鐵元素與帕金森病研究進(jìn)展

王雨朔 孟凡超

1）新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院2017級臨床醫(yī)學(xué)系，河南 新鄉(xiāng) 453003 2）鄭州市第二人民醫(yī)院，河南 鄭州 450006

鐵是人體必需的微量元素，但由于其具有氧化還原活性，并在2+鐵和3+鐵之間相互轉(zhuǎn)化的過程中產(chǎn)生自由基，因此也具有毒性作用［1］。已有研究報道帕金森?。≒D）患者大腦黑質(zhì)（SN）鐵蓄積與多巴胺能細(xì)胞死亡有關(guān)，然而高鐵含量是否代表黑質(zhì)變性的起始過程或僅僅是黑質(zhì)變性的結(jié)果仍有待闡明。由于鐵是一種氧化還原活性金屬，可促進(jìn)細(xì)胞毒性羥基自由基、超氧陰離子和過氧化氫的形成，因此PD患者SN中鐵的累積可能參與神經(jīng)元的變性［2］。體外研究表明，鐵毒性并不僅限于多巴胺能神經(jīng)元，高濃度游離鐵對所有類型的神經(jīng)元都具有毒性作用。鐵通過與細(xì)胞內(nèi)多巴胺的相互作用，誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元優(yōu)先受損。多巴胺是黑質(zhì)細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）的主要來源，多巴胺被單胺氧化酶氧化后會釋放過氧化氫，而過氧化氫又會通過鐵的作用介導(dǎo)的Fenton 反應(yīng)產(chǎn)生更多有毒的羥基自由基［3］。神經(jīng)黑色素是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的主要鐵儲備，由于黑色素螯合了大量的鐵，阻止了Fenton 反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基，因此對神經(jīng)元具有保護(hù)作用。相反，研究發(fā)現(xiàn)PD 時SN 中鐵增加可使神經(jīng)黑色素的鐵螯合位點飽和，鐵和神經(jīng)黑色素之間的松散結(jié)合可能導(dǎo)致自由基生成增加。一旦神經(jīng)黑色素從死亡的神經(jīng)元中釋放出來，能夠激活小膠質(zhì)細(xì)胞，增加神經(jīng)炎癥，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡［4］。α-突觸核蛋白（α-Synuclein，α Syn）在遺傳性和散發(fā)性PD的致病性級聯(lián)反應(yīng)中起重要作用，也是Lewy體的主要成分和PD 的病理學(xué)標(biāo)志。低濃度的鐵可以直接誘導(dǎo)α Syn 原纖維的形成，導(dǎo)致多巴胺和過氧化氫生成增加，刺激產(chǎn)生含有α Syn 和泛素的細(xì)胞內(nèi)聚集物。鐵與α Syn 和多巴胺協(xié)同作用，誘導(dǎo)PD Lewy 體病理形成和細(xì)胞死亡。研究證實PD患者存在腦部炎癥，反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞明顯增生，多巴胺能神經(jīng)元的丟失與細(xì)胞因子、ROS和一氧化氮（NO）有關(guān)水平增加有關(guān)，提示炎癥反應(yīng)和感染可能參與PD 的發(fā)病機制，炎癥反應(yīng)也可導(dǎo)致PD 多巴胺能神經(jīng)元鐵含量增加［5］。此外，PD腦表達(dá)的促炎細(xì)胞因子對星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的鐵穩(wěn)態(tài)有重要影響，尤其是促炎TNF-α引起星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞對鐵的攝取和滯留增加，而抗炎細(xì)胞因子TGF-b1 促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的鐵外流，但引起小膠質(zhì)細(xì)胞的鐵滯留［6］。然而，對于鐵沉積是否為PD的主要事件或始動因素仍然存在爭議。本文就PD動物模型及散發(fā)性和家族性PD患者的鐵沉積、鐵與神經(jīng)黑色素和α Syn的相互作用以及應(yīng)用鐵螯合劑靶向治療腦內(nèi)鐵水平異常的最新研究進(jìn)展做一綜述。

1 鐵和神經(jīng)黑色素

鐵在大腦中分布不均，已證實鐵水平與年齡有關(guān)。組織和生化研究表明，正常人腦以及大鼠和猴腦SN和蒼白球鐵濃度較高。最近一項對正常人腦組織鐵含量直接定量研究發(fā)現(xiàn)，殼核和蒼白球鐵含量最高，基底節(jié)的鐵含量與年齡呈顯著正相關(guān)［7］。

