神經血管偶聯與中樞神經系統疾病

楊鞠祥,張 釗,楚世峰,賀文彬,李 剛,陳乃宏,

(1. 內蒙古醫科大學藥學院,內蒙古 呼和浩特 010110;2. 中國醫學科學院藥物研究所,神經科學中心,天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室,北京 100050;3. 山西中醫藥大學,中醫腦病學山西省重點實驗室,山西 太原 030024)

中樞神經系統疾病發病率高,僅次于心血管疾病,病程長且發病初期不易察覺,研究多集中于單一的減輕神經元損傷以及對癥治療,如營養腦細胞,消除炎癥反應等,僅能延緩疾病進程。近年來研究表明中樞神經系統疾病的發生不僅是神經元單方面的病理改變,膠質細胞、腦血管等也扮演著極為重要的角色。神經血管偶聯是為滿足腦區活動時能量需求的急劇變化調節大腦局部血流量的機制,是腦血流調控的基礎。神經血管偶聯障礙引發多種中樞神經系統疾病,主要包括慢性腦血管病(chronic cerebrovascular disease,CCVD)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、帕金森病(Parkinson′s disease,PD)、路易體癡呆(dementia with Lewy bodies,DLB)等。以神經血管整體為治療基礎,改善神經血管偶聯的治療措施既能改善腦血流量,又起到預防疾病發生和神經保護的作用,且可以減少疾病并發癥。因此,本文將就其最新研究進展進行綜述,為基于神經血管偶聯機制研發預防、緩解、治療中樞神經系統疾病提供依據。

1 神經血管偶聯機制

大腦僅占人體質量的2%左右,卻消耗全身20%左右的能量。大腦與腦血管之間存在著密切的聯系,幾乎全部的能量底物、代謝廢物和熱量的轉運都由腦血管完成。2002年美國卒中進展回顧小組會議上提出神經血管單元(neurovascular unit,NVU)的概念。NVU由神經元、小膠質細胞、星形膠質細胞、血管內皮細胞、血管周細胞、基底膜和細胞質基質組成,是大腦行使功能的結構基礎。腦血流的功能調節對大腦健康至關重要,NVU沿血管樹的結構具有多樣性,腦血管從大腦底部的Willis環分支開來,在蛛網膜下腔的大腦表面運行,沿腦血管樹的動脈血管結構可分為軟腦膜小動脈、硬膜小動脈、穿透小動脈、實質內小動脈和毛細血管,幾種類型的動脈血管在結構和功能上存在著較為明顯的差異。NVU是神經血管偶聯的結構基礎,神經血管偶聯機制至今尚無廣為認可的結論,以下將對經典的神經血管偶聯機制及最新研究成果進行介紹。

最早人們認為神經血管偶聯的機制是突觸釋放谷氨酸,進而激活神經元N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體,Ca2+進入神經元并激活神經元一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,nNOS),隨后神經元釋放NO,擴張血管,而不涉及星形膠質細胞和血管內皮細胞[1]。后繼研究發現,NO雖是神經血管偶聯必需的信使,其濃度的動態升高并不能直接介導神經元血管信號[2]。NVU的神經元-膠質細胞-血管結構提示星形膠質細胞可根據神經元的興奮程度調節腦血流量(cerebral blood flow,CBF)。突觸活動釋放的谷氨酸激活星形膠質細胞上的谷氨酸受體,導致細胞內3-磷酸肌醇(inositol triphosphate,IP3)動員和Ca2+釋放,細胞內磷脂酶-A2(phospholipase-A2,PLA2)激活,進而釋放花生四烯酸,而前者的積聚導致其代謝產物前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)和環氧二十碳三烯酸(epoxy eicosatrienoic acid,EET)的產生和積累,擴張附近的小動脈[3]。但Mishra等[4]研究發現星形膠質細胞內Ca2+濃度升高是通過三磷酸腺苷門控通道進入而非儲存Ca2+的釋放,且花生四烯酸的產生不是因為PLA2的激活而是磷脂酶-D2和二酰甘油激酶的激活。此外,星形膠質細胞接受刺激后,足部釋放Ca2+信號,進而擴張小動脈。然而最新研究報道,腦皮質毛細血管擴張與星形膠質細胞鈣信號無關[5],近年來還涌現出如下關于神經血管偶聯的新見解(Fig 1)。

