血管性认知障碍与NMDA受体相关通路研究进展

张 欣,徐忠信,何金婷,王姣琦

(吉林大学中日联谊医院 神经内科四病区,吉林 长春130033)

当今社会人口老龄化趋势日益突出,各种年龄相关疾病的发病率及患病率均有所上升,认知功能障碍作为神经内科常见疾病,其致病因素复杂、症状多种多样,前期轻微的症状常被患者及家属忽略,增加了诊断的难度,甚至延误了最好的治疗时机,给社会带来了重大的医学与社会问题。阿尔滋海默病(AD)与血管性认知障碍(VCI)是导致人群发生认知功能障碍的两大主要疾病。目前,VCI发病率逐年上升,患病率每5年就会增加一倍,仅次于AD,排名第二[1],占所有痴呆患者的1/4-1/2。随着心脑血管疾病患者增多,VCI将有可能取代AD成为引起痴呆的第一大病因[2]。研究发现,32%的脑卒中患者1年后可能罹患不同程度的认知功能障碍[3],既往患脑卒中的患者总体认知功能障碍的患病率高达64%,其中1/3会进展为痴呆。如不进行有效的干预治疗,患卒中和(或)痴呆的人口将高达总人口的1/3[4]。遗憾的是,目前我们对血管性认知障碍病因及发病机制的认识尚不完全清楚,多种影响因素可能参与了其发生发展过程。其中,N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体作为一种兴奋性离子型谷氨酸受体,在大脑皮层及海马中高度表达,参与学习和记忆的主要过程。其功能与结构改变可能与认知功能障碍的发生相关。本文拟以此为出发点,将血管性认知障碍与NMDA受体相关通路研究进行简要总结。

1 血管性认知障碍概述

1.1 血管性认知障碍的定义及病因

血管性认知功能障碍的定义在很长一段时间都存在争议。问题的核心主要集中在对血管性认知功能障碍病因的划分以及认知功能损伤水平的界定上。既往,神经内科医师多将脑卒中导致的痴呆称为多发脑梗死性痴呆(MID)或血管性痴呆(VaD)。但临床上可以见到部分患者无明确卒中病史,仅有脑血管病相关的危险因素,同样出现了不同程度的认知功能障碍,这类患者的认知功能下降是否应该归类于血管性认知功能障碍仍存在争议。更进一步从疾病发生的角度探讨,脑血管病相关危险因素是否可归类为血管性认知功能障碍的病因,这将对认知功能障碍的发病机制研究、可能患病人群及干预治疗措施产生很大影响。另一方面,认知功能损伤水平上,有学者认为除痴呆外,还应包含未达到痴呆诊断标准的认知障碍综合征。伴随着这些问题的提出和探讨,血管性认知功能障碍的定义也几经完善和补充。2006年美国及加拿大学者基于对欧美国家的卒中患者数据进行分析,对VCI的病因、范围等作出了明确规定：VCI是指不同程度的认知功能障碍,其特点是由血管或与血管相关因素引起,可合并或不合并AD。VCI根据病因及程度分为三类：未达痴呆诊断标准的VCI称为非痴呆性血管性认知障碍(VCIND),达到痴呆诊断标准的VCI称为血管性痴呆(VaD),如VCI合并AD共同致病称为混合型痴呆(MD)等[5,6]。无明确卒中病史,但存在脑血管病危险因素的患者出现认知功能障碍可归类为VCIND。将脑血管病危险因素囊括其中是为了更加有效的评估可能出现认知功能障碍的患者,并提前干预认知功能损害的发生及发展。VCI是一种高度流行和可以防治的综合征,对其进行早期干预可使更多的患者受益[5]。

