基于Notch信號通路與突觸可塑性探討針刺治療腦卒中后認知障礙*

陳麗敏,白艷杰,王巖,陳淑穎,張雍闖,李曉曉

1.河南中醫藥大學,河南 鄭州 450046; 2.河南中醫藥大學第一附屬醫院,河南 鄭州 450000

腦卒中后認知障礙(post-stroke cognitive impairment,PSCI)是血管性認知障礙的一種亞型,通常在腦卒中發病后出現,包含卒中后非癡呆型認知障礙至卒中后癡呆的一系列癥狀[1],主要表現為學習記憶障礙、失語、失認、失用等。我國PSCI患病率較高,國內一項社區現況調查顯示,腦卒中患者中,PSCI 的發病率為80.97%,其中,卒中后非癡呆型認知障礙占48.91%,卒中后癡呆占32.05%[2]。此外,腦卒中復發常見于伴認知障礙的患者,簡易智力狀態檢查量表評分越低的患者復發的可能性越大[3]。因此,PSCI嚴重影響患者的生活質量,對患者、家庭及社會都造成了沉重負擔,甚至增加了腦卒中患者的病死率。

目前,PSCI的發病機制尚未明確,現有研究多集中于腦血管損傷機制、腦神經退行性變、炎癥機制及氧自由基損傷機制等方面[4]。PSCI的臨床用藥主要參考阿爾茨海默病,阻礙疾病向癡呆轉化,但藥物療效并不理想,且長期服用會出現不良反應。因此,尋求PSCI安全有效的治療方法非常重要。有研究表明,突觸可塑性的變化極大程度上影響了腦卒中后神經修復以及認知功能障礙的改善,且Notch信號通路與突觸可塑性密切相關[5]。針灸治療 PSCI 的主要機理為抑制炎癥反應、調控神經細胞凋亡和自噬的過程、調節中樞膽堿能系統、提高突觸可塑性、控制腦源性神經營養因子和生長控制因子分泌等[6]。本文以Notch信號通路為切入點,探討針刺提高神經細胞的突觸可塑性,以期為治療PSCI提供新的生物學依據。

1 Notch信號通路與突觸可塑性在治療 PSCI 中的聯系

1.1 Notch信號通路與腦卒中Notch信號通路主要由Notch配體(Delta-like1、3、4和Jagged1、2)、Notch受體(Notch1、2、3、4)、轉錄因子CSL、靶基因(Hes1、3、5和Hey)4部分組成[7]。Notch受體可以分為胞外區、跨膜區和胞內區,當相鄰細胞通過“旁分泌”途徑促進Notch配體與受體結合時,蛋白酶切水解Notch受體、胞內結構域(notch intracellular domain,NICD)在細胞核中與轉錄因子復合物CSL、輔助激活因子MAML等結合,形成功能性轉錄激活復合物,最后作用于靶基因,調控細胞的增殖、分化和凋亡[8-9]。在腦卒中發生后,Notch信號通路的不同配體、受體、靶基因等的表達水平會發生變化,使腦內組織發生一系列病理生理學改變,對機體產生有害或有益的影響。

腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury,CIRI)后,Notch1的激活可能會引起細胞凋亡、保護神經元、提高突觸可塑性等。在細胞凋亡方面,大腦缺氧時刺激Notch1受體,游離的胞內區可能激活核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)、缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)、p53及Pin1,誘導細胞凋亡[10-11]。與此相反,在腦內低氧時注入γ-分泌酶抑制劑,會阻止胞內區的形成,NF-κB表達減少,進一步證實胞內區能夠上調NF-κB表達,促進神經元凋亡。在保護神經元和提高突觸可塑性方面,有研究表明大腦輕度缺氧會使Notch1、Jagged1、Hes1和BDNF的表達水平升高,神經元突起延長,而使用抑制劑DAPT后,上述分子的表達急劇下降,且可抑制神經元突起的生長[12]。腦卒中發生后,Notch1蛋白的表達增加,海馬神經元突觸可塑性相對提高,而Notch1基因敲除的小鼠會出現樹突棘數量的減少[13-14]。

腦卒中的發病過程中,Notch2的表達會降低血管平滑肌細胞的活性,使血管損傷后內膜的病變加劇。而Notch3的作用與之相反,它能通過調節絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)信號通路促進血管平滑肌細胞的增殖,保護腦血管[15]。但另一項研究顯示,常染色體顯性遺傳性腦動脈病伴皮質下梗死和白質腦病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts andleukoencephalopathy,CADASIL)是腦卒中的常見遺傳因素。在CADASIL中,Notch3蛋白增加,腦動脈最大擴張能力下降,進而使腦血流量減少,加重腦損傷[16]。所以,腦卒中發病后,Notch3的激活對腦血管的具體作用機制仍需進一步探討。在心腦血管疾病研究中,Notch4作用微小,文獻相對較少[17]。

