脑淀粉样血管病发病机制的研究进展

吴娟娟，倪俊

脑淀粉样血管病（cerebral amyloid angiopathy，CAA）是一种以柔脑膜或脑皮质中小血管壁淀粉样蛋白沉积为主要病理特征的脑小血管病，是老年人自发性脑叶出血的最常见病因。沉积的蛋白以β淀粉样蛋白（amyloid β，Aβ）为主。CAA的病因可归纳为遗传性、散发性及获得性三种，其中散发性CAA最常见，获得性（即医源性）病因则是新近提出的概念[1]。尽管已有大量体外实验及针对动物模型进行的研究，但CAA的发病机制目前尚未明确，因此，迄今疾病修饰治疗仍在探索阶段。本文结合国内外最新研究进展，对CAA的发病机制及病理生理进行综述。

1 发病机制及病理生理

在生物物理学家的定义中，淀粉样蛋白是一类蛋白质，几乎没有一级序列同源性，特定肽段经错误折叠形成具有交叉β折叠构象的长直链原纤维[2]。原丝是β折叠结构的堆叠，当该结构扭曲时，就形成了原纤维。而从病理学家的角度看，淀粉样蛋白是位于细胞外的，刚果红染色呈阳性，偏振光显微镜下显示出特殊的黄绿色双折光的、纤维无分支的蛋白[3]。淀粉样蛋白长期被认为是异常沉积的对神经系统具有毒性作用的有害蛋白，近期研究发现果蝇体内的淀粉样蛋白具有存储记忆的作用[4]，打破了人们对淀粉样蛋白的一贯认知，同时也有部分功能性淀粉样蛋白被认可[3]。部分研究者，包括国际淀粉样变性学会在内，认为多种淀粉样蛋白（主要包括Aβ、胱抑素C、朊粒蛋白、转甲状腺素蛋白、凝溶胶蛋白、免疫球蛋白轻链淀粉样蛋白等）沉积均可导致CAA，而不限于Aβ[5]。其中Aβ是最常见且被广为接受的CAA致病物质，可引起散发性及部分遗传性CAA。Aβ不仅导致CAA，也是阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的致病物质之一。两种疾病存在临床共病的情况，70%～90%的AD患者有病理证实的CAA，而经病理证实的非AD患者中，仅23.5%显示CAA的病理学改变[6-7]，证实了二者的相关性。但CAA并非AD的伴随病理改变，CAA的患病率和发病率在有症状的AD患者和淀粉样蛋白PET成像呈阳性的认知正常个体（即非AD患者）中均增加[8]。这表明AD并非CAA的必要条件，由此可知该两种疾病作为单独的疾病实体存在。但二者可能协同导致更严重的认知障碍。

1.1 Aβ的产生与清除 Aβ的基本结构是含有38～43个氨基酸残基的肽链。在CAA中，含有40个和42个氨基酸的Aβ40和Aβ42最常见。Aβ的前体是淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）。APP是一种Ⅰ型跨膜糖蛋白[9]，广泛分布于体内多种细胞表面。APP有两种降解途径：一种是通过靠近细胞膜被细胞外的α-分泌酶剪切成可溶性的淀粉样前体蛋白α及C端片段，C端再被γ-分泌酶分解，最终产物不会聚集；另一种是被β-分泌酶或称APPβ位点切割酶1（β-site APP cleaving enzyme 1，BACE1）剪切成可溶性的淀粉样前体蛋白β和细胞膜连接片段（C-terminal 99，C99），C99在细胞膜内由γ-分泌酶剪切形成Aβ的肽段和淀粉样蛋白胞内结构域。第二种代谢途径便是CAA主要致病物质Aβ的来源。Aβ产生过程中的调控酶如BACE1及γ-分泌酶正被广泛研究，有望成为AD和CAA新的治疗靶点。

目前已提出CAA患者Aβ的来源主要包括三种：①由神经元产生；②自血液中跨血脑屏障而沉积于血管壁；③由血管壁的平滑肌细胞产生[10]。第一种途径是目前研究最为清楚的Aβ产生途径，已被多项研究证实。在中枢神经系统，Aβ主要由神经元产生，而外周组织及细胞也可产生Aβ。Aβ自血液循环进入脑实质主要借助细胞膜上的晚期糖基化终产物受体（receptor for advanced glycation endproducts，RAGE）进行转运[11]。RAGE的转运能力随着年龄增长而增加，故中枢神经系统的Aβ水平亦随着年龄增长而增加[11]。可溶性转运体（或称螯合剂）与血浆中的可溶性Aβ结合，防止其结合到RAGE，进而阻止Aβ进入脑内。在动物实验中，通过外周途径给予抗体（螯合剂）结合血浆中的游离Aβ肽段后，脑内Aβ沉积较前明显减少[12]。这一研究结果支持第二种途径在Aβ产生中的作用。体外细胞培养研究提示脑血管平滑肌细胞能产生Aβ[13]，表明了第三种途径的可靠性。

