β淀粉樣蛋白在阿爾茨海默病中的作用機制研究進展*

劉心朗 賈建新

（內蒙古科技大學包頭醫(yī)學院人體解剖學教研室，包頭 014040）

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD），也稱為老年性癡呆，是一種慢性中樞神經系統(tǒng)退化性疾病，常發(fā)病于老年期或老年前期，起病隱匿。AD主要臨床表現(xiàn)包括進行性記憶力減退和獲得性知識喪失、人格變化并伴有生活、工作等多種行為精神障礙。AD給社會和家庭帶來沉重負擔，是僅次于心血管病、癌癥、腦卒中之后第4位嚴重威脅老年人生命健康的疾病，已成為世界老年醫(yī)學面對的熱點問題[1-2]。國際阿爾茨海默病協(xié)會公布的《2018年全球阿爾茨海默病報告》顯示，世界各地每3 s就會出現(xiàn)1例新的癡呆病例。2018年，全世界有5 000萬人患有癡呆癥。預計到2050年，這一數(shù)字將達到1.52億。據(jù)估計，2030年全球用于癡呆的治療和護理費用將從2018年的1萬億美元增至2萬億美元。

AD的主要病理學特征是大腦皮質萎縮，神經元的丟失，海馬區(qū)的β淀粉樣蛋白（beta amyloid peptide，Aβ）沉積形成的老年斑（senile plaque，SP）和腦神經細胞內微管相關蛋白（tau protein）過度磷酸化形成的神經元纖維纏結（neurofibrillary tangles，NFTs）[4-5]。AD的病因和發(fā)病機制尚不明確，涉及淀粉樣蛋白質與微管相關蛋白質假說，膽堿能損傷假說，基因突變學說，自由基損傷假說，炎癥假說等，均為目前的主要發(fā)病機制。現(xiàn)針對其中β淀粉樣蛋白結構特征及其神經毒性假說進行綜述。

1 Aβ的產生分布與結構

1.1 Aβ的產生分布

Aβ是由β淀粉樣蛋白前體蛋白（β-amyloid precursor protein，APP）水解形成的正常代謝產物。APP是一種存在于多種組織的Ⅰ型跨膜糖蛋白，是突觸形成和修復的調節(jié)因子。人類的APP可以通過淀粉樣變和非淀粉樣變2種不同的途徑來處理[6]。APP的淀粉樣途徑是指APP在質膜上被β-分泌酶（β-secretase，又稱β-site amyloid cleavage enzyme，BACE）和γ-分泌酶（γ-secretase）在N端和C端的順序切割[7]，形成全長的Aβ肽（主要是Aβ1-40/42）。新生成的Aβ被釋放到胞外間隙，與質膜和脂筏結構有關。脂筏中Aβ與神經節(jié)苷脂GM1的結合強烈促進Aβ的聚集[8]。研究顯示，大量APP和γ-分泌酶也存在與線粒體-內質網(wǎng)結構偶聯(lián)（mitochondria-associated endoplasmic reticulum membrane，MAM）處[8]，說明APP的淀粉樣水解途徑可以在MAM上進行。而APP經酶剪切產生的早老素1（presenilin 1，PS1）和早老素2（presenilin 2，PS2）也主要定位于MAM[9]。

1.2 Aβ的結構

Aβ分為可溶性Aβ和不溶性Aβ，可溶性Aβ聚集體通常被劃分為寡聚體和原纖維蛋白。大腦中淀粉樣斑塊的主要成分是Aβ單體聚集形成的較大的淀粉樣纖維。研究顯示，Aβ單體通常并不直接影響神經元的功能，而單體水解后產生的可溶性Aβ聚集體才是影響AD患者認知功能的關鍵因素[10]。但也有研究表示，單體Aβ已經被認為是潛在的藥物靶點，因為抑制單體聚集可以防止有毒物種的形成[11-12]。有研究者[13]通過分子中的原子量子理論（quantum theory of atoms in molecules，QTAIM）對β-淀粉樣蛋白β-折疊拓撲結構計算分析顯示，β-股內空間接近的特定疏水性氨基酸原子間會形成弱電子相互作用的網(wǎng)狀結構，穩(wěn)定β-片層的結構。這將有助于針對阻止β-淀粉樣蛋白沉積的新藥開發(fā)。

