慢性脑缺血与阿尔茨海默病

徐 钧(综述)，储照虎(审校)

(1.芜湖市第一人民医院神经内科，安徽芜湖241000;2.皖南医学院弋矶山医院神经科，安徽芜湖241001)

慢性脑缺血是指各种原因引起的长期脑血流灌注不足。而大脑慢性低灌注状态导致的长期脑血供不足及其所诱发的自由基损伤等多种病理学变化可能是阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)的病因。散发性AD均有毛细血管结构的异常、β淀粉样肽(β-amyloid protein，Aβ)的沉积、神经元变性和进行性认知功能障碍等，这与双侧颈总动脉结扎(2-vessel occlusion，2VO)模型所产生的慢性脑缺血引起的大鼠脑的变化非常相似。de la Torre［1］提出了AD发病机制的临界脑低灌注阈值假说:在血管危险因素的作用下，脑灌流不足，当到达一定阈值时即可引发一系列级联反应，最终导致AD的病理学改变。现就慢性脑缺血和Aβ的生成与清除、神经细胞凋亡、能量代谢障碍、免疫炎性氧化应激损伤几个方面进行简要综述。

1 慢性脑缺血与Aβ的生成与清除

目前，在AD发病机制的众多假说中，最受关注的淀粉级联假说认为Aβ在AD发病过程中起着核心作用，其引起的一系列神经毒性导致神经细胞功能紊乱和死亡，引发痴呆。Aβ在神经细胞外沉积是AD发生的触发因素，在AD的发生、发展过程中发挥重要作用。现代研究证实，脑缺血可引起脑内Aβ表达增多。基础研究发现缺血性脑血管病患者脑中淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)和Aβ的水平有所增加。实验研究证实，脑缺血能够上调大鼠脑内APP mRNA表达，增加Aβ生成、β分泌酶的活性和表达［2］，β分泌酶分泌可由淀粉样蛋白诱导增多，这可能是APP的生成形成一个正反馈回路［3］。因此，在慢性脑缺血后APP表达可增加。

De Jong等［4］研究发现，慢性脑缺血后毛细血管出现了细胞变性，微血管纤维化，基膜增厚，血管腔狭窄。在人为动静脉瘘造成慢性脑缺血的大鼠发现毛细血管密度增高，而毛细血管密度的增加可能是因为脑慢性缺血诱发毛细血管反应性增生，但是新生的毛细血管因为结构不完整，因此具有渗出和出血的倾向。有研究发现，血液是产生可溶性Aβ的主要来源，可溶性Aβ可以通过有功能缺陷的血-脑脊液屏障进入脑组织，逐渐形成沉积［5］，并且慢性脑缺血后Aβ清除障碍可能与血-脑脊液屏障的破坏、Aβ通过血-脑脊液屏障清除的功能受损有关。

2 慢性脑缺血与神经细胞凋亡

研究证实，慢性脑缺血出现不同程度的神经元变性坏死。在神经变性性痴呆的发展过程中，神经元脱失的主要形式是细胞凋亡。Smale等［6］用缺口末端标记法观察AD患者脑标本中的细胞凋亡，发现AD患者海马区的缺口末端标记阳性细胞明显多于同龄非AD患者对照组，凋亡的细胞中不仅有神经元，还有胶质细胞。慢性脑缺血后海马CA1-CA4区、齿状回神经元损伤程度不一致，齿状回损伤程度最重。随着低氧时间延长，上述改变呈逐渐加重［7］。

研究表明，DNA的损伤与修复在缺血神经元的死亡机制中发挥重要的作用，对DNA损伤修复的失败是触发缺血神经细胞凋亡的重要机制之一［8］。慢性脑缺血的一些细胞凋亡相关基因及其产物在AD脑中有明显的变化。AD中凋亡相关基因与脑缺血中凋亡相关基因有部分重叠，提示脑缺血所致凋亡在AD发病中的可能作用。抑制凋亡的基因Bcl-2和促凋亡基因Bax相互拮抗形成一个平衡体系，通过调节凋亡相关蛋白Bcl-2和Bax水平的表达，可以抑制细胞凋亡的发生［9］。而DNA自身修复是通过p53蛋白激活一系列下游基因或直接与DNA单、双链结合而完成的。如果DNA损伤严重、修复失败，则以凋亡的形式清除细胞以维护细胞基因组的完整性和修复的忠实性［10］。所以，p53基因是神经细胞死亡的关键性调节因子，具有一定的促凋亡作用。p53的一个直接下游产物p21通过结合并抑制周期素依赖激酶而在细胞周期调节中发挥重要作用。除细胞周期阻滞外，p21同时还抑制p53介导和非p53介导的细胞凋亡，在一些特定的情况下它又能促进细胞凋亡［11］。实验结果表明，慢性脑缺血状态海马区p21和p53蛋白的表达上调，表明两者均参与了神经细胞的凋亡［12］。

