鐵離子失衡在阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制中的作用研究進(jìn)展

郭爽，陳鳳燕，尹香，王璐，郭雪峰，余啟明，鄒珍友，舒?zhèn)?

晚期阿爾茨海默病（AD）患者的認(rèn)知、情緒等心理活動(dòng)異常，心理健康狀況不佳，身體功能也逐漸喪失［1］。隨著中國社會(huì)老年人口的快速增長，中國AD患者的數(shù)量正在迅速增加。然而，AD的發(fā)病機(jī)制尚不明確，能夠完全治愈AD或緩解癥狀的藥物尚未開發(fā)。因此，進(jìn)一步了解誘發(fā)或促進(jìn)AD的病理因素至關(guān)重要。

目前研究表明，基于觀察到AD患者大腦皮質(zhì)、皮質(zhì)下和白質(zhì)區(qū)域的鐵含量升高，推測鐵離子負(fù)載過度可能在AD病理發(fā)展中有重要作用。海馬區(qū)鐵水平的增加是AD早期的一個(gè)重要特征，與記憶力水平呈負(fù)相關(guān)［2］。大腦中鐵負(fù)荷增加會(huì)加速β-淀粉樣蛋白（Aβ）斑塊形成和過度磷酸化的Tau蛋白（pTau）纏結(jié)的聚集，并增加其毒性［3］。鐵、淀粉樣變性和AD之間的關(guān)系是多方面的。本文從4個(gè)基本的問題出發(fā)，系統(tǒng)地了解鐵在AD發(fā)病機(jī)制中的作用，相信以鐵為靶點(diǎn)的研究將為AD的臨床研究和靶向治療提供新的方向。

1 鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)是AD的主要因素還是次要因素？

隨著時(shí)間的推移，鐵在大腦中積累，在30～40歲達(dá)到一個(gè)明顯的峰值。雖然有研究表明腦鐵水平相對穩(wěn)定，但60歲以后個(gè)體之間的腦鐵分布存在異質(zhì)性［4］。腦鐵水平相對下降可能反映出大腦鐵吸收減少或鐵釋放增加，腦鐵相對增加說明大腦鐵吸收增加或鐵釋放減少。腦鐵的增加可能受到以下幾個(gè)因素的影響，包括鐵轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存蛋白的不平衡、線粒體功能障礙、神經(jīng)血管機(jī)制以及髓鞘破壞和失修。晚發(fā)性AD大多出現(xiàn)在65歲以后，與大腦鐵峰值一致，早發(fā)性AD最早出現(xiàn)在40歲，與大腦鐵水平的峰值相吻合［5］。

AD的兩個(gè)主要組織病理學(xué)特征是細(xì)胞外Aβ大量沉積形成老年斑和細(xì)胞內(nèi)積聚異常修飾的pTau形成神經(jīng)原纖維纏結(jié)（NFTs）?；谶@些明顯的病理特征，學(xué)者們對AD的發(fā)育機(jī)制提出了兩種假設(shè)：淀粉樣級聯(lián)假說和NFTs假說。淀粉樣級聯(lián)假說源于β-淀粉樣前體蛋白（APP）的淀粉樣降解途徑。這一假設(shè)表明，APP淀粉樣蛋白降解途徑產(chǎn)生的Aβ1～42具有顯著的神經(jīng)毒性，引起神經(jīng)元損傷，最終導(dǎo)致癡呆。NFTs假說起源于AD患者神經(jīng)元中過度磷酸化的pTau聚集而形成的大量纖維纏結(jié)。這一假設(shè)表明，過度磷酸化的pTau與正常的pTau競爭與微管蛋白結(jié)合，破壞微管組裝和分解的動(dòng)態(tài)平衡，并導(dǎo)致軸突運(yùn)輸障礙和細(xì)胞內(nèi)廢物積累，以致神經(jīng)元逐漸退化，引起癡呆。隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者提出了炎癥假說和金屬離子假說，不斷豐富著AD的發(fā)展機(jī)制。研究人員發(fā)現(xiàn)AD患者大腦中存在大量活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，同時(shí)伴有腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白介素（IL）-1β、IL-6等炎性因子的表達(dá)水平升高［6］，據(jù)此，提出了神經(jīng)炎癥假說。這一假設(shè)表明，神經(jīng)炎癥在AD中不是由老年斑（SPs）和NFTs激活的被動(dòng)系統(tǒng)，而是像斑塊和纏結(jié)一樣，在疾病的發(fā)展中起著重要作用。有研究表明，銅、鐵、鋅、鎂、鋁等金屬離子參與了AD的發(fā)生和發(fā)展［7］。金屬離子可以影響神經(jīng)元代謝，引起氧化應(yīng)激，促進(jìn)Aβ的沉積和SPs的形成。同時(shí)，還有研究表明，Aβ在大腦中的沉積及其毒性與銅、鐵、鋅和其他金屬離子在皮質(zhì)和海馬中的代謝紊亂直接相關(guān)。此外，金屬穩(wěn)態(tài)失衡可直接導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙，并導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡［8］。在上述研究的基礎(chǔ)上提出的金屬離子假說強(qiáng)調(diào)金屬離子在AD發(fā)病中的作用，進(jìn)一步補(bǔ)充了AD的發(fā)病機(jī)制。