神經(jīng)黑色素（neuromelanin，NM）是一種深色顆粒狀色素，存在于SN多巴胺能神經(jīng)元，其色素沉著從兒童期到成年早期增加，中年期趨于穩(wěn)定，60歲開始下降。NM能強烈螯合金屬，尤其是鐵，但屬于不完全螯合，鐵以Fe3+的形式與NM 結(jié)合。由于NM 捕捉大量的鐵，能夠阻止Fenton（芬頓反應(yīng)，H2O2在Fe2+存在下生成強氧化能力的羥基自由基）反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基以及鐵介導(dǎo)的多巴胺氧化［8］。研究發(fā)現(xiàn)PD患者SN 鐵濃度增加可能會使NM鐵螯合位點飽和，而鐵與NM之間的松散結(jié)合引起毒性游離鐵濃度升高可導(dǎo)致自由基生成增加，從而導(dǎo)致PD神經(jīng)元損傷［9］。黑質(zhì)紋狀體共培養(yǎng)的體外研究表明，鐵-黑色素復(fù)合物對多巴胺能神經(jīng)元具有神經(jīng)毒性作用和脂質(zhì)過氧化作用，基于這些發(fā)現(xiàn)可以假設(shè)NM的保護(hù)作用，直到對鐵的緩沖能力耗盡。在PD患者SN中，鐵超載的神經(jīng)黑色素顆粒不僅存在于神經(jīng)元內(nèi)部，也存在于神經(jīng)元外部。此外，在神經(jīng)黑色素聚集物中檢測到氧化還原活性水平（有助于氧化應(yīng)激）顯著增加，并與神經(jīng)元損失的嚴(yán)重程度相關(guān)［10］。變性神經(jīng)元釋放的NM可被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬和降解，但也不利于小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，引起神經(jīng)炎癥和隨后的變性過程，加重明顯的病理條件。

2 鐵和α Syn

α Syn是Lewy小體的主要成分，是散發(fā)性和家族性PD 的病理標(biāo)志。α Syn 基因的致病性錯義突變（PARK1）和α Syn 基因增殖（重復(fù)和三倍性PARK4）都可導(dǎo)致家族性PD［11］。已證明α Syn 含有鐵等二價金屬的結(jié)合位點，在暴露于鐵過量的神經(jīng)元，α Syn 過度表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵水平增加，鐵在富含α-突觸核蛋白的內(nèi)含物中從細(xì)胞質(zhì)重新分布到核周圍區(qū)域。鐵在Fe2+和Fe3+兩種狀態(tài)下都能直接與α Syn結(jié)合，但鐵的Fe3+更能加速α Syn聚集和纖維形成，多巴胺和過氧化氫的存在可以增強鐵對α Syn 的聚集作用，α Syn 磷酸化也增加亞鐵Fe2+對蛋白質(zhì)C 端的親和力［12］。有趣的是，α Syn 信使RNA 的5′-非翻譯區(qū)含有一個預(yù)測的鐵反應(yīng)元件（IRE），鐵反應(yīng)粒子（IRP）通過與位于mRNAs 中的IREs 結(jié)合來調(diào)節(jié)含IRE mRNAs 的翻移和穩(wěn)定性。當(dāng)鐵受到限制時，IRP與IRE-mRNAs具有很高的親和力，抑制翻譯。當(dāng)鐵含量豐富時，IRP與鐵結(jié)合而不與IREs 結(jié)合，導(dǎo)致含有5′IRE 的mRNAs 發(fā)生翻譯［13］。因此，鐵水平升高可以促進(jìn)α Syn 蛋白的翻譯。這些發(fā)現(xiàn)指出α Syn 與鐵在PD 發(fā)病機制中的重要聯(lián)系，二者的相互作用可能導(dǎo)致惡性循環(huán)，即α Syn 水平的增加導(dǎo)致鐵的積累，加速α Syn的聚集［14］。

