慢性间歇性缺氧大鼠认知功能障碍的研究进展

徐小琴， 徐 平

(遵义医学院附属医院 神经内科，贵州 遵义 563099)

慢性间歇性缺氧(chronic intermittent hypoxia,CIH)是阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(obstructive sleep apnea syndrome,OSAS)的主要病理生理特征，也是OSAS相关组织损伤的重要因素[1]，CIH模拟OSAS导致认知功能障碍的主要原因是其损伤了海马和额叶皮层区域[2]。OSAS是一种睡眠相关的呼吸障碍，其特征为气流停止的反复性发作、间歇性低氧/再氧化，主要病理生理改变为CIH、胸内负压增加、睡眠结构异常、反复觉醒和二氧化碳潴留，导致睡眠觉醒和间歇性低氧血症[3]。

为了探究OSAS在认知功能障碍发展过程中的作用，建立了CIH动物模型。基于以下几种原因，大部分实验方案采用雄性成年SD大鼠在白天模拟睡眠呼吸暂停：①流行病学表明OSAS的发病率男性比女性高，OSAS常见的合并症包括男性性功能障碍，提示性激素在该病中的作用[4]。雌性SD大鼠容易受生理周期体内激素水平变化的影响，且雌激素对机体本身具有保护作用，可能对抗OSAS引起的胰岛素抵抗、氧化应激、炎症因子的释放、交感神经过度兴奋引起的血压升高等情况[5]，而雄激素会增加氧化应激，更容易发生神经退行性变[6]。②OSAS的风险及氧化应激水平随着年龄增加而增加，CIH后成年大鼠表现出比幼年大鼠更严重的空间学习记忆下降，CIH后睾酮水平降低的情况仅发生在成年(3月龄)且性腺完整的雄性大鼠，并且出现性功能障碍和氧化应激，即CIH对成年性腺完好的大鼠有更大的影响[7]。③大鼠生存率高，对CIH诱导的缺氧性通气反应更敏感，大鼠的脑部结构及生理功能与人类大脑更接近；小鼠神经系统及内分泌系统发育不完善，比大鼠更容易受到除了缺氧以外的其他因素的影响[7-8]。④CIH暴露在白天阶段主要是此期为啮齿动物的睡眠期，有研究表明CIH暴露可能会增加清醒动物缺氧性通气反应[8]。

CIH模拟OSAS导致大鼠认知功能障碍可能与以下机制相关，具体综述如下。

1 神经元损伤相关机制

CIH可导致大鼠神经元的损伤，主要表现为神经元细胞超微结构的改变以及神经元细胞的丢失，且呈时间依赖性。因为海马神经元对缺氧高度敏感，CIH首先导致长时程增强(LTP)的损伤，海马锥体神经元树突萎缩、灰质体积减少；随后出现在认知中起关键作用的额叶皮质、海马区域、胆碱能神经元的细胞凋亡[8]。HE染色可见大脑皮质(额叶皮层、前扣带回皮层)、海马、脑干、小脑的神经元出现细胞水肿、细胞数量减少、细胞分散排列、细胞核固缩、细胞凋亡等病理改变[9]。CIH引起大鼠神经元损伤的机制主要有以下几个方面：

1.1 氧化应激(oxidative stress,OS) CIH模拟OSAS的频繁低氧/复氧的氧合模式类似缺血再灌注损伤[10]，体内活性氧(O2-·、H2O2、OH·)的产生增加，发生氧化应激，导致神经元细胞损伤。OS引起神经元损伤的机制可能是：①OS使缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的合成增加和缺氧诱导因子-2α(HIF-2α)的降解增加，引起HIF-1α依赖性促氧化剂和HIF-2α依赖性抗氧化酶的体内平衡被破坏，进而诱导神经元损伤[11-12]；②OS引起大脑皮质及海马神经元的蛋白质氧化、脂质过氧化和核酸氧化水平增加，如脂质代谢产物丙二醛(MDA)、脂质过氧化标记物硫代巴比妥酸反应物(TBARS)水平的增加，DNA损伤的特异性生物标志物8-羟脱氧鸟苷(8-OHdG)升高，黄嘌呤氧化酶增加，NADPH氧化酶和NADPH氧化酶亚基P47Phox表达升高等，进而诱导神经元凋亡[13-15]；③OS还可能通过基因蛋白的表达异常，引起神经元凋亡，Gao等[16]发现大鼠在缺血缺氧损伤后，海马神经元中能引起线粒体功能障碍的miR-26b表达增高，而对抗神经变性的miR-207表达降低。

