朱有厚（綜述），王 飛（審校）

同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200065

縫隙連接是細(xì)胞間普遍存在的連接方式，它介導(dǎo)相鄰細(xì)胞間電偶聯(lián)以及小分子物質(zhì)的胞間轉(zhuǎn)移，這種信息交流和物質(zhì)交換方式被稱為縫隙連接通訊[1]?，F(xiàn)已證實(shí)在機(jī)體組織中均存在縫隙連接，這對維持細(xì)胞之間的功能具有重要作用，因此縫隙連接和心腦血管疾病以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有密不可分的關(guān)系。中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后引起的認(rèn)知功能障礙主要有以下幾種機(jī)制：（1）主管認(rèn)知功能的腦解剖學(xué)部位直接受損；（2）損傷部位通過縫隙連接通訊間接影響腦認(rèn)知功能的關(guān)鍵部位；（3）縫隙連接通訊從認(rèn)知功能形成機(jī)制上直接參與認(rèn)知功能障礙的形成。

1 縫隙連接的結(jié)構(gòu)

縫隙連接在質(zhì)膜上常以“斑塊”的形式出現(xiàn)，每個(gè)斑塊中含有數(shù)百至數(shù)千個(gè)縫隙連接通道。電鏡下顯示縫隙連接是由兩個(gè)相鄰質(zhì)膜上相對應(yīng)的半通道（連接子）組成，兩者間隔僅為2～3 nm。連接子（connexon）是由縫隙連接蛋白（connexin，Cx）6個(gè)亞蛋白構(gòu)成的六邊形中空管道，直徑約1.5 nm，它的數(shù)量影響縫隙連接通訊的功能[2]。研究表明縫隙連接通道能夠使相鄰細(xì)胞之間的小分子（＜1 000）雙向被動擴(kuò)散，如無機(jī)鹽、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)、1，4，5—三磷酸肌醇(IP3)、氧氣、核苷酸、氨基酸、葡萄糖、維生素及部分激素等通過，而阻止大分子蛋白質(zhì)和核酸通過[3]?？p隙連接蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達(dá)，與機(jī)體認(rèn)知功能有密切關(guān)系的海馬部位主要表達(dá)Cx36。

2 縫隙連接蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)及功能調(diào)節(jié)

2.1 縫隙連接蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的各個(gè)區(qū)域中都有縫隙連接的表達(dá)?，F(xiàn)已證實(shí)腦內(nèi)特異性細(xì)胞類型只表達(dá)特異縫隙連接蛋白。成年腦組織星形膠質(zhì)細(xì)胞主要表達(dá)Cx43，同時(shí)還有Cx40、Cx30；少突膠質(zhì)細(xì)胞主要是Cx32、Cx35；神經(jīng)元中Cx26、Cx32、Cx36有較豐富的表達(dá)，海馬組織也包括在其中[4]。

2.2 縫隙連接的功能及調(diào)節(jié)

參與胞間信息傳遞：GJ具有阻抗低、傳導(dǎo)快、延擱時(shí)間短的特點(diǎn)。如某一細(xì)胞受到刺激，其膜信號發(fā)生改變并通過GJ迅速將調(diào)節(jié)信號傳遞給相鄰細(xì)胞，此同步化機(jī)制對完成整體功能有重要作用[5]。緩沖毒性物質(zhì)：受損害細(xì)胞通過GJ向鄰近細(xì)胞排出毒物，降低對細(xì)胞的損害。周圍細(xì)胞借助GJ向該部分細(xì)胞提供營養(yǎng)，協(xié)助其功能恢復(fù)。若細(xì)胞受損害過于嚴(yán)重或其毒物濃度過高，GJ通道關(guān)閉而限制毒物擴(kuò)散[6]。

