α7 煙堿型乙酰膽堿受體在認知功能障礙及神經保護中的作用

戰靜 徐平

遵義醫學院附屬醫院（貴州遵義563000）

認知功能障礙是指記憶、語言、視空間、執行、計算和理解判斷中的一項或多項受損，是一個多因素參與的復雜過程，已經成為全世界關注的社會問題［1］。乙酰膽堿受體（acetylcholine receptor，AChRs）主要由毒蕈堿受體（muscarinic cholinergic receptors，mAChRs）和煙堿型乙酰膽堿受體（nicitinic acetylcholine receptor，nAChRs）兩 部 分 組 成。nAChRs 屬于配體門控離子通道，由5 個蛋白亞基組成，其對稱地排列成桶狀，在哺乳動物大腦中鑒定出不同的nAChRs，α7nAChRs 是最豐富的一種，并在大腦區域如海馬和皮質中表達，其與認知注意和學習記憶機制密切相關［2］。認知障礙是神經學和精神病學治療領域中亟待解決的問題，故本文就α7nAChRs 在認知功能障礙及神經保護中的作用進行綜述。

1 α7nAChRs 的分子生物學特點

乙酰膽堿（acetylcholine，Ach）可通過作用于nAChRs 和mAChRs 來調節海馬體中的神經元興奮性［3］。nAChRs 存在于許多可興奮的組織中，在突觸前后均有發現，這些nAChRs 通過其非特異性陽離子滲透，在神經傳遞、神經調節、突觸可塑性和神經保護等方面具有興奮作用。因此，nAChRs 定位錯誤或功能缺陷與許多神經疾病狀態相關。α7nAChR 屬于同型五聚體，由5 個相同的α 亞基構成，每個亞基由502 個氨基酸組成，包括1 個大的胞外結構域、1個較小的胞內結構域和4 個跨膜結構域（transmembrane domain，TM），其中5 個亞基的TM2 跨膜區域構成中心孔道的內壁，并形成通道的門控結構。胞外結構域N 端是許多α7nAChR 的選擇性拮抗劑的結合位點，如α-芋螺毒素和α-銀環蛇毒素等［4］。α7nAChR 對鈣離子有較高的通透性，能調節鈣離子的濃度和神經遞質ACh 的釋放。α7nAChRs在大腦中維持各種神經元功能，包括（不限于）學習和記憶，ACh 可以通過作用于半胱氨酸環陽離子傳導配體門控nAChRs 通道來調節神經元興奮性，這些受體廣泛分布于整個中樞神經系統（central nervous system，CNS），參與多種生理反應，如焦慮，疼痛的中樞處理，食物攝取、尼古丁尋求行為和認知功能［5］。nAChRs 在CNS 中廣泛表達，并且介導內源性膽堿能輸入和周期性活動以及外源性化合物（如尼古丁和膽堿）的藥理作用，行為學研究表明尼古丁改善了學習和記憶等認知功能，但這些行為的細胞機制尚未明確［6］。α7nAChRs 是中樞神經系統中的關鍵神經遞質，在整個外周組織中也有存在，并且在涉及注意力、學習和記憶的大腦區域中高度表達，在免疫細胞中也常表達nAChRs 亞型［7-8］。人神經元煙堿乙酰膽堿受體基因（CHRNA7）編碼α7 亞型受體，參與學習與記憶，與多種認知缺陷疾病相關，包括精神分裂癥、雙相情感障礙、多動癥、癲癇、阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）和Rett 綜合征［9-10］。