Fig 1 Various mechanisms for regulating neurovascular coupling

1.1 中樞神經系統小動脈內小窩介導神經血管偶聯小動脈內皮細胞(arteriolar endothelial cells,aECs)、毛細血管內皮細胞(capillary muscle cells,cECs)及平滑肌細胞上都有小窩分布。小窩參與許多細胞過程,包括跨細胞物質轉運,以及介導細胞內信號等。哈佛醫學院Gu教授研究團隊發現aECs上含有豐富的小窩,不同于毛細血管內皮細胞及平滑肌細胞。通過基因敲除小窩形成必需的小窩蛋白1(caveolin-1,CAV1)的基因Cav1可以清除小窩[6],導致神經血管偶聯障礙。主要協同轉運蛋白超家族結構域蛋白2a(major facilitator superfamily domain-containing protein 2a,Mfsd2a)是一種鈉依賴性溶血磷脂酰膽堿同向轉運體,負責將二十二碳六烯酸攝入大腦,對血腦屏障的形成起著至關重要的作用。研究發現cECs 和SMC中Mfsd2a大量表達,從而抑制小窩的形成,導致二者所含小窩數量稀少。通過aECs 條件敲除Cav1小鼠(BMX:CreER+;Cav1-/fl)確證了只有aECs上的小窩才能介導神經血管偶聯。此外,研究表明,小窩介導的神經血管偶聯不依賴于NO途徑,可與NO途徑共同調節腦血流量[7]。

1.2 腦毛細血管周細胞對神經血管偶聯的影響SMC和周細胞(pericyte)統稱血管壁細胞,為血管收縮的效應器。NVU沿腦血管樹分布的結構中,較大的小動脈有2～3層壁細胞,末梢小動脈只有一層壁細胞。末梢小動脈穿透腦實質管腔逐漸變小的過程中,壁細胞逐漸變為周細胞樣形態。周細胞是毛細血管、毛細血管前小動脈和毛細血管后靜脈上的血管平滑肌細胞的代表。毛細血管壁細胞的形態和功能隨穿透小動脈的分支順序而改變:從包圍穿透小動脈和毛細血管前括約肌的收縮周細胞,到毛細血管分支前細長的收縮鞘樣周細胞,再到環繞毛細血管和小靜脈的非收縮細絲狀周細胞。周細胞內含有的收縮蛋白使周細胞能夠對神經元刺激快速產生反應,是腦血流的主要調節工具。

腦毛細血管周細胞收縮血管和調節血流的功能是通過鈣依賴途徑和非鈣依賴途徑實現的[8]。鈣依賴途徑中,周細胞受到刺激,細胞內的Ca2+平均濃度從0.1 μmol·L-1升到1 μmol·L-1或更高。鈣離子的來源主要由兩部分組成:一部分為細胞膜去極化從胞外吸收進入細胞;另一部分為肌漿網釋放的Ca2+。鈣依賴途徑中,胞內Ca2+濃度升高使鈣-鈣調蛋白結合,進而激活肌球蛋白輕鏈激酶,使肌球蛋白輕鏈磷酸化增加,其與肌動蛋白結合后導致血管收縮反應。非鈣依賴途徑中,肌球蛋白輕鏈磷酸酶使肌球蛋白輕鏈去磷酸化,從而阻止肌球蛋白與肌動蛋白的相互作用,抑制血管收縮,進而引起血管舒張反應。周細胞通過調節肌球蛋白輕鏈激酶和肌球蛋白輕鏈磷酸酶的活性來收縮和舒張腦微血管參與神經血管偶聯功能。