凋亡基因在缺血和AD脑中部分相似的变化，以及细胞凋亡在缺血和AD患者脑中的出现，提示慢性脑缺血在AD发病中的作用。

3 慢性脑缺血与能量代谢障碍

Staffen等［13］经SPECT研究发现AD患者局部脑血流灌注明显降低。长时间脑血流不足可能导致认知功能损害。Plaschke等［14］研究在逐步渐进性脑低灌注成年大鼠中发现皮质和海马三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)、二磷酸腺苷逐渐下降，乳酸/丙酮酸和腺苷增加。线粒体能量代谢障碍在AD的发生中的研究越来越多，与正常人相比，AD患者脑部对葡萄糖的吸收和利用减少21%～28%，因而导致AD患者发生轻度认知障碍［15］。AD患者因为脑血流不足进一步导致脑细胞线粒体氧化代谢过程受到损伤［16］。有研究表明，在神经纤维缠结形成之前，线粒体内细胞色素氧化酶与线粒体DNA的水平有所改变，进而得到线粒体异常是AD病理的早期特征［17］。线粒体损伤使 ATP合成进一步减少，脑内60%的ATP是由细胞膜上的Na+-K+-ATP酶消耗的，ATP减少使其活性大大降低，导致轴突-树突转运障碍，蛋白、营养因子及其他依赖能量转运的分子对突触或神经元胞质的供应减少，并有可能导致突触丢失。ATP的减少使Ca+的跨膜转运受影响，产生了细胞内钙超载，使神经元功能受损。脑内自由基产生增加，而自由基通过阻断膜Na+-K+-ATP酶转运谷氨酸，使其在细胞外集聚，产生兴奋性氨基酸毒性作用。并且胶质细胞增生、体积变大，在结构和功能上都发生了改变。ATP减少还可使高尔基体受损，一方面可能导致异常APP翻译后加工，从而生成Aβ，最后形成老年斑;另一方面可能导致异常的tau蛋白过度磷酸化，形成双股螺旋丝和神经元缠结。

4 慢性脑缺血与免疫炎性氧化应激损伤

4.1 免疫炎性损伤 近年的研究表明，慢性脑缺血引起神经胶质细胞的活动异常，包括小胶质细胞的活化、星形胶质细胞的增生和活化，少突胶质细胞的损伤等反应［18］。激活的小胶质细胞能够分泌大量的生物活性因子，如肿瘤坏死因子 α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素(interleukin，IL)-3、IL-1、IL-6、诱导型一氧化氮合酶等，这些生物活性因子通过不同的途径反馈性加重小胶质细胞的活化效应。此外，还可以直接对神经组织产生各自的作用加重炎性反应，并且激活星形胶质细胞，导致恶性循环，促进神经元损伤［19］。反应性变化的星形胶质细胞一方面对缺血后组织损伤的修复及内环境的稳定起重要作用;另一方面产生的一氧化氮和TNF-α，可介导少突胶质细胞的凋亡，加重白质的损伤［20-21］。Deng等［22］研究发现，激活的小胶质细胞产生的炎性细胞因子也可对少突胶质细胞产生损害作用，导致脑室周围白质病变。

