阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

田杰，孫榮欣，王萍，譚國(guó)鶴，劉斯佳

(1廣西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，南寧 530021；2廣西生物醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心；3廣西再生醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4河南輕工職業(yè)學(xué)院)

1906年，德國(guó)醫(yī)生阿爾茨海默首次在一個(gè)因腦功能漸進(jìn)性衰退而死亡的患者大腦中發(fā)現(xiàn)了異常，患者大腦組織中布滿了纏結(jié)在一起的斑塊；之后該病癥被冠以阿爾茨海默氏的名字，以此得名阿爾茨海默病(AD)。AD是老年期癡呆中最常見(jiàn)的類型，據(jù)《2015年世界阿爾茨海默病報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，全球患癡呆病人數(shù)超過(guò)4 600萬(wàn)，我國(guó)也有600萬(wàn)左右的AD患者。作為一種神經(jīng)退行性疾病，AD起病隱匿，病程呈慢性進(jìn)行性加重，并隨著年齡的增長(zhǎng)發(fā)病率會(huì)逐漸增高，主要危害65歲以上的老年人群。AD有兩個(gè)典型病理特征，即β淀粉樣蛋白(Aβ蛋白)沉積形成的神經(jīng)炎性斑塊和Tau蛋白過(guò)度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)，最終表現(xiàn)為皮質(zhì)的持續(xù)皺縮以及海馬等腦區(qū)神經(jīng)元的大量丟失[1]，從而造成漸進(jìn)性的認(rèn)知障礙、記憶力損害、人格改變、語(yǔ)言障礙等神經(jīng)精神癥狀，嚴(yán)重危害患者身體健康和生活狀況。AD病因多樣，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，幾十年來(lái)科學(xué)家們針對(duì)AD開(kāi)展了深入持續(xù)的研究，發(fā)現(xiàn)Aβ蛋白異常沉積、Tau蛋白過(guò)度磷酸化、突觸功能障礙、神經(jīng)遞質(zhì)的異常和線粒體自噬功能障礙等因素在其發(fā)病過(guò)程中可能起著重要作用，最近膠質(zhì)細(xì)胞活化、腸道微生物失調(diào)等因素也引起了人們的關(guān)注。現(xiàn)就AD的發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展情況作一綜述。

1 Aβ蛋白異常沉積和Tau蛋白過(guò)度磷酸化

1.1 Aβ蛋白異常沉積 Aβ蛋白學(xué)說(shuō)是AD研究中的核心觀點(diǎn)之一。Aβ蛋白是神經(jīng)炎性斑塊的核心成分，構(gòu)成了AD的一個(gè)特征性病理變化，斑塊周圍還包繞著各種膠質(zhì)細(xì)胞，例如星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞等。Aβ蛋白是神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞淀粉樣前體蛋白(APP)代謝的產(chǎn)物，是由APP在β-淀粉樣前體蛋白裂解酶1(BACE-1)、β-分泌酶或γ-分泌酶等的連續(xù)酶促反應(yīng)作用下最終生成的。在正常情況下，Aβ蛋白的產(chǎn)生和降解會(huì)保持一定的平衡。但在某些致病因素作用下，如APP、PSEN等基因多位點(diǎn)突變[2]，老化、膳食因素[3]或顱腦損傷等，可導(dǎo)致Aβ蛋白的過(guò)量產(chǎn)生與沉積。人們發(fā)現(xiàn)，Aβ蛋白的分子構(gòu)型、狀態(tài)與其神經(jīng)毒性關(guān)系密切，Aβ可自發(fā)聚集成多種形態(tài)，例如2～6個(gè)肽聚集形成的中間體，這屬于可溶性低聚物；也可形成原纖維，之后自行排列成β折疊片，成為不溶性的淀粉樣斑塊；這兩種形態(tài)結(jié)構(gòu)都具有神經(jīng)毒性。研究[4]還進(jìn)一步表明，可溶性的Aβ低聚物比纖維狀不溶性淀粉樣斑塊更具有毒性，可通過(guò)多種途徑導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。

