針灸改善阿爾茨海默病突觸可塑性機制研究進展

趙 耀,梅書雅,雷 露,劉 奇,張 寧

陜西中醫藥大學,陜西 咸陽 712046

中醫學將阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)歸屬于“呆病”“健忘”“癡呆”范疇。本病病位在腦,病機為五臟虛損,本虛標實,以髓海失養為本,痰濁、瘀血邪實壅滯腦竅為實,致使神機運轉不利。治療多從五臟出發,標本兼治,以補腎益精填髓為主,兼顧化痰、祛瘀和降濁等基本治則[1]。近年來,針灸在對本病的防治與延緩其病理進程方面的研究取得一定進展,成為該領域的研究熱點[2]。如針灸在改善認知功能、日常生活能力方面可能比藥物更有效[3];Meta分析結果表明針藥結合的治療方法優于單純藥物治療[4];靜息態功能磁共振成像提示針灸可以有效調節AD患者認知相關腦區的功能活動和連通性[5]。本研究對針灸改善AD突觸可塑性的基礎研究概況予以分析,旨在為臨床針灸防治AD的實踐應用提供理論依據。

1 突觸可塑性

突觸是神經元間信息傳遞的樞紐,其結構和數量是保證學習記憶功能正常的前提。1949年,Donald Hebb提出神經元之間信息傳遞效能隨神經活動的變化而變化的現象被稱為突觸修飾,神經突觸的這種可改變性被稱為突觸可塑性[6]。蒲慕明院士在Neuron刊載的關于活動依賴性神經元突觸可塑性的綜述中,將神經可塑性主要概括為3個層面,即宏觀層面上表現為不同腦區激活的時空模式的改變;中觀層面上表現為不同神經元類型之間遠程和局部聯系的改變;在微觀層面上表現為神經元和突觸在細胞和亞細胞水平上的改變[7]。可見神經突觸可塑性是神經系統對外在和內在因素的刺激而產生新的功能或結構狀態的能力,主要包括神經細胞再生、腦功能重組和突觸連接等環節。研究報道,AD患者神經元突觸可塑性的損害是記憶和認知功能減退的重要原因[8]。突觸的可塑性在發育早期很高,成年后降低。適應不良的神經可塑性可能是諸多發育性、獲得性以及神經退行性腦病的發病原因[7]。海兔防御性鰓反射下的感覺運動性突觸活動誘導易化的研究表明[9],長期的功能性和結構性突觸變化可以作為學習和記憶的底物。且突觸的形成和消除或突觸形態的改變也伴隨著長時程增強(Long-term potentiation,LTP)/長時程抑制(Long-term depression,LTD)的突觸效應,進而表明突觸的結構可塑性和功能可塑性之間存在著密切的聯系[7]。其中結構可塑性(包括突觸數量、形態結構的正常)是功能可塑性(主要表現為LTP和LTD活動的平衡)的基礎。

記憶和認知能力的建立與突觸可塑性密切相關。近幾十年來,突觸可塑性[10]、成年神經發生、神經調節和睡眠等在學習記憶中的作用已成為業界普遍關注的問題。尤其是計算機科學、分子生物學、細胞學和心理學等的推動以及新的技術、工具的出現,為該領域的發展提供了重要的支持。

2 針灸改善AD小鼠突觸可塑性機制

早有報道表明針灸對認知功能障礙有積極作用,其可能通過調節參與神經元的生存和功能的信號通路來提高學習記憶能力,尤其是通過促進多巴胺能突觸傳遞、促進膽堿能神經傳遞、抑制氧化應激、調節糖代謝酶、減緩凋亡進程以及減少小膠質細胞的激活等來實現[11]。針灸改善AD突觸可塑性作用機制的研究中,相關實驗研究則分別從樹突棘、突觸形態結構、突觸相關蛋白、神經遞質表達、突觸功能增強、神經細胞粘附分子及能量代謝等多角度證實針灸具有改善突觸可塑性、延緩AD的重要作用。

