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    阿爾茨海默病的致病因素和發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

    2014-01-29 05:37:40盛國紅孫琳朱麗萍
    中國臨床保健雜志 2014年2期
    關(guān)鍵詞:阿爾茨海默毒性淀粉

    盛國紅,孫琳,朱麗萍

    (上海交通大學(xué)附屬精神衛(wèi)生中心,上海 201108)

    阿爾茨海默病的致病因素和發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

    盛國紅,孫琳,朱麗萍

    (上海交通大學(xué)附屬精神衛(wèi)生中心,上海 201108)

    目前全世界有兩千四百萬人罹患癡呆,其中60%診斷為阿爾茨海默病(AD)。作為一個(gè)危害公共健康的疾病,了解其發(fā)病機(jī)制對(duì)于完善診斷和治療十分重要。AD的兩大核心病理標(biāo)志是淀粉蛋白斑塊沉積和神經(jīng)元纖維纏結(jié),而AD的確切病因及病理機(jī)制仍未完全明了,亟需進(jìn)一步研究。

    1 阿爾茨海默病的致病因素

    1.1 β淀粉蛋白 淀粉蛋白瀑布假說始于二十世紀(jì)八十年代中期,認(rèn)為38~42個(gè)氨基酸組成的β淀粉蛋白(Aβ)多肽沉積誘發(fā)腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞功能失調(diào)及死亡。淀粉蛋白產(chǎn)生于正常生理?xiàng)l件下,而Aβ形成、沉積和清除的失衡則導(dǎo)致了Aβ異常沉積。

    正常生理?xiàng)l件下,淀粉前體蛋白(APP)通過α分泌酶的切割,產(chǎn)生包含Aβ在內(nèi)的序列片段,可阻止Aβ的形成。而β位點(diǎn)APP清除酶(BACE1)在Aβ序列的N末端切割A(yù)PP,產(chǎn)生一段99氨基酸長(zhǎng)度的C終末片段(CTF99)粘附在細(xì)胞外膜上,同時(shí)釋放可溶性APPβ片段到細(xì)胞外間隙中。CTF99在Aβ序列的C末端受到γ分泌酶的切割,產(chǎn)生Aβ片段和淀粉樣細(xì)胞內(nèi)主鏈(AICD),Aβ多肽的長(zhǎng)度依賴于γ分泌酶的切割位點(diǎn)。其中Aβ1-42最易形成纖維狀淀粉蛋白聚集物,被廣泛的認(rèn)為是AD病變的主要病理物質(zhì);Aβ1-40則更普遍存在,但纖維聚集能力相對(duì)較弱;Aβ小寡聚體較之成熟的纖維毒性更強(qiáng);Aβ56是一個(gè)特別的多肽,它與APP小鼠的認(rèn)知下降呈負(fù)相關(guān),但注射到大鼠的腦內(nèi)則誘導(dǎo)記憶缺陷[1]。

    近來有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)α分泌酶是整合素和金屬蛋白酶(ADAM10)家族的一員[2],ADAM10介導(dǎo)了非淀粉樣蛋白通路,使APP釋放一種可溶性、具有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)作用的片段-sAPPα及粘附于細(xì)胞膜上的殘基CTF83,該殘基隨后被γ分泌酶切割,釋放p3到細(xì)胞外間隙及AICD。淀粉樣和非淀粉樣通路在細(xì)胞內(nèi)是獨(dú)立分開的,α分泌酶定位于高爾基體膜,而BACE1則局限于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體系統(tǒng)[3]。Aβ的清除與蛋白水解酶有關(guān),例如腦啡肽酶(neprilysin)和胰島素降解酶(IDE)[4],與監(jiān)護(hù)分子有關(guān),例如載脂蛋白E(ApoE)[5],與溶酶體自噬和蛋白酶體有關(guān)[6]。

