丙酮醛代謝及其在阿爾茨海默病中作用的研究進(jìn)展

江蓮英，王家豐，李克深

(1廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，廣東湛江 524000；2暨南大學(xué)華僑醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)研究所)

阿爾茨海默病(AD)是以大腦前皮層及海馬區(qū)淀粉樣蛋白(Aβ)沉積和神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFTs)為病理特點(diǎn)的一種中樞性神經(jīng)退行性疾病，發(fā)病機(jī)制尚不完全明確，尚未有根治的藥物。研究表明，AD與糖尿病及高血糖狀態(tài)關(guān)系密切，糖尿病和AD互為彼此的高風(fēng)險(xiǎn)因素；還原糖與蛋白質(zhì)交聯(lián)最終形成的晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)參與AD的Aβ和NFTs形成，并加速病情進(jìn)展。丙酮醛(MG)是一種正常糖代謝中間產(chǎn)物，且為AGEs的一種活性前體物質(zhì)。MG雖是一種體內(nèi)正常的生理代謝產(chǎn)物，但過(guò)多的MG對(duì)細(xì)胞會(huì)造成急性或慢性損害。應(yīng)用羰基清除劑(氨基胍、替尼司坦)及AGEs生成抑制劑等可對(duì)抗MG毒性作用，并可一定程度緩解AD的進(jìn)展[1]?，F(xiàn)對(duì)MG的代謝過(guò)程及其在AD發(fā)生發(fā)展及治療中的作用綜述如下。

1 MG的代謝過(guò)程

1.1 MG的合成 MG是一種小分子的高活性二羰基復(fù)合物，它可以在人體各種組織和細(xì)胞合成，也可來(lái)源于外界食物的攝取，例如咖啡[2]。在體內(nèi)，MG可來(lái)源于糖代謝、氨基酸代謝及脂肪代謝，最主要是糖酵解途徑；由磷酸丙酮、三磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮裂解產(chǎn)生，也可由氨基丙酮經(jīng)氨基脲敏感胺氧化酶脫氨基形成[3]。這一反應(yīng)途徑可以通過(guò)酶促反應(yīng)完成，也可以不通過(guò)酶促反應(yīng)完成。酶促反應(yīng)是由磷酸丙糖異構(gòu)酶和MG合酶催化的，磷酸丙糖異構(gòu)酶硝基酪氨酸化后會(huì)產(chǎn)生大量的MG。另外，MG同樣也是蛋白質(zhì)和脂肪酸代謝過(guò)程中的副產(chǎn)物，細(xì)胞色素P450 2E1分解酮體時(shí)會(huì)催化生成丙酮醇和MG；在蘇氨酸代謝過(guò)程中，氨基丙酮的氧化以及糖基化蛋白質(zhì)的降解也會(huì)產(chǎn)生MG[3]。

1.2 MG的降解 MG的分解代謝有乙二醛酶、NADPH依賴的醛糖還原酶、乙醛脫氫酶(ALDH)、2-氧化醛脫氫酶以及羰基還原酶途徑等，醛糖還原酶和ALDH表達(dá)于大腦皮層。AD患者顳葉皮層ALDH的酶活性高于對(duì)照人群，而醛糖還原酶的活性則增加不明顯。在以上這些酶中，MG最主要的分解途徑是乙二醛酶系統(tǒng)。乙二醛酶系統(tǒng)包括乙二醛酶Ⅰ和乙二醛酶Ⅱ，以還原型谷胱甘肽為輔助因子[1,4]。MG能夠與還原型谷胱甘肽通過(guò)非酶促反應(yīng)自發(fā)形成縮醛，它能與乙二醛酶Ⅰ的兩個(gè)活性位點(diǎn)結(jié)合，在乙二醛酶Ⅰ的催化作用下轉(zhuǎn)化成S-D-乳酸谷胱甘肽；繼而在乙二醛酶Ⅱ的作用下，S-D-乳酸谷胱甘肽被水解成D-乳酸，同時(shí)重新生成還原型谷胱甘肽并進(jìn)入乙二醛酶Ⅰ催化的第一步中被循環(huán)利用。D-乳酸能夠在線粒體中被2-羥基酸脫氫酶代謝合成丙酮酸。乙二醛酶Ⅰ是MG分解過(guò)程中的關(guān)鍵酶，其活性程度會(huì)直接影響MG濃度高低。相關(guān)文獻(xiàn)表明，AD早期乙二醛酶Ⅰ活性是下降的，而中晚期其活性提高了，進(jìn)一步可說(shuō)明MG與AD發(fā)生發(fā)展中的關(guān)系[5]。