Aβ作为代谢产物主要经三种途径清除，目前尚未明确哪种途径起主导作用。①经血脑屏障转运：该过程始发于毛细血管，即Aβ产生的第二种途径的反向过程。Aβ自脑实质进入血液循环的过程主要需要借助低密度脂蛋白受体相关蛋白1（low-density lipoprotein receptor-related protein 1，LRP1）和ATP结合盒转运蛋白B1（ATP binding cassette subfamily B member 1），后者也称P-糖蛋白1或多重耐药蛋白1（multidrug resistanceassociated protein 1，MDR1）。在AD患者中，这两种蛋白的表达降低[14]，因此可能导致Aβ自脑内清除的效率降低而沉积于血管壁。这一过程对CAA患者的影响尚未被证实。这一转运过程涉及的环节较复杂，目前尚未完全被阐明，仍有待进一步研究。②血管周围清除：目前认为存在壁内血管周引流（intramuralperiarterial drainage，IPAD）和类淋巴引流两种途径，二者是否在不同检测方法中被发现而本质为同一现象，尚无定论，主流观点认为二者并不相同[15]。IPAD途径经由位于动脉中膜平滑肌细胞与基膜之间的通道进行引流。神经元产生的Aβ肽段迁移至血管周后进入该通道，沿IPAD途径逆血流方向引流至淋巴系统，方向为毛细血管到动脉端[16]。血管周围引流需要动力，有研究认为动力来源于心脏输出产生的动脉搏动[17]，但这些小的波动似乎无法产生足够的压力梯度[18]；另一种看法认为该动力由血管的自发性低频收缩及舒张产生[19]。随着年龄的增长及Aβ的沉积，脑血管硬化，弹性减低，血管搏动幅度减小，回流动力减少，使该清除途径遭到破坏而导致清除障碍。类淋巴引流则是脑脊液自蛛网膜下腔进入血管周围间隙，依赖水通道蛋白4对流进入脑实质后与含有Aβ的间质液混合，沿静脉周围间隙引流至颈部淋巴结，故整体方向是动脉到静脉[20]。③脑内局部清除：Aβ经胶质细胞胞吞、胞内/外酶降解等途径清除。其中胞吞主要依赖星形胶质细胞和小胶质细胞的清除作用，而细胞内/外酶降解的参与成分较复杂，包括脑啡肽酶、基质金属蛋白酶等[14]。

1.2 Aβ的沉积及影响因素 生理状态下，Aβ的产生及清除处于平衡状态。病理状态下，由于产生异常或清除障碍，Aβ肽段由实质向血管迁移的过程减慢，易于聚集形成二聚体、三聚体、低聚物及多聚物，最终堆叠形成原纤维，构成脑实质中的斑块或血管壁内的沉积物。Aβ的沉积需经过成核和“种植（seeding）”阶段[3]。使用电子显微镜观察发现，在CAA的初始阶段，Aβ集中沉积于血管的基底膜内[21]，随着沉积量增大导致中膜的平滑肌细胞变性[5]。该现象表明，Aβ选择性沉积的部位位于血管壁内，更支持IPAD途径（沉积于血管壁内）而非类淋巴引流（沉积于血管周围间隙）在CAA致病中的作用。

Aβ42肽段较Aβ40肽段疏水性更强、可溶性更低，可更快地形成不溶于水的多聚体[22]，因而更易沉积于实质，是AD的主要致病物质。Aβ40聚集速率较慢，可迁移足够长的距离至脉管系统中才沉积。这解释了CAA中沉积于血管的蛋白以Aβ40为主的原因。

Aβ与不同载脂蛋白E（apolipoprotein E，APOE）的结合可调节其通过血脑屏障清除的速率。该过程具有APOE亚型特异性。APOE4倾向于将Aβ的清除途径从正常状态下占主导的LRP1途径变为效率较低的极低密度脂蛋白（very-low-density lipoprotein，VLDL）受体途径，因此APOE4是CAA的危险因素。而APOE2和APOE3均可介导通过LRP1和VLDL受体的清除途径，清除速率较快[23]。

与Aβ共同沉积形成的沉淀物的成分并非单一物质，存在许多共定位蛋白，包括补体蛋白、血清淀粉样蛋白P（serum amyloid P，SAP）、α1-抗胰凝乳蛋白酶、基质金属蛋白酶9和各种载脂蛋白[15]。这些相关蛋白如何与Aβ共沉积尚待确定，但是其中一些成分可以加速或抑制Aβ原纤维的形成[15]，如前文所述APOE对Aβ沉积的影响。基质金属蛋白酶可通过降解血管基质破坏血脑屏障，这可能是CAA相关血管损害的机制之一。其他共沉积成分的作用尚未明确，相关研究正在进行中。

Aβ的沉积对血管结构及功能的破坏本身就会减慢Aβ经血脑屏障和血管周围途径引流而清除的速率，因此形成一个清除障碍-沉积-清除障碍的恶性循环[15]。随着年龄的增长，经血脑屏障由脑脊液向血管内转运的效率下降，Aβ沿硬化动脉的血管周围引流效率也进一步下降[10]。胞吞及酶降解途径的效率降低，亦可造成Aβ的清除不足。

