NMDAR与阿尔茨海默病病理特征的关系

余姊阳 原野 史洺 邵思迈 郝莉 高爱社 张振强 张紫娟

(河南中医药大学 1医学院，河南 郑州 450046；2中医药科学院)

阿尔茨海默病(AD)是一种最常见的神经退行性病变，其典型病理特征为细胞外淀粉样斑块积聚形成的老年斑和细胞内Tau蛋白过度磷酸化所形成的神经纤维缠结(NFTs)等；主要临床表现为认知功能障碍。新皮层和海马是与认知和记忆密切相关的主要脑区，故认知障碍的典型特征为海马依赖性记忆缺失。在AD的早期阶段有明显的突触功能障碍，突触功能障碍与N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)有密切关系。AD患者及AD动物模型都被发现皮层和海马区神经元表面的NMDARs减少及亚单位组成发生改变。NMDAR的生理功能及过度激活可产生细胞毒性早些年就已经被阐明，但是近几年才将NMDAR与AD相联系。阐明NMDAR的功能及其作用机制对于理解突触可塑性的变化及AD的研究进展至关重要。本文将以目前NMDAR研究领域的现状为核心，重点阐述NMDAR的功能特征及其与AD病理特征如β-淀粉样蛋白(Aβ)、Tau蛋白及神经炎症和自噬等相关性的最新研究进展，以期为开展脑科学研究和相关疾病的治疗策略提供理论基础。

1 NMDAR的结构与功能

NMDAR是中枢神经系统内重要的离子型氨基酸受体之一，属于跨膜蛋白。高度表达于大脑皮层、海马CA1区、海马CA3区、齿状回和丘脑等前脑部位，在神经元的突触上即存在于突触前又存在于突触后〔1,2〕。除神经系统之外，也广泛的分布于非神经细胞中〔3〕。

NMDAR是受膜电位和神经递质共同调节的Ca2+通透性通道。静息电位时，由于细胞外Mg2+的电压依赖性阻滞，大多数NMDAR处于静息状态。α-氨基-3-羟基-甲基-4-异唑丙酸受体(AMPAR)参与NMDAR的激活，神经元活动增强时，由AMPAR诱导的细胞膜去极化可使得Mg2+对NMDAR通道的依赖性阻滞解除。神经递质与NMDAR结合，使NMDAR被激活，因此大量的Ca2+内流。细胞内Ca2+浓度增高，随后引发各种信号级联反应。

NMDAR是由GluN1、GluN2A-D、GluN3A-B组成的异源四聚体结构。每个亚基都具有膜拓扑结构，其N末端位于细胞外，膜中有三个跨膜区TM1、TM3、TM4和一个TM2环绕形成的孔环，TM2是配体门控离子通道的主要组成部分。C端位于细胞内，C末端有多个被蛋白激酶磷酸化的位点，是调节参与多种细胞内活动的重要区域，并与突出可塑性密切相关，C末端丢失会导致突触可塑性的减弱。功能性NMDAR是由两个必需亚基GluN1和两个调节亚基GluN2或GluN3组成，GluN1是NMDAR产生生理功能所必需的亚基〔4〕。其中除了必需的GluN1以外，在目前已知的NMDAR亚型中，GluN2亚基的作用更为重要与明确。GluN2亚基分为GluN2A、GluN2B、GluN2C、GluN2D 4个亚型。GluN2A于出生后开始表达，并在出生后的前2 w稳步上升，成年后在中枢神经系统中广泛表达，数量丰富。GluN2B在胚胎脑中表达，出生后一直处于较高的表达水平，并在出生后的第1周达到最高水平，随着年龄的增长逐渐只在前脑中表达。GluN2C只在小脑和嗅球中表达，且于产后10 d开始表达。GluN2D在胚胎脑中表达，多见于胚胎脑尾侧；出生后2 w明显下降，成年后其只在间脑和中脑中表达。因为胚胎脑中并没有功能性AMPAR的存在，所以NMDAR一直处于静息状态。伴随发育，含有GluN2A亚基的NMDAR逐渐占主导地位。同时伴随着AMPAR的镶嵌，突触开始成熟并发挥作用。含有GluN2A或GluN2B亚基的NMDAR对胞外Mg2+阻断高敏感，具有高电导通道开放特点。而含有GluN2C或GluN2D的NMDAR对细胞外Mg2+阻断低敏感，具有低电导通道开放的特点。GluN3A在发育中的中枢神经系统中表达较高，广泛分布于人类的大脑中。GluN3B出生初期表达较低，成年后广泛分布于脑内。含有GluN3亚基的NMDAR降低了激动剂诱导的电流反应，可以降低Mg2+敏感性和Ca2+通透性。每个不同的亚基都赋予NMDAR不同的离子通道特性和细胞内转运途径。