2 MGO與AD發(fā)生發(fā)展的關(guān)系

腦組織具有高耗氧、高能量需求的特點(diǎn)，腦細(xì)胞糖代謝特別旺盛，糖代謝紊亂會(huì)導(dǎo)致大腦功能紊亂及記憶功能損害，進(jìn)而引起神經(jīng)退行性疾病[6]。糖代謝紊亂導(dǎo)致磷酸二羥丙酮生成過(guò)多，進(jìn)而引起MG過(guò)多積累，MG可直接或間接損害腦組織。

2.1 MG對(duì)神經(jīng)細(xì)胞及腦組織的直接毒害作用 體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，MG可引起突起形態(tài)學(xué)變化，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的軸突及樹(shù)突長(zhǎng)度縮短，退化甚至消失[1]。用MG干預(yù)神經(jīng)細(xì)胞，可破壞細(xì)胞線粒體完整性，導(dǎo)致其功能紊亂，影響線粒體膜電位引起ATP的耗竭。體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)均證明，隨著MG濃度增加，可不同程度降低神經(jīng)細(xì)胞活力，增加細(xì)胞的致死率，并引起凋亡蛋白的過(guò)表達(dá)[7]。在MG干預(yù)神經(jīng)祖細(xì)胞和海馬神經(jīng)元細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞存活率不斷下降，凋亡率增加，細(xì)胞內(nèi)ROS水平不斷增加，ERK表達(dá)水平提高。這表明MG可能是通過(guò)氧化應(yīng)激，激活ERK通路，引起海馬神經(jīng)元細(xì)胞凋亡、壞死，影響突觸聯(lián)系，從而損傷其學(xué)習(xí)記憶等認(rèn)知功能[8]。相關(guān)研究表明，腦室灌注MG第1、3、6天，可以導(dǎo)致大鼠不同程度的認(rèn)知損害和鼠腦內(nèi)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的改變[9]。再者，MG可增加促氧化酶活性[10]、減少抗氧化酶尤其是谷胱甘肽的活性[11]，從而引起進(jìn)一步的氧化應(yīng)激，激活MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。MG破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞胰島素信號(hào)通路，致使其Caspase和多聚ADP核糖聚合酶(PARP)裂解，引起下一步的凋亡進(jìn)程[12]。

2.2 MG參與AGEs形成間接影響腦組織功能 在AGEs生成的前體中，MG是高反應(yīng)活性的α羰基醛，可隨著3-磷酸丙糖裂解源源不斷的生成，表明MG可能是AGEs生成的主要反應(yīng)物。它與蛋白質(zhì)的氨基酸殘基反應(yīng)形成AGEs的速度比還原糖快20 000倍[13]。磷酸丙糖增多及乙二醛酶的減少，均會(huì)導(dǎo)致MG過(guò)多積累。MG與蛋白質(zhì)的精氨酸殘基反應(yīng)生成環(huán)咪唑啉酮復(fù)合物，可與蛋白質(zhì)賴氨酸殘基生成Nε羧乙基賴氨酸(CEL)和Nε羧甲基賴氨酸及甲基咪唑ε二聚賴氨酸鹽(MOLD)，可與半胱氨酸殘基生成可逆性硫代半縮醛，也與色氨酸殘基反應(yīng)生成咔啉衍生物[14]。研究發(fā)現(xiàn)，MG與氨基酸殘基反應(yīng)形成的這些復(fù)合物例如CEL、MOLD，可以在NFTs及其腦脊液中被檢測(cè)到[15]。緊接著，這些生成的復(fù)合物，經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，最后生成AGEs。AGEs可與AGEs受體(RAGE)結(jié)合，進(jìn)而引起一系列氧化應(yīng)激反應(yīng)[16]；也可與Aβ蛋白交聯(lián)，從而增加其不溶性和抗蛋白酶水解性[17]。

