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神经炎症介导运动调控阿尔茨海默病的机制研究

更新时间:2009-03-28

经常参与运动(体力活动或运动锻炼)可促进健康,无论是一般的体力活动(所有可能消耗体能的肢体活动)和规律的体育运动(有计划的肌肉力量和耐力训练)都有益于身心健康,一定程度上均可达到相似的锻炼效果,如诱导心肺耐力和肌肉力量增强、促进肌肉体积增大、改善机体代谢、降低肥胖发生等[1-4],并有助于改善心理健康和促进脑的记忆和认知功能[5, 6]

研究证实运动能够改善心血管、骨骼肌和内分泌系统功能,及促进机体对炎症抵抗能力的增强。但目前关于运动对机体免疫系统功能干预的研究还处于发展阶段,特别是运动对脑的免疫功能干预效应的研究还是一个新兴的研究领域。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是典型的神经系统退行性疾病,脑组织慢性神经炎症反应伴随着AD的发病过程。本文结合近几年的研究,从运动对神经系统的免疫调节,特别是运动对AD神经炎症反应调节的角度,探讨运动缓解AD的可能机制。

叶片被害后,正面色泽浓淡不均,病叶狭长,质地硬脆,边缘呈波状皱缩,向上卷曲。最初叶背面呈现稀疏的块状白粉斑,有白粉的部位叶面不平展,向叶正面凸起;后期白色粉层逐渐蔓延到叶片正、反两面,致使叶面凹凸不平。严重时,病叶自叶尖或叶缘逐渐变褐,最后全叶干枯脱落。初夏以后,感病叶背的主脉、支脉、叶柄及病梢上出现成堆的小黑点,白粉层变为灰褐色。

[3]中国日报:《中国旅游研究院、携程发布〈2017出境旅游大数据报告〉》, http://cn.chinadaily.com.cn/2018-03/01/content_35764646.htm,2018年3月1日。

1 运动对机体炎症的调节及其机制

非特异性(先天性)免疫系统是正常机体的主要免疫防御系统,对机体防御外源性病原体和清除致病微生物不可或缺。机体受到代谢过程中产生的细胞碎片或受损的化学分子(DAMPs)等内部信号刺激时,非特异性免疫系统也被激活,产生应答反应[7]。当机体免疫系统识别了外源或内生免疫原,经过细胞因子释放、抗原呈递和吞噬作用等炎症过程进行中和或清除[8],进而通过组织修复,使机体恢复内环境稳态。机体免疫系统一定程度的激活对维持健康是有利的,但如果机体免疫功能过度激活将可能导致慢性炎症性疾病,属于非特异性的免疫反应,可能会对机体产生不同程度的危害。

运动可通过调节脑的可塑性而促进脑的认知功能改善。突触的形态结构对突触功能状态和神经信息传递有重要影响,是学习和记忆能力的结构基础。通过8月龄APP/PS1小鼠的运动干预发现,规律的有氧运动可以增加海马突触可塑性相关分子CaMKⅡα含量,上调AMPAR的GluR1亚基活性,改善其行为学能力[24]。8周运动干预能明显提高实验小鼠海马突触密度并降低膜黏滞度,改善小鼠的学习记忆能力[25]

生活方式的转变使运动缺乏已成为一种普遍的社会现象,而与生活方式相关的疾病主要由能量代谢功能的紊乱引起,如对肥胖、2型糖尿病等慢性疾病人群而言,机体免疫系统处于长期激活状态,导致全身性炎症反应的发生[9, 10]。研究发现运动有助于抵抗生活方式所致的慢性疾病人机体炎症的发生和发展,可降低机体免疫系统的过度激活,促使免疫系统恢复原来的功能。Stewart等[3]发现,跑台运动和抗阻训练均可显著下调健康青年(25±5岁)和老年(71±4.4岁)血液中细菌性脂多糖激活的炎性细胞因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-6(IL-6)和白介素-1β(IL-1β)的分泌。实验发现运动可减少肥胖小鼠脂肪组织中巨噬细胞的数量[11, 12]。运动干预可促进脂肪组织中巨噬细胞由促炎表型(M1)向抗炎表型(M2)的转变[11, 13]。因此,运动干预可诱导机体抵御炎症的生物学效应,有助于预防或缓解机体慢性炎症性病变。