2 NMDAR与AD病理特征的关系

NMDAR与AD的发病机制密切相关，神经系统的发育，学习记忆的形成都离不开NMDAR。几乎所有的兴奋性突触都有NMDAR。细胞外NMDAR的过度激活可引起神经细胞兴奋性毒性的产生，促进细胞死亡，这可能是AD发生神经变性的潜在机制〔5,6〕。在AD影响的脑区中NMDAR主要由GluN2A和GluN2B两个亚基构成，突触上NMDAR的主要亚基为GluN2A,表现为更快的突触动力学并介导LTP；突触外的NMDAR，缺乏GluN2A亚基，其主要亚基为GluN2B，表现为更慢的突触动力学〔7〕。

突触上和突触外NMDAR受体的激活的结果截然不同，并在兴奋性毒性中发挥相反的作用。突触上NMDAR激活能促进神经元保护基因的激活，产生神经保护作用；而突触外NMDAR的激活观察到细胞死亡和线粒体膜电位的丧失，能触发细胞死亡，因此神经元损害可能是由突触外NMDAR介导的Ca2+内流引起的〔8〕。GluN2B-NMDAR与非突触类神经递质结合可介导AD中的神经毒性，GluN2B在AD模型及患者脑中均表达上调，GluN2A则可能具有神经营养性作用，增强含有GluN2A的NMDAR的作用，可以改善AD的认知功能〔7,9〕NMDAR的改变伴随着AD的全过程，其与AD的病理改变有着密切的关系。

2.1NMDAR与突触可塑性改变 NMDAR介导的兴奋性谷氨酸能神经传递对突触可塑性和神经元的存活至关重要，是突触可塑性的重要媒介，并可介导多种形式的突触可塑性〔10〕；能将神经元活动的特定模式转化为突触结构和功能的长期变化，这些变化被认为是更高认知功能的基础。

长时程增强效应(LTP)是突触传递产生长时间持续异化，突触功能永久性上升的现象。是由NMDAR的强烈激活导致AMPAR掺入突触后膜而触发的突触传递效率的持续提高。LTP需要谷氨酸受体的膜扩散，激活突触NMDAR和Ca2+浓度的大幅度升高，Groc等〔11〕总结认为，GluN2A-NMDAR在突触上的位置较为固定，其作用是激活后触发必要的蛋白激酶改变及信号级联；GluN2B-NMDAR在突触上的位置并不稳定，会随着Ca2+的内流移动至突触后致密结构(PSD)然后重新分配细胞内的因子。在诱发LTP后，GluN2B-NMDAR的表面动力学增加。

长时程抑制效应(LTD)是突触传递长时间的减少，突触功能永久性下降的现象。是由NMDAR的弱激活引起的AMPAR从突触后膜上移走，从而导致突触传递效率持续降低。LTD的产生需要突触NMDAR的内化和Ca2+浓度较低程度的升高。突触前NMDAR在突触可塑性和突触传递中具有重要作用，而突触后NMDAR仅在可塑性调节中起作用〔12,13〕。