    家族型AD中基因變異導(dǎo)致了Aβ過量生成和沉積,已知的致病基因包括編碼APP、早老素1(PSEN1)和早老素2(PSEN2)的主要變異型基因[7]。這些基因?qū)α私獍柎暮DC(jī)制十分重要,盡管只占阿爾茨海默病發(fā)病人群的5%。PSEN1和PSEN2變異體影響Aβ1-42的濃度,因?yàn)樵缋纤氐鞍资铅梅置诿傅牟糠纸Y(jié)構(gòu),參與到分解APP產(chǎn)生Aβ的過程中。SORL1是導(dǎo)致晚發(fā)型阿爾茨海默病的重要基因[8],可以降低APP與β分泌酶之間的關(guān)聯(lián)[9]。另外一種公認(rèn)的風(fēng)險(xiǎn)基因是ApoE,具有兩種ApoEε4等位基因的個(gè)體較之正常個(gè)體有超過7倍的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[10],ApoE可能影響Aβ的清除速率。家族性阿爾茨海默病基因可能定位于第10位染色體[11]。

    1.2 Tau蛋白 Tau蛋白的發(fā)現(xiàn)始于1975年,是一種微管相關(guān)蛋白(MAPs),負(fù)責(zé)穩(wěn)定細(xì)胞形態(tài)和軸索運(yùn)輸,構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)的核心部分。目前對(duì)于tau是AD的病因或只是其副產(chǎn)物仍存爭(zhēng)議,但已經(jīng)確認(rèn)tau基因變異是額顳癡呆的病因性因素[12],同時(shí)tau也是核上性麻痹及帕金森病的風(fēng)險(xiǎn)因素[13]。在AD動(dòng)物模型中,tau在Aβ毒性的誘導(dǎo)中具有重要作用[14]。

    淀粉蛋白假說認(rèn)為tau蛋白與神經(jīng)元纖維纏結(jié)由Aβ毒性激發(fā),但Aβ與tau之間的關(guān)聯(lián)通路仍不明。Tau核心假說認(rèn)為Aβ在突觸后的毒性作用呈tau依賴。Tau與絲氨酸激酶Fyn蛋白相互作用,激活NMDA受體及游信號(hào)通路,Tau可以提高NMDA對(duì)Aβ毒性的敏感性。同時(shí)Aβ可以提高tau蛋白的磷酸化,與神經(jīng)元內(nèi)微管結(jié)合并聚集[15]。

    Tau蛋白是一種可溶性蛋白,在形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)的過程中則形成不可溶的聚集物,進(jìn)而破壞神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能。Tau單聚體首先形成寡聚體,然后聚集成β折疊結(jié)構(gòu)。神經(jīng)元纖維纏結(jié)中tau蛋白過度磷酸化,但tau蛋白磷酸化是否與沉積有關(guān)仍不清楚[16]。當(dāng)纖維絲狀tau蛋白形成,將移動(dòng)至其他腦區(qū)。一些磷酸激酶,包括糖原合成激酶3β(GSK3β)、細(xì)胞周期依賴激酶5(CDK5)和細(xì)胞外信號(hào)相關(guān)激酶2(ERK2),均是減少tau磷酸化的潛在治療靶點(diǎn)[17]。雙特異性酪氨酸磷酸化調(diào)節(jié)激酶1A(DYRK1A)指導(dǎo)tau分子通過GSK3β進(jìn)行磷酸化進(jìn)程,可能在Aβ和tau的關(guān)聯(lián)中扮演重要作用[18]。Tau基因變異可以導(dǎo)致tau疾病,例如皮質(zhì)基底節(jié)變性和額顳葉癡呆,但與阿爾茨海默病無關(guān)[19]。然而,tau纏結(jié)較之Aβ斑塊與癡呆的嚴(yán)重性更具有相關(guān)性[20]。磷酸激酶的多態(tài)性,例如DYRK1A,可能與阿爾茨海默病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān),也可能解釋Aβ與tau疾病的關(guān)聯(lián),因?yàn)锳β可以上調(diào)DYRK1A。近來,阿爾茨海默患者的基因研究確認(rèn)了CLU和PICALM變異型的致病作用,但是其風(fēng)險(xiǎn)比率較小,仍需要大樣本進(jìn)一步研究(大于10 000人),這些基因并不能明顯的預(yù)測(cè)阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn),但是可能在研究疾病和潛在藥物治療靶點(diǎn)上扮演重要作用。1.3 谷氨酸系統(tǒng) 谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的重要興奮性神經(jīng)遞質(zhì),參與到突觸傳遞、神經(jīng)生長(zhǎng)分化、突觸可塑及學(xué)習(xí)記憶等多種過程[21]。谷氨酸能神經(jīng)元位于AD病變的易受累區(qū),最早的損傷區(qū)開始于新皮層的Ⅲ層和Ⅳ層錐體神經(jīng)元及谷氨酸能支配的皮層和海馬神經(jīng)元[22]。