Ca2+和pH值是最早發(fā)現(xiàn)調(diào)控GJ的因子。Ca2+可直接結(jié)合連接蛋白使GJ導(dǎo)通性降低；pH值下降可引起GJIC減低。Spray等發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值低于6.6時(shí)，電偶聯(lián)逐漸降低，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)pH恢復(fù)，GJ電導(dǎo)性亦隨之恢復(fù)[7]。提高細(xì)胞外K+濃度或用谷氨酸激動劑引起膜電位改變，上調(diào)Cx43電偶聯(lián)，增加GJIC。實(shí)驗(yàn)表明缺氧、NO和外源性花生四烯酸都可減少星形膠質(zhì)細(xì)胞間的GJIC，提示GJ通透性可能受神經(jīng)元及內(nèi)皮細(xì)胞釋放的內(nèi)源性物質(zhì)調(diào)控[8]。

3 認(rèn)知功能障礙與縫隙連接通訊的關(guān)系

臨床研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知功能障礙是腦損傷后常見反應(yīng)之一。國內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，具有代表性的是章建軍等[9]通過建立大鼠慢性腦缺血模型來觀察大鼠認(rèn)知功能變化與縫隙連接蛋白的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明缺血組較對照組在水迷宮實(shí)驗(yàn)中尋找平臺潛伏期時(shí)間明顯延長，之前實(shí)驗(yàn)還證實(shí)前者海馬區(qū)縫隙連接蛋白在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平明顯低于后者。這些均提示著顱腦損傷后細(xì)胞間GJIC發(fā)生改變，這會直接或者間接與腦的認(rèn)知功能相關(guān)區(qū)域產(chǎn)生影響，從而影響認(rèn)知功能。

3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷導(dǎo)致GJIC的變化與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系

鄰近腦認(rèn)知區(qū)域腦組織損傷會引起組織缺血、缺氧、腦內(nèi)pH變化、炎性介質(zhì)產(chǎn)生等，GJIC通過自身變化并將上述微環(huán)境的改變信號傳至與之臨近的海馬等對認(rèn)知起重要作用的區(qū)域，并引起該部位間接損傷，從而導(dǎo)致認(rèn)知功能的障礙。支持這一觀點(diǎn)的前提是損傷發(fā)生在與主管認(rèn)知區(qū)域臨近的腦組織。

Orellana等[10]認(rèn)為腦組織星形膠質(zhì)細(xì)胞借助GJIC可使凋亡信號在半暗帶區(qū)內(nèi)傳播，并且動物實(shí)驗(yàn)顯示缺血、缺氧時(shí)細(xì)胞間GJIC仍保持開放狀態(tài)，而這一狀態(tài)則更有利于有害信號向臨近健康組織傳播，一旦有害信號波及到主管認(rèn)知區(qū)域臨近的腦組織，就會一起該部位損傷，從而導(dǎo)致認(rèn)知功能改變。Rami[11]認(rèn)為梗死區(qū)瀕死細(xì)胞通過GJIC，使得缺血損傷逐步擴(kuò)大；并且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)易受缺血損傷的海馬CA1、CA2區(qū)具有更高密度GJ。因此他們提出抑制細(xì)胞間縫隙連接通訊，可以減少神經(jīng)元的損害，特別是海馬等高度敏感的部位。然而也有學(xué)者認(rèn)為臨近腦組織可借助GJIC稀釋缺血區(qū)的有害物質(zhì)，有利于物質(zhì)重新分配，阻斷細(xì)胞間縫隙連接通訊會加重該部位腦組織的損害[12]，但該觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的只是加重對受損部位腦組織本身的影響，對與之臨近的腦組織并沒有明顯改變。

主管認(rèn)知區(qū)域臨近的腦組織損傷后，受傷腦組織微環(huán)境的變化會引起乳酸堆積。前面提到縫隙連接對Ph改變十分敏感[13]；當(dāng)主管認(rèn)知區(qū)域臨近腦組織損傷引起局部乳酸堆積，導(dǎo)致pH改變，胞間GJIC會將這一信號傳至周圍健康腦組織，引起周圍腦組織的損害[14]；如果該部位是主管認(rèn)知的區(qū)域，必然會引起機(jī)體認(rèn)知功能的改變。

