運動調控肌肉因子改善阿爾茲海默癥的外周機制

張業廷

（中國民用航空飛行學院 體育部，四川 廣漢 618307）

身體活動有益于人類健康. 運動有益于大腦的健康，可以維持和提高認知能力. 在嚙齒類動物中，跑步可以改變大腦神經遞質含量、神經營養素水平、神經元形態和血管增生水平，海馬依賴型記憶及成年神經再生都有所加強. 對人類而言，有氧能力、海馬可塑性和記憶力之間存在著一種關系. 腦源性神經營養因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 是一種促進神經元存活和突觸完整性的神經營養因子，對大腦的可塑性和記憶功能的調節至關重要.BDNF 也是調節運動與記憶等認知功能關系的重要因子之一. 阿爾茲海默癥(AD) 患者的血液和腦部BDNF 水平相對于非AD患者處于較低水平.BDNF 水平高低與認知能力呈正相關關系，即便是一次急性運動，都會顯著提高健康成年人和老年AD 患者外周血中BDNF 的濃度，運動時間越長，BDNF 增加越多. 運動鍛煉是促進成年海馬神經發生(Adult hippocampal neurogenesis, AHN) 的一種有效手段. 運動通過誘導AHN 和提高BDNF 水平，能夠顯著改善AD 小鼠的認知能力，單獨促進AHN 而不改變BDNF 水平則不能改善AD 小鼠認知. 通過基因和藥理學誘導AHN 結合提高BDNF 水平，研究人員成功模擬了運動對AD 小鼠的有益影響.[1]運動誘導AHN 可能有助于AD 患者的認知，且只有在存在BDNF的環境中才能實現. 因此，運動誘導的神經營養因子，尤其是BDNF，已經成為運動改善AD 認知的關鍵因子.

目前還不清楚運動是如何刺激大腦中BDNF 的產生的. 運動不是某個器官單一的活動，而是會在許多細胞、組織和器官中引起廣泛的活動，這些細胞、組織和器官都是由收縮骨骼肌的代謝活動增加而引起的，鑒于骨骼肌在運動中起著舉足輕重的作用，肌細胞因子可能會影響神經的可塑性.[2]越來越多的證據支持肌肉組織和其他器官之間存在交叉交流(Cross-talk)，身體活動中產生的肌肉因子(Myokines, 由骨骼肌產生并釋放到血液中的細胞因子或其他小肽)，如鳶尾素(Irisin)、組織蛋白酶B(Cathepsin B, CTSB) 等，可能會通過影響BDNF 導致海馬可塑性、神經發生和認知功能發生長期變化.[3]運動后人體骨骼肌中BDNF mRNA 和蛋白表達會升高，但肌肉來源的BDNF 未釋放到循環中.[4]電刺激引起的肌肉收縮增加血漿BDNF 水平[5]，因此，肌肉來源的BDNF 和大腦中增加的神經營養因子之間的聯系仍然是難以捉摸的. 肌肉分泌蛋白-過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1αP，PGC-1α) 及高度依賴PGC-1α 的肌動蛋白-纖維連結蛋白 III 型域包含蛋白 5 (Fibronectin Type III Domain-Containing protein 5，FNDC5) 可能會促進運動誘導的海馬BDNF 和樹突棘密度的增加.[6]這一研究將運動誘導的外周變化與運動對神經發生和認知影響的潛在中心機制聯系起來. 許多肌肉因子均已被證明能夠參與或促進AHN，但它們參與調節運動對神經發生和相關認知影響的確切機制尚未闡明，因此，梳理闡明相關機制能夠有助于人們理解運動改善阿爾茲海默癥的外周機制.

