认知功能障碍的神经生化标志物及治疗进展

程莹莹综述, 冯加纯审校

引起认知功能障碍的疾病有很多,包括 Alzheimer氏病(AD)、慢性脑缺血、血管性痴呆(vascular dementia,VD)等等。无论是哪一种病引起的认知功能障碍,其最终导致的结果是患者的日常生活、学习工作受到影响,给家庭、社会带来沉重的负担。认知功能障碍的检测在临床上主要是依赖各类标准化的心理测验量表。任何一种量表或行为学检测工具都具有其局限性,只能作为重要的参考资料,诊断还需结合影像学、电生理、神经生化学检查结果等。本文主要对认知功能障碍的神经生化标志物及近几年的治疗进展做一概述。

1 诊断应用

1.1 β淀粉样蛋白(amyloid-βpeptide,Aβ)及其前体Aβ毒性机制一直是 AD发病机制的核心假说,Aβ来源于淀粉样前体蛋白(Amyloid precursor protein,APP),是 Alzheimer病神经病理学的特征,在 CSF和血液中都能检出。Aβ可引发一系列级联反应导致细胞死亡,或激活补体、小胶质细胞,通过炎性机制加速细胞死亡。有学者认为聚集态的 Aβ即可溶性的 Aβ聚集成不溶性的 Aβ才具有更强的毒性[1]。更有学者应用 Aβ1-15肽疫苗接种 Tg2576鼠后可以改善其学习记忆能力,间接证实其在发病中的作用[2]。目前,Aβ已作为 AD的首选生化标志物。

APP是 Aβ的前体,有研究发现 AD患者血小板中 APP亚型比率发生变化。血小板中,150k D的APP可以转化120-130k D与 110k D的羰基缩短的类型。高分子量 APP与低分子量的 APP比值即人异构体比率,在AD患者及轻微认知损害的患者中这一比率升高,而其他精神异常疾病则不存在这一变化,这对 AD诊断的敏感性和特异性可达 80% ～95%[3]。并且有学者发现,APP异构体比率的下降与AD的严重程度及进展具有相关性[4]。

1.2 与 Aβ代谢相关的 α2巨球蛋白(α2M) α2M是α巨球蛋白的一种,是一种分子质量相对较高的血浆糖蛋白,基因定位于 12号染色体上,编码一种蛋白酶抑制剂,该抑制剂能调节淀粉样蛋白的降解和清除。有学者认为 α2M与 Aβ高亲和力可以防止Aβ纤维蛋白形成、聚集而引起的神经细胞毒性。遗传学证据表明 α2M基因突变是AD发病基因之一。有学者通过动物实验证实过量的 α2M可通过低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP)使 Aβ-β-极低密度脂蛋白复合体进入成纤维细胞及海马旁回细胞,通过胞饮作用调控Aβ的分解和清除。Blackerd等[5]报道 α2M-2外显子的缺失使 AD患病风险增加 4倍。当α2M基因突变时可以减慢淀粉样蛋白的清除,从而导致这种蛋白质的堆积而产生毒性作用。有报道对 3个独立样本进行综合分析表明,门诊具有认知障碍的患者发病与 α2M的存在具有相关性[6]。

1.3 神经元微管相关蛋白(Tau蛋白) Tau蛋白是正常人脑内存在的磷蛋白,基因位于 17号染色体,是含量最高的微管相关蛋白,大量存在于中枢神经系统内,其作用为聚合形成微管,而微管是维持神经细胞骨架完整性及胞体和轴突物质转运所必需的结构。而AD患者脑中各部位的神经元胞体、树突和异常轴突中有Tau蛋白异常磷酸化[7]。体外研究表明,异常过度磷酸化的 Tau蛋白聚集成双股螺旋丝(PHF),丧失了促进微管组装的生物活性,导致细胞骨架的结构异常和神经细胞死亡[8]。PHF形成被认为是神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFT)形成的核心事件,是 AD特征性病理改变。而认知功能障碍的程度与新皮质内 NFT数目相关。AD患者中 Tau蛋白与 Aβ呈相关性[9]。大多数临床研究报道,AD患者比对照组患者脑脊液Tau蛋白浓度增高,脑脊液 Aβ42降低,在另一项研究中,85岁 AD和 VD与非痴呆比较也有一致的结果。Hansson等[10]评价了脑脊液中生物标记与轻度认知功能障碍(MCI)患者开始发展为阿尔茨海默病的关联。进展为阿尔茨海默病的 MCI患者脑脊液中总 Tau蛋白(T-Tau)和磷酸 Tau蛋白(P-Tau181)的基线浓度增高,而 Aβ42浓度降低,这与以往的研究结果一致。脑脊液中Tau蛋白联合 Aβ42对于检测患者开始发展成阿尔茨海默病具有 95%的敏感性和 83%的特异性。不同于以往的是Hansson等对MCI患者和对照组都随访了长达 4～6年,因此与以往的研究比较,稳定性 MCI的诊断更加可信。另有研究认为,是磷酸化 Tau 231而不是总Tau蛋白与认知功能障碍和 MCI向AD转化有关[11]。

