晚期糖基化終產物在多發性硬化炎性反應中的作用

牛文志　胡風云

[摘要] 多發性硬化（MS）是中樞神經系統（CNS）脫髓鞘病變。炎性反應是MS發展的重要因素，并可誘發小膠質細胞、巨噬細胞及CNS內星形膠質細胞的異常糖酵解。糖酵解過程中生成的毒性物質二羰基化合物甲基乙二醛（MGO）和乙二醛（GO）可與蛋白質中的氨基酸反應生成穩定的糖基化終末代謝產物（AGEs）。多發性硬化患者炎性反應使糖酵解增強，AGEs形成增加，而AGEs與糖基化終末產物受體（RAGE）結合進一步激活炎性反應。研究表明多發性硬化患者血液和腦組織中AGEs水平增加。因此，AGEs 參與了多發性硬化的炎性反應，在MS的病理過程中具有重要的作用。本文就AGEs在MS中的作用作一綜述。

[關鍵詞] 多發性硬化；糖基化終末代謝產物；糖基化終末產物受體；糖酵解

[中圖分類號] R744.51 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2018）23-0159-05

The role of advanced glycation end products on inflammatory response in multiple sclerosis

NIU Wenzhi1 HU Fengyun2

1.Shanxi Medical University， Taiyuan 030012， China； 2.Department of Neurology， Shanxi Provincial People's Hospital， Taiyuan 030012， China

[Abstract] Multiple sclerosis（MS） is a demyelinating disorder of the central nervous system （CNS）. The inflammatory response is an important factor in the development of MS， and can induce abnormal glycolysis of microglia， macrophages， and astrocytes in the CNS. The toxic substances dicarbonyl compounds methyl glyoxal （MGO） and glyoxal （GO） generated during glycolysis react with the amino acids in the protein to form stable advanced glycation end products （AGEs）.The inflammatory response in patients with multiple sclerosis enhances glycolysis and increases the formation of AGEs， whereas the binding of AGEs to receptors for glycation endproducts（RAGE） further activates inflammatory responses. Studies have shown the levels of AGEs in blood and brain tissue in multiple sclerosis patients increase. Therefore， AGEs are involved in the inflammatory response in multiple sclerosis and play an important role in the pathogenesis of MS. The role of AGEs in MS will be reviewed.

[Key words] Multiple sclerosis； Glycosylation end metabolites； Advanced glycation end products； Glycosylation end product receptors； Glycolysis

多發性硬化（multiple sclerosis，MS）是中樞神經系統（central nervous system，CNS）脫髓鞘病變。患者多在成年早期發病，表現為反復發作的神經功能障礙，多次緩解復發，病情每況愈下，甚至喪失工作能力，生活質量降低，背負沉重的醫療負擔。炎性反應參與了多發性硬化的病理過程。研究表明MS患者血液和腦組織中糖基化終末代謝產物（advanced glycation endproducts，AGEs）水平增加。AGEs 可能參與了MS的炎性反應并在其病理過程中發揮了重要作用。目前關于AGEs在多發性硬化癥中的作用日益受到關注。

1 MS和AGEs

1.1 MS

多發性硬化（MS）是一種中樞神經系統的炎性脫髓鞘疾病，多于成年早期發病，女性多見，分為復發-緩解型（relapsing-remitting，RR）、繼發進展型（secondary progressive，SP）、原發進展型（primary-progressive，PP）、進展復發型（progressive-relapsing ，PR）。可有多種臨床表現，如視力障礙、感覺異常、肢體無力、共濟失調等。MS病因與多種因素有關，一般認為是攜有遺傳易感基因的個體在后天環境中受到外因的作用，如吸煙、維生素D攝入減低、EB病毒感染等而引發[1]。MS是中樞神經系統的自身免疫性疾病，與T細胞、巨噬細胞、小膠質細胞及星形膠質細胞介導的自身免疫性炎癥反應有關[2-3]。目前MS的確切發病機制尚不明確。

AGEs與糖尿病、動脈硬化癥、衰老及神經變性病如帕金森病等老年性疾病相關[4]。研究表明MS患者血液及腦組織中AGEs增多[5-6]。AGEs在MS患者血漿和中樞神經系統中的積聚可能導致了神經炎癥和MS的發生。

1.2 AGEs及相關受體

AGEs是一種穩定的非酶糖基化反應終產物[7]。常見的AGEs前體有羧甲基賴氨酸[NE-（Carboxymethyl）-lysine，CML]、羧乙基賴氨酸[Nε-（carboxyethyl）-lysine，（CEL）] 和戊糖素等。內源性AGEs主要是通過二羰基化合物如甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO）和乙二醛（glyoxal ，GO）與蛋白質的反應而生成。

