阿爾茨海默病腦萎縮損傷機制探討

錢云

阿爾茨海默病腦萎縮損傷機制探討

錢云

錢云 副主任醫師

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是最常見的癡呆類型，絕大部分為散發性晚發型AD，占尸檢和臨床診斷癡呆患者人數的50%～56%［1］。隨著人口老齡化的加速，目前全球約有3500萬AD患者，其中，發展中國家約占一半以上。AD是以認知功能進行性衰退，日常生活自理能力逐漸喪失為主要表現的大腦退行性疾病。其神經病理性特征為細胞外老年斑沉積、細胞內神經纖維纏結、突觸數量減少和神經元喪失。患者多在診斷后3～9年內因記憶力和其他認知領域衰退導致死亡。

AD患者首要的危險因素是衰老。在＞65歲人群中，AD發病率每5年增加1倍。百歲以上老人數據顯示AD并非衰老的必然結局［2］。最新研究提出用腦萎縮和其他病理情況來說明≥80歲老人癡呆的原因，而不是嚴重的淀粉樣蛋白或神經纖維纏結負荷［3］。本文主要針對涉及散發性晚發型AD線粒體功能障礙的機制進行闡述，從而對線粒體級聯假說以及AD病理生理學有更深的了解。

1 線粒體級聯假說

1992年提出的包括淀粉樣蛋白假說的很多機制可能或多或少存在缺陷，而一些衰老相關的關鍵過程可能是癡呆的觸發因素。Swerdlow等［4］于2004年首次提出線粒體級聯假說，其主要內容是：遺傳基因決定了個體基線線粒體功能；隨著時間推移，遺傳和環境因素決定線粒體功能變化率；基線線粒體功能和線粒體功能變化率影響AD發病年齡。該假說是在肯定β淀粉樣蛋白（β?amyloid，Aβ）在AD病理生理學中的作用基礎上，將淀粉樣蛋白假說補充為在遺傳因素作用下，以線粒體功能老化為載體的環路機制。

2 線粒體損傷機制

Aβ是一種強有力的線粒體毒素，抑制了線粒體關鍵的酶，使細胞色素C氧化酶受到攻擊，導致電子傳遞、ATP產生、氧耗量和線粒體膜電位均受到破壞，線粒體超氧化物自由基形成增加，轉化為過氧化氫引起氧化應激、釋放細胞色素C，導致凋亡發生。

從轉基因動物和AD患者大腦分離出的線粒體結構被破壞，其中有Aβ蓄積，正常細胞在給予散發性AD患者的線粒體DNA后出現相似的變化［5］。乙醇脫氫酶是線粒體結合Aβ的靶點。在AD和正常衰老過程中，線粒體DNA經受高水平的氧化損傷，大腦線粒體基因組的不穩定性和不可修復使線粒體DNA突變逐漸累積，動力蛋白樣運載蛋白氧化產生的線粒體碎片可引起AD突觸喪失［6］。

2.1 氧化應激 1990年，Sohal教授首次提出了氧化應激的概念，即氧化物超過了機體自身的抗氧化能力，從而引起組織的分子氧化導致組織損傷。AD和正常衰老大腦的線粒體功能障礙釋放氧自由基，導致嚴重的氧化應激。動物實驗研究發現，在病理性改變發生之前就可以檢測到氧化應激損傷的生物學標志物［7］。

Aβ是氧化應激的主要起始因素，誘導產生大量活性氧和活性氮。晚期糖基化終產物受體介導Aβ對神經元、小膠質細胞和腦血管細胞的促氧化效應。線粒體過氧化氫很容易彌散到細胞質參與金屬離子催化羥自由基生成。小膠質細胞激活后能產生大量高度彌散的一氧化氮自由基。膜脂質過氧化反應生成毒性醛類引起線粒體酶功能下降，多種蛋白質被直接氧化，產生羰基和硝化衍生物。隨后，鈣離子的膜通透性增加、膜內外離子失衡和葡萄糖轉運受損，加劇了能量代謝障礙［8］。