2 α7nAChRs 的作用機制

經典的ACh 在學習記憶中的作用，不論是形態學或功能學的研究都有大量報道。近年來的證據表明，中樞nAChRs 在神經元的形成和突觸可塑性方面有著重要作用。α7nAChRs 具有調節神經元興奮性的功能，可使神經元處于一種合適的生理狀態，維持正常的行為反應，尤其是認知過程。研究表明，大鼠前額皮質α7nAChRs 參與工作記憶和參考記憶，海馬高密度的α7nAChRs 參與空間記憶或空間信息的儲存。nAChRs 系統在調節注意力和提高認知能力方面起著至關重要的作用，并且α7nAChRs 亞型參與許多認知行為作用［11］。與認知損害和注意力下降相關的神經變性、感覺運動及精神障礙和nAChRs 的表達和功能缺陷有關，nAChRs 的激活產生強烈的改善認知、神經保護、鎮痛和抗炎作用［12］。α7nAChRs 除了簡單的離子通道外，還介導膽堿能抗炎途徑（cholinergic anti-inflammatory pathway，CAP）的抗炎作用，其激活CAP 并抑制神經炎癥從而改善認知障礙［13-14］。

2.1 α7nAChRs 在AD 中的作用 AD 已成為癡呆的主要原因，它表現為漸進性認知功能障礙與退化神經元，其主要病理特征不僅包括淀粉樣蛋白（amyloid beta，Aβ）和神經原纖維纏結，還包括神經炎癥、胰島素抵抗、氧化應激和腦血管異常，胞內Aβ 是AD 病理中最早的事件，可引發細胞外淀粉樣纖維形成；引起內質網應激、內體∕溶酶體滲漏和線粒體功能障礙；損害突觸和神經元功能，導致神經退化，這在臨床上表現為記憶和認知功能障礙［15-16］。在更高的認知功能中α7nAChRs 被認為是重要的，并且膽堿能喪失是AD 的病理生理學的基礎［11］。膽堿能喪失在AD 發病中主要體現在2 個方面：（1）刺激nAChRs 可以增加大鼠小膠質細胞中的Aβ 的吞噬作用，并抑制了神經元g-分泌酶的活性，從而有助于減輕腦部Aβ 負荷和認知障礙；（2）膽堿乙酰轉移酶（choline acetyltransferase，ChAT）的活性與AD 患者死后腦神經炎斑數量增加相關聯。已經在AD 患者的大腦中發現了α7nAChRs 水平的下降和α7nAChRs 的功能障礙［17］。α7nAChRs 活化可激活多種信號途徑［18］。α7nAChRs 不僅參與認知功能，其激活也抑制Aβ 的形成，促進淀粉樣前體蛋白（APP）的α-分泌酶切割并抑制絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）∕NF-M ∕c-myc 通路的活性［15］。JEONG 等［19］報道，朊蛋白刺激的α7nAChRs 的激活促進了神經元中自噬流的誘導，這在神經保護中發揮了關鍵作用。α7nAChRs 激動劑——尼古丁可以引起JAK2 的磷酸化，依次激活磷脂酰肌醇-3 激酶（PI3K）和蛋白激酶B（Akt），通過增強抗凋亡相關蛋白—B 細胞淋巴瘤∕白血病-2（Bcl-2）的活性，對Aβ 引起神經元凋亡起保護作用。LIU 等［20］的研究結果顯示，尼古丁激活α7nAChRs 通過抑制細胞外信號調節激酶1∕2（extracellular regulated protein kinases，ERK1∕2）的磷酸化，能阻止與細胞凋亡基因和增值密切相關的核因子-κB（NF-κB）和原癌基因C-myc 的活化，從而保護Aβ 引起的神經元凋亡，同時也能減少Aβ 在海馬和皮質的沉積。不同的a7nAChRs激動劑被測試為潛在的AD 治療靶點，并在AD 相關的不同體外和體內模型中提供神經保護，在這方面，臨床上用于AD 患者的膽堿能藥物，如多奈哌齊和加蘭他敏，在臨床前模型中已經證明了通過α7nAChRs 介導的神經保護性質。此外α7nAChRs 激動劑EVP-6124 目前在輕度至中度阿爾茨海默病患者中處于臨床III 期［21］。

