神经炎症介导阿尔茨海默病及运动调控炎症的机制

阎祉圩 池瑞 彭艳 张日辉

(沈阳体育学院运动人体科学学院，辽宁 沈阳 110102)

早在二十世纪初，Alzheimer医生就对由于认知功能丧失最终死亡的患者的脑进行组织学分析，在皮层中发现了颗粒性病灶，因为其是首位发现并报道此疾病的学者，因此把这种疾病称为阿尔茨海默病(AD)〔1〕。对于AD病理的认识是一个循序渐进的过程，从20世纪90年代初期开始，淀粉样蛋白级联假说一直是AD病理学的主要观点〔2〕，它指出AD病理发展顺序先是由于淀粉样β肽(Aβ)产生与清除之间不平衡而导致Aβ积累，继发微管相关蛋白Tau组成的神经原纤维缠结(NFT)的沉积，并最终引发突触及神经元功能障碍和凋亡〔3〕。但更多的证据显示Aβ沉积与疾病临床表现之间没有相关性,许多AD患者大脑中没有Aβ沉积，相反，老年非AD患者大脑显示出与AD患者一样多的Aβ斑块〔4～8〕。这提示淀粉样蛋白级联假说并不能完全拟合AD病理，可能存在其他病理机制参与并调控AD进程。来自全基因组关联研究证实，大部分AD风险基因与神经免疫和炎症相关，这表明免疫系统介导的神经炎症在AD病理中起到的作用远超目前人们的理解〔9,10〕。当前对AD神经炎症理解是，在AD早期由胶质细胞驱动的免疫反应参与了Aβ清除，但随着疾病的发展胶质细胞产生过度的炎症反应又加重了AD的病理进程。

运动已被证明可以通过减少Aβ和tau蛋白沉积来对抗AD病理〔11〕，目前关于运动的抗炎特性也得到了越来越多研究的支持〔12,13〕，但运动能否改善AD神经炎症及其相关机制仍未解明。本文将综述AD神经炎症的机制、神经炎症对认知及突触可塑性的影响，并探讨运动降低AD神经炎症潜在的生物学机制，为运动改善AD提供理论依据。

1 AD神经炎症及其机制

1.1神经炎症及其标志物 神经炎症是脑应对感染、脑外伤、自身免疫或中枢神经系统(CNS)中的代谢毒物等刺激而发生的免疫反应，涉及小胶质细胞、星形胶质细胞(AC)、神经元等〔14～17〕。包括AD、帕金森病、肌萎缩性侧索硬化症、多发性硬化症等多种神经退行性疾病由神经炎症所诱导〔18,19〕，胶质细胞活化和炎性因子水平升高被认为是推动上述疾病进程的重要因素。

在静息或非炎症条件下，小胶质细胞具有一个微小的且分布神经递质受体、模式识别受体、细胞因子和趋化因子受体的细胞体和许多延伸到微环境的突起〔20〕。这赋予小胶质细胞监测神经元活动和调节突触可塑性的能力(免疫监控)〔21,22〕。与巨噬细胞类似，被认为是大脑常驻免疫细胞的小胶质细胞按功能差异可分为：分泌炎性因子并伴有吞噬功能受损的促炎型(M1)型，和通过分泌抗炎因子和营养因子改善炎症，促进组织愈合的抑炎型(M2)型〔23〕。目前认为M1和M2型小胶质细胞转化是一个动态过程，在疾病过程中小胶质细胞激活可以从M2型变为M1型〔24〕。

研究〔25〕表明，在神经炎症或局部缺血状况下AC也可诱导出“A1”和“A2”两种具有显著功能差异的表型。当A1型激活时，它会释放白细胞介素(IL)-1α,IL-6,肿瘤坏死因子(TNF)-α等炎性因子，对神经元产生毒性作用〔26〕。相反当A2型激活时，其可以分泌大量诸如脑源性神经营养因子(BDNF)、血管内皮生长因子(VEGF)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等促进神经元的存活和生长并参与突触修复的神经营养因子〔25,27,28〕。AC和周细胞与彼此紧密连接的内皮细胞缠绕形成血脑屏障(BBB)〔29〕。因此当脑内炎症介导A1型AC活化时，其过度分泌的炎性因子会破坏BBB并使其通透性增加，BBB通透性增强被认为是脑内炎性级联反应的标志。