綜上,Notch信號通路與腦卒中的進展緊密相連,而Notch1蛋白的表達與神經功能的保護有關。因此,調控Notch1的表達能夠改善腦卒中后的功能障礙。

1.2 突觸可塑性與PSCI在大腦結構中,突觸主要有傳遞信息和儲存信息兩個功能。突觸可塑性是人類學習和記憶的基石,包括結構可塑性和功能可塑性。海馬體可以作為機體學習及記憶功能的“操控室”,其作用主要為形成記憶并儲存[18-19]。腦卒中發生后,腦組織受損程度各異,神經系統被損害,激活各種細胞因子,導致突觸發生病理性改變,同時大腦釋放神經毒性物質,抑制神經電生理活動,造成突觸的脫落及結構的改變,從而降低突觸結構可塑性,影響突觸的傳遞功能,引起學習、記憶能力下降等認知障礙[20]。

突觸結構可塑性表現為突觸數量、樹突棘密度、平均面積、間隙距離、突觸后致密物、突觸界面曲率的變化及新突觸的形成等[21]。突觸功能可塑性可分為長時程增強和長時程抑制,能夠反應受損突觸的傳遞效率。長時程增強表現為兩個神經元信號傳輸過程中的一種持續增強現象,能夠促進受損突觸的功能恢復。長時程抑制與長時程增強的功能相反,其中長時程抑制表現為持續的刺激降低突觸的效率,不利于突觸功能的重建[22]。長時程增強是功能可塑性研究最多的一種形式,可以分為早期長時程增強和晚期長時程增強,突觸蛋白大部分在晚期長時程增強中合成并運輸,主要包括突觸素(synaptophysin,SYP)、神經生長因子(nerve growth factor,NGF)、腦源性神經營養因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、生長相關蛋白-43(growth associated protein,GAP-43)、神經細胞黏附分子(neural cell adhesion molecule,NCAM)等,它們不僅能夠增加樹突棘的數量,促進新突觸間的相互聯系,而且能提高突觸間的傳遞效率[23-24]。因此,腦卒中后認知功能的改變與突觸結構功能被破壞有關,提高海馬區神經突觸可塑性是改善PSCI的有效手段。

2 針刺治療PSCI

中醫學將PSCI歸屬于“呆病”的范疇,主要表現為神智異常,由腎虛、痰濁、瘀血等引起,其病位在腦,涉及心、肝、脾、腎[25]。針灸作為中醫治療的常用手段,治療PSCI經驗豐富且療效顯著。

2.1 針刺調控Notch通路Notch通路激活后參與CIRI后的各種病理生理反應,特別是Notch1受體的激活,能夠發揮保護腦組織的作用,與提高海馬組織的學習記憶能力有關[26]。許多研究顯示,針刺可以調控Notch信號通路,保護大腦,改善腦卒中后的功能障礙。Sha等[27]認為,電針針刺足三里和外關穴對大腦中動脈阻塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)大鼠模型的CIRI具有保護作用,其機制可能是電針刺激穴位激活Notch1受體,促進miR-223的表達,進而增加神經干細胞(neural stem cells,NSCs)數量。Tao等[28]研究發現,電針足三里、曲池穴可以通過促進Notch信號傳導增加BDNF和神經膠質細胞衍生的神經營養因子的分泌,促進海馬NSCs的增殖和分化。在此之后,又有研究顯示,電針MCAO大鼠百會穴、水溝穴可以上調大鼠海馬齒狀回區Notch1、Hes1的表達水平,促進NSCs的增殖[29]。

針刺除了能夠刺激Notch通路,促進NSCs的增殖和分化,還能通過其他途徑保護受損腦組織。Zhao等[30]認為,電針百會可以促進胞內區和HIF-1α的表達,抑制細胞凋亡,減輕CIRI。趙俊紅等[31]發現,電針百會、人中穴能夠減輕認知障礙,可能與Notch通路調控神經可塑性有關。雖無基礎試驗直接顯示針刺可以通過調控Notch通路改變突觸可塑性,進而改善PSCI,但是一項電針干預放射性腦損傷的實驗表明,針刺百會、風府和雙側腎俞穴可以增加小鼠體內突觸后致密蛋白95、SYP和BDNF的分泌,提高突觸可塑性,改善小鼠學習記憶功能,這與針刺調節Notch信號通路密切相關[32]。見表1。

表1 針刺調控Notch通路改善腦損傷的機制

2.2 針刺調控突觸可塑性海馬區神經元的突觸是大腦學習記憶的基礎結構,許多基礎實驗顯示,針刺可以通過調節突觸的結構可塑性和功能可塑性改善受損大腦的認知功能障礙。在突觸結構可塑性方面,一項動物實驗采用于氏頭穴叢刺法治療MCAO大鼠后,電鏡觀察結果顯示大鼠大腦缺血區突觸小泡數量增加,突觸間隙減小[33]。Xie等[34]通過針刺神庭穴和百會穴治療MCAO大鼠,14 d后,發現經治療的大鼠突觸數目明顯增多,突觸小泡分布密集,突觸間隙相對較小,并且神經功能缺損評分和行為學測試均有所改善。與以上研究結果相同,Wen等[35]認為滋養肝腎針灸療法能夠通過分泌BDNF、SYN改變突觸結構,改善腦缺血后引起的認知障礙。

