Nrf2-ARE信号通路在阻塞性睡眠呼吸暂停导致神经认知损伤中的研究进展

董文平 任寿安

阻塞性睡眠呼吸暂停(Obstructive sleep apnea，OSA)是导致睡眠呼吸障碍的常见原因，慢性间歇性缺氧(Chronic intermittent hypoxia，CIH)为其特征性改变，表现为睡眠期间反复发生上气道阻塞，导致上呼吸道气流停止或明显受限，常伴有血氧饱和度下降和睡眠觉醒[1]。OSA患者常见的临床表现为睡眠期间出现打鼾、呼吸暂停以及白天嗜睡，不仅如此，OSA还可影响全身多个脏器系统的病理改变，患者可不同程度的出现心血管疾病、内分泌紊乱及神经认知损伤等[2]。近年来关于OSA与神经认知损伤关系的研究较多，其可能的机制包括氧化应激致炎症反应、睡眠微结构紊乱、血脑屏障的适应性稳态反应改变以及默认模式网络(Default mode network，DMN)功能连通性降低等[3-5]。核因子红细胞2相关因子2-抗氧化反应元件(Nuclear factor erythrocyte 2-related factor 2-antioxidant response element，Nrf2-ARE)信号通路是机体重要的氧化还原途径之一，在调节细胞抗氧化应激反应及维持细胞氧化还原稳态方面发挥防御保护作用[6]。很多动物及临床实验研究均证明了Nrf2激活在OSA导致神经认知损伤的过程中发挥抗炎反应及神经保护作用[6-8]。本文就Nrf2-ARE信号通路在OSA导致神经认知损伤中的研究进展综述如下。

Nrf2-ARE信号通路的组成

Nrf2属于碱性亮氨酸拉链转录因子家族的一员，是细胞氧化还原的中央调节器[7]，Nrf2-ARE信号通路是体内最重要的抗氧化途径之一，在促进神经系统抗氧化应激方面起到关键作用[9]。Nrf2-ARE信号通路由三部分组成：Kelch样ECH相关蛋白1(Kelch-like ECH associated protein 1，Keap1)、Nrf2和抗氧化反应元件(ARE)。Nrf2的调节主要是通过控制维持Nrf2蛋白水平来实现的[10]。在基本的稳态条件下，细胞质中的Nrf2主要通过Keap1-Cullin3(Cul3)-Rbx1泛素E3连接酶复合物与Keap1结合，促进泛素化降解Nrf2[11]，所以细胞质内Nrf2的蛋白水平通常较低。当氧化应激时，Nrf2依赖的细胞防御机制启动，Keap1的半胱氨酸被亲电试剂修饰使Keap1失活，Nrf2从Keap1释放并易位到细胞核内，一旦进入细胞核内，活化的Nrf2与小的肌肉腱膜纤维肉瘤(small Musculoaponeurotic fibrosarcoma，sMAF)蛋白异源二聚形成蛋白复合物以启动含ARE靶基因的转录[10]。Nrf2调控通过与启动子区域的ARE结合来控制细胞保护基因的表达[11]，并诱导一系列抗氧化酶的激活，包括血红素氧化酶1(Heme oxygenase-1，HO-1)、醌氧化还原酶(Quinone oxidoreductase，NQO1)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽转移酶(Glutathione S-transferase，GST)等[12-13]，从而进一步调节细胞对氧化应激的适应性反应，并且在维持细胞氧化还原稳态方面发挥保护作用。