1.3 周細胞隧道納米管(tunnelingnanotubes,TNTs)調節神經血管偶聯TNTs被描述為專門用于細胞間通信的“高速公路”。以往研究表明周細胞沿毛細血管能調節腦血流,但其是否在毛細血管網絡中同步微血管動力學及神經血管偶聯并未闡明。Alarcon-Martinez等[9]發現將兩個獨立毛細血管系統中的內皮細胞聯系起來的納米管樣過程,形成了小鼠視網膜上的功能網絡,并將其定義為周細胞隧道納米管(interpericyte tunnelling nanotubes,IP-TNTs)。IP-TNTs被基底膜包裹,近端為與周細胞胞體相連的開放端,遠端通過膜對膜的方式與遠端周細胞相連,形成縫隙鏈接,兩個周細胞通過基于縫隙鏈接蛋白43(recombinant connexin 43,Cx43)的縫隙鏈接進行通信。IP-TNTs可介導周細胞線粒體等細胞器的運輸,作為胞內Ca2+波的傳遞通道,進而介導周細胞通訊。視網膜周細胞依賴IP-TNTs來控制局部神經血管耦合并協調相鄰毛細血管之間的光誘發反應。敲除或缺血后的IP-TNT損傷破壞細胞間Ca2+波,損害血流調節和神經血管耦合。由IP-TNTs相連的毛細血管對刺激總是存在著同步反應,即一條收縮,一條擴張,導致一條毛細血管擴張的同時,由IP-TNTs相連的另外的一根毛細血管收縮。該觀點本質是將腦血管中的血液進行重新分配,而不是像之前單純的神經活動導致血管擴張,從而增加局部腦血流量。

1.4 毛細血管內皮細胞參與腦血管逆行性擴張Longden等[10]研究表明,毛細血管內皮細胞在感知神經活動并且將該信號以電信號傳導到上游動脈血管的過程中起到重要的作用。這一信號是由細胞外神經活動的副產品K+啟動的,它激活了毛細血管內皮細胞的內向整流K+(KIR2.1)通道,產生快速傳播的逆行超極化,導致上游動脈血管擴張,增加進入毛細血管床的血流量。結合上文中提及的細胞納米管介導的腦血管血流重新分配機制,我們推測神經血管偶聯功能發生時毛細血管擴張所導致的血流量增加,可能是兩種機制共存導致的。

1.5 神經元調節血管變化神經元釋放的神經遞質包含多種物質,目前已知的神經遞質包括多巴胺、血管活性腸肽、5-羥色胺、γ-氨基丁酸和乙酰膽堿等都可以介導血管變化。以前研究只表明腦活性增加引起血管擴張,活性降低引起血管收縮,但無直接證據表明抑制細胞導致血管收縮。Uhlirova等[11]通過選擇性激活興奮性或抑制性神經元,觀察激活神經元前后的血管細節變化,發現興奮性神經元和抑制性神經元都可引起血管擴張,但只有能夠釋放神經肽Y(neuropeptide Y,NPY)的抑制性神經元能夠誘導動脈血管收縮。

2 神經血管偶聯研究方法

神經血管偶聯的研究受限于技術手段。目前用于神經血管偶聯的研究方法主要為以下幾種(Tab 1)[7,12-15]。

2.1 經顱多普勒超聲(transcranialDopplerultrasound,TCD)技術TCD技術在腦血管評估方面有著相當大的作用,該技術在研究腦血管方面易于操作、非入侵性、成本低廉,且具有很好的時間分辨率。TCD技術可檢測靜息、刺激和病理狀態下的腦血流速度(cerebral blood flow velocity,CBFv)、腦自主調節、腦血管對CO的反應性和神經血管的耦合性等重要參數。在Yao等[12]的研究中提到,將TCD技術和視頻腦電波(video-Electroencephalogram,vEEG)技術結合使用,二者收集的數據集成到一起,對評價人體的神經血管偶聯功能有良好的時間相關性。