2.3 AGEs與Aβ、AD形成關(guān)系 正常細(xì)胞和組織也有一定水平的AGEs，隨著機(jī)體衰老，細(xì)胞和組織的AGEs持續(xù)增多，在AD患者中尤其加速增多。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者的腦脊液可檢測(cè)到高水平的AGEs和MG[18]。AD患者的Aβ和帕金森患者的路易斯小體，均可見(jiàn)大量AGEs富集。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，AD患者老年斑中AGEs比正常對(duì)照高3倍[19]。細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外均有AGEs聚集，細(xì)胞內(nèi)主要以PHF-tau蛋白賴氨酸糖基化形式形成穩(wěn)定NFTs結(jié)構(gòu)，而細(xì)胞外Aβ中可檢測(cè)到大量的AGEs[20]。AD腦內(nèi)Aβ被還原糖基修飾，從而導(dǎo)致腦內(nèi)糖化淀粉蛋白(Aβ-AGEs)的二級(jí)結(jié)構(gòu)改變，使其成為與RAGE受體結(jié)合更為緊密的配體，且更易聚集沉積[21]。體外實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，AD患者Aβ淀粉蛋白半衰期延長(zhǎng)[22]。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，Aβ-AGEs比Aβ引起的炎癥信號(hào)更加顯著[23]。研究發(fā)現(xiàn)，Aβ-AGEs比Aβ毒性更明顯；與直接腦內(nèi)灌注Aβ相比，直接腦室內(nèi)灌注Aβ-AGEs可以明顯加速鼠腦認(rèn)知損害的程度，減少突觸密度及下調(diào)突觸蛋白，且細(xì)胞膜受體RAGE表達(dá)上調(diào)，通過(guò)激活GSK3及其下游信號(hào)通路發(fā)揮效應(yīng)[24]。有相關(guān)文獻(xiàn)表明，AGEs與細(xì)胞膜受體RAGE結(jié)合誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，消耗胞內(nèi)谷胱甘肽水平，從而激活p21絲裂原蛋白激酶和核轉(zhuǎn)錄因子κβ(NF-κβ)；NF-κβ轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)，能夠增強(qiáng)RAGE基因的mRNA表達(dá)，又能促進(jìn)前炎癥因子釋放，從而加劇AD病理性神經(jīng)炎癥反應(yīng)[24]。

3 抑制MG生成治療AD

3.1 MG毒性反應(yīng)的抑制劑 有關(guān)研究表明，毛地黃黃酮可有效抑制MG誘導(dǎo)PC12細(xì)胞凋亡的mTOR/4E-BP1通路[25]。相關(guān)文獻(xiàn)表明，二甲雙胍可以逆轉(zhuǎn)MG誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡效應(yīng)，減少M(fèi)G誘導(dǎo)鼠施旺細(xì)胞凋亡率及細(xì)胞凋亡蛋白的表達(dá)；這與目前研究火熱的二甲雙胍可以延長(zhǎng)絲蟲(chóng)及小鼠的壽命，及改善AD進(jìn)展的證據(jù)相關(guān)。二甲雙胍能夠與MG反應(yīng)生成噻唑啉酮，且應(yīng)用二甲雙胍干預(yù)可一定程度減少AGEs的形成，這為后期治療AD實(shí)驗(yàn)提供希望。人參皂可抑制MG對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的Capsase和PARP的裂解作用，進(jìn)而糾正其損壞的胰島素信號(hào)通路，減少其對(duì)細(xì)胞的凋亡作用[12]。雖然作用機(jī)制不一，但均可明顯改善MG對(duì)細(xì)胞的毒性作用，均有望于成為治療AD的潛在藥物。

3.2 AGEs生成抑制劑 文獻(xiàn)上出現(xiàn)大量AGEs生成的抑制劑，如AGEs斷裂抑制(溴化苯酰甲基噻唑PTB、ALT711)、羰基形成抑制劑(替尼司坦)、AGEs形成抑制劑(氨基胍、吡哆胺)[1]。其中羰基清除劑氨基胍，是一種小分子親核性肼類化合物；氨基胍末端的兩個(gè)氨基可與α-二羰基中間體結(jié)合形成三嗪類化合物，與MG反應(yīng)生成3-氨基-1，2,4三嗪衍生物。替尼司坦可有效阻止Maillard反應(yīng)過(guò)程，達(dá)到對(duì)MG解毒的目的，從而阻止AGEs生成[17]。但氨基胍及其化合物在臨床試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有不良反應(yīng)，無(wú)法繼續(xù)用于臨床實(shí)踐。其他AGEs抑制劑OPB-9195、吡哆胺、替尼司坦，仍處于臨床研究中。

MG作為體內(nèi)一種源源不斷產(chǎn)生的物質(zhì)，可通過(guò)產(chǎn)生氧化應(yīng)激、破壞胰島素信號(hào)通路等進(jìn)而直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，也參與AD的Aβ及NFTs的形成過(guò)程。隨著機(jī)體衰老，MG持續(xù)在體內(nèi)積累，形成的AGEs可在正常組織中被檢出，尤其是在能量代謝特別旺盛的大腦組織中，且在糖尿病及AD病理狀態(tài)下可加速積累。這表明MG在AD發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，也進(jìn)一步提示AD患者的認(rèn)知功能下降與MG水平的升高緊密相關(guān)；另一方面表明，降低糖尿病、高糖狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及加強(qiáng)MG的解毒功能系統(tǒng)可為AD治療提供新的機(jī)會(huì)。