1.2神经炎症诱导神经凋亡 许多促凋亡通路激活是由炎症诱发的信号分子介导的，这表明神经炎症可直接介导神经元凋亡〔30〕。凋亡细胞甚至会介导相邻细胞的免疫反应，例如，凋亡神经元可以释放含有let-7 miRNA的外泌体,相邻神经元接受外泌体后,会诱导Toll样受体(TLR)7激活,并通过进一步激活其下游信号分子,进而导致炎性因子的释放,最终导致神经退行性病变〔31〕。AD患者的脑脊液(CSF)含有大量的let-7 miRNA，通过鞘内注射将let-7 miRNA胞外引入野生型小鼠的CSF中会导致神经变性〔32〕。据此，神经炎症在神经凋亡中扮演了双重作用，其同时是凋亡的诱因和结果，这似乎也提示针对神经炎症的干预可能改善神经退行性进程。

1.3神经炎症在基因水平介导AD病理机制 通过结合遗传连锁研究、候选基因研究、全基因组关联研究(GWAS)、全基因组测序和全外显子组测序研究，已经确定了30多个AD风险位点〔33〕。在这些风险位点中，经过功能基因组学验证包括排名靠前的两个风险基因载脂蛋白(APOE)和髓系细胞触发受体(TREM)2在内的超过50%的基因突变与小胶质细胞和神经免疫密切相关。此外，表观基因组学分析表明，AD的GWAS基因位点会优先富集与先天免疫过程有关的增强子序列〔34〕。这些研究从基因水平阐释，神经炎症对AD病理起到主导的作用。

1.4AD神经炎症 脑内Aβ沉积和NFTS触发胶质细胞激活,激活的胶质细胞会改变其分泌特性，以降解和消除Aβ斑块和NFT为目标，但结果却收效甚微〔35〕。也有观点认为胶质细胞活化可能在AD早期，甚至在Aβ出现之前就已经存在〔36,37〕。Aβ斑块被激活的小胶质细胞和AC包围，小胶质细胞通过分泌含有胰岛素降解酶(IDE)的外泌体直接降解Aβ或通过降解Aβ前体蛋白(APP)细胞内结构域(AICD)减少APP的含量,间接减少Aβ的产生〔38,39〕。Aβ斑块清除的同时伴随着脑内免疫反应的激活，活化的胶质细胞开始释放TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6等炎性因子，炎性因子会诱导邻近细胞激活，刺激它们分泌更多的炎性因子，并通过减少抗炎因子(IL-4，IL-10)分泌来响应AD活化，最终以前馈的方式维持炎症〔40、41〕。过量的Aβ会激活小胶质细胞内的NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白(NLRP)3炎性小体，NLRP3复合物的组装导致半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)-1的裂解和激活，从而触发下游因子IL-1β和IL-18的加工和释放，并最终通过细胞焦亡导致细胞死亡，相反NLRP3炎性体缺乏使小胶质细胞偏向M2表型，并导致APP/早老蛋白(PS)1AD模型中Aβ的沉积减少,这说明NLRP3/caspase-1轴在AD发病机理中可能发挥重要作用〔42〕。但Saresella等〔43〕实验证实至少NLRP3和NLRP1两种不同的炎症小体复合物的激活才可以拟合AD相关的神经炎症。NLRP3炎性小体同样参与Tau磷酸化的进程，NLRP3炎性体功能的丧失通过调节Tau激酶和磷酸酶降低了Tau过度磷酸化和聚集〔44〕。因此神经炎症增加可导致高磷酸化Tau启动，这也与Tau病理在AD中迟发表现相契合。上述慢性活化的小胶质细胞增多并启动神经元周期性死亡进程，称为“反应性神经胶质增生症”〔45〕，此时小胶质细胞多为M1型。目前关于M2型小胶质细胞向M1型极化的具体机制不清，但聚(ADP-核糖基)化(PARylation)可能是小胶质细胞极化为M1型的分子开关之一〔46〕。