2.1 針灸可以減少樹突棘丟失

樹突棘密度、數量的可塑性是突觸結構可塑性的重要體現,可直接影響突觸的功能可塑性[10]。Yu CC等報道[12],在衰老過程中,電針預處理可以減少AD模型動物海馬樹突棘的丟失,進而改善神經元微管和突觸損傷,這一作用可能是通過抑制GSK 3β/mTOR通路活性,同時降低Tau蛋白磷酸化水平并促進自噬活性來實現的。Wang Y等[13]研究表明,三焦針法可增加SAMP8小鼠樹突棘的數量,這可能是因其抑制了RhoA/ROCK通路活性,進而改善AD小鼠的學習和記憶功能。見圖1a。

2.2 針灸改善突觸形態結構

針灸改善AD鼠突觸超微結構狀態,可能與增加神經突觸的數密度、面密度、平均面積和突觸曲率、減小突觸間隙寬度及增厚突觸后密度相關,從而改善學習記憶能力,且高頻電針可能會增強海馬區突觸傳遞,并有可能改善AD記憶障礙。見圖1b。

Kan BH等[14]報道,針刺可通過改善中年AD小鼠海馬CA1區錐體細胞樹突結構,從而提高空間學習記憶能力。相關研究亦發現[15-17],針灸能顯著增加AD模型動物海馬CA1區突觸數目、密度,改善海馬區突觸超微結構的受損。余曙光團隊以往相關研究表明,與SAMR1小鼠比較,快速老化SAMP8小鼠的海馬CA1區神經元突觸后致密帶變薄,突觸間隙增寬,突觸界面曲率下降[18]。而針灸可明顯增加癡呆模型動物神經突觸的數密度、面密度和平均面積[19],表明針灸具有增強突觸形態重塑的重要作用。Yu CC等[20]報道,不同頻率的電針治療能明顯改善大鼠的學習記憶能力,增加突觸曲率,減小突觸間隙寬度,增厚突觸后密度,對AD大鼠突觸超微結構損傷具有較好的保護作用,高頻電針(50 Hz)比低頻電針(2 Hz)和中頻電針(30 Hz)更有效。

2.3 針灸調控突觸相關蛋白、神經遞質表達

針灸可上調AD動物突觸可塑性相關蛋白SYN、PSD95 、GAP-43水平、乙酰膽堿和乙酰膽堿轉移酶表達,下調GSK-3β、乙酰膽堿酯酶表達;提高腎上腺素、5-羥色胺(5-HT)、多巴胺等神經遞質的含量和腦源性神經營養因子(Brain derived neurotrophic factor,BDNF)水平,進而增加突觸數量,改善其空間學習記憶能力。針灸還可能提高AMPA受體的表達及其亞基GluR1的磷酸化水平,喚醒沉默突觸。見圖1c。

Dong W等[21]報道,電針可改善SAMP8小鼠突觸丟失,增加SYN和PSD95的表達,抑制AMPK激活和eEF2K活性,認為電針改善AD突觸功能的機制可能與抑制AMPK/eEF2K/eEF2信號通路有關。張亢亢[22]研究表明,電針能顯著提高突觸可塑性相關蛋白SYN和PSD-95在AD大鼠腦內的表達,且電針的作用成效與頻率密切相關,高頻電針(50 Hz)的療效最佳,中頻電針次之(30 Hz),低頻電針(2 Hz)最弱。闞伯紅等[23]研究發現,韓景獻教授的三焦針法可增加SAMP8小鼠SYN的表達,從而改善錐體神經的形態。趙恩聰等[24]報道,電針對不同階段(3、6和9月齡)AD小鼠學習記憶能力及海馬區SYN、PSD-95表達均具有明顯提高作用,且3月齡電針組最顯著。王穎等[25]報道,電針可能通過下調AD小鼠GSK-3β、上調GAP-43蛋白的表達,有利于突觸損傷修復。Cai M等[26]發現,電針可上調5×FAD小鼠的突觸素和PSD-95蛋白表達,改善工作記憶和突觸可塑性,減輕神經炎癥。此外,電針治療后,小膠質細胞介導的Aβ沉積減少,同時淀粉樣蛋白前體蛋白也減少,表明電針治療通過抑制AD小鼠突觸變性和神經炎癥進而改善認知障礙。

