慢性間歇性缺氧大鼠認(rèn)知功能障礙的研究進(jìn)展

徐小琴， 徐 平

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科，貴州 遵義 563099)

慢性間歇性缺氧(chronic intermittent hypoxia,CIH)是阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征(obstructive sleep apnea syndrome,OSAS)的主要病理生理特征，也是OSAS相關(guān)組織損傷的重要因素[1]，CIH模擬OSAS導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的主要原因是其損傷了海馬和額葉皮層區(qū)域[2]。OSAS是一種睡眠相關(guān)的呼吸障礙，其特征為氣流停止的反復(fù)性發(fā)作、間歇性低氧/再氧化，主要病理生理改變?yōu)镃IH、胸內(nèi)負(fù)壓增加、睡眠結(jié)構(gòu)異常、反復(fù)覺醒和二氧化碳潴留，導(dǎo)致睡眠覺醒和間歇性低氧血癥[3]。

為了探究OSAS在認(rèn)知功能障礙發(fā)展過程中的作用，建立了CIH動(dòng)物模型?；谝韵聨追N原因，大部分實(shí)驗(yàn)方案采用雄性成年SD大鼠在白天模擬睡眠呼吸暫停：①流行病學(xué)表明OSAS的發(fā)病率男性比女性高，OSAS常見的合并癥包括男性性功能障礙，提示性激素在該病中的作用[4]。雌性SD大鼠容易受生理周期體內(nèi)激素水平變化的影響，且雌激素對(duì)機(jī)體本身具有保護(hù)作用，可能對(duì)抗OSAS引起的胰島素抵抗、氧化應(yīng)激、炎癥因子的釋放、交感神經(jīng)過度興奮引起的血壓升高等情況[5]，而雄激素會(huì)增加氧化應(yīng)激，更容易發(fā)生神經(jīng)退行性變[6]。②OSAS的風(fēng)險(xiǎn)及氧化應(yīng)激水平隨著年齡增加而增加，CIH后成年大鼠表現(xiàn)出比幼年大鼠更嚴(yán)重的空間學(xué)習(xí)記憶下降，CIH后睪酮水平降低的情況僅發(fā)生在成年(3月齡)且性腺完整的雄性大鼠，并且出現(xiàn)性功能障礙和氧化應(yīng)激，即CIH對(duì)成年性腺完好的大鼠有更大的影響[7]。③大鼠生存率高，對(duì)CIH誘導(dǎo)的缺氧性通氣反應(yīng)更敏感，大鼠的腦部結(jié)構(gòu)及生理功能與人類大腦更接近；小鼠神經(jīng)系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)發(fā)育不完善，比大鼠更容易受到除了缺氧以外的其他因素的影響[7-8]。④CIH暴露在白天階段主要是此期為嚙齒動(dòng)物的睡眠期，有研究表明CIH暴露可能會(huì)增加清醒動(dòng)物缺氧性通氣反應(yīng)[8]。