1.2 血管性认知功能障碍的发病机制

由于引起VCI的病因不同,细胞和组织损害亦不同,VCI可能是血管性危险因素、机体和遗传因素共同作用的结果。有研究显示,AD与VaD可能存在共同的病理生理基础,如都发生了不同程度的脑组织灌注不足,通过对相关病理过程进行干预,可能会有效控制AD与VaD的发生发展。对于 VCI的神经元损伤机制,兴奋性神经毒性、中枢胆碱能系统功能紊乱、自由基损伤等均有研究[7],其中兴奋性神经毒性与VCI神经元的病理生理改变关系最为密切且有广泛报道。

中枢神经系统内的兴奋性氨基酸以天门冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)为主。生理情况下可维持正常的生理功能,但在某些病理情况下,兴奋性氨基酸持续过度释放,或其受体的过度活化,引起神经元死亡的过程称为兴奋性神经毒性。谷氨酸受体有代谢型和离子型两种类型。代谢型谷氨酸受体可通过膜内 G-蛋白、第二信使等信号转导系统；离子型谷氨酸受体包括 NMDAR(NMDAR)、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPAR) 和海人藻酸受体,通过离子通道偶联系统。前者产生缓慢的生理变化,后者介导快信号传导。在前文中所提及的病因做用于脑组织,使其发生缺血缺氧后,突触前膜释放的谷氨酸含量明显增高,持续过度激活NMDA受体损伤神经元,使其释放更多谷氨酸,最终导致神经细胞肿胀、空泡变性和细胞迟发性死亡。同时,Glu的超常释放可导致海马区域内病理性的长时程增强效应,可能导致海马神经元迟发性坏死,引起学习记忆功能障碍[8]。因此兴奋性氨基酸结合突触后的NMDA受体,是兴奋性神经毒性的重要步骤。

2 血管性认知障碍与NMDA受体

2.1 NMDA受体的组成

NMDA 受体在脑内广泛分布,海马 CA1 区突触后膜处最为密集[9],这也决定了海马在学习、记忆过程中的解剖学基础。编码NMDA受体亚单位的基因来源于 3 个家族,产生了NR1,NR2A-D 和 NR3几种亚基[10],构成了几种不同的四聚体或五聚体。两个NR1 亚基共同组成NMDA通道的必需组成部分,是NMDAR发挥生物学效应必不可少的功能亚基。在脑组织中广泛分布,海马、大脑皮质中分布最为丰富[11]。NR2 亚基对 NMDAR 功能起修饰作用,是 NMDAR 的调节亚基,其本身不具有传递信息和递质释放的功能活性[12]。 NR2B亚基参与学习记忆的形成过程,其数量的增加及功能的增强可提高学习记忆能力,可分为NR2A-D四种亚单位[13]。小鼠海马 NR2B数量幼年时较多,其数量随着年龄增长逐渐减少,这也解释了随年龄增长逐渐退化的学习记忆功能。NR2C 和 NR2D 的数量则较稳定。小鼠海马的 NR2B 基因过度表达,可降低海马的长时程增强(LTP)的诱导阈值,使突触可塑性发生变化,LTP更易发生,小鼠学习记忆能力增强[14]。NR2B包含糖苷化位点的胞外 N 端、M1-M4 四个跨膜区域和含有多个磷酸酯酶 C(PKC)和 Ca MKII 的磷酸化位点的胞内 C 端三个结构域[15]。正常生理情况下,NMDA 受体具有Mg2+结合位点,Mg2+与NMDA受体结合,可导致Ca2+结合受阻,NMDAR可以通过M2 区域的冬氨基残基的磷酸化/去磷酸化过程改变空间构象,使Mg2+移位,使突触后膜对Ca2+的通透性增加。NR3 亚基在与 NR1/NR2 连接形成复合体后发挥抑制作用,使突触后膜对Ca2+的通透性降低、对Mg2+的灵敏度下降,限制兴奋性突触过度兴奋,起到神经元保护作用[16,17]。不同亚基构成不同的NMDAR,分布于不同的脑区,也发挥着不同的生理功能。