OSA神经认知损伤机制

一、氧化应激

海马在空间学习及记忆中起到关键作用，研究表明CIH引起大鼠海马强烈的氧化应激及神经元凋亡，并且OSA患者的海马结构受炎症刺激可引起胶质细胞活化，可进一步导致特异性区域体积增加[14]，所以OSA患者的认知障碍也很可能与海马结构及功能改变相关。另外也有研究表明CIH可致海马体促氧化状态，从而破坏海马突触可塑性及空间记忆[15]。在OSA导致神经认知损伤中，氧化应激引起的炎症反应贯穿整个进展过程[16]，大脑本身是一个耗氧器官，海马神经元对氧化应激反应更敏感，所以当OSA患者反复出现缺氧复氧，机体可产生大量活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，ROS可激活多个途径诱导神经元功能障碍，包括线粒体功能障碍、炎症反应、细胞凋亡、内质网的应激及神经元活动的干扰，使海马神经元氧化/抗氧化失衡，出现异常的信号转导，最终导致空间学习及记忆能力下降[17]。

Nrf2-ARE信号通路是机体重要的氧化还原途径，在CIH导致的抗氧化应激过程中发挥重要作用，对神经系统氧化应激引起的炎症反应及神经毒性也起到防御保护作用，Nrf2抑制或缺乏，可导致细胞线粒体功能障碍、炎症上调及抗氧化酶下调，与CIH本身诱导的氧化应激产物的过度产生，共同破坏神经元及神经信号通路，导致神经认知损伤[6]。在很多动物实验研究中，Nrf2-ARE信号通路的研究受到广泛关注，一项Nrf2基因敲除的小鼠实验[18]中发现Nrf2基因缺乏的小鼠对氧化应激和炎症反应更敏感，海马区域氧化和促炎标志物水平增加，而且Nrf2的缺乏会降低海马区域的长时程增强(Longterm potentiation，LTP)，这表明Nrf2对海马电生理功能维持具有重要意义。在一项关于脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)诱导的小鼠神经炎症模型实验研究中也证明了Nrf2缺乏会加重氧化应激，使小鼠的海马胶质细胞和星形胶质细胞反应性增多，加重LPS诱导下的小鼠认知障碍和反应性脑损伤，表明Nrf2通路激活在LPS触发的胶质反应和认知损伤中发挥重要作用[7]。所以当机体间歇性缺氧出现氧化应激时，Nrf2-ARE信号通路可被激活传导，对神经系统可能起到抗氧化应激的保护作用。另外也有相关研究表明[6]，中重度的OSA患者外周血中Nrf2-ARE通路相关抗氧化物酶显著降低，Nrf2-ARE蛋白表达的降低也与OSA患者的记忆及执行功能损伤有显著相关性。这些均提示Nrf2-ARE信号通路对OSA神经系统维持细胞正常的氧化还原稳态具有重要意义，但是关于CIH导致Nrf2-ARE信号通路紊乱是如何影响OSA神经认知损伤的具体机制仍不明确。

二、睡眠微结构紊乱

睡眠微结构包括睡眠觉醒和循环交替模式(Cyclic alternating pattern，CAP)，OSA患者常表现为睡眠觉醒，而觉醒不稳定是由于脑电图中循环交替模式的改变引起的[3]，频繁的睡眠觉醒会中断睡眠连续性，最终导致睡眠障碍。有研究提出OSA的严重程度是与A期亚型相关，且在不同严重程度的OSA患者中，CAP的适应性觉醒过程和不适应觉醒过程之间是存在平衡的[19]，但是当在较重的OSA中，睡眠稳定机制可能会发生失代偿，导致睡眠结构紊乱，睡眠电路被破坏。另外OSA患者的睡眠微结构的改变与其白天嗜睡及认知障碍的临床特征是相关的，CAP和觉醒参数随着OSA的严重程度逐渐增加，而且A3期指数的增加与白天嗜睡和认知功能密切相关[3,20]。CAP-A相主要在额顶叶皮质激活，随着CAP率(即CAP时间与非快速眼动睡眠时间的百分比)的增加这些区域的A相活动显著增强，导致觉醒不稳定，睡眠效率低，从而使睡眠期间巩固额叶和顶叶皮质区域的认知输入能力受损[21]，表现出语言流利性、记忆和视觉空间技能的受损。但是目前关于循环交替模式与OSA严重程度及认知功能影响的研究尚不充分，仍需进一步探索。