1.4 兴奋性氨基酸及其受体 人体内含有两种氨基酸,分别是兴奋性氨基酸(EAAs)和抑制性氨基酸(IAAs),前者包括谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp);IAAs包括:牛磺酸(Tau)、γ-氨基丁酸(GABA)和甘氨酸(Gly)。其中 γ-氨基丁酸具有较强对抗 EAAs的作用。在正常生理条件下 EAAs/IAAs处于平衡的状态。在脑组织细胞膜上有大量的谷氨酸受体(GluR)存在,分为亲离子型谷氨酸受体(iGluR)和亲代谢型谷氨酸受体(mGluR),前者又包括 NMDA受体、AMPA受体和KA受体等亚型。受体主要是参与细胞内代谢及多种生理病理过程的激活和调节。

EAAs中Glu脑内含量最高,它也是脑组织中含量最高的氨基酸,是 Asp含量的 3～4倍[12]。正常情况下,脑细胞内谷氨酸的浓度约为 10mmol/L,细胞外为 0.6μmol/L,由于有血脑屏障存在,血液中的血清谷氨酸不能通过血脑屏障而引起脑组织的损伤[13]。在正常生理条件下,Glu等兴奋性氨基酸在学习记忆机制中起重要作用,曾有人认为它对大脑有营养修复功能。而在病理条件下受损的脑细胞可释放出以谷氨酸为代表的EAAs,同时星形细胞对谷氨酸的摄取减少,最终导致大量谷氨酸在细胞外的堆积,EAAs/IAAs失调,激活谷氨酸受体引起胞外 Ca2+大量内流,使胞浆内钙离子浓度迅速增加,激活了磷酸脂酶 A2、磷脂酶 C等多种酶类,产生一系列神经生化反应,引起迟发性神经细胞损害,最终导致神经细胞死亡。近来,这一理论在神经元培养中得到进一步证实[14,15]。

IAAs中GABA是中枢神经系统中重要的抑制性氨基酸,其主要来源于谷氨酸的脱羧,因此谷氨脱羧酶(GAD)的作用是增加 GABA含量,而去甲肾上腺素、ATP等多种物质则可使脑 GABA含量减少。GABA对脑的抑制作用主要是通过改变神经细胞膜对氯离子、钾离子的通透性,造成氯离子内流,钾离子外流,形成突触后膜超极化实现的[16]。脑缺血、缺氧后EAAs升高,同时伴有抑制性氨基酸神经递质的释放增加,这是机体对抗EAAs兴奋性神经毒性的一种保护机制[17]。大量研究均证实 EAAs如谷氨酸(Glu)及其受体(如NMDA受体)含量的增高对认知功能起到毒性作用。而IAAs多数情况下主要是作为抗EAAs的治疗药物进行研究。