2.2 血氧水平依賴性(blood oxygen level dependent,BOLD)功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)BOLD fMRI是目前腦血管檢測中應用最多的技術,通過中樞神經系統的血流、血量和血氧的變化反映腦血管功能,用于繪制腦功能圖譜。結合電生理技術中的腦電圖(electroencephalogram ,EEG)、腦磁圖(magnetoencephalography,MEG),聯合經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS),可用來評價神經血管偶聯功能水平。但當CBF因為某些因素如衰老和疾病改變時,該技術對BOLD的信號解析就會存在著一定的誤差,Kelly等[14]研究提出團注跟蹤ASL(bolus-tracking ASL,btASL)fMRI法,與傳統的BOLD法相比,btASL能產生伴隨神經元激活的功能性充血的生理學相關指數。雖然傳統上fMRI主要用于研究任務誘導的大腦功能變化,但不斷發展的采集方法和對信號機制的了解提高了這種方法在研究藥物刺激反應方面的實用性,衍生出藥理學磁共振成像(pharmacological magnetic resonance imaging,phMRI)技術。

Tab 1 Neurovascular coupling assay technology

2.3 激光散斑成像結合時間聚類分析激光散斑成像(laser speckle imaging,LSI)結合時間聚類分析(temporal clustering analysis,TCA)LSI TCA是一種具有高分辨率的成像方法,能夠用于研究正常狀態和各種病理狀態下的時空神經血管偶聯。Li等[15]采用激光散斑成像結合時間聚類分析的方法探究了溫度刺激引起神經元激活的CBF變化,得出了不同溫度對神經血管偶聯功能的影響。

2.4 功能性近紅外光譜(functional near infra-red spectroscopy,fNIRS)fNIRS是一種新興的光學成像方法,其主要是通過放置在受試者頭部表面的一對發射器和探測器之間的近紅外光衰減來測量血流動力學。腦組織中特異的幾種血紅蛋白相較于其他物質能夠明顯地吸收近紅外光,使探測器接收到的近紅外光強度出現差異,從而根據得到的信息分析血流的變化。該技術最顯著的優點是能夠對運動的動物或人體進行檢測,缺點是易受顱腦以外因素,如血壓和心率等的影響[16]。

2.5 膜片鉗(patch clamp)技術膜片鉗技術是研究電生理的實驗方法。納米化膜片鉗技術不僅可以評估單個可興奮性細胞的表型,還使該技術能夠應用于神經血管細胞之間的通訊評估,對于研究神經元之間、神經元與血管之間的偶聯有重要的意義。但該技術需要專業人員進行長期和復雜的操作,隨著技術的改良有望簡化實驗操作,縮短實驗進程[17]。

2.6 雙光子顯微鏡(two-photon microscopy,2PM)技術2PM出現前由于沒有合適的體內研究方法,研究者對NVC及血流的調控認知非常有限。2PM出現后可在活細胞水平上研究腦的微觀現象。有研究者利用神經元中表達鈣傳感器GCaMP6s 的小鼠(Thy1-GCaMP6s),尾靜脈注射血管標記物,刺激小鼠胡須后通過活體雙光子顯微鏡觀測小鼠大腦皮層桶狀皮質區域產生的神經活動與血流改變情況,直觀地展現了神經元與血管之間的偶聯關系[7]。Gonzales等[18]研究者通過在體雙光子技術提供了毛細血管連接處的收縮周細胞能夠直接控制血流方向的直接證據。

3 中樞神經系統疾病與神經血管偶聯障礙

神經血管偶聯在大腦的血流量和能量供應調節方面起重要作用,偶聯障礙引起大腦病理反應。AD、PD、慢性腦缺血等許多中樞神經系統疾病的發生發展均與神經血管偶聯障礙有關。