长期以来，免疫炎性反应作为脑缺血损伤级联反应中重要的一环一直备受关注。其中，IL-1、IL-6及TNF被视为与中枢神经系统缺血相关的最主要炎性反应分子。研究表明2VO后海马区IL-1、IL-6、TNF-α阳性细胞明显增高［23］。IL-1由小胶质细胞分泌，通过刺激β-淀粉样前体蛋白(β-amyloid precursor protein，β-APP)的启动子上调β-APP的表达，从而促进β-APP的加工过程，使Aβ沉积。也可通过刺激诱导营养不良性轴突生成和磷酸化tau蛋白水平增加，与神经元缠结形成直接相关。研究证实，IL-6在弥散性斑块中的分布多于其他类型的斑块，提示在老年斑早期形成中IL-6有驱动作用。TNF作为Aβ诱导的小胶质细胞神经毒性的重要媒介，与在神经元、小胶质细胞及星形胶质细胞表达的受体结合，从而激活众多细胞类型的炎症信号。

4.2 氧化应激损伤 氧化应激是指体内过多的氧自由基导致组织氧化损伤的过程，在AD的发生、发展过程中起重要作用。活性氧簇中的羟自由基是氧化损伤中最重要的自由基。自由基介导产生活性氧簇，在氧化产物过度堆积和抗氧化系统缺陷而引发细胞损伤甚至凋亡。因此，活性氧簇和自由基是引起 AD 病变的重要原因［24-25］。舒敏等［26］用 2VO 模型观察了慢性脑缺血损伤后大鼠脑组织中的氧化应激反应，术后90 d大鼠脑组织一氧化氮浓度、一氧化氮合酶、诱导型一氧化氮合酶活力较对照组明显升高，且一氧化氮浓度与一氧化氮合酶及诱导型一氧化氮合酶活力呈正相关。Bharti等［27］观察到，2VO术后10 d脑组织脂质过氧化程度加剧，氧自由基毒性代谢产物丙二醛增加，而谷胱甘肽显著减少，超氧化物歧化酶活性显著下降。体内生成的活性氧簇不仅可以使钙稳态失调，还可通过抑制能量代谢使糖原合成激酶3代偿性激活，共同促进tau蛋白异常磷酸。De Butte等［28］证实，自由基消除剂褪黑素在慢性脑缺血中具有神经保护作用，从侧面说明氧化应激致神经元损伤在慢性脑缺血致AD中起着重要作用。

5 结语

许多证据都表明，脑血流量减少在认知功能损害进程中起到重要作用，慢性脑缺血能够导致认知功能障碍，并且是AD的重要危险因素。对慢性脑缺血后免疫炎性损伤、能量代谢障碍以及细胞凋亡等方面的研究或许可以帮助寻找阻断细胞凋亡和痴呆发展的重要途径。目前对慢性脑缺血的研究尚处在起步阶段，其导致认知功能障碍的病理机制，尤其是分子机制有待进一步研究。

［1］de la Torre JC.Critically attained threshold of cerebral hypoperfusion:the CATCH hypothesis of Alzheimer's pathogenesis［J］.Neurobiol Aqing，2000，21(2):331-342.

［2］卢宏，王兴萍，滕军放，等.慢性脑缺血大鼠海马区APP mRNA的表达［J］.山东医药，2007，47(19):70-71.

［3］Zhao J，Fu Y，Yasvoina M，et al.Beta-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1 levels become elevated in neurons around amyloid plaques:implications for Alzheimer's disease pathogenesis［J］.J Neurosci，2007，27(14):3639-3649.

［4］De Jong GI，Farkas E，Stienstra CM，et al.Cerebral hypoperfusion yields capillary damage in the hippocampal CA1 that correlates with spatial memory impairment［J］.Neuroscience，1999，91(1):203-210.

［5］Clifford PM，Zarrabi S，Siu G，et al.Abeta peptides can enter the brain through a defective blood-brain barrier and bind selectively to neurons［J］.Brain Res，2007，1142:223-236.

［6］Smale G，Nichols NR，Brady DR，et al.Evidence for apoptoyic cell death in Alzherimer's diease［J］.Exp Neurol，1995，133(2):225-230.

［7］唐云安.慢性脑缺血对大鼠认知功能障碍及影响机制研究［J］.四川医学，2010，31(9):1226-1228.

［8］Torrejais MM，Soares JC，Mathens SM，et al.Histochemical study of the extensor digitorum longus and soleus muscles in alcoholic rats［J］.Anat Histol Embryol，1999，28(5/6):367-373.

［9］冉昌丽，李耀彩，张其梅，等.法舒地尔对大鼠颈动脉重度狭窄所致认知功能障碍和细胞凋亡的保护作用［J］.中国老年学杂志，2010，24(30):3743-3745.