运动可调节脑内情绪相关神经递质的水平。研究表明运动可改善青年、老年,以及健康和患病者等不同人群的情绪水平。该观点与“运动促进神经元释放兴奋性神经递质5-羟色胺(5-HT)和多巴胺(DA)[18, 19]”的研究结果相互印证,因为,研究证明5-HT和DA与其受体结合会使人产生精神愉悦感[20],进而改善人的情绪水平。

2 运动对脑功能的影响

运动不仅可通过对外周组织的调节促进机体健康,还对中枢神经系统(CNS)高级功能,如情绪水平和认知与学习记忆能力的改善具有积极效应。

运动干预抗炎效应的机制之一可能与短时急性运动后收缩的骨骼肌释放的IL-6增多有关。研究证实运动可诱导IL-6骤升,进而增强外周组织的抗炎效应[14]。运动还可通过促进脾脏释放抗炎表型的免疫调节性T细胞,进而下调细胞表面主要组织相容性复合物II(MHC-II)的表达。MHC-II是一种抗原呈递分子,可使机体产生适应性免疫反应,同时也是一类细胞间黏附分子1(ICAM1),有助于免疫细胞的分泌物到达炎症发生部位[15]。运动干预抗炎效应的另一机制可能与运动诱导组织细胞(如单核细胞、骨骼肌、脂肪组织以及肝脏)中toll样受体4(TLR4)的表达减少有关。TLR4是调节非特异免疫细胞活性的受体之一,主要受细菌脂多糖的刺激调控。研究发现运动后CD14+细胞中TLR4的表达水平显著减少[3, 16]。目前关于运动后TLR4的表达减少的机制尚不清楚,可能与TLR4和其他分泌性蛋白,如热休克蛋白(HSPs)的交叉耐受性有关。研究发现HSPs对TLR4存在依赖性,急性运动后HSPs表达上调[16, 17]。因此,受其他蛋白分子的交叉耐受性调节而引起TLR4的减少,可能与运动所引起的免疫细胞的活性降低有关。

运动可调节脑的神经因子水平进而调节学习记忆能力。运动可促进脑记忆功能的长时程增强(LTP)和神经发生效应[21],促进脑源性神经营养因子(BDNF)、血管内皮生长因子(VEGF)和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)等的表达增多[22, 23],进而改善脑的认知与学习记忆功能。运动对脑的学习和记忆功能具有极其重要的促进作用,无论短时运动还是长期运动。

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运动对脑功能的促进主要体现在对脑高级功能,如对人的情绪和认知及学习记忆能力的改善和提高,其具体过程可通过神经递质、神经因子、突触可塑性以及神经炎症因子等机制的介导实现。

该模型的复相关系数R为0.9841,判定系数R2为0.9685,经调整后的判定系数R2为0.9681,F=2209.48,F0.05(5,364)=2.23878,F﹥F0.05,显著水平为0.05,预测精度可达96.88%。

运动可通过调节神经炎症因子水平而改善脑的功能。研究发现,一次性急性运动可改善CNS的认知功能[26]。长期运动可改善小鼠颅脑损伤所致的认知功能下降,使脑组织中促炎细胞因子IL-1β水平降低,抗炎细胞因子IL-10水平升高[27]。提示,运动干预对CNS的促进作用不仅表现在能够促进神经元的功能,还可促进脑的免疫细胞的功能。