金屬離子假說強(qiáng)調(diào)了衰老過程中金屬離子氧化還原循環(huán)不當(dāng)?shù)淖饔?，以及大腦中金屬平衡失調(diào)是如何導(dǎo)致AD中的淀粉樣沉積、細(xì)胞功能障礙和凋亡。鐵并不是唯一在衰老和病變的大腦狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)失調(diào)的過渡金屬。銅和鋅在大腦中也起著重要的生理功能，但其濃度遠(yuǎn)低于鐵。目前的發(fā)現(xiàn)表明，金屬平衡應(yīng)包括在淀粉樣級聯(lián)假說的框架內(nèi)。APP與AD的關(guān)聯(lián)已經(jīng)被證實(shí)。APP經(jīng)幾種酶處理，產(chǎn)生較小的片段，以一種未知的方式參與正常的細(xì)胞功能。APP被α-分泌酶（ADAM）或β-分泌酶（BACE-1）切割，產(chǎn)生細(xì)胞外可溶性蛋白sAPPα或sAPPβ片段。α途徑是非淀粉樣變性過程，而β途徑是淀粉樣變性過程。膜結(jié)合的C端片段，即在α和β裂解過程中產(chǎn)生的C83或C99，分別被γ-分泌酶裂解生成細(xì)胞外片段p3或Aβ40/42。Aβ42的增加導(dǎo)致不溶性細(xì)胞外淀粉樣纖維和淀粉樣斑塊的形成。Fe2+和Fe3+與APP和Aβ的相互作用促進(jìn)了淀粉樣體聚集的程度和速度［9］。Aβ42和Aβ40均可以與鐵相互作用，但Aβ42片段形成淀粉樣體聚集的速度更快。此外，APP/PS1AD小鼠模型的體內(nèi)鐵超載導(dǎo)致APP處理增加，神經(jīng)信號改變，隨著淀粉樣斑塊形成的增加導(dǎo)致認(rèn)知能力下降［10］。這表明腦鐵負(fù)荷直接與淀粉樣蛋白加工和斑塊形成的初始階段有關(guān)。雖然有發(fā)現(xiàn)表明AD腦的總鐵含量沒有改變，但區(qū)域分析提供了證據(jù)，AD大腦的活體MRI成像顯示海馬區(qū)中的鐵含量增加，海馬區(qū)是大腦中受淀粉樣變性影響的中央?yún)^(qū)域，這也表明鐵的沉積發(fā)生在淀粉樣斑塊周圍［11］。

因此，鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)有可能在一定條件下通過促進(jìn)Aβ形成而導(dǎo)致AD的發(fā)展，在某些類型的AD中有可能是AD發(fā)生的主要因素。

2 腦鐵失衡是源于外周鐵還是內(nèi)源性腦鐵？

大腦中的鐵不均勻地分布于基底核區(qū)的神經(jīng)元、腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞（BCECs）和膠質(zhì)細(xì)胞。大腦需要比任何其他器官更多的儲(chǔ)備非血液鐵來執(zhí)行其功能。首先，大腦是身體中代謝最活躍的器官之一，消耗人體大量的氧氣，這需要大腦有一定的鐵儲(chǔ)備，以確保在鐵狀態(tài)的潛在靜止期滿足人體能量需求。其次，鐵流入和流出大腦受到血腦屏障（BBB）、腦-腦脊液屏障（BCSFI）和血-腦脊液屏障（BCSFB）的嚴(yán)格控制［12］，這種調(diào)節(jié)存在于大腦的控制之外，使得大腦很難精細(xì)地調(diào)整鐵的流入和流出。再次，雖然成年大腦中神經(jīng)元的生長和分裂很少，限制新的外源性鐵創(chuàng)造新的突觸連接，但富含鐵的少突膠質(zhì)細(xì)胞持續(xù)需要大量的鐵元素。