1.2 Tau蛋白過(guò)度磷酸化 作為AD的另一個(gè)特征性病理變化，NFTs是由微管結(jié)合蛋白Tau蛋白過(guò)度磷酸化而形成的細(xì)胞內(nèi)雙螺旋絲所構(gòu)成的。在AD發(fā)病早期階段，NFTs累積在內(nèi)嗅皮質(zhì)(EC)的神經(jīng)元中，特別是在EC的Ⅱ、Ⅲ層，之后其通過(guò)突觸前擴(kuò)散到大腦邊緣葉和相關(guān)皮質(zhì)。結(jié)構(gòu)成像研究證實(shí)，EC是AD早期功能障礙的主要部位。NFTs的數(shù)量與AD的嚴(yán)重程度有直接的正相關(guān)性。氧化應(yīng)激增強(qiáng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白折疊功能受損及蛋白酶體和自噬介導(dǎo)的蛋白清除力下降都能加速Tau蛋白在AD中的沉積。正常情況下軸突中豐富的可溶性蛋白可促進(jìn)微管的組裝、穩(wěn)定，而過(guò)度磷酸化的Tau蛋白與微管的親和力下降，會(huì)導(dǎo)致微管更加不穩(wěn)定；在感染、代謝性疾病和慢性炎癥刺激條件下，微管結(jié)合蛋白能被糖原合酶激酶3(GSK-3β)、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶及其激活亞基p25或促分裂原活化蛋白激酶磷酸化，激酶的活性過(guò)度增強(qiáng)，磷酸酯酶的活性降低，或兩者共同作用，會(huì)使Tau蛋白過(guò)度磷酸化，從而引起細(xì)胞內(nèi)微管解聚。實(shí)際上異常Tau蛋白中間分子聚集體是有毒性的，可損害認(rèn)知功能。Zhou等[5]發(fā)現(xiàn)，致病性Tau蛋白可通過(guò)其N末端結(jié)構(gòu)域來(lái)結(jié)合突觸囊泡，干擾突觸囊泡的遷移和釋放，降低神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞效率，損害神經(jīng)元突觸傳遞。

2 突觸功能障礙和神經(jīng)遞質(zhì)的異常

2.1 突觸和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的缺失 隨著AD的進(jìn)展，患者會(huì)出現(xiàn)記憶喪失、認(rèn)知功能衰退等癥狀的加重，這還可能與腦內(nèi)神經(jīng)突觸的異?；蛏窠?jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的減少相關(guān)。一方面，Aβ異常沉積會(huì)導(dǎo)致突觸前后膜上NMDA、AMPA受體的內(nèi)吞，也會(huì)阻斷突觸后膜上谷氨酸受體、乙酰膽堿受體、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體的激活，這將會(huì)導(dǎo)致突觸活力的下降。文獻(xiàn)[6]報(bào)道，具有輕度認(rèn)知功能障礙的AD患者海馬區(qū)會(huì)出現(xiàn)部分神經(jīng)元和突觸的缺失，而剩余的突觸則會(huì)代償性增大。在輕度AD患者中，突觸囊泡蛋白的表達(dá)量會(huì)減少25%[7]。不過(guò)Cirrito等[8]認(rèn)為，神經(jīng)元突觸活動(dòng)的同時(shí)也能快速的增加Aβ分泌，這與突觸囊泡的胞吐作用相關(guān)。所以，突觸活動(dòng)可能對(duì)AD的進(jìn)展發(fā)揮調(diào)控作用。另一方面，Aβ42的聚集也會(huì)引起基底前腦腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)表達(dá)量下降，這些區(qū)域膽堿能神經(jīng)元上的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體表達(dá)也下調(diào)。與此相對(duì)比，Ernfors等[9]在嚙齒動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BDNF治療能促進(jìn)神經(jīng)元的存活和增強(qiáng)記憶，BDNF基因治療在阿爾茨海默氏病1期臨床試驗(yàn)中也顯示出了對(duì)認(rèn)知功能和腦代謝的改善。事實(shí)上，BDNF有助于認(rèn)知功能的提高、神經(jīng)元的存活、突觸功能和記憶力的增強(qiáng)[10]。由于突觸和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的缺失在AD發(fā)病過(guò)程中機(jī)制復(fù)雜，更詳細(xì)的機(jī)制還有待進(jìn)一步深入探索。

