徐奚如， 張彪， 顧曉群

1. 南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院， 南京 210029；2. 南京中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院， 南京 210046

認(rèn)知功能障礙是指機(jī)體認(rèn)識和獲取知識的智能加工過程出現(xiàn)異常，從而引起記憶、學(xué)習(xí)、語言、行動(dòng)等功能嚴(yán)重改變的病理過程[1]。認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，目前國內(nèi)外學(xué)者從基因、蛋白質(zhì)、微生物等層面對其發(fā)病機(jī)制進(jìn)行研究，并取得了一定的突破，但目前對于認(rèn)知功能障礙缺少較為系統(tǒng)的認(rèn)識，因此有必要進(jìn)行綜述概括。

系統(tǒng)生物學(xué)是研究生物系統(tǒng)所有組成成分的構(gòu)成，以及分析這些組成成分的相互關(guān)系，并通過計(jì)算生物學(xué)、系統(tǒng)論以及實(shí)驗(yàn)支撐建立數(shù)據(jù)模型作為描述、預(yù)測機(jī)體生理功能和行為的科學(xué)，其主要內(nèi)容包括代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)以及腸道微生態(tài)等。研究發(fā)現(xiàn)，代謝紊亂可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失調(diào)，進(jìn)而影響機(jī)體正常的認(rèn)知能力[2]，且機(jī)體的認(rèn)知功能受多種基因、蛋白質(zhì)調(diào)控[3,4]，此外腸道微生態(tài)失調(diào)也可致使認(rèn)知功能障礙疾病發(fā)生[5]，由此可以看出，認(rèn)知功能障礙的完整性研究應(yīng)與系統(tǒng)生物學(xué)整體觀的理論不謀而合。因此，為了更深入全面的了解認(rèn)知功能障礙，現(xiàn)從系統(tǒng)生物學(xué)的代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)與腸道微生態(tài)部分對認(rèn)知功能障礙進(jìn)行綜述，以期為認(rèn)知功能障礙研究提供系統(tǒng)的參考。

1 代謝組學(xué)在認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用

代謝組學(xué)是研究機(jī)體內(nèi)代謝物與其生理病理變化關(guān)系的一種方法，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分。代謝組學(xué)的核心思想是利用現(xiàn)代分析技術(shù)對機(jī)體的內(nèi)源性小分子代謝產(chǎn)物，如小分子糖、脂類、氨基酸和尿液等進(jìn)行定量測定，并從中探索這些小分子代謝產(chǎn)物的變化與機(jī)體不同生理病理狀態(tài)的關(guān)系[6]。代謝組學(xué)在生命科學(xué)研究中具有重大意義，目前其在認(rèn)知功能障礙的診斷、發(fā)病機(jī)制以及疾病進(jìn)展中得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)將其在認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用報(bào)道如下。

1.1 脂類代謝與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系

脂肪主要由甘油和脂肪酸組成，為生命活動(dòng)儲存能量是其主要的生理功能。近年來，眾多學(xué)者通過探討血清脂肪酸譜與老年認(rèn)知障礙的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，脂類代謝異常與神經(jīng)系統(tǒng)的認(rèn)知性疾病密切相關(guān)。研究表明，帕金森病患者血清內(nèi)的低密度脂蛋白水平要明顯低于正常人[7]；且在阿爾茨海默癥等認(rèn)知功能障礙患者的神經(jīng)組織及血清中，n-3多不飽和脂肪酸水平下降較為明顯[8]；以及在老年代謝綜合征合并輕度認(rèn)知功能障礙的患者血清中高密度脂蛋白膽固醇、甘油三酯水平明顯低于正常人[9]。另外，通過調(diào)整認(rèn)知障礙患者體內(nèi)的脂類相關(guān)蛋白水平，可起到改善患者認(rèn)知功能的作用，如認(rèn)知障礙患者通過攝入亞油酸、花生四烯酸等n-6多不飽和脂肪酸，可降低體內(nèi)血膽固醇水平、改善認(rèn)知功能[10]。

