金屬離子在阿爾茨海默病中作用及其影像學評價

張聰，王曉明

作者單位：

中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，沈陽 110004

伴隨人口激增和老齡化加劇，阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)病因機制的探索越來越深入，關于AD的假說主要有：(1)過度磷酸化Tau蛋白形成及神經元纖維纏結(neurofibrillary tangle，NFT)；(2)以淀粉樣蛋白(amyloid-β，Aβ)與神經元缺失為特征的瀑布學說，同時伴突觸減少、顆粒空泡變性等。Aβ蛋白首先出現在新皮質區域而后緩慢進展到紋狀體、基底核、腦干最后到小腦；而NFT從腦干開始進展到新皮質區域，在AD晚期兩者在皮質區域共同存在[1]。金屬離子在Aβ、NFT形成中起到了重要作用，筆者對金屬離子的作用機制及影像學研究現狀進行綜述。

1 常見金屬在Aβ形成過程中作用

Aβ肽類物質堆積造成細胞損傷及功能障礙，是AD主要的病因之一。Aβ的常見兩種形式為：Aβ(1-42)、Aβ(1-40)。Aβ(1-42)毒性更強，先于Aβ(1-40)沉積，是AD患者的重要檢測指標。Aβ(1-42)/(1-40)比值與AD發病概率成正相關，Aβ(1-42)/(1-40)比例的降低可以抑制Aβ沉積，降低AD發病概率[2-4]。近來關于AD病因，金屬離子假說也可到一些認可。資料表明，重金屬離子及某些類金屬離子，具有細胞毒性，在長期處于低濃度環境或中毒水平時，可以穿過血腦屏障引起神經元退行性變，造成腦損傷。除此之外，腦內維持細胞正常生理功能的金屬離子，如鉀、鈉、鐵、錳等離子平衡被打破，會是誘發AD的因素之一；金屬離子與Aβ之間直接產生相互作用，促進Aβ沉積及淀粉斑塊形成；離子也可參與到淀粉源性Aβ形成過程，與有金屬連接位點的分泌酶相互作用，促進Aβ生成[5]。

鐵離子雖然與Aβ沒有直接相互作用關系，由于游離鐵水平升高及鐵超氧化物跨膜作用導致的羥基自由基會引起溶酶體破裂和細胞內物質的滲漏，從而促進細胞損傷，加速老年斑(senile plaque，SP)形成[6]。皮質中鐵離子濃度與斑塊形成概率成正比，淀粉蛋白含量增高，鐵離子濃度隨之提高，斑塊形成加速。鋁離子增加組織氧化損傷的機制是通過調節鐵離子介導的氧化反應加速生理性Aβ斑塊聚集，除此之外，鋁離子可以連接Aβ中多肽的酸性區域，加速其聚集過程[7]。二價金屬轉運體1 (divalent metal transporter，DMT1)存在于腦內多種神經元細胞膜表面，轉運多種二價金屬離子，除鐵離子之外，鉛與錳在金屬轉運過程中對AD的致病過程有重要作用。鉛濃度在神經元增加影響APP轉錄及翻譯過程，具體表現為抑制DNA甲基轉移酶和APP啟動子甲基化。鉛除通過DMT1介導之外，與鈣進入大腦的機制相同，鉛進入星形膠質細胞和神經元是由電壓敏感鈣通道門控，Ca-ATP介導進入細胞后，鉛與鈣離子積聚在線粒體中相同位置，從而破壞細胞內鈣離子的運輸和代謝，改變鈣信號通路，同時使細胞內線粒體受損，激發氧化應激反應，損傷神經元[8]。錳是選擇性的脈絡叢毒物也是血腦屏障滲透性最強的離子之一。錳離子是輔酶中重要的抗氧化酶，其缺乏降低歧化酶活性，從而增加線粒體脂質過氧化。錳離子作用于星形細胞及小膠質細胞的多巴胺受體，在星形膠質細胞中線粒體濃度最高，造成炎性細胞介質增多，導致線粒體功能障礙，損傷神經元[9]。