CIH模擬OSAS導(dǎo)致大鼠認(rèn)知功能障礙可能與以下機(jī)制相關(guān)，具體綜述如下。

1 神經(jīng)元損傷相關(guān)機(jī)制

CIH可導(dǎo)致大鼠神經(jīng)元的損傷，主要表現(xiàn)為神經(jīng)元細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的改變以及神經(jīng)元細(xì)胞的丟失，且呈時(shí)間依賴性。因?yàn)楹ｑR神經(jīng)元對(duì)缺氧高度敏感，CIH首先導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)的損傷，海馬錐體神經(jīng)元樹突萎縮、灰質(zhì)體積減少；隨后出現(xiàn)在認(rèn)知中起關(guān)鍵作用的額葉皮質(zhì)、海馬區(qū)域、膽堿能神經(jīng)元的細(xì)胞凋亡[8]。HE染色可見大腦皮質(zhì)(額葉皮層、前扣帶回皮層)、海馬、腦干、小腦的神經(jīng)元出現(xiàn)細(xì)胞水腫、細(xì)胞數(shù)量減少、細(xì)胞分散排列、細(xì)胞核固縮、細(xì)胞凋亡等病理改變[9]。CIH引起大鼠神經(jīng)元損傷的機(jī)制主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS) CIH模擬OSAS的頻繁低氧/復(fù)氧的氧合模式類似缺血再灌注損傷[10]，體內(nèi)活性氧(O2-·、H2O2、OH·)的產(chǎn)生增加，發(fā)生氧化應(yīng)激，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞損傷。OS引起神經(jīng)元損傷的機(jī)制可能是：①OS使缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)的合成增加和缺氧誘導(dǎo)因子-2α(HIF-2α)的降解增加，引起HIF-1α依賴性促氧化劑和HIF-2α依賴性抗氧化酶的體內(nèi)平衡被破壞，進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元損傷[11-12]；②OS引起大腦皮質(zhì)及海馬神經(jīng)元的蛋白質(zhì)氧化、脂質(zhì)過氧化和核酸氧化水平增加，如脂質(zhì)代謝產(chǎn)物丙二醛(MDA)、脂質(zhì)過氧化標(biāo)記物硫代巴比妥酸反應(yīng)物(TBARS)水平的增加，DNA損傷的特異性生物標(biāo)志物8-羥脫氧鳥苷(8-OHdG)升高，黃嘌呤氧化酶增加，NADPH氧化酶和NADPH氧化酶亞基P47Phox表達(dá)升高等，進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[13-15]；③OS還可能通過基因蛋白的表達(dá)異常，引起神經(jīng)元凋亡，Gao等[16]發(fā)現(xiàn)大鼠在缺血缺氧損傷后，海馬神經(jīng)元中能引起線粒體功能障礙的miR-26b表達(dá)增高，而對(duì)抗神經(jīng)變性的miR-207表達(dá)降低。

1.2 信號(hào)通路異常激活

1.2.1 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)號(hào)傳導(dǎo)途徑 CIH可能持續(xù)過度地激活MAPK信號(hào)傳導(dǎo)途徑，引起大腦神經(jīng)元損傷的機(jī)制可能是：①pERK1 / 2，P38MAPK和JNK水平在不同缺氧時(shí)間點(diǎn)(2,4,6和8周)增加[17]；②下游抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)減少和促凋亡蛋白Bax的表達(dá)增加[18]；③下游底物c-Raf-1、ERK-1、c -Fos磷酸化增加[19]；④誘導(dǎo)微管相關(guān)蛋白-2(MAP-2)蛋白的降解[20]。

1.2.2 N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDARs)路 N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDARs)路引起大腦神經(jīng)元損傷的機(jī)制可能是：①通過過度活化GluN2B引起興奮性中毒導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[21]；② NMDAR通過細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1 / 2)信號(hào)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)神經(jīng)元可塑性和存活[22]；③NMDAR-ERK信號(hào)級(jí)聯(lián)可參與調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白如Ca2 +/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II(CaMKII)、突觸相關(guān)蛋白102(SAP102)、Ras GTP酶活化蛋白(SynGAP)來影響神經(jīng)元的存活[23]。

1.2.3 其他信號(hào)途徑 Mei等[24]發(fā)現(xiàn)“ADORA1-PKC-KATP”途徑可能與CIH后神經(jīng)細(xì)胞的損傷相關(guān)，腺苷A1受體(ADORA1)在缺氧暴露過程中發(fā)揮重要作用，研究表明ADORA1激動(dòng)劑CCPA可加劇間歇性低氧暴露后神經(jīng)細(xì)胞的損傷。Pan等[25]發(fā)現(xiàn)CIH可能使Wnt /β-連環(huán)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)途徑異常，GSK-3β活化增加，β-連環(huán)蛋白表達(dá)下降，增加海馬神經(jīng)元的細(xì)胞凋亡，引起空間學(xué)習(xí)和記憶障礙。

1.3 細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)改變

1.3.1 CIH可引起神經(jīng)元細(xì)胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)排列紊亂、擴(kuò)張，出現(xiàn)脫顆?，F(xiàn)象，線粒體表現(xiàn)為腫脹、空泡變性或嵴消失，從而改變離子通道的興奮性和功能性，導(dǎo)致氧化應(yīng)激及細(xì)胞內(nèi)鈣超載，自由基產(chǎn)生增多，加重神經(jīng)元細(xì)胞損傷[26-28]。