1.2 糖代謝與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系

葡萄糖是機(jī)體最重要的供能物質(zhì)，其通過有氧氧化或糖酵解途徑產(chǎn)生ATP，為生命活動(dòng)提供足夠的能量。機(jī)體絕大多數(shù)生命活動(dòng)的形成均經(jīng)過腦部的神經(jīng)中樞做出決定，腦是機(jī)體消耗能量最大的器官，而葡萄糖是腦內(nèi)能量的主要來源，因此糖代謝與機(jī)體的認(rèn)知功能有著密切的聯(lián)系。研究表明，糖代謝紊亂是糖尿病的主要特征，而糖尿病是發(fā)生認(rèn)知功能障礙的一個(gè)獨(dú)立危險(xiǎn)因素[11,12]；Ma等[13]在探討血糖和細(xì)胞因子水平升高對奧氮平誘導(dǎo)的肥胖大鼠認(rèn)知功能受損情況研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，大鼠體內(nèi)血糖水平的升高可促進(jìn)藥物對細(xì)胞的毒性，從而導(dǎo)致大鼠認(rèn)知功能發(fā)生障礙。此外，多數(shù)認(rèn)知障礙的機(jī)體，其糖代謝也伴有不同程度的變化；阿爾茲海默病的發(fā)病與海馬區(qū)認(rèn)知功能受損密切相關(guān)[14]，研究發(fā)現(xiàn)，81%的阿爾茨海默病患者伴隨有糖代謝異常[15]；陳亞萍等[16]研究表明，麻醉狀態(tài)下自主神經(jīng)活性受到抑制，而圍術(shù)期實(shí)施麻醉術(shù)的患者極易發(fā)生糖代謝紊亂。

1.3 氨基酸代謝與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系

氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位，參與機(jī)體多項(xiàng)生命活動(dòng)物質(zhì)的合成，在機(jī)體的神經(jīng)傳導(dǎo)、學(xué)習(xí)、記憶和受體功能等方面發(fā)揮著重要的作用。氨基酸代謝紊亂可對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的影響，并且可導(dǎo)致腦部區(qū)域神經(jīng)元損傷，造成機(jī)體記憶、學(xué)習(xí)等認(rèn)知功能發(fā)生障礙。研究發(fā)現(xiàn)，在阿爾茨海默病和輕度認(rèn)知功能障礙的機(jī)體內(nèi)，氨基酸代謝發(fā)生明顯的異常[17]。在神經(jīng)系統(tǒng)中，主要以氨基酸為媒介的神經(jīng)遞質(zhì)進(jìn)行信息傳遞作用，其中天門冬氨酸和谷氨酸作為興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的代表，與神經(jīng)元的記憶力、突觸的適應(yīng)性以及生物體的認(rèn)知功能密切相關(guān)[18]，研究發(fā)現(xiàn)天門冬氨酸和谷氨酸大量釋放，可加速神經(jīng)元細(xì)胞過度興奮，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的興奮性神經(jīng)毒性，促進(jìn)阿爾茨海默病的發(fā)生[19]。目前氨基酸代謝與認(rèn)知功能關(guān)系被不斷的揭示，檢測氨基酸水平可作為評估機(jī)體認(rèn)知功能的一個(gè)有力方式，研究發(fā)現(xiàn)γ-氨基丁酸1a是分泌型APP的突觸受體[20]，谷氨酸和γ-氨基丁酸含量可間接反映麻醉幼兒術(shù)后認(rèn)知功能損傷的情況[21]。谷氨酸與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系如此密切，究其原因，筆者認(rèn)為，可能與谷氨酸是腦內(nèi)含量最豐富的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，且不能通過血腦屏障有關(guān)。腦缺血時(shí)，谷氨酸在突觸間隙大量釋放，過度激活谷氨酸相應(yīng)的受體，使部分受體在正常生理刺激下引起的效應(yīng)擴(kuò)大，引發(fā)突觸后神經(jīng)元過度興奮并最終壞死的“興奮性毒性”作用。

