丙酮酸激酶M型同工酶在阿爾茨海默病中的表達特點

劉博宇,李松濤,邱 琳,杜昕欣,趙 晴

(吉林大學中日聯誼醫院 南湖神經內科·吉林省記憶與認知障礙疾病工程實驗室,吉林 長春130033)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s Disease,AD)是癡呆和認知障礙的最常見形式[1],以近記憶力、視空間、執行功能等受損為主要臨床表現,目前針對其發病機制提出諸多假說,但仍有待進一步探索[2-4]。迄今為止,AD相關生物標志物仍然以tau蛋白、β淀粉樣蛋白(Aβ)的各種亞型及衍生物為主,腦脊液(CSF)丙酮酸激酶M型同工酶(PKM)與能量代謝相關,能量代謝作為AD發病重要參與因素,PKM可一定程度反應阿爾茨海默病的病理變化,但目前關于AD及輕度認知障礙(MCI)患者CSF中PKM的應用價值缺乏相關數據支持。本文旨在進一步探究認知障礙患者CSF中PKM的變化特點以及其與核心標志物之間的相關性。

1 對象與方法

1.1 研究對象

篩選AD神經影像學(Alzheimer’s disease neuroimaging initiative,ADNI)數據庫中符合入組條件者275例。包括認知正常(CN)組83例,男43例,女40例,平均年齡(74.64±5.37)歲;MCI組130例,男86例,女44例,平均年齡(73.47±7.37)歲;AD組62例,男36例,女26例,平均年齡(73.97±7.48)歲。入組者均行腰椎穿刺采集腦脊液,并行簡易智能精神狀態檢查(MMSE)量表、臨床癡呆量表總評分(CDR-SB)檢查。3組基線資料比較差異無統計學意義(P>0.05),具有可比性,見表1。研究經醫院倫理委員會審核通過,入組者或家屬知情同意。

表1 CN組與MCI及AD組基線資料比較[n(%)或M(P25,P75)]

表2 CN組與MCI及AD組檢測指標比較[n(%)或M(P25,P75)]

1.2 納入及排除標準

納入標準:①入組者年齡≥55歲;②無客觀記憶或其他領域認知功能減退,臨床癡呆評定量表(CDR)評分為0分(CN組標準)。③有客觀記憶減退,CDR評分為0.5分,其他認知領域無明顯功能減退,日常生活自理能力基本保留(MCI組標準)。④符合美國國立神經病語言障礙卒中研究所AD及相關疾病協會(National Institute of Neurological and Communicative Diseases and Stroke/Alzheimer’s Disease and Related Disorders Association,NINCDS/ADRDA)診斷標準[5];CDR評分介于0.5～1分。Hachinski評分≤4分(AD組標準);⑤3組均需提供腦脊液標本進行相關指標檢測,可完成APOE ε4基因檢測及相關神經心理測試。排除標準:其他原因引起的癡呆,如藥物引起精神障礙,非阿爾茨海默性癡呆,嚴重創傷性腦損傷史,重度抑郁,腦卒中病史,腦腫瘤病史等。

1.3 方法

提取所有研究對象基線資料(包括性別、年齡等),均行腰椎穿刺采集腦脊液,利用靶向質譜蛋白質組學方法檢測CSF中t-tau、p-tau、Aβ42、PKM水平,對所有研究對象行MMSE、CDR-SB量表檢測以及APOEε4基因檢測。所有CSF中相關指標的水平是對其對應原始數據經標準化處理后得到的數據,采用的是相對單位。本研究設計所選取病例來自ADNI隊列研究。

1.4 統計學處理

采用SPSS26.0軟件進行統計分析,組間比較采用χ2檢驗、Kruskal-Wallis 檢驗,相關分析采用Spearman相關秩檢驗。使用Graphpad prism 8進行圖形繪制。

2 結果

2.1 3組臨床資料比較

3組研究對象CSF中t-tau、p-tau、Aβ1-42、CDR-SB及MMSE評分均存在組間差異(P<0.001),PKM水平也存在組間差異(P=0.029)。與CN組相比,MCI組及AD組t-tau、p-tau水平、CDR-SB評分、PKM水平及APOEε4基因攜帶者比例顯著升高(P<0.05),Aβ1-42水平及MMSE評分顯著下降(P<0.05)。見表1、2。

2.2 APOEε4基因攜帶者與非攜帶者之間CSF PKM水平的差異

APOEε4基因攜帶者與非攜帶者之間KPM水平存在顯著差異,該基因攜帶者CSF PKM水平顯著升高 (P=0.011),見圖1。

圖1 APOEε4基因攜帶者與非攜帶者之間CSF PKM水平的差異

2.3 CSF KPM水平與CSF核心標志物的相關性

AD組 CSF Aβ42水平與CSF PKM水平呈正相關(r=0.351,P=0.005)。MCI及AD組CSF t-tau及CSF p-tau與CSF PKM高度相關(MCI:r=0.802,P<0.001;r=0.759,P<0.001。AD:r=0.783,P<0.001;r=0.715,P<0.001)。見表3。