三、血脑屏障的适应性稳态反应改变

还有许多研究提出OSA导致神经认知损伤是CIH通过分子反应破坏血脑屏障(Blood brain barrier，BBB)来影响的[4]，认为OSA因其CIH产生氧化应激的特性，引起机体微环境的改变，尤其使耗氧量高的大脑海马及海马神经元受损，影响大脑突触的连接结构及功能可塑性，从而影响BBB。这种微环境的改变最初表现为微血管通透性的改变，是BBB的适应性稳态反应，但是在长期CIH中，复杂的适应性改变可能引起BBB产生不良反应，使这样一种适应性稳态反应转变为一种破坏性的反应。

Nrf2在血管生成过程中起到调控氧化还原信号通路的中心作用，与ARE结合后驱动抗氧化酶激活可调节BBB微环境的改变[22]。所以当氧化应激导致Nrf2受损时，脑微血管内皮细胞的血管生成能力会受到抑制，使内皮功能障碍加剧。而且Nrf2的缺乏可使大脑小胶质细胞增生，引起神经炎症和微血管损伤，导致认知障碍[23]。研究发现在BBB模型中，CIH诱导产生大量ROS引起氧化应激导致炎症级联反应，使转录因子Nrf2、缺氧诱导因子(Hypoxia-inducible factor-1 α，HIF-1α)的表达和活性增加[24]。Nrf2与ARE结合后调节抗氧化防御基因表达及血管生成能力，HIF-1α也参与刺激血管生成、细胞增殖、炎症反应等生物过程的基因转录，这些转录因子可以改变BBB上ATP结合盒(ATP binding cassette，ABC)转运蛋白的表达和活性，长期ABC转运蛋白的改变，将会引起BBB微血管通透性的变化，影响大脑的微环境，从而引起认知功能障碍[4]。研究提示OSA患者通过改变BBB的适应性来影响神经认知功能是与CIH密切相关的，而且Nrf2-ARE信号通路在抗氧化防御及BBB中血管生成作用中发挥重要作用，这为我们以后的研究提供了方向。

四、大脑默认模式网络的功能连通性降低

OSA患者的认知功能损伤常表现为记忆力减退、注意力下降、警觉及执行能力减退以及运动功能障碍等[25]。研究提出这些功能区域的损害表现是由于对应的大脑区域长期间歇性缺氧导致脑血流灌注不足，使DMN的功能连接性受损所致。他们认为DMN是一个大脑区域网络，而OSA可通过低氧血症选择性地影响双侧中颞回、双侧额极和双侧海马区的神经活动[5,26-27]。有研究表明OSA患者海马中参与记忆加工的区域中，存在皮质变薄和髓鞘丢失，而且海马区萎缩及脱髓鞘会随OSA的严重程度而增加，这提示OSA患者的认知功能受损，可能与海马区功能连接性降低有关[28]。OSA患者的海马结构在受炎症刺激及胶质细胞的活化后出现特异性区域体积的增加[14]，表现在右半球额叶、中央和枕叶的皮质厚度及左侧海马和杏仁核的体积增加，但是左右颞叶皮质厚度却减少[29]。OSA患者大脑出现不同皮质区域厚度的增加与减少，会对大脑结构的完整性产生影响，从而改变OSA患者的中央执行网络与DMN之间存在的静息状态功能连接，最终影响大脑区域的执行功能。另外在睡眠记忆处理的关键区域，长期低氧血症的患者海马旁皮质之间的功能连接减少，且内侧颞叶结构功能连接受损[30]，在工作记忆区域，工作记忆网络额叶半球之间的有效连接性减少，但右半球连接性增加，使大脑由默认静息状态模式向与执行网络相关的复杂认知活动转换[31]。而且研究发现在持续正压通气治疗(Continuous positive pressure ventilation，CPAP)下DMN的连接性增加且皮质改变减轻，CPAP治疗3个月后，右额叶中回的连接性增加，CPAP治疗12个月后几乎可完全逆转白质异常，而且注意力、执行功能和记忆改善与CPAP治疗后白质的改变相平行[32]。这些均说明了CIH在大脑DMN功能连接性降低的机制中起到关键作用，而且通过CPAP治疗后可以改善DMN功能连通性降低，从而提高OSA患者的神经认知功能，但是目前关于CIH影响DMN功能连通性的分子信号传导仍不清楚。