1.5 乙酰胆碱及其受体、限速酶、水解酶 中枢胆碱能系统参与调节神经元兴奋性、皮质可塑性以及学习记忆过程,与脑认知功能密切相关[18]。乙酰胆碱(acetycholine,Ach),参与调节海马和新皮层的神经元活动,在调节突触可塑性方面起关键作用。动物实验和临床观察均证实认知功能障碍患者存在 Ach含量不足的病理改变。乙酰胆碱受体包括烟碱型受体(N受体)和毒覃碱型受体(M受体),均与认知功能相关。很多研究证实阻断这两种受体可引起认知功能障碍。Ach由胆碱和乙酰辅酶 A在胆碱乙酰转移酶(choline acetyltransferase,ChAT)的作用下合成,一旦释出,则在突触间隙内被乙酰胆碱脂酶(Acetycholinesterase,AChE)迅速水解。ChAT和 AchE共同维系着 Ach的动态平衡。ChAT是合成 Ach的限速酶,是胆碱能神经元的特殊标志,其分布与Ach的分布几乎平行,可作为间接反映Ach水平的指标[19]。Dekosky等[20]研究发现,MCI患者上额叶和海马区的ChAT活性上调,而AD患者则显著降低。ChAT的上调被认为是MCI的特征性改变,这可能是阻止MCI向 AD转化的重要因素。这种表达改变在其他研究中也得到了证实[21]。这说明在AD的早期阶段,即 MCI阶段胆碱能系统处于被保护状况。AchE是 Ach的水解酶,在胆碱能神经元内活性较高,通过水解 Ach控制胆碱能神经元突触间的信息传递,从而实现对脑功能的控制。因此其活性可以反映胆碱能神经元的活性并判断脑内 Ach含量的变化[22]。Wallin等[23]发现,VD患者脑脊液中 AchE活性与对照组比明显降低。目前,胆碱酯酶抑制剂是临床上应用最为广泛的抗认知功能障碍的药物。

1.6 单胺能神经递质 单胺能神经递质包括多巴胺(DA)、去甲肾上腺素(NE)和 5-羟色胺(5-HT)。主要参与记忆形成和保持。注意力缺陷、抑郁、行为异常均与 5-HT系统受损有关。动物实验表明血管性痴呆(VD)的大鼠海马和下丘脑中的DA、NE和 5-HT水平下降,且痴呆程度与下降程度一致[24]。VD患者的尸检发现:5-HT的含量下降,而单胺氧化酶活性显著增高[25]。Truchot等[26]的研究发现,5-HT在 MCI患者的海马中是升高的,而在AD患者中是降低的。

2 治疗应用

2.1 干扰Aβ形成和沉积的药物 由于 Aβ沉积被认为是发病的主要原因之一,所以研制干扰Aβ形成和沉积的药物也是现在和将来的重点方向之一。蒙特利尔的 Neurochem公司研制的Alzhemed是抗淀粉样蛋白药物中的最大进展,2006年已在美国开始进行III期临床研究。

2.2 γ-氨基丁酸(GABA)衍生物 γ-氨基丁酸衍生物,通过降低血小板的活性和血细胞对血管壁的附着作用而改善微循环,刺激中枢胆碱能神经的活性以改善记忆力;促进大脑皮质细胞代谢增加大脑对氨基酸、蛋白质以及葡萄糖的吸收和利用,从而增加脑细胞的存活能力,使受损的神经细胞功能恢复。代表药物如 γ-氨基丁酸(GABA)衍生物吡拉西坦(piracetam,脑复康)和普拉西坦(pramiracetam)。

2.3 兴奋性氨基酸受体拮抗剂 NMDA型受体与海马的可塑性和学习、记忆有关,其拮抗剂的代表药物有米拉醋胺(milacemide)、环丝氨酸(cycloserine)和美金刚。美国一项 32个中心 252例中-重度 AD患者参加的 RCT表明,美金刚可延缓中-重度痴呆患者的临床进展[27]。而另一项美国37家医院的 404例患者参与的 RCT表明,患者应用多奈哌齐的基础上加用美金刚,可进一步改善认知功能[28]。

