膽固醇與淀粉樣蛋白代謝關系的研究進展

李成剛，晏 勇

阿爾茨海默病(AD)是引起老年癡呆的最常見的一種神經元變性疾病，其臨床核心癥狀是逐漸發生的記憶力下降，語言、視空間功能障礙，患者可出現感覺、運動系統功能障礙。AD患者的平均生存期約為10年，但本病進展速度是可變的。隨著人們預期壽命的逐步提高，特別是在工業化國家，AD已成為很嚴重的健康問題。1994年，Sparks 等[1]報道，攝入高膽固醇飲食會增加兔腦組織中β-淀粉樣蛋白(Aβ)的沉積；經過20余年的研究發現，膽固醇與AD的發病機制之間有著重要聯系。神經元膜膽固醇水平的改變和(或)膽固醇在亞細胞結構中的分布被認為與Aβ的形成、異常聚集、神經毒性以及降解有著潛在關聯。本文就以上內容做一綜述。

1 膽固醇與Aβ的產生

1.1 細胞水平的研究 Bodovitz等[2]和Frears等[3]采用原代神經細胞以及周圍細胞進行研究，發現提高胞內膽固醇水平會明顯增加Aβ的產生，減少α分泌酶裂解淀粉樣前體蛋白(APP)的量。研究發現，當采用甲基-β-環糊精脫去細胞膜的膽固醇或使用羥甲基戊二酰單酰輔酶A還原酶抑制劑(HMGCRI)處理細胞后，α分泌酶的功能增強了且Aβ的產生減少了[4-6]。因此，有理由相信細胞膽固醇水平與APP的代謝有著重要關聯。已經明確的APP代謝關鍵酶有3個，分別是α分泌酶、β分泌酶以及γ分泌酶；APP代謝有兩個路徑，即α路徑和β路徑。目前研究認為，α分泌酶主要存在于含膽固醇較低的非脂筏域(nonraft domains)，而β分泌酶以及γ分泌酶主要存在于含膽固醇豐富的脂筏域中。那么細胞膜中以及胞內膽固醇的改變是如何引起APP代謝發生改變的呢？一種較合理的解釋是，膜脂質成分發生改變后影響了APP在細胞膜中的定位，同時不同程度地影響了與APP代謝相關的剪切酶，從而引起APP的剪切發生改變，最終影響Aβ的產生。在海馬神經元體外培養研究中發現，當細胞膜的膽固醇減少25%以內時會促進β內分泌酶裂解APP，從而增加Aβ的生成；當細胞膜的膽固醇減少大于35%時，會引起Aβ生成減少。因此，有理由認為膽固醇減少的程度在Aβ的產生中可能具有重要作用。Abad-Rodriguez等[7]指出細胞膜膽固醇水平的輕微降低可以激發β位點剪切酶(BACE1)從脂筏移位，促進其與APP在非脂筏域中靠近，從而增加APP裂解為Aβ的可能。Marquer等[8]研究發現，局部膽固醇超載時不會直接影響Base1的催化活性，卻能夠激發APP-Base1在脂筏聚集，從而使得Base1更容易與APP的β位點結合，最終引起Aβ產生增加。表明膜脂質成分發生改變后影響了APP在細胞膜中的定位，同時會不同程度地影響與APP代謝相關的剪切酶特別是Base1，從而引起APP的剪切發生改變。

膽固醇除了影響膜脂的組成、物質轉運外，其在亞細胞結構中的分布還可能會影響APP的水解。Davis等[9]通過對膽固醇抑制劑U18666A進行研究發現，U18666A可減少Aβ的產生，且存在劑量依賴效應。另外有研究發現，游離膽固醇在膽固醇?；D移酶-乙酰輔酶A(ACAT)作用下衍化生成的膽固醇酯可以調節Aβ的產生，當使用ACAT抑制劑CI-1011，或采用基因、藥物等手段抑制ACAT的功能后都可以降低Aβ的產生，而在提高膽固醇酯水平后可以提高Aβ的產生[10]，提示ACAT可以通過調節細胞游離膽固醇與總膽固醇的比例而間接調節APP的代謝以及Aβ的產生。Huttunen等[11]認為ACAT抑制劑可以引起APP在早期分泌路徑中成熟延遲，從而限制APP被內切酶剪切；細胞膜的另一重要組成部分磷脂也具有調節APP代謝的功能。Beel等[12]認為膽固醇可以直接與APP的α剪切位點結合而抑制α分泌酶的活性，間接提高Aβ的產生。

總之，通過細胞培養發現，改變膜膽固醇水平或其亞細胞分布均會影響APP的代謝，這其中涉及相關酶活性的調節以及APP在細胞內的重新分布、APP裂解酶等方面。

1.2 動物實驗研究 Lu等[13]和Refolo等[14]研究發現，高膽固醇飲食會加重Aβ的產生以及沉積，使用降低膽固醇的藥物如他汀類藥物可以減少Aβ的產生，他汀類藥物可能成為阻止神經元變性疾病進展的措施。但Cibickova等[15]認為他汀類藥物可以降低血漿膽固醇水平而對大腦的總膽固醇水平無影響，且高膽固醇飲食以及他汀類藥物不會影響Aβ水平；部分研究甚至認為飲食所致高膽固醇血癥可以降低腦Aβ水平。