2 Aβ神經毒性和生物學功能

2.1 Aβ神經毒性

2.1.1 誘導細胞凋亡 Aβ誘導細胞凋亡是一個包括細胞氧化損傷、Ca2+內流、線粒體損傷、細胞色素C（cytochrome C，Cytc）外溢的眾多環(huán)節(jié)在內的復雜過程。Aβ誘導的鈣內流通過鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulindependent protein kinase-Ⅱ，CaMKⅡ）上調蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）的激活，引起線粒體分裂蛋白（dynaminrelated protein 1，Drp1）磷酸化和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）激 活。Drp1磷酸化導致線粒體斷裂引起線粒體功能障礙。mTOR的激活抑制線粒體自噬，導致活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加激活半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）引起神經元凋亡，并加重線粒體功能障礙[14]。因此，Akt/mTOR信號轉導或其與Drp1之間的相互作用在AD病理機制及發(fā)展的研究中有重要意義，可進一步探究其作為潛在治療靶點的功能。

2.1.2 能量代謝障礙 在AD中，會出現(xiàn)線粒體能量障礙，導致Aβ沉積Tau蛋白過度磷酸化，進一步促進線粒體的這種缺陷[15-16]。Kerr等[15]的研究表明：線粒體的功能失調和自噬的受損隨著年齡的增長而積累。近期研究表明[17]，通過抑制Aβ斑塊和病理p-tau，可恢復線粒體自噬，繼而可以逆轉AD記憶喪失。通過小膠質細胞對胞外Aβ斑塊的吞噬作用可以降低APP/PS1模型中的不溶性的Aβ1-42和Aβ1-40，改善認知功能障礙。

2.1.3 觸發(fā)氧化應激 金屬離子銅、鐵、鋅是氧化應激的核心調節(jié)因子，在生理濃度下能與Aβ結合形成各自的配體形式，參與ROS的產生，其中發(fā)揮主要作用的是Cu-Aβ配體[18]。通過熒光和基于紫外-可見光吸收光譜（ultravioletvisible spectroscopy，UV-Vis）的方法評估了Cu結合到一系列修飾肽上的ROS生成，提出了Cu-Aβ復合物在ROS生成的催化中間狀態(tài)下的配位模型[19]。而Aβ肽的C端含有蛋氨酸殘基能形成氧活性簇，促進氧化產物的形成，Aβ使細胞產生了過多的ROS破壞生物分子。

2.1.4 加速tau蛋白異常磷酸化 AD患者大腦皮層存在大量的神經原纖維病變和神經性斑塊。Aβ寡聚體可以激活激酶，進而催化tau的磷酸化。磷酸化的tau蛋白會使神經纖維互相纏結形成NFT。Aβ寡聚體也可以誘導tau蛋白的低聚。tau低聚物可以通過朊病毒樣機制傳播，并且與病理磷酸化的tau蛋白一起可以引起負責記憶和認知功能的神經元退化和死亡[20]。最近的研究[21]表明，tau蛋白分子可以在不發(fā)生錯誤折疊的情況下進行擴散，但發(fā)生錯誤折疊的情況時可能會促進tau蛋白的擴散，同時tau蛋白的錯誤折疊不是導致NFT聚集的必要條件。

2.1.5 發(fā)生葡萄糖代謝障礙 AD患者腦中的Aβ通過活化糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase，GSK-3）抑制葡萄糖代謝，因此AD患者腦中的葡萄糖代謝與正常人腦中葡萄糖代謝水平相比較低。Aβ激活激酶導致的tau蛋白過度磷酸化使微管結合減少或微管失穩(wěn)，從而引起胰島素顆粒轉運中斷[22]，抑制胰島素分泌。然而，最近也有研究表明，微管失穩(wěn)可能會引起胰島素顆粒的過度連接，促進胰島素分泌[23]。研究表明，Aβ和tau增強外周胰島素抵抗和胰β細胞功能障礙，而在AD小鼠模型中注入抗Aβ抗體可改善胰島素敏感性和血糖調節(jié)[22]。在AD模型快速老化小鼠（senescence accelerated mouse P8，SAMP8）上的研究表明，反義寡核苷酸阻斷APP的Aβ區(qū)改變了海馬內多個胰島素相關基因的表達[24]。AD患者中樞神經系統(tǒng)胰島素作用受損，關鍵胰島素信號蛋白減少。Aβ誘導的胰島素抵抗導致腦內胰島素信號轉導障礙，氧化應激和神經炎癥反應，進而促進Aβ進一步沉積和tau磷酸化，加重AD患者認知障礙。目前，鼻內胰島素治療是一種潛在的治療AD的方法[25]。