1.3.2 CIH后透射電子顯微鏡(TEM)下觀察到大鼠海馬CA1區(qū)域突觸水腫、突觸膜不完整、突觸囊泡和突觸后致密物的減少或消失，突觸間隙由于水腫而變窄，還可觀察到海馬錐體神經(jīng)元樹突萎縮[29]。Polsek等[16]提出多發(fā)性突觸是CIH引起的OSAS病理改變的核心，在CIH后腦皮質(zhì)、海馬旁回和內(nèi)側(cè)額葉皮質(zhì)表現(xiàn)出持續(xù)的過度激活，膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元、血管平滑細(xì)胞之間產(chǎn)生多向突觸交叉對(duì)話，引起神經(jīng)元突觸傳遞、突觸可塑性和腦血流量的改變，神經(jīng)元突觸活動(dòng)過度，影響Aβ和tau的清除，干擾突觸可塑性，進(jìn)而引起認(rèn)知功能障礙。CIH可激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號(hào)傳導(dǎo)途徑[30]，使P-tau、P-70S6水平升高，GSK-3β活性增加，突觸后蛋白(GluA1、GluA2、PSD-95)水平降低，干擾突觸傳遞的有效性，引起認(rèn)知功能障礙[31-32]。Wu等[33]發(fā)現(xiàn)CIH后內(nèi)源性5-羥色胺(5-HT)輸入減少，引起下游BDNF-TrkB信號(hào)傳導(dǎo)通路異常，BDNF依賴性突觸蛋白缺乏，突觸小體減少。高等[23]發(fā)現(xiàn)CIH后大麻素受體1表達(dá)增加，使神經(jīng)突觸傳遞功能障礙、神經(jīng)細(xì)胞鈣通道調(diào)節(jié)異常，引起神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)和功能的損傷，從而介導(dǎo)認(rèn)知功能障礙。

2 膠質(zhì)細(xì)胞損傷相關(guān)機(jī)制

2.1 小膠質(zhì)細(xì)胞 小膠質(zhì)細(xì)胞常常是CNS炎癥的主要促成因素，而慢性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥又與認(rèn)知功能密切相關(guān)，根據(jù)對(duì)低氧和復(fù)氧模型的觀察，至少有以下3種機(jī)制調(diào)節(jié)CIH期間的小膠質(zhì)細(xì)胞活性：(1)外周炎癥因子或促炎分子(如血漿中的CXCL1)通過神經(jīng)傳遞、血腦屏障直接或間接地激活小膠質(zhì)細(xì)胞[34-35]; (2)由附近受損細(xì)胞釋放的介質(zhì)間接引起小膠質(zhì)細(xì)胞活化[36];(3)通過CIH直接激活小膠質(zhì)細(xì)胞。小膠質(zhì)細(xì)胞激活后參與CIH認(rèn)知功能障礙可能與以下機(jī)制相關(guān)：①小膠質(zhì)細(xì)胞增生使促炎細(xì)胞因子(IFN-λ、IL-1β、TNF-α)表達(dá)增加，加重神經(jīng)元及軸突的損傷，脫髓鞘的形成增加，干擾神經(jīng)元的完整性，損害白質(zhì)完整性[37]；②小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)使促炎酶(iNOS和COX-2等)的表達(dá)增加，進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)毒性活性氮(如Nox)和前列腺素(如前列腺素E2)的產(chǎn)生，還可能誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致皮層和海馬神經(jīng)元損傷[38-39]。

2.2 星形膠質(zhì)細(xì)胞 星形膠質(zhì)細(xì)胞是保持CNS內(nèi)環(huán)境平衡的動(dòng)態(tài)細(xì)胞，參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)，是大腦中與神經(jīng)元突觸密切相關(guān)的最豐富的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，在調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)和突觸神經(jīng)傳遞中具有主動(dòng)作用[40]。CIH后星形膠質(zhì)細(xì)胞可釋放細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素、一氧化氮(NO)和其他潛在的細(xì)胞毒性分子，從而加劇神經(jīng)炎癥反應(yīng)[41]。CIH可引起星形膠質(zhì)細(xì)胞增生，細(xì)胞形態(tài)紊亂，星形膠質(zhì)細(xì)胞肥大，GFAP表達(dá)增加[42]；同時(shí)上調(diào)水通道蛋白4(AQP4)的表達(dá)并誘導(dǎo)p38MAPK的激活，使星形膠質(zhì)細(xì)胞向炎性表型轉(zhuǎn)化，促進(jìn)膠質(zhì)瘢痕的形成，最終引起認(rèn)知功能障礙[43]。