Akhtar等〔8〕研究表明，NMDAR拮抗剂可以降低改善AD中LTP的抑制和突触棘突的丢失。Ahnaou等〔14〕实验证明甘氨酸和D-丝氨酸都可以使NMDAR受体活化，在高频刺激后，会导致大量的谷氨酸释放，突触后去极化会导致NMDAR的内化，降低Ca2+释放水平，因而降低了LTP的激活。NMDAR依赖性LTP需要甘氨酸调节位点，高水平的D-丝氨酸会限制LTP的诱导，最终导致突触可塑性被抑制〔14〕。

2.2NMDAR与Aβ NMDAR目前被认为是AD中Aβ有效和选择性破坏突触可塑性的重要因素，Aβ可损害NMDAR信号转导和突触功能〔9〕，Aβ毒性水平的异常增高，会降低NMDAR的活性，并且Aβ可以通过内吞作用降低NMDAR的表面表达，有利于LTD的诱导，从而抑制LTP。理论上Aβ在NMDAR相关机制中有几个潜在的作用〔15〕。(1)Aβ可能直接结合NMDAR，也可能通过与Aβ连接的分子间接结合；(2) Aβ对突触传递和突触可塑性的损伤可能必须有NMDAR的参与；(3)NMDAR可能是Aβ下游的一个重要靶点；(4) Aβ的形成可能与NMDAR的活性有关。

Aβ可能与NMDAR直接或间接结合，当Aβ在海马CA1区锥体细胞中过度表达时，Aβ就会对谷氨酸能神经元产生抑制作用，病理性升高的Aβ也许会间接或直接导致NMDARs部分阻塞并改变NMDAR依赖性信号通路〔16〕，损害NMDAR的膜动力学和组织结构〔11〕,使得NMDAR依赖性突触抑制和树突棘丢失，损害突触可塑性，对认知功能造成损害〔17〕。Akhtar等〔8〕研究发现Aβ能加强NMDAR介导的Ca2+内流，从而导致神经元一氧化氮合酶(nNOS)的激活，导致神经元NO水平异常增高，发生氧化应激反应。过量的NO本身和其活性氧结合形成过亚硝酸根均可损伤细胞成分，促进线粒体功能障碍的发生，最终导致突触功能障碍。

Aβ对NMDAR的作用也可能是通过细胞朊蛋白(PrPC)间接完成的，Aβ寡聚体与PrPC具有较高的亲和力。PrPC是中枢神经系统中一种关键的铜结合蛋白，可溶性Aβ寡聚体与PrPC 结合，可激活络氨酸激酶Fyn，在GluN2B去磷酸化之前，酪氨酸激酶Fyn首先磷酸化GluN2B并短暂增强NMDAR的功能，然后使得表面NMDAR缺失〔18〕。PrPC与NMDAR以铜依赖的方式相互作用，Aβ可能通过螯合铜离子并阻止其与PrPC结合，破坏了PrPC限制铜依赖性方式中NMDAR的活性，从而产生大的、稳定的NMDAR非脱敏电流〔19〕。

Aβ对突触的损伤必须经过NMDAR Ca2+/钙调蛋白依赖蛋白激酶(CaMK)Ⅱ是一种与记忆密切相关的酶，LTP的诱导和维持必须有活化的CaMKⅡ与GluN2B结合〔20〕。高度扩散的GluN2B-NMDAR可以通过直接绑定将a-CAMKⅡ转移至PSD〔21〕，Opazo等〔22〕研究表明 Aβ寡聚体通过GluN2B-NMDAR促进CaMKⅡ的激活，但是长时间用Aβ寡聚体处理会导致CaMKⅡ失活，通过表面AMPAR的失稳导致树突棘丢失。因此Aβ寡聚体可能通过GluN2B-NMDAR降低了PSD激活，这一过程需要GluN2B-NMDAR和CaMKⅡ的活性。

