微循环与神经变性病

葛芳芳 李延峰（审校） 郭玉璞

微循环与神经变性病

葛芳芳 李延峰（审校） 郭玉璞

神经变性病是神经系统的退行性疾病，病因不明，病程持续进展，且无特效的药物治疗。因此对其病因和机制的研究业已成为国际神经科学领域的研究热点。现有研究认为，缺血缺氧、炎性反应、免疫、血管病理等多种因素可引起微循环障碍，而微循环障碍参与神经元变性过程，甚至先于神经元的变性发生，本文就微循环障碍与神经变性病，特别是阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化的相关机制进行综述，以期为治疗性研究提供线索。

神经变性疾病；微循环；脑血管循环

神经系统变性病包括阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）、帕金森病、运动神经元病等一大组疾病，其病因不明，病程持续进展，且目前尚无治愈这些疾病的药物，是我国中老年人群中最重要的致残和致死原因之一。近年研究显示微循环障碍可以从多个方面引起神经元变性，脑微循环障碍参与神经变性病的发病及病理生理过程逐渐得到关注。微循环障碍从两个方面可能引起神经变性病，首先是微循环障碍中血管病变直接引起缺血缺氧对神经元的损害，其次，由于微循环障碍造成与神经变性病相关的毒性产物﹝如β淀粉样蛋白（Aβ）﹞因清除障碍而堆积，继发神经细胞变性坏死。对微循环与神经变性病关系的研究将有助于了解神经变性病的发生发展，对神经变性病机制的研究将为此类疾病的特异性治疗寻找突破口。

1 血管相关的病理生理

血-脑脊液屏障（blood-cerebrospinal fluid barrier，BCB）和神经血管单元在维持脑微循环稳定中具有重要作用。BCB由血管内皮细胞、细胞间紧密连接、周细胞、基膜、胶质细胞足突及细胞外间隙共同构成。其作用首先是生理屏障，内皮细胞间的紧密连接使大多数分子不能自由通过；其次是转运屏障，一些小的脂溶性物质、氧气和二氧化碳能自由通过BCB，而营养物质以及有害的水溶性物质则需通过BCB的特珠转运系统运输；第三是代谢屏障，存在于BCB的各种生物酶能分解、灭活多种代谢产物及有毒物质。

神经血管单元是由神经元-胶质细胞-血管构成，包括神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、血管内皮细胞、血管周细胞、基底膜以及细胞外基质等共同构成的一个功能单位，它能控制BCB的通透性和脑血流［1］。

1.1 BCB破坏 多种原因可以导致紧密连接和黏附连接破坏，毛细血管基膜的转胞饮和酶的降解增加，从而引起BCB的结构破坏。周细胞缺乏可以引起某些紧密连接蛋白表达下降和BCB的转胞饮增加，从而导致BCB的破坏、微小血管变性，并继发神经元变性和认知功能下降［1-2］。此外，周细胞浓聚并降解为各种外源或内源性蛋白，如血清中的免疫球蛋白和纤维原，这些物质可以在周细胞数量减少的条件下加剧对BCB的破坏［2］。

BCB破坏易导致脑内各种有害分子堆积。免疫球蛋白和白蛋白堆积可致脑水肿和毛细胞血管血流下降，高浓度的凝血酶可引起神经毒性反应或记忆损害，加速血管和BCB的损害［2-3］。红细胞进入脑内，经分解产生血红蛋白，血红蛋白降解释放的铁可形成对神经元有毒的氧化物。血纤溶蛋白酶可促进神经核的纤维蛋白降解，从而加重神经损伤，纤维蛋白原浓度高也可以加重神经血管的损伤。除了蛋白相关的血管性水肿，局部组织的缺血缺氧，引起钠钾ATP酶和钠依赖性离子通道停止工作，导致内皮细胞和星形胶质细胞水肿，缺血导致水通道蛋白4（AQP4）的表达上调进一步加重细胞水肿。

