脑肾素-血管紧张素系统通过脑微血管内皮细胞调控神经血管单元介导阿尔茨海默病机制研究进展

张评奥，宋成寰，施霁耘，黄婉莹，张 瑞，张永芳，王 昊

（上海交通大学医学院1.药理学与化学生物学系，2.上海高校转化医学协同创新中心，上海 200025）

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是全球最常见的神经退行性疾病，其发病率逐年上升，至2050 年，全世界发病率相较于2021 年或将增长3 倍［1］。AD 的主要病理特征为海马和皮质区的细胞外β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉积、细胞内神经原纤维缠结（neurofibrillary tangle，NFT）以及神经炎症［1］。AD患者常表现出明显的记忆、语言和情感障碍及空间识别和学习能力下降［1］。值得注意的是，脑血管健康失衡是所有神经退行性疾病的共同病理特征之一，在AD 患者中普遍存在。AD患者还常伴随血压升高、血管狭窄和脑血流量减少等症状，同时会出现微血管堵塞、出血、异常血管增生和血管基底层丢失等病理改变［2］。AD 的血管病理学说认为，早期AD 是一种微血管疾病，脑血管功能异常是AD 最早出现的生物学特征之一［2］。

脑微血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cell，BMEC）是构建脑毛细血管和组成血脑屏障（blood brain barrier，BBB）的基本细胞，同时也是神经血管单元（neurovascular unit，NVU）的重要成员［3］。脑微血管渗透压及生理功能依赖肾素-血管紧张素系统（renin-angiotensin system，RAS）的调节，而以血管紧张素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）水平升高为主的RAS失衡则是诱导AD血管损伤的重要诱因［4］。现已证实，脑组织中的各类细胞可分别独立地表达RAS 中的各个组分，其独立于外周RAS 在脑组织形成一套特殊的局部RAS——脑RAS（brain RAS，BRAS）。BRAS 的主要成分包括星形胶质细胞分泌的血管紧张素原（angiotensinogen，AGT）、神经元细胞与小胶质细胞表达的肾素和血管紧张素受体（angiotensin receptor，ATR）及脑微血管内皮细胞表达的血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme，ACE）（图1）。BRAS 产生的AngⅡ并非来自循环而是直接在脑组织中产生，不作用于外周，而是直接作用于邻近的神经细胞，因此相比于外周RAS，BRAS 对维持中枢神经细胞功能具有更重要的作用［4-5］。而BMEC作为外周RAS 和BRAS 共同的效应细胞，可能是实现RAS 与BRAS 调控的重要桥梁。尽管RAS 在外周循环系统疾病中的作用已被深入研究，但其对神经细胞的调控作用并未获得广泛关注，其调节机制也尚未明确。研究表明，BRAS 作为局部调控系统在调控NVU 和AD 的发生发展中发挥了重要作用［5］。本文拟围绕BRAS 介导的NVU 调控网络及其与AD关系的研究进展进行综述。

图1 人脑中枢神经系统（CNS）主要细胞中肾素-血管紧张素系统（RAS）关键成员RNA 表达与分布. nTPM：每百万碱基的转录本（transcripts per kilobase million）.数据获取自THE HUMAN PROTEIN ALTAS（https：//www.proteinatlas.org/）中的scRNA-seq数据库.

1 BRAS参与AD发生发展

BRAS 的运转机制与外周RAS 相似，在脑星形胶质细胞中合成的AGT 会被中枢游离的肾素代谢为AngⅠ，随后在BMEC、神经元和胶质细胞的细胞膜上被ACE 催化代谢为AngⅡ。AngⅡ可通过1 型血管紧张素受体（angiotensin type 1 receptor，AT1R）调节细胞的生理功能。AngⅡ随后被ACE2 转化代谢为Ang（1-7），而激活Mas 受体（Masreceptor，MasR）可对AngⅡ产生拮抗作用（图2）［4-5］。