表3 CSF PKM與CSF核心標志物的相關性

3 討論

在AD發病中,除外Aβ沉積、神經纖維纏結、神經炎癥等經典發病機制,能量代謝也起著重要作用,能量供應障礙可引起突觸功能障礙、樹突、棘突丟失,離子穩態失衡、神經興奮性毒性等諸多病理改變[6-8]。一些研究表明能量代謝的改變與神經退性病變相關[9-11]。該機制逐漸引起重視,且此病因與其他發病機制相互關聯[11-13]。神經元產生能量主要通過葡萄糖氧化進行,丙酮酸在這個供能環節中至關重要[14-15],而催化該步驟的丙酮酸激酶是關鍵酶[16-19]。丙酮酸激酶為大腦能量供應的主要途徑,可以催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的去磷酸化生成丙酮酸以及ADP磷酸化生成ATP[20]。在AD患者中,大腦額葉和顳葉皮層中的PKM水平升高[21],已有研究指出,CSF中PKM的升高有望成為一個新的生物標志物[22-23]。本次研究結果表明全部認知障礙者腦脊液PKM水平與p-tau及t-tau蛋白水平呈正相關,APOEε4基因攜帶者與非攜帶者相比,腦脊液PKM水平也顯著升高,AD組CSF PKM與Aβ42水平之間也存在相關性。

丙酮酸作為這一途徑的主要內源性產物,是一種抗毒性藥物,已被證明在中樞神經系統神經元中具有保護作用,保護其免受興奮毒性及代謝損傷[24]。但也有研究表明PKM可觸發多種信號通路引起tau蛋白磷酸化[25-26],Aβ與PKM間的相關性也存在證據[27]。盡管糖酵解在細胞能量供應不足時具有保護作用,但能量代謝從有氧氧化轉變為糖酵解只能在短期內有利于大腦功能以維持細胞活力。但從長期看可能會削弱大腦功能并導致神經退行性病變[28-32]。因此PKM水平與發病年齡的相關性的研究及對其進行縱向觀察很有必要。在AD患者中沉積的Aβ可促進PKM2的表達,進而引起γ-分泌酶的合成,進一步促進Aβ的沉積,同時有研究表明,增加表達的PKM2可減輕Aβ誘導的內質網應激[33]。但PKM2在AD患者腦中升高時也會促進糖代謝轉向糖酵解,引起乳酸水平升高,最終促進高級糖基化終產物(AGEs)產生,AGE與其受體RAGEs相互作用產生細胞毒性,可能參與AD的發病[34]。本實驗表明在AD患者中其顯著升高及與Aβ呈正相關也從側面印證了該觀點。同時實驗表明PKM在多種認知障礙患者的海馬組織中表達顯著升高,且其氧化形式與MCI發病相關[35]。APOEε4為阿爾茨海默病發病的重要危險因素,不具有其他APOE基因產物如APOEε2等的轉運脂肪酸、營養神經等功能[36]。雖然目前沒有APOEε4基因產物與PKM2之間相互作用的直接證據,但研究表明PKM2依賴的糖酵解-脂肪生成軸可能有助于加速ApoE-/-小鼠血管性癡呆的發生[37-38]。且血脂異常作為AD發病的風險因素,推測AD患者腦中PKM表達可能與其發病機制相關。

本研究中雖然AD及MCI患者CSF PKM水平顯著升高,且與APOE、tau蛋白等存在關聯,因此PKM有待成為AD發生的一種標志。本次研究納入各組研究對象的腦脊液t-tau、p-tau、Aβ42等核心標志物與PKM水平以探索PKM在AD發病過程中的表現特點,提示檢測CSF中KPM水平對于疾病的檢測及診斷有補充作用。且通過腦脊液檢測生物標志物相對于放射性核素檢查更為廉價且易于獲得。目前對于AD與PKM的研究主要以動物實驗為主,對于腦脊液中PKM的表達特點的研究較少,雖然已有研究表明PKM可作為新的生物標志物[22],但仍需進行更多的實驗對數據進行充實。本研究只是發現AD與MCI患者同CN組間PKM水平的差異,但MCI與AD之間PKM水平不存統計學差異。且目前研究的PKM的表型主要為R、L、M1、M2四種[16],但其在認知障礙發生時出現的氧化產物及其他衍生的亞型與AD發病機制的關系及其表達特點也有待進一步探究。

本研究為橫斷面研究,缺乏縱向研究的相關數據,沒有對疾病演進中的變化特點進行進一步闡述及探究,未來仍需更多的縱向研究提供相關數據以進一步進行相關探索。且納入病例較少,各組間樣本量不均衡,可能使實驗結果出現誤差。本研究采用的是相對量,不能單純從統計學角度考量,對數據及結果的解釋需結合具體機制和原理。