血管衰老影响阿尔茨海默病的研究进展

葛笑,谢春明,2

(1.东南大学 医学院,江苏 南京 210009; 2.东南大学附属中大医院 神经内科,东南大学神经精神医学研究所,江苏 南京 210009)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是发生于老年和老年前期、以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的中枢神经系统退行性病变[1]。细胞外β淀粉样蛋白(β-amyloid protein,Aβ)异常聚集和沉积形成老年斑、tau蛋白过度磷酸化形成神经纤维缠结和神经元丢失是其病理学特征[2]。目前,全球AD发病率、患病率及死亡率仍持续增高[3],预计全球痴呆患者将由2019年的5 740万例增至2050年的1.528亿例,给社会和家庭带来沉重的负担[4]。血管衰老是指随着人体年龄的增加,血管逐渐丧失原有机能,导致动脉僵硬度增加,弹性降低,管腔增大,血管脉搏波速度增加的现象[5],是血管不同细胞类型和组织内相互作用的结果[6]。研究[7-8]证实,血管衰老的基本病理生理学机制包括细胞周期失调、基因组不稳定性、氧化应激、钙信号异常、血管炎症、肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活和高尿酸血症等,并在老年相关的微血管和大血管疾病的发病机制中发挥着更重要作用。

1 血管衰老与AD的关系

近年来,血管衰老与AD的关系受到越来越多的关注。血管衰老与AD都是在衰老过程中发生的神经退行性改变,二者发生发展有着很多的共同通路。更有意义的是,血管衰老导致的脉动血流动力学增强,已被证明是大脑微血管损伤和认知功能损害的主要独立决定因素[9],而与年龄相关的血管衰老伴随甚至先于AD的病理进程[10]。因此,血管衰老被认为是AD前驱期显著的临床特征[11]。但到目前为止,血管衰老与认知功能障碍之间的因果关系尚无明确的结论[12],深入探讨血管衰老影响AD病理进程的发生机制尤为重要。近年来,关于血管衰老影响AD病理进程的相关学说主要有3种,分别是血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)破坏假说、线粒体代谢障碍假说和免疫炎症假说。

1.1 BBB破坏假说

大脑中的血管内皮细胞是BBB的重要组成部分。血管内皮细胞衰老导致的功能紊乱可导致代谢产物在BBB中运输障碍,从而影响大脑健康和认知功能,并促进神经退行性疾病的发展[13]。对加速细胞衰老的基因小鼠模型的研究证明诱导血管内皮细胞和周细胞的衰老与血脑屏障的破坏有关[14]。而衰老内皮细胞在积聚的同时,大脑中存在广泛的、持续的DNA损伤,脑血流量(cerebral blood flow,CBF)减少,BBB受损和Aβ清除率降低[15]。此外,脑微血管内皮中积聚的衰老内皮细胞可溶性淀粉样前体蛋白α分泌酶表达水平降低,β分泌酶和Aβ40水平升高,加重脑内皮细胞功能障碍,并参与AD的病理进程[16]。另一方面,星形胶质细胞暴露于异常沉积的Aβ,可诱发衰老过程的发生[17]。值得注意的是,Aβ和血管紧张素Ⅱ可协同促进脑血管功能障碍,这可能是由血管紧张素Ⅱ增加了内皮活性氧化物质的生成导致的[18]。

1.2 线粒体代谢障碍假说

线粒体功能障碍是衰老内皮细胞氧化应激的主要触发因素[19]。还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶增加的超氧化物合成导致一氧化氮生物利用度降低,从而造成CBF异常并通过自身调整CBF以确保维持正常的神经功能,即神经血管耦合效应[20]。氧化应激增加还引起烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)消耗酶多聚ADP核糖转移酶1的激活[21],这与全身血管功能障碍有关[22]。NAD+缺失会损害神经血管反应,加速认知能力的衰退。在小鼠模型中,内皮细胞NAD+水平的恢复促进了sirtuins蛋白(一种长寿因子)的活性,延迟上皮细胞的衰老并改善中枢神经系统内皮依赖性血管舒张[23],从而保护认知功能。