AngⅡ具有强烈的缩血管活性，病理状态下，AngⅡ具有较强的促炎和促氧化作用［4-5］。AngⅡ的异常升高是高血压等心血管疾病的特征指标，也是血管性痴呆的重要诱因［6］。值得注意的是，AngⅡ是相对分子质量为1046 的非脂溶性多肽类化合物，由于其亲水特性，外周AngⅡ难以透过BBB［7］，因此，BRAS 对微环境稳态具有独立于循环系统RAS 的重要调控作用。临床研究表明，AD 患者脑组织中AGT 和AngⅡ显著升高，而脑脊液和血清中的ACE 蛋白水平和活性降低，内侧额叶皮质中ACE2 活性也显著降低［5，8-9］。ACE 是水解AGT 的关键酶，已有研究证实，ACE 具有水解Aβ1-42和抑制Aβ 沉积的作用［10］。注射外源性AngⅡ会造成血管功能损伤，促进Tg2576 小鼠Aβ 沉积，加剧认知损伤［11］。AngⅡ可通过激活AT1R 增加淀粉样前体蛋白mRNA 水平，或通过增强β-分泌酶活性和增加早老素表达等多种途径提高脑内Aβ 水平［12］。另有研究发现，AngⅡ与微管蛋白过度磷酸化、氧化应激和神经炎症有关［12-13］。衰老大脑表现出AT1R 上调及AT2R 下调的生理特征也间接提示AngⅡ在神经退行性疾病中的重要作用［14］。总之，BRAS 失调，特别是AngⅡ水平升高，可通过氧化应激和神经炎症等机制参与AD的发生发展（图2）。

迄今为止，诱导AD 患者BRAS 失衡的确切机制尚不明确，有研究提示，BRAS失衡与血管病变密切相关，其中AT1R 过度激活与脑血管缺血、脑氧化应激、BBB 破坏和炎症等密切相关［4］。ACE2 表达和活性的降低则与高血压、心力衰竭、动脉粥样硬化和糖尿病等血管相关疾病有关［15］。研究表明，高血压期间循环系统AngⅡ水平升高会破坏BBB 完整性，从而使外周循环系统中的AngⅡ能够进入交感神经中枢，诱导神经炎症［7］。简言之，维护血管健康，同时维持BRAS 稳态对预防AD 的发生及抑制其发展均具有重要意义。目前已开展多项RAS 药物改善认知障碍的临床试验，其中AT1R 拮抗剂（沙坦类药物）和ACE 抑制剂（普利类药物）具有良好的BBB 透过性，多项Ⅱ期临床试验结果显示，抑制BRAS具有改善认知功能的效应［16-20］。相比于其他RAS 抑制剂，沙坦类药物尤其是坎地沙坦具有更好的改善患者认知障碍的作用，且对患者血压和脑血流影响更小，更具开发潜力（表1）［16-31］。

表1 抗RAS药物改善认知的临床试验

2 NVU调节网络与AD发病机制

AD 发病机制的血管病理假说认为，脑血管系统通过能量传输、氧气运输和传递信号分子等途径维持中枢神经系统（central nervous system，CNS）微环境稳态，神经细胞也可通过信号转导调节血管状态，以满足CNS的物质与能量代谢需求。神经与脑血管间的这种交互网络被称为神经血管耦合（neurovascular coupling，NVC），其功能单位称为NVU［3］。NVU 主要由BMEC、胶质细胞和神经元组成，NVU 同样是构成BBB 的物质基础，NVU 成分间借助NVC 相互作用，并影响BBB 的结构完整性和功能［32］。NVU 功能失调可引起脑缺氧和BBB 破坏，导致外周毒素入脑，促进炎症和氧化应激产生，同时也会影响Aβ 清除，加速中枢Aβ 积累和NFT 形成，进一步恶化血管功能障碍，进入恶性循环，加重AD 病理［33-34］。神经元、脑微血管内皮细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞中任一成员的病理变化均可通过NVU调控网络进入恶性循环，破坏中枢微环境稳态。如小胶质细胞激活后可释放炎症因子，诱导反应性星形胶质细胞激活和异常增生、星形胶质细胞终足脱落并释放趋化因子破坏BBB 及外周毒素入脑并损伤神经元，最终导致神经退行性病变（图3）。

图3 神经血管单元（NVU）损伤诱导AD 发生. 病理状态下NVU 各成员细胞表现中出现如星形胶质细胞异常增生、神经元死亡、血管内皮细胞紧密连接降低、壁细胞迁移和小胶质细胞活化等病理学改变，破坏中枢神经系统微环境稳态，导致细胞氧化应激、神经炎症和代谢异常的发生，并最终诱导AD发生.

