运动对CVD与AD共病的保护机制
运动作为经典非药物干预手段,主要通过改善血流动力学、维持蛋白稳态、减轻神经炎症、保护神经结构完整性、改善代谢紊乱延缓共病病理进程,其通过调节分子信号通路影响心脏-大脑轴,为心血管系统与脑提供直接或间接保护。
5.1 运动修复脑灌注不足与内皮损伤
BNP与NT-proBNP水平持续升高是评估HF的重要指标,也与亚临床脑损伤、认知障碍相关。运动对其的调控呈现短期与长期效应:动物研究显示,短期高强度运动上调心肌功能受体NPR-A表达,下调NPR-C受体,增加BNP分泌,BNP结合NPR-A激活BNP/cGMP信号通路,降低外周阻力与心脏负荷,改善心肌灌注;临床试验证实,长期规律有氧运动可增强患者心肺功能,改善心室结构,降低室壁应力,减少BNP分泌需求,从而降低BNP与NT-proBNP基线水平,改善心功能并缓解共病相关脑灌注不足。HF运动康复患者的数据显示,运动后NT-proBNP增幅更大的患者死亡风险是增幅较小者的1.8倍,且该结果独立于年龄、左室射血分数等因素,提示NT-proBNP增幅变化可用于监测运动干预效果,同时预警持续升高患者的不良预后风险。
除通过调节BNP与NT-proBNP改善心功能与灌注外,运动还可通过调控miRNA水平改善全身血流动力学并修复内皮损伤。miR-126是富集于内皮细胞与内皮祖细胞的心肌保护因子,在CVD-AD共病病理生理过程中表达降低。运动训练可上调肥胖个体及大鼠的miR-126表达,进一步研究显示,运动通过下调PIK3R2与SPRED1,激活PI3K/AKT/eNOS与MAPK信号通路,促进血管生成、修复内皮细胞、改善心功能;同时促进血管内皮生长因子(VEGF)信号转导,恢复脑微循环与心血管系统完整性,改善心脑轴功能。临床前研究还显示,运动通过上调miR-222抑制HMBOX1基因表达,诱导生理性心肌肥厚,同时抑制p27与HIPK1,促进心肌细胞增殖,改善共病背景下的脑灌注不足与细胞损伤。
5.2 运动加速Aβ清除并抑制tau过度磷酸化
Aβ沉积与tau蛋白过度磷酸化是AD的典型病理特征,与心功能下降、AS等CVD病理密切相关。运动通过清除Aβ与异常tau蛋白、抑制其生成改善共病。Aβ与异常tau的清除依赖水通道蛋白4(AQP4),其在AD中可从星形胶质细胞 dendrite 扩散至胞体或突起,呈现去极化分布。动物研究证实,高强度间歇训练(HIIT)可促进小胶质细胞从促炎M1型向抗炎M2型极化,同时驱动星形胶质细胞从促炎A1型向神经保护A2型转化,该过程可增加AQP4表达并恢复其极化分布,增强类淋巴系统 inflow,将皮层与海马区的异常tau蛋白与Aβ转运至外周循环,最终经肾脏排泄清除,减少Aβ与p-tau聚集及突触功能损伤。
E3泛素连接酶在细胞内异常蛋白降解中发挥关键作用,包括热休克同源70 kDa蛋白相互作用蛋白(CHIP)与泛素羧基末端酯酶L1(UCHL-1)。CHIP与热休克蛋白70(HSP70)形成CHIP/HSP复合物,促进错误折叠蛋白泛素化并递送至蛋白酶体降解;UCHL-1参与APP与BACE1降解,在AD早期表达下调。研究显示,跑台运动可激活AD模型小鼠海马区PI3K/Akt通路,增加HSC70与CHIP的转录与表达,减少磷酸化tau形成;同时作为PI3K/Akt信号通路下游产物,UCHL-1通过抑制APP与BACE1生成减少Aβ产生,延缓AD进展。
5.3 运动减轻炎症
初级纤毛是哺乳动物细胞表面的单细胞非运动细胞器,是接收与转导细胞外信号的枢纽,在哺乳动物脑神经稳态维持中发挥关键作用,其功能异常与神经炎症、认知下降密切相关。运动可通过促进初级纤毛形成、增强星形胶质细胞神经保护功能改善AD病理:慢性脑灌注不足大鼠模型中,运动通过增加星形胶质细胞初级纤毛的数量与长度,抑制MAPK级联反应,降低JNK与ERK磷酸化,减少C3/GFAP阳性星形胶质细胞,增加S100A10/GFAP阳性星形胶质细胞,促使激活的星形胶质细胞从神经毒性A1型向神经保护A2型极化,减少炎性因子释放、增加神经营养因子释放,发挥神经保护作用。临床前研究显示,运动还可通过乳酸生成上调组蛋白H3K18乳酰化,促进小胶质细胞向抗炎表型极化,减轻神经炎症并改善认知功能。社区横断面队列研究发现,增加体力活动可通过降低血浆GFAP水平减轻神经炎症,延缓神经退行性变进展,该效应在非APOE4携带者中尤为显著。