1.2 低灌注和缺氧 局部的神经元反应和代谢可以调节脑血流（cerebral blood flow，CBF），此过程被称为神经血管-耦联。神经血管-耦联需要有完整的软脑膜循环以及血管平滑肌细胞、周细胞和星形细胞对血管的调节［4］。

CBF轻度下降可引起学习和记忆形成相关的突触塑形蛋白减少，中至重度下降将影响ATP的合成，导致ATP酶活性以及神经元产生动作电位的能力下降，引起酸碱和水电解质平衡紊乱，兴奋性氨基酸和蛋白毒性产物聚集，导致水肿和脑白质病变进一步加重；当CBF下降超过80%时可致脑死亡。

研究表明，具有AD风险的高危老年人在出现认知功能障碍、脑萎缩以及Aβ沉积之前，即已存在CBF下降或调节障碍。鼠模型研究也发现低血流灌注可以诱发或加重类似AD的神经功能异常或神经病理改变［5］。缺血缺氧可以提高淀粉样物代谢相关的β分泌酶和γ-分泌酶活性，进而影响淀粉样前体物质的代谢，促进tau的磷酸化，通过分裂原激活蛋白激酶（MAPK）引起脑啡肽酶（一种Aβ降解酶）表达下调，从而导致血管特异性基因表达发生某些变化。在AD患者及其动物模型中，这些改变会导致血管退变、低血流灌注以及Aβ清除相关配体蛋白受体减少所致的Aβ堆积。另外，缺氧可以促使转基因AD鼠在Aβ沉积之前出现谷氨酸转运蛋白2（Eaut 2）m RNA的剪接改变，并且可能抑制星形胶质细胞对谷氨酸盐的重摄取，导致非Aβ依赖的谷氨酸盐参与的神经细胞损伤。

作为对缺氧的反应，线粒体释放活性氧自由基（ROS），参与血管内皮细胞和神经细胞的损害。这些损害会出现在AD神经变性和Aβ沉积之前。虽然目前对低氧诱导因子a（HIF1a）在神经元变性和神经保护中的作用尚存在争议，但是线粒体释放的ROS对于调节HIF1a参与的转录开关非常重要，这个转录开关可以激活一系列的反应，调节细胞存活、细胞周期的停止和死亡。

Meox2+/—鼠周细胞正常、BCB完整，仅存在血流灌注障碍，研究发现其神经变性改变明显小于周细胞缺损的小鼠，表明低灌注可以单独引起神经损伤，但损伤程度要轻于低灌注同时合并BCB破坏的情况下的损伤。

1.3 内皮细胞神经毒性和炎性因子 脑血管代谢功能的改变可能导致多种神经毒性因子和炎性因子的分泌增加。炎性因子水平增加可能导致AD发病。凝血酶可以直接损伤神经细胞，也可以通过激活小胶质细胞和星形胶质细胞间接损伤神经细胞。与年龄匹配的正常对照组相比，AD患者脑微血管分泌的炎性因子水平增加，如一氧化氮（NO）、肿瘤坏死因子（TNF）、TGFβ1、IL-1β、IL-6，单核细胞化学趋化蛋白、IL-8、前列腺素、单核细胞趋化蛋白（MMP）和白细胞黏附分子等。内皮细胞源性的神经毒性因子和炎性因子共同作用，可能成为AD和其他神经变性病的血管代谢异常、神经损伤和炎性反应的分子基础［6］。

2 神经变性病的血管改变

神经变性疾病会出现不同程度的血管病理、血管功能和血管相关因子及BCB变化，这些变化甚至早于神经变性。

2.1 血管病理 多数神经变性病会出现血管病理改变。目前已经证明AD和其他痴呆性疾病存在局部的微循环障碍改变。这些变化包括血管塌陷和细胞缺失、毛细血管密度降低、内皮细胞胞饮增加、线粒体数量减少、基底膜的胶原和蛋白多糖堆积、紧密连接和黏附连接减少、BCB破坏及血液分子流入。这些变化的时程及其与AD和痴呆的病理关系仍然不太清楚，AD患者中80%可以出现脑动脉的淀粉样病理改变，30%由于小动脉及微小动脉的淀粉样病理改变而出现血管平滑肌层萎缩，从而导致血管破裂颅内出血。