高水平的二價金屬離子（鐵、銅和鋅）、鋁和活性氧能夠介導神經變性過程。這些金屬離子也能促進tau蛋白聚集和空間構象改變。鋅離子在低濃度時通過封閉Aβ級聯反應通道或與銅離子競爭結合Aβ保護細胞。

盡管動物模型和許多老年人群的橫斷面研究顯示抗氧化劑攝入和認知功能表現相關，但抗氧化劑的隨機對照臨床試驗普遍失敗［9］。螯合劑可能有害是因為許多酶的生理活性依賴于二價金屬離子。

2.2 胰島素信號通路 胰島素通過調節淀粉樣前體蛋白的代謝影響Aβ的產生和運輸。腦內胰島素信號通路涉及突觸功能和能量代謝平衡，影響學習和記憶功能。同時，衰老和壽命也受胰島素影響。糖耐量減退和2型糖尿病被認為是癡呆的危險因素。AD患者發生空腹胰島素水平升高和葡萄糖利用率低（外周抵抗），大腦胰島素受體水平、葡萄糖轉運蛋白和其他胰島素信號通路成分是減少的（中樞抵抗）。通過激活磷脂酰肌醇?3激酶?Akt（蛋白激酶B）和絲裂原激活蛋白激酶信號通路，胰島素和腦源性胰島素樣生長因子1啟動腦內多種信號通路［10］。目前尚不清楚該信號通路在AD中是代償性上調還是病理性下調。

在正常衰老狀態下，升高的血清葡萄糖能夠直接破壞海馬結構、上調tau蛋白激酶、激活糖原合成酶激酶3β，促使AD腦內胰島素降解酶水平下降［11］。胰島素抵抗致使神經元能量缺乏、對氧化應激等代謝損害易感和突觸可塑性受損。給予轉基因小鼠噻唑烷類藥物能夠預防AD樣損害和認知功能下降，AD患者臨床研究也顯示療效顯著。

2.3 血管因素 血管損傷和腦實質炎癥引起AD腦內蛋白質氧化和聚集循環持續存在，卒中和白質病變導致認知功能減退加速［12］。60%～90%的AD患者罹患缺血性卒中，尸檢證實約1／3的AD患者發生嚴重的腦梗死。相反，約1／3的血管性癡呆患者出現AD特征性的病理損害。盡管臨床和影像學表現能夠識別“純的”血管性癡呆，事實上，大部分癡呆是混合性癡呆。＞90%的AD患者出現腦淀粉樣血管病變、毛細血管畸形、血腦屏障破壞和大血管動脈粥樣硬化等病理變化，但上述任一變化均不能單獨解釋AD患者腦血流對稱性減少，這可能反映了大腦局部能量利用障礙［13］。

有學者認為AD患者通過受損的血管周圍通道和血腦屏障清除Aβ的功能減退。Aβ40多由神經元、退化的肌細胞和外周循環產生，沉積在小動脈管壁上使血管收縮增強。Aβ對內皮細胞和平滑肌細胞也具有毒性，在高齡人群易導致腦葉出血。“神經血管解偶聯”假說認為Aβ通過血腦屏障運輸異常是由于低密度脂蛋白受體相關蛋白和晚期糖基化終產物受體表達失衡造成，兩者分別介導Aβ流出和流入［14］。

除了預防卒中以外，目前針對AD合并血管病變尚無特異性治療。觀察性研究顯示，血管緊張素轉換酶抑制劑的中樞效應與患者每年認知功能減退相關，服用血管緊張素轉換酶抑制劑的高血壓患者很少發生AD特征性的病理變化［15］。葉酸通過降低同型半胱氨酸水平，可能降低AD的患病風險，但并不能改善AD患者的認知功能。在Aβ進入血管腔隙后，血管淀粉樣蛋白沉積、微出血和血管源性水腫事件發生概率增加，Aβ免疫治療的安全性因此受到質疑。