鐵在大腦中的穩(wěn)態(tài)平衡是通過6個(gè)不同的過程來協(xié)調(diào)的：運(yùn)輸、攝取、儲(chǔ)存、利用、氧化還原循環(huán)和排出。鐵在全身的大部分運(yùn)輸通過糖蛋白轉(zhuǎn)鐵蛋白（TF）進(jìn)行。少突膠質(zhì)細(xì)胞和脈絡(luò)叢細(xì)胞是產(chǎn)生TF的兩種神經(jīng)細(xì)胞。TF在白質(zhì)中的表達(dá)下降，皮質(zhì)的暈區(qū)和周圍產(chǎn)生Aβ斑塊，表明該組織有損傷。除了分布在少突膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，TF還在AD腦的星形膠質(zhì)細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)異常，表明這些細(xì)胞中存在鐵穩(wěn)態(tài)失衡［13］。

腦鐵攝取一般由轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TFR）1和二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1（DMT1）調(diào)節(jié)。細(xì)胞外部分Fe2+可通過DMT1直接轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，F(xiàn)e3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合通過內(nèi)吞作用與TFR1結(jié)合，在細(xì)胞內(nèi)形成內(nèi)質(zhì)體。由于質(zhì)子泵對內(nèi)質(zhì)體的作用，F(xiàn)e3+從TF/TFR1復(fù)合物中解離并還原為Fe2+，F(xiàn)e2+通過DMT1進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。在BBB的動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和BCSFB的脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞上TFR1高表達(dá)，在神經(jīng)細(xì)胞和反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞表面也有表達(dá)，以促進(jìn)炎癥過程中神經(jīng)元鐵的導(dǎo)入和小膠質(zhì)細(xì)胞鐵的固存［14］。海馬區(qū)是一個(gè)受早期淀粉樣變嚴(yán)重影響的區(qū)域，海馬齒狀回（DG）是AD大腦中神經(jīng)元和新分裂細(xì)胞TFR1高度表達(dá)的區(qū)域。AD患者在該區(qū)域形成Aβ斑塊的原因還沒有得到徹底的證實(shí)，但被假設(shè)與該區(qū)域無法限制鐵的攝入量有關(guān)。DMT1促進(jìn)非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵（NTBI）在運(yùn)輸過程中的攝取，其位于12號染色體上的基因序列（SLC11A2）在AD中常見突變［15］。此外，炎性細(xì)胞因子也會(huì)增加AD腦神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)DMT1的表達(dá)。

細(xì)胞鐵的儲(chǔ)存、解毒和釋放是由鐵蛋白調(diào)節(jié)的，H-鐵蛋白作為鐵氧酶，在鐵蛋白的核心將Fe2+氧化為Fe3+并儲(chǔ)存。在正常衰老過程中，鐵蛋白的分布在整個(gè)大腦中保持不變。鐵蛋白主要存在于少突膠質(zhì)細(xì)胞中，同時(shí)也存在于神經(jīng)元、原質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中。體內(nèi)MRI測量表明，與對照組相比，年輕晚發(fā)性AD患者的基底核鐵蛋白含量更高，而老年晚發(fā)性AD患者的基底核鐵蛋白含量沒有明顯變化［16］。AD腦在淀粉樣斑塊和血管周圍呈現(xiàn)出小膠質(zhì)鐵蛋白高表達(dá)，腦脊液鐵蛋白水平升高在AD中也很明顯。

部分進(jìn)入細(xì)胞的Fe2+被線粒體利用，如frataxin、mitoNEET和大腦中需要鐵作為電子載體的其他酶。frataxin被認(rèn)為在神經(jīng)元對Fe-S簇的組裝中起著鐵伴侶的作用。此外，最近發(fā)現(xiàn)了一種線粒體外frataxin，可以穩(wěn)定烏頭酶中的Fe-S簇，為胞質(zhì)烏頭酶/鐵調(diào)節(jié)蛋白（IRP）1提供分子控制［17］。mitoNEET是線粒體外葉中控制鐵的蛋白質(zhì)。其通過控制導(dǎo)入線粒體的鐵量和控制線粒體呼吸產(chǎn)生的氧化物來調(diào)節(jié)最大呼吸速率。鐵基質(zhì)摻入和氧化應(yīng)激的增加有效增強(qiáng)了線粒體呼吸能力，進(jìn)而減少了mitoNEET。據(jù)推測，frataxin和mitoNEET的損傷或功能障礙涉及AD的幾個(gè)方面，包括活性氧（ROS）控制、氧化還原控制和血紅素代謝。然而，沒有研究表明frataxin和mitoNEET功能障礙與淀粉樣蛋白的產(chǎn)生直接相關(guān)。