3 海馬微血管系統(tǒng)相關(guān)機(jī)制

由于大腦幾乎沒有能量?jī)?chǔ)備，需求/消費(fèi)是動(dòng)態(tài)的，在大腦激活狀態(tài)下，氧/葡萄糖指數(shù)(OGI)是反應(yīng)大腦功能的維持情況(無論是在正常的生理情況下還是在病理性激活如癲癇發(fā)作中)。正常生理情況下，腦血流量增加以應(yīng)對(duì)氧氣和代謝需求增加，而體內(nèi)平衡的長(zhǎng)期失調(diào)(如CIH)會(huì)影響腦內(nèi)氧和葡萄糖的輸送，OGI指數(shù)降低，導(dǎo)致大腦不能維持正常功能，引起認(rèn)知障礙。有研究表明，在一定的缺氧時(shí)間范圍內(nèi)，大腦海馬中總毛細(xì)血管長(zhǎng)度及血管數(shù)量隨CIH嚴(yán)重程度的增加呈線性增加，以維持大腦功能，且CIH后血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A(VEGFA)和其他血管生成相關(guān)基因(VEGFR2、TIE-2、ANGPT2)的表達(dá)增加，從而在缺氧后誘導(dǎo)毛細(xì)血管的生長(zhǎng)，以適應(yīng)缺氧狀態(tài)；同時(shí)缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α、HIF-2α)以及氧化應(yīng)激傳感器(PGC-1α、 PGC-1β)在調(diào)控血管生成中具有重要作用[44]。

4 體內(nèi)代謝相關(guān)機(jī)制

CIH使交感神經(jīng)興奮性加強(qiáng)，增加兒茶酚胺(如去甲腎上腺素水平)水平，引起血壓升高[45]。交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活可能刺激脂肪細(xì)胞衍生的炎性介質(zhì)如白細(xì)胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和瘦素的釋放，這些因子可以誘導(dǎo)脂肪分解并從脂肪組織釋放游離脂肪酸，后者會(huì)削弱組織對(duì)葡萄糖的攝取，導(dǎo)致高血糖。有研究表明肥胖大鼠間歇暴露12周后，空腹血清胰島素水平及糖耐量嚴(yán)重程度呈時(shí)間依賴性增加，這是胰島素抵抗增強(qiáng)的基礎(chǔ)[46]，而胰島素抵抗與認(rèn)知功能之間存在緊密聯(lián)系[5]。CIH可激活環(huán)氧合酶2(COX2)，加強(qiáng)花生四烯酸代謝形成前列腺素H2(PGH2)和前列腺素E2(PGE2)，引起睡眠剝奪等情況，而長(zhǎng)期的睡眠剝奪會(huì)引起認(rèn)知功能障礙[39]。CIH后三甲胺N氧化物(TMAO)和尿囊素的合成增加[47]、淀粉樣前體蛋白(APP)代謝異常，引起Aβ沉積增加，從而加重認(rèn)知功能障礙[8,48]。

5 展望

隨著生活水平的提高及人類肥胖比例的升高，OSAS發(fā)病率逐漸上升，OSAS后認(rèn)知功能障礙也逐漸被重視，雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于OSAS的研究方興未艾，但OSAS后人腦結(jié)構(gòu)的變化及內(nèi)在機(jī)制的研究仍較局限，CIH模擬OSAS的動(dòng)物模型將有望成為眾多動(dòng)物模型中最佳的模型。OSAS后大鼠腦內(nèi)及其他各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)在的改變是怎樣引起認(rèn)知功能障礙仍需大量的論據(jù)支持。目前研究表明抗氧化劑、抗炎藥物、激素、乙酰膽堿酯酶抑制劑、信號(hào)通路抑制劑或激動(dòng)劑等可改善OSAS大鼠的認(rèn)知功能障礙，且氧化應(yīng)激是其神經(jīng)認(rèn)知功能障礙形成的主要內(nèi)在機(jī)制，未來研究趨勢(shì)可能更傾向于探究OSAS氧化應(yīng)激引起認(rèn)知功能障礙的內(nèi)在機(jī)制，從而制定出更好的防治措施。