董文平 任壽安

阻塞性睡眠呼吸暫停(Obstructive sleep apnea，OSA)是導(dǎo)致睡眠呼吸障礙的常見原因，慢性間歇性缺氧(Chronic intermittent hypoxia，CIH)為其特征性改變，表現(xiàn)為睡眠期間反復(fù)發(fā)生上氣道阻塞，導(dǎo)致上呼吸道氣流停止或明顯受限，常伴有血氧飽和度下降和睡眠覺醒[1]。OSA患者常見的臨床表現(xiàn)為睡眠期間出現(xiàn)打鼾、呼吸暫停以及白天嗜睡，不僅如此，OSA還可影響全身多個臟器系統(tǒng)的病理改變，患者可不同程度的出現(xiàn)心血管疾病、內(nèi)分泌紊亂及神經(jīng)認(rèn)知損傷等[2]。近年來關(guān)于OSA與神經(jīng)認(rèn)知損傷關(guān)系的研究較多，其可能的機(jī)制包括氧化應(yīng)激致炎癥反應(yīng)、睡眠微結(jié)構(gòu)紊亂、血腦屏障的適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)改變以及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(Default mode network，DMN)功能連通性降低等[3-5]。核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2-抗氧化反應(yīng)元件(Nuclear factor erythrocyte 2-related factor 2-antioxidant response element，Nrf2-ARE)信號通路是機(jī)體重要的氧化還原途徑之一，在調(diào)節(jié)細(xì)胞抗氧化應(yīng)激反應(yīng)及維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮防御保護(hù)作用[6]。很多動物及臨床實(shí)驗(yàn)研究均證明了Nrf2激活在OSA導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷的過程中發(fā)揮抗炎反應(yīng)及神經(jīng)保護(hù)作用[6-8]。本文就Nrf2-ARE信號通路在OSA導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷中的研究進(jìn)展綜述如下。

Nrf2-ARE信號通路的組成

Nrf2屬于堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子家族的一員，是細(xì)胞氧化還原的中央調(diào)節(jié)器[7]，Nrf2-ARE信號通路是體內(nèi)最重要的抗氧化途徑之一，在促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)抗氧化應(yīng)激方面起到關(guān)鍵作用[9]。Nrf2-ARE信號通路由三部分組成：Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH associated protein 1，Keap1)、Nrf2和抗氧化反應(yīng)元件(ARE)。Nrf2的調(diào)節(jié)主要是通過控制維持Nrf2蛋白水平來實(shí)現(xiàn)的[10]。在基本的穩(wěn)態(tài)條件下，細(xì)胞質(zhì)中的Nrf2主要通過Keap1-Cullin3(Cul3)-Rbx1泛素E3連接酶復(fù)合物與Keap1結(jié)合，促進(jìn)泛素化降解Nrf2[11]，所以細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Nrf2的蛋白水平通常較低。當(dāng)氧化應(yīng)激時，Nrf2依賴的細(xì)胞防御機(jī)制啟動，Keap1的半胱氨酸被親電試劑修飾使Keap1失活，Nrf2從Keap1釋放并易位到細(xì)胞核內(nèi)，一旦進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，活化的Nrf2與小的肌肉腱膜纖維肉瘤(small Musculoaponeurotic fibrosarcoma，sMAF)蛋白異源二聚形成蛋白復(fù)合物以啟動含ARE靶基因的轉(zhuǎn)錄[10]。Nrf2調(diào)控通過與啟動子區(qū)域的ARE結(jié)合來控制細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá)[11]，并誘導(dǎo)一系列抗氧化酶的激活，包括血紅素氧化酶1(Heme oxygenase-1，HO-1)、醌氧化還原酶(Quinone oxidoreductase，NQO1)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(Glutathione S-transferase，GST)等[12-13]，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞對氧化應(yīng)激的適應(yīng)性反應(yīng)，并且在維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮保護(hù)作用。