3 BRAS对NVU的调节作用

NVU 的调节网络十分复杂，其内部机制尚未完全阐明，而BRAS 的主要组件分别位于脑神经元和神经胶质细胞，AT1R 则几乎分布在所有血管和神经细胞上，因此AngⅡ可能在NVU 几种关键细胞间的信号传导和交流互作方面发挥调节作用，具有调节NVU 的作用［35］。CNS 中，星形胶质细胞通过表达AGT 调节AngⅡ水平，后者通过AT1R 作用于BMEC、神经元和神经胶质细胞，进而调节BBB 通透性和CNS微环境稳态。由此可见，BRAS是NVU调节网络中的重要环节，而AGT/AngⅡ/AT1R 则是NVU成员间实现交互串扰的重要途径。

3.1 BRAS对BMEC的调节作用

BMEC是AngⅡ重要的靶细胞。除了调节血管的紧张状态，AngⅡ也可通过凋亡信号调节激酶1和内皮素介导BMEC 损伤，并通过激活AT1R 破坏BMEC 间的紧密连接，降低电阻，从而提高BBB 经细胞和旁细胞通透性，破坏BBB 的完整性和屏障功能［36-37］。AngⅡ损伤BMEC 通透性的机制可能与AT1R 介导的过氧化物酶体增殖物激活受体α 去磷酸化有关［38］。近期Ding［39］等发现，AngⅡ可通过NADPH 氧化酶2 促进BMEC 中超氧化物的产生。此外，RAS 的激活也会抑制血管内皮细胞一氧化氮合酶磷酸化，从而影响一氧化氮（nitric oxide，NO）合成与释放，介导内皮细胞功能障碍，进而抑制细胞迁移［39-40］。

3.2 BRAS对神经元的调节作用

研究发现，AngⅡ可直接作用于神经元，并影响其电信号传递、氧化应激和炎症反应［41］。Case等［42］认为，AngⅡ介导的神经元损伤由线粒体超氧化物的增加所致，并提出神经元线粒体中NADPH氧化酶4 会通过产生超氧化物促进AngⅡ介导的神经元损伤。Ma 等［43］研究表明，AngⅡ可通过促进突触处的钙通道亚基α2δ-1 与N-甲基-D-天冬氨酸受体结合，增强交感神经元兴奋性。Garrido-Gil等［44］则发现，AngⅡ通过AT1R 在多巴胺能神经元铁稳态调节中发挥重要作用。激活AT2R 或Ang（1-7）-MasR 轴可改善认知障碍，并改善AngⅡ对神经元的损伤作用［45-46］。Kim 等［47］发现，RAS 抑制剂具有显著的神经保护作用，可纠正帕金森病模型斑马鱼的代谢异常。因此有研究指出，抑制AT1R 激活的同时选择性激活AT2R 是改善AD 中神经元功能障碍的潜在策略［46］。

3.3 BRAS对星形胶质细胞的调节作用

研究发现，AngⅡ可诱导星形胶质细胞炎症和氧化应激，并抑制星形胶质细胞对谷氨酸的摄取［48-49］。Diaz 等［50］和Boily 等［51］发现，AngⅡ增加星形胶质细胞上瞬时电位辣椒素受体4通道蛋白的表达，提高细胞内Ca2+浓度和相关信号强度，并引起星形胶质细胞终足与血管内皮细胞间的紧密连接受损。Nataf等［52］认为，AngⅡ是星形胶质细胞中水通道蛋白4 与转化生长因子β 间的信号传递介质。值得注意的是，星形胶质细胞是CNS 中AGT的主要来源，当敲除AGT基因后会导致星形胶质细胞终足从血管内皮细胞上脱离，并引起BBB 受损；补充外源性AngⅡ则有助于缓解这种损伤，而应激状态下产生的AGT则会加剧神经炎症［53-54］。AngⅡ不仅参与调控星形胶质细胞活化、炎症激活和氧化应激，也可通过星形胶质细胞调节BBB 功能或介导神经元损伤。

3.4 BRAS对小胶质细胞的调节作用

小胶质细胞极化可通过吞噬神经元突触介导突触损失，加剧微管蛋白磷酸化，并分泌炎症因子，或通过激活星形胶质细胞加剧对神经元的损伤［55］。研究发现，BRAS 与雌激素、Rho 激酶、胰岛素样生长因子1、肿瘤坏死因子α、铁离子、过氧化物酶体增殖物激活受体γ 和Toll样受体等多种小胶质细胞的极化因子间存在关联［14，44，56］。AngⅡ可激活小胶质细胞Toll 样受体4/MYD88 先天免疫信号转导适配器/NF-κB 信号通路诱导小胶质细胞活化，活化的小胶质细胞会进一步导致神经元凋亡和BBB 损伤；应用AT1R 拮抗剂坎地沙坦（candesartan）则可抑制AngⅡ介导的神经炎症［57-58］。Park 等［59］研究发现，长期输注AngⅡ会通过小胶质细胞活化诱导抑郁样行为。针对AngⅡ的促炎作用，有研究指出，降低小胶质细胞上AT1R/AT2R比例或激活ACE2/Ang（1-7）/MasR 轴，有助于抑制小胶质细胞激活，缓解神经炎症［60-61］。

