線粒體功能障礙與阿爾茲海默病發(fā)病的相關性研究進展

胡鈺慧，何玲

(中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 211100)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是一種發(fā)病率與年齡密切相關的神經退行性疾病，發(fā)病年齡約為60 歲，其特征是記憶力減退、精神錯亂、注意力不集中、方向感下降和性格改變[1]。全世界約有4 700 萬人患有阿爾茲海默病，65 歲以上的人中約有八分之一患有此病，到2030 年，患病人數(shù)將翻一番，相關醫(yī)療保健費用高達數(shù)十億美元。隨著人類平均預期壽命的不斷提高，阿爾茨海默病對世界構成了巨大的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。明確的AD診斷通常是對死后患者大腦的尸檢，揭示了AD的神經病理學特征，包括由β淀粉樣蛋白(Aβ)組成的細胞外老年斑(SPs)和高磷酸化tau蛋白形成的神經內纏結(NFTs)，以及腦皮層、海馬區(qū)神經細胞的減少[2]。因此，AD相關發(fā)病機理和治療方法的研究主要集中在淀粉樣前體蛋白(APP)代謝，Aβ的毒性和tau蛋白過度磷酸化上。即使制藥行業(yè)投資了數(shù)十億美元用于藥物開發(fā)，但臨床實驗仍未能為阿爾茨海默病患者提供有效治療藥物。阿爾茨海默病神經影像學倡議(ADNI)和其他研究均支持以下觀點：AD不僅是Aβ沉積的線性下游后果，而是一種多因素疾病。所以改善其他病理學特征例如炎癥反應、胰島素抵抗、線粒體功能障礙和氧化應激進而治療和改善阿爾茲海默病的研究。

線粒體是母體遺傳的細胞內細胞器，其關鍵作用涉及能量代謝和第二信使信號傳導所導致的程序性細胞死亡。線粒體病是遺傳缺損引起線粒體代謝酶缺陷、ATP合成障礙、能量來源不足的一組異質性病變[3]。這些疾病可能是遺傳性的(線粒體DNA或核DNA編碼的線粒體蛋白)或獲得性的(毒素或其他繼發(fā)性損傷)。對各種線粒體病的鑒定表明骨骼肌和腦是其主要的靶器官。由于神經元高度依賴于氧化磷酸化，線粒體損傷在成年人神經退行性疾病中得到了越來越多的認可，其在阿爾茲海默病患者中主要表現(xiàn)為活性氧簇ROS的過量產生、線粒體呼吸功能障礙及ATP含量的下降[4]。

1 阿爾茲海默病中的線粒體障礙

1.1 阿爾茲海默病中發(fā)生線粒體功能障礙的證據(jù) 最初提示AD中發(fā)生線粒體功能障礙的線索是通過對AD受試者大腦成像中區(qū)域性低代謝的觀察得出的[5]。使用氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射斷層掃描(FDG-PET)可以檢測到AD受試者腦中葡萄糖代謝的改變。葡萄糖消耗低是糖酵解減少、突觸功能障礙和神經元丟失所致。AD大腦似乎以氨基酸和脂肪酸作為替代能源來補償葡萄糖代謝不足。這些觀察結果暗示了AD中能量代謝途徑的改變。而AD 患者腦組織神經元中線粒體嵴斷裂、嗜鋨物質堆積、線粒體腫脹及其數(shù)目減少，為 AD 患者線粒體功能障礙提供了結構依據(jù)[6]。

AD大腦中的氧化應激和活性氧(ROS)損傷是與線粒體有關的另一條線索，因為線粒體是活性氧(ROS)的主要來源和氧化損傷的主要靶點，ROS可能導致DNA，脂質和蛋白質的損壞[7]。解剖學上大腦對氧化損傷的敏感區(qū)域與阿爾茲海默病最受影響的大腦區(qū)域重合，即額葉、頂葉和顳葉。有研究表明，來自AD受試者含有線粒體DNA(mtDNA)的細胞系顯示出比同年齡正常對照組產生更多ROS和自由基[8]。

AD腦中區(qū)域血流量和氧氣利用的減少可能更直接地表明疾病中線粒體呼吸功能受損。AD大腦的完整線粒體數(shù)量減少，原因是特定線粒體呼吸鏈酶(ETC酶)的喪失或功能障礙。線粒體呼吸鏈酶位于線粒體內膜上，由NADH(復合物Ⅰ)、琥珀酸氧化還原酶(復合物Ⅱ)、細胞色素C還原酶(復合物Ⅲ)、細胞色素C氧化酶(復合物Ⅳ)和ATP合成酶(復合物Ⅴ)組成。它們通過對底物一系列的氧化還原最終產生ATP，為機體組織提供能量，而線粒體ETC復合體Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ的功能隨年齡下降，且編碼ETC酶的mtDNA的病變在AD患者中多于對照組[9]。研究發(fā)現(xiàn)，mtDNA 水平的下降出現(xiàn)在神經纖維纏結形成之前， 這表明線粒體損傷是 AD 早期的突出特點[10]。