1.2 信号通路异常激活

1.2.1 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)号传导途径 CIH可能持续过度地激活MAPK信号传导途径，引起大脑神经元损伤的机制可能是：①pERK1 / 2，P38MAPK和JNK水平在不同缺氧时间点(2,4,6和8周)增加[17]；②下游抗凋亡蛋白Bcl-2的表达减少和促凋亡蛋白Bax的表达增加[18]；③下游底物c-Raf-1、ERK-1、c -Fos磷酸化增加[19]；④诱导微管相关蛋白-2(MAP-2)蛋白的降解[20]。

1.2.2 N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDARs)路 N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDARs)路引起大脑神经元损伤的机制可能是：①通过过度活化GluN2B引起兴奋性中毒导致神经元死亡[21]；② NMDAR通过细胞外信号调节激酶1/2(ERK1 / 2)信号级联调节神经元可塑性和存活[22]；③NMDAR-ERK信号级联可参与调节相关蛋白如Ca2 +/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)、突触相关蛋白102(SAP102)、Ras GTP酶活化蛋白(SynGAP)来影响神经元的存活[23]。

1.2.3 其他信号途径 Mei等[24]发现“ADORA1-PKC-KATP”途径可能与CIH后神经细胞的损伤相关，腺苷A1受体(ADORA1)在缺氧暴露过程中发挥重要作用，研究表明ADORA1激动剂CCPA可加剧间歇性低氧暴露后神经细胞的损伤。Pan等[25]发现CIH可能使Wnt /β-连环蛋白信号传导途径异常，GSK-3β活化增加，β-连环蛋白表达下降，增加海马神经元的细胞凋亡，引起空间学习和记忆障碍。

1.3 细胞超微结构改变

1.3.1 CIH可引起神经元细胞粗面内质网排列紊乱、扩张，出现脱颗粒现象，线粒体表现为肿胀、空泡变性或嵴消失，从而改变离子通道的兴奋性和功能性，导致氧化应激及细胞内钙超载，自由基产生增多，加重神经元细胞损伤[26-28]。

1.3.2 CIH后透射电子显微镜(TEM)下观察到大鼠海马CA1区域突触水肿、突触膜不完整、突触囊泡和突触后致密物的减少或消失，突触间隙由于水肿而变窄，还可观察到海马锥体神经元树突萎缩[29]。Polsek等[16]提出多发性突触是CIH引起的OSAS病理改变的核心，在CIH后脑皮质、海马旁回和内侧额叶皮质表现出持续的过度激活，胶质细胞、神经元、血管平滑细胞之间产生多向突触交叉对话，引起神经元突触传递、突触可塑性和脑血流量的改变，神经元突触活动过度，影响Aβ和tau的清除，干扰突触可塑性，进而引起认知功能障碍。CIH可激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号传导途径[30]，使P-tau、P-70S6水平升高，GSK-3β活性增加，突触后蛋白(GluA1、GluA2、PSD-95)水平降低，干扰突触传递的有效性，引起认知功能障碍[31-32]。Wu等[33]发现CIH后内源性5-羟色胺(5-HT)输入减少，引起下游BDNF-TrkB信号传导通路异常，BDNF依赖性突触蛋白缺乏，突触小体减少。高等[23]发现CIH后大麻素受体1表达增加，使神经突触传递功能障碍、神经细胞钙通道调节异常，引起神经组织结构和功能的损伤，从而介导认知功能障碍。

2 胶质细胞损伤相关机制

2.1 小胶质细胞 小胶质细胞常常是CNS炎症的主要促成因素，而慢性的中枢神经系统的炎症又与认知功能密切相关，根据对低氧和复氧模型的观察，至少有以下3种机制调节CIH期间的小胶质细胞活性：(1)外周炎症因子或促炎分子(如血浆中的CXCL1)通过神经传递、血脑屏障直接或间接地激活小胶质细胞[34-35]; (2)由附近受损细胞释放的介质间接引起小胶质细胞活化[36];(3)通过CIH直接激活小胶质细胞。小胶质细胞激活后参与CIH认知功能障碍可能与以下机制相关：①小胶质细胞增生使促炎细胞因子(IFN-λ、IL-1β、TNF-α)表达增加，加重神经元及轴突的损伤，脱髓鞘的形成增加，干扰神经元的完整性，损害白质完整性[37]；②小胶质细胞产生的炎症介质使促炎酶(iNOS和COX-2等)的表达增加，进而诱导神经毒性活性氮(如Nox)和前列腺素(如前列腺素E2)的产生，还可能诱导氧化应激，最终导致皮层和海马神经元损伤[38-39]。