2.2 膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)通路異常 膽堿能系統(tǒng)參與學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程，其異常也被認(rèn)為是參與AD發(fā)生發(fā)展的重要因素之一。ACh的缺失會(huì)影響皮質(zhì)和海馬對(duì)信息的處理，進(jìn)而影響認(rèn)知和行為。研究[11,12]發(fā)現(xiàn)，膽堿能神經(jīng)元的丟失可能是AD相關(guān)精神病癥狀的主要原因。突觸前α7煙堿乙酰膽堿受體對(duì)于認(rèn)知能力至關(guān)重要，而在AD早期表達(dá)水平升高，后期表達(dá)卻減少。研究[13]發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)細(xì)胞上煙堿型乙酰膽堿受體(nAChRs)會(huì)影響AD神經(jīng)元的存活、突觸可塑性和記憶行為。人們還發(fā)現(xiàn)，在AD發(fā)病過(guò)程中Meynert基底核膽堿能神經(jīng)元會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重缺失。定量放射自顯影測(cè)定結(jié)果也表明，在AD動(dòng)物的海馬中膽堿能遞質(zhì)攝取減少，毒蕈堿和煙堿膽堿受體的表達(dá)出現(xiàn)下調(diào)。Lahiri等認(rèn)為，乙酰膽堿酯酶也參與AD的進(jìn)展；De Ferrari等[14]發(fā)現(xiàn)，乙酰膽堿酯酶能與生長(zhǎng)的Aβ纖維結(jié)合，兩者相互作用可促進(jìn)淀粉樣蛋白原纖維的形成。同時(shí)還有研究[15]發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞上的nAChRs也有助于腦組織內(nèi)Aβ的代謝，通過(guò)吞噬和降解Aβ,降低Aβ相關(guān)的氧化應(yīng)激效應(yīng)，從而降低其神經(jīng)毒性危害。這些研究說(shuō)明，膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)通路在AD發(fā)病過(guò)程中也起著一定的作用。

3 線粒體自噬功能障礙

在神經(jīng)元內(nèi)，Aβ的聚集會(huì)抑制線粒體代謝鏈上的關(guān)鍵酶，如細(xì)胞色素c氧化酶等，進(jìn)而導(dǎo)致電子傳輸、ATP生成和線粒體膜電位等方面的障礙或受損。在AD患者及轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型的受損腦結(jié)構(gòu)中，從線粒體里中可分離出Aβ。Mastroeni等[16]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，這些Aβ蛋白會(huì)直接導(dǎo)致線粒體功能的障礙，對(duì)細(xì)胞核編碼的OXPHOS等基因產(chǎn)生明顯影響。Doody等發(fā)現(xiàn)，線粒體興奮劑鹽酸二甲雙胍可改善輕度到中度AD患者的認(rèn)知功能。Lin等[17]認(rèn)為，神經(jīng)元內(nèi)自噬/溶酶體途徑受損會(huì)導(dǎo)致受損線粒體清除發(fā)生障礙，異常線粒體累積增多，進(jìn)一步使能量產(chǎn)生減少，氧化應(yīng)激增加，從而增加β-分泌酶、γ-分泌酶/早老素1的分泌，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致Aβ蛋白和Tau蛋白更多聚集；聚集的Aβ蛋白和Tau蛋白反過(guò)來(lái)又會(huì)進(jìn)一步造成線粒體自噬障礙，這樣就進(jìn)入了惡性反饋環(huán)路，導(dǎo)致ATP生成的持續(xù)性不足，引起腦內(nèi)神經(jīng)元的死亡。所以，AD患者腦內(nèi)受損神經(jīng)元中出現(xiàn)的線粒體功能障礙，會(huì)導(dǎo)致能量產(chǎn)生不足，而這將進(jìn)一步加重Aβ蛋白和Tau蛋白的沉積，構(gòu)成了一個(gè)惡性循環(huán)的機(jī)制。