2.2 α7nAChRs 在帕金森?。≒arkinson's disease，PD）的作用 PD 是一種發病率僅次于AD 的神經退行性疾病，其病理特征是黑質致密區的多巴胺神經元的死亡。這種進行性神經變性疾病的特征是虛弱的運動缺陷，以及自主神經問題、認知下降、情感變化和睡眠障礙，與AD 的情況一樣，在PD 動物模型大腦皮層中也觀察到了類似的nAChRs降低（主要是α4 和α7 亞單位）［21］。α7nAChRs 在保護多巴胺能變性方面的作用起初源于使用一般nAChRs 激動劑尼古丁的研究，如α7nAChRs 變構調節劑加蘭他敏和α 7nAChRs 激動劑DMXB 及ABT-107 均可在大鼠中抵抗6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導的黑質紋狀體損傷［22］。此外，α7激動劑PNU-282987 在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-Methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridin，MPTP）損傷的小鼠中保護免受黑質紋狀體損傷，而α7nAChRs 拮抗劑如甲基卡烏頭堿（methyllycaconatine，MLA）阻斷尼古丁的神經保護作用。這些關于α7nAChRs 激動劑和拮抗劑的研究為這些受體在防止黑質紋狀體損傷方面的作用提供了令人信服的證據。煙堿受體激動劑在幾個PD 模型具有保護作用，有相當多的證據表明α7nAChRs 是神經退行性疾病的治療目標，如內源性α7-nAChRs 機制通過調節Wnt∕β-連環蛋白信號在小鼠PD 模型中起關鍵作用［23］。因此，α 7nAChRs 已被提出為治療PD 的新藥物的靶點［24］。

2.3 α7nAChRs 在精神分裂癥中的作用 精神分裂癥是一種終生的疾病，其負擔常常被低估，作為一種慢性精神疾病，其特征在于錯誤的感知和逃避現實，它的癥狀包括陽性（妄想，幻覺）、陰性癥狀（社交能力減退，冷漠）、認知改變、思維紊亂和精神運動障礙［25］。研究發現邊緣系統中的多巴胺能功能亢進和額葉皮質中的多巴胺能功能低下與精神分裂癥的病理生理學有關，但精神分裂癥的病因目前仍然未知。大多數對精神分裂癥的研究都圍繞著多巴胺能（dopamine，DA）和谷氨酸能系統進行，而膽堿能系統卻很少受到關注。事實上，在精神分裂癥中已經報道了膽堿水平升高以及腹側紋狀體和錐體束上的膽堿能神經元的變化，這表明膽堿能神經傳遞的不平衡可能是疾病的基礎［26］。精神分裂癥煙堿乙酰膽堿能系統中的α7nAChRs異常通過多種途徑得到直接和間接支持：遺傳學、尸檢研究、感覺門控異常和吸煙研究［27］。在動物中α 7nAChRs 的刺激是促認知的，在選擇性α7nAChRs 激動劑的臨床試驗中，激活受體可改善精神分裂癥患者的認知表現，盡管尚未進入后期或FDA 批準，但選定的藥物（DMXB-A，也稱為GTS-21、TC-5619 和EVP-6124）在精神分裂癥患者的試驗中顯示出一定程度的認知改善［28］。多項尸檢研究顯示，精神分裂癥患者腦部樣本中的α 7nAChRs 減少，提示α7nAChRs 在精神分裂癥中發揮作用。在過去的幾年里，多項關于α7nAChRs 研究已經研究了α7nAChRs 激動劑和α7nAChRs 的正變構調節劑（PAMs）對精神分裂癥患者認知功能減退的影響，這些研究支持通過α7nAChRs 激動劑和PAMs 逆轉精神分裂癥嚙齒動物模型中的認知缺陷，包括注意力轉移、記憶形成和恢復以及感覺運動門控缺陷，臨床上，這些研究涉及新藥和藥物組合不僅治療精神分裂癥的認知癥狀，而且治療精神分裂癥的陽性癥狀［27］。α7nAChRs 亞型已成為精神分裂癥治療的一個特殊靶點。