NMDAR可能是Aβ的下游靶点EphB2蛋白是一种与NMDAR结合的表面酪氨酸激酶，能与Aβ直接相互作用，当Aβ与EphB2结合时，EphB2就会降解，导致NMDAR功能丧失〔23〕。Hu等〔24〕的研究发现过表达的EphB2可以改善由Aβ寡聚体诱导的海马神经元GluN2B-NMDAR的受损，还改善了认知功能的受损。

Aβ寡聚体会导致神经元细胞内GluN2A功能的抑制，却能激活GluN2B的功能。然而关于Aβ与NMDAR得相互作用有许多不同的说法。Duygu等〔25〕研究表明Aβ寡聚体可以使得除了含有GluN2B亚基以外的含有GluN2亚基的NMDAR功能被抑制。Singh等〔26〕研究发现Aβ对LTP的影响可以通过选择性阻断GluN2B-NMDAR来改善，然而选择性阻断GluN1-NMDAR和甘氨酸结合位点却对Aβ诱导的突触抑制没有影响。这些实验证明，阻断Aβ对突触可塑性影响最有效的药物是作用于GluN2B亚单位的药物。因此NMDAR可能是Aβ的一个下游靶点。

Aβ的形成可能受到NMDAR的调控淀粉样前体蛋白(APP)通过β-分泌酶(BACE)-1和γ分泌酶(PS1)水解后可形成Aβ单体，在活体中NMDAR的激活水平会影响Aβ的产生，低水平的NMDAR激活增加Aβ的产生，而高水平的NMNDAR激活减少Aβ的产生。糖原合酶激酶(GSK)-3调节认知功能最直接机制是影响LTP和LTD，NMDAR依赖型LTP/LTD的产生必须要有GSK-3的参与〔27,28〕。Aβ会促使GSK-3的过度激活，GSK-3也能促使APP转变为Aβ〔29〕。过度表达的GSK-3能诱导LTP和/或LTD的异常，GSK-3抑制剂可以通过挽救异常的LTP和/或LTD来改善神经精神疾病的认知障碍〔30〕。

2.3NMDAR与Tau蛋白 脑组织神经元细胞内高度磷酸化的Tau蛋白聚集导致NFTs形成是AD的主要病理特征之一。Tau蛋白平时富集于轴突，磷酸化后从微管蛋白上脱离，聚集成为Tau蛋白寡聚体后具有神经毒性〔31〕；寡聚体不断聚合形成螺旋丝(PHFs)，聚集于树突中，并在树突室和轴突中产生NFTs。细胞内异常磷酸化的Tau蛋白早在突触丢失或神经变性导致的突触传递异常之前就危及了突触可塑性和认知功能，可以通过降低异常磷酸化的Tau蛋白来降低谷氨酸诱导的兴奋性毒性〔32〕。并且降低Tau蛋白磷酸化的程度可以通过抑制NMDAR的活性来实现〔33〕。

在维持突触的功能调节上Tau蛋白也起到重要的作用。NMDAR是PSD-95 的稳定成分。Tau在由Src家族酪氨酸激酶Fyn介导的NMDAR的激活中起重要作用， NMDAR的GluN2B亚基可以在Y1472位点被Fyn磷酸化，使得GluN2B的活性增强；并使NMDAR与PSD-95的关系更加紧密〔34〕。

Aβ低聚物可以与Tau相互作用，可促使Tau过度磷酸化，从轴突至树突室，导致Tau蛋白寡聚和多种神经变性发生，Tau寡聚体不断积累可以作为Aβ诱发的表面AMPAR丢失的媒介〔35,1〕。

2.4NMDAR与神经炎症 AD与胶质细胞介导的神经炎症反应有密切关系。胶质细胞的聚集会引发炎症因子的分泌聚集，长期的慢性炎症反应则会引起神经毒性物质的产生，并且炎性因子也可直接对神经元产生毒性作用。NMDAR可位于星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞等胶质细胞上〔13,36～38〕。