4 胰島素信號(hào)代謝通路異常

目前，糖耐量異常和2型糖尿病也被認(rèn)為是癡呆的危險(xiǎn)因素之一，說(shuō)明血糖代謝異常、肥胖等內(nèi)分泌代謝性因素也會(huì)在AD發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮作用[18]。眾所周知，胰島素在外周系統(tǒng)的代謝活動(dòng)與體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)；而其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的非代謝作用近年也逐步被揭示出來(lái)[19,20]，可在缺氧和缺葡萄糖情況下影響神經(jīng)元的存活、突觸形成、學(xué)習(xí)記憶功能。外周胰島素進(jìn)入體內(nèi)后，可通過(guò)受體介導(dǎo)的胞吞作用，跨越血腦屏障(BBB)，進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)內(nèi)。高血糖血癥患者的體內(nèi)，BBB會(huì)出現(xiàn)自發(fā)性地葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體下調(diào)，這不僅造成BBB的破壞和早期的微血管病變，而且還會(huì)影響葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)入腦細(xì)胞，進(jìn)而影響腦內(nèi)ATP和活性氧代謝物的產(chǎn)生[21]。血糖水平的增高會(huì)降低海馬等腦結(jié)構(gòu)中胰島素降解酶表達(dá)水平。Devi等發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)胰島素的缺乏會(huì)激活GSK-3β，也會(huì)增加BACE-1表達(dá)水平，這將促進(jìn)腦內(nèi)Aβ生成、磷酸化Tau蛋白的增強(qiáng)和神經(jīng)元的凋亡。Zhao等[22]認(rèn)為，Aβ低聚物會(huì)刺激神經(jīng)元細(xì)胞膜上胰島素受體下調(diào)，然后發(fā)生細(xì)胞內(nèi)胰島素信號(hào)功能障礙，出現(xiàn)胰島素抵抗效應(yīng)，認(rèn)知功能衰退隨之也會(huì)進(jìn)一步加劇。

5 其他因素

5.1 膠質(zhì)細(xì)胞活化等神經(jīng)免疫因素的影響作用 近年來(lái)，以膠質(zhì)細(xì)胞活化為主的神經(jīng)性炎癥在AD發(fā)病中所發(fā)揮的作用也是人們研究的熱點(diǎn)。AD患者腦中的確存在反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞的增生現(xiàn)象，例如Heneka等[23]在AD患者腦中檢測(cè)到了明顯的膠質(zhì)細(xì)胞活化標(biāo)志物的升高，淀粉樣斑塊周圍圍繞大量活化膠質(zhì)細(xì)胞，最初可吞噬并降解Aβ，然而在長(zhǎng)期慢性持續(xù)活化后會(huì)釋放一些自由基和其他神經(jīng)毒性物質(zhì)。這些被激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞也可釋放一些急性期反應(yīng)產(chǎn)物[24]，如α1-抗凝乳蛋白酶和α2-巨球蛋白等，都可以影響AD的進(jìn)展。實(shí)際上，Aβ蛋白還可通過(guò)誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶來(lái)產(chǎn)生大量NO，致使神經(jīng)元被殺傷。Mrak等[25]在AD動(dòng)物的腦內(nèi)還發(fā)現(xiàn)一些活化的T細(xì)胞，這些細(xì)胞能釋放出常見(jiàn)的炎癥因子，如強(qiáng)促炎癥因子IL-1、IL-6、TNF-α、IFN-γ等，其中TNF-α和IFN-γ既有神經(jīng)毒性，又可降解胰島素降解酶而后者是Aβ降解的關(guān)鍵酶。所以，這些免疫因素可能也參與了AD的發(fā)病進(jìn)程。此外研究[26]表明，可溶性Aβ低聚物可激活經(jīng)典的補(bǔ)體活化路徑，產(chǎn)生C1q、C3或小膠質(zhì)細(xì)胞補(bǔ)體受體CR3，進(jìn)而異?；罨∧z質(zhì)細(xì)胞，然后對(duì)神經(jīng)元的突觸發(fā)動(dòng)攻擊，從而造成突觸的損傷和缺失。而外周的局部炎性反應(yīng)，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，也可誘發(fā)中樞神經(jīng)性炎癥的發(fā)生，進(jìn)而影響AD病程的發(fā)展。與此相一致的是，臨床流行病學(xué)調(diào)研[27]顯示，一些服用過(guò)阿司匹林等非甾體類消炎藥的個(gè)體，能幸免于AD的患病[28]。