1.3 免疫炎症假说

小胶质细胞作为在中枢神经系统中启动免疫反应并为神经元和其他胶质细胞提供营养支持的常驻髓样细胞群,通过调控神经炎症过程参与AD病理进程[24]。小胶质细胞的衰老激活可导致Aβ清除受损,并与促炎介质一起,形成神经元损伤相关分子模式,协同导致神经毒性加剧,导致AD病理进程的持续发生[25]。更重要的是,人脑样本的转录组学分析显示,小胶质细胞的表型具有高度的异质性[26]。来自老年人脑的小胶质细胞具有特定的表型,其特征是与淀粉样蛋白形成途径相关的基因过度表达以及参与转化生长因子-β 途径的基因下调,提示小胶质细胞对衰老相关的Aβ异常聚集的反应能力受损[27]。

2 血管衰老相关标志物在AD领域的研究应用

2.1 血液相关生物标志物

血清学生物标志物变化往往先于脑结构与功能改变,血清中的蛋白等能够反映机体整体的衰老及病理改变水平,有助于疾病的早期诊断及预防。因此,寻找血管衰老新型血清学诊断标志物,有助于丰富血管衰老的评估体系,对于预防、诊断和延缓血管衰老起着至关重要的作用。年龄是AD最重要的危险因素。现已确定,除了心血管危险因素外,衰老还会导致以内皮功能障碍和慢性惰性血管炎症为特征的血管老化表型。其中medin作为反映血管老化表型的一种介质,是人类最常见的淀粉样蛋白。Medin是由乳脂球表皮生长样因子-8进行水解切割产生的一种50个氨基酸的多肽,在中老年人的血管系统中,经常发现medin的聚集体。研究证实88%的50岁以上的患者主动脉中存在medin而50岁以下的患者中只有17%。在AD患者的尸检样本中发现AD患者脑血管动脉中存在大量medin的聚集体[28]。2022年Wagner等[29]发现AD患者大脑血管中medin与Aβ存在共定位,敲除medin可以抑制Aβ沉积,AD患者中medin表达水平升高可介导认知衰退。Migrino等[30]进行的一项基于91例脑供体进行脑小动脉灌注定量的研究表明medin是AD诊断的较强预测因子。但是,仍需要更多的研究来确定medin是否可以作为AD的一种新的生物标志物。

众所周知,细胞外基质(extracellular matrix,ECM)在血管壁的年龄相关重塑中起着重要作用,而蛋白多糖是ECM的关键组成部分,因此众多的研究围绕聚蛋白多糖(aggrecan,ACAN)和纤维蛋白-1(Fibulin-1)探究血管衰老的发生机制[31]。Fibulin-1是一种存在于整个动脉壁的ECM蛋白,并且在血浆中高表达,是反映弹性溶解的心血管疾病生物标志物之一。在主动脉硬化的进程中,Fibulin-1转录物和蛋白的表达下调,老年群体主动脉的Fibulin-1表达明显低于年轻群体。另一方面,动脉中ACAN转录物浓度随着年龄的增长而下降,在主动脉硬化较重的个体中显著降低。ACAN功能的丧失可能会影响蛋白黏弹性、内侧ECM分解和胶原纤维重新分布,从而调节血管硬度[32]。近年来,有研究将ACAN和Fibulin-1基因的多态性用于预测年轻健康受试者的主动脉硬化程度。结果表明,在主动脉硬化的年轻受试者的主动脉组织中,这些蛋白的表达和分布异常,且随着年龄变大更为明显。因此,ACAN和Fibulin-1在决定主动脉生物力学方面起着关键作用,而这些蛋白的丢失和降解也是年龄相关主动脉硬化的重要驱动因素,调节这些蛋白的变化可以减缓或阻止主动脉硬化过程[33]。更重要的是,Fibulin-1在血管衰老的人群血浆中表达上调,且与血管衰老指标脉搏波传导速度呈正相关。在自然衰老小鼠模型中,Fibulin-1在衰老小鼠的血浆及血管组织中表达上调[34]。提示Fibulin-1可作为血管衰老血清标志物,预测血管衰老及相关疾病的发生,有助于对血管衰老进行诊断、危险分层以及防治血管衰老相关疾病[35]。此外,轻度认知功能障碍(mild cognitive impairment,MCI)患者的血清Fibulin-1水平较高并与认知能力减退相关,表明血清Fibulin-1可能是诊断MCI的一个潜在的生物标志物[36]。

