钱云

阿尔茨海默病脑萎缩损伤机制探讨

钱云

钱云 副主任医师

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是最常见的痴呆类型，绝大部分为散发性晚发型AD，占尸检和临床诊断痴呆患者人数的50%～56%［1］。随着人口老龄化的加速，目前全球约有3500万AD患者，其中，发展中国家约占一半以上。AD是以认知功能进行性衰退，日常生活自理能力逐渐丧失为主要表现的大脑退行性疾病。其神经病理性特征为细胞外老年斑沉积、细胞内神经纤维缠结、突触数量减少和神经元丧失。患者多在诊断后3～9年内因记忆力和其他认知领域衰退导致死亡。

AD患者首要的危险因素是衰老。在＞65岁人群中，AD发病率每5年增加1倍。百岁以上老人数据显示AD并非衰老的必然结局［2］。最新研究提出用脑萎缩和其他病理情况来说明≥80岁老人痴呆的原因，而不是严重的淀粉样蛋白或神经纤维缠结负荷［3］。本文主要针对涉及散发性晚发型AD线粒体功能障碍的机制进行阐述，从而对线粒体级联假说以及AD病理生理学有更深的了解。

1 线粒体级联假说

1992年提出的包括淀粉样蛋白假说的很多机制可能或多或少存在缺陷，而一些衰老相关的关键过程可能是痴呆的触发因素。Swerdlow等［4］于2004年首次提出线粒体级联假说，其主要内容是：遗传基因决定了个体基线线粒体功能；随着时间推移，遗传和环境因素决定线粒体功能变化率；基线线粒体功能和线粒体功能变化率影响AD发病年龄。该假说是在肯定β淀粉样蛋白（β⁃amyloid，Aβ）在AD病理生理学中的作用基础上，将淀粉样蛋白假说补充为在遗传因素作用下，以线粒体功能老化为载体的环路机制。

2 线粒体损伤机制

Aβ是一种强有力的线粒体毒素，抑制了线粒体关键的酶，使细胞色素C氧化酶受到攻击，导致电子传递、ATP产生、氧耗量和线粒体膜电位均受到破坏，线粒体超氧化物自由基形成增加，转化为过氧化氢引起氧化应激、释放细胞色素C，导致凋亡发生。

从转基因动物和AD患者大脑分离出的线粒体结构被破坏，其中有Aβ蓄积，正常细胞在给予散发性AD患者的线粒体DNA后出现相似的变化［5］。乙醇脱氢酶是线粒体结合Aβ的靶点。在AD和正常衰老过程中，线粒体DNA经受高水平的氧化损伤，大脑线粒体基因组的不稳定性和不可修复使线粒体DNA突变逐渐累积，动力蛋白样运载蛋白氧化产生的线粒体碎片可引起AD突触丧失［6］。

2.1 氧化应激 1990年，Sohal教授首次提出了氧化应激的概念，即氧化物超过了机体自身的抗氧化能力，从而引起组织的分子氧化导致组织损伤。AD和正常衰老大脑的线粒体功能障碍释放氧自由基，导致严重的氧化应激。动物实验研究发现，在病理性改变发生之前就可以检测到氧化应激损伤的生物学标志物［7］。

Aβ是氧化应激的主要起始因素，诱导产生大量活性氧和活性氮。晚期糖基化终产物受体介导Aβ对神经元、小胶质细胞和脑血管细胞的促氧化效应。线粒体过氧化氢很容易弥散到细胞质参与金属离子催化羟自由基生成。小胶质细胞激活后能产生大量高度弥散的一氧化氮自由基。膜脂质过氧化反应生成毒性醛类引起线粒体酶功能下降，多种蛋白质被直接氧化，产生羰基和硝化衍生物。随后，钙离子的膜通透性增加、膜内外离子失衡和葡萄糖转运受损，加剧了能量代谢障碍［8］。

