肥胖誘導(dǎo)阿爾茨海默病相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制的研究進(jìn)展

潘智博，于文磊，陸林杰，錢祁瑋，王歡歡

(杭州師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)部，浙江 杭州 311121)

隨著生活水平的提高、生活方式和營養(yǎng)攝入模式的改變，肥胖已成為當(dāng)代社會(huì)的普遍問題。肥胖是指一定程度的明顯超重與脂肪層過厚，是體內(nèi)脂肪積聚過多而導(dǎo)致的一種狀態(tài)。肥胖所帶來的健康問題不容小覷，研究[1-2]表明，肥胖會(huì)增加心血管疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)，影響消化系統(tǒng)功能，甚至增加癌癥發(fā)生的概率，是許多疾病的隱性危險(xiǎn)因素。流行病學(xué)研究[3-4]表明，肥胖不僅可引起傳統(tǒng)代謝性疾病，還與神經(jīng)系統(tǒng)的損傷有著密切聯(lián)系，如肥胖造成的脂質(zhì)代謝異?？蓪?dǎo)致海馬結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而產(chǎn)生輕度認(rèn)知障礙，具體表現(xiàn)為阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)患病風(fēng)險(xiǎn)上升。本文總結(jié)肥胖對(duì)AD相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)損傷的分子機(jī)制，歸納炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、免疫失衡、細(xì)胞DNA損傷與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)損傷的聯(lián)系[5-8]，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療與預(yù)防提供一定的參考。

1 肥胖與AD相關(guān)流行病學(xué)研究

AD是常見的神經(jīng)退行性疾病[9]。據(jù)國際AD協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)，2001年全球約有2 340萬例AD患者。根據(jù)疾病測算負(fù)擔(dān)軟件DISMOD所估計(jì)的發(fā)病率，全球每年約新增460萬例AD患者，至2040年AD患者人數(shù)將達(dá)到8 100萬。目前普遍接受的AD發(fā)病機(jī)制為淀粉樣蛋白級(jí)聯(lián)假說，該假說的核心為AD的病理標(biāo)志是淀粉樣蛋白β(amyloid β protein，Aβ)肽。Aβ肽是淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的水解產(chǎn)物。APP有兩種裂解代謝途徑：淀粉樣和非淀粉樣蛋白途徑，其中非淀粉樣蛋白途徑可以減少Aβ肽對(duì)神經(jīng)元的損傷。

流行病學(xué)研究顯示，AD的發(fā)生與機(jī)體能量代謝有著密切聯(lián)系，肥胖是AD發(fā)病的高危因素之一。Whitmer等[10]對(duì)加利福尼亞州北部的Kaiser Permanente醫(yī)療護(hù)理項(xiàng)目的10 276名成員進(jìn)行了長期性觀察，結(jié)果顯示，在713名被診斷為AD的患者中，肥胖比例為12.2%(正常人群為9.9%)。而另一項(xiàng)對(duì)1 449例老年人長期的隨訪研究[11]表明，中年肥胖與AD患病率呈正相關(guān)[12]，中年肥胖患者(BMI≥30 kg/m2)患AD的概率是正常人群的1.39倍。

2 肥胖誘導(dǎo)AD相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)損傷的分子機(jī)制

2.1 肥胖與中樞炎癥反應(yīng) 肥胖及包括糖尿病在內(nèi)的代謝綜合征可誘發(fā)全身性炎癥反應(yīng)[13]，其中慢性炎癥以及下丘腦炎癥均可通過不同途徑造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷。

由代謝綜合征引發(fā)的神經(jīng)病理學(xué)損傷通常是由血腦屏障(blood brain barrier，BBB)通透性增加引起的。BBB是一種保守結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)是由緊密連接蛋白連接在一起的內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成，可阻擋血液中有害成分進(jìn)入CNS，BBB的完整性是保證神經(jīng)系統(tǒng)正常運(yùn)作的核心。許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與BBB完整性的破壞有密切聯(lián)系[14-15]。研究表明，BBB通透性的增加與炎癥反應(yīng)有關(guān)[5]，而慢性炎癥則是肥胖患者體內(nèi)的典型病理改變[16]。