星形胶质细胞增多是神经炎症的特征之一，炎性细胞因子具有诱导星形胶质细胞增生的能力。星形胶质细胞NMDAR存在于皮质和脊髓，其特点是较弱的Mg2+阻滞性，较高的Ca2+通透性。有研究表明，AD可能是由于星形胶质细胞NMDAR促进的谷氨酸兴奋性毒性而引起的。也有研究指出星形胶质细胞NMDAR介导了突触保护〔36〕，星形胶质细胞中通过磷酸化途径合成的L-丝氨酸的可用性是NMDAR正常功能的决定性因素，其失调可能会导致AD的记忆功能障碍〔39〕。

小胶质细胞可以吞噬脑内的Aβ，同时Aβ又会过度激活诱发小胶质细胞神经炎症。NMDA诱导的丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路激活必须要有小胶质细胞中的钙调素和神经元中的钙调素和神经元钙感应器1参与。α突触核蛋白、Tau、p-Tau通过MAPK通路阻断NMDAR的信号传递，并且钙感应器对在小胶质细胞和神经元中的NMDAR功能都具有重要的意义〔37〕。Sa de Almeida等〔40〕的研究表明，小胶质细胞所释放的SIRT2可以阻止炎症信号诱发的NMDAR介导的兴奋性毒性的产生，降低LTP的受损，对神经元产生保护作用。Ahnaou等〔14〕在实验中证明，Aβ可以诱导小胶质细胞释放D-丝氨酸，导致LTP被抑制。

中枢神经系统的神经元轴突周围包裹着少突胶质细胞，形成髓鞘，维持和保护神经元的正常功能，对大脑功能至关重要。在AD小鼠海马内发现髓鞘大量丢失和白质的损伤〔41〕。广谱NMDA受体拮抗剂可消除髓鞘内Ca2+的增加，但GluN2A和GluN2B亚基受体的选择性阻断剂则不能。NMDA受体拮抗剂可明显减轻髓鞘损伤。Ca2+的增加在很大程度上是通过激活髓鞘NMDAR介导的，但也有研究认为在成熟的少突胶质细胞中，NMDA不介导Ca2+增加，髓鞘内Ca2+的增加可能受瞬时感受器电位阳离子通道A1的调控〔42〕。

2.5NMDAR与线粒体损伤 线粒体损伤为 AD常见的病理学标志，分为线粒体功能障碍和线粒体形态学的改变。葡萄糖代谢障碍在AD患者的脑中普遍存在；线粒体呼吸减弱，更多的毒性活化氧(ROS)和自由基的产生；区域血流量及氧利用率降低。其形态学改变为线粒体肿胀，线粒体嵴断裂及嗜锇物质堆积，并伴随着线粒体数目的减少。

Bading〔43〕的研究认为神经退行性疾病的病理机制与突触外的NMDAR过度激活能导致线粒体功能障碍、转录失控、神经元结构和连接丧失完整性一系列病理反应密切相关，这些损伤能互相加强，最终导致细胞的凋亡和认知功能损伤。线粒体钙单向转运体过度摄取Ca2+引起的线粒体功能障碍这是NMDAR兴奋性毒性产生的关键。NMDAR被阻断后可导致氧化应激的发生,氧化应激可能可以通过减少线粒体ATP的供应而增强NMDAR介导的毒性〔44〕。

Del Arroyo等〔45〕研究发现GluN2B亚基的NMDAR与支架蛋白相互作用，可以介导谷氨酸过量通过，激活神经元NADPH氧化酶2促进Ca2+内流和神经元释放超氧化物歧化酶(SOD)来损伤神经元。Cui等〔46〕研究表明，nNOS的N端PDZ区域与PSD-95结合，使其与突触NMDAR非常接近，NMDAR也通过其GluN2亚基的C端氨基酸与PSD-95结合，阻断突触后膜上的GluN2B-NMDAR可以降低细胞氧耗，减少ROS的产生，具有神经保护的作用。