主管認(rèn)知區(qū)域臨近腦組織受損后，由于局部微環(huán)境的改變必然導(dǎo)致炎癥因子的產(chǎn)生，炎性因子除了對GJ本身有一定的影響外，GJIC的變化還可以將該信號外傳至腦認(rèn)知區(qū)域引起腦組織損傷。大量實(shí)驗(yàn)已證實(shí)影響GJIC的有白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子、一氧化氮，而其中有些因子是腦組織損傷后的經(jīng)常性因子。Forger等[15]通過動物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，正常大鼠皮層＜5%的小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)Cx43，而伴隨針刺損傷后，大約60%的小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)Cx43，體外原代培養(yǎng)的大鼠小膠質(zhì)細(xì)胞染料偶聯(lián)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活與Cx43表達(dá)和GJIC相關(guān)，并在細(xì)胞培養(yǎng)液中檢測到炎性因子。干擾素聯(lián)合內(nèi)毒素原代培養(yǎng)的小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致染料偶聯(lián)率增高，提示小膠質(zhì)細(xì)胞的縫隙連接蛋白除自身表達(dá)以外，還通過炎癥介質(zhì)影響膠質(zhì)細(xì)胞GJIC；Marandykina等[16]認(rèn)為炎性因子影響偶聯(lián)增強(qiáng)的GJIC可以進(jìn)一步將損傷信號傳播，引起周圍組織損傷，之前許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)在創(chuàng)傷早期阻斷縫隙連接通訊，可以顯著減少創(chuàng)傷早期炎性介質(zhì)的釋放從而對創(chuàng)傷早期起保護(hù)作用

神經(jīng)變性疾病與縫隙連接分子結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系目前還未闡明。Takeuchi等[17]以阿爾茨默海病大鼠模型做了一項(xiàng)研究，用縫隙連接通道蛋白阻滯劑的作用，動物行為學(xué)實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)組的記憶認(rèn)知能力明顯高于對照組，而實(shí)驗(yàn)組腦組織中β蛋白定量也較對照組有所減少。雖然其中的具體分子學(xué)機(jī)制還未闡明，但這都提示適時(shí)阻斷縫隙連接通訊可以改善神經(jīng)變性疾病癥狀。

3.2 縫隙連接通訊與認(rèn)知功能形成機(jī)制的關(guān)系

機(jī)體認(rèn)知功能形成和狀態(tài)維持是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，它由多種細(xì)胞因子及神經(jīng)神經(jīng)遞質(zhì)參與，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將不同神經(jīng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)域的信息整合，最終在個(gè)體中表現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶、理解、判斷、執(zhí)行等能力。從宏觀方面講，認(rèn)知功能的形成是在大腦的特定的部位，如額葉、基底核、顳葉，特別是海馬部位，但這些部位在認(rèn)知形成和維持中并不是孤立存在的［19］；從微觀層面來說，認(rèn)知功能形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是腦認(rèn)知結(jié)構(gòu)域神經(jīng)元的電活動信號，而信號之間的整合和傳導(dǎo)則借助神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子（多巴胺、乙酰膽堿、三磷酸肌醇、Ca2+、K+等），通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及信號傳導(dǎo)途徑來完成［20］。不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對信息匯總起重要作用。因此，以上任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。

現(xiàn)已證實(shí)縫隙連接直接參與了腦認(rèn)知功能的過程。目前公認(rèn)的觀點(diǎn)是海馬振蕩信號（ripple振蕩）讓神經(jīng)元放電同步化，使分散在大腦中的活動集合起來，參與腦的認(rèn)知功能。海馬震蕩的物質(zhì)基礎(chǔ)是海馬組織的縫隙連接通訊，換句話說是縫隙連接通訊通過介導(dǎo)海馬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)振蕩而參與了認(rèn)知處理的過程。

Hormuzdi等[18]認(rèn)為盡管在腦海馬中興奮性或者抑制性化學(xué)連接足以產(chǎn)生節(jié)律性振蕩活動，這種節(jié)律性震蕩是腦活動的普遍現(xiàn)象，但是無規(guī)律的微弱的活動是無法被記錄下來的，在沒有縫隙連接參與時(shí)，這種震蕩活動的精度和力度都會明顯減弱，縫隙連接組成的電偶聯(lián)具有濾波器特性，能在不同基礎(chǔ)頻率水平同步化神經(jīng)元群活動，從而使神經(jīng)元活動更為有效。這就提示在認(rèn)知功能過程是GJIC和化學(xué)性突觸協(xié)同完成的，后者負(fù)責(zé)產(chǎn)生基礎(chǔ)震蕩，前者主要是加強(qiáng)調(diào)整、整合震蕩信號。目前研究做多的是超快的ripple振蕩，這些振蕩被認(rèn)為在多種認(rèn)知過程中，包括記憶形成、感知覺和其他高級功能中起重要作用。