在体外，大多数基因突变产生的Aβ与野生型Aβ相比表现出更大的聚集倾向，与突变残基引入的净电荷的变化有关[24]。与野生型相比，荷兰型Aβ产物的异常电荷引起病理反应，形成更多原纤维，且更能对抗酶的降解，同时更难通过血脑屏障被清除。此外，动物实验表明荷兰型Aβ在血管壁的沉积增加，可能通过目前尚未明确的方式增加Aβ40∶Aβ42的值而使得Aβ更易沉积于血管壁而非脑实质[15]。

1.3 Aβ沉积的后续效应 在CAA出血性病变中，沉积物的效应是破坏血管壁。Aβ通过降低血管壁内的紧密连接蛋白1、5等蛋白的表达从而破坏内皮细胞之间的紧密连接，增加基质金属蛋白酶的表达和活性，使血脑屏障完整性丧失[24]，最终导致屏障渗漏和皮质出血。此外，Aβ沉积可使机体生成活性氧并破坏神经元膜，从而损害神经元代谢完整性和突触功能[25]，可能由此导致血脑屏障破坏、血管内皮细胞损害和渗透性增加。Aβ40可引起炎症，导致单核细胞通过内皮细胞迁移，对血管内皮细胞也可产生破坏，但除了CAA相关炎症这一疾病亚型外，其可能并非其他CAA亚型的主要致病过程。

受累血管因Aβ沉积而出现管壁增厚、管腔狭窄乃至闭塞，可引发缺血性改变。皮层微梗死可能是CAA中发生率最高的局灶性病变，但因目前常规影像学检查难以识别微梗死而未显示出较高的发生率[26]。

2 病因分类

2.1 遗传性CAA 位于21号染色体的APP基因突变主要引起单个氨基酸的替换，导致常染色体显性遗传的早发性AD和（或）CAA。不同类型的致病淀粉样蛋白不尽相同。目前已发现的与APP基因相关的CAA类型有荷兰型、爱荷华型、冰岛型、意大利型、芬兰型、北极型、皮埃蒙特型、佛兰德型等。影响Aβ编码区域内氨基酸残基的基因突变往往使得临床上CAA的相关表现相对于AD更突出[27]。其中荷兰型CAA是最早被发现也是目前研究最成熟的一种遗传性CAA，是研究CAA的重要模型[24]。

除点突变外，APP基因数量的增加也可以导致CAA。APP基因复制相关的早发AD或唐氏综合征（存在三条携带APP基因的21号染色体）的个体具有较高的CAA疾病外显率和相对较早的发病年龄[28]，可证明此观点。

2.2 散发性CAA 散发性CAA患病率及严重程度随着年龄的增长而增加，被认为是一种增龄相关的脑小血管病。正如其他存在特定危险因素的脑小血管病一样，某些特定人群的CAA病理改变由量变转化为质变，最终成为有临床症状的CAA患者。APOEε4等位基因是目前比较明确的CAA危险因素，APOEε2等位基因在AD中具有保护性，但却是CAA相关出血的重要促发因素[29]。其他危险因素包括年龄、脑血管病、高脂血症和高血压等[30]。CAA的患病率随着年龄的增长而增加。虽然高血压并非CAA的致病因素，但严格控制血压可以降低CAA相关脑出血的风险[31]，提示高血压可能是CAA相关脑出血的一个可控的诱发因素，因此临床上严格监测和控制血压，一定程度上可以预防CAA相关脑出血。

2.3 获得性/医源性CAA 近年来报道了一些病理证实的早发而非遗传性CAA病例，此类患者在CAA发生前几十年曾进行过神经外科手术[1]。医源性CAA患者脑血管壁沉积的成分中，Aβ40数量较少，表明这一致病过程与传统的散发性CAA不同，而可能与使用受Aβ污染的神经外科器械或暴露于含有错误折叠的Aβ“种子”的硬脑膜有关，只要提供了Aβ“种植”的中心，即“种子”，即可造成Aβ的沉积，该过程类似于医源性克-雅病（CreutzfeldtJakob disease，CJD）[32]。

3 展望

CAA临床影像表型的异质性提示其可能存在不同的发病机制。基于尸检病理和动物模型的研究有助于深入探索CAA的机制及致病途径。现有的关于CAA发病机制的猜想或假说呈多元化趋势，织成了一张错综复杂的网络，哪些机制或途径是导致CAA发生、发展及相应病理过程的根本原因，仍有待进一步明确。总体而言，Aβ的产生和清除之间的动态平衡被打破是导致其沉积及致病的根本原因，而该过程受许多因素调节。迄今尚无针对CAA的明确有效的疾病修饰治疗方法，因此，对CAA发病机制的探索是未来的重要研究方向，亦是进一步探索和发现新的治疗靶点的重要前提。