在動物實驗中，關于改變血漿膽固醇水平對Aβ產生的影響尚存爭議，這可能與研究所用鼠的性別、鼠齡、基因型及轉基因鼠的使用等有關；或許更重要的是血-腦脊液屏障(BBB)的作用，因為周圍血中膽固醇水平對腦組織中膽固醇水平的影響甚微或根本就沒有影響。因為大部分研究只談到了飲食中膽固醇水平對Aβ產生的影響而沒有客觀地評估腦內膽固醇水平變化，所以就無法確定是因為腦內膽固醇水平變化還是由于周圍血中膽固醇水平的升高通過某種機制間接引起腦內APP代謝的改變。

1.3 人體內研究 尼曼-匹克病C型(NPC)是以膽固醇、鞘糖脂等脂質在細胞內涵體和溶酶體積累為特點的常染色體遺傳性疾病。脂質積累將誘使中樞神經系統逐步退化。NPC顯示了一些與AD相似的耐人尋味的病理表現。Mattsson等[16]研究發現，尼曼-匹克病患者的腦脊液中Aβ(38)、Aβ(40)及Aβ(42)的水平升高與依賴γ剪切酶的Aβ的釋放增加相一致。表明人體神經細胞脂質積累會促進依賴γ-剪切酶的Aβ的產生，支持膽固醇與Aβ的產生密切相關這一結論。

2 膽固醇與Aβ的聚集及神經毒性

除影響Aβ的產生外，細胞培養以及動物實驗還發現膽固醇與Aβ的聚集以及細胞毒性相關。生理條件下，Aβ主要是以可溶性單體存在的，不會引起神經細胞功能障礙和死亡，甚至對神經系統有保護作用[17]。但病理條件下或某些刺激因素存在時，Aβ可以出現變構和自我聚集，進而形成具有較高分子量的低聚物、原纖維以及纖維。目前研究認為，Aβ低聚物有明顯神經毒性作用，對AD的病理改變影響最大。雖然目前引起Aβ不正常聚集的具體作用機制還不太清楚，但有實驗證據表明含膽固醇豐富的脂筏是導致Aβ聚集的主要原因[18]。既往研究發現，從AD患者的腦組織分離的Aβ低聚物與脂筏微域之間存在聯系，且這種聯系是與膽固醇水平相關的，膽固醇耗竭可引起Aβ聚集減少。Hashimoto等[19]研究發現，與膽固醇代謝密切相關的載脂蛋白E(APOE)會促進Aβ單體形成低聚物，且APOE-ε4/ε4型AD患者的腦組織Aβ低聚物水平是APOE-ε3/ε3型AD患者的2.7倍。Rushworth等[18]研究認為，膽固醇可以通過修飾脂筏的其他組件如神經節苷脂(ganglioside：GM1)而促進Aβ的聚集；GM1還可在結合Aβ的同時促進其在脂筏微域中聚集[20]。Okada等[21]認為神經節苷脂中的唾液酸可以誘導Aβ從α螺旋變為β折疊，導致GM1-Aβ復合物的產生并成為形成Aβ低聚物和Aβ纖維的種子。Yahi等[22]采用膜重建技術發現膽固醇可以通過調節鞘糖脂的構象而促進或阻止Aβ與脂筏結合。表明Aβ與神經元脂筏域的結合以及Aβ的聚集可能是由多因素介導的。部分研究認為降低細胞膽固醇水平可以減少Aβ的神經毒性，而提高細胞膽固醇水平可以增加Aβ的神經毒性，但有研究卻得出完全不同的結論。

總之，膽固醇與Aβ神經毒性之間有著復雜的關系，細胞膜膽固醇水平的微小改變或其在亞細胞結構中的分布改變均會影響Aβ的神經毒性，這可能與Aβ的產生、聚集、降解有關，而細胞膽固醇水平的波動會改變脂筏的物理學特性，進而可調節其與Aβ的結合以及細胞的生存能力。

3 膽固醇與Aβ的降解及在體內的清除

3.1 Aβ的降解 膽固醇在Aβ的降解及體內的清除中具有關鍵作用，主要是通過調節與Aβ清除相關酶的水平或酶活性而實現的。腦組織中存在多種Aβ相關蛋白水解酶，如胰島素降解酶(IDE)、中性溶酶、內皮素轉化酶、纖溶酶等，Pacheco-Quinto等[23]認為內皮素轉化酶是Aβ的主要清除酶，其功能發生改變是胞內Aβ沉積的重要原因[24]。IDE是一種主要表達于神經元的鋅金屬肽鏈內斷酶，在神經膠質細胞也有明顯表達，對胞外的Aβ降解具有重要作用；IDE的部分亞基存在于脂筏微域中，細胞膜膽固醇水平的改變可直接影響IDE的功能，導致Aβ降解減少[25]。中性溶酶對細胞內外以及表面的Aβ均具有降解作用。纖溶酶是一種絲氨酸蛋白酶，是脂筏常駐蛋白，是纖溶酶原在組織型或尿型纖溶酶原激活物的作用下而產生的，AD患者中纖溶酶水平顯著降低。但Martorana等[26]通過對照試驗檢測腦脊液中纖溶酶系統，發現AD患者腦脊液中組織型纖溶酶原激活物、纖溶酶原、纖溶酶原激活物抑制劑-1水平與對照組間無明顯差異，而活體腦脊液中纖溶酶水平不能反映死后病理學改變，因此，腦脊液中纖溶酶不能成為AD的可靠標志物。