MGO是糖酵解的副產物，通過磷酸丙糖[3-磷酸甘油醛（triosephosphatesglyceraldehyde-3-phosphate，GAP）和磷酸二羥丙酮（dihydroxyacetone phosphate，DHAP）]的分解代謝產生[8-9]。GO可由葡萄糖通過羥醛縮合逆反應經GAP而直接生成[10]。此外，在氧化應激增加和活性氧（reactive oxygen species，ROS）含量高的環境中多不飽和脂肪酸易發生脂質過氧化反應而形成脂質過氧化物（advanced lipoxidation endproducts，ALEs）。ALEs經分解代謝可產生不穩定的羰基化合物，例如丙二醛（malondialdehyde，MDA）、4-羥基壬烯醛（4-hydroxynonenal，HNE）、MGO和GO等[11]。MGO和GO可以分別與賴氨酸反應形成CEL和CML。不穩定的羰基化合物MDA和HNE以及二羰基化合物MGO和GO是性質活潑的糖代謝產物，在細胞內累積可對細胞產生嚴重毒性損害[8]。人體可以通過多種酶，如乙二醛酶、醛糖還原酶、醛脫氫酶和羰基還原酶減少反應性二羰基化合物的毒性作用及AGEs/ALEs的形成[8，10]。乙二醛酶系統可以減少MGO和小分子的GO毒性反應，是降低反應性二羰基化合物毒性的主要防御系統[9]。MGO可以對機體產生多種影響，如增加氧化應激[12]，刺激神經元細胞使IL-1β的表達和分泌增強引發炎癥反應[13]，提高Bax/Bcl-2值和激活caspase-9、caspase-3促進線粒體凋亡[14]。此外，MGO還可與蛋白質發生糖化反應，導致蛋白質功能改變[15]；與細胞表面受體的結合，引起下游信號通路的激活。AGEs可與多種受體結合，最重要的糖基化終末產物受體（receptor for advanced glycation endproducts，RAGE）屬于免疫球蛋白超家族的多配體受體，此外，還有淀粉樣蛋白，高遷移率族B、Mac-1和S100蛋白等[4，16]。在與MS炎性反應相關的多種細胞如單核細胞/巨噬細胞、T-淋巴細胞、星形膠質細胞和內皮細胞上均有RAGE的表達，AGEs與RAGE結合可導致細胞內氧化應激增加和NF-κB通路的激活，產生促炎細胞因子如IL-1α、IL-6和TNF-α[17]。

2 糖基化終末代謝產物與多發性硬化炎性反應

2.1 多發性硬化癥中糖基化終產物水平的改變

研究表明MS患者血漿和腦組織中的AGEs水平增加[5-6]，Sternberg Z等[5]研究認為血漿AGEs特別是CML和CEL對多發性硬化的診斷具有重要意義，與健康對照相比，MS患者血漿CEL水平顯著升高且于病情改善后下降。另外，在4例相對年輕的MS患者的腦組織病理學組織檢查證實有CML和RAGE的存在[6]。CML和RAGE在星形膠質細胞和巨噬細胞中均可表達，且MS病變及病變周圍組織表達顯著。

2.2 晚期糖基化終產物與MS的炎癥反應

甲基乙二醛是一種性質活潑的糖代謝產物，可導致MGO衍生的AGEs水平增加，與其受體RAGE結合產生生物學效應。與MS發展密切相關的小膠質細胞、星形膠質細胞和內皮細胞（血腦屏障）均有可與AGEs發生結合的RAGE表達。MGO衍生的AGEs促進并加重了MS病理損傷。研究表明AGEs可通過激活小膠質細胞使促炎細胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6的表達和分泌增加[18-20]。此外，AGEs應激可以使RAGE表達上調[20-21]，促進炎性反應。除小膠質細胞之外，中樞神經系統中大量的星形膠質細胞也可以表達RAGE，對AGEs-RAGE結合反應十分敏感。既往研究表明用經過糖化修飾的牛血清白蛋白（AGEs）可以刺激星形膠質細胞導致TNF-α和IL-6分泌增加[22]。此外，MS患者的CNS高糖環境也可刺激星形膠質細胞產生促炎因子，加重神經炎癥。

AGEs可刺激構成血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）的內皮細胞，使其分泌促炎癥因子增多，內皮間緊密連接受損，導致BBB通透性增加[23-24]；AGEs可使構成BBB的基質蛋白發生糖化導致BBB的通透性增加[23]；AGEs還可刺激構成BBB的星形膠質細胞使血管內皮生長因子分泌增加而膠質細胞源性神經營養因子生成減少，導致BBB通透性增加[25]。

綜上所述，AGEs通過增加小膠質細胞和星形膠質細胞促炎癥介質的分泌而促進了MS的病情進展，同時上調RAGE的表達，誘發更多促炎癥介質的分泌，形成惡性循環。此外，AGEs還可破壞BBB，導致外周免疫細胞進入CNS形成浸潤，引發神經炎癥和神經系統變性。