1 組織蛋白酶B

組織蛋白酶B(Cathepsin B, CTSB) 是一種溶酶體半胱氨酸蛋白酶，介導溶酶體內的蛋白水解，一般來說，CTSB 在吞噬和自噬、生長/ 腫瘤細胞增殖、血管生成、侵襲和轉移等過程中發揮多種作用.CTSB 可以增強AHN 和小鼠空間記憶，并且與人類健康水平和海馬依賴型記憶功能相關.[7]運動引起的全身CTSB 分泌與記憶功能有關，其機制尚不清楚. 經CTSB 處理過的海馬神經前體細胞株中，腦源性神經營養因子(BDNF) 表達顯著增加，抑制CTSB 表達則降低了海馬BDNF 的表達.Moon 等人研究表明，CTSB 是一種運動肌動蛋白，可以穿過血腦屏障（BBB），對認知有正面影響，如增強成年小鼠海馬神經發生和空間記憶. 在猴子和人類研究中，跑步運動提高了血漿CTSB. 在人類研究中，CTSB 水平與健康和海馬依賴記憶功能相關.CTSB 在鍛煉促進大腦功能過程中有作用，但還不清楚肌肉來源的CTSB 是否有必要，或者海馬和肌肉的CTSB 是否僅僅是由于對身體活動的反應而同時表達. 而且，外周和/ 或中樞CTSB 促進BDNF 表達升高和神經發生的信號通路尚不清楚.

前期研究發現，有氧運動可以提高AD 小鼠腓腸肌、海馬以及血清中CTSB 的含量，小鼠海馬中BDNF 及神經細胞黏附分子(Neural cell adhesion molecule，NCAM) 的表達量也顯著增加，其空間學習記憶能力也有顯著改善. 這表明運動可以提高小鼠的空間學習記憶能力，而其機制可能與有氧運動增加了相關組織CTSB 表達水平及提高海馬BDNF 和NCAM 表達水平有關. 血清中的CTSB 可以穿過BBB，使得海馬中CTSB 含量增加，但這一假設未能得到確切的證實.[7]NCAM 在神經系統的生長和塑型中起重要作用，在神經可塑性等多個方面具有重要意義，包括神經發生、突觸可塑性和神經突生長等.[8]，NCAM 缺乏會導致BDNF 系統顯著而持久的異常.[9]有研究表明，NCAM 可能調節BDNF 與其高、低親和力受體之間的相互作用功能.[9-10]NCAM 基因敲除小鼠大腦5-羥色胺和BDNF 系統會出現顯著和持續的異常，如其前額皮質的BDNF 蛋白水平顯著降低，這種BDNF 缺陷與受體TrkB 磷酸化水平降低有關.[11]因此，推論CTSB 表達降低可能會通過影響海馬NCAM 的表達，進而對BDNF 的表達產生影響，而運動可能會通過CTSB/NCAM/BDNF 通路影響小鼠的空間學習記憶能力. 由于技術受限，還不能明確究竟是外周還是中樞的CTSB 起主要作用. 有研究者認為，CTSB 最可能的來源是大腦本身而非骨骼肌.[12]未來的研究應該考慮通過隔離肌肉和神經元的方式，系統地解決運動對海馬區影響的外周和中樞的相對貢獻問題.