高水平的二价金属离子（铁、铜和锌）、铝和活性氧能够介导神经变性过程。这些金属离子也能促进tau蛋白聚集和空间构象改变。锌离子在低浓度时通过封闭Aβ级联反应通道或与铜离子竞争结合Aβ保护细胞。

尽管动物模型和许多老年人群的横断面研究显示抗氧化剂摄入和认知功能表现相关，但抗氧化剂的随机对照临床试验普遍失败［9］。螯合剂可能有害是因为许多酶的生理活性依赖于二价金属离子。

2.2 胰岛素信号通路 胰岛素通过调节淀粉样前体蛋白的代谢影响Aβ的产生和运输。脑内胰岛素信号通路涉及突触功能和能量代谢平衡，影响学习和记忆功能。同时，衰老和寿命也受胰岛素影响。糖耐量减退和2型糖尿病被认为是痴呆的危险因素。AD患者发生空腹胰岛素水平升高和葡萄糖利用率低（外周抵抗），大脑胰岛素受体水平、葡萄糖转运蛋白和其他胰岛素信号通路成分是减少的（中枢抵抗）。通过激活磷脂酰肌醇⁃3激酶⁃Akt（蛋白激酶B）和丝裂原激活蛋白激酶信号通路，胰岛素和脑源性胰岛素样生长因子1启动脑内多种信号通路［10］。目前尚不清楚该信号通路在AD中是代偿性上调还是病理性下调。

在正常衰老状态下，升高的血清葡萄糖能够直接破坏海马结构、上调tau蛋白激酶、激活糖原合成酶激酶3β，促使AD脑内胰岛素降解酶水平下降［11］。胰岛素抵抗致使神经元能量缺乏、对氧化应激等代谢损害易感和突触可塑性受损。给予转基因小鼠噻唑烷类药物能够预防AD样损害和认知功能下降，AD患者临床研究也显示疗效显著。

2.3 血管因素 血管损伤和脑实质炎症引起AD脑内蛋白质氧化和聚集循环持续存在，卒中和白质病变导致认知功能减退加速［12］。60%～90%的AD患者罹患缺血性卒中，尸检证实约1／3的AD患者发生严重的脑梗死。相反，约1／3的血管性痴呆患者出现AD特征性的病理损害。尽管临床和影像学表现能够识别“纯的”血管性痴呆，事实上，大部分痴呆是混合性痴呆。＞90%的AD患者出现脑淀粉样血管病变、毛细血管畸形、血脑屏障破坏和大血管动脉粥样硬化等病理变化，但上述任一变化均不能单独解释AD患者脑血流对称性减少，这可能反映了大脑局部能量利用障碍［13］。

有学者认为AD患者通过受损的血管周围通道和血脑屏障清除Aβ的功能减退。Aβ40多由神经元、退化的肌细胞和外周循环产生，沉积在小动脉管壁上使血管收缩增强。Aβ对内皮细胞和平滑肌细胞也具有毒性，在高龄人群易导致脑叶出血。“神经血管解偶联”假说认为Aβ通过血脑屏障运输异常是由于低密度脂蛋白受体相关蛋白和晚期糖基化终产物受体表达失衡造成，两者分别介导Aβ流出和流入［14］。

除了预防卒中以外，目前针对AD合并血管病变尚无特异性治疗。观察性研究显示，血管紧张素转换酶抑制剂的中枢效应与患者每年认知功能减退相关，服用血管紧张素转换酶抑制剂的高血压患者很少发生AD特征性的病理变化［15］。叶酸通过降低同型半胱氨酸水平，可能降低AD的患病风险，但并不能改善AD患者的认知功能。在Aβ进入血管腔隙后，血管淀粉样蛋白沉积、微出血和血管源性水肿事件发生概率增加，Aβ免疫治疗的安全性因此受到质疑。

