運動調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞改善阿爾茨海默病機制研究*

杜荔娟吳璨謝黃澤徐佳挺牛艷芳薛陽王欽文周迎松徐淑君1，**

（1）寧波大學醫(yī)學院附屬醫(yī)院腦科中心，寧波 315020；2）寧波大學體育學院，寧波 315211；3）浙江省病理生理學重點實驗室，寧波大學醫(yī)學院，寧波 315211）

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是老年人最常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病之一。根據(jù)國際阿爾茨海默病協(xié)會最新發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預計到2030年全球癡呆癥患病率將增加到7 500萬［1］。目前，中國AD患者已超過1 000萬，居全球之首，預計到2050年將突破4 000萬［2］。AD不僅嚴重降低了患者的生活質(zhì)量，也加重了家庭和社會的負擔，目前全球AD成本年均超過8 000億美元，約占總GDP的1%［1］。盡管隨著老齡化社會的加劇，研究者們對AD的關(guān)注程度不斷增加，但由于神經(jīng)系統(tǒng)的復雜性等原因，迄今為止，臨床上應(yīng)用于AD的藥物都未能從根本上治愈，多數(shù)只起到改善延緩癥狀的作用［3］。AD病理是個漸進發(fā)展的過程，目前普遍認為有效的治療應(yīng)該從AD早期開始［4］。因此，對AD的早期預警及非藥物干預的重要性和迫切性日益突出。

AD的發(fā)生與遺傳、環(huán)境、年齡、代謝等多因素相關(guān)，良好的生活方式已被證明可以降低AD發(fā)生風險或緩解AD發(fā)展進程，其中包括適量運動［5］、健康飲食［6］、社會參與［7］以及高等教育［8］等。多項研究表明，運動可以降低AD發(fā)生的潛在風險，顯著改善健康老年人和AD患者的精神健康狀況、提高認知能力［9-16］，本文總結(jié)了近3年運動干預改善認知功能障礙患者病理特征的臨床實驗數(shù)據(jù)（表1）。星形膠質(zhì)細胞（astrocytes）作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布最廣泛、數(shù)量最多的一類神經(jīng)膠質(zhì)細胞，其對維持神經(jīng)生理功能起關(guān)鍵作用：a.星形膠質(zhì)細胞末端接觸血管，并與內(nèi)皮細胞和周細胞一起形成血腦屏障（blood brain barrier，BBB）參與調(diào)控循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)組織之間的物質(zhì)交換［17］；b.星形膠質(zhì)細胞可以分泌遞質(zhì)或調(diào)質(zhì)，如谷氨酸（glutamate）、d-絲氨酸（d-serine）、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）等調(diào)控神經(jīng)元的活動［18］；c.星形膠質(zhì)細胞作為“三方突觸”（tripartite synapse）神經(jīng)傳遞模型的一個重要組成部分，圍繞在神經(jīng)元的突觸前和突觸后，感知和調(diào)控突觸輸出，在大腦的功能整合中發(fā)揮重要作用［17，19］。星形膠質(zhì)細胞的病理性改變會導致AD認知能力下降甚至記憶喪失［15］。在AD早期，星形膠質(zhì)細胞的形態(tài)與功能改變，引起腦內(nèi)神經(jīng)炎癥水平上升，能量代謝障礙以及氧化應(yīng)激損傷，進而影響神經(jīng)血管單元功能，引起AD認知功能障礙［20-24］。研究發(fā)現(xiàn)，運動可以通過調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞的形態(tài)及功能，改善AD的病理特征，緩解認知功能障礙［25］。運動對AD的改善作用及潛在的機制是神經(jīng)生物學領(lǐng)域的研究熱點之一。本文將從運動抑制星形膠質(zhì)細胞的激活，減輕腦內(nèi)炎癥反應(yīng)、增加腦內(nèi)營養(yǎng)因子和改善大腦能量代謝等方面進行綜述，旨在闡明運動對星形膠質(zhì)細胞的調(diào)控及其改善AD的病理機制（圖1）。

Table 1 Physical activity affects the pathological characteristics of cognition impairment group in clinical trial表1臨床實驗中運動影響認知功能障礙患者的病理特征

Fig.1 Mechanism of improved function of astrocytes in Alzheimer’s disease mediated by physical activity圖1運動調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞改善阿爾茨海默病機制

1 運動調(diào)節(jié)AD腦內(nèi)星形膠質(zhì)細胞的形態(tài)