    短時(shí)激活NMDA受體和代謝性谷氨酸受體1(mGluR1)可以提高可溶性APPα釋放及細(xì)胞內(nèi)α-CTF片段聚集,減少Aβ形成。這可能是NMDA受體和mGluR1受到激活后,提高了APP的非淀粉樣蛋白通路活力。NMDA受體與突觸相關(guān)蛋白97相互作用,可以提高ADAM10運(yùn)輸?shù)酵挥|質(zhì)膜處,mGluR1受到激活,可以提高α分泌酶活力[23]。大多數(shù)APP位于細(xì)胞質(zhì)膜,NMDA受體誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)和mGluR1受到的ADAM10激活均位于細(xì)胞質(zhì)膜處,有利于可溶性APPα釋放,并降低淀粉樣蛋白通路的活力[24]。相反的,長(zhǎng)時(shí)激活NMDA受體將提高淀粉蛋白通路活力。當(dāng)神經(jīng)元受到高濃度谷氨酸的長(zhǎng)期作用,突觸上的NMDA受體通過鈣/鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶Ⅳ(CaMKⅣ)誘導(dǎo)APP695向APP751和APP770轉(zhuǎn)變[25]。更長(zhǎng)的APP異構(gòu)體更趨向于淀粉蛋白通路,提高Aβ含量。突觸前端過量釋放谷氨酸并通過NMDA受體介導(dǎo)鈣內(nèi)流被認(rèn)為是Aβ增多的機(jī)制之一,鈣濃度增多促使突觸囊泡運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)膜處,從而提高囊泡內(nèi)吞循環(huán)的比率。內(nèi)吞作用可以將APP從細(xì)胞質(zhì)膜處(即非淀粉蛋白通路中α分泌酶所在點(diǎn))轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)包涵體(即淀粉蛋白通路中BACE1所在點(diǎn))[26]。近來的研究顯示,mGluR也參與到提高淀粉樣蛋白通路的活力,尤其是mGluR5可以提高Aβ1-40的產(chǎn)生,而mGluR2可以提高Aβ1-42的產(chǎn)生[27]。

    2 阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制

    2.1 鈣內(nèi)流 鈣離子在眾多細(xì)胞活動(dòng)中具有重要作用,在神經(jīng)元內(nèi),鈣是多種生理活動(dòng)的重要介質(zhì),如遞質(zhì)傳遞和突觸可塑,也是病理活動(dòng)的重要介質(zhì),如興奮性毒性[28]。寡聚體Aβ可以打破神經(jīng)元內(nèi)鈣平衡,提高細(xì)胞內(nèi)靜息態(tài)鈣濃度,使細(xì)胞對(duì)于鈣依賴的生理病理活動(dòng)更加敏感[29]。Aβ如何打破鈣穩(wěn)態(tài)仍存爭(zhēng)議,有的假說認(rèn)為Aβ在細(xì)胞質(zhì)膜上形成孔洞,導(dǎo)致細(xì)胞膜滲透性增高[30]。還有假說認(rèn)為Aβ通過受體或離子通道,例如L型電壓門控鈣通道來激活鈣內(nèi)流[31],進(jìn)而激活相關(guān)分子蛋白,例如鈣依賴磷酸激酶,使神經(jīng)元對(duì)興奮性毒性和線粒體功能失調(diào)更加敏感[32]。興奮性毒性可以導(dǎo)致樹突棘突處突觸喪失和結(jié)構(gòu)可塑性損害,最終導(dǎo)致神經(jīng)變性[33]。淀粉蛋白斑塊和神經(jīng)元纖維纏結(jié)可以通過鈣依賴機(jī)制導(dǎo)致附近區(qū)域神經(jīng)元營(yíng)養(yǎng)不良[34]。廣泛的神經(jīng)纖維受損可以導(dǎo)致晚期AD,但是這主要是由于樹突結(jié)構(gòu)減少,而非神經(jīng)元死亡。

