运动调控肌肉因子改善阿尔兹海默症的外周机制

张业廷

（中国民用航空飞行学院 体育部，四川 广汉 618307）

身体活动有益于人类健康. 运动有益于大脑的健康，可以维持和提高认知能力. 在啮齿类动物中，跑步可以改变大脑神经递质含量、神经营养素水平、神经元形态和血管增生水平，海马依赖型记忆及成年神经再生都有所加强. 对人类而言，有氧能力、海马可塑性和记忆力之间存在着一种关系. 脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 是一种促进神经元存活和突触完整性的神经营养因子，对大脑的可塑性和记忆功能的调节至关重要.BDNF 也是调节运动与记忆等认知功能关系的重要因子之一. 阿尔兹海默症(AD) 患者的血液和脑部BDNF 水平相对于非AD患者处于较低水平.BDNF 水平高低与认知能力呈正相关关系，即便是一次急性运动，都会显著提高健康成年人和老年AD 患者外周血中BDNF 的浓度，运动时间越长，BDNF 增加越多. 运动锻炼是促进成年海马神经发生(Adult hippocampal neurogenesis, AHN) 的一种有效手段. 运动通过诱导AHN 和提高BDNF 水平，能够显著改善AD 小鼠的认知能力，单独促进AHN 而不改变BDNF 水平则不能改善AD 小鼠认知. 通过基因和药理学诱导AHN 结合提高BDNF 水平，研究人员成功模拟了运动对AD 小鼠的有益影响.[1]运动诱导AHN 可能有助于AD 患者的认知，且只有在存在BDNF的环境中才能实现. 因此，运动诱导的神经营养因子，尤其是BDNF，已经成为运动改善AD 认知的关键因子.

目前还不清楚运动是如何刺激大脑中BDNF 的产生的. 运动不是某个器官单一的活动，而是会在许多细胞、组织和器官中引起广泛的活动，这些细胞、组织和器官都是由收缩骨骼肌的代谢活动增加而引起的，鉴于骨骼肌在运动中起着举足轻重的作用，肌细胞因子可能会影响神经的可塑性.[2]越来越多的证据支持肌肉组织和其他器官之间存在交叉交流(Cross-talk)，身体活动中产生的肌肉因子(Myokines, 由骨骼肌产生并释放到血液中的细胞因子或其他小肽)，如鸢尾素(Irisin)、组织蛋白酶B(Cathepsin B, CTSB) 等，可能会通过影响BDNF 导致海马可塑性、神经发生和认知功能发生长期变化.[3]运动后人体骨骼肌中BDNF mRNA 和蛋白表达会升高，但肌肉来源的BDNF 未释放到循环中.[4]电刺激引起的肌肉收缩增加血浆BDNF 水平[5]，因此，肌肉来源的BDNF 和大脑中增加的神经营养因子之间的联系仍然是难以捉摸的. 肌肉分泌蛋白-过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1αP，PGC-1α) 及高度依赖PGC-1α 的肌动蛋白-纤维连结蛋白 III 型域包含蛋白 5 (Fibronectin Type III Domain-Containing protein 5，FNDC5) 可能会促进运动诱导的海马BDNF 和树突棘密度的增加.[6]这一研究将运动诱导的外周变化与运动对神经发生和认知影响的潜在中心机制联系起来. 许多肌肉因子均已被证明能够参与或促进AHN，但它们参与调节运动对神经发生和相关认知影响的确切机制尚未阐明，因此，梳理阐明相关机制能够有助于人们理解运动改善阿尔兹海默症的外周机制.

1 组织蛋白酶B

组织蛋白酶B(Cathepsin B, CTSB) 是一种溶酶体半胱氨酸蛋白酶，介导溶酶体内的蛋白水解，一般来说，CTSB 在吞噬和自噬、生长/ 肿瘤细胞增殖、血管生成、侵袭和转移等过程中发挥多种作用.CTSB 可以增强AHN 和小鼠空间记忆，并且与人类健康水平和海马依赖型记忆功能相关.[7]运动引起的全身CTSB 分泌与记忆功能有关，其机制尚不清楚. 经CTSB 处理过的海马神经前体细胞株中，脑源性神经营养因子(BDNF) 表达显著增加，抑制CTSB 表达则降低了海马BDNF 的表达.Moon 等人研究表明，CTSB 是一种运动肌动蛋白，可以穿过血脑屏障（BBB），对认知有正面影响，如增强成年小鼠海马神经发生和空间记忆. 在猴子和人类研究中，跑步运动提高了血浆CTSB. 在人类研究中，CTSB 水平与健康和海马依赖记忆功能相关.CTSB 在锻炼促进大脑功能过程中有作用，但还不清楚肌肉来源的CTSB 是否有必要，或者海马和肌肉的CTSB 是否仅仅是由于对身体活动的反应而同时表达. 而且，外周和/ 或中枢CTSB 促进BDNF 表达升高和神经发生的信号通路尚不清楚.