沉默突觸的喚醒作用可能是針灸促神經康復和影響突觸可塑性的又一重要途徑和機制[27]。封敏[28]發現,針灸可明顯提高AD模型動物AMPA受體的表達及其亞基GluR1的磷酸化水平,喚醒沉默突觸;同時,針灸可以促進AMPA受體和NMAD受體的共存,以平衡突觸的傳遞功能,進而增強突觸可塑性。熊殷藝[29]研究表明,突觸后可塑性關鍵物質——NMDA受體的亞基NR2A、NR2B可能參與了針刺促突觸可塑性的發揮。

針灸還可以調控神經遞質的表達。賈成文等[30]報道“補腎益髓”針刺法(百會、風府、懸鐘、腎俞和涌泉)能夠顯著提高AD模型大鼠中樞神經系統腎上腺素、5-羥色胺(5-HT)和多巴胺的含量。林瑤[16]報道,艾灸能顯著提高AD小鼠海馬區BDNF水平,進而參與促進突觸可塑性。霍金報道[31],電項針可以增強AD模型大鼠海馬膽堿能神經元乙酰膽堿轉移酶的陽性表達,減弱乙酰膽堿酯酶的陽性表達,并且可以增強海馬組織中單胺類遞質及多巴胺受體D1(DRD1)的陽性表達,增加單胺類遞質的分泌,從而防止AD模型大鼠學習記憶能力下降。徐飛等[32]報道,頭穴叢刺法可以上調AD小鼠乙酰膽堿、乙酰膽堿轉移酶表達,下調乙酰膽堿酯酶表達,通過促進乙酰膽堿合成,抑制其分解,從而改善AD大鼠學習和記憶能力下降的癥狀。

2.4 針灸增強突觸功能

興奮性突觸后場電位(Field excitatory postsynaptic potential,fEPSP)和群峰電位(Population spike,PS)是判斷突觸傳遞強化的標志。針刺可以提高AD動物fEPSP 和PS增幅,加強神經元突觸興奮性傳遞功能,進而改善學習記憶能力。見圖1d。

張曉抒[33]通過對AD小鼠海馬進行在體LTP測試發現,與AD模型組比較,針刺組PS增幅顯著上升,潛伏期降幅顯著下降,表明針刺可以提高AD小鼠LTP增幅,加強神經元突觸興奮性傳遞功能,進而改善學習記憶能力。郭冠華[34]研究報道,與AD模型組比較,電針對照組和“雙固一通”電針組fEPSP相對幅度值均明顯升高,海馬LTP均得到明顯改善。沈梅紅等[35]報道電針干預治療后,AD模型大鼠海馬興奮性突觸后電位斜率、PS以及群發電位峰面積均顯著增加,盡管未達到正常水平, 但仍優于模型組, 表明電針對AD引起的LTP嚴重受抑具有顯著恢復作用。此外,Li W等[36]也發現高頻(50～100 Hz)電針能顯著增強AD大鼠的海馬突觸傳遞。

2.5 針灸提高突觸部位神經細胞粘附分子表達

針灸調控突觸可塑性與神經粘附分子相關,提高突觸部位神經細胞粘附分子(NCAM)、唾液酸化轉移酶(ST8SIAII、ST8SIAV)和多聚唾液酸轉移酶(ST8SiaII/IVmRNA)的表達,進而改善突觸可塑性,提高學習記憶能力。見圖1e。

