促进神经元新生治疗阿尔茨海默病的研究进展

刘欣媛，杜艳军,2，邓晓妮，王丽，陶一鸣，吴文辉，叶成

阿尔茨海默病（Alzheimer Disease，AD）是一种随着年龄增长持续性发展的神经退行性疾病，又称老年性痴呆，其临床特征为认知能力的损伤、行为与人格的改变。AD是所有老年期痴呆中最普遍的类型[1]。在过去的10年中，AD的发病呈上升趋势，同时，中国老年人口基数庞大，这意味着中国未来将面临严重的公共卫生问题[2]。据《2016 年世界老年痴呆症报告》显示，AD 在老年性疾病中死亡率仅次于心血管病、癌症[3]。目前关于AD 的发病机制尚未明确，且并无特效药能阻止或逆转AD发病进程[4]。对AD的发生机制、诊断与治疗的研究仍然是全球医学界的热点与难点。

在AD早期阶段无论是老年斑、神经纤维缠结还是神经元丢失等病理改变，以海马受损最为严重[5]。众所周知，海马不仅是记忆形成的重要区域，齿状回颗粒下层（subgranular zone，SGZ）更是神经元新生重要区域之一[6]。神经元新生是由神经前体细胞产生新神经元的过程。由神经干细胞（neural stem cell，NSC）分化产生，主要存在于海马齿状回的颗粒细胞下层和侧脑室室管膜下层[7]。成年哺乳动物大脑海马具有的独特生理现象，即在整个生命中产生新的神经元，这个过程称为成年海马神经元新生（adult hippocampal neurogenesis，AHN）[8]，这赋予了整个海马无可比拟的可塑性。人在生理和病理衰老过程中AHN 的持续存在，为神经发生受损提供了证据，这是潜在的相关机制，是AD记忆障碍的基础[9]。相比周围神经损伤后的神经再生，AD等神经退行性疾病由于轴突的再生和重建功能无法补偿受伤的轴突，造成了中枢神经系统永久性损伤。因此AD早期增强内源性神经元新生可能对延缓神经退行性疾病进程、研究学习记忆相关疾病有巨大潜力[10-13]。现对近年来通过促进神经元新生治疗AD的研究进行综述。

1 目前AD机制学说

AD 的发病机制包括基因突变学说、Aβ毒性学说、Tau 蛋白异常修饰学说、氧化应激学说、炎症学说、胆碱能损伤学说等不同假说[14,15]，但其病理特征一直是以β淀粉样蛋白（Amyloid-β，Aβ）异常沉积、神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）、神经元损伤为主[16]。其中神经元损伤原因有三：一是神经元新生数目过少[17]，二是神经元损伤数目过多[18]，三是神经元功能异常[19]。无论是Aβ异常沉积形成淀粉样蛋白斑块，还是细胞骨架tau 蛋白异常过度磷酸化引起的NFTs，都可损伤神经元[20]。NFTs 的神经毒性与神经元新生障碍相联系的机制也已被证实[21]。同时已有研究证实神经元丢失可出现在AD的各个阶段[22]，甚有研究指出AD早期海马神经元新生障碍出现在Aβ沉积之前[23]。

2 神经元新生的发生途径

2.1 神经元新生的主要区域和形式

成人神经元新生最早是在60多年前观察到的，此后神经元新生已发展成为神经化学研究领域重要的一部分。神经元新生贯穿整个成年哺乳动物的一生，在海马内每天有数千个新生神经元，帮助维持正常的认知和记忆功能，在整个衰老过程中持续存在[24]。研究显示所有用于指导干细胞生成具有特定神经递质表型的神经胶质和神经元的信号存在于成人大脑的特定区域内[25]。这个特定区域为侧脑室室下区（subventricular zone，SVZ）和SGZ，是哺乳动物的两个活跃增殖区域，在整个生命过程中不断产生神经元[26]。海马神经元新生的过程的每个阶段各自对应细胞发育成熟的不同阶段[27]。在成人SVZ区域内，未成熟神经元（又称为成神经细胞）在SVZ 中不断产生。这些成神经细胞迅速通过鼻尖迁移（rostral migratory stream，RMS）流迁移至嗅球（olfactory bulb，OB），在那里分化为颗粒细胞，最后成熟并整合到神经元回路中[28]。脑部受伤后，SVZ中的某些成神经细胞向病变处迁移，以重新填充受伤的组织。SVZ 衍生的成神经细胞的这种显著的迁移能力对于大脑神经元新生非常重要[29]。在成人SGZ 区域内，SGZ 神经原位中神经祖细胞（neural progenitor cell，NPC）会根据适当的提示和信号使成神经细胞迁移到粒状细胞层（ganglion cell layer，GCL），在那里它们形成功能成熟的神经元并整合到海马回路中[30]。该结构与新信息的处理和存储密切相关。