前期研究发现，有氧运动可以提高AD 小鼠腓肠肌、海马以及血清中CTSB 的含量，小鼠海马中BDNF 及神经细胞黏附分子(Neural cell adhesion molecule，NCAM) 的表达量也显著增加，其空间学习记忆能力也有显著改善. 这表明运动可以提高小鼠的空间学习记忆能力，而其机制可能与有氧运动增加了相关组织CTSB 表达水平及提高海马BDNF 和NCAM 表达水平有关. 血清中的CTSB 可以穿过BBB，使得海马中CTSB 含量增加，但这一假设未能得到确切的证实.[7]NCAM 在神经系统的生长和塑型中起重要作用，在神经可塑性等多个方面具有重要意义，包括神经发生、突触可塑性和神经突生长等.[8]，NCAM 缺乏会导致BDNF 系统显著而持久的异常.[9]有研究表明，NCAM 可能调节BDNF 与其高、低亲和力受体之间的相互作用功能.[9-10]NCAM 基因敲除小鼠大脑5-羟色胺和BDNF 系统会出现显著和持续的异常，如其前额皮质的BDNF 蛋白水平显著降低，这种BDNF 缺陷与受体TrkB 磷酸化水平降低有关.[11]因此，推论CTSB 表达降低可能会通过影响海马NCAM 的表达，进而对BDNF 的表达产生影响，而运动可能会通过CTSB/NCAM/BDNF 通路影响小鼠的空间学习记忆能力. 由于技术受限，还不能明确究竟是外周还是中枢的CTSB 起主要作用. 有研究者认为，CTSB 最可能的来源是大脑本身而非骨骼肌.[12]未来的研究应该考虑通过隔离肌肉和神经元的方式，系统地解决运动对海马区影响的外周和中枢的相对贡献问题.

2 鸢尾素

鸢尾素也是一种肌肉因子，通过FNDC5 的剪切和修饰而产生，也会在海马中表达. 它已被证明能够通过血脑屏障并通过增加BDNF 的表达刺激AHN. 较多的研究已经表明运动后增加海马BDNF 与增加代谢介质有关，特别是过氧物酶体增殖物激活受体γ 共激活剂1α(PGC-1α).[13]PGC-1α 是骨骼肌产生的一个转录共激活剂，FNDC5 ( 鸢尾素的一种膜结合前体) 是它的一个下游蛋白质，由运动时肌肉所分泌的.[14]有趣的是，PGC-1α 和FNDC5 也被证明与提高载体BDNF有关，且在运动小鼠海马中含量增加.[13]运动训练( 自愿转轮运动30 天) 会增加小鼠海马中PGC-1α 和FNDC5 的表达，增加BDNF 的表达.[6]PGC-1α 缺陷小鼠海马区FNDC5 的表达降低，通过腺病毒载体增加外周FNDC5 的含量会导致大脑中BDNF 的表达.[6]外周传递的肌肉因子FNDC5 足以诱导海马BDNF 和其他神经保护基因的表达. 因此，肌源性的FNDC5 被激活后可以穿过BBB，激活PGC-1α/ FNDC5 / Irisin /BDNF 途径，从而直接调节海马的基因表达.[13]在AD 患者海马中鸢尾素水平的降低，预示着其在调节运动诱导的认知益处方面所潜在的作用. 研究发现，在AD 小鼠海马中鸢尾素的减少和过表达分别损害和增强了运动对记忆功能的益处.[15]有氧运动能够增加人体鸢尾素的浓度，而抗阻运动甚至比有氧运动更能增加鸢尾素的浓度，这可能说明抗阻运动也能有效地预防AD 以及改善AD 患者的认知能力.[16]

3 乳酸

乳酸是糖酵解的副产品，近年来已成为神经元和外周组织中各种细胞类型的信号分子，由于它在认知方面的潜在作用，被认为是运动改善认知功能相关的因子之一. 在高强度运动中，乳酸从收缩的肌肉释放到血液中，通过内皮单羧酸转蛋白(MCTs) 穿过血脑屏障.[17]乳酸进入中枢神经系统是形成长期记忆的必要条件，如果阻断星形胶质细胞中MCT 的表达(即阻止乳酸输送到神经元细胞)和抑制星形胶质细胞糖原酵解 ( 抑制乳酸形成)，都会导致记忆受损.[18]人类的一场剧烈高强度运动比一场较低强度运动更能诱发BDNF 的增加，这种益处似乎依赖于乳酸的产生.[19]最近一项对小鼠的研究发现，自愿有氧运动会导致海马中乳酸的积累，而乳酸作为一种内源性代谢物，能够通过血脑屏障，增加海马BDNF 的表达，从而促进学习和记忆等认知功能的改善.[20]通过抑制脑内乳酸转运会使得BDNF 在运动中的表达降低，腹腔注射乳酸会增加小鼠海马中BDNF 的表达和信号转导，同时增加认知功能.[20]也有研究称，体外用含有乳酸的培养液培养原代海马和皮质神经元，可诱导其BDNF 及突触可塑性相关基因的表达.[21]乳酸可以通过激活核因子κB (NF-κB)，诱导成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factor，FGF) 以及血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor, VEGF) 转录增加，从而促进大鼠大脑血管生成及神经发生.[22]在人类中也观察到乳酸和BDNF 之间的联系，静脉注射乳酸可以提高BDNF 的循环水平.[23]高强度有氧运动在显著增加血乳酸的同时会显著增加血清中BDNF 的浓度，比如急性高强度运动( 最大强度的90%) 比中等强度运动( 最大强度的70%) 能够导致更高的血乳酸值，并伴有更高的血浆BDNF 浓度（BDNF 与不同运动强度之间的关系并不清楚）.[24]由于高水平乳酸( 通过腹腔注射或运动诱导) 增加会引起小鼠海马中PGC-1α 和FNDC5 mRNA 表达和蛋白水平提高，因此，有学者认为乳酸与BDNF 之间的联系可能由PGC-1α/FNDC5 通路介导.[20]乳酸除了能够促进血管生成和海马神经生成外，还可以调节运动对AD 相关神经炎症的改善，因此，乳酸也被认为是运动改善AD 的中介因子之一.有研究称运动能够促使静息小胶质细胞和M1 型小胶质细胞向M2 型小胶质细胞转化，从而使得抗炎因子、趋化因子分泌增多，促炎因子分泌减少.[25]乳酸似乎可以通过乳酸蛋白受体偶联的方式调节巨噬细胞的表型向M2 型转变.[26]