1.4 嘌呤代謝與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系

尿酸是嘌呤代謝的終末產(chǎn)物，也是血漿抗氧化的主要成分，具有清除氧自由基、增強(qiáng)過氧化物歧化酶活性、防止細(xì)胞過氧化、保護(hù)DNA的作用。研究發(fā)現(xiàn)，尿酸的水平變化與認(rèn)知功能關(guān)系密切，劉佳等[22]認(rèn)為血尿酸在一定水平內(nèi)對認(rèn)知功能具有保護(hù)作用；李梁蜜等[23]認(rèn)為較高的尿酸水平可改善阿爾茨海默患者的記憶功能。然而，有學(xué)者認(rèn)為尿酸是認(rèn)知功能障礙的重要因素之一，如王興盛等[24]通過多因素分析后發(fā)現(xiàn)，高尿酸水平仍是慢性腎臟疾病患者認(rèn)知功能障礙的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)在認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學(xué)是研究蛋白質(zhì)組成及其動(dòng)態(tài)變化的一門新型科學(xué)，旨在蛋白質(zhì)水平探究生理、病理過程的發(fā)生機(jī)制，為疾病的發(fā)病機(jī)制、診斷以及治療提供依據(jù)，自該學(xué)科提出后，使得認(rèn)知功能障礙類疾病的研究逐步深入。2001年，Schonberger對阿爾茨海默病患者腦組織中多個(gè)結(jié)構(gòu)的蛋白水平進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，在阿爾茨海默病患者的海馬、小腦、額葉皮質(zhì)以及感覺皮質(zhì)區(qū)，多種蛋白表達(dá)均顯著上調(diào)。在老年腔隙性腦梗死患者機(jī)體中，蛋白質(zhì)病變程度越高，患者合并認(rèn)知功能障礙的可能性就越大[25]。

機(jī)體的病理變化極易在蛋白質(zhì)組變化中得到反映，近年來，檢測蛋白質(zhì)含量在評估認(rèn)知功能的嚴(yán)重程度中發(fā)揮著重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在輕度認(rèn)知功能障礙的相關(guān)性研究中，血清磷酸化TAU蛋白濃度與輕度認(rèn)知功能障礙的發(fā)生呈正相關(guān)[26]，血清磷酸化TAU蛋白的caspase-3依賴蛋白水解裂解導(dǎo)致神經(jīng)纖維纏結(jié)，并在正常衰老過程中導(dǎo)致認(rèn)知障礙。李楷等[27]研究顯示，在急性腦梗死后認(rèn)知功能障礙患者中具有較低的表達(dá)，并且表明血清淀粉樣蛋白A在該病患者中具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。艾滋病認(rèn)知障礙患者血清檢測中有17種蛋白豐度增加，包括幾種與糖代謝相關(guān)的酶，其中Western blot檢測證實(shí)，相比于認(rèn)知正常的艾滋病患者，在認(rèn)知障礙患者中6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶和L-plastin表達(dá)量明顯增加[28]。

目前調(diào)控蛋白質(zhì)組在改善患者認(rèn)知功能障礙的過程中受到越來越多的關(guān)注。研究表明，β-微管蛋白Ⅲ能夠促進(jìn)脊髓神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元[29]，熱休克蛋白能夠提高溶酶體質(zhì)膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而減少神經(jīng)細(xì)胞的死亡[30]，侯敏等[31]采用覆盆子處理阿爾茨海默小鼠模型，結(jié)果顯示覆盆子治療阿爾茨海默病的作用機(jī)制可能與其上調(diào)β-微管蛋白Ⅲ、熱休克蛋白等其他蛋白表達(dá)有關(guān)。β-淀粉樣蛋白是一種酸性水解酶，在腦缺血損傷后表達(dá)量上調(diào)，研究發(fā)現(xiàn)，七氟烷通過上調(diào)海馬組織中β-淀粉樣蛋白含量對大鼠的認(rèn)知功能產(chǎn)生毒性作用，而二至丸可通過促進(jìn)能量代謝與囊泡運(yùn)輸，來減少β-淀粉樣蛋白的生成從而改善阿爾茨海默病患者的認(rèn)知功能[32-33]。