線粒體功能障礙為 AD常見的病理學標志，包括線粒體呼吸和活動的減少及線粒體形態(tài)的改變，如 AD 患者中細胞色素氧化酶活性降低，線粒體呼吸減弱。研究發(fā)現(xiàn)，3xTg三重轉基因 AD 模型小鼠在老年斑形成之前已經發(fā)生線粒體能量代謝障礙，且線粒體分裂基因Drp1、Fis1的表達増多，融合基因Mfn、Opa1表達減少，表明AD 早期線粒體動力學異常[11]。在3xTg三重轉基因小鼠模型中線粒體缺陷明顯，線粒體酶活性降低和線粒體呼吸減少，并且也在3xTg雌性小鼠中證明線粒體功能障礙在鼠齡低且未檢測到Aβ斑塊或纏結病理證據(jù)時已經發(fā)生[12]。此外，源自3xTg小鼠海馬的胚胎神經元表現(xiàn)出明顯的線粒體呼吸減少和糖酵解增加[13]。這些證據(jù)均表明線粒體功能障礙是AD病理生理學的一個非常早期的步驟。

1.2 阿爾茲海默病促進線粒體障礙的機制 APP、Aβ影響線粒體功能的機制中研究最多的是直接相互作用和抑制氧化磷酸化。在AD患者的大腦中，APP(全長或C端片段)和Aβ分布與受疾病影響的大腦區(qū)域的線粒體膜相關，在APP轉基因小鼠模型中觀察到APP似乎被困在線粒體膜中[14]。研究者認為APP/Aβ通過在線粒體導入通道中的積累，阻止ETC酶的進入，并刺激有毒的過氧化氫物質的異常積累，進而影響線粒體功能[15]。人源性皮質細胞系或轉基因小鼠腦中APP的過表達會導致ATP水平降低，COX活性受損和線粒體跨膜電位破壞，并發(fā)現(xiàn)了Aβ的特定線粒體結合伴侶[16]。線粒體中Aβ與線粒體酶Aβ結合醇脫氫酶(ABAD)之間的相互作用增強，加劇Aβ毒性，自由基生成增加，促進線粒體功能障礙。

AD患者腦中線粒體運輸?shù)母淖兣ctau蛋白異常聚集有關。纖維纏結陽性的神經元顯示出比無纏結的神經元更嚴重的線粒體分布缺陷，表明纏結的形成加劇了線粒體功能障礙；表達人tau的MAPTP301L突變的轉基因小鼠表現(xiàn)出線粒體ETC酶的缺陷(復合體I和V)[17]。各種不同形式的tau蛋白已被證明會刺激線粒體。例如，磷酸化的tau蛋白或截短形式的tau蛋白會破壞線粒體膜電位，引起氧化應激并減弱細胞的鈣緩沖能力，在體外實驗中，截短的tau蛋白會引起線粒體功能障礙[18]。內源性tau(MAPT-/-)敲除小鼠最新研究表明，tau蛋白的完全敲除顯示出神經保護并改善線粒體功能的作用，表現(xiàn)為氧化損傷減少，線粒體通透性過渡孔(mPTP)形成減少，線粒體生成增多，ATP產生增加以及認知能力改善[19]。

線粒體水平受載脂蛋白E(APOE)狀態(tài)的影響。較嚴重認知障礙的APOE ε4攜帶者與具有較不嚴重認知障礙的APOE ε4攜帶者或非攜帶者相比，前者腦線粒體APP積聚更多并表現(xiàn)出更普遍的線粒體APP負擔[20]。此外，年輕無癡呆的APOE ε4個體的大腦顯示出比對照組更低的腦線粒體COX活性和線粒體ETC酶活性，且對參與酮和葡萄糖代謝的蛋白質的表達也產生了影響。在體外實驗中，APOEε4神經毒性蛋白片段與線粒體相互作用，導致線粒體功能障礙，阻礙細胞存活[21]。

2 線粒體功能障礙促進阿爾茲海默病

有人認為線粒體功能障礙是導致更普遍發(fā)生的偶發(fā)性晚發(fā)性AD(LOAD)病理生理的主要損傷因素，并將其稱為“線粒體級聯(lián)假說”。

2.1 能量代謝障礙 線粒體是真核生物進行氧化代謝釋放能量的場所。在成年人中，大腦只占2%體重，卻消耗將近 20%的氧氣，超過一半的能量被 Na+/K+ATPase 用來恢復興奮細胞的靜息電位，為了滿足如此巨大的能量需求，大腦配置了巨大的線粒體容量。正因為大腦如此的依賴于線粒體的能量供應，大腦正常功能極易受到線粒體功能障礙的影響，線粒體功能紊亂在AD等神經退行性疾病發(fā)病過程中起到了關鍵作用。腦的高能量代謝需求和相對低活性抗氧化機制，導致其對蛋白質、脂類、核酸的氧化損傷的累積十分敏感。有研究指出AD腦中的基礎切除修復能力受損和氧化應激的發(fā)生與mtDNA拷貝數(shù)較低有關[22]。隨著年齡的增長而加速積累的mtDNA突變，會導致與線粒體有關的過早衰老和生物能缺乏，促進AD病理進程。