4 血管炎症背景下BMEC诱导BRAS失衡

研究表明，血管病理损伤通常先于认知功能障碍和神经变性，是AD 的早期病理特征［62-63］。BRAS 作为重要的血管调控系统，其失衡是AD 早期血管病变的重要标志［5］。目前，诱导BRAS 失衡的具体机制尚不清晰，但可以肯定的是，其与AD 相关血管风险因素如高血压、糖尿病、心力衰竭和动脉粥样硬化等密切相关［15］。值得注意的是，在上述病理背景下，脑血管损伤程度较轻，BBB 仍保留着完整的结构和屏障功能，因此有毒有害物质难以入脑，但BMEC 长期暴露于循环系统中的炎症因子的刺激下则会通过NVC 影响NVU 中的神经细胞，进而导致认知障碍。Tan等［64］研究发现，BMEC 分泌的信号素3G 可通过神经菌毛素2/丛状蛋白A4 调控海马突触结构和可塑性。Lee 等［65］也发现，BMEC 可通过Notch 信号调控星形胶质细胞谷氨酸转运体1的表达。这些发现进一步表明，BMEC 具有逆向调节上游神经细胞，影响NVU的作用。

在NVU 中，星形胶质细胞与BMEC 关系最为密切，星形胶质细胞通过其细胞终足与BMEC 紧密相连，共同构成BBB，并可向BMEC 传递神经递质和信号分子，在神经元与BMEC 间发挥重要的桥梁作用［66］。因此，星形胶质细胞可能是BMEC 影响NVU 调控网络的主要靶细胞。BMEC 受炎症刺激时，会表达白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）和IL-1β 等炎症因子，而IL-6 和IL-1β 具有促进星形胶质细胞中AGT 表达和提高中枢AngⅡ水平的作用［67-68］。上述研究结果提示，在血管炎症背景下，BMEC 可通过释放炎症因子，促进星形胶质细胞中AGT 的表达，干扰BRAS 稳态，最终导致NVU 失调（图4）。

5 外周RAS通过BMEC调控BRAS

循环系统RAS 失调是外周血管性疾病（如高血压）的主要特征之一，具体表现为ACE 活性提高和血浆AngⅡ浓度升高，而循环系统中较高浓度的AngⅡ具有促炎活性，会进一步诱导血管炎症［69-70］。而BMEC 既是BRAS 重要的效应细胞，也是外周AngⅡ重要的靶细胞。因此，在高血压背景下，BMEC 可在AngⅡ的持续刺激下，通过IL-6和IL-1β等炎症因子及内皮素的表达与释放，直接调控邻近星形胶质细胞AGT 表达，影响BRAS 稳态［67-68］，或通过抑制硫化氢及NO 的产生和释放，间接影响BRAS的生理功能［69-74］。内皮素同样具有缩血管活性，可与AngⅡ协同发挥更强、更持久的缩血管作用，而硫化氢和NO水平的降低则会抑制ACE2的表达，进一步促进中枢AngⅡ水平的升高［75］。AngⅡ水平升高一方面会导致神经炎症，另一方面也会加剧BBB 的损伤，介导毒性物质入脑，致使恶性循环，最终导致神经退行性病变的发生［7］。由此可见，BMEC 可能是实现外周RAS 与BRAS 内外呼应的重要桥梁，关注BMEC 在BRAS 调控中的作用既有利于阐明NVU的调控机制，同时也有利于理解心血管风险因素对AD病理的影响。

6 结语

BRAS 是CNS 中的重要调节系统，主要通过免疫应答和氧化应激调控NVU中的细胞状态和功能。临床证据表明，BRAS 失衡是AD 患者重要的病理特征，病理状态下的AngⅡ可通过AT1R 促进CNS中Aβ 的产生以及细胞氧化应激和炎症反应，加剧AD 病理进程。而RAS 抑制剂类药物，特别是AT1R阻断剂对延缓AD 病程、改善认知障碍具有积极作用，有望成为AD 治疗的新策略。此外，本文依据NVC的调节网络，总结了外周炎症背景下BMEC通过影响中枢星形胶质细胞中AGT表达，进而干扰BRAS 稳态和诱导NVU 失衡的可能机制，并提出外周RAS借助BMEC与BRAS内外串扰的机制假说。该假说为解释外周疾病诱导神经损伤的病理现象、深入探究NVU 调控网络及开发AD 防治新策略提供了理论依据，值得进一步研究验证。