3 运动调节神经免疫功能的机制

3.1 运动调节神经胶质细胞介导的神经炎症

运动可通过促进肌细胞因子(myokines,骨骼肌合成、分泌的细胞因子或活性多肽)的分泌参与免疫功能的调节过程,部分被确认的肌细胞因子有IL-4、IL-6、肌肉生长抑制素(myostatin)和BDNF等,其中以IL-6最具代表性[41]。研究发现,运动中或运动后瞬间,发生收缩的骨骼肌细胞中IL-6的分泌大量增加[42],进而引起外周组织大范围的抗炎反应[11, 43]。研究证实IL-6可以通过血脑屏障[44],因而,IL-6可作为收缩的骨骼肌和CNS之间直接的信息传递物。IL-6是具有双重功能的细胞因子,其效应依赖于CNS内环境的变化,进而发挥神经毒性或神经保护性功能[45]。研究证实,运动可诱导CNS中的IL-6发挥抗炎效应,如Giralt等发现,IL-6促进了金属硫蛋白(metallothionein,具有较强抗炎、抗氧化和抗细胞凋亡功能)的表达[46]。因此,运动诱导的IL-6增加可通过金属硫蛋白的介导模式发挥抑制神经细胞死亡、神经炎症反应和脑ROS产生的功能。此外,伴随着运动诱导的骨骼肌细胞分泌IL-6的增多,巨噬细胞和T细胞IL-10的分泌量也增多,进而抑制外周组织IL-1α、IL-1β和TNF-α等炎症细胞因子分泌,发挥抗炎作用[43]。由于IL-1α、IL-1β和TNF-α等均可通过血脑屏障诱发CNS炎症反应[44],所以,运动通过诱导IL-6的分泌增加,抑制CNS和外周组织中促炎细胞因子的释放发挥抗炎机制。

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3.2 运动对CNS炎症状态的调节

运动可改善CNS的炎症状态。研究发现自主跑轮运动可使衰老小鼠小胶质细胞的增殖水平显著下降,活化的M1型小胶质细胞数量显著减少[38]。这提示了,运动可能诱导了神经系统的抗炎性效应,这与运动诱导外周组织的抗炎效应一致。另有实验发现自主运动可通过降低小鼠海马三甲氯化锡诱导的神经毒性反应发挥神经保护功能,其机制可能与运动干预改变了CNS炎症反应有关,该研究发现运动诱导脑内IL-6、单核细胞趋化蛋白(MCP-1)和TNF-α等神经炎性因子的浓度显著下降[39]。然而,并非所有研究均支持运动可有效抵御脑组织炎症反应的观点。Packer等对小鼠进行急性跑台运动干预的实验发现,运动可诱导小鼠海马TNF-α水平以及细胞凋亡标志物caspase-3和caspase-7的表达上调[40]。这提示了,运动干预对神经系统炎症反应的调节可能与运动强度有关,与不参与运动的个体相比,运动干预可能在一定条件下发挥改善神经细胞免疫功能的效应。

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3.3 运动调节肌细胞因子介导的神经炎症

CNS的炎症反应与神经胶质细胞(glia)有关,神经胶质细胞是一类具有补充、修复和激活神经元功能的特殊免疫细胞,包括在CNS中清除胞内碎片和发挥抗原呈递功能的巨噬细胞,也称为小胶质细胞(microglia);具有维持和修复神经组织功能的星形胶质细胞(astrocytes);可隔离和维护各种不同功能神经元的少突胶质细胞(oligodendrocytes)[28]。当神经系统受损或感染时,胶质细胞被激活并聚集到受损的神经组织,发挥修复损伤和恢复脑组织稳态的功能[8, 29]。研究发现AD小鼠的脑组织中存在由静息状态转变为激活状态并具有吞噬功能的M1或M2型的小胶质细胞[30, 31]。被激活的小胶质细胞上MHC II和巨噬细胞抗原复合体-1(MAC-1)等膜受体表达增加[8],进而使IL-6、IL-1β和TNF-α、以及活性氧(ROS)等炎症介质释放增加[32]。小胶质细胞还可促进BDNF、神经营养因子-3(NT-3)、神经营养因子-4(NT-4)等可维持神经元存活和恢复脑内环境稳定的神经营养因子的表达增加[32, 33]。然而,在AD或PD等神经退行性疾病脑组织中,由于病理组织的持续存在而使神经胶质细胞处于过度活化状态,导致脑组织的慢性神经炎症环境[33]。过度活化的神经胶质细胞(也称为反应性胶质细胞增多症)和慢性炎症反应属于非特异性损害性免疫,可能会对其周围的神经胶质细胞和神经细胞带来损害,进而导致神经系统疾病的进一步恶化[34]。研究表明衰老期的脑组织可通过增强对神经胶质细胞的敏感性来其发挥免疫功能[35]。当组织衰老或受γ-干扰素(IFN-γ)等活化刺激物诱导引起神经胶质细胞的激活时,可促进相应受体CD14、CD45、MAC-1、MHCII和TLR4等表达上调,以应对所产生的有害刺激[8, 35, 36]。活化的小胶质细胞能够快速应对机体内源性致病物质[35]。但在受到慢性病理性刺激时,免疫细胞可能会被过度激活,进而导致更深的毒害效应[37]