2.4 胆碱酯酶抑制剂 通过抑制 AchE的活性减少Ach的分解以增加 Ach的含量而发挥治疗作用的乙酰胆碱酯酶抑制剂(AchEI)是目前研究较为成熟的药物。包括以下几种:(1)他克林(tacrine,THA)为可逆性 AchEI,是第一个被美国批准治疗 AD的临床药物,但因显著的胃肠道反应及肝毒性目前已很少使用。(2)双他克林(bistacrine)THA的二聚体,体内 AchE抑制活性更强,口服利用度更高,副作用少,但水溶性和人体耐受性较差。(3)毒扁豆碱(physostigmine)能通过血脑屏障,易被粘膜吸收,使脑内及血液中的AchE受到抑制,进而对抗东莨菪碱(scopolamine)所致的学习记忆障碍。但由于吸收后作用的选择性很低,毒性大,不能用于临床。(4)庚基毒扁豆碱(eptastigmine)为第二代可逆性AchEI,是毒扁豆碱的氨基甲酸酯衍生物,脂溶性大、作用时间长、毒性低、副作用少,对轻、中度 AD患者的治疗效果比较理想。(5)加兰他敏(galantamine)是长效可逆性AchEI,可以穿过血脑屏障,对中枢 AchE的抑制具有选择性,在神经元和红细胞中抑制AchE的能力比在血液中高 50倍。2009年发表的一份长达 4年的随机、双盲研究指出,加兰他敏可改善重度 AD患者的认知功能并且安全性良好[29]。(6)多奈哌齐(Donepezil,安理申)为第二代AchEI,于 1996年 7月在美国获批准上市,1997年 3月成为英国第一个注册治疗AD的药物[30]。该药对中枢AchE选择性高,作用时间长,呈可逆性,疗效与他克林相近,不会产生严重的不良反应。(7)重酒石酸卡巴拉汀(exelon,艾斯能)是第二代可逆性AchEI,对中枢 AchE具有高度特异性,无肝脏毒性,能使皮质和海马Ach浓度升高,促进认知和记忆功能的同时不会引起延髓控制中枢或髓质小脑突触联系的紊乱。(8)石杉碱甲(huperzine,哈伯因)是一种强效的 AchEI,在中枢神经系统中可选择性地分布于皮质、海马等与学习记忆相关的脑区,治疗效果好,毒性远比他克林低。动物试验表明石杉碱甲提高大鼠大脑皮质Ach水平的作用要比多奈哌齐和艾斯能更强,持续时间更长;动物行为学研究也显示石杉碱甲在提高动物的学习记忆能力方面,治疗指数明显高于他克林、毒扁豆碱和加兰他敏[31,32]。2.5 单胺能受体激动剂

(1)肾上腺素能受体激动药:去甲肾上腺素α2A受体激活后可改善认知功能,作为特异性 α2A受体激动药物的氯苯乙胍(guanfacine,胍法辛)理论上应有改善认知功能的作用。但由于副作用大,临床应用被大大降低。(2)麦角生物碱:甲磺酸双氢麦角毒碱片(hydergine,海得琴)是麦角生物碱复合物,能直接作用于肾上腺素能、多巴胺和 5-羟色胺受体。对 26项研究的荟萃分析显示,此类药物能改善多种原因导致的认知功能损害和情绪障碍[33],但由于大多数研究对认知功能的测量指标为主观的评定量表,所以认知功能提高可能是患者情绪得到改善导致的结果。关于麦角生物碱是否能改善轻度认知功能障碍患者的记忆能力或能否预防进展为阿尔茨海默病,目前尚无证据。

2.6 其他 盐酸司来吉兰(selegiline)属单胺氧化酶抑制药,是研究较多的抗氧化药物;维生素 E是常用的自由基清除药物。一项针对中、重度阿尔茨海默病患者的临床试验结果显示,治疗组患者分别接受盐酸司来吉兰(10mg/d)和(或)维生素 E(2000 IU/d)治疗 2年后,尽管其认知功能测试与安慰剂对照组相比差异无统计学意义,但治疗组患者住院或死亡终点事件的出现时间明显延迟[34]。钙拮抗药近年来被用于改善认知功能。阿尔茨海默病患者钙离子内环境失稳定,细胞外钙离子内流,线粒体产生超氧自由基,而钙拮抗药可阻断此过程,其代表药物硝苯甲氧乙基异丙啶(nimodipine,尼莫地平)即是具有通过血-脑屏障作用的二氢吡啶类钙拮抗药。

3 展 望

通过对以上研究的学习,我们发现认知功能障碍的神经生化标志物多是那些在各类机制中起关键作用的限速酶、水解酶或受体等等,而药物的开发也多是围绕这些物质展开的。对于今后的研究,我们是否可以把侧重点放在某些机制中,如氧化应激、炎症反应等。也许下一个治疗认知功能障碍的有效药物就是这些机制中的关键酶!

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