神經(jīng)元的基礎(chǔ)快速放電對產(chǎn)生ripple振蕩是必須的，但是縫隙連接對ripple的產(chǎn)生也及其重要，實(shí)驗(yàn)證實(shí)海馬腦片中縫隙連接抑制劑可以阻斷ripple振蕩，在體外大鼠海馬腦片CA1/CA3區(qū)記錄到的振蕩，也可以被氟烷這種縫隙連接阻滯劑阻斷［21-22］；Marcela[23]通過動物實(shí)驗(yàn)提示Cx36基因敲除的小鼠的ripple振蕩沒有受損，但是卻能夠被縫隙連接的阻滯劑破壞。越來越多的動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)Cx36基因敲除小鼠通過行為學(xué)分析發(fā)現(xiàn)小鼠感覺運(yùn)動能力和學(xué)習(xí)記憶過程受損；在實(shí)驗(yàn)中用縫隙連接阻斷劑生胃酮對大鼠水迷宮中的空間學(xué)習(xí)能力的影響，同樣發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)生胃酮能顯著降低大鼠在空間記憶任務(wù)中的學(xué)習(xí)能力［24］。這些結(jié)果有力證實(shí)了阻斷縫隙連接通訊可以降低機(jī)體認(rèn)知功能。

4 小結(jié)

縫隙連接通訊對認(rèn)知功能的作用存在兩面性，根據(jù)腦認(rèn)知功能發(fā)生機(jī)制，在正常情況下阻斷縫隙連接可直接降低認(rèn)知功能，而腦損傷后阻斷縫隙連接通訊則可以改善認(rèn)知功能。腦損傷后損傷區(qū)瀕死的細(xì)胞，可通過縫隙連接通訊使有害信號由損傷區(qū)傳播到臨近腦組織，這對病灶部位的細(xì)胞是有利的，但有時(shí)卻連累了周圍腦認(rèn)知功能區(qū)域，這將導(dǎo)致機(jī)體認(rèn)知功能障礙，因此，從這角度講適時(shí)阻斷縫隙連接通訊可以減少認(rèn)知功能損害。

綜上所述，關(guān)于是否可以通過阻斷縫隙連接通訊減少對認(rèn)知功能的影響，目前尚有爭議。雖然縫隙連接對認(rèn)知功能存在兩面性，但是可以肯定的是縫隙連接通訊確實(shí)參與了腦認(rèn)知動能的活動。我們還需要進(jìn)一步研究縫隙連接參與認(rèn)知功能活動的具體機(jī)制，適時(shí)調(diào)節(jié)縫隙連接通訊，改善認(rèn)知功能障礙患者的癥狀，為提高生活質(zhì)量提供重要依據(jù)。

[1]Axelsen LN，Calloe K，Holstein-Rathlou NH，etal.Managing the complexity of communication:regulation of gap junctionsby post-translational modification[J].Front Pharmacol，2013，4(3):130.

[2]Grosely R，Sorgen PL.A history of gap junction structure:hexagonal arrays to atomic resolution[J].Cell Commun Adhes，2013，20():11-20.

[3]Yu HX，Yu YQ.Gap junction and function of brain[J].Zhejiang Da XueXueBao Yi Xue Ban，2012，41(6):696-702.

[4]Theis M，Giaume C.Connexin-based intercellular communication and astrocyte heterogeneity.Brain Res[J].Brain Res，2012，1487():88-98.

[5]Hou M，Li Y，Paul DL.A novel，highly sensitive method for assessing gap junctional coupling.[J].Neurosci Methods，2013，220(1):18-23.