2.2 神經細胞凋亡 線粒體參與調控的神經細胞的凋亡是 AD 發(fā)病的重要環(huán)節(jié)[23]。線粒體參與很多細胞凋亡通路，在大多數(shù)凋亡途徑中，線粒體起著起始、放大的作用。線粒體功能障礙時，線粒體外膜的通透性增加，存在于線粒體內外膜之間的凋亡相關蛋白擴散到細胞質中并引起細胞凋亡，例如在內源性凋亡途徑中發(fā)揮主要作用的細胞色素C[24]。線粒體功能障礙所致神經細胞凋亡促進AD的神經元丟失和認知功能障礙。

2.3 線粒體功能障礙促進Aβ的產生 線粒體中Aβ與線粒體酶Aβ結合醇脫氫酶之間相互作用的增強，加劇了Aβ毒性，自由基生成。線粒體功能障礙本身可能會促進Aβ異常產生，線粒體ETC功能的化學抑制作用增加了蛋白水解APP的加工。AD來源的雜交體(包含人類AD受試者的mtDNA)顯示出Aβ生成和分泌增多，以及增加的氧化應激和凋亡標記[25-26]。有研究采用遺傳學方法在小鼠的壽命期內增加mtDNA損傷，去了解與年齡相關的mtDNA突變如何在體內引起AD病理，結果表明線粒體有助于Aβ加工及其異常聚集，揭示了Aβ加工與mtDNA缺陷之間的關系，并提出必須產生Aβ才能產生有毒的ROS的假設[27]。mtDNA編碼的蛋白質在APP加工中起著重要作用，線粒體功能障礙隨著年齡的增加而增加，誘導Aβ的生成，而Aβ進一步誘導線粒體功能障礙、氧化應激，最終形成一個惡性循環(huán)[28]。

2.4 線粒體功能障礙促進tau蛋白過度磷酸化 線粒體損傷是低負荷運動大鼠(low capacity running rat,LCR rat)的早期病理特征，LCR大鼠的總線粒體活性比正常組降低約50%。LCR大鼠經人工選育具有與衰老相關代謝障礙的遺傳元件，表現(xiàn)出細胞和全身代謝功能障礙。由于生物能受損，年老的LCR大鼠海馬在線粒體中表現(xiàn)出更大的天然磷酸化tau積累，其可能成為線粒體功能障礙導致異常磷酸化tau積累途徑的模型[29]。此外，研究者發(fā)現(xiàn)，LCR大鼠海馬表現(xiàn)出與年齡有關的萎縮和神經退行性病變，這與線粒體功能異常和磷酸化tau蛋白有關。

3 靶向線粒體功能障礙治療AD

迄今為止，針對線粒體功能障礙方面的阿爾茨海默病治療策略集中在阻止氧化應激和細胞凋亡相關的線粒體過程[30]。促進線粒體功能、增強氧化呼吸能力可以促進 AD 模型小鼠神經元軸突生長和樹突棘的形成， 抑制空間學習記憶能力的降低。例如來自APP轉基因小鼠(Tg2576)與線粒體中過表達過氧化氫酶的小鼠(MCAT)雜交所得的AD-MCAT小鼠與對照組相比，表現(xiàn)出壽命延長和Aβ沉積減少[31]。但是，相關機制的抗氧化劑在AD患者的臨床試驗中并未產生明顯的益處，例如維生素E盡管在臨床試驗最初顯示出與安慰劑組相比認知能力下降的減弱，但后續(xù)其他研究認為，這可能無法推廣到更大的組[32]。但臨床前研究顯示出了治療潛力，尤其是當直接針對線粒體時以及AD患者早期治療開始時，這表明，專門針對線粒體的抗氧化劑可能是治療阿爾茲海默病的方法。線粒體在程序性細胞死亡中起著關鍵作用，特別是線粒體通透性過渡孔(mPTP)的作用，有研究表明小分子mPTP抑制劑減弱了Aβ誘導的細胞毒性和線粒體功能障礙[33]，但靶向線粒體功能障礙治療阿爾茲海默病還有很長的路要走。

4 總結與展望

在研發(fā)有效的藥物治療阿爾茨海默病的過程中，失敗的概率很高，原因眾多。例如，大多數(shù)臨床試驗都招募病程較深的患者，但這可能已經無法實現(xiàn)有效的治療干預：β淀粉樣蛋白在衰老過程中一直存在且不斷積累沉積并導致神經元死亡，直到患者的疾病早期癥狀變得明顯。此外，阿爾茨海默病的生物學特性仍不充分，發(fā)生機制仍然沒有十分明確。線粒體功能紊亂發(fā)生于阿爾茨海默病的早期，以線粒體為靶點的臨床研究結果令人失望，部分是因為它的藥物干預治療太慢[34]。研究阿爾茨海默病中線粒體變化的機制及其相關性，并最終以線粒體為靶點治療阿爾茨海默病還任重而道遠。