2.6NMDAR与自噬 AD的发病与自噬功能减退有密切的关系。自噬是平衡细胞存活与死亡的重要机制，可以通过降解过量或异常的大分子促进细胞的存活，然而过度的自噬也可以诱导细胞的死亡。

自噬可能有助于NMDAR依赖性突触可塑性。有实验证明，低浓度的NMDA可以激活突触后NMDAR的自噬，提高细胞的存活率；但当NMDA达到一定浓度的时候则会直接诱导细胞凋亡和抑制自噬〔47,48〕。Hirano等〔49〕研究表明，NMDA受体拮抗剂能增强自噬能力，通过增强对线粒体的降解和降低蛋白质聚集来保护神经元。由于自噬的增强，降低了神经元的凋亡。

2.7NMDAR与凋亡 AD的发病与大脑内过多的神经元凋亡有密切的关系。突触外NMDAR具有很强的拮抗激发-转录耦联和破坏细胞核钙驱动的适应性基因表达的能力。 突触外NMDAR的过度激活能触发CAMP反应元结合蛋白CREB信号通路的关闭，使得ERK/MAPK信号通路受到抑制，导致促凋亡因子Foxo3A和组蛋白去乙酰化酶的核输入。这些反应影响了许多基因的表达并诱导细胞的凋亡，对突触结构和突触的连接性造成了破坏。NMDA受体拮抗剂激活可以抑制NMDA触发的神经元凋亡〔50～52〕。

低剂量的NMDA或谷氨酸在体外已在几种类型的神经细胞中被证实有抗凋亡作用，在暴露于低剂量NMDA的神经元中，突触上NMDAR信号能够占主导地位，因为由NMDA导致的动作电位放电急剧增加优先激活突触上NMDAR。相反，较高毒性剂量的NMDA不利于突触NMDAR的激活〔4,47〕。

3 临床应用

NMDA受体拮抗剂目前在临床的应用并不广泛，与AD有关的NMDA受体拮抗剂有美金刚、MK-801、苯环利定和氯胺酮等。MK-801和苯环利定是特异性较高的NMDA受体拮抗剂，但是会引起类似精神病的不良反应，氯胺酮可能会与NMDAR以外的神经递质受体结合。MK801、氯胺酮和苯环利定的临床应用都有严重的副作用。其原因可能是这些NMDA受体拮抗剂的亲和力较高，使NMDAR的生理功能受到了影响。NMDA受体拮抗剂的活体效应的潜在机制是减少抑制性神经元间的激活，导致锥体细胞的去抑制和皮层兴奋性的增加〔53,54〕。美金刚为NMDA受体部分拮抗剂，于2003年获得了FDA的批准，是目前唯一获批准的用于AD治疗的NMDA受体拮抗剂，可用于治疗中、重度的AD。美金刚能阻断NMDAR，减少Ca2+向神经元的流入，降低细胞毒性的产生〔55〕。一些研究表明，Aβ诱导的NMDAR依赖型突触抑制不需要通过离子型受体〔56,57〕，可作为代谢型受体起作用，而不需要通过Ca2+通道内流〔58,59〕。代谢型NMDAR为美金刚治疗早期AD疗效不佳提供了合理的解释，但是其作用目前仍然存在争议。阐明代谢性NMDAR信号通路可能为AD药物的开发提供新的策略。

综上，NMDAR与AD的病理关系十分密切，目前关于NMDAR的研究并不完善，部分药物通过阻断NMDAR从而减轻了AD的病理产物的产生及改善认知功能。目前的初步探索中，发现了NMDAR不同亚基的阻断对AD产生的结果具有较大差异性。因此阐明NMDAR不同亚基对AD不同病理产物的确切作用与NMDAR在AD之中的确切机制将是未来研究者们努力的方向之一。