[6]Eugenin EA，Basilio D，Sáez JC，Orellana JA，etal.The role of gap junction channels during physiologic and pathologic conditions of the human central nervous system.[J].NeuroimmunePharmacol，2012，7(3):499-518.

[7]Paemeleire K.Calcium signaling in and between brain astrocyte and endothehsl cells[J].ActaNeurol Belg，2002，102(3)：137-140.

[8]Frantseva MV，Kokarovtseva L，Nnas CG，etal.Specific gap junctions enhance the neuronal vulnerability to brain traunmtic injury[J].JNeurosci，2012，20(3):673-684.

[9]熊麗，章建軍，孫東，等.慢性腦低灌注對海馬區(qū)縫隙連接超超微結(jié)構(gòu)和縫隙連接蛋白的影響[J].中華醫(yī)學(xué)雜志，2010，89(15):1070-1073.

[10]Orellana JA，Hernandez DE，Ezan P，etal.Hypoxia in high glucosefollowed by reoxygenation in normal glucosereduces theviability of cortial astrocytes through increased permeability of connexion 43 hemichannels[J].Glia，2010，58(3):329-343.

[11]Yongfu Wang，Ji-Hoon Song，Janna V，etal.Neuronal gap Junction coupling is regulated by glutamate and plays critical role in cell death during neuronal injury[J].J Neurosci，2012，32(2):713-725.

[12]Joanne OD，Colin RG，Louise FB，etal.Deleterious effects of high dose connexin 43 mimetic Peptide infusion after cerebral ischaemia in near-term fetal sheep[J].International Journal of Molecular Sciences，2012，13(5):6303-6319.

[13]Skeberdis VA，Rimkute L，Skeberdyte A，etal.pH-dependent modulation of connexin-based gap junctional uncouplers[J].Physiol，2011，589(14):3495-506.

[14]Davidson JO，Green CR，Bennet L，etal.A key role for connexinhemichannels in spreading ischemic brain injury[J].Curr Drug Targets.2013;14(1):36-46.

[15]Forger N，Vorgova JA，Cohen-Salmom M，etal.Cannabinoids prevent the opposite regulation of astroglial connexin43 hemichannels and gap junction channels included by pro-inflammatory treatments[J].JNeurochem，2009，111(6):1384-1395.

[16]Marandykina A，Palacios-Prado N，Rimkut?L.Regulation of connexin36 gap junction channels by n-alkanols and arachidonic acid.[J].Physiol.2013，591(8):2087-2091.

[17]Takeuchi H，Mizoguchi H，Doi Y，etal.Blockade of gap junction hemichannel suppresses disease progression in mouse models of amyotrophic lateral sclerosis and Alzheimer's disease.[J].PLoS One，2011，6(6):e21108.

[18]Hormuzdi SG，F(xiàn)ilippov MA，Mitropoulou G，etal.Electriclsynapses:a dynamic signaling system that shapesthe activity of neuronal networks[J].BiochimBiophysAct，2012，1662(1-2):113-137.

[19]Reed BR，Eberling JL，Mungas D，etal.Effect of White mater lesions and lacunes on cortical functions.[J].Arch Neurol，2004，61(10):1545-1550.

[20]Gold G，Kovari E，Hof PR，etal.Conginitive consequencesof thalamic，basal ganglia and deep white matter lacunes in brain aging and dementia.[J].Strock，2005，36(6):1184-1188.

[21]Behrens CJ，Ul Haq R，Liotta A.Nonspecific effects of the gap junction blocker mefloquine on fast hippocampal network oscillations in the adult rat in vitro[J].Neuroscience，2011，29(9):92:11-19.

[22]Bruzzone R，Hormuzdi SG，BarbeMT，etal.Pannexins，a family of gapjunction proteins expressed in brain[J].ProcNatlAcadSci USA，2003，100(23):13644-13649.

[23]Marcela AA，Stacy LS，Bridget EH，etal.Cerebrovascular connexin expression:effects of traumatic brain injury[J].Journal of Neurotrauma，2011，28(9):1803-1811.

[24]Bargiotas P，Muhammad S，Rahman M，etal.Connexin 36 promotes cortical spreading depolarization and ischemic brain damage[J].Brain Res，2012，1479(6):80-85.