2.2 神经元新生主要调控分子

神经元新生过程由于涉及多个关键步骤，受多种内在和外在因素高度调控。内在因素有神经组细胞的内在特性、祖细胞所在的环境，外在因素则是神经递质、生长因子、激素等，在成人神经元新生不同阶段具有主要调控作用。例如，在胚胎发育过程中对神经系统有重要作用的Notch、Shh、Wnts 和BMPs 等形态发生原被保存下来，并继续调节成年NSC 的维持、激活和命运选择[31]。研究已证实，Wnt蛋白是神经元新生、分化和增殖的关键部分，激活Wnt信号通路可增加SVZ和SGZ的NSC向神经元分化，促进神经元新生[32,33]。生长素释放肽和Wnt 信号通路可协同作用于SVZ的神经元增殖，并增加嗅球中表达酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）的多巴胺神经元的数量促进神经元新生[34]。研究表明，表观遗传机制通过调控特定基因的表达改善NSC内程序与周围微环境促进其增殖、分化和成熟。其中DNA 甲基化、组蛋白乙酰化和miRNA 是关键因素[35]，诸如miRNA、转录因子、细胞周期调节因子和表观遗传因子之类的内在因素具有细胞自主性特征，这些特征为成年NSC提供了作为新生神经元增殖、分化和存活的潜力[25]。而在AD大脑中，表观遗传机制损伤阻碍NSC分化为神经元，从而加剧神经元的丢失和认知功能障碍[36]。与AD病理特征密切相关的淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）及其代谢产物，可能通过阻止细胞周期素依赖蛋白激酶5（Cyclin-dependent Kinase 5，CDK5）过度活化和Tau蛋白过度磷酸化调节成年海马神经元新生[37]。最近有研究证据表明，高剂量酒精会中断神经发生，并导致海马结构和功能的长期缺陷[38]。神经元新生还受衰老大脑中的微环境影响，体现在衰老的大脑中神经元新生功能下降，功能性兴奋性突触发生迟于年轻的大脑[39]。同时母体剥夺和社会剥夺（maternal and social deprivation，MSD）模型研究显示，早期MSD 可能增强了海马齿状回和杏仁核的神经元新生[40]。上述研究说明大脑所处的环境可能影响神经元新生。

3 促进神经元新生防治AD的相关研究

3.1 基于神经元新生的表观遗传

AD相关基因的高甲基化、组蛋白去乙酰化和miRNA编码功能障碍，会阻止或延缓NSC增殖，使神经元新生明显减少，加剧了神经元过多丢失与AD 相关的认知功能障碍，从而加速了疾病进程[41-43]。

3.1.1 DNA甲基化促进神经元新生 DNA甲基化是表观遗传学的一种，具有与神经元新生相关的独特的基因组分布，在神经元新生中起重要作用[44]。DNA 甲基化检测的是5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）和5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）的复合物，复合5mC+5hmC DNA甲基化水平与神经元新生相关[45]。而DNA甲基转移酶1（DNA Methyltransferase 1，Dnmt1）功能抑制可增加神经元的分化和成熟，其药理抑制作用促进了啮齿动物和人神经元的分化，与维持现有的甲基化有关。与甲基转移酶Dnmt3a和Dnmt3b不同，表观遗传机制损伤后的Dnmt1 不降反升，起到负反馈调节作用，提示Dnmt1可能是一种重要的神经元新生调节因子，参与成人NSC的维持和分化[46]。

针对AD 的研究中，对DNA 甲基化的研究最为广泛，特别是对于APP基因的启动子甲基化，此时APP基因的复制通过基因过表达增加了AD 的风险[47]，运用DNA 甲基化治疗AD 的药物例如S-腺苷甲硫氨酸和L-甲基叶酸可改善与AD相关的学习和认知能力[48]。还有研究证明S-腺苷甲硫氨酸和1-甲基叶酸能增强与神经发生相关的基因的表达[49]。因此，S-腺苷甲硫氨酸和1-甲基叶酸作为AD的辅助疗法被广泛应用。