miR-146a作为炎症关键调节因子,也介导运动对共病的改善作用。动物研究中,有氧运动可上调miR-146a水平,其结合TRAF6 mRNA的3'非翻译区(3'UTR)抑制TRAF6表达,下调 Toll 样受体4(TLR4),进而抑制NF-κB信号通路,减少炎性因子与趋化因子表达分泌,改善AS小鼠血管炎症损伤并促进血管生成。HF患者中急性运动可导致miR-146a短暂升高,但总体趋势为显著降低,可能与急性运动本身构成系统性炎症刺激,机体通过上调miR-146a缓解炎症应激、驱动血管生成,而规律运动频率增加后机体对该刺激产生免疫耐受、血管生成需求降低有关。AD患者脑脊液中miR-146a过表达但血浆中表达不足,其通过靶向补体因子H(CFH)并结合其3'UTR下调CFH表达,解除其对NF-κB通路的抑制,加重神经炎症并形成恶性循环。急性抗阻运动可降低循环miR-146a水平,运动是否通过靶向miR-146a/CFH轴增加CFH表达或恢复AD脑内miR-146a水平,从而减轻神经炎症、改善认知功能障碍,仍需进一步机制研究。
5.4 运动保护神经元结构与血-脑屏障
微观分子层面,缺乏体力活动导致的脑与脊髓运动神经元变性伴随NfL水平升高,pNfL水平升高是CVD与AD患者的常见病理特征,运动可通过降低pNfL水平发挥神经保护作用。HIIT可通过靶向犬尿氨酸(KYN)通路调控pNfL:KYN是色氨酸(TRP)的主要分解代谢通路,可产生神经保护性犬尿酸(KA)或神经毒性喹啉酸(QA)两种产物。运动激活KYN通路,促进其代谢向KA生成偏移,使QA/KA平衡向神经保护状态转变,同时降低pNfL水平,减轻神经元损伤,改善患者共病病理状态。
宏观脑结构层面,tau蛋白病理导致的皮层下海马与杏仁核神经元树突复杂性降低是AD的早期征象。临床前研究显示,运动可增加AD小鼠海马与杏仁核脑源性神经营养因子(BDNF)与 tropomyosin 受体激酶 B(TrkB)水平,激活下游AKT/ERK信号通路,最终恢复海马与杏仁核的树突结构。临床试验证实,为期1年的有氧运动联合拉伸干预可通过减缓皮层厚度减少,改善久坐健康老年人的认知功能;大规模横断面研究显示,运动与皮层厚度增加、脑体积增大相关,提示其潜在的神经保护作用。
血-脑屏障作为神经血管单元的功能组分,在CVD-AD共病防治中发挥关键作用。紧密连接松动、周细胞损伤、低密度脂蛋白受体相关蛋白1(LRP1)缺乏导致的血-脑屏障功能障碍是认知下降的主要诱因。最新动物研究显示,16周跑台训练刺激脑神经元释放miR-532-5p,其直接结合肝配蛋白A4(EPHA4)的3'UTR抑制EPHA4表达,增加周细胞相关蛋白PDGFRβ、NG2及紧密连接蛋白的表达水平;同时运动调控的miR-532-5p/EPHA4信号通路还可增强LRP1介导的Aβ外流清除效率,修复血-脑屏障结构并增强其功能完整性,阻止纤维蛋白原、白蛋白等有害血液成分进入脑组织,从物理防御层面改善中枢神经系统病理状态。
5.5 运动改善代谢紊乱
衰老过程中,代谢功能障碍在CVD、AD、2型糖尿病等慢性病中备受关注,主要表现为IR、血脂异常与肥胖。运动在此背景下具有多重获益:大量研究证实,运动可改善外周胰岛素敏感性,增强骨骼肌胰岛素信号转导,激活AMP激活的蛋白激酶(AMPK)促进葡萄糖转运与代谢,增加线粒体生物合成与氧化能力,最终改善胰岛素敏感性,降低心血管风险。同时,运动可通过改善中枢神经系统中IR影响认知:中枢IR是AD患者的核心特征,此类人群脑内胰岛素跨血-脑屏障转运显著减少。小鼠自愿跑轮运动实验显示,急性运动可增强胰岛素跨血-脑屏障转运,增加胰岛素血管结合水平,改变中枢胰岛素受体信号,且该效应存在性别差异:雄性小鼠全脑胰岛素转运率与嗅球胰岛素血管结合水平显著升高,雌性小鼠全脑胰岛素转运率无显著变化,下丘脑胰岛素血管结合水平显著降低,可能与性激素、运动强度等因素相关。
此外,运动通过调节运动因子分泌改善代谢功能,延缓共病进展。鸢尾素是运动过程中骨骼肌主要产生的运动因子,通过将白色脂肪组织转化为棕色脂肪组织促进能量或三磷酸腺苷(ATP)生成,激活AMPK/mTOR信号通路改善胰岛素敏感性,减少脂肪堆积。运动促进鸢尾素分泌的同时,还可升高体内BDNF水平,后者通过促进海马神经元与突触生成增强认知功能;近年横断面研究还发现BDNF可影响血糖稳态与胰岛素敏感性,提示运动诱导的BDNF在调控代谢与脑健康中具有多效作用。成纤维细胞生长因子21(FGF21)是调节能量代谢、维持线粒体稳态、预防CVD并具有神经保护作用的肝因子,运动诱导的FGF21不仅可直接作用于心血管系统,减少血管内皮损伤与异常脂质沉积,还可通过抑制NF-κB与AMPKα/AKT信号通路降低脂质过氧化产物,通过减轻氧化应激与炎症保护血-脑屏障,优化脑血管与神经元的结构与功能。综上,运动通过增强胰岛素敏感性、优化脂质代谢、促进运动因子分泌,协同调控机体能量与物质代谢,在改善CVD-AD共病中发挥关键作用。