2.4 神经炎症 激活的小胶质细胞和星形胶质细胞集中于原纤维斑块周围，它们分泌的生物化学标志物在AD患者大脑中是升高的［16］。初期小胶质细胞吞噬和降解Aβ，而长期激活的小胶质细胞释放白介素⁃1、白介素⁃6及肿瘤坏死因子α等一系列炎症因子和趋化因子。与血管细胞相似，表达晚期糖基化终产物受体的小胶质细胞能够结合Aβ，从而使细胞因子、谷氨酸和一氧化氮生成增多［17］。细胞因子和趋化因子诱导循环系统中的单核细胞向生成斑块的脑内迁移，进而有效吞噬和清除沉积的Aβ，如果采用遗传学和药理学方法清除这些细胞则导致斑块负荷增加［18］。

Aβ原纤维和小胶质细胞能够激活经典的补体通路。神经原纤维缠结和淀粉样斑块含有补体裂解产物C1q和C5b⁃9。Aβ通过激活核因子⁃κB，激活星型胶质细胞生成和释放补体C3，对神经元造成损害。激活的星型胶质细胞还释放α1⁃抗胰蛋白酶、α2⁃巨球蛋白和C反应蛋白等急性期反应物，可以加重或改善AD［19］。尽管AD血脑屏障的破坏涉及炎症反应，但它并不能肯定导致单核细胞或淀粉样蛋白从外周循环系统流入大脑。

多项前瞻性研究发现，非甾体类抗炎药能够降低AD患病风险和延缓疾病进展，其作用机制包括选择性的减少Aβ42、抑制环氧化酶⁃2或前列腺素E2受体、激活小胶质细胞的吞噬作用和过氧化物酶体增殖物激活受体⁃γ。

2.5 钙信号 AD等神经变性疾病常见细胞内钙离子水平稳态和钙离子信号通路受损［20］。细胞浆内钙浓度升高能够诱导Aβ聚集和淀粉样蛋白生成。稳态钙离子水平受早老素调控，早老素基因突变可能破坏内质网钙离子水平稳态，主要效应是增加Aβ42水平，进而引起内质网钙离子蓄积和促进钙离子释放到细胞质。导致AD相关的神经元内钙离子信号变化的原因目前尚不明确，很有可能与衰老引起的线粒体功能障碍相关，而这种线粒体功能障碍可能是因为线粒体氧化应激损伤所致。

谷氨酸增加细胞质钙离子浓度，进而激活内质网钙离子通道，长期的兴奋性氨基酸受体激活能够加重晚期AD神经元损伤［21］。然而，关于AD兴奋性氨基酸过度激活的证据不多。

Aβ参与构建类脂膜上电压依赖性的阳离子通道，最终引起钙离子摄取和神经炎性变性。谷氨酸能够间接地兴奋电压门控性钙离子通道，谷氨酸等兴奋性氨基酸结合N⁃甲基⁃D⁃天冬氨酸（N⁃methyl⁃D⁃as⁃partate，NMDA）受体后，引起NMDA离子通道开放，钙离子内流增加可导致神经元凋亡，而美金刚可阻断这一病理过程［21］。钙离子通道阻滞剂除了具有神经保护作用，还有抗淀粉样蛋白沉积、抗tau蛋白形成、拮抗磷脂酶活性、抗血小板聚集、抗氧化应激和抗炎活性等功效［22］。自美国食品药品管理局批准后，NMDA受体阻滞剂美金刚已被广泛应用，该药适用于多种类型痴呆及AD各期患者。

2.6 轴索运输缺陷 轴突运输以囊泡样运输形式进行，AD患者中可发现由异常堆积的细胞器及囊泡组成的轴突肿胀，提示轴突运输可能受到了破坏［23］。越来越多的证据提示轴突改变可能早于Aβ和tau蛋白积聚，因此轴突运输缺陷可能是AD的一个早期信号并在神经变性发生中起重要作用。