銅與鋅對Aβ聚集作用受pH影響，在中性pH條件下，鋅離子在低濃度情況下通過鋅離子轉運體3 (zinc transporters 3，ZnT3)作用于突觸囊泡使可溶性的Aβ快速沉積成為抗蛋白酶的淀粉體聚集物，在弱酸性環境下，銅離子作為競爭連接離子，可以誘導可溶性Aβ聚集，但是速度更慢，產物體積更小[10]。鋅參與到淀粉源性Aβ形成過程，與APP及β-淀粉分泌酶相互作用，促進Aβ產生。Aβ與銅離子相連接，使銅聚集在細胞膜表面，產生有毒的過氧化氫和羥基自由基；銅離子由突觸后膜釋放，造成細胞膜脂質過氧化，破壞細胞完整性，造成神經元損傷[11]，如圖1所示。

2 Tau蛋白過度磷酸化

Tau蛋白是一種可溶性微管相關蛋白，構成單體是配對螺旋微絲(paired helical filaments，PHFs)。微管的重要作用是細胞骨架的穩定維持以及神經元軸突傳送過程。Aβ與Tau蛋白之間存在相互作用，Aβ在體內外均能誘導Tau蛋白過度磷酸化，從而破壞微管及細胞骨架的穩定性，干擾突觸轉運，引起神經元凋亡。鐵、鋁及抗氧化酶在腦內不同部位含量不同，但均可加速Tau蛋白過度磷酸化，影響突觸前膜的釋放作用。神經退行性疾病中，突觸傳遞功能受損是一個重要標志。過量Tau蛋白影響突觸間傳遞過程，打破ROS與RNS之間的平衡，引發突觸傳遞障礙[3，12-14]，Tau蛋白影響微管的聚集過程，提高微管與銅的親和力，可以加速NFTs的形成，鐵離子通過影響PHFs聚集而加速Tau蛋白形成。除Tau蛋白異常聚集外，氧化損傷是造成NFTs形成的可能因素之一，在NFTs形成部位，也伴有蛋白質的氧化產物增加。

3 影像學診斷常用方法

對AD診斷常用的影像診斷學方法：結構磁共振(structural MRI，sMRI)、功能磁共振(functional MRI，fMRI)、磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)、磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、磁共振擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)及擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、分子影像學及粒子激發X射線分析。sMRI、fMRI、DWI、DTI等多模態磁共振成像技術在診斷AD中有較為廣泛的應用，單就幾個可以結合金屬離子檢測的影像學方法進行介紹。

3.1 磁敏感加權成像

SWI是在T2回波序列上衍生的功能序列，是常用于測量AD 病人腦內鐵含量異常的有效手段。AD患者腦內鐵的含量與疾病發展過程呈正相關，隨著年齡的增長，鐵離子會在蒼白球、尾狀核以及殼核大量沉積，以蒼白球為著。Zhu等[15]發現，AD患者腦內鐵含量在雙側海馬、頂葉、殼、尾狀核、齒狀核處明顯高于正常對照組，由此可以假定推測利用SWI檢測腦內鐵的不同含量可以診斷是否患有AD，但仍需要與病理解剖相結合。除鐵離子之外，銅、鋁及錳等促進Aβ蛋白形成的金屬也可以利用SWI進行檢測。二價鐵離子與銅離子在SWI上的顯示與三價鐵離子信號相反，其間的差異在于血紅蛋白含量。鋁離子復合物可與半醌受體相連，復合物形成可以讓其通過磁性、光學特性顯示，但通過光學成像，穿透力有限，很難在臨床進行大范圍操作；同時，復合物顯示具有鐵磁性，可在鐵沉積高發區域間接通過SWI方法檢測[16]。錳具有順磁性，膠束研究中錳離子與Aβ的順磁性探針N-末端結合特異性，為日后檢測A端復合物含量提供了可能[9]。

3.2 分子影像學

分子影像學對于AD早期診斷有著極高的靈敏性。大量臨床研究報道較多的利用18F臨床研究的代謝變化來鑒別早期AD。通常正常老年人葡萄糖代謝在腦內呈對稱分布，但AD患者呈葡萄糖代謝減低，在蒼白球、殼等部位出現示蹤劑分布減少且相應感覺運動區域受累。早期AD病灶局限性較強，而中晚期AD常累及額葉。研究證實銅、鋅離子不僅顯示與Aβ蛋白聚集相關，而且與Tau蛋白積累相關[17-18]，由此可以利用檢測銅與鋅在腦中的含量進一步判斷Aβ蛋白與Tau蛋白含量，在病理基礎上，確立金屬離子與AD發病進程的關系。銅離子參與多種蛋白酶的活性過程，常見五種同位素中可以利用61Cu半衰期較長的特點，檢測AD發病進程中動力學改變；64Cu分布于細胞表面，64Cu-銅藍蛋白和64Cu-白蛋白在腦中的含量變化可以進一步反映出A腦斑塊的沉積情況，為AD疾病過程進展提供更好的檢測。63Zn可以通過63Cu低分子回旋加速器產生，63Zn及其耦合物可以在腦中被檢測[19-22]。除在腦中檢測Aβ蛋白含量之外，Tau蛋白特異性PET示蹤劑現已用于臨床評價，利用PET研究正常老年人的Tau蛋白的含量，[18F] THK主要局限于顳葉內側，略微超過基準值。[18F] av-1451和[18F] THK示蹤劑在中腦和基底神經節在體內結合廣泛[23]。