2.3 多發性硬化癥AGEs升高的可能機制

2.3.1 乙二醛酶系統異常導致AGEs分解減少 乙二醛酶系統可以代謝AGES的主要前體物質MGO和GO。如前所述，該系統通過還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）將AGEs的前體物質轉化為D-乳酸鹽。CNS內GSH主要由星形膠質細胞內的GSH合成酶合成，部分由神經元合成[26]。2002年，Calabrese V等[27]研究表明MS患者的腦脊液中GSH顯著降低。有文獻[28-29]通過MRI測量體內GSH，發現SP-MS患者的腦額頂葉區的GSH顯著降低。MS患者中GSH濃度的降低可能限制了乙二醛酶系統對MGO的分解作用，導致細胞內MGO及MGO衍生的AGEs增加[30]。除GSH影響外，Sidoti A等[31]確定了乙二醛酶1（glyoxalase 1，Glo-1）基因A111E的多態性也可以導致其分解作用降低。與對照組相比，RR-MS患者突變型EE基因表型頻率顯著增加（59.8% vs 49.3%，P<0.0001）。這表明Glo-1活性減低可以促進MS患者中MGO衍生的AGEs水平的增加。

2.3.2 多發性硬化癥糖酵解增強導致甲基乙二醛形成的晚期糖基化終產物增多 不穩定的二羰基化合物形成AGEs主要發生于高糖酵解的細胞中，如巨噬細胞[32]、小膠質細胞[33]和星形膠質細胞[34]。1962年， Karnovsky ML等[35]報道吞噬作用可增強巨噬細胞糖酵解反應。提示在MS中，吞噬髓磷脂后的巨噬細胞糖酵解反應增強。Bogie JF等[36]的研究支持了該理論，通過對吞噬了髓磷脂的巨噬細胞的微陣列分析揭示并誘導出增強糖酵解的基因，這表明吞噬了髓磷脂的巨噬細胞促進了AGEs形成。

葡萄糖是大腦能量主要來源，大腦對能量的需求很高[37]。Nijland PG等[38]研究發現MS患者腦組織中特定葡萄糖轉運蛋白的分布發生改變，MS患者葡萄糖轉運蛋白1（glucose transporter 1，GLUT1）和葡萄糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）增加。GLUT1在腦微血管中表達增加及GLUT4在星形膠質細胞和內皮細胞上表達增加可確保葡萄糖透過BBB被星形膠質細胞攝取[39]。因脫髓鞘的神經纖維需要更多的能量來進行信號的傳導[40]，因此MS病灶內組織必須上調葡糖糖轉運蛋白和增加的糖酵解，保證能量供應。既往正電子發射斷層掃描（PET）和磁共振波譜（MRS）研究表明MS患者CNS病灶內的葡萄糖和乳酸代謝增加[41-42]。信號傳導過程所需的能量主要來源于高糖酵解代謝的星形膠質細胞[34]。由大量少突膠質細胞組成的白質糖酵解活性高于灰質，提示少突膠質細胞也是高糖酵解代謝[43]。以上數據表明，MS中AGEs的可能來源星形膠質細胞和少突膠質細胞。

2.3.3 多發性硬化癥中脂質過氧化增加導致甲基乙二醛形成的糖化終產物增多 除了通過糖酵解途徑外，AGEs還可通過脂質過氧化過程中產生的不穩定的羰基化合物MDA和HNE以及二羰基化合物MGO和GO產生。脂質代謝產生的AGEs與ROS密切相關[11]。生理條件下ROS的濃度很低，當應激等造成線粒體呼吸鏈受損時ROS生成增加，CNS由于能量代謝高及抗氧化機制差，對氧化應激和ROS十分敏感[44]。在MS中，CNS內膠質細胞和由浸潤的單核細胞演變的巨噬細胞增多，兩者均能產生大量的ROS[45]。Guan JZ等[46]研究表明，MS患者尿液中脂質過氧化標志物8-iso-PGF2α水平增加，且與MS的病情程度呈正相關，表明MS患者脂質過氧化增加。因CNS富含多不飽和脂肪酸，脂質過氧化作用可導致ALEs的含量增加。Van Horssen J等[47]研究表明，MS病變中蛋白質，核苷酸和脂質的氧化損害增加且主要發生在脫髓鞘病變中的星形膠質細胞和巨噬細胞。上述研究結果表明，MS患者的氧化應激和脂質過氧化增強使MGO產生增加，導致AGEs形成增加。

3 問題與展望

MS患者的血漿和腦組織中AGEs增加，大量研究證據表明MS中乙二醛酶系統異常、糖酵解和脂質過氧化增加導致了MS患者血漿和CNS中 AGEs水平升高，AGEs促進了MS的疾病進展。目前AGEs對MS病理發展的調節機制仍不明確，有待進一步研究。未來可應用MS的小鼠模型尋找可行的治療策略，通過研究減少AGEs形成或抑制其下游機制的藥物來預防組織炎癥和損傷，對改進的MS治療具有重要意義。

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