3 基因組學(xué)在認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用

基因組學(xué)是指對所有基因進(jìn)行核苷酸序列分析、基因定位、基因功能分析的科學(xué)。阿爾茨海默病具有高度遺傳性，近年有研究通過對臨床診斷的遲發(fā)性阿爾茨海默病進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)薈萃分析(genome-wide association study, GWAS)，確認(rèn)了20個(gè)以前的遲發(fā)性阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)基因位點(diǎn)。通路分析表明影響淀粉樣前體蛋白和β淀粉樣蛋白加工的遺傳變異不僅與早發(fā)常染色體顯性阿爾茨海默病有關(guān)，而且與遲發(fā)性阿爾茨海默病有關(guān)[34]。另一項(xiàng)大規(guī)模全基因組關(guān)聯(lián)研究表明，基于親代診斷的阿爾茨海默病與阿爾茨海默病患者間具有顯著地遺傳關(guān)聯(lián)(rg=0.81)?；虮磉_(dá)分析表明，脂質(zhì)相關(guān)過程和淀粉樣前體蛋白降解是疾病相關(guān)的重要生物學(xué)機(jī)制[35]。

越來越多的研究證實(shí)，機(jī)體的認(rèn)知功能受基因的調(diào)控，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子可參與神經(jīng)突觸重塑，與學(xué)習(xí)記憶等認(rèn)知功能相關(guān)[36]；即刻早期基因在電刺激或生理刺激下，可在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中大量表達(dá)，其產(chǎn)物c-fos和c-jun基因參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞的多項(xiàng)生理活動(dòng)，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)記憶功能、被動(dòng)及主動(dòng)回避反應(yīng)等[37-38]。神經(jīng)細(xì)胞粘附分子可減少軸突之間的粘附能力，加強(qiáng)軸突對信號的識別、反應(yīng)能力，研究發(fā)現(xiàn)其與嗅覺功能有著密切的聯(lián)系[39]。GAP-43基因在軸突生長分化、神經(jīng)元信號傳導(dǎo)和神經(jīng)遞質(zhì)釋放等過程中起著重要的作用，有學(xué)者通過電針刺激，上調(diào)基因GAP-43表達(dá)，促進(jìn)損傷突觸的修復(fù)，改善了阿爾茨海默病大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[40]。

在認(rèn)知功能障礙類疾病的發(fā)病過程中，一系列的致病基因被不斷的發(fā)現(xiàn)，通過外顯子測序發(fā)現(xiàn)VPS35基因是第一個(gè)被明確與帕金森病有關(guān)的致病基因，α-突觸核蛋白基因聚集形成的小體是帕金森病發(fā)生病理改變的關(guān)鍵。對氧磷酶1Q192R多態(tài)性192Q等位基因能防止低密度脂蛋白被氧化，進(jìn)而增加阿爾茨海默病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[41]。載脂蛋白E除了能夠調(diào)節(jié)脂蛋白平衡外，還在神經(jīng)生物學(xué)中發(fā)揮著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知障礙的患者血漿載脂蛋白E水平低于正常人，而最終發(fā)展為癡呆癥的患者該蛋白含量最低[42]。CREB1(cAMP-response element binding protein 1)基因沉默可導(dǎo)致血管性癡呆小鼠認(rèn)知功能障礙加重[43]。

基因組學(xué)研究一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來在該學(xué)科的基礎(chǔ)上探究認(rèn)知功能障礙疾病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制逐漸成為研究的新領(lǐng)域，基因組學(xué)的發(fā)展正在指導(dǎo)基因?qū)用婢珳?zhǔn)治療認(rèn)知功能障礙，給人類的醫(yī)療和健康帶來了非常美好的前景。