在AD中星形膠質(zhì)細胞的形態(tài)改變表現(xiàn)為體積減小、突起變薄，這導致大腦連接和突觸傳遞損傷［26］。研究發(fā)現(xiàn)，來源于AD患者的誘導多能干細胞（iPSC）誘導的星形膠質(zhì)細胞與對照組細胞相比表現(xiàn)出明顯的分支減少和細胞關(guān)鍵功能標志物S100β、EAAT1和GS的異常 定 位［27］。在1月 齡3×Tg-AD小鼠中可觀察到內(nèi)嗅皮質(zhì)（entorhinal cortex，EC）中出現(xiàn)形態(tài)改變的星形膠質(zhì)細胞，表現(xiàn)為初級分支、次級分支以及遠端分支的減少，且這種現(xiàn)象在AD發(fā)生發(fā)展過程中持續(xù)［28］。在5×FAD、PDAPP-J20和Swiss3等小鼠中同樣也觀察到星形膠質(zhì)細胞突起減少［29-31］。經(jīng)過4周跑步干預后，C57BL/6小鼠、Wistar大鼠海馬區(qū)星形膠質(zhì)細胞的密度、表面積、分支及突起長度增加［32-33］。6個月的自主跑步干預沒有改變5×FAD小鼠海馬的神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)元存活，但顯著增加了星形膠質(zhì)細胞的胞體面積、增多了突起和分支的數(shù)目與長度，改善了5×FAD小鼠的空間記憶損傷和認知功能障礙［34］。以上研究表明，運動調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞的形態(tài)，增加星形膠質(zhì)細胞的突起及分支，進而改善認知能力。

2 運動調(diào)節(jié)AD腦內(nèi)星形膠質(zhì)細胞的激活及其介導的炎癥反應(yīng)

持續(xù)且廣泛的星形膠質(zhì)細胞激活是AD早期的一種現(xiàn)象［35］，在AD患者和AD動物模型的大腦中均發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞標記物GFAP水平升高［36］。激活的星形膠質(zhì)細胞即反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞（reactive astrocytes），包括具有促炎功能的A1亞型和具有保護作用的A2亞型［22］。在AD中，激活的小 膠 質(zhì) 細 胞 分 泌 白 介 素?1α（interleukin-1α，IL-1α）、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor alpha，TNF-α）、補體1q（complement 1q，C1q）等促炎因子，可誘導產(chǎn)生A1型星形膠質(zhì)細胞［37-38］，A1型星形膠質(zhì)細胞的增多會釋放細胞因子（TNF-α、轉(zhuǎn) 化 生 長 因 子（transforming growth factor?β，TGF?β）、IL-1β、IL-6和 干 擾 素γ（interferon?γ，IFN-γ））、趨化因子（C-X-C motif chemokine 10，C-C motif chemokine 5）、補體（C3、C5-C9）和活性氧等［21，39］，進一步誘導小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的相互激活，加劇炎癥反應(yīng)［40］。A2型星形膠質(zhì)細胞可以釋放TGF-β減弱小膠質(zhì)細胞的活化［41］，還可通過上調(diào)神經(jīng)營養(yǎng)因子和抗炎因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）、心肌營養(yǎng)素樣細胞因子1（cardiotrophin like cytokine factor 1，CLCF1）、IL-6、IL-10、白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）等發(fā)揮保護作用［42］。運動通過調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞的激活及其介導的炎癥反應(yīng)可改善AD的病理過程。對APP/PS1小鼠進行5個月的跑步干預后發(fā)現(xiàn)，運動減弱了星形膠質(zhì)細胞的激活，減少了Aβ斑塊數(shù)量和大小，增加了神經(jīng)元密度，這顯示長期跑步運動可以通過抑制星形膠質(zhì)細胞激活發(fā)揮神經(jīng)保護作用［43］。對衰老加速小鼠8（senescence accelerated mouse/prone 8，SAMP8）的海馬檢測發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞的數(shù)量隨著年齡的增長而顯著增加，對其進行10周低強度旋轉(zhuǎn)運動干預后發(fā)現(xiàn)，小鼠海馬中A1型星形膠質(zhì)細胞的標志物C3蛋白水平顯著下降［38］。在5×FAD小鼠海馬區(qū)檢測到反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增加，6個月的跑步干預降低7月齡的5×FAD小鼠海馬區(qū)A1型星形膠質(zhì)細胞標記物Serping1、Srgn含量，增加A2型星形膠質(zhì)細胞標記物S100A10含量，同時降低AD腦內(nèi)炎癥水平，改善小鼠的認知功能損傷［34］。綜上所述，運動可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞亞型，減輕腦內(nèi)神經(jīng)炎癥，改善認知功能。