3.4 运动调节犬尿氨酸介导的神经炎症

运动干预对神经免疫的调节效应可能与运动对犬尿氨酸(kynurenine)代谢的调节有关。犬尿氨酸是一种内源性谷氨酸受体激动剂,可调节神经元的死亡和神经炎症反应[47]。研究[48]发现能够自由通过血脑屏障的犬尿氨酸可被犬尿氨酸转氨酶(KATs)转变为不能透过血脑屏障的犬尿酸(kynurenic acid)。Agudelo等[49]发现运动诱导的骨骼肌过氧化物活化受体的受体-1α1(PGC-1α1)表达增高,起到保护炎症模型小鼠免于应激诱导的神经炎症的作用,因为运动干预促进的骨骼肌PGC-1α1表达的显著性增加,可上调KATs的水平,进而降低犬尿氨酸。Adamson等[50]发现,运动可促使犬尿氨酸诱导神经炎症模型小鼠脑组织PGC-1α1表达增加,显著性降低神经炎症反应及海马内MCP-1、TNF-α、IL-1β和IL-6的表达。有研究发现,犬尿氨酸代谢通路的失调是神经退行性疾病发病的可能原因[51,52]。因此,运动可能通过调节骨骼肌细胞中KATs的水平,将具有神经毒性且易通过血脑屏障的犬尿氨酸转化为不能通过血脑屏障的犬尿酸[48],进而缓解神经系统疾病。研究证实,CNS中犬尿氨酸的缺失可降低神经元的死亡和神经炎症反应[49,50]。因此,运动干预可能通过调节犬尿氨酸向犬尿酸转变的过程发挥对神经炎症性疾病调节的功能,降低神经炎症性反应。

4 运动对AD神经炎症的调节

AD是一种衰老相关的、以进行性记忆力下降和认知功能损害为特征的神经退行性疾病。AD的主要病因是β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积和神经纤维缠结(NFTs)导致的神经元缺失[53,54]。这些病理性标志物的产生激活了神经胶质细胞,导致其功能结构的改变,以降低或清除Aβ斑块和NFTs,但由于Aβ斑块和NFTs结构稳定,形成后难以被清除,进而导致小胶质细胞长期激活和神经元缺失,形成所谓的反应性胶质细胞增多症。AD动物实验和临床检查均显示,前额叶皮层和海马的星形胶质细胞和小胶质细胞呈显著激活状态,脑内Aβ斑块和NFTs的聚积密度显著性升高[54-56]

AD脑组织中可观察到反应性胶质细胞增多症,并伴随着促炎性细胞因子、趋化因子以及相关炎症反应酶的显著性上调。AD患者脑部尸检显示,COX-1、COX-2、12-脂肪氧化酶(12-LOX)、15-脂肪氧化酶(15-LOX)基因表达水平均显著性增加,进而导致了前列腺素、环前列腺素和血栓素等相关炎症介质的产生显著性增加[57]。研究显示AD患者脑内IL-1β和TNF-α水平亦显著性增加[56]。以上研究也得到了其他研究的支持,与非AD患者脑的尸检结果相比,AD患者脑内IL-6、IL-8和MCP-1水平均显著增加[58]