在突觸功能可塑性方面,有研究發現,針刺足三里和百會可以促進多巴胺及其分泌物的釋放,增加多巴胺受體的表達,進而易化LTP,改善認知功能[36]。Lin等[37]認為電針可以通過降低N-甲基-D-天冬氨酸受體亞型1(N-methyl-d-aspartate receptor subtype 1,NMDAR1)的表達和瞬時受體電位香草亞型1(Transient receptor potential Vanilla subtype 1,TRPV1)介導的神經毒性,減輕血管性癡呆大鼠模型中LTP的缺乏。隨后,柳維林[38]發現,電針可能通過miRNA-129a/PRKG途徑,增加CREB磷酸化,上調c-fos、c-jun的表達,進而修復樹突結構、易化LTP,減輕學習記憶障礙。因此,針刺也可以通過提高突觸的功能可塑性來改善PSCI。然而,針刺改善PSCI的相關研究尚未將Notch信號通路調控突觸可塑性的機制闡明清楚,所以未來針刺治療PSCI的基礎研究需要向該方向發展。見表2。

表2 針刺提高突觸可塑性改善腦損傷的機制

3 通督醒神針調節Notch信號通路治療 PSCI 的研究思路

大量實驗和臨床研究表明,通督醒神針在治療腦卒中各種并發癥方面療效顯著。本課題組前期的臨床研究對患者進行百會、神庭、內關和神門穴針刺治療,已經證實通督醒神針能夠改善腦卒中后患者的認知功能和精神行為癥狀[39-40]。在中醫學的理論之中,督脈是陽脈之海,可以統領十二經脈;腦為元神之府,可以控制機體活動;心主神明,可以調控機體的思維、意識和精神。百會和神庭是督脈穴位,因此刺激它們會使陽氣運至全身,保證機體各種活動正常運行。內關穴屬手厥陰心包經,神門穴屬手少陰心經,二者都與心臟的功能有關。針刺二者會增強心臟泵血,為大腦供血供氧,促進大腦功能恢復,改善認知障礙。有研究表明,針刺督脈穴位能夠增加與突觸可塑性相關蛋白的表達,進而提高大腦的學習記憶能力[41]。腦卒中發病后,腦組織處于缺血缺氧狀態,Notch1受體被激活,可能會引起細胞凋亡,促進神經干細胞的增殖分化,提高突觸可塑性。

基于以上理論基礎和相關研究,提示通督醒神針刺法有效治療PSCI與針刺調節Notch信號通路及突觸可塑性有很大的關聯。因此有以下假說:通督醒神針刺法可激活Notch信號通路,增強海馬區神經元Notch1、Jagged1、NICD、Hes1表達,進而提高突觸結構和功能的可塑性,促進大腦學習記憶能力的恢復,改善PSCI。故在未來設計動物實驗時,可用針刺MCAO大鼠的神庭、百會、內關、神門等穴位,采取常用病理學技術觀察Notch信號通路和突觸改變的相關指標。在分子層面上,使用免疫熒光、免疫印跡、定量聚合酶鏈反應等方法檢測與該通路以及突觸可塑性有關的蛋白和基因表達;在突觸的變化方面,用高爾基染色法觀察突觸和樹突的結構可塑性改變,用電生理技術檢測LTP的增強并記錄突觸的功能可塑性改變。根據以上檢測和統計學分析,推測該假說是否成立,進而探討通督醒神針刺法治療PSCI的病理生理學機制。

4 研究與展望

綜上所述,CIRI會引起神經元凋亡、神經干細胞的增殖分化和突觸重塑,而大腦海馬區的突觸又與機體的學習記憶功能密切相關。同時,CIRI會激活Notch信號通路,進而促進突觸的重塑,但這不足以與大腦缺血缺氧導致的突觸結構和功能的損害相抗衡,所以需要一種外界干預措施,促進Notch通路的進一步激活,提高海馬區突觸的可塑性。中醫針刺療法作為治療PSCI的一種手段,在臨床上被廣泛接受,并且療效顯著,但是有關針刺的分子生物學研究相對較少。現有研究發現,對于PSCI的治療,針刺不僅可以調控Notch信號通路,而且還能提高神經元的突觸可塑性。此外,通督醒神針刺法治療PSCI在臨床上有一定的療效,但是該針法的臨床評價以及機制研究仍處于初步探索階段。因此,未來可以設計樣本量充足、設計合理的動物實驗來驗證通督醒神針是否能夠通過調控Notch信號通路提高突觸可塑性,進而改善PSCI,以豐富通督醒神針刺法治療PSCI的理論基礎。