3.1.2 组蛋白修饰促进神经元新生 组蛋白乙酰化调控神经元信号的表观遗传，以此控制神经元记忆、可塑性及再生过程等[50]。组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase，HATs）和组蛋白脱乙酰基酶（histone deacetylases，HDACs）是拮抗酶，可通过组蛋白的乙酰化和脱乙酰化来调节基因表达。HDACs 参与记忆形成、恐惧调节、缺血性卒中和神经元新生等方面[51]。HDAC2 是HDACs 的其中一种，是记忆和突触可塑性的重要调节剂，其活性直接影响NSC 的增殖，且神经元的成熟需要足够的组蛋白去乙酰化，HDAC2水平升高和乙酰化过低会下调学习记忆相关基因的表达水平[52,53]。研究显示，HDAC抑制剂还可改善体外诱导的不同方向的间充质干细胞的转化效率，使干细胞再生[54]。

早有研究表明HDAC抑制剂丙戊酸（valproic acid，VPA）上调的神经元特异性基因神经源性的碱性螺旋-环-螺旋转录因子（NeuD），其过表达可诱导神经前体细胞向神经元谱系分化并抑制神经前体细胞分化为星形胶质细胞或少突胶质细胞[55]。最近研究报道在AD 的动物模型中，VPA 通过促进NSC 生成和突触发育来改善学习和记忆缺陷[56]。

3.1.3 miRNA拮抗剂促进神经元新生 微小RNA（microRNA，miRNA）是一类丰富的小型非编码调控RNA，可参与神经元新生过程，它们在转录后水平上调节基因表达。促进神经修复[57]不同的miRNAs 在不同的发育阶段发挥着不同的功能，如使用miRNA拮抗剂miRNA agomirs治疗可促进神经元再生和凋亡，减轻血脑屏障（blood brain barrier，BBB）渗漏，干扰细胞内转运，降低炎症反应等改善损伤后的神经功能[58]；miRNA-127-3p通过调节线粒体膜蛋白mitoNEET 的表达诱导神经元凋亡，敲除mitoNEET 可导致原代培养脊髓神经元的神经元丢失和凋亡，因此miRNA-127可抑制神经突生长，诱导细胞凋亡并促进脊髓横断后的生理功能障碍[59]；miR-124 的异位表达会下调转录因子Sox9 诱导NSC向神经元分化导致神经元形成增加，影响成年NSC 在转运放大细胞和神经母细胞之间的过渡[60]；miRNA-302/367簇可将星形胶质细胞转化为神经元，miR-302/367诱导的神经元在AD 动物模型中具有改善行为和修复神经的作用[61]；研究指出miR-146b 通过与3'-UTR 结合直接靶向抑制治疗神经性损伤的因子 Krüppel 样因子 7（Krüppel-like factor 7，KLF7），抗miR-146b会增加KLF7及其靶基因神经生长因子的级联，从而促进神经损伤修复[62]。

3.2 脑源性神经营养因子调控神经元新生

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）及其受体TrkB 和p75 调节成熟神经系统发育和维持过程中的树突状和轴突生长。近年来，越来越多的研究运用BDNF 促进神经元新生治疗神经系统疾病，如水凝胶-BDNF 可诱导未成熟神经元迁移到梗死周围皮质产生新的神经元，确定了水凝胶-BDNF促进中风后组织的修复和恢复作用[63]。在抑郁症相关研究中，研究者证实了BDNF 和糖皮质激素（glucocorticoid，GC）相互作用促进神经元新生进而有助于抑郁样行为恢复[64]。还有研究发现，BDNF 与胶原结合域融合（CBD-BDNF），可抑制神经炎症并通过TrkB信号促进创伤性脑损伤小鼠的神经元新生[65]。