核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是細(xì)胞內(nèi)重要的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子之一，NF-κB的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致多種慢性炎癥反應(yīng)、自身免疫性疾病甚至癌癥[17]。目前肥胖研究的造模通常采用小鼠高脂肪飲食(high fat diet，HFD)方法，特別是喂養(yǎng)富含飽和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)(如棕櫚酸)的飼料。在飼養(yǎng)過程中，與中樞炎癥有關(guān)的癥狀甚至在小鼠體重增加之前就可觀察到，這表明SFA在早期炎癥通路激活中起著重要作用，其機(jī)制可能是SFA與TLR4相互作用并激活髓樣分化因子88(MyD88)，使NF-κB活化；胰島素抵抗(insulin resistance，IR)和瘦素水平(leptin，LP)是影響該途徑的重要因素。另有研究[18]表明，肥胖導(dǎo)致的IR可通過抑制SOCS3進(jìn)行預(yù)防，該途徑可以由NF-κB激活引起的SOCS3表達(dá)抑制來實(shí)現(xiàn)。肥胖引起的慢性炎癥反應(yīng)還可造成細(xì)胞內(nèi)DNA損傷[19]?；罨木奘杉?xì)胞分泌的細(xì)胞因子(如TNF-α和IL-6)，誘導(dǎo)趨化因子釋放使非目標(biāo)組織的DNA損傷遠(yuǎn)離炎癥部位，隨后這些細(xì)胞因子進(jìn)入身體的不同區(qū)域并激活定居的巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生促炎分子如COX2，NOS，ROS和NO等[20-21]。這些分子的釋放可導(dǎo)致細(xì)胞中DNA氧化性損傷。另外，吞噬了凋亡細(xì)胞的巨噬細(xì)胞能移動(dòng)到機(jī)體的另一區(qū)域靶向釋放細(xì)胞因子，造成細(xì)胞DNA損傷。細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)移可以通過巨噬細(xì)胞使大量誘導(dǎo)損傷的信號(hào)在遠(yuǎn)處的組織傳遞開來。通過這種手段，肥胖引起的慢性炎癥可以造成體內(nèi)不同組織細(xì)胞DNA損傷，從而損傷神經(jīng)系統(tǒng)。

另外下丘腦也是由HFD誘導(dǎo)的最常見炎癥區(qū)域之一[22]。作為能量代謝平衡的主要控制中心，下丘腦的損傷會(huì)加速肥胖的發(fā)展[23]，具體表現(xiàn)為下丘腦炎癥可以在短短幾天內(nèi)提高HFD小鼠的體重。如上所述，一方面SFA通過NF-κB途徑產(chǎn)生慢性炎癥，損傷CNS；另一方面誘導(dǎo)下丘腦炎癥，降低其調(diào)節(jié)瘦素水平和胰島素抵抗的能力，并且長期的HFD還會(huì)減少下丘腦神經(jīng)元的突觸數(shù)量并誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷。

2.2 肥胖與氧化應(yīng)激反應(yīng) 氧化應(yīng)激反應(yīng)在肥胖的發(fā)展中起著重要作用，許多研究均證實(shí)了肥胖與氧化應(yīng)激機(jī)制之間的聯(lián)系[24]。飲食習(xí)慣造成的高血糖癥和線粒體功能障礙造成的代謝綜合征等不僅會(huì)使體內(nèi)的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)增加引起氧化應(yīng)激，還會(huì)進(jìn)一步氧化修飾DNA以及下調(diào)機(jī)體內(nèi)重要基因表達(dá)，從而造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷。