遗传数据表明，AC表达APOE、聚集素、分拣蛋白相关受体(SORL)1等AD风险基因〔47〕。既往研究认为相较于AC，小胶质细胞预先参与AD病理且发挥更重要的作用，但Orre等〔48〕对APP/ PS1小鼠皮层中急性分离的小胶质细胞和AC进行了转录分析,发现AC的免疫改变较小胶质细胞更明显。AC能够吞噬Aβ肽，这一过程可能取决于其ApoE状态，这表明ApoE多态性可能通过影响AC的Aβ吞噬而影响发生AD的风险〔49〕。AC参与维持突触传导，在AD动物模型的早期，AC的萎缩会对突触连接产生持久的影响，从而导致认知缺陷〔50〕。AC主要通过提高炎性因子和趋化因子的表达及调节Aβ的产生，内化和降解而在AD的发生和发展中发挥作用〔51〕。AC清除Aβ的机制仍然不清，但有研究证实星形胶质细胞中低密度脂蛋白相关受体蛋白(LRP)-1通过调节基质金属蛋白酶(MMP)2，MMP9和IDE等降解酶和细胞降解途径在大脑Aβ清除中起关键作用〔52〕。对人类尸检组织及Tau三转基因(3xTG)-AD小鼠的脑组织观察发现,在活化的小胶质细胞旁，堆积的反应性AC聚集在Aβ斑块周围〔53～55〕。反应性AC的特征是胶质纤维酸性蛋白(GFAP)的表达增加和功能受损，但结构域没有改变〔56〕。在大鼠的原代AC和AC-神经元混合细胞培养物中，使用米诺环素可减少AC的炎症反应，并减少神经元损失、caspase-3激活和caspase-3裂解的Tau产生。米诺环素已显示抑制大鼠脊髓AC中的核转录因子(NF)-κB信号通路〔57〕。这证明NF-κB通路可能参与AC分泌神经炎症的过程。非编码RNA(lncRNA)也广泛参与AD神经炎症病理过程，许多lncRNA在AD的发展中起重要作用，lncRNAMEG3在AD大鼠中表达下调，上调lncRNA MEG3水平可逆转大鼠受损的空间学习记忆能力，并通过抑制磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)通路来降低海马神经炎症水平及AC激活〔58〕。

2 运动参与AD神经炎症调控

2.1运动介导胶质细胞改善AD神经炎症 短期或长期运动对脑功能的影响已在各种AD小鼠模型中显示，包括改善认知能力、下调炎性因子水平，最重要的是改善Aβ沉积和Tau病理〔59〕。运动可通过上调水孔蛋白(AQP)4表达并改变其排列分布，介导Aβ沉积清除的同时下调由Aβ诱发的胶质细胞活化并驱使胶质发生表型极化〔60,61〕。胶质细胞极化既是AD神经炎症产生的原因又是疾病进程的必然结果。跑台运动可下调海马中炎性因子表达，促进抗炎介质分泌并直接介导M1型小胶质细胞极化为M2型达到抑制神经炎症的目的〔62〕。Leem等〔63〕研究证实跑台持续3个月可以显著降低16月转基因Tau小鼠中Tau磷酸化及小胶质细胞介导的神经炎症水平。Leem的发现说明即使在疾病晚期，运动对减轻AD病理也可能起到关键作用。因此，运动介导胶质细胞改善AD神经炎症可能是通过清除Aβ、Tau减少对胶质细胞的刺激避免其活化,并通过抑制炎性因子水平、促进胶质细胞表型极化，避免脑内长期处于高度神经炎症状态，并抑制由炎症诱发的神经元凋亡。但也有研究发现运动对AD神经炎症及相应病理改变的干预效果不佳。Svensson等〔64〕研究表明与久坐组相比，自主运动对五转基因(5Xfad)小鼠小胶质细胞，细胞因子和Aβ水平均无明显改善。有研究进一步揭示与久坐APP/PS1小鼠相比，APP/PS1运动组小鼠大脑中可溶性Aβ1～42、β分泌酶、γ分泌酶水平、硝基酪氨酸和过氧化物氧还原蛋白-1水平、胶质纤维酸性蛋白(GFAP)+和离子钙接头蛋白-1水平和突触蛋白和突触素均无表达差异〔65〕。这证明运动对APP/PS1小鼠Aβ产生及沉积、氧化应激、胶质介导的神经炎症和突触丧失均没有改善效应，甚至是在引入抗氧化剂作为干预手段之后。矛盾的结果可能是由于动物模型的不同及运动方案(运动类型、频率、强度和持续时间)的差异所导致〔66〕。运动可能通过清除诱导胶质细胞活化的异常蛋白减轻脑内炎症状态，并通过抑制炎性因子的激活避免胶质细胞的激活。目前关于运动介导胶质细胞调控AD病理的有效性仍需探讨，具体调控机制仍然不明。