2.2 血管相关生物标志物

研究发现,众多血管衰老相关生物标志物与认知障碍密切相关。血管衰老导致高脉动血流进入脑小血管,引起脑微血管损害(小动脉壁伸展、小动脉瘤破裂和微血栓形成等),从而促进脑血管疾病和认知障碍的发生[37]。目前对于血管衰老的评估主要集中在危险因素、血管结构及血管功能等方面。血管衰老功能检测的常用无创指标包括脉搏波速度(pulse wave velocity, PWV)、肱踝指数(ankle brachial index,ABI)、血流介导的血管舒张(flow-mediated dilation,FMD)、心踝血管指数(cardio-ankle vascular index,CAVI)和反射波增强指数(augmentation index,AIx)等。血管衰老的结构评估可通过核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)和颈动脉内膜中层厚度(carotid intima media thickness,cIMT)等来进行[38]。

PWV是心脏每次搏动射血产生的沿大动脉壁传播的压力波传导速度,是无创性量化动脉硬化程度的有效方法,是诊断动脉硬化的金标准。随年龄增长,大动脉弹性成分减退,管壁增厚,动脉进行性扩张,动脉硬化度增加,PWV增高,即PWV越大动脉血管硬化程度越高,而中央弹性动脉PWV随年龄增加较外周动脉更显著[39]。颈股脉搏波传导速度(carotid-femoral pulse wave velocity,cfPWV)主要用于评价大动脉的血管衰老;颈桡脉搏波传导速度(carotid-radial pulse wave velocity,crPWV)主要反映外周动脉的血管衰老程度;肱踝脉搏波传导速度(brachial-ankle pulse wave velocity,baPWV)则反映下肢股动脉至踝动脉的血管僵硬度[40]。判断早发血管衰老的标准通常用经过年龄校正的cfPWV值大于健康人群正常参考值的标准差来衡量[41]。健康血管衰老的判断标准通常指年龄≥50岁,收缩压<140 mmHg和舒张压<90 mmHg,cfPWV<7.6 m·s-1[42]。但cfPWV检测在日常临床操作中较耗时,设备昂贵,且需经验丰富的工作人员操作[43]。基于亚洲人群的临床证据显示,baPWV与cfPWV对于血管衰老评估及事件的预测能力具有较高的一致性。根据不同年龄和性别正常值范围变化,我国60岁以下健康志愿者baPWV多小于1 400 cm·s-1[44]。与cfPWV相比,baPWV检测具有耗时短、操作简便和收费适中等优势,是适用于我国大范围推广及应用的早期血管衰老筛查手段[45]。关于血管衰老相关的认知障碍,研究[46]显示AD患者的PWV均高于对照组,这提示动脉硬化可能参与认知障碍的发生与发展。血管硬度增加是认知障碍的独立危险因素和预测因素,内皮细胞功能障碍可能是其机制之一。这些研究充分提示脑血管衰老在AD的发病机制中起着重要作用。

PWV反映动脉弹性,而ABI反映下肢外周动脉狭窄程度,两者相互结合可以有效地评估老年患者心血管危险因素的危害程度,可以早期诊断动脉硬化的严重程度[47]。CAVI与动脉僵硬度和顺应性有关。与PWV相比,CAVI在检测时不受即刻血压影响。研究表明,CAVI是一项反映血管健康的有效指标,与高血压、糖尿病、代谢综合征及高脂血症患者的动脉损伤有关[40]。FMD是利用超声测量血流增加后的肱动脉直径较基础直径增加的百分比,是检测血管内皮功能及早期血管老化的常用无创性指标[48]。肱动脉舒张功能受损与衰老相关,随年龄增加而逐渐下降[49]。