针对防治AD，有研究通过移植BDNF 修饰的hUC-MSCs衍生的胆碱能样神经元增加海马中乙酰胆碱和ChAT表达的释放，增强星形胶质细胞和小胶质细胞的活化，降低Aβ的表达和重 组 人 β 位 APP 裂 解 酶 1（β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme1，BACE1），抑制神经元凋亡，并促进神经发生从而显著改善AD大鼠的空间学习和记忆能力[66]。通过质膜蛋白Efr3a 在大脑中的特异性缺失上调BDNF及其受体TrkB的表达来促进AHN[67]。而且，在AD发病机理的最早阶段中增加的神经元新生可以在疾病后期防止神经元细胞死亡，同时诱导神经元新生和升高BDNF 水平可明显改善AD 认知功能障碍，从而为其成为潜在的有效防治AD策略提供依据[68]。

3.3 维生素D促进神经元新生治疗AD

研究表明AD与维生素D缺乏症相关[69,70]，维生素D可以调节AD 中β淀粉样肽Aβ1-40 的血清水平，提高Aβ清除率[71]。最新研究通过评估维生素D 对AD 小鼠模型的影响，发现早期维生素D 缺乏症增加了AD 小鼠淀粉样斑块的数量，而晚期维生素D缺乏症则损害了AD小鼠的神经发生，在AD的早期阶段补充高剂量的维生素D 可以改善工作记忆和神经发生，而在AD的晚期补充正常剂量的维生素D会增加神经发生[72]。补充维生素D的疗法成本低，副作用少，但具体的作用机制还需要进一步的临床前研究。

3.4 Shh信号通路促进神经元新生治疗AD

早期有研究[73]发现AD 患者脑内存在脊髓来源NSC，但不能被主动激活使得其增殖、迁移和分化出现停滞。但若将NSC移植入AD 大鼠模型脑内，则AD 大鼠海马CA1 区突触素的吸光度值和神经元数目明显增多，突触和正性纤维的数量增多[74,75]。说明外源性NSC在AD大鼠脑中具有存活、增殖及重建神经通路的能力，而脑内Shh 信号则参与了多能干细胞分化为基底前脑胆碱能神经元的过程。Hu 等[76]用Shh 信号激动剂Purmorphamine 诱导培养人类多能干细胞（human induced pluripotent stem cells，hiPSCs）源性的神经上皮细胞，实验第20天时，90%hiPSCs源性的神经前体细胞开始表达内侧神经节隆起（medial ganglionic eminence，MGE）的转录标记NKX2.1；第35 天时，约40%的细胞显示出其前脑神经元样特征；第45 天时可见这些细胞表达了成熟神经元标记物，最终诱导hiPSCs源性生成功能性BFCNs，充分说明Shh信号在NSC向功能型BFCNs分化过程中的良好效应机制。

向AD转基因动物模型APP/PS1小鼠注射内源性神经保护剂蛋白酶nexin-1（PN-1）作为后再结合Shh 信号通路的抑制剂环巴胺，发现PN-1参与介导Shh信号通路恢复神经系统发育来影响AD[77]，而Shh 本身在海马NSCs/GPCs 中的升高现象，进一步提示激活Shh 信号通路在成体NSCs/GPCs 分化中的促进作用，有助于AD海马区整合新的功能性神经网络。

4 小结

综上所述，本研究通过分析关于AD的机制学说，概述神经元新生的发生途径以及分别阐述了以表观遗传、脑源性神经营养因子、维生素D、Shh信号通路为切入点促进神经元新生的研究，为促进神经元新生治疗AD 等神经退行性疾病提供了相应的理论支撑，也可能为神经元新生治疗AD 等认知功能障碍疾病取得更多研究进展提供思路。神经元新生受多种因素调节，包括转录因子、表观遗传修饰剂及microRNA。通过诱导受损神经元进行广泛的转录和表观遗传学变化加上Shh信号通路促进成体海马神经前体细胞增殖与分化治疗AD 已取得较大进展。此外，近几年对BDNF 与维生素D 治疗AD 的研究也已出现，且疗效显著，副作用甚微，这为治疗AD 开辟了更广阔的前景。海马神经元新生在AD认知功能中发挥影响作用以延缓认知功能减退，因此，促进神经元新生可能是AD 治疗的根本目标。海马神经元新生还可用于家族性AD的认知评估，并对阐明AD等神经退行性疾病发展的潜在机制具有重要价值。当然，目前部分可通过促进神经元新生治疗AD的方法虽已开展临床前研究，但大多数临床疗效还未得到印证，且其中有些疗法的具体作用机制尚未阐述清楚，有待进一步加深科学与临床研究。