OSA神經(jīng)認(rèn)知損傷機(jī)制

一、氧化應(yīng)激

海馬在空間學(xué)習(xí)及記憶中起到關(guān)鍵作用，研究表明CIH引起大鼠海馬強(qiáng)烈的氧化應(yīng)激及神經(jīng)元凋亡，并且OSA患者的海馬結(jié)構(gòu)受炎癥刺激可引起膠質(zhì)細(xì)胞活化，可進(jìn)一步導(dǎo)致特異性區(qū)域體積增加[14]，所以O(shè)SA患者的認(rèn)知障礙也很可能與海馬結(jié)構(gòu)及功能改變相關(guān)。另外也有研究表明CIH可致海馬體促氧化狀態(tài)，從而破壞海馬突觸可塑性及空間記憶[15]。在OSA導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷中，氧化應(yīng)激引起的炎癥反應(yīng)貫穿整個進(jìn)展過程[16]，大腦本身是一個耗氧器官，海馬神經(jīng)元對氧化應(yīng)激反應(yīng)更敏感，所以當(dāng)OSA患者反復(fù)出現(xiàn)缺氧復(fù)氧，機(jī)體可產(chǎn)生大量活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，ROS可激活多個途徑誘導(dǎo)神經(jīng)元功能障礙，包括線粒體功能障礙、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的應(yīng)激及神經(jīng)元活動的干擾，使海馬神經(jīng)元氧化/抗氧化失衡，出現(xiàn)異常的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終導(dǎo)致空間學(xué)習(xí)及記憶能力下降[17]。

Nrf2-ARE信號通路是機(jī)體重要的氧化還原途徑，在CIH導(dǎo)致的抗氧化應(yīng)激過程中發(fā)揮重要作用，對神經(jīng)系統(tǒng)氧化應(yīng)激引起的炎癥反應(yīng)及神經(jīng)毒性也起到防御保護(hù)作用，Nrf2抑制或缺乏，可導(dǎo)致細(xì)胞線粒體功能障礙、炎癥上調(diào)及抗氧化酶下調(diào)，與CIH本身誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激產(chǎn)物的過度產(chǎn)生，共同破壞神經(jīng)元及神經(jīng)信號通路，導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷[6]。在很多動物實(shí)驗(yàn)研究中，Nrf2-ARE信號通路的研究受到廣泛關(guān)注，一項(xiàng)Nrf2基因敲除的小鼠實(shí)驗(yàn)[18]中發(fā)現(xiàn)Nrf2基因缺乏的小鼠對氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)更敏感，海馬區(qū)域氧化和促炎標(biāo)志物水平增加，而且Nrf2的缺乏會降低海馬區(qū)域的長時程增強(qiáng)(Longterm potentiation，LTP)，這表明Nrf2對海馬電生理功能維持具有重要意義。在一項(xiàng)關(guān)于脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)誘導(dǎo)的小鼠神經(jīng)炎癥模型實(shí)驗(yàn)研究中也證明了Nrf2缺乏會加重氧化應(yīng)激，使小鼠的海馬膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性增多，加重LPS誘導(dǎo)下的小鼠認(rèn)知障礙和反應(yīng)性腦損傷，表明Nrf2通路激活在LPS觸發(fā)的膠質(zhì)反應(yīng)和認(rèn)知損傷中發(fā)揮重要作用[7]。所以當(dāng)機(jī)體間歇性缺氧出現(xiàn)氧化應(yīng)激時，Nrf2-ARE信號通路可被激活傳導(dǎo)，對神經(jīng)系統(tǒng)可能起到抗氧化應(yīng)激的保護(hù)作用。另外也有相關(guān)研究表明[6]，中重度的OSA患者外周血中Nrf2-ARE通路相關(guān)抗氧化物酶顯著降低，Nrf2-ARE蛋白表達(dá)的降低也與OSA患者的記憶及執(zhí)行功能損傷有顯著相關(guān)性。這些均提示Nrf2-ARE信號通路對OSA神經(jīng)系統(tǒng)維持細(xì)胞正常的氧化還原穩(wěn)態(tài)具有重要意義，但是關(guān)于CIH導(dǎo)致Nrf2-ARE信號通路紊亂是如何影響OSA神經(jīng)認(rèn)知損傷的具體機(jī)制仍不明確。