2.2运动降低AD神经炎症促进海马神经发生 在人类尸检组织和转基因小鼠的大脑中都发现海马神经发生在AD中可能改变〔67～69〕。海马神经发生可被双向调控，炎症被认为会对海马神经发生产生负向调控，并会导致认知功能障碍〔70〕。海马中IL-1β的急剧增加导致认知损害并伴随海马神经发生下调,Hueston等〔71〕发现IL-1β水平的升高可以选择性地损害成年雄性SD大鼠模式分离任务。随后发现，利用慢病毒诱导青春期雄性SD大鼠海马中IL-1β的慢性过度表达，可观察到海马神经发生减少，伴随着海马神经突起分支水平的降低，但IL-1β过表达对Y迷宫的模式分离、新颖的物体识别或自发变换行为没有影响，说明IL-1β不损害神经发生相关的认知功能〔72〕。这种相互矛盾的结果，说明炎症介导海马神经减少导致的认知功能障碍的水平可能具有年龄依赖性，考虑到散发性AD患者的年龄，AD患者脑中出现被神经炎症下调的神经发生也就不足为奇。体外研究表明，在非激活状态下，小胶质细胞可以释放因子挽救神经干细胞，诱导神经元分化并可以增强和延长培养细胞的神经发生潜力〔73〕。然而，激活的小胶质细胞会导致脑稳态改变并产生细胞因子，引发广泛性的脑内炎症，并通过减少神经干细胞的存活而抑制海马神经发生〔74,75〕。

相反，运动却可对海马神经发生产生正向调控，Tapia-Rojas等〔76〕研究证实自主运动可减少APP/PS1小鼠海马神经元凋亡，使齿状回中的神经发生增加1.3倍，并使皮层及海马区小胶质细胞激活1.5～2倍。Littlefield等〔77〕利用脂多糖(LPS)诱导老年小鼠脑内脑源性神经营养因子活化及由炎症介导的海马神经发生的减少，他们证明自主跑轮可上调BDNF共标记的小胶质细胞(M2型)的表达，并通过抑制脑内神经炎症水平来介导海马神经发生增加。CD200是一种抗炎糖蛋白，在神经元、T细胞和B细胞中表达，其受体(CD200R)在胶质细胞上表达,AD患者和小鼠模型均显示出年龄相关或Aβ诱导的CD200减少。将表达CD200的腺相关病毒注射入AD小鼠海马中，恢复了齿状回的亚颗粒和颗粒细胞层中神经祖细胞的增殖和分化，体外研究证明，CD200还增强了小胶质细胞对Aβ的吸收〔78〕。运动已被证明通过上调CD200/ CD200R轴的表达，抑制帕金森小鼠小胶质细胞激活，并下调脑内炎症水平〔79〕。也有研究证实〔80〕，脑卒中后小胶质细胞诱导脑内高表达的炎症水平可通过跑台运动介导CD200/ CD200R通路激活来抑制，同时炎症环境的改善也利于海马神经发生。据此，推测运动降低AD神经炎症促进海马神经发生可能是通过CD200/ CD200R通路。跑台运动也可通过下调脑内炎性因子水平及AC活化促进脑内整体抗炎环境，通过调控海马齿状回区的免疫活性增加了成年小鼠的海马神经发生，同时跑台运动还可以通过控制丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路调节神经发生和大脑免疫活性〔81〕。上述实验都表明运动可以下调因炎症介导的海马神经发生下降。但也有实验证明〔82〕，运动虽可有效改善LPS下调的海马神经发生和学习记忆能力。这种有益效应却不是由于炎症反应的改变，而是由于恢复了LPS减少的BDNF信号通路。