3 鐵沉積的細(xì)胞機制

研究發(fā)現(xiàn)，PD 患者細(xì)胞內(nèi)鐵沉積可能受以下因素的影響：（1）鐵釋放受損：在PD 模型中，包括1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）和6-羥基多巴胺（6-OHDA）中毒，鐵轉(zhuǎn)運蛋白被耗盡。淀粉樣前體蛋白（APP）或tau功能的缺失導(dǎo)致神經(jīng)元鐵潴留和鐵依賴性黑質(zhì)細(xì)胞丟失，且這兩種蛋白在PD 的SNc 中都減少［15］。銅藍(lán)蛋白也可有助于鐵轉(zhuǎn)運蛋白排出細(xì)胞內(nèi)的鐵，對銅藍(lán)蛋白缺乏的小鼠應(yīng)用去鐵酮（DFP）可治療年齡依賴性鐵升高和PD。研究發(fā)現(xiàn)PD 患者SN、腦脊液和血清中發(fā)現(xiàn)銅藍(lán)蛋白活性降低，銅藍(lán)蛋白基因的點突變也與帕金森綜合征與PD 和SN 高回聲有關(guān)［16］。（2）鐵儲存改變：神經(jīng)元將多余的鐵隔離成鐵蛋白分子的能力有限，而表達(dá)黑色素作為“鐵庫”的補充。然而，這種能力在PD 中遭到破壞，導(dǎo)致SN 中小膠質(zhì)細(xì)胞的鐵蛋白免疫反應(yīng)性增強［17］。隨著時間推移，鐵負(fù)載過大引起鐵蛋白水平升高可作為鐵的亞穩(wěn)態(tài)蓄積，導(dǎo)致與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性變。（3）鐵吸收增加：研究發(fā)現(xiàn)，PD患者轉(zhuǎn)鐵蛋白（Tf）及其受體（TfR）的單核苷酸多態(tài)性可能通過改變Tf 與鐵的結(jié)合，轉(zhuǎn)運至細(xì)胞中起保護(hù)作用。此外，PD 患者和MPTP 小鼠SNc 中的鐵累積與鐵二價金屬轉(zhuǎn)運體的升高相關(guān)［18］。

4 鐵沉積與非人類靈長類PD模型

某些研究探討多種PD 動物模型鐵含量的變化，以確定SN 中的鐵沉積是主要還是次要事件。研究發(fā)現(xiàn)，將MPTP單側(cè)注入獼猴的尾狀核或殼核，構(gòu)建偏癱帕金森病模型，注射后1 周出現(xiàn)對側(cè)肢體屈膝姿勢和運動減退。應(yīng)用免疫組化方法比較SN 和其他基底節(jié)結(jié)構(gòu)的鐵含量發(fā)現(xiàn)，MPTP 損傷側(cè)的鐵染色明顯增加，尤其是SN，而其他基底節(jié)結(jié)構(gòu)，如蒼白球、尾狀核和殼核則沒有增加，同時發(fā)現(xiàn)注射側(cè)鐵蛋白免疫染色正常，表明鐵的積累與鐵蛋白代謝改變無關(guān)［19］。TEMLETT等［20］檢測單側(cè)MPTP處理的非洲綠猴總游離鐵濃度發(fā)現(xiàn)，MPTP 損傷側(cè)SN 鐵含量明顯高于未損傷側(cè)，而其他微量元素?zé)o明顯變化。重要的是，鐵不僅存在于變性的多巴胺細(xì)胞，也存在于周圍基質(zhì)和膠質(zhì)細(xì)胞。最近一項研究利用高分辨率MRI 證明食蟹猴半側(cè)帕金森模型MPTP損傷側(cè)SN 鐵沉積增加，證實了以前的發(fā)現(xiàn)。SHI 等［21］發(fā)現(xiàn)SN 鐵水平與MPTP 注射猴的病理嚴(yán)重程度和運動障礙呈正相關(guān)。高鐵有助于MPTP 誘導(dǎo)PD 病理學(xué)在PD 的晚期或嚴(yán)重階段升高，而鐵水平降低可能預(yù)示疾病的早期階段。HE 等［22］研究發(fā)現(xiàn)，MPTP 誘導(dǎo)的帕金森病猴給藥后1～18個月SN鐵含量的變化及多巴胺能細(xì)胞死亡與鐵積累過程的關(guān)系，結(jié)果表明MPTP注射第1天同側(cè)SN發(fā)生凋亡，TH 陽性細(xì)胞數(shù)從第1 周開始明顯減少；MPTP注射后4.5～18 個月同側(cè)SN 鐵含量顯著增加，且鐵含量增加與多巴胺能細(xì)胞的死亡程度顯著相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，僅黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)的損傷可誘導(dǎo)黑質(zhì)內(nèi)的鐵蓄積，而多巴胺能細(xì)胞的死亡先于鐵的積累，這意味著鐵的積累可能不是主要事件，但鐵含量增加可能有助于黑質(zhì)變性的進(jìn)程。