2.4 神經炎癥 激活的小膠質細胞和星形膠質細胞集中于原纖維斑塊周圍，它們分泌的生物化學標志物在AD患者大腦中是升高的［16］。初期小膠質細胞吞噬和降解Aβ，而長期激活的小膠質細胞釋放白介素?1、白介素?6及腫瘤壞死因子α等一系列炎癥因子和趨化因子。與血管細胞相似，表達晚期糖基化終產物受體的小膠質細胞能夠結合Aβ，從而使細胞因子、谷氨酸和一氧化氮生成增多［17］。細胞因子和趨化因子誘導循環系統中的單核細胞向生成斑塊的腦內遷移，進而有效吞噬和清除沉積的Aβ，如果采用遺傳學和藥理學方法清除這些細胞則導致斑塊負荷增加［18］。

Aβ原纖維和小膠質細胞能夠激活經典的補體通路。神經原纖維纏結和淀粉樣斑塊含有補體裂解產物C1q和C5b?9。Aβ通過激活核因子?κB，激活星型膠質細胞生成和釋放補體C3，對神經元造成損害。激活的星型膠質細胞還釋放α1?抗胰蛋白酶、α2?巨球蛋白和C反應蛋白等急性期反應物，可以加重或改善AD［19］。盡管AD血腦屏障的破壞涉及炎癥反應，但它并不能肯定導致單核細胞或淀粉樣蛋白從外周循環系統流入大腦。

多項前瞻性研究發現，非甾體類抗炎藥能夠降低AD患病風險和延緩疾病進展，其作用機制包括選擇性的減少Aβ42、抑制環氧化酶?2或前列腺素E2受體、激活小膠質細胞的吞噬作用和過氧化物酶體增殖物激活受體?γ。

2.5 鈣信號 AD等神經變性疾病常見細胞內鈣離子水平穩態和鈣離子信號通路受損［20］。細胞漿內鈣濃度升高能夠誘導Aβ聚集和淀粉樣蛋白生成。穩態鈣離子水平受早老素調控，早老素基因突變可能破壞內質網鈣離子水平穩態，主要效應是增加Aβ42水平，進而引起內質網鈣離子蓄積和促進鈣離子釋放到細胞質。導致AD相關的神經元內鈣離子信號變化的原因目前尚不明確，很有可能與衰老引起的線粒體功能障礙相關，而這種線粒體功能障礙可能是因為線粒體氧化應激損傷所致。

谷氨酸增加細胞質鈣離子濃度，進而激活內質網鈣離子通道，長期的興奮性氨基酸受體激活能夠加重晚期AD神經元損傷［21］。然而，關于AD興奮性氨基酸過度激活的證據不多。

Aβ參與構建類脂膜上電壓依賴性的陽離子通道，最終引起鈣離子攝取和神經炎性變性。谷氨酸能夠間接地興奮電壓門控性鈣離子通道，谷氨酸等興奮性氨基酸結合N?甲基?D?天冬氨酸（N?methyl?D?as?partate，NMDA）受體后，引起NMDA離子通道開放，鈣離子內流增加可導致神經元凋亡，而美金剛可阻斷這一病理過程［21］。鈣離子通道阻滯劑除了具有神經保護作用，還有抗淀粉樣蛋白沉積、抗tau蛋白形成、拮抗磷脂酶活性、抗血小板聚集、抗氧化應激和抗炎活性等功效［22］。自美國食品藥品管理局批準后，NMDA受體阻滯劑美金剛已被廣泛應用，該藥適用于多種類型癡呆及AD各期患者。

2.6 軸索運輸缺陷 軸突運輸以囊泡樣運輸形式進行，AD患者中可發現由異常堆積的細胞器及囊泡組成的軸突腫脹，提示軸突運輸可能受到了破壞［23］。越來越多的證據提示軸突改變可能早于Aβ和tau蛋白積聚，因此軸突運輸缺陷可能是AD的一個早期信號并在神經變性發生中起重要作用。