淀粉样前体蛋白β位点裂解酶1（beta⁃site amyloid precursor pro⁃tein⁃cleaving enzyme 1，BACE⁃1）和早老素1经历快速顺向运输到突触终端，Aβ和其他蛋白水解衍生物在该处释放。轴突运输功能受损导致淀粉样前体蛋白、囊泡和驱动蛋白在轴突肿胀，Aβ在局部和神经变性部位堆积。然而，淀粉样前体蛋白是否为动力蛋白复合体充当决定性的货物囊泡受体仍不清楚。此外，缺乏淀粉样前体蛋白的小鼠仍有活力，仅有轻微的突触和学习能力缺陷，提示该作用并不重要。虽然如此，AD特征性的病理解剖分布提示微管功能失调，因为tau蛋白空间构象异常主要分布在皮质投射区。更重要的是，在各期AD患者和动物模型中均发现白质传导束功能缺陷。基础研究发现，药物破坏微管并抑制tau蛋白磷酸酶可引起相似的轴突肿胀和突触功能衰竭，而稳定微管的药物能够弥补受损的tau蛋白功能并维持或恢复有效的轴突运输［25］。

2.7 异常的细胞周期 在轻度认知功能损害和各期AD患者均可检测到异常的细胞周期重启标志物，在G1⁃S期调控点最突出，此刻已完成DNA复制，生成四倍体神经元，激活有丝分裂细胞周期蛋白，但没有发生有丝分裂。维持细胞周期通道的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白（cyclin dependent kinase inhibitors，CKI）功能在AD患者中也存在缺陷。氧化应激和DNA损伤剂，包括Aβ和羧基末端99个氨基酸的BACE⁃1生成物C99，均诱导神经元DNA复制和死亡。

Busser等［26］提出AD细胞周期正常抑制失效这一假说，细胞周期调控异常，特别是细胞周期蛋白、细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin de⁃pendent kinase，CDK）和CKI表达异常或异位表达，导致tau蛋白过度磷酸化和神经纤维缠结形成。

2.8 胆固醇代谢异常 胆固醇代谢缺陷引起AD是一个令人感兴趣的假说，因为它与载脂蛋白（apolipoprotein E，APOE）遗传风险、淀粉样蛋白产生及聚集和AD的血管病变关系密切［27］。然而，这个假说仍缺乏足够的证据。胆固醇是神经元细胞膜的重要组成部分，集中在鞘脂的岛屿——“脂筏”［28］。筏是组合β⁃分泌酶、γ⁃分泌酶和加工淀粉样前体蛋白生成Aβ的流线型平台。

神经胶质细胞源性APOE是脑内主要的胆固醇转运蛋白。晚发型AD患病风险的一个主要决定因素是APOE异构体（APOE2、APOE3或APOE4），单个E4等位基因使患病风险增加4倍，2个E4等位基因使患病风险增加19倍［1］。APOE4促进Aβ沉积和tau蛋白磷酸化，不仅是一个病理性伴侣分子，而且促进健康的膜脂质变和摄取脂蛋白颗粒效率最低。

成年期高血清胆固醇水平使AD患病风险增加。他汀类药物的应用能够降低AD患病风险。他汀类药物可以在细胞膜池中游离胆固醇，但下调炎症反应和类异戊二烯、上调α⁃分泌酶和血管功能等其它作用不依赖于胆固醇。他汀类药物改善AD患者认知功能的临床研究仍未达成定论。因此，他汀类药物的临床获益仍处于争议之中，限制胆固醇酯化反应是一种可选择的药理学路径［29］。

3 小结

到目前为止，针对散发性AD仍然缺乏有效治疗手段。近年来随着分子生物学、神经生物学及神经影像学等多学科知识和研究手段的快速发展，通过基因表达和全基因组关联研究确定的其他分子机制或危险基因都可以作为特异性药理学靶点。选择健康生活方式、开发多靶点药物来预防或治疗AD逐渐受到大家重视。

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10.3969／j.issn.1003⁃9198.2015.04.002

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210029江苏省南京市，南京医科大学第一附属医院老年神经科