2.2 NMDA受体的传导通路

当配体与NMDA 受体结合后,突触后 Ca2+浓度迅速升高,与G 蛋白结合使PKC活化,引起细胞内级联反应：首先,可通过激活PKC,通过使蛋白质磷酸化和去磷酸化修饰核转录因子,干预相关靶基因启动和转录。其次,PKC可使依赖性谷氨酸的释放增加。最后,突触后迅速变化的 Ca2+浓度可以进一步调控电压依赖性通道开放,促进Ca2+内流,引起正反馈效应。以上过程共同作用,可启动LTP效应[18],适当的刺激可以使LTP作用增强,学习记忆能力得到提高,但在损伤的脑组织中,过度兴奋的NMDA受体可导致细胞内钙超载,引起细胞毒性作用,甚至可导致细胞凋亡,这就是卒中患者认知功能下降的分子生物学基础。

2.3 NMDA受体的亚细胞分布

在卒中患者中,认知功能障碍发生率很高,甚是在未发生明显脑组织缺血缺氧,仅存在损害脑血管的危险因素时,认知障碍仍较其他神经功能缺损症状发生率高。经过查阅相关文献,我们可以发现,不同NMDA受体具有细胞及亚细胞分布上的差异,这或许可以解释为什么血管损伤患者易合并认知障碍。

在大脑皮质、小脑等部位的锥体神经细胞中,微弱的突触活动不能引起动作电位时,NMDA 受体偶联离子通道可以使少量 Ca2+进入细胞；动作电位阈值以上的刺激做用于电压门控性钙通道,使Ca2+大量内流,此时突触后仍具有自身缓冲Ca2+浓度变化的能力。而海马 CA1 区锥体神经元这种对抗Ca2+浓度短时间、大幅度的变化的能力较弱,这也解释了为何卒中或存在脑血管病危险因素的患者,其脑组织缺血缺氧后易发生认知障碍。综合以上,钙离子可通过不同部位、不同时间、不同浓度的变化,在不同的神经细胞内发生不同的生化改变,产生不同的生物学效应[19],这也为干预突触可塑性,进而干预认知功能障碍提供了生物学基础。

在神经元中,NMDA 受体在突触内外均有分布,包括突触前、后、突触旁和突触外等区域,但突触后致密区(PSD)最为密集。在兴奋性PSD中,树突棘NMDA 受体的密度高于树突杆和胞体细胞膜[20-22]。在生理情况下,突触前膜释放的谷氨酸盐递质的含量只能激活较敏感的树突棘部位的NMDA受体,而不能使树突杆和胞体细胞膜产生反应,只有接受了较强刺激,突触外的NMDA受体才会激活,引起Ca2+大量进入突触后膜,激活下游通路[20]。上述NMDA受体的分布差异为不同强度刺激引起不同生物学效应提供了解剖学解释。

3 NMDA受体与突触可塑性

突触的数量、形态结构(如突触小泡数量)、功能以及突触间隙的距离可在外界刺激下发生改变,甚至发生突触变性失活,这种特性被称为突触可塑性。根据突触传递效能发生的变化,可以分为长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)[10,21]。Bliss 等[22]在家兔海马的研究中发现了LTP现象。NMDA受体在海马的LTP中起重要作用,其中最重要的是NR2B 亚基。动物研究发现,增加NR2B 基因表达,可以使海马 LTP得到提高,新生树突棘数量增加,存活率提高[14]。