5 PD與鐵沉積

隨著磁共振成像（MRI）技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的證據(jù)表明PD患者SN內(nèi)鐵沉積增加，也發(fā)現(xiàn)其他腦區(qū)，包括殼核、紅核和蒼白球鐵沉積增加。一項縱向研究發(fā)現(xiàn)PD 患者SN 鐵改變局限于腹側(cè)位置。病理研究表明，在PD 的腹側(cè)SN 變性早且程度最大，通過定量易感性圖譜評估該局部鐵水平可作為PD疾病進(jìn)展的生物標(biāo)志物［23］。有證據(jù)表明PD 患者SN 鐵負(fù)荷與運動障礙相關(guān)，也有研究報道帕金森統(tǒng)一評分量表（UPDRS）增高、肌強直和步態(tài)凍結(jié)評分與PD患者SN鐵積聚呈正相關(guān)。由于PD患者黑質(zhì)鐵蓄積的增加似乎是根據(jù)疾病運動的嚴(yán)重程度分層，因此鐵評估可能有助于監(jiān)測PD 進(jìn)展［24］。路易體病患者SN 也顯示鐵負(fù)荷增加；輕度PD患者以及對照組和PD組之間黑質(zhì)鐵含量在調(diào)整后年齡缺乏這種變化，早期PD 患者缺乏鐵濃度增加，進(jìn)一步支持鐵積聚可能不是初始事件，而是隨著疾病的發(fā)展而發(fā)生［25］。

研究發(fā)現(xiàn)多種基因與家族性PD 有關(guān)，在某些情況下SN 鐵積聚。與對照組和散發(fā)性PD 患者相比，攜帶Parkin 突變功能缺失的PARK2 患者SN 鐵染色更強烈。此外，PARK2和散發(fā)性PD 鐵染色分布模式也存在差異［26］。雖然對Parkin缺乏如何導(dǎo)致鐵積累尚不清楚，但Parkin 在調(diào)控二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1（DMT1）中的作用已被證實。DMT1 是負(fù)責(zé)鐵吸收的主要轉(zhuǎn)運蛋白，Parkin 是E3 連接酶，負(fù)責(zé)1B-DMT1 亞型的泛素化。過表達(dá)Parkin 導(dǎo)致1B-DMT1 亞型減少，金屬轉(zhuǎn)運和毒性顯著降低。此外，在含有Parkin外顯子4純合子缺失的淋巴細(xì)胞和Parkin 基因敲除動物腦中1B-DMT1 表達(dá)升高，因此，Parkin 缺乏可能通過增加1B-DMT1水平加速鐵進(jìn)入細(xì)胞［27］。

PLA2G6 編碼Ca2+非依賴性磷脂酶a2β（iPLA2β），選擇性水解甘油磷脂釋放游離脂肪酸，作為PARK14 連鎖常染色體隱性遺傳早發(fā)性肌張力障礙帕金森綜合征的致病基因，也是嬰兒神經(jīng)軸索營養(yǎng)不良、與腦鐵積聚相關(guān)的神經(jīng)變性和Karak 綜合征的致病基因［28］。PLA2G6 突變患者常表現(xiàn)腦內(nèi)鐵蓄積，但有些患者卻沒有蓄積。在iPLA2 敲除小鼠模型，從臨床早期即在腦中存在年齡依賴性鐵沉積。與對照組相比，老年iPLA2β基因敲除小鼠腦區(qū)DMT1 和鐵調(diào)節(jié)蛋白2（IRP2）上調(diào)，表明通過激活I(lǐng)RP2 和上調(diào)DMT1，iPLA2 基因消融增加腦內(nèi)鐵攝取，與Parkin 缺乏途徑類似［29］。GUO 等［30］為研究iPLA2 活性降低是否為鐵沉積的真正原因，應(yīng)用iPLA2拮抗劑處理細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，盡管iPLA2乙酰膽堿活性降低減少鐵吸收活性和增加鐵儲存活性，但未導(dǎo)致明顯的鐵蓄積，提示iPLA2活性降低可能不是鐵沉積的主要原因，需要進(jìn)一步研究理清這些研究間的差異。