2.3运动介导BBB通透性调节神经炎症 脑中Aβ积累会诱导中枢弥漫性神经炎症，因此清除Aβ显然成为改善AD病理的关键，参与中枢Aβ清除的结构很多，其中发挥主导作用的是BBB。BBB上分布两类内皮Aβ转运蛋白即负责把Aβ从脑内转运到外周的LRP1和将Aβ从外周转送到脑内的糖基化终末产物受体(RAGE)，RAGE/LRP1的动态平衡是维持脑内Aβ稳态的关键。炎症会诱导BBB处LRP-1水平降低和RAGE水平升高，导致脑中Aβ向周围转运失败。BBB功能障碍同时会触发神经炎症和氧化应激，然后增强β-分泌酶和γ-分泌酶的活性，最终促进Aβ的产生。Aβ在脑和BBB功能障碍中的逐步积累可能会成为反馈回路，从而导致认知障碍和AD发生〔83〕。运动可对BBB产生积极效应，长期运动可抑制APP/PS1小鼠AC的激活及CD10和IDE两类Aβ降解酶的表达，并下调RAGE的表达水平，但LRP1水平却无显著改变〔84〕。这说明运动通过减少脑中Aβ水平而使Aβ降解酶及Aβ转运蛋白活性降低，并通过降低AC激活对BBB起到保护作用。miRNA在BBB功能障碍中也扮演了一定的角色，它们在包括炎症在内的许多病理中起着重要作用。炎性因子TNF-α和干扰素(IFN)-γ已被证明下调几种特定的miRNA。miR-125a-5p，调节BBB紧密性并防止白细胞外渗,其在炎症状态下被下调〔85〕。运动可以介导内皮细胞分泌miR-98-3p和miR-125a-5p，两种miRNA均可减轻内皮炎症起到血管保护效应〔86〕。miR-143可调控PUMA(一种促凋亡分子)，PUMA与BBB损伤和通透性有关并且会降低紧密连接(TJ)蛋白表达，miR-143/ PUMA轴还参与调控小胶质细胞活化〔87,88〕，而运动可以下调miR-143的水平〔89〕。综上，运动可以通过调控影响BBB的miRNA而降低由炎症诱发的BBB功能障碍，降低AD神经炎症水平。

2.4不同运动对AD炎症调控的差异性分析 急性运动可引起即时抗炎效应，尽管这些作用是短暂的，但定期运动却可固化这种抗炎作用〔90〕。运动可在外周器官中诱发整体抗炎作用，这些抗炎作用扩散到大脑，降低了神经退行性疾病发展的风险〔91～93〕。运动也会直接干预中枢免疫反应，对AD神经炎症起到关键调控作用。但应注意不同的运动强度可能导致免疫反应激活类型和程度的差异，由于机体对运动的生物反应与免疫反应之间存在剂量反应效应，例如高强度的体育锻炼已被证明能够促进炎症水平〔94〕，据此运动对机体免疫调控会产生双重影响。针对AD患者进行实际运动处方设计时考虑到患者年龄风险及体能储备不足等因素都不应对其进行高强度运动。

综上，到目前为止AD病理机制仍然未知，神经炎症虽然近期被认为是驱动AD病理最重要的部分，但仍不清楚它是疾病的原因还是后果。运动是否能改善AD神经炎症及相应的病理改变也存在争议。矛盾的结果可能来自动物模型的不同和运动方案(运动类型、频率、强度和持续时间)的差异。被炎症负向调控的海马神经发生也可通过运动诱导正向调控，但其具体机制仍然不清。神经炎症导致BBB功能障碍可被运动诱导的miRNA所修复，但是否还有其他机制仍待今后探究。本文首次尝试探讨了运动介导miRNA调控炎症诱发BBB功能障碍的可能机制，为运动改善AD提供理论参考依据。