OSA与阿尔茨海默症

阿尔兹海默症(Alzheimer's disease，AD)是一种长期进展的慢性疾病，OSA与AD在影响神经认知损伤的通路上是有相似性的，一项通过多模式的神经影像学检查来探索OSA与阿尔茨海默症关系的研究中，发现OSA患者的后扣带回和楔前叶的淀粉样蛋白沉积量较大，且增加的淀粉样沉积位于相同的AD敏感解剖区域[33]，这说明OSA与阿尔茨海默症在影响神经认知损伤方面可能有共同通路。

Nrf2-ARE信号通路在AD疾病发展中起重要作用，完整的Nrf2信号可保护AD小鼠免受氧化应激介导的细胞损伤和神经毒性[7-8]。BACE1是淀粉样β肽(Aβ)生成的限速酶，也是AD发病机制中的关键事件，即使BACE1轻微表达，对Aβ的积累也可能产生深远影响，Gahee Bahn等人研究提示Nrf2可通过结合小鼠和人类的BACE1和BACE1-AS启动子上ARE位点来调控BACE1和BACE1-AS的表达，证明了Nrf2对于Aβ神经毒性有保护作用[34]。近年来Nrf2也被作为AD的治疗研究靶点，多种证据表明，激活或抑制Nrf2可显著影响AD疾病的发生和发展[10-11]，Tian Y等人实验指出Nrf2-ARE通路在增加细胞对氧化应激的防御系统中起到关键作用，证明了Nrf2-ARE途径可通过降低PS1V97L-7g小鼠(PS1V97L-7g小鼠是一种转基因小鼠系，包含基因可致人类AD)Aβ水平和氧化应激来提高神经元活力介导改善认知功能[35]。另外在一项Keap1基因敲除的AD小鼠模型实验中[36]，也提示Keap1基因的敲除可诱导Nrf2基因激活，从而诱导改善AD小鼠的认知功能，尤其在情绪联想记忆的下降方面。

CPAP治疗对OSA神经认知损伤的影响

CPAP治疗是OSA患者常用的一种治疗方式，但是CPAP的治疗是否可以改善相关认知损伤或是否延缓OSA所致的认知障碍进展目前说法不一。最近一项研究指出CPAP治疗对于OSA患者注意力改善及警觉性提高有帮助，但对于其他领域的缺陷改善不佳[37]。也有研究表明长期的CPAP治疗在改善总认知功能障碍和部分认知功能障碍亚区的同时，也可有效地治疗白天嗜睡，但是仅6个月的CPAP治疗，不能显著改善记忆损伤[38]。因为很多研究缺乏长期(1年以上)CPAP治疗，不能明确长期CPAP治疗对神经认知功能的影响，但是所有的研究均指向CPAP治疗对OSA神经认知功能的改善是有帮助的。坚持CPAP治疗并且提高患者的依从性可能会减轻并延缓OSA患者认知能力下降的速度，从而降低痴呆症的风险[39]。

小 结

阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)通过CIH引起氧化应激，诱导多种途径影响大脑结构及功能的改变，从而导致神经认知损伤。Nrf2-ARE信号通路是机体重要的氧化还原途径之一，在OSA导致神经细胞损伤的过程中起到关键作用，但是关于Nrf2-ARE通路紊乱是如何影响OSA导致神经认知损伤的发病机制目前仍不明确。阐明Nrf2-ARE信号通路的传导机制及Nrf2激活或抑制对于神经认知损伤的影响，有望为探索OSA导致神经认知损伤的发病机制、风险预测及治疗靶点提供新的思路。