ATP13A2（PARK9）編碼溶酶體p5 型ATP酶，在調(diào)節(jié)正離子穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，其突變導(dǎo)致Kufor Rakeb 病，是一種常染色體隱性青少年帕金森病，以錐體束征、癡呆和核上性凝視麻痹為特征。腦部磁共振顯示，某些受影響個體出現(xiàn)普遍的腦萎縮、雙側(cè)殼核和尾狀核鐵積累［31］。研究ATP13A2 與鐵的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，通過脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域（PHD2）-缺氧誘導(dǎo)因子1α（HIF1α）信號調(diào)節(jié)ATP13A2對細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。HIF1α協(xié)調(diào)參與鐵代謝的各種細(xì)胞應(yīng)激基因轉(zhuǎn)錄，抑制PHD2亞型阻止其羥基化HIF1α進(jìn)行蛋白酶體降解，結(jié)果表明對離體和在體PD 模型都具有神經(jīng)保護(hù)作用。ATP13A2 是已知的HIF1α靶點，PHD2 抑制可導(dǎo)致ATP13A2 表達(dá)增加，而ATP13A2 表達(dá)下調(diào)則導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)亞鐵水平升高，可能是由于維持溶酶體鐵儲存能力降低所致［32］。ATP13A2過度表達(dá)使細(xì)胞對鐵誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性更具抵抗力。此外，ATP13A2 表達(dá)導(dǎo)致溶酶體和晚期核內(nèi)體增大，鐵誘導(dǎo)溶酶體膜通透性降低，提示過表達(dá)ATP13A2 提高溶酶體膜完整性，保護(hù)鐵誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷，結(jié)果表明ATP13A2功能缺失突變可能是PD相關(guān)神經(jīng)病理學(xué)的基礎(chǔ)，但在現(xiàn)階段，由于臨床異質(zhì)性的原因，很難得出家族性PD患者基因突變與腦鐵積累之間存在明確的聯(lián)系［33］。研究基因模型鐵含量變化，可以增強對PD 鐵積累與神經(jīng)變性關(guān)系的認(rèn)識。

6 鐵螯合劑治療PD

鐵螯合物作為一種有前途的治療概念引入神經(jīng)變性疾病，其特點是包括PD 的鐵超載。以前報道去鐵胺（DFO）是一種有效的Fe3+螯合劑，能阻止鐵-黑色素復(fù)合物對黑質(zhì)紋狀體共培養(yǎng)的毒性作用［34］。在MPTP 誘導(dǎo)的PD 小鼠模型，DFO 還通過上調(diào)HIF1α、TH、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和生長相關(guān)蛋白43（GAP43）表達(dá)，并下調(diào)α-突觸核蛋白，二價金屬具有鐵反應(yīng)元件的轉(zhuǎn)運蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，從而有效地減輕行為缺陷，提高SN和紋狀體多巴胺能神經(jīng)元的存活率。但由于其口服生物利用度低、半衰期短、難以進(jìn)入腦組織等，又發(fā)現(xiàn)另一種人工合成金屬螯合劑去鐵酮（DFP）對MPTP 誘導(dǎo)PD 動物模型有效。在一項雙盲、安慰劑對照隨機試驗中，納入一項為期12 個月接受多巴胺穩(wěn)定治療的早期PD 患者，在黑質(zhì)鐵沉積和UPDRS評估方面，早期開始治療患者與晚期開始患者相比，對治療的反應(yīng)更早、更持久［35］。

某些8-羥基喹啉類似物也顯示治療PD神經(jīng)變性變的巨大潛力，氯碘喹啉是一種親脂性鐵螯合劑，能逆轉(zhuǎn)MPTP 誘導(dǎo)PD 動物SN 鐵積累。此外，氯碘喹啉治療過度表達(dá)A53T α Syn轉(zhuǎn)基因小鼠可防止鐵與α Syn相互作用、α Syn聚集體形成、SN α Syn相關(guān)細(xì)胞的丟失、海馬和尾殼核棘神經(jīng)元樹突棘密度的降低以及運動和認(rèn)知功能的下降［36］。VK-28 是另一種有效的腦滲透性鐵螯合劑，能保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受6-OHDA 誘導(dǎo)的毒性。黑質(zhì)鐵和單胺氧化酶B（MAO-B）活性增加是PD 的特征，因此也是治療的靶點，雷沙吉蘭具有很強的MAO-B抑制和神經(jīng)保護(hù)活性，這種神經(jīng)保護(hù)活性導(dǎo)致從原型鐵螯合劑VK-28 中開發(fā)出如HLA-20和M30 的雙功能鐵螯合劑［37］。這些化合物具有與DFO相當(dāng)?shù)蔫F螯合能力以及MAO-A和B選擇性抑制和神經(jīng)保護(hù)作用，這些具有雙重鐵螯合和MAO-B抑制活性的神經(jīng)保護(hù)化合物可能是未來治療PD的潛在候選藥物［38］。

對PD 動物模型和患者的臨床研究表明，鐵沉積不是初始過程，然而鐵的增加是導(dǎo)致黑質(zhì)變性進(jìn)展的一個主要事件。盡管目前不能確切證明PD 致病級聯(lián)的最先表現(xiàn)，但不同的動物模型已證明鐵螯合劑挽救神經(jīng)變性變的有效性，突出了鐵作為PD 神經(jīng)元死亡介導(dǎo)的關(guān)鍵作用。磁共振成像技術(shù)的最新進(jìn)展有望使鐵水平評估作為監(jiān)測PD病情進(jìn)展的生物標(biāo)志物。