SOD1突变基因的肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）小鼠会有血脊髓屏障破坏以及脊髓微小出血［3］。1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）诱导的帕金森病动物模型血管样淀粉病理改变和血管病变的发生率明显增高，纹状体的血管病变和腔隙性梗死可以引起血管性帕金森综合征［7］。

2.2 血管功能改变 神经变性病早期会出现血管功能异常。AD鼠模型研究发现Aβ沉积之前即发生神经皮层微循环的内皮依赖性调节损害。对AD的无症状高危人群，进行18F标记的脱氧葡萄糖PET检查，结果发现葡萄糖摄取明显下降，AD常见病理区域CBF的下降程度在APOEε4等位基因携带的正常老年人更为严重，神经影像学研究还发现AD患者的神经血管-耦联破坏发生在神经变性之前。AD患者和动物模型的脑血管血清反应因子和心肌素基因表达量增高，这两项转录因子控制血管内皮细胞分化，促进收缩性脑小动脉表型表达，导致脑组织低灌注、反应性血糖增高能力下降和淀粉样血管病理［8］。

ALS鼠模型研究显示在其神经元变性出现之前就有低灌注和CBF的功能障碍［3，9］。基因检查发现有亨廷顿病风险者在出现症状前，可在基底节区域发现局部脑灌注的下降和脑血容量的减少。

2.3 血管和神经共同的生长因子 机体内存在一些血管和神经元共同的生长因子，它们可以调节血管和神经元的发生发展［10-11］。目前研究最多的是血管内皮生长因子（VEGF），它能促进血管形成、轴索生长和神经元存活。通过基因或药理学处理而改变这些生长因子可以产生不同的血管和神经表型，但很难判定神经变性是源于神经细胞本身还是血管机制。

AD患者脑组织中VEGF水平增加，这与在慢性低灌注和缺氧患者所发现的改变一致。除了VEGF之外，AD患者脑组织中还能发现其他影响微小血管形成的因子如IL-1β、IL-6、IL-8、TNF、TGFβ、MCP1、凝血素、血管紧张素2、整合素及HIF1α。AD患者的脑组织中血管内皮细胞的血管性同源盒基因（MEOX2）表达极低，导致对缺氧和VEGF诱导的血管生成障碍，继而引起毛细血管坏死。

3 疾病与微循环

3.1 AD 迄今为止，有关中枢神经系统如何清除AD病理性蛋白的研究，大多是针对BCB如何清除Aβ的。有关鼠及灵长类动物模型的研究证实外周组织的Aβ是中枢神经系统Aβ的重要前体［12］。研究证实低密度脂蛋白受体相关蛋白l（LRP1）、抗Aβ抗体、凝溶胶蛋白及神经节苷脂GM1或各组织系统表达的脑啡肽酶都能通过减少外周组织Aβ进入中枢神经系统而减轻Aβ负荷。脑血管内皮细胞表达的后期糖基化产物受体（RAGE）能够参与Aβ和负载Aβ单核细胞通过BCB进入脑内。脑内Aβ含量增加，反过来促进BCB和神经细胞RAGE的表达，加剧Aβ参与的病理反应过程。

除了LRP1外，跨膜糖蛋白Pgp在Aβ的清除中也发挥了作用。Pgp属于能量依赖性主动外排泵，由ATP结合盒亚科B运载体1（ABCB1）基因编码，广泛存在于脑毛细血管内皮细胞管腔面和脑实质星形胶质细胞的足突上，这些结构担负着重要的生物屏障作用，对Aβ有主动外排作用，且在不表达Pgp的小鼠中，脑毛细血管上LRP1水平降低［］。