2.1.6 激活神經膠質細胞誘發(fā)炎性級聯(lián)反應 AD炎癥過程可激活小膠質細胞，導致膠質細胞分泌過多急性期蛋白，補體因子激活和誘導炎癥酶系統(tǒng)，產生炎性細胞因子，這些炎癥因子包括多種白細胞介素（IL）和多種因子（腫瘤壞死因子-α、轉化生長因子-β），可以調節(jié)炎癥反應和免疫反應，可能導致神經元功能障礙和細胞死亡。研究表明，AD患者腦組織中促炎癥細胞因子如腫瘤壞死因子（TNF）、白細胞介素1β（IL-1β）、白細胞介素6（IL-6）和干擾素（IFN-γ）水平升高，可抑制淀粉樣Aβ的吞噬作用。在AD過程中，可溶性Aβ寡聚體的異常積累導致細胞因子和其他促炎癥因子的過度釋放，與調節(jié)成分如IL-4、IL-10、受體拮抗劑、白細胞介素抑制劑等的比例失調，最終導致神經元和突觸損傷、喪失和認知功能下降[26]。Aβ持續(xù)存在可持續(xù)破壞神經細胞，發(fā)生惡性循環(huán)。Wang等[27]報道在AD進程中，伴隨Aβ的沉積以及Tau蛋白的磷酸化，腸道菌群組成發(fā)生變化，引起外周相關代謝產物異常蓄積，誘導外周促炎性Th1細胞的分化、增殖和腦內侵潤，導致AD相關神經炎癥發(fā)生。

2.1.7 突觸功能障礙 腦特定區(qū)域的神經元過度活躍被認為是AD的早期擾動。AD患者腦中的膽堿能神經元嚴重退化，乙酰膽堿合成和水平下降，膽堿乙酰轉移酶（ChAT）活性下降，ACh受體的解除導致神經傳導作用阻斷。谷氨酸是氨基酸神經遞質家族的成員，是大多數(shù)新皮層和海馬突觸中最豐富的興奮性信號信使[28]。研究表明，Aβ可溶性二聚體分子阻止谷氨酸轉運出突觸間隙，導致突觸間隙中高濃度的谷氨酸持續(xù)時間過長[29]。

2.1.8 血管性損傷 血管性損傷發(fā)生于AD早期，外源性Aβ可以降低腦血流量，降低后的腦血流量又可以促進Aβ的生成。Nortley等[30]報道，在認知能力下降的患者中，Aβ產生的氧自由基能夠激活內皮素-1（endothelin-1，ET）的釋放，繼而ET會激活周細胞ETA受體，因此Aβ收聚在大腦毛細血管周細胞位置。周細胞是毛細血管上唯一的可收縮細胞，可通過調節(jié)收縮狀態(tài)改變腦血流量。同時在AD的小鼠模型中，毛細血管發(fā)生了收縮，而不是非小動脈。這說明，抑制Aβ引起的毛細血管收縮或許可以緩解AD的能量缺陷和神經退化。

2.2 Aβ清除運輸

2.2.1 內源性Aβ清除運輸 AD中，Aβ生成與清除失衡，腦內Aβ的清除途徑包括中樞途徑和外周途徑，中樞清除途徑是指腦Aβ被小膠質細胞吞噬及被Aβ降解酶降解。而Aβ通過血腦屏障（blood-brain-barrier，BBB）轉運，腦組織間液流出及經腦脊液吸收入淋巴等是Aβ的外周清除途徑[31]。Aβ外周清除途徑有2條：經受體跨BBB轉運至血液被外周組織降解及經血管旁淋巴引流途徑到達局部淋巴結被降解?？鏐BB的流出運輸系統(tǒng)將Aβ從大腦運到血液，主要被低密度脂蛋白受體相關蛋白-1（low-density lipoprotein receptorrelated protein-1，LRP-1）介導，定位于腦血管內皮細胞的側腔外。腦Aβ清除主要依賴外周清除，外周清除障礙所導致Aβ沉積會加快AD病程的進展。正常情況下腦內Aβ生成與清除是平衡的，異常情況下生成與清除失衡促使 AD過量沉積。新型AD治療藥物GV-971通過重塑腸道菌群平衡、降低外周相關代謝產物積累，減輕腦內神經炎癥，進而改善認知障礙。GV-971還能直接透過血腦屏障捕獲Aβ，抑制Aβ聚集體的形成，并使已形成的聚集體解聚[27]。雖然大多數(shù)細胞外Aβ通過BBB清除，但淋巴途徑似乎也對Aβ清除很重要[32]。

2.2.2 外源性Aβ清除運輸 研究表明，向腦內局部注射Aβ后不僅能在原注射部位形成沉淀，Aβ也會擴散到周圍腦組織。然而，Aβ的空間傳播方式是否是通過非系統(tǒng)方式從注射部位到近端區(qū)域擴散或沿神經解剖學通路定向運轉仍不能確定。

AD作為威脅老年人生命的神經退行性疾病之一，Aβ沉積是其重要的病理特征。但關于Aβ沉積假說相關的治療方法一直進展緩慢?？赡苁且驗锳β沉積無法全面清除，其所引起的毒性作用分布廣泛，且損傷不可逆又不易修復。因此，Aβ的源頭阻斷和抑制傳遞可能會有效抑制Aβ沉積，成為預防AD形成的一種重要方法，為今后的研究提供重要方向。