2.2 星形胶质细胞 星形胶质细胞是保持CNS内环境平衡的动态细胞，参与中枢神经系统炎症反应，是大脑中与神经元突触密切相关的最丰富的神经胶质细胞，在调节神经元活动和突触神经传递中具有主动作用[40]。CIH后星形胶质细胞可释放细胞因子如白细胞介素、一氧化氮(NO)和其他潜在的细胞毒性分子，从而加剧神经炎症反应[41]。CIH可引起星形胶质细胞增生，细胞形态紊乱，星形胶质细胞肥大，GFAP表达增加[42]；同时上调水通道蛋白4(AQP4)的表达并诱导p38MAPK的激活，使星形胶质细胞向炎性表型转化，促进胶质瘢痕的形成，最终引起认知功能障碍[43]。

3 海马微血管系统相关机制

由于大脑几乎没有能量储备，需求/消费是动态的，在大脑激活状态下，氧/葡萄糖指数(OGI)是反应大脑功能的维持情况(无论是在正常的生理情况下还是在病理性激活如癫痫发作中)。正常生理情况下，脑血流量增加以应对氧气和代谢需求增加，而体内平衡的长期失调(如CIH)会影响脑内氧和葡萄糖的输送，OGI指数降低，导致大脑不能维持正常功能，引起认知障碍。有研究表明，在一定的缺氧时间范围内，大脑海马中总毛细血管长度及血管数量随CIH严重程度的增加呈线性增加，以维持大脑功能，且CIH后血管内皮生长因子A(VEGFA)和其他血管生成相关基因(VEGFR2、TIE-2、ANGPT2)的表达增加，从而在缺氧后诱导毛细血管的生长，以适应缺氧状态；同时缺氧诱导因子(HIF-1α、HIF-2α)以及氧化应激传感器(PGC-1α、 PGC-1β)在调控血管生成中具有重要作用[44]。

4 体内代谢相关机制

CIH使交感神经兴奋性加强，增加儿茶酚胺(如去甲肾上腺素水平)水平，引起血压升高[45]。交感神经系统的激活可能刺激脂肪细胞衍生的炎性介质如白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和瘦素的释放，这些因子可以诱导脂肪分解并从脂肪组织释放游离脂肪酸，后者会削弱组织对葡萄糖的摄取，导致高血糖。有研究表明肥胖大鼠间歇暴露12周后，空腹血清胰岛素水平及糖耐量严重程度呈时间依赖性增加，这是胰岛素抵抗增强的基础[46]，而胰岛素抵抗与认知功能之间存在紧密联系[5]。CIH可激活环氧合酶2(COX2)，加强花生四烯酸代谢形成前列腺素H2(PGH2)和前列腺素E2(PGE2)，引起睡眠剥夺等情况，而长期的睡眠剥夺会引起认知功能障碍[39]。CIH后三甲胺N氧化物(TMAO)和尿囊素的合成增加[47]、淀粉样前体蛋白(APP)代谢异常，引起Aβ沉积增加，从而加重认知功能障碍[8,48]。

5 展望

随着生活水平的提高及人类肥胖比例的升高，OSAS发病率逐渐上升，OSAS后认知功能障碍也逐渐被重视，虽然国内外关于OSAS的研究方兴未艾，但OSAS后人脑结构的变化及内在机制的研究仍较局限，CIH模拟OSAS的动物模型将有望成为众多动物模型中最佳的模型。OSAS后大鼠脑内及其他各个系统内在的改变是怎样引起认知功能障碍仍需大量的论据支持。目前研究表明抗氧化剂、抗炎药物、激素、乙酰胆碱酯酶抑制剂、信号通路抑制剂或激动剂等可改善OSAS大鼠的认知功能障碍，且氧化应激是其神经认知功能障碍形成的主要内在机制，未来研究趋势可能更倾向于探究OSAS氧化应激引起认知功能障碍的内在机制，从而制定出更好的防治措施。