3 運動通過星形膠質(zhì)細胞改善AD腦內(nèi)能量代謝異常

AD病理嚴重程度及AD認知損傷與腦內(nèi)葡萄糖代謝下降顯著相關(guān)。對AD患者功能性腦成像檢測發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)葡萄糖代謝進行性降低，對AD患者大腦蛋白質(zhì)組學檢測可以發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦中存在星形膠質(zhì)細胞的代謝異常［44］。星形膠質(zhì)細胞作為血腦屏障重要組成部分，其末端通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1（glucose transporter 1，Glut1）選擇性地從血液中攝取葡萄糖，從而平衡大腦中葡萄糖代謝［45］。在AD小鼠、老年大鼠以及AD患者腦部的尸檢中，均顯示Glut1蛋白水平下降［46-48］。對轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠進行16周跑步干預后，在小鼠腦內(nèi)檢測到Glut1和Glut3蛋白表達升高，同時腦內(nèi)葡萄糖代謝水平和認知功能障礙均得到改善［49-50］。相似的結(jié)果也出現(xiàn)在進行了4周游泳干預的APP/PS1小鼠中，運動增加了海馬和皮質(zhì)中的Glut1、Glut3含量，改善了腦內(nèi)葡萄糖代謝和認知功能障礙［51］。運動除了調(diào)節(jié)Glut1、Glut3的表達改善AD腦內(nèi)能量代謝外，還有可能通過星形膠質(zhì)細胞調(diào)控外周乳酸往腦內(nèi)的轉(zhuǎn)運以及乳酸在星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元之間穿梭。運動導致肌肉組織糖酵解產(chǎn)生乳酸，并積聚在血液中。單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白（monocarboxylate transporters，MCTs）是乳酸轉(zhuǎn)運蛋白，其中MCT1和MCT4主要在星形膠質(zhì)細胞上表達，MCT2主要在神經(jīng)元上表達［52］。星形膠質(zhì)細胞中糖酵解或糖原分解產(chǎn)生的乳酸也可通過MCT1和MCT4轉(zhuǎn)移到細胞外，并通過MCT2進入神經(jīng)元［53］。當外周乳酸增多時，MCT1也隨之增加。在老年腦與AD腦內(nèi)，MCT1含量下降［54］。運動可使MCT1及MCT4上調(diào)，進而增加乳酸轉(zhuǎn)運至腦內(nèi)，緩解腦內(nèi)能量代謝障礙［45］。對小鼠進行30 d跑步運動可在海馬中檢測到大腦中乳酸的累積增多，且認知能力得到提升，這進一步證明運動產(chǎn)生的乳酸對認知功能的積極作用［55］。綜上所述，運動可以增加星形膠質(zhì)細胞葡萄和乳酸的轉(zhuǎn)運，改善腦內(nèi)能量代謝異常。

4 運動調(diào)控星形膠質(zhì)細胞釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子改善AD認知功能

神經(jīng)營養(yǎng)因子（neurotrophic factors，NTF）是指機體產(chǎn)生的能夠促進神經(jīng)細胞存活、生長、分化的一類蛋白質(zhì)因子。膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（glial cell derived neurotrophie factor，GDNF）是神經(jīng)膠質(zhì)細胞系衍生的細胞因子，其可促進中腦多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)多巴胺的攝?。?1］。BDNF是神經(jīng)元存活、活動、神經(jīng)發(fā)生以及影響突觸可塑性的關(guān)鍵神經(jīng)營養(yǎng)因子［56-57］。大量證據(jù)表明，BDNF參與軸突和樹突的分支和重塑，增強突觸傳遞［58］。星形膠質(zhì)細胞可以分泌營養(yǎng)因子，如GDNF［59-60］、BDNF［61-62］等從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。在3×Tg-AD小鼠腦內(nèi)檢測到GDNF表達降低，進行6個月的自愿運動后，小鼠腦內(nèi)GDNF水平上升，認知功能障礙也得到改善［23］。對成年C57BL/6J雄性小鼠進行6周自愿跑步干預發(fā)現(xiàn)，運動增加了小鼠海馬中GDNF、BDNF的表達，提高了腦內(nèi)線粒體活性，且增強了小鼠的神經(jīng)可塑性，改善了抑郁樣情緒［63］。運動干預后，星形膠質(zhì)細胞能夠通過表達原肌球蛋白受體激酶B（tyrosine kinase receptor B，TrkB）受體對BDNF作出應(yīng)答［64］。對小鼠進行一次性或長期跑步干預均可檢測到小鼠星形膠質(zhì)細胞BDNF mRNA水平升高［65-66］。腦內(nèi)BDNF表達的增加有可能是運動產(chǎn)生的乳酸穿過BBB，并激活氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α/纖維連結(jié)蛋白III型域包含蛋白5（PGC1α/FNDC5）信號通路引起的［67-68］。使用特異性免疫黏附嵌合體阻斷BDNF，將消除運動對大鼠學習和記憶能力的積極影響，同時也消除運動干預后BDNF增加介導的突觸可塑性增強［69］。因此，運動可能調(diào)控星形膠質(zhì)細胞GDNF、BDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子的合成和釋放改善AD認知功能障礙。