2 鳶尾素

鳶尾素也是一種肌肉因子，通過FNDC5 的剪切和修飾而產生，也會在海馬中表達. 它已被證明能夠通過血腦屏障并通過增加BDNF 的表達刺激AHN. 較多的研究已經表明運動后增加海馬BDNF 與增加代謝介質有關，特別是過氧物酶體增殖物激活受體γ 共激活劑1α(PGC-1α).[13]PGC-1α 是骨骼肌產生的一個轉錄共激活劑，FNDC5 ( 鳶尾素的一種膜結合前體) 是它的一個下游蛋白質，由運動時肌肉所分泌的.[14]有趣的是，PGC-1α 和FNDC5 也被證明與提高載體BDNF有關，且在運動小鼠海馬中含量增加.[13]運動訓練( 自愿轉輪運動30 天) 會增加小鼠海馬中PGC-1α 和FNDC5 的表達，增加BDNF 的表達.[6]PGC-1α 缺陷小鼠海馬區FNDC5 的表達降低，通過腺病毒載體增加外周FNDC5 的含量會導致大腦中BDNF 的表達.[6]外周傳遞的肌肉因子FNDC5 足以誘導海馬BDNF 和其他神經保護基因的表達. 因此，肌源性的FNDC5 被激活后可以穿過BBB，激活PGC-1α/ FNDC5 / Irisin /BDNF 途徑，從而直接調節海馬的基因表達.[13]在AD 患者海馬中鳶尾素水平的降低，預示著其在調節運動誘導的認知益處方面所潛在的作用. 研究發現，在AD 小鼠海馬中鳶尾素的減少和過表達分別損害和增強了運動對記憶功能的益處.[15]有氧運動能夠增加人體鳶尾素的濃度，而抗阻運動甚至比有氧運動更能增加鳶尾素的濃度，這可能說明抗阻運動也能有效地預防AD 以及改善AD 患者的認知能力.[16]

3 乳酸

乳酸是糖酵解的副產品，近年來已成為神經元和外周組織中各種細胞類型的信號分子，由于它在認知方面的潛在作用，被認為是運動改善認知功能相關的因子之一. 在高強度運動中，乳酸從收縮的肌肉釋放到血液中，通過內皮單羧酸轉蛋白(MCTs) 穿過血腦屏障.[17]乳酸進入中樞神經系統是形成長期記憶的必要條件，如果阻斷星形膠質細胞中MCT 的表達(即阻止乳酸輸送到神經元細胞)和抑制星形膠質細胞糖原酵解 ( 抑制乳酸形成)，都會導致記憶受損.[18]人類的一場劇烈高強度運動比一場較低強度運動更能誘發BDNF 的增加，這種益處似乎依賴于乳酸的產生.[19]最近一項對小鼠的研究發現，自愿有氧運動會導致海馬中乳酸的積累，而乳酸作為一種內源性代謝物，能夠通過血腦屏障，增加海馬BDNF 的表達，從而促進學習和記憶等認知功能的改善.[20]通過抑制腦內乳酸轉運會使得BDNF 在運動中的表達降低，腹腔注射乳酸會增加小鼠海馬中BDNF 的表達和信號轉導，同時增加認知功能.[20]也有研究稱，體外用含有乳酸的培養液培養原代海馬和皮質神經元，可誘導其BDNF 及突觸可塑性相關基因的表達.[21]乳酸可以通過激活核因子κB (NF-κB)，誘導成纖維細胞生長因子(Fibroblast growth factor，FGF) 以及血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor, VEGF) 轉錄增加，從而促進大鼠大腦血管生成及神經發生.[22]在人類中也觀察到乳酸和BDNF 之間的聯系，靜脈注射乳酸可以提高BDNF 的循環水平.[23]高強度有氧運動在顯著增加血乳酸的同時會顯著增加血清中BDNF 的濃度，比如急性高強度運動( 最大強度的90%) 比中等強度運動( 最大強度的70%) 能夠導致更高的血乳酸值，并伴有更高的血漿BDNF 濃度（BDNF 與不同運動強度之間的關系并不清楚）.[24]由于高水平乳酸( 通過腹腔注射或運動誘導) 增加會引起小鼠海馬中PGC-1α 和FNDC5 mRNA 表達和蛋白水平提高，因此，有學者認為乳酸與BDNF 之間的聯系可能由PGC-1α/FNDC5 通路介導.[20]乳酸除了能夠促進血管生成和海馬神經生成外，還可以調節運動對AD 相關神經炎癥的改善，因此，乳酸也被認為是運動改善AD 的中介因子之一.有研究稱運動能夠促使靜息小膠質細胞和M1 型小膠質細胞向M2 型小膠質細胞轉化，從而使得抗炎因子、趨化因子分泌增多，促炎因子分泌減少.[25]乳酸似乎可以通過乳酸蛋白受體偶聯的方式調節巨噬細胞的表型向M2 型轉變.[26]