氧化應(yīng)激與日常膳食消耗的營養(yǎng)素絕對(duì)量及其類型息息相關(guān)。營養(yǎng)素絕對(duì)量不僅會(huì)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，更可能進(jìn)一步推動(dòng)肥胖及其相關(guān)的非傳染性疾病的發(fā)展。營養(yǎng)素絕對(duì)量與氧化應(yīng)激反應(yīng)之間的關(guān)系與NF-κB介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān)[25]。碳水化合物或高脂類物質(zhì)的攝入會(huì)導(dǎo)致更多的底物進(jìn)入線粒體呼吸鏈[26]。在高血糖癥中，細(xì)胞內(nèi)過量的底物使糖酵解途徑和三羧酸循環(huán)過載，導(dǎo)致NADH和FADH2過量產(chǎn)生，使線粒體內(nèi)膜質(zhì)子梯度升高，復(fù)合體III中的電子泄漏，生成大量的ROS。ROS抑制3-磷酸甘油醛脫氫酶，并通過4種替代途徑將上游糖代謝產(chǎn)物進(jìn)行轉(zhuǎn)換：(1)葡萄糖轉(zhuǎn)移到多元醇途徑；(2)6-磷酸果糖轉(zhuǎn)移到己糖胺途徑；(3)磷酸丙酯產(chǎn)生甲基乙二醛途徑；(4)磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)化為二?；叶?，激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)途徑。其中甲基乙二醛是晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end product，AGE)的主要前體物質(zhì)。這些替代途徑的激活通過進(jìn)一步增加ROS的生成或削弱抗氧化防御能力來誘導(dǎo)氧化/亞硝化應(yīng)激反應(yīng)[27]。幾項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在多元醇途徑中，NADPH消耗增加迫使葡萄糖向山梨糖醇轉(zhuǎn)化，激活應(yīng)激基因引起氧化應(yīng)激反應(yīng)。在己糖胺途徑中形成的6-磷酸葡糖胺可抑制硫氧還蛋白還原酶活性引起氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。最后AGE和PKC途徑可分別通過激活NOx和NF-κB誘導(dǎo)ROS/RNS的產(chǎn)生[28]。此外ROS過量生成，小鼠體內(nèi)代謝基因、管家基因和結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)皆呈現(xiàn)出下調(diào)，均表明肥胖對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)有損害作用。

另外肥胖與線粒體功能有著直接聯(lián)系，一方面脂肪細(xì)胞有利于維持能量儲(chǔ)存和消耗之間的平衡，而維持這種平衡需要正常的線粒體功能；另一方面，在平衡過程中許多脂肪因子是重要的調(diào)節(jié)劑，包括TGF-β超家族、轉(zhuǎn)錄共激活因子PGC-1α和PRDM16。線粒體在ATP的產(chǎn)生、消耗以及ROS的處理中起著重要作用[29]。盡管氧化磷酸化在線粒體中十分高效快速，然而仍存在少量過剩的電子，這些電子會(huì)造成O2生成減少，從而形成潛在的有害氧自由基。除此之外，在某些條件下，質(zhì)子通過各種解偶聯(lián)蛋白，可以重新進(jìn)入到線粒體基質(zhì)，其結(jié)果是線粒體對(duì)氧自由基產(chǎn)生失控[30]，造成氧化應(yīng)激反應(yīng)。

流行病學(xué)數(shù)據(jù)[31-32]表明，多數(shù)肥胖患者體內(nèi)均存在DNA損傷，而體內(nèi)大多數(shù)內(nèi)源性DNA損傷來自于ROS的氧化修飾，這些損傷是促進(jìn)肥胖及相關(guān)疾病發(fā)展的關(guān)鍵因素。當(dāng)ROS破壞能力超過人體抗氧化防御系統(tǒng)能力時(shí)，ROS會(huì)與體內(nèi)各種大分子物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、磷脂和核酸等。而在這過程中，這些大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)會(huì)因氧化修飾而發(fā)生改變[33]，其中DNA的氧化修飾因其副產(chǎn)物具有重要的誘變潛力而尤為突出，其主要副產(chǎn)物有8-羥基鳥嘌呤(8-hydroxyguanine，8-OHdG)，7,8-二氫-8-氧鳥嘌呤，胸腺嘧啶醇，4,6-二氨基-5-甲酰胺基嘧啶和2,6-二氨基-4-羥基-5-甲酰胺基嘧啶[34]。關(guān)于8-OHdG水平在腫瘤發(fā)展中的重要作用已被廣泛證實(shí)，在DNA復(fù)制期間，高水平的8-OHdG可引起堿基顛換(GC至TA)的變化，從而導(dǎo)致癌變。