4 腸道微生態(tài)與認(rèn)知功能障礙的研究

腸道微生態(tài)是探索微生物群結(jié)構(gòu)、功能與宿主關(guān)系的科學(xué)，同時(shí)也是系統(tǒng)生物學(xué)的一部分。腸道菌群被視為“隱藏的器官”，對機(jī)體的生理過程有著重要的作用。隨著腸道微生態(tài)研究的不斷深入，其與認(rèn)知功能障礙性疾病的關(guān)系也陸續(xù)被揭示。Yano等[44]研究顯示，特定腸道細(xì)菌可通過合成血清素影響人的情緒、調(diào)控抑郁癥。近年研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)記憶能力減退、精神分裂癥和自閉癥等多種認(rèn)知功能性障礙表現(xiàn)與腸道菌群組成發(fā)生改變關(guān)系密切[45-46]。

研究發(fā)現(xiàn)多種菌類是機(jī)體認(rèn)知功能障礙的推動(dòng)因子，如腸道中的藍(lán)藻細(xì)菌等合成的神經(jīng)毒性物質(zhì)丙烯酰胺，可通過激活N-甲基-D-天冬氨酸受體，降解谷胱甘肽，導(dǎo)致阿爾茨海默病發(fā)生神經(jīng)病變[47]。腸道內(nèi)乳酸桿菌高豐度可能是輕度認(rèn)知功能障礙潛在的危險(xiǎn)因素[48]。此外，Kang等[49]研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食飼養(yǎng)的大鼠表現(xiàn)出較高的焦慮水平，而焦慮程度與厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌門的細(xì)菌數(shù)量呈正相關(guān)。但在機(jī)體也存在改善認(rèn)知功能的菌群，如瑞士乳酸菌NS8可以提高海馬5-HT和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)，并對動(dòng)物模型認(rèn)知功能具有明顯的改善作用[50]；Sanchart等[51]研究發(fā)現(xiàn)LactobacillusfutsaiiCS3與CS5型乳桿菌可以產(chǎn)生大量的γ-氨基丁酸，而γ-氨基丁酸在阿爾茨海默病患者中含量降低，由此可以看出L.futsaiiCS3與CS5在改善阿爾茨海默病患者的認(rèn)知功能中起到助推作用。

5 展望

系統(tǒng)生物學(xué)研究是系統(tǒng)的、定向的、高通量的干涉和分析，它以基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)為基礎(chǔ)，還包括了糖組學(xué)、代謝組學(xué)等[52]。系統(tǒng)生物學(xué)在認(rèn)知功能研究中的應(yīng)用是對認(rèn)知系統(tǒng)內(nèi)基因、mRNA、蛋白質(zhì)、生物小分子等構(gòu)成要素的整合，是從基因到細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體的各個(gè)層次的整合。系統(tǒng)生物學(xué)的研究重視各組學(xué)的時(shí)序性，從基因的激活到轉(zhuǎn)錄，到蛋白質(zhì)的修飾，再到生化代謝，都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)以及腸道微生態(tài)，都是認(rèn)知功能障礙系統(tǒng)研究中的重要環(huán)節(jié)，需要充分重視并運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)的理論和方法，整合分析多個(gè)維度與多個(gè)層次的生命組學(xué)的動(dòng)態(tài)變化，來研究認(rèn)知功能障礙的發(fā)病規(guī)律，從而整體地、精確地認(rèn)識認(rèn)知功能障礙這一疾病，提高研究效率。

系統(tǒng)生物學(xué)尚處于發(fā)展階段，但其在探究認(rèn)知功能障礙中所表現(xiàn)出的活力和優(yōu)勢具有較高的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)系統(tǒng)生物學(xué)歸納總結(jié)，代謝紊亂、蛋白質(zhì)和基因調(diào)控水平以及微生物失調(diào)均在認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要作用，這為深入探究有效治療認(rèn)知功能障礙性疾病提供了更多思路。同時(shí)，我們相信隨著系統(tǒng)生物學(xué)不斷的發(fā)展成熟，其在認(rèn)知障礙性疾病的研究方法和臨床應(yīng)用將會(huì)有更大的進(jìn)步。