4 酮体

神经生物学证据表明，酮代谢物β- 羟基丁酸(BHB) 对大脑发挥许多神经保护功能，BHB 可在葡萄糖不足的情况下促进脑源性神经营养因子(BDNF) 的表达.[27]长时间的有氧运动或其他身体糖原储存减少的情况，如禁食或生酮饮食等，会诱导酮体产生，如BHBA 和乙酰乙酸酯等，而这些酮体被释放到血液中，穿过血脑屏障，从而刺激大脑中BDNF 的产生.[27-28]有研究证实，在30天的自主转轮运动中，运动对小鼠海马BDNF 表达的诱导作用伴随着BHB 水平的升高，该研究同样通过体外实验( 培养皮质神经元) 和体内实验( 心室注射BHB) 证实了BHB 能够诱导小鼠海马BDNF 的表达. 研究结果还表明，补充酮酯增加血液酮水平是可以改善健康大鼠认知功能的.[29]同样，无论是由生酮饮食还是运动引起的血酮水平升高，都可以促进人类大脑网络的稳定性，这种效应可能与更高的大脑活动和认知敏度有关.[30]

5 犬尿氨酸

犬尿氨酸(Kynurenine, KYN) 是由色氨酸分解代谢产生的代谢物，它能够调节微生物组信号、免疫细胞反应，能够很容易通过血脑屏障，促进神经炎症和神经元细胞死亡. 犬尿氨酸血浆水平的改变与抑郁症有很强的相关性.[31]体育锻炼诱导的PGC-1α 过表达，可能增加犬尿氨酸氨基转移酶(kynurenine aminotransferases, KAT) 在骨骼肌的表达，从而促进了肾素转化为一种不能通过血脑屏障的代谢物犬尿喹啉酸(Kynurenic acid, Kyna)，而降低血液KYN 的水平可以保护脑免受应激引起的改变.[31]通过对成年人进行大强度运动发现，血浆中犬尿氨酸的水平降低了，这种降低可能通过反馈调节降低运动应激对大脑的影响. 大强度运动促使色氨酸代谢通路向五羟色胺(5-HT) 产生增多的方向转变，提高5-HT 含量，这种代谢的改变可能是运动有益于精神健康、运动促进抑郁症改善的原因之一.

6 总结与展望

身体的许多器官对身体活动做出反应，释放因子到血液中，这些活动可能到达大脑并影响行为，如骨骼肌、肝脏等.[32]骨骼肌是人体最大的器官，在运动中被大量动员. 研究表明，从一个器官释放的代谢物可能会影响其他器官的代谢反应，因此，骨骼肌产生旁分泌因子可能作为一种影响大脑可塑性、神经发生和认知表现的潜在的机制.[32-35]运动后骨骼肌中会增加组织蛋白酶B、鸢尾素、乳酸及相关酮体的表达，肝脏中也会增加组织蛋白酶B 的表达，这些因子进入外周血液，连同增加的脑源性神经营养因子通过血脑屏障到达AD 患者大脑，引起海马等脑区BDNF 表达升高，促进成年海马神经发生以及改善AD 患者的认知功能. 运动可能会降低犬尿氨酸的水平，从而保护AD 患者的大脑. 虽然目前能够通过几个外周肌肉因子来阐述运动改善AD 患者病程的机制，在未来还需要更多的研究来揭示其生物学基础，比如识别具有潜在神经营养作用的新的肌肉因子等. 不同的运动形式( 如有氧运动、抗阻运动、大强度间歇运动等)、运动强度和运动时间等与产生肌肉因子的关系还不清楚，仍需要大量的研究进行确定.