研究发现,自主跑轮运动可提高老年小鼠学习记忆能力的改善,并发现其海马神经细胞较对照组显著增加,其机制可能与运动干预改善了老年小鼠海马的神经发生有关[59]。其他研究也得到相似的结论,如研究发现运动干预提高了实验动物的学习记忆能力[60],上调了脑内BDNF[61]、VEGF和IGF-1的表达[62],下调了ROS的表达[63]。此外,研究发现运动干预提高了AD小鼠的学习记忆能力,其机制可能是运动诱导了神经炎症反应的下调[64-66]。Kang等[64]通过PS2转基因AD小鼠的研究发现,运动干预显著下调了海马和皮层的Aβ沉积水平,同时发现细胞凋亡标志物caspse-3和caspse-12、及炎症介质TNF-α和IL-1α水平的显著性下调。Leem等[67]采用NSE/htau23转基因AD小鼠的实验发现,运动显著下调了小鼠脑内活化的小胶质细胞数和星形胶质细胞数量以及炎症因子COX-2、一氧化氮合酶(iNOS)、TNF-α、IL-1β和IL-6的水平。其他通过不同转基因AD小鼠的运动实验[68, 69]也发现了类似的变化。Choi等[70]发现,6周跑台运动使AD大鼠大脑皮质中促炎细胞因子TLR4、TNF-α、IL-1α、NF-κB的表达水平显著降低。Souza等[71]发现8周游泳运动抑制了AD小鼠海马和皮质TNF-α和IL-1β的表达,促进了IL-10的表达。6周自主跑轮运动通过抑制AD小鼠海马NF-κB的过度活化减少了促炎细胞因子TNF-α的表达,促进了抗炎细胞因子IL-10的表达[72]

大量动物实验发现运动干预可调节神经免疫功能,近几年人体试验也表明经常运动可降低神经退行性疾病的发病率。临床发现与不运动人群相比,运动降低了轻度认知功能障碍(MCI)和AD患者认知功能衰减的进程,显著提高了其记忆、认知及对相关活动的操作能力[73]。虽然人体试验尚不能明确解释运动是否通过炎症机制降低AD症状,但大量通过非痴呆人群和非AD模型动物的研究均表明,运动缓解炎症反应是运动改善AD症状及其病理的可能机制之一[64, 65, 69, 73]。研究[74]表明,经常参加运动的积极生活方式使AD患病风险显著降低。因此,动物实验和人体试验均表明运动干预可通过改善炎症反应机制进而预防和缓解脑认知功能的病变,降低AD的患病风险,改善其病理症状。

5 小结与展望

运动维持或促进人身体和心理健康的事实已毋庸置疑,经常参与体育活动的健康生活方式可降低神经系统的患病风险。但运动干预对调节慢性炎症性神经系统疾病调控作用的细胞和分子机制尚未明确。大量研究证实,运动干预可能通过神经免疫机制调节脑的功能障碍性疾病,如AD等发病机制尚不明确、且缺乏有效治疗途径的脑功能疾病的调节,运动干预的作用积极有效。运动具有减缓脑记忆力下降、促进认知和改善情绪等功能,可改善神经功能障碍性疾病。研究表明,运动可通过上调神经营养因子的表达、促进神经递质的释放和神经发生等方式发挥神经保护功能,同时运动还可通过降低神经胶质细胞的活动、减少炎症反应等途径来缓解慢性神经炎症。运动对神经免疫功能的调节可能是预防和缓解AD的重要潜在机制。但目前对于运动干预调节神经免疫效应的研究还很局限,揭示运动调节神经免疫功能的直接或间接的机制可能有助于减慢神经系统疾病进程的新兴治疗策略。因此,在神经系统疾病的研究领域,还需进一步优化人体的运动和生活规律,促进运动对神经免疫的调节作用,进而达到运动预防和缓解AD的目的。

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余锋,贾芳芳,徐帅,江海洋,王贤
《南京体育学院学报》2018年第04期文献

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