3.2 Aβ在體內的清除 APOE可以通過減少細胞膜膽固醇水平而激發Aβ快速向溶酶體轉運，促進胞內Aβ的清除；通過細胞培養發現，APOE可能參與Aβ的清除。Lee等[27]研究發現，APOE與Aβ的結合可以減輕Aβ的神經毒性，APOE等位基因中介導Aβ結合以及清除的是APOE-ε2以及APOE-ε3而非APOE-ε4，這個過程必須要有低密度脂蛋白受體相關蛋白-1(LRP-1)的參與，提示LRP介導了Aβ的吸收以及降解。Deane等[28]研究發現，APOE-ε2及APOE-ε3與Aβ的親和力較APOE-ε4高，在極低密度脂蛋白受體(VLDLR)以及LRP-1的介導下Aβ-APOE-ε2和Aβ-APOE-ε3較Aβ-APOE-ε4復合物在BBB中清除的速度更快。因此，APOE/Aβ復合物的形成會促進Aβ的清除，但這個過程是由LRP-1/VLDLR等介導的，因APOE-ε4與Aβ的親和力差故不利于該復合物的形成，進而導致Aβ清除減少并最終引起Aβ的沉積以及老年斑的形成。人體內Aβ可以在形成APOE/Aβ復合物后通過與位于BBB中的低密度脂蛋白受體相關蛋白-2(LRP-2)結合而進入腦內，但是腦內的Aβ主要是順濃度梯度跨越BBB，然后被轉運到肝臟降解，這也是體內Aβ清除的主要途徑。Aβ跨越BBB需要LRP-1/VLDLR/APOE/P-糖蛋白等參與。簡言之，與膽固醇代謝和Aβ降解有關的酶有多種，影響Aβ清除的通路有多條，因此，很難準確評估某一Aβ降解酶或某一通路的效力。

4 他汀類藥物與AD

既然細胞膜膽固醇及其在亞細胞的分布會影響Aβ的產生，那么通過改變膽固醇的代謝從而降低Aβ的水平是否會成為治療AD的策略？大量流行病學數據提示，AD與他汀類藥物存在明顯的負相關性。已有臨床試驗證實他汀類藥物可以降低24-S-羥基膽固醇水平及Aβ的水平。通過細胞培養發現，他汀類藥物可以減少Aβ的產生，進而減少Aβ低聚物形成，降低Aβ的神經毒性。轉基因鼠動物實驗進一步證明他汀類藥物在高表達Aβ的轉基因小鼠模型中可以減輕Aβ斑形成，但也有研究認為他汀類藥物對AD無益[29]。之所以會出現分歧，可能有以下幾方面的原因：(1)樣本人群的年齡段不同；(2)他汀類藥物使用劑量及患者耐受性不同；(3)某些前瞻性研究本身存在的限制，如他汀類藥物使用時間太短、缺乏癡呆的客觀分類、不可控制的血管因素、患者使用他汀類藥物的依從性等。他汀類藥物通過BBB的效率是不一樣的，但目前研究認為各種類型的他汀類藥物可能對AD發生風險以及腦膽固醇產生了相似的影響，提示他汀類藥物可能通過外周作用間接產生中樞效應。有研究表明，他汀類藥物可以通過抑制異戊二烯產生、抗氧化、抗凋亡、抗炎等途徑產生效力，且可能對AD有效，但仍需要大量臨床研究及動物實驗進一步證實。

5 小結

膽固醇與APP及Aβ密切相關，改變細胞膜膽固醇水平或其亞細胞分布均會影響APP的代謝、Aβ的產生、Aβ的聚集及Aβ的神經毒性。與膽固醇代謝和Aβ清除均相關的蛋白或受體有很多種，但膽固醇在細胞以及亞細胞的分布是如何影響AD發病的，目前還沒有完整的解釋，這也許就是臨床上常規使用他汀類藥物可以降低膽固醇水平卻沒有達到改善AD的預期的理想效果的主要原因。膽固醇是大腦保持理想功能的關鍵物質，受到復雜的調控，有研究指出Aβ可以反過來調節膽固醇的代謝[30-31]。Aβ與膽固醇之間可能存在某種循環，這種循環受嚴密調控，當膽固醇穩態失控或Aβ水平增高時都可能打破這一循環而導致AD。因此，還需要更多的研究以闡明膽固醇與Aβ的關系以及二者在AD發病機制中的作用，最終為AD的治療以及預防提供科學依據。

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