研究表明，AD患者脑组织中的Aβ清除下降［14］。血管源性Aβ突变体与LRP1的亲和力低，较难从脑和脑脊液中清除出去［15］。APOEε4和凝集素会阻碍LRP1介导的脑内Aβ清除，导致Aβ沉积，而且还能促进Aβ聚集。脑小血管的LRP1降低，以及ABCB1基因表达水平降低，均与Aβ在脑血管和脑组织内的沉积有关，这些病理生理过程已在小鼠、灵长类和人的老化过程以及AD小鼠模型及AD患者中得到证实。最近还有研究证实AD患者体内LRP1过氧化导致Aβ的沉积，因为过氧化的LRP1不能够结合并清除Aβ［16］。

正常人血循环中的可溶性LRP1结合了70%以上的血浆Aβ。在AD和轻度认知障碍（MCI）患者中，由于LRP1过氧化，Aβ结合LRP1相应减低，导致血浆游离的Aβ亚型Aβ1-40和Aβ1-42增加［16］。经由关于AD模型鼠的研究显示，这些肽链可以再进入脑内。

既往研究显示，BCB损伤所造成Aβ的堆积，可能是AD发病的血管基础。AD发病的Aβ假说认为，Aβ启动了神经损伤的连锁反应，由Aβ聚集导致神经细胞损伤、脱失及痴呆［17］。因此，基于Aβ假说的基础，应补充上述血管机制假说，该假说有两个方面，其一，微循环障碍启动了神经损伤的非淀粉样物途径，即它由BCB破坏、神经毒性分子的产生和内流、毛细血管破坏导致了脑小血管血流下降，从而产生多发的神经组织的缺血和缺氧性病灶；其二，BCB损害导致Aβ清除减少而引起Aβ堆积。这两个途径都导致Aβ堆积，而Aβ具有神经和血管的毒性作用。后期的tau病理机制则进一步地加重了血管或Aβ的作用。

3.2 ALS 散发型ALS多成年期发病，病因不清。部分患者发现有SOD1基因突变，突变的SOD1编码产物具有毒性作用。Ataxia 2基因和TDP43基因突变可引起突变产物聚集并与ALS发病有关。研究表明，人神经细胞及相邻的其他细胞能表达各种SOD基因。转基因鼠的神经细胞敲除SOD基因，不会改变疾病的进展，而小胶质细胞和星形胶质细胞的SOD基因敲除，则可能延长生命。基于突变SOD1转基因鼠而提出的ALS发病假说认为，非神经的邻近细胞，特别是星形胶质细胞和小胶质细胞的毒性产物，对于ALS疾病进展和运动神经元的变性起着重要的作用，BCB障碍在疾病的起始阶段即已出现［3，9］。此机制同样出现在散发性ALS患者的发病和发展过程中需要更多证据来证实。

人类研究也证实了血管机制在ALS的发病和疾病进展过程中起着重要的作用，例如，VEGF异常与ALS相关。VEGF基因是另一个与ALS有关的基因，研究表明，该基因的突变可以引起家族性或散发的ALS。鼠的VEGF基因突变导致缺氧反应诱导缺失会致晚发性运动神经元变性。脊髓缺血会加重VEGF神经元变性和功能障碍，SOD1基因突变的ALS小鼠，其缺氧诱导的VEGF反应缺乏，导致细胞存活数量减少。

综上所述，微循环异常与神经元变性密切相关，血管异常不仅参与神经变性，有可能先于神经元变性，在神经变性病的早期启动神经损伤。鉴于神经变性疾病的隐袭起病特点和早期诊断的迫切性，血管相关的因素将有可能作为神经变性病早期诊断的标记物，成为治疗的靶点。

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（本文编辑：邹晨双）

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