類的BACE1和BACE1-AS啟動子上ARE位點來調控BACE1和BACE1-AS的表達，證明了Nrf2對于Aβ神經毒性有保護作用[34]。近年來Nrf2也被作為AD的治療研究靶點，多種證據表明，激活或抑制Nrf2可顯著影響AD疾病的發生和發展[10-11]，Tian Y等人實驗指出Nrf2-ARE通路在增加細胞對氧化應激的防御系統中起到關鍵作用，證明了Nrf2-ARE途徑可通過降低PS1V97L-7g小鼠(PS1V97L-7g小鼠是一種轉基因小鼠系，包含基因可致人類AD)Aβ水平和氧化應激來提高神經元活力介導改善認知功能[35]。另外在一項Keap1基因敲除的AD小鼠模型實驗中[36]，也提示Keap1基因的敲除可誘導Nrf2基因激活，從而誘導改善AD小鼠的認知功能，尤其在情緒聯想記憶的下降方面。

CPAP治療對OSA神經認知損傷的影響

CPAP治療是OSA患者常用的一種治療方式，但是CPAP的治療是否可以改善相關認知損傷或是否延緩OSA所致的認知障礙進展目前說法不一。最近一項研究指出CPAP治療對于OSA患者注意力改善及警覺性提高有幫助，但對于其他領域的缺陷改善不佳[37]。也有研究表明長期的CPAP治療在改善總認知功能障礙和部分認知功能障礙亞區的同時，也可有效地治療白天嗜睡，但是僅6個月的CPAP治療，不能顯著改善記憶損傷[38]。因為很多研究缺乏長期(1年以上)CPAP治療，不能明確長期CPAP治療對神經認知功能的影響，但是所有的研究均指向CPAP治療對OSA神經認知功能的改善是有幫助的。堅持CPAP治療并且提高患者的依從性可能會減輕并延緩OSA患者認知能力下降的速度，從而降低癡呆癥的風險[39]。

小 結

阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA)通過CIH引起氧化應激，誘導多種途徑影響大腦結構及功能的改變，從而導致神經認知損傷。Nrf2-ARE信號通路是機體重要的氧化還原途徑之一，在OSA導致神經細胞損傷的過程中起到關鍵作用，但是關于Nrf2-ARE通路紊亂是如何影響OSA導致神經認知損傷的發病機制目前仍不明確。闡明Nrf2-ARE信號通路的傳導機制及Nrf2激活或抑制對于神經認知損傷的影響，有望為探索OSA導致神經認知損傷的發病機制、風險預測及治療靶點提供新的思路。