2.3 肥胖與免疫細(xì)胞失衡 研究已經(jīng)證實(shí)肥胖與慢性炎癥之間的關(guān)系[16]，而局部組織中的免疫細(xì)胞，尤其是內(nèi)臟脂肪組織中的免疫細(xì)胞，在肥胖誘導(dǎo)的炎癥調(diào)節(jié)中有著重要作用。幾項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，肥胖會(huì)增加促炎性免疫細(xì)胞的數(shù)量及其活化，其中包括M1巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、CD4 T細(xì)胞和CD8 T細(xì)胞[35]；可抑制抗炎細(xì)胞的活性，如M2巨噬細(xì)胞、CD4調(diào)節(jié)性T細(xì)胞，調(diào)節(jié)性B細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞[36]。

有研究[37-39]表明，在小鼠和人類中，脂肪組織中的巨噬細(xì)胞數(shù)量與胰島素抵抗呈正關(guān)系，主要原因是巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-α，一方面是胰島素信號(hào)的有效抑制因子，另一方面還是NF-κB信號(hào)的有效活化因子[40-41]。此外在脂肪組織中，巨噬細(xì)胞還能通過細(xì)胞表面的TLR4與胎球蛋白A相互作用并活化，產(chǎn)生NF-κB[42-44]。另有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(3T3-L1)中，TNF-α通過P44/42促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)使胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)失活，從而直接阻礙胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。促炎應(yīng)激傳感器和信號(hào)通路的慢性激活也可導(dǎo)致免疫失衡：具體表現(xiàn)為P44/42、JNK、P38和MAPK可通過皮下脂肪定居的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-α間接刺激脂肪細(xì)胞中的脂肪分解，從而影響機(jī)體降解脂質(zhì)的能力[45-46]。值得一提的是，體外于棕櫚酸中培養(yǎng)的單核細(xì)胞的IL-6和TNF-α在mRNA水平上呈上升趨勢[47]。而巨噬細(xì)胞與脂肪細(xì)胞共同培養(yǎng)時(shí)，巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-α和IL-1β同樣顯著增加[42]。由于TNF-α、IL-6和IL-1β可刺激NF-κB和JNK的前饋激活，導(dǎo)致絲氨酸殘基而非酪氨酸的IRS-1磷酸化，進(jìn)而使胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)損傷永久化，產(chǎn)生免疫毒性損傷神經(jīng)系統(tǒng)。

2.4 肥胖導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制間的關(guān)聯(lián) 綜上，肥胖患者體內(nèi)NF-κB信號(hào)通路的調(diào)節(jié)可改變BBB的通透性進(jìn)而引起中樞系統(tǒng)的炎癥。另外，肥胖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞M1/M2極化失調(diào)，一方面經(jīng)MAPK途徑引起免疫失衡，另一方面前饋激活了NF-κB信號(hào)通路，誘發(fā)其免疫毒性反應(yīng)。細(xì)胞因子失衡還可導(dǎo)致IR表達(dá)異常，轉(zhuǎn)而影響NF-κB信號(hào)通路。在氧化應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)的神經(jīng)系統(tǒng)損傷中，ROS的氧化修飾會(huì)損傷部分組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)，改變組織功能，進(jìn)而造成炎癥反應(yīng)及免疫細(xì)胞失衡。

3 結(jié)語

AD造成的神經(jīng)系統(tǒng)損傷包括炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、免疫失衡、DNA損傷與染色體畸變等，肥胖也可造成以上幾種病理損傷，故推測肥胖與AD的發(fā)生、發(fā)展有著潛在的關(guān)系。

本文將肥胖導(dǎo)致的AD相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制歸納如圖1，主要包括：(1)脂質(zhì)代謝異常與TLR4相互作用引發(fā)的中樞炎癥反應(yīng)；(2)巨噬細(xì)胞M1/M2失衡導(dǎo)致的免疫毒性；(3)線粒體呼吸鏈底物過量所引發(fā)的氧化應(yīng)激及DNA損傷，具體靶點(diǎn)見表1。其中炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激反應(yīng)是目前較為明確的與AD相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)損傷有關(guān)的機(jī)制。進(jìn)一步深入研究肥胖對(duì)AD相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)的損傷機(jī)制可為神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供更多的治療手段。

圖1 肥胖造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制圖

表1 肥胖對(duì)AD相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)損傷相關(guān)細(xì)胞因子、活性氧及細(xì)胞信號(hào)通路蛋白的影響