    2.2 氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是AD病理生理過程中的重要因素。AD與血腦屏障滲透性增高有關(guān),低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1(LRP1)穿過血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)Aβ出腦,同時(shí)晚期糖化終產(chǎn)物受體(RAGE)穿過血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)Aβ入腦[35]。氧化應(yīng)激可下調(diào)LRP1又上調(diào)RAGE,從而導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ沉積[36]。

    凋亡是一種程序性細(xì)胞死亡,可發(fā)生于AD的病理過程中,由內(nèi)源性和外源性兩種通路激發(fā)[37]。外源性通路是通過刺激跨膜死亡受體,如Fas受體,而內(nèi)源性通路是通過線粒體釋放信號(hào)因子。眾所周知,氧化應(yīng)激可通過激活內(nèi)源性和外源性通路誘導(dǎo)凋亡[38]。在外源性通路中,氧化物與靶細(xì)胞上跨膜死亡受體結(jié)合而誘導(dǎo)凋亡。在內(nèi)源性通路中,氧化應(yīng)激尤其是線粒體應(yīng)激可激活凋亡[39]。

    2.3 神經(jīng)炎癥 炎性反應(yīng)是機(jī)體應(yīng)對(duì)打擊(包括應(yīng)激、損傷和感染)時(shí)的細(xì)胞分子反應(yīng),以試圖防御損害,其與多種神經(jīng)變性疾病的發(fā)生包括AD密切相關(guān)。神經(jīng)元的炎性反應(yīng)包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的激活,導(dǎo)致炎癥介質(zhì)釋放,從而促使單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞穿越血腦屏障,進(jìn)一步激活小膠質(zhì)細(xì)胞,并釋放更多炎癥介質(zhì)[40]。小膠質(zhì)細(xì)胞在細(xì)胞病變中,如Aβ沉積和神經(jīng)元纖維纏結(jié),扮演重要的角色。小膠質(zhì)細(xì)胞受到Aβ的招募和激活,在Aβ沉積區(qū)域聚集,激活的小膠質(zhì)細(xì)胞膜表面上主要組織相容復(fù)合物Ⅱ(MHCⅡ)表達(dá)增多,使促炎癥細(xì)胞因子(白介素1β,白介素6,腫瘤壞死因子α)、趨化因子白介素8、巨嗜細(xì)胞促炎癥蛋白1α和單核細(xì)胞趨化蛋白1釋放增多,這些因子可以提高周圍單核細(xì)胞穿越血腦屏障的能力[40]。盡管小膠質(zhì)細(xì)胞具有神經(jīng)保護(hù)作用,但其神經(jīng)毒性機(jī)制包括持續(xù)的激活小膠質(zhì)細(xì)胞和釋放毒性因子,導(dǎo)致神經(jīng)炎性反應(yīng),繼而加速了AD病變的進(jìn)展。

    AD的發(fā)病因素和機(jī)制仍未完全明了,淀粉蛋白與神經(jīng)元纖維纏結(jié)是AD發(fā)病因素的經(jīng)典假說,而其支持性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正逐漸揭示AD病變的全貌。伴隨AD病變的發(fā)生發(fā)展,其分子機(jī)制十分復(fù)雜,而對(duì)于分子機(jī)制的研究正是臨床改善和治愈AD病變的基石。

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    R745.7

    A

    10.3969/J.issn.1672-6790.2014.02.043

    2013-04-06)

    盛國紅,主治醫(yī)師,Email:89768703@qq.com

    朱麗萍,主任醫(yī)師,Email:xiaosuan2004@126.com

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