淀粉樣前體蛋白β位點裂解酶1（beta?site amyloid precursor pro?tein?cleaving enzyme 1，BACE?1）和早老素1經歷快速順向運輸到突觸終端，Aβ和其他蛋白水解衍生物在該處釋放。軸突運輸功能受損導致淀粉樣前體蛋白、囊泡和驅動蛋白在軸突腫脹，Aβ在局部和神經變性部位堆積。然而，淀粉樣前體蛋白是否為動力蛋白復合體充當決定性的貨物囊泡受體仍不清楚。此外，缺乏淀粉樣前體蛋白的小鼠仍有活力，僅有輕微的突觸和學習能力缺陷，提示該作用并不重要。雖然如此，AD特征性的病理解剖分布提示微管功能失調，因為tau蛋白空間構象異常主要分布在皮質投射區。更重要的是，在各期AD患者和動物模型中均發現白質傳導束功能缺陷。基礎研究發現，藥物破壞微管并抑制tau蛋白磷酸酶可引起相似的軸突腫脹和突觸功能衰竭，而穩定微管的藥物能夠彌補受損的tau蛋白功能并維持或恢復有效的軸突運輸［25］。

2.7 異常的細胞周期 在輕度認知功能損害和各期AD患者均可檢測到異常的細胞周期重啟標志物，在G1?S期調控點最突出，此刻已完成DNA復制，生成四倍體神經元，激活有絲分裂細胞周期蛋白，但沒有發生有絲分裂。維持細胞周期通道的細胞周期蛋白依賴性激酶抑制蛋白（cyclin dependent kinase inhibitors，CKI）功能在AD患者中也存在缺陷。氧化應激和DNA損傷劑，包括Aβ和羧基末端99個氨基酸的BACE?1生成物C99，均誘導神經元DNA復制和死亡。

Busser等［26］提出AD細胞周期正常抑制失效這一假說，細胞周期調控異常，特別是細胞周期蛋白、細胞周期蛋白依賴性激酶（cyclin de?pendent kinase，CDK）和CKI表達異常或異位表達，導致tau蛋白過度磷酸化和神經纖維纏結形成。

2.8 膽固醇代謝異常 膽固醇代謝缺陷引起AD是一個令人感興趣的假說，因為它與載脂蛋白（apolipoprotein E，APOE）遺傳風險、淀粉樣蛋白產生及聚集和AD的血管病變關系密切［27］。然而，這個假說仍缺乏足夠的證據。膽固醇是神經元細胞膜的重要組成部分，集中在鞘脂的島嶼——“脂筏”［28］。筏是組合β?分泌酶、γ?分泌酶和加工淀粉樣前體蛋白生成Aβ的流線型平臺。

神經膠質細胞源性APOE是腦內主要的膽固醇轉運蛋白。晚發型AD患病風險的一個主要決定因素是APOE異構體（APOE2、APOE3或APOE4），單個E4等位基因使患病風險增加4倍，2個E4等位基因使患病風險增加19倍［1］。APOE4促進Aβ沉積和tau蛋白磷酸化，不僅是一個病理性伴侶分子，而且促進健康的膜脂質變和攝取脂蛋白顆粒效率最低。

成年期高血清膽固醇水平使AD患病風險增加。他汀類藥物的應用能夠降低AD患病風險。他汀類藥物可以在細胞膜池中游離膽固醇，但下調炎癥反應和類異戊二烯、上調α?分泌酶和血管功能等其它作用不依賴于膽固醇。他汀類藥物改善AD患者認知功能的臨床研究仍未達成定論。因此，他汀類藥物的臨床獲益仍處于爭議之中，限制膽固醇酯化反應是一種可選擇的藥理學路徑［29］。

3 小結

到目前為止，針對散發性AD仍然缺乏有效治療手段。近年來隨著分子生物學、神經生物學及神經影像學等多學科知識和研究手段的快速發展，通過基因表達和全基因組關聯研究確定的其他分子機制或危險基因都可以作為特異性藥理學靶點。選擇健康生活方式、開發多靶點藥物來預防或治療AD逐漸受到大家重視。

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