4 酮體

神經生物學證據表明，酮代謝物β- 羥基丁酸(BHB) 對大腦發揮許多神經保護功能，BHB 可在葡萄糖不足的情況下促進腦源性神經營養因子(BDNF) 的表達.[27]長時間的有氧運動或其他身體糖原儲存減少的情況，如禁食或生酮飲食等，會誘導酮體產生，如BHBA 和乙酰乙酸酯等，而這些酮體被釋放到血液中，穿過血腦屏障，從而刺激大腦中BDNF 的產生.[27-28]有研究證實，在30天的自主轉輪運動中，運動對小鼠海馬BDNF 表達的誘導作用伴隨著BHB 水平的升高，該研究同樣通過體外實驗( 培養皮質神經元) 和體內實驗( 心室注射BHB) 證實了BHB 能夠誘導小鼠海馬BDNF 的表達. 研究結果還表明，補充酮酯增加血液酮水平是可以改善健康大鼠認知功能的.[29]同樣，無論是由生酮飲食還是運動引起的血酮水平升高，都可以促進人類大腦網絡的穩定性，這種效應可能與更高的大腦活動和認知敏度有關.[30]

5 犬尿氨酸

犬尿氨酸(Kynurenine, KYN) 是由色氨酸分解代謝產生的代謝物，它能夠調節微生物組信號、免疫細胞反應，能夠很容易通過血腦屏障，促進神經炎癥和神經元細胞死亡. 犬尿氨酸血漿水平的改變與抑郁癥有很強的相關性.[31]體育鍛煉誘導的PGC-1α 過表達，可能增加犬尿氨酸氨基轉移酶(kynurenine aminotransferases, KAT) 在骨骼肌的表達，從而促進了腎素轉化為一種不能通過血腦屏障的代謝物犬尿喹啉酸(Kynurenic acid, Kyna)，而降低血液KYN 的水平可以保護腦免受應激引起的改變.[31]通過對成年人進行大強度運動發現，血漿中犬尿氨酸的水平降低了，這種降低可能通過反饋調節降低運動應激對大腦的影響. 大強度運動促使色氨酸代謝通路向五羥色胺(5-HT) 產生增多的方向轉變，提高5-HT 含量，這種代謝的改變可能是運動有益于精神健康、運動促進抑郁癥改善的原因之一.

6 總結與展望

身體的許多器官對身體活動做出反應，釋放因子到血液中，這些活動可能到達大腦并影響行為，如骨骼肌、肝臟等.[32]骨骼肌是人體最大的器官，在運動中被大量動員. 研究表明，從一個器官釋放的代謝物可能會影響其他器官的代謝反應，因此，骨骼肌產生旁分泌因子可能作為一種影響大腦可塑性、神經發生和認知表現的潛在的機制.[32-35]運動后骨骼肌中會增加組織蛋白酶B、鳶尾素、乳酸及相關酮體的表達，肝臟中也會增加組織蛋白酶B 的表達，這些因子進入外周血液，連同增加的腦源性神經營養因子通過血腦屏障到達AD 患者大腦，引起海馬等腦區BDNF 表達升高，促進成年海馬神經發生以及改善AD 患者的認知功能. 運動可能會降低犬尿氨酸的水平，從而保護AD 患者的大腦. 雖然目前能夠通過幾個外周肌肉因子來闡述運動改善AD 患者病程的機制，在未來還需要更多的研究來揭示其生物學基礎，比如識別具有潛在神經營養作用的新的肌肉因子等. 不同的運動形式( 如有氧運動、抗阻運動、大強度間歇運動等)、運動強度和運動時間等與產生肌肉因子的關系還不清楚，仍需要大量的研究進行確定.