5.2 腸道微生物的失調(diào)對(duì)AD的影響 人類共生微生物是影響宿主健康的一個(gè)非常重要的因素，腸道微生物與大腦相互作用形成的“腸-腦軸”，可在人體內(nèi)發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。最近越來(lái)越多的研究表明，腸道微生物的數(shù)量和組成對(duì)情緒、精神、一些神經(jīng)退行性疾病都有重要影響作用。Harach等[29]的實(shí)驗(yàn)已表明，一些腸道細(xì)菌可加速AD的進(jìn)展，可增加腦中Aβ斑塊的形成，進(jìn)一步觸發(fā)神經(jīng)炎癥反應(yīng)。通過(guò)測(cè)序細(xì)菌16S rRNA，發(fā)現(xiàn)AD模型小鼠(淀粉樣前體蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠)與對(duì)照小鼠擁有不同的腸道細(xì)菌組成，而無(wú)菌小鼠腦中Aβ斑塊數(shù)量明顯更少；而將健康小鼠或AD模型小鼠的腸道細(xì)菌轉(zhuǎn)移到無(wú)菌小鼠腸道內(nèi)，在那些接受移植AD小鼠來(lái)源腸道細(xì)菌的小鼠，其大腦中出現(xiàn)Aβ斑塊的增多。Minter等的研究則表明，給小鼠長(zhǎng)期使用廣譜抗生素治療，腸道微生物發(fā)生巨大變化，小鼠腦內(nèi)淀粉樣斑塊的產(chǎn)生也減少。這些結(jié)果說(shuō)明腸道內(nèi)細(xì)菌可能在AD的進(jìn)展過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。Hu等[30]的研究也顯示，腸道微生物紊亂可使腸道通透性和血腦屏障通透性增加，進(jìn)而加重神經(jīng)退行性病變的發(fā)生；腸道微生物的代謝產(chǎn)物及其對(duì)宿主腦內(nèi)神經(jīng)生化指標(biāo)的影響，也會(huì)改變AD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。以上研究提示，AD的發(fā)病進(jìn)展與腸道微生物的紊亂存在密切相關(guān)性。將來(lái)通過(guò)個(gè)性化的飲食或相應(yīng)的干預(yù)調(diào)節(jié)或?qū)⒊蔀橹委烝D的一個(gè)新方法。

綜上所述，AD的發(fā)病機(jī)制和調(diào)節(jié)因素存在多樣化、復(fù)雜化，Aβ蛋白學(xué)說(shuō)、Tau蛋白過(guò)度磷酸化、線粒體功能障礙、胰島素信號(hào)代謝通路異常、神經(jīng)性炎癥異常激活、腸道微生物失調(diào)等可能在AD的發(fā)病過(guò)程中起重要作用，相關(guān)的具體分子和細(xì)胞機(jī)制還有待于進(jìn)一步深入研究。近年研究顯示，人們又取得了一些新的研究突破，例如發(fā)現(xiàn)Ca2+的失調(diào)可導(dǎo)致腦中Aβ蛋白的形成和積累，引起神經(jīng)元死亡和記憶缺失，這可能也是淀粉樣斑塊和NFTs的一個(gè)觸發(fā)因素；持續(xù)的病毒和細(xì)菌感染，以及隨著年齡增長(zhǎng)而免疫力逐漸降低，則可能通過(guò)觸發(fā)慢性炎癥反應(yīng)和神經(jīng)免疫因素而影響AD的發(fā)病進(jìn)程。最近，Kumar等[31]在線蟲、小鼠和人類神經(jīng)元組織中的最新研究還顛覆了傳統(tǒng)主流學(xué)界的一些觀點(diǎn)，即Aβ蛋白也許不僅僅是大腦中存在的能引發(fā)炎癥的代謝垃圾，它也是一種抗菌肽，可能在先天免疫中發(fā)揮著保護(hù)作用，有效的防止腦組織感染真菌和細(xì)菌，反而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[31]。這樣看來(lái)，AD發(fā)病機(jī)制的研究將變的更加復(fù)雜并富有挑戰(zhàn)性，未來(lái)需要更多的研究去辨明Aβ蛋白的具體作用和生物學(xué)性質(zhì)，需要從分子、細(xì)胞、環(huán)路等各個(gè)層面去系統(tǒng)了解AD的發(fā)病機(jī)制，才能更好地為我們了解、預(yù)防和控制AD提供更準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。隨著科研水平和社會(huì)醫(yī)療技術(shù)的不斷飛速進(jìn)步，以及人們對(duì)自身健康意識(shí)的提高和保護(hù)，相信AD在未來(lái)會(huì)變成一種可防可治愈的疾病。