2.4 α7nAChRs 在術后認知功能障礙（POCD）中的作用 POCD 是涉及記憶、注意力、言語和抽象思維的嚴重認知缺陷，其在老年患者麻醉手術后很常見，其中約14%的患者在術后3 個月內出現認知功能下降。老年人的比例逐年增加，越來越多的人選擇手術和麻醉［29］。最近的一項研究表表明，揮發性麻醉劑異氟醚增加了POCD 小鼠腦組織和初級神經元中TNF-α、IL-6 和IL-1β 的水平，此外，海馬神經元凋亡被認為與異氟醚引起的認知功能障礙有關。α7nAChRs 激動劑已顯示對POCD 大鼠認知功能障礙有有效改善作用［30］。通過nAChRs 拮抗劑抑制α7nAChRs可能會惡化全身麻醉下手術小鼠的認知功能下降，這表明膽堿能功能障礙是術后認知功能下降的病理機制，這與POCD 大鼠海馬α7nAChRs 陽性神經元減少有關，且POCD發病率高，支持膽堿能功能障礙與認知功能障礙之間相關。

2.5 α7nAChRs 的其他作用 癲癇是一種陣發性神經系統疾病，其特點是反復發作和無特定誘因發作，其可誘發或加速認知功能障礙。有證據表明，CHRNA7 在中樞神經系統和周圍神經系統廣泛表達，其和其部分復制的同種（CHRFAM7A）的基因的15q13-q14 位點與癲癇之間存在聯系，研究證實了α7nAChRs 亞基參與年輕患者特發性全身性癲癇（idiopathic generalized epilepsy，IGE）病理生理過程，并指出CHRFAM7A c.497-498TG 缺失或附近的多態性可能在IGE 的發病中起作用。在HIV 感染者中，約有30%～50%的人出現從輕度癥狀到癡呆的神經系統并發癥。HIV 不感染神經元，HIV 相關神經認知下降的分子機制尚不清楚。有幾種假說可以解釋HIV（+）個體癡呆的發展，包括感染小膠質細胞介導的神經炎癥和HIV 蛋白介導的神經毒性。人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）相關神經認知下降的分子機制尚不清楚，有幾種假說可以解釋HIV（+）個體癡呆的發展，包括感染小膠質細胞介導的神經炎癥和HIV 蛋白介導的神經毒性，HIV-1 膜gp120 誘導類似于HIV-相關的神經認識障（HIV-1 associated neurocognitive disorders，HAND）患者的神經病理學改變；此外，它還引發α7nAChRs 上調，促進細胞內鈣超載和神經元細胞死亡。BALLESTER 等［31］鑒定出哺乳動物腦中最常見的膽堿能受體之一α7nAChRs 作為HIV 誘導的神經毒性中未被認識的貢獻者。由于α7nAChRs 在認知過程中的關鍵作用，以及它不僅在大腦中表達，而且在HIV 感染過程中靶向的多種免疫細胞中表達，因此α7nAChRs 可能成為開發HIV 感染患者HAND 神經保護療法的藥物干預靶點。α7nAChRs 在正常認知過程中的特殊和基本作用及其功能的多樣性，使其成為HIV 相關并發癥中需要考慮的重要藥理學靶點。α7nAChRs 受體激動劑膽堿通過上調α 7nAChRs 水平并誘導缺氧誘導因子1-α（hypoxia-inducible factor 1-α，HIF-1α）和血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達，可能通過促進皮動脈形成和大腦皮層毛細血管，有效減輕永久性大腦中動脈閉塞（permanent middle cerebral artery occlusion，pMCAO）大鼠的腦缺血損傷［32］。α7nAChRs 亞型還與其他特定中樞神經疾病的病理生理學相關，包括藥物成癮、抑郁、焦慮和多種神經退行性疾?。?8］。

3 小結

綜上所述，伴隨著人口老齡化，認知功能障礙已經成為神經科學研究的熱點，α7nAChRs 在多種CNS 疾病中有積極的作用，可以改善認知功能障礙。而且，大量的動物實驗及臨床試驗都表明，α7nAChRs 激動劑在改善認知功能障礙方面有其獨特的優點，有望成為治療認知功能障礙的靶點。α7nAChRs 激動劑與PAMs 聯合使用有望成為一種更為有效的改善認知功能障礙的策略。因此，開發特異、低副作用的α7nAChRs 激動劑是未來治療認知功能障礙的重要工作。