LTP可分为早时相 LTP 和晚时相 LTP,早时相LTP持续时间较短,晚时相 LTP持续时间较长。NMDAR 在突触长时程增强效应发生过程中其重要作用,被称为LTP的“触发器”[23],主要通过 NMDAR-Ca MKII-AMPAR 通路起到调节LTP的作用。LTP的第一阶段为诱导：NMDA 受体与配体结合后激活AMPA 通路,Ca2+释放激活钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶(Ca MKⅡ),Ca MKII是一种多功能丝/苏氨酸激酶[24]。Ca MKII未激活时,自身抑制结构域可以阻遏催化活性结构域的活性,Ca2+进入突触后与钙调蛋白结合,苏氨酸残端自抑制功能区(Thr286)磷酸化,Ca MKII活化并发生位移,移位至突触后致密区与NMDAR结合,通过 Ras GEF 或 Ras GAP 两个方向调节 Ras-ERK 通路活性,也可以直接激活GEF,通过激活AMPAR受体[25],诱导启动LTP。AMPAR 激活后可使NMDA受体的N2B亚基上的Glu R1 的 S831 位点磷酸化,使 AMPAR 电导能力增强,传递效率增加,同时可以通过增加受体向突触后膜的迁移效率增加受体数量,提高LTP效率。Ca MKⅡ激活后,可自身持续磷酸化引起酶持续性的活动,完成LTP的第二阶段,即维持[26-28]。在LTP诱导及维持的过程中,NMDAR起到了至关重要的作用,过度的NMDA受体激活会导致神经细胞损害,因此有效阻止NMDAR过度激活可以降低认知障碍的发生风险。同时,换一个角度思考,在已经发生损伤的神经元中,提高LTP的效能,是否可以改善患者的认知功能障碍,这为认知障碍的治疗提供了思路。现阶段部分治疗认知障碍的药物正是通过干预NMDA传导通路起作用。

4 血管性认知障碍与NMDA受体相关的治疗

美金刚(1-氨基-3,5-二甲基金刚烷盐酸,Memantine)为NMDA受体拮抗剂,从上世纪80年代开始用于治疗Parkinson病。美金刚是一种中等亲和力、电压依赖性、非竞争性NMDA受体拮抗剂,既能维持NMDA受体生理性激活,又可阻断其轻度病理性激活,使得NMDA受体能够保持其基本的生理活性,且其有效量与中毒量差距较大。美金刚还可以对缺血缺氧的脑组织起保护作用[29]。

尼莫地平是二氢吡啶类钙离子拮抗剂,可以有效阻断L型钙通道,避免NMDAR过度激活,可有效降低细胞内钙超载的发生几率,减轻缺血缺氧造成的神经毒性作用。因其较高的脂溶性可有效的的通过血脑屏障[30],同时尼莫地平可以与脑血管平滑肌细胞上的受体特异性地结合,因此对脑组织具有较好的组织特异性；此外尼莫地平可以与海马、皮质等与学习、记忆相关脑区的脑神经元细胞受体结合,改善学习、认知功能[31]。因其作用于小血管,可以实现脑血流的自动调节、扩张脑血管,同时不产生盗血作用,对于脑组织代谢的影响较小,对于心血管疾病外周循环的血流动力学影响也较小,对改善脑血管病患者的认知功能障碍安全有效[32]。

5 问题与展望

美国心脏协会(AHA)和美国卒中协会(ASA)建议成人卒中康复过程中,所有患者均应对认知功能进行评估(I,B),在干预卒中的同时进行认知功能障碍的干预治疗。我国也出台了《卒中后认知障碍管理专家共识》,针对脑血管病危险因素的一级预防、针对脑卒中发生发展及复发的二级预防和对症治疗,以减轻卒中后认知功能障碍的损害[33]。VCI的诊断一旦明确,就应以减轻患者症状、延长患者的生存期、提高患者的生活质量为目的进行药物及心理社会行为等治疗。由于目前对VCI发生机制的认识尚不充分,在脑组织缺血缺氧过程中发生的与认知功能相关的病理生理过程又非常复杂,致使临床药物有限,治疗成本高,给家庭及社会都带来了极大的负担。NMDA受体相关通路对学习和记忆的影响已经得到了公认。通过围绕NMDA受体的多靶点干预,实现对突触可塑性的调控,可能成为延缓或逆转认知功能障碍发生发展的一个潜在途径,为临床药物的开发提供潜在干预位点。