盧圣鋒[37]報道,電針可通過提高核轉錄因子κB的表達,誘導神經細胞粘附分子的合成,進而促進神經細胞粘附。此外研究人員還發現,電針改善AD小鼠學習記憶能力的效應可能是通過誘導神經細胞粘附分子及ST8SiaII/IVmRNA的合成、增強神經細胞粘附和促進神經元突觸形態可塑性來實現的[38]。唐勇等[39]發現,電針亦可提高突觸部NCAM及其唾液酸化轉移酶ST8SIAII和ST8SIAV的表達。

2.6 針灸調節突觸相關能量代謝

腦內能量代謝障礙與AD發病密切相關。針灸可提高葡萄糖轉運體3、單羧酸轉運體4和單羧酸轉運體2、18氟-脫氧葡萄糖含量;降低液乳酸、葡萄糖和丙酮酸含量;促進海馬線粒體SIRT3轉錄因子GATA-2表達升高、海馬神經元和星形膠質細胞間“crosstalk”增強;改善神經元線粒體超微結構、Na+-K+-ATP酶等呼吸酶鏈以及細胞色素C等。見圖1f。

劉奇[40]發現,針刺可以降低AD小鼠海馬細胞間液乳酸、葡萄糖和丙酮酸含量,調控AD小鼠海馬能量底物轉運蛋白葡萄糖轉運體3、單羧酸轉運體4和單羧酸轉運體2的含量,提升海馬神經元能量物質轉運,進而促神經元突觸可塑性的發揮,提高AD小鼠學習記憶能力[41]。同時,針刺可以促進海馬線粒體SIRT3轉錄因子GATA-2表達升高,進而改善線粒體能量代謝。姜婧等[42]發現,電針能明顯提高AD小鼠腦18氟-脫氧葡萄糖的攝取及每克腦組織的攝取率,并可能通過影響腦葡萄糖代謝而發揮神經保護作用。曾芳等[43]報道,針刺可以有效改善AD小鼠海馬神經元線粒體超微結構、Na+-K+-ATP酶等呼吸酶鏈以及細胞色素C等,同時提高了動物的空間學習記憶能力。但這些能量代謝相關因子與突觸可塑性的深層機制仍不清楚。Zhang N等[44]通過結合空間轉錄組學研究發現,艾灸可以促進AD小鼠海馬神經元和星形膠質細胞間“crosstalk”增強,調控能量代謝,為神經元提供更多的能量支持,進而改善AD小鼠突觸可塑性,提高學習記憶能力。

3 小結

突觸可塑性的強弱與學習記憶密切相關。通過本研究梳理發現,針灸改善AD模型動物突觸可塑性的作用可能是通過減少樹突棘丟失、通過改善突觸形態結構、調控突觸相關蛋白、神經遞質、突觸功能、神經細胞粘附分子及能量代謝等途徑來實現的。并且對針刺、艾灸的起效機理、治療的不同療程和電針的不同頻率均進行了深入的研究。因而,改善突觸可塑性是針灸促進腦功能恢復、防治AD的重要途徑。但筆者認為還存在一些不足。如由于實施針灸操作的獨特性及AD老齡鼠的特殊性,導致難以在離體實驗中對結果進一步進行驗證,如進行病毒干擾等,以排除在體研究中的混淆因素對實驗結果造成的影響。其次,針灸效應的發揮取決于機體的狀態和疾病的發展階段。由于針灸治療時間較長,而AD模型動物隨著時間的進程其疾病的病理不斷加重,故而選擇合適的干預時間段顯得尤為重要,有益于進一步明確針灸作用起效的時效關系。此外,針灸改善AD模型動物突觸可塑性方面研究頗豐,但更深層次的潛在機制還有待挖掘,結合新的科學技術,多學科交融,例如對新興的病毒工具以及在提高分辨率成像的進一步應用,將對于解釋針灸防治AD的作用機制更為清晰、直觀且有說服力。