3.1 ADAD為慢性進行性中樞神經系統變性病,是癡呆的最常見病因,呈現進行性和不可逆性的認知功能退化,早發現早干預具有重要的治療意義。β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)沉積和tau蛋白異常磷酸化是AD的主要病因,但是有研究表明,在Aβ沉積和tau蛋白異常磷酸化之前就存在血管功能障礙和腦血流量減少,AD患者初期,大腦靜息狀態下的腦血流量會明顯減少并促進腦血管收縮,神經血管偶聯反應減弱,從而導致大腦低灌注,會直接導致記憶相關神經元死亡,從而誘導產生和加重AD病情發展[19]。此外,神經血管單元與血腦屏障密切相關,控制物質進出大腦是二者的主要功能之一。在AD發病之前,神經毒性物質β-淀粉樣蛋白在大腦中過度積累也與二者的功能障礙有著不可分割的聯系,不僅影響β-淀粉樣蛋白的清除速率,還會減少維持大腦功能的Na+、K+,導致大腦pH、電解質失衡,從而增加大腦中β-淀粉樣蛋白的產生,進而導致β-淀粉樣蛋白水平的升高。

3.2 PDPD也是一種常見于老年患者的神經退行性疾病,表現為震顫、步態僵硬和運動障礙,嚴重影響正常生活。其主要病理特征為選擇性和漸進性多巴胺能神經元退變、丟失和路易體沉積。目前已證明PD早期癥狀與神經血管偶聯障礙相關,PD病程中大腦多區域血流灌注減少,如輔助運動區、頂葉皮質、楔前葉和楔部以及額葉皮質等部位。Shang等[20]研究發現,PD患者的神經血管偶聯功能障礙存在區域特異性,主要集中在影響認知功能的視覺-空間皮質,與PD的非運動癥狀相符。PD患者大腦中神經血管偶聯的神經支配和毛細血管均受到損傷。PD病程中神經血管偶聯功能障礙可能與衰老所致的神經血管單元損傷有關,加速PD的病理進程。

3.3 慢性腦缺血慢性腦缺血是由于大腦長期低灌注導致的大腦慢性損傷性疾病,主要表現為失眠、記憶力減退、逆行性遺忘、認知功能障礙等,隨著病情發展,極易引發腦梗死和癡呆等嚴重損傷,在血管性癡呆、Bins wanger病、AD等諸多神經系統疾病的發生發展過程中起著重要作用。長期低灌注引起的慢性腦缺血導致神經血管偶聯功能障礙。低效的神經血管偶聯剝奪了神經元的必需營養供應,并導致神經元功能衰竭,進而加重記憶力減退、認知功能障礙、反應遲鈍等慢性腦缺血導致的體征。Alfieri等[21]發現,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2在大腦缺血或者低灌注時能夠誘導活性氧(reactive oxygen species,ROS)產生,導致CBF失調和腦微血管炎癥,最終可能導致記憶障礙。Kim等[22]研究表明,脊髓損傷后的長期CBF降低是導致腦血管損傷的最主要原因,甚至超過了脊髓損傷后急性增加的代謝需求對腦血管的損傷,是導致神經血管偶聯障礙和后續認知功能障礙的最大危險因素。在慢性腦缺血過程中,中樞神經系統的細胞長期處于缺氧狀態,大腦中的軟腦膜小動脈和穿透小動脈靜息狀態的平均直徑會較正常生理狀態下明顯增加[23]。長期的缺氧狀態使NO、腺苷和前列腺素等誘導血管擴張的物質釋放減少,導致軟腦膜動脈和穿透小動脈受到刺激時的舒張能力顯著衰減,誘發明顯的神經血管偶聯功能障礙。