［10］Levine AJ.p53，the cellular gatekeeper for growth and division［J］.Cell，1997，88(3):323-331.

［11］Gartel AL，Tyner AL.The role of the cyclin-dependent kinase inhibitor p21 in apoptosis［J］.Mol Cancer Ther，2002，1(8):639-649.

［12］邱建武，罗俊生，关宁，等.大鼠脑慢性缺血状态再灌注对海马区神经细胞凋亡及p21和p53蛋白表达的影响［J］.解剖科学进展，2009，15(1):44-46.

［13］Staffen W，Berqmann J，Schonauer U，et al.Cerbral perfusion(HMPAO-SPECT)in patients with depression with cognitive impairment versus those with mild cognitive impairment and dementia of Alzheimer's type:a semiquantitative and automated evalution［J］.Eur J Nucl Med Mol Imaging，2009，36(5):801-810.

［14］Plaschke K，Ranneberg T，Bauer J，et al.The effect of stepwise cerebral hypoperfusion on energy metabolism and amyloid precursor protein(APP)in cerebral cortex and hippocampus in the adult rat［J］.Ann N Y Acad Sci，1997，826:502-506.

［15］Atamna H，William H，Frey WH 2nd.Mechanisms of mitochondrial dysfunction and energy deficiency in Alzheimer's disease［J］.Mitochondrion，2007，7(5):297-310.

［16］Mancuso M，Orsucci D，Siciliano G，et al.Mitochondria，mitochondrial DNA and Alzheimer's disease.What comes first?［J］.Curr Alzheimer Res，2008，5(5):457-468.

［17］Hauptmann S，Scherping I，Drose S，et al.Mitochondrial dysfunction:an early event in Alzheimer pathology accumulates with age in AD transgenic mice［J］.Neurobiol Aging，2009，30(10):1574-1586.

［18］滕厚军，赵瑛.慢性脑缺血神经胶质细胞损伤与血管性痴呆的研究进展［J］.中国脑血管病杂志，2008，5(10):473-476.

［19］柯荔宁，王玮.缺氧缺血环境中小胶质细胞介导的反应［J］.医学综述，2008，14(1):27-29.

［20］Vicente E，Degerone D，Bohn L.Astroglial and cognitive effects of chronic cerebral hypoperfusion in the rat［J］.Brain Res，2009，1251:204-212.

［21］Kim DH，Kim S，Jung WY，et al.The neuroprotective effects of the seeds of Cassia obtusifolia on transient cerebral global ischemia in mice［J］.Food Chem Toxicol，2009，47(7):1473-1479.

［22］Deng Y，Lu J，Sivakumar V，et al.Amoeboid microglia in the periventricular white matter induce oligodendrocyte damage through expression of proinflammatory cytokines via MAP kinase signaling pathway in hypoxic neonatal rats［J］.Brain Pathol，2008，18(3):387-400.

［23］金涛，吴江.慢性前脑缺血至痴呆大老鼠IL-1、IL-6、TNF-α的研究［J］.中风与神经病杂志，2010，27(8):676-678.

［24］Shi Q，Gibson GE.Oxidative stress and transcriptional regulation in Alzheimer disease［J］.Alzheimer Dis Assoc Disord，2007，21(4):276-291.

［25］Butterfield DA，Reed T，Newman SF，et al.Roles of amyloid betapeptide-associated oxidative stress and brain protein modifications in the pathogenesis of Alzheimer's disease and mild cognitive impairment［J］.Free Radic Biol Med，2007，43(5):658-677.

［26］舒敏，章建军，张端莲，等.慢性脑缺血损伤后大鼠脑组织中的氧化应激反应［J］.中华老年医学杂志，2004，23(5):348-349.

［27］Bharti VK，Srivastava RS.Fluoride-induced oxidative stress in rat's brain and its amelioration，by buffalo(Bubalus bubalis)pineal proteins and melatonin［J］.Biol Trace Elem Res，2009，130(2):131-140.

［28］De Butte M，Fortin T，Pappas BA.Pinealectomy:behavioral and neuropathological consequences in a chronic cerebral hypoperfusion model［J］.Neurobiol Aging，2002，23(2):309-317.