二、睡眠微結(jié)構(gòu)紊亂

睡眠微結(jié)構(gòu)包括睡眠覺醒和循環(huán)交替模式(Cyclic alternating pattern，CAP)，OSA患者常表現(xiàn)為睡眠覺醒，而覺醒不穩(wěn)定是由于腦電圖中循環(huán)交替模式的改變引起的[3]，頻繁的睡眠覺醒會中斷睡眠連續(xù)性，最終導(dǎo)致睡眠障礙。有研究提出OSA的嚴(yán)重程度是與A期亞型相關(guān)，且在不同嚴(yán)重程度的OSA患者中，CAP的適應(yīng)性覺醒過程和不適應(yīng)覺醒過程之間是存在平衡的[19]，但是當(dāng)在較重的OSA中，睡眠穩(wěn)定機(jī)制可能會發(fā)生失代償，導(dǎo)致睡眠結(jié)構(gòu)紊亂，睡眠電路被破壞。另外OSA患者的睡眠微結(jié)構(gòu)的改變與其白天嗜睡及認(rèn)知障礙的臨床特征是相關(guān)的，CAP和覺醒參數(shù)隨著OSA的嚴(yán)重程度逐漸增加，而且A3期指數(shù)的增加與白天嗜睡和認(rèn)知功能密切相關(guān)[3,20]。CAP-A相主要在額頂葉皮質(zhì)激活，隨著CAP率(即CAP時間與非快速眼動睡眠時間的百分比)的增加這些區(qū)域的A相活動顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致覺醒不穩(wěn)定，睡眠效率低，從而使睡眠期間鞏固額葉和頂葉皮質(zhì)區(qū)域的認(rèn)知輸入能力受損[21]，表現(xiàn)出語言流利性、記憶和視覺空間技能的受損。但是目前關(guān)于循環(huán)交替模式與OSA嚴(yán)重程度及認(rèn)知功能影響的研究尚不充分，仍需進(jìn)一步探索。

三、血腦屏障的適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)改變

還有許多研究提出OSA導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷是CIH通過分子反應(yīng)破壞血腦屏障(Blood brain barrier，BBB)來影響的[4]，認(rèn)為OSA因其CIH產(chǎn)生氧化應(yīng)激的特性，引起機(jī)體微環(huán)境的改變，尤其使耗氧量高的大腦海馬及海馬神經(jīng)元受損，影響大腦突觸的連接結(jié)構(gòu)及功能可塑性，從而影響B(tài)BB。這種微環(huán)境的改變最初表現(xiàn)為微血管通透性的改變，是BBB的適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，但是在長期CIH中，復(fù)雜的適應(yīng)性改變可能引起B(yǎng)BB產(chǎn)生不良反應(yīng)，使這樣一種適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N破壞性的反應(yīng)。

Nrf2在血管生成過程中起到調(diào)控氧化還原信號通路的中心作用，與ARE結(jié)合后驅(qū)動抗氧化酶激活可調(diào)節(jié)BBB微環(huán)境的改變[22]。所以當(dāng)氧化應(yīng)激導(dǎo)致Nrf2受損時，腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成能力會受到抑制，使內(nèi)皮功能障礙加劇。而且Nrf2的缺乏可使大腦小膠質(zhì)細(xì)胞增生，引起神經(jīng)炎癥和微血管損傷，導(dǎo)致認(rèn)知障礙[23]。研究發(fā)現(xiàn)在BBB模型中，CIH誘導(dǎo)產(chǎn)生大量ROS引起氧化應(yīng)激導(dǎo)致炎癥級聯(lián)反應(yīng)，使轉(zhuǎn)錄因子Nrf2、缺氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia-inducible factor-1 α，HIF-1α)的表達(dá)和活性增加[24]。Nrf2與ARE結(jié)合后調(diào)節(jié)抗氧化防御基因表達(dá)及血管生成能力，HIF-1α也參與刺激血管生成、細(xì)胞增殖、炎癥反應(yīng)等生物過程的基因轉(zhuǎn)錄，這些轉(zhuǎn)錄因子可以改變BBB上ATP結(jié)合盒(ATP binding cassette，ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)和活性，長期ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的改變，將會引起B(yǎng)BB微血管通透性的變化，影響大腦的微環(huán)境，從而引起認(rèn)知功能障礙[4]。研究提示OSA患者通過改變BBB的適應(yīng)性來影響神經(jīng)認(rèn)知功能是與CIH密切相關(guān)的，而且Nrf2-ARE信號通路在抗氧化防御及BBB中血管生成作用中發(fā)揮重要作用，這為我們以后的研究提供了方向。