5 運動抑制AD星形膠質(zhì)細胞氧化應(yīng)激反應(yīng)

在AD病理情況下，腦內(nèi)抗氧化系統(tǒng)發(fā)生紊亂，產(chǎn)生氧化應(yīng)激損傷，導致ROS水平增加［24］。不僅如此，AD腦內(nèi)糖代謝水平的下降進一步導致氧化應(yīng)激［70］。星形膠質(zhì)細胞是大腦抗氧化的主要參與者。研究發(fā)現(xiàn)，通過阻斷AD小鼠大腦中反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞氧化應(yīng)激，可減少小鼠炎癥反應(yīng)和Aβ斑塊沉積，從而改善小鼠記憶并延緩病程進展。在一次運動后即可觀察到，ROS水平瞬時升高，并調(diào)節(jié)氧化還原的適應(yīng)性，增加內(nèi)源性抗氧化能力。隨著運動的持續(xù)，大腦對氧化應(yīng)激的耐受水平隨之提高［71］。連續(xù)16周的中強度跑步運動可降低成年大鼠海馬體中的ROS水平和蛋白質(zhì)羰基數(shù)目，并增加超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-PX）［51］。對AD模型小鼠進行5周的跑步運動改善了其空間記憶損傷，且增加了CA1區(qū)海馬內(nèi)星形膠質(zhì)細胞中谷胱甘肽（glutathione，GSH）的含量［72］。對SAMP8進行10周低強度旋轉(zhuǎn)運動發(fā)現(xiàn)，抑制AD進展早期海馬中的神經(jīng)元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase，nNOS）和 誘 導 型 一 氧 化 氮 合 酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）活性，改善了衰老帶來的認知功能障礙［38］。因此，運動通過星形膠質(zhì)細胞調(diào)節(jié)AD中異常的氧化應(yīng)激水平，改善AD病理狀況，緩解認知障礙。

6 總結(jié)與展望

作為一種對全身具有廣泛影響的干預方式，動物和臨床研究均表明，運動能夠改善AD的認知功能障礙。星形膠質(zhì)細胞作為血腦屏障和三方突觸的重要組成部分，其激活狀態(tài)與AD發(fā)生發(fā)展階段密切相關(guān)。星形膠質(zhì)細胞是運動改善AD的重要效應(yīng)細胞，運動可以通過調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞激活、營養(yǎng)因子的釋放、能量代謝、炎癥及氧化應(yīng)激反應(yīng)，延緩AD的病理變化及改善AD認知功能障礙。但是星形膠質(zhì)細胞在運動調(diào)節(jié)改善AD的作用及機制研究中仍有些問題等待進一步探究：a.目前缺乏能用于篩選反應(yīng)星形膠質(zhì)細胞不同激活狀態(tài)及功能，而且適用于臨床檢測與診斷的特異性標志物；b.運動調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞激活狀態(tài)和劑量效應(yīng)等問題也有待進一步研究；c.運動預防和治療AD認知功能的有效時間窗值得進一步的研究，在可逆性認知衰弱（輕度認知功能障礙前階段）、潛在可逆性認知衰弱（輕度認知功能階段）以及AD早期，運動是否會有更好預防和治療效果；d.不同患者疾病進展和身體機能等方面有較大差異性，運動能力和運動方式喜好也不同，如何為每位患者制定安全有效的個性化運動方案。

綜上所述，本文總結(jié)了運動調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞在干預和改善AD發(fā)生發(fā)展過程中的作用及機制，為AD患者的運動治療提供了更多理論支撐。但AD是一種多因素導致的復雜疾病，未來“聯(lián)合-多靶點”策略的治療可能是新的發(fā)展趨勢［73］，需要從多個角度出發(fā)，聯(lián)合運動干預、營養(yǎng)手段、認知干預、物理刺激等的多模態(tài)干預也是未來的研究方向。相信隨著研究的不斷深入必將更好地預防和治療AD在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病。