3.3 粒子激發X射線分析

早在1986年，Edwardson等[24]利用energydispersive X-ray spectroscopy (EDX)聯合 scanning electron microscopy (SEM-EDX)在SP中測量鋁離子含量。此外，Collingwood等[25]利用transmission electron microscopy (TEM-EDX) 分析方法在AD患者大體解剖中范圍大約1～2 mm斑塊中檢測鋁離子。有研究表明，在AD患者的海馬和顳葉可以通過TEM-EDX檢出鋁離子的存在[26]。鋁離子在AD發病過程中激發氧化還原反應，引起Aβ沉積增多，因而檢測鋁離子含量有助于對AD的早期診斷。粒子發射(particle induced X-ray emission，PIXE)聯合rutherford backscattering (RBS) 及scanning transmission ion microscopy (STIM)在AD患者中杏仁核與海馬內檢測到鋅離子濃度升高，實驗表明，轉基因鼠，在6個月左右可用LA-ICPMS (Laser Ablation-ICP-MS)在杏仁核和海馬檢測是否有淀粉樣蛋白形成及神經元和軸突變性[8]。鋅離子參與淀粉源性Aβ形成過程，直接加速Aβ斑塊形成，鋅離子可以間接檢出Aβ含量，進而對AD病理過程進行判斷。Lovel等[27]使用PIXE在老年斑中測量發現AD患者腦中銅離子含量為正常人的1.5倍。Hutchinson等[28]也在轉基因鼠實驗中證實了銅離子水平確有提高，老年斑塊是AD的標志之一，由此猜測銅離子的含量升高，可以間接反映疾病程度。

3.4 MRS

MRS是對在體特定化合物進行測量的一種無創MRI技術，臨床常用來反映體內化合物的代謝水平，常使用N-乙酰天門冬氨酸(NAA)、肌酸(Cr)、乳酸(Lac)、膽堿(Cho)、γ-氨基丁酸(γ-amino butyric acid，GABA) NAA/Cr等指標評估病情。Cr因其代謝數值較為恒定，常用來作為參照值。肌醇(myo-inositol，MI)只存在于膠質細胞中，起到維持神經膠質細胞滲透壓的作用，是神經膠質細胞的評價標志。膽堿(cholines，Cho)反映細胞代謝狀態，代謝旺盛及腫瘤發生情況下，數值增高。GABA是腦內主要的抑制性神經遞質，因其含量較低，具體測量較難實現，但可利用多量子濾波和二維J分辨譜進行實際測量。實驗證明腦內鐵離子含量增加可以使GABA受體水平減低并抑制其釋放，反之檢測GABA含量可以反映出在腦內鐵水平含量[9]。此外，錳離子與鐵離子之間存在相互制約關系，Erikson等[29]證實在尾狀核錳離子含量與GABA呈負相關，可以進一步通過檢測GABA含量進而反映在能量代謝過程中細胞物質沉積，由此診斷AD的發病進程。但是MRS受影響因素較多，且與在金屬離子之間聯系仍需要探索，但也是為金屬離子檢測提出了新的道路。

4 展望

AD其發病機制以及診斷標準仍處在爭議之中，目前相對認可的機制是Aβ淀粉蛋白沉積及NFT形成，臨床上使用多種影像學方法診斷AD，SWI技術可以檢測鐵、錳、鋁在AD易感區域的含量，但某些金屬需要配制成為復合物干擾成分較多。分子影像學、粒子激發X射線分析檢測金屬同位素含量間接反映AD的診斷情況，但有實際操作情況及干擾因素。MRS檢查方法較為成熟，但是與金屬離子的活性改變之間的關系，仍然是下一步探索所需的方向。