4 目前改善神經血管偶聯功能的活性物質及方法

針對神經血管偶聯障礙的藥物研發仍處于探索階段。目前表現出改善神經血管偶聯功能障礙的藥物多是通過增加中樞神經系統內NO的產生實現的。有研究表明,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)濃度下降會對細胞產生不利影響,恢復NAD濃度可能對衰老過程中的神經血管偶聯功能障礙產生有利影響,煙酰胺單核苷酸是NAD的前體能夠恢復內皮細胞NO濃度,從而改善神經血管偶聯功能障礙。精氨酸及其前體瓜氨酸作為NOS作用的底物,也可以通過增加NO濃度的方式改善神經血管偶聯功能。

氧化應激增加腦微血管內皮細胞功能障礙,進而損害神經血管偶聯功能。線粒體靶向抗氧化肽SS-31通過減輕線粒體的氧化應激反應、增加內皮細胞NO濃度,進而改善神經血管偶聯功能和乙酰膽堿誘導的老年小鼠大腦血管擴張,減輕神經血管偶聯功能障礙[24]。非黃酮類多酚有機化合物白藜蘆醇具有抗炎、抗氧化等作用[25]。研究表明,白藜蘆醇通過下調大腦皮質NADPH氧化酶、降低內皮細胞ROS的產生,減輕氧化應激反應,增加中樞系統NO濃度,治療老年小鼠的神經血管偶聯功能障礙,對腦血管具有抗衰老作用[26]。

鐵螯合療法是神經血管保護的一種新的治療策略,鐵螯合劑去鐵氨(deferoxamine,DFO)能夠激活血管內皮生長因子,從而產生促進血管生成和神經保護作用,并且DFO有著明顯的時間依賴性,對老年人的神經血管保護作用明顯優于年輕人[27]。

此外,健康的生活方式對神經血管偶聯功能大有裨益,如水果蔬菜中的多酚類化合物能夠通過PI3K/Akt和p38MAPK信號通路介導eNOS的磷酸化,刺激內皮細胞產生NO,保護神經血管偶聯功能[28]。適度運動也能夠通過激活Akt依賴的信號來促進eNOS的表達和活性上調,進而增加內皮細胞NO的濃度增加腦血流量,改善神經血管偶聯功能[29]。

5 總結和展望

調節血流在神經系統疾病尤其是退行性疾病的治療中受到越來越多的關注。神經血管偶聯功能障礙時,神經元營養和代謝受到嚴重影響,造成神經元內細胞毒性物質累積、衰老和凋亡加劇,影響AD、PD、CCVD等諸多中樞神經系統疾病的發生與發展。由于神經血管偶聯研究技術方法要求較高,限制了對其機制的深入解讀及臨床治療藥物的開發。隨著在體雙光子等技術的發展,神經血管偶聯的研究出現了質的飛越,但該領域仍然存在著很大的空白,諸多問題有待解決。比如神經血管偶聯能夠使活躍的神經元血液供給增加,但增加的血流從何而來目前還沒有明確的研究對其說明。文獻中提及小動脈內皮細胞能夠逆行性引起上游動脈血管的擴張,從而引起CBF增加。也有研究提出抑制性神經元能夠釋放血管收縮信號引起局部血管收縮,周細胞隧道納米管能夠收縮部分血管實現血液的空間性轉移。在這方面期待更為深入的研究,闡述其內在的機制。BOLD fMRI技術目前被廣泛應用于腦血管功能方面的檢測,但有研究表示腦血管反應性(cerebrovascular reactivity,CVR)作為BOLD fMRI檢測技術的重要指標存在明顯的區域變異性和性別差異。Urback等[30]研究表明大腦各區域的CVR達到峰值的時間存在差異。與女性相比,男性的全腦CVR明顯更高,這是我們在使用BOLD fMRI技術進行檢測時值得注意的地方,并提示我們在未來的研究中,尤其是從事那些檢查特定大腦區域的疾病狀態或以性別差異為特征的疾病時應考慮這些變量。而針對神經血管偶聯障礙的藥物研究方面更有廣闊的發展空間,同時與臨床的合作交流也有待加強。