四、大腦默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的功能連通性降低

OSA患者的認(rèn)知功能損傷常表現(xiàn)為記憶力減退、注意力下降、警覺及執(zhí)行能力減退以及運(yùn)動功能障礙等[25]。研究提出這些功能區(qū)域的損害表現(xiàn)是由于對應(yīng)的大腦區(qū)域長期間歇性缺氧導(dǎo)致腦血流灌注不足，使DMN的功能連接性受損所致。他們認(rèn)為DMN是一個大腦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，而OSA可通過低氧血癥選擇性地影響雙側(cè)中顳回、雙側(cè)額極和雙側(cè)海馬區(qū)的神經(jīng)活動[5,26-27]。有研究表明OSA患者海馬中參與記憶加工的區(qū)域中，存在皮質(zhì)變薄和髓鞘丟失，而且海馬區(qū)萎縮及脫髓鞘會隨OSA的嚴(yán)重程度而增加，這提示OSA患者的認(rèn)知功能受損，可能與海馬區(qū)功能連接性降低有關(guān)[28]。OSA患者的海馬結(jié)構(gòu)在受炎癥刺激及膠質(zhì)細(xì)胞的活化后出現(xiàn)特異性區(qū)域體積的增加[14]，表現(xiàn)在右半球額葉、中央和枕葉的皮質(zhì)厚度及左側(cè)海馬和杏仁核的體積增加，但是左右顳葉皮質(zhì)厚度卻減少[29]。OSA患者大腦出現(xiàn)不同皮質(zhì)區(qū)域厚度的增加與減少，會對大腦結(jié)構(gòu)的完整性產(chǎn)生影響，從而改變OSA患者的中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)與DMN之間存在的靜息狀態(tài)功能連接，最終影響大腦區(qū)域的執(zhí)行功能。另外在睡眠記憶處理的關(guān)鍵區(qū)域，長期低氧血癥的患者海馬旁皮質(zhì)之間的功能連接減少，且內(nèi)側(cè)顳葉結(jié)構(gòu)功能連接受損[30]，在工作記憶區(qū)域，工作記憶網(wǎng)絡(luò)額葉半球之間的有效連接性減少，但右半球連接性增加，使大腦由默認(rèn)靜息狀態(tài)模式向與執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的復(fù)雜認(rèn)知活動轉(zhuǎn)換[31]。而且研究發(fā)現(xiàn)在持續(xù)正壓通氣治療(Continuous positive pressure ventilation，CPAP)下DMN的連接性增加且皮質(zhì)改變減輕，CPAP治療3個月后，右額葉中回的連接性增加，CPAP治療12個月后幾乎可完全逆轉(zhuǎn)白質(zhì)異常，而且注意力、執(zhí)行功能和記憶改善與CPAP治療后白質(zhì)的改變相平行[32]。這些均說明了CIH在大腦DMN功能連接性降低的機(jī)制中起到關(guān)鍵作用，而且通過CPAP治療后可以改善DMN功能連通性降低，從而提高OSA患者的神經(jīng)認(rèn)知功能，但是目前關(guān)于CIH影響DMN功能連通性的分子信號傳導(dǎo)仍不清楚。