MRI能够直接观察血管壁和血流变化的情况并具有可重复性。MRI可对血管进行完整的三维可视化,且能检测到局部硬化的细微变化[39]。高分辨率的MRI可直接使血管壁成像,不仅可评估血管狭窄程度、动脉斑块负荷和斑块成分与分布,还能评估血管壁重构[50]。具有相位对比序列速度编码的MRI可通过三维可视化描述血流状态与变化,确定主动脉长度,并计算出主动脉PWV以评估主动脉硬化度。研究表明,速度编码MRI测量的PWV与有创主动脉内测量的结果相似[39]。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)是用于研究神经认知衰老的常用工具,测量由神经、神经胶质和血管元件的复杂相互作用产生的血氧水平依赖(BOLD)信号,反映了大脑内的血流动力学变化。而动脉自旋标记(arterial spin labeling, ASL)MRI可用于估计脑灌注和脑血管反应性,是脑灰质中脑血流的一种测量方法,可以间接反映脑血管的健康情况。现有研究显示低脑灌注与动脉硬化以及执行功能等年龄相关任务中的较弱认知表现有关[51]。弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)测量分数各向异性和径向扩散系数等半定量指标,特别适用于研究神经元纤维束的微观结构变化[52]。Maillard等[53]基于DTI技术首次研究了游离水成像与细微脑血管损伤关系,研究发现,自由水反映了水分子在空间各个方向均匀扩散的比例,通过中介分析进一步证实了动脉硬化和血压升高与自由水含量增加有关。因此,探索动脉硬化与DTI和ASL等高级神经功能成像标志物之间的关系有助于早期识别脑功能的异常,以揭示血管衰老与认知障碍相关机制。

CIMT是采用高频B型超声探头测定的动脉腔-内膜界面与中膜-外膜界面之间的距离,cIMT增厚是血管衰老的标志性结构改变。在健康人群,cIMT随年龄增长呈现逐渐增加趋势;在有动脉粥样硬化性心血管危险因素的人群中,血管衰老加速,cIMT增长速度也加快。目前国际上根据不同年龄阶段推荐正常参考值为:40～49岁<0.7 mm;50～59岁<0.8 mm;60岁及以上<0.9 mm[54]。在几项研究中,对cIMT与认知功能之间的关系进行了横向和纵向分析,均显示cIMT与认知功能之间存在显著的负相关。具体而言,cIMT数值越大,认知能力越低[55]。

经颅多普勒(transcranial doppler, TCD)能有效且相对简单地评估脑血流动力学变化。TITCD,一种新的基于TCD的时间指数,可以作为血管硬化和血管健康的监测指标。TITCD与以脑血管阻力为代表的血管衰老因子之间的关系表明,它可作为血管硬化的早期指标[56]。通过TCD屏气试验检测得到的屏气指数(breath holding index,BHI)是评价脑血管反应性的可靠指标,其客观性、准确性已得到较为广泛的认可[57]。研究表明,BHI数值降低说明颅内血管不能在外界刺激下进行适当的调节,提示颅内微小血管受损,导致脑部低灌注损伤,进而造成大脑对信息认知和整合能力发生障碍,使认知下降[58]。

3 展 望

综上所述,血管的结构和功能随年龄老化而发生改变,这些改变的累积构成了血管衰老的基础,是导致认知功能障碍的重要因素。因此,阐明血管衰老的机制、评价指标以及优化管理措施将为血管相关认知功能障碍提供新的研究靶点。在未来,血管衰老与AD的相关机制仍需进一步研究,包括基于外周血寻找非编码RNA、多模态影像学技术定量评估脑血流量、神经血管单元功能与脑结构和功能网络的关系等。而整合深度学习技术,于众多变量中寻找影响血管衰老的关键因素,并探讨这些高危因素影响血管衰老的发生机制及其与随后发生的认知障碍的关系,有可能为揭示认知障碍尤其是AD的发生机制提供新的研究方向。