OSA與阿爾茨海默癥

阿爾茲海默癥(Alzheimer's disease，AD)是一種長期進(jìn)展的慢性疾病，OSA與AD在影響神經(jīng)認(rèn)知損傷的通路上是有相似性的，一項(xiàng)通過多模式的神經(jīng)影像學(xué)檢查來探索OSA與阿爾茨海默癥關(guān)系的研究中，發(fā)現(xiàn)OSA患者的后扣帶回和楔前葉的淀粉樣蛋白沉積量較大，且增加的淀粉樣沉積位于相同的AD敏感解剖區(qū)域[33]，這說明OSA與阿爾茨海默癥在影響神經(jīng)認(rèn)知損傷方面可能有共同通路。

Nrf2-ARE信號通路在AD疾病發(fā)展中起重要作用，完整的Nrf2信號可保護(hù)AD小鼠免受氧化應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞損傷和神經(jīng)毒性[7-8]。BACE1是淀粉樣β肽(Aβ)生成的限速酶，也是AD發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵事件，即使BACE1輕微表達(dá)，對Aβ的積累也可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，Gahee Bahn等人研究提示Nrf2可通過結(jié)合小鼠和人類的BACE1和BACE1-AS啟動子上ARE位點(diǎn)來調(diào)控BACE1和BACE1-AS的表達(dá)，證明了Nrf2對于Aβ神經(jīng)毒性有保護(hù)作用[34]。近年來Nrf2也被作為AD的治療研究靶點(diǎn)，多種證據(jù)表明，激活或抑制Nrf2可顯著影響AD疾病的發(fā)生和發(fā)展[10-11]，Tian Y等人實(shí)驗(yàn)指出Nrf2-ARE通路在增加細(xì)胞對氧化應(yīng)激的防御系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用，證明了Nrf2-ARE途徑可通過降低PS1V97L-7g小鼠(PS1V97L-7g小鼠是一種轉(zhuǎn)基因小鼠系，包含基因可致人類AD)Aβ水平和氧化應(yīng)激來提高神經(jīng)元活力介導(dǎo)改善認(rèn)知功能[35]。另外在一項(xiàng)Keap1基因敲除的AD小鼠模型實(shí)驗(yàn)中[36]，也提示Keap1基因的敲除可誘導(dǎo)Nrf2基因激活，從而誘導(dǎo)改善AD小鼠的認(rèn)知功能，尤其在情緒聯(lián)想記憶的下降方面。

CPAP治療對OSA神經(jīng)認(rèn)知損傷的影響

CPAP治療是OSA患者常用的一種治療方式，但是CPAP的治療是否可以改善相關(guān)認(rèn)知損傷或是否延緩OSA所致的認(rèn)知障礙進(jìn)展目前說法不一。最近一項(xiàng)研究指出CPAP治療對于OSA患者注意力改善及警覺性提高有幫助，但對于其他領(lǐng)域的缺陷改善不佳[37]。也有研究表明長期的CPAP治療在改善總認(rèn)知功能障礙和部分認(rèn)知功能障礙亞區(qū)的同時，也可有效地治療白天嗜睡，但是僅6個月的CPAP治療，不能顯著改善記憶損傷[38]。因?yàn)楹芏嘌芯咳狈﹂L期(1年以上)CPAP治療，不能明確長期CPAP治療對神經(jīng)認(rèn)知功能的影響，但是所有的研究均指向CPAP治療對OSA神經(jīng)認(rèn)知功能的改善是有幫助的。堅(jiān)持CPAP治療并且提高患者的依從性可能會減輕并延緩OSA患者認(rèn)知能力下降的速度，從而降低癡呆癥的風(fēng)險(xiǎn)[39]。

小 結(jié)

阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA)通過CIH引起氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)多種途徑影響大腦結(jié)構(gòu)及功能的改變，從而導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷。Nrf2-ARE信號通路是機(jī)體重要的氧化還原途徑之一，在OSA導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷的過程中起到關(guān)鍵作用，但是關(guān)于Nrf2-ARE通路紊亂是如何影響OSA導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷的發(fā)病機(jī)制目前仍不明確。闡明Nrf2-ARE信號通路的傳導(dǎo)機(jī)制及Nrf2激活或抑制對于神經(jīng)認(rèn)知損傷的影響，有望為探索OSA導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知損傷的發(fā)病機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及治療靶點(diǎn)提供新的思路。