機(jī)體需要鐵的氧化還原循環(huán)滿足產(chǎn)生ROS的細(xì)胞能量需求。細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的H-鐵蛋白將可溶性Fe2+氧化成不溶性Fe3+來解毒和儲(chǔ)存鐵。亞鐵被銅藍(lán)蛋白和亞鐵氧化酶氧化，隨后由膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以Fe3+的形式排出。體內(nèi)STEAP3和外周膜細(xì)胞朊蛋白（PrPc）還原Fe3+，通過TFR和NTBI促進(jìn)鐵的內(nèi)流［18］。Aβ與PrPc的結(jié)合會(huì)損害鐵還原酶活性，PrPc的丟失會(huì)導(dǎo)致大腦鐵超載，同時(shí)TF和TFR1轉(zhuǎn)錄升高。

鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與鐵的排出。鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與氧化鐵酶（如銅藍(lán)蛋白）一起將細(xì)胞內(nèi)的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)并氧化為Fe3+。由此產(chǎn)生的Fe3+通過細(xì)胞膜的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（FPN1）被運(yùn)出細(xì)胞。鐵調(diào)素主要由肝臟分泌，以控制周圍鐵水平。如果鐵在鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白核心中沒有被氧化，鐵調(diào)素就會(huì)與鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合并觸發(fā)受體配體復(fù)合物的內(nèi)化和降解。在AD小鼠模型中，鐵蛋白的減少與受損血管附近的血紅素顆粒沉積有關(guān)，這表明血管功能障礙改變了AD腦鐵的流動(dòng)和代謝穩(wěn)定［19］。

鐵在大腦中通過運(yùn)輸、攝取、儲(chǔ)存、利用、氧化還原循環(huán)和排出6個(gè)過程維持穩(wěn)態(tài)平衡。腦鐵攝取由TFR1和DMT1調(diào)節(jié)，TFR1在神經(jīng)細(xì)胞和反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞表面表達(dá)，以促進(jìn)炎癥過程中神經(jīng)元鐵的導(dǎo)入和小膠質(zhì)細(xì)胞鐵的固存，海馬齒狀回（DG）是AD大腦中神經(jīng)元和新分裂細(xì)胞TFR1高度表達(dá)的區(qū)域；DMT1促進(jìn)NTBI在運(yùn)輸過程中的攝取，炎性因子會(huì)促進(jìn)其表達(dá)。少突膠質(zhì)細(xì)胞和脈絡(luò)叢細(xì)胞產(chǎn)生的TF負(fù)責(zé)全身大部分的鐵運(yùn)輸，TF在AD大腦中的表達(dá)下降，這表明鐵穩(wěn)態(tài)失衡與AD有關(guān)。主要存在于少突膠質(zhì)細(xì)胞中的鐵蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞的鐵儲(chǔ)存，腦脊液鐵蛋白水平升高在AD中也很明顯。Fe2+在線粒體被利用，如frataxin（共濟(jì)蛋白）可以穩(wěn)定神經(jīng)元中的Fe-S簇，mitoNEET可以控制導(dǎo)入線粒體的鐵量，線粒體的損傷或功能障礙涉及AD的多個(gè)方面。機(jī)體需要鐵的氧化還原循環(huán)滿足產(chǎn)生ROS的細(xì)胞能量需求。鐵過量的氧化還原產(chǎn)生過量的ROS，進(jìn)而誘發(fā)AD（圖1）。

另外特品屋還出售西柵老街上各個(gè)作坊出產(chǎn)的特產(chǎn)，比如宏源泰染坊將藍(lán)印花布與現(xiàn)代成衣技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出許多很多新潮的衣服，符合現(xiàn)代人的審美同時(shí)極富江南特色，也不會(huì)讓人覺得老土。

圖1 大腦中鐵穩(wěn)態(tài)失衡與AD發(fā)生發(fā)展的關(guān)系示意圖Figure 1 Schematic diagram of the relationship between the imbalance of iron homeostasis in brain and the occurrence and development of AD

由此看來，腦體失衡在一定程度上發(fā)生在外周鐵運(yùn)輸、攝取、儲(chǔ)存、利用、氧化還原循環(huán)和排出這一過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的異常均會(huì)導(dǎo)致腦鐵失衡的發(fā)生。

3 AD腦鐵失衡是由功能失調(diào)還是鐵調(diào)節(jié)系統(tǒng)不堪重負(fù)引起？

根據(jù)尸檢報(bào)告，人腦中的總鐵沉積與年齡呈正相關(guān)，在殼核、蒼白球和黑質(zhì)的基底核區(qū)含有高濃度的鐵，而大腦皮質(zhì)、腦干和小腦含有低濃度的鐵［20］。神經(jīng)細(xì)胞中的鐵穩(wěn)態(tài)主要受參與鐵代謝的mRNAs轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。參與腦鐵代謝的蛋白質(zhì)主要包括IRP、TF、TFR1、鐵蛋白、FPN1、DMT1等。編碼TFR1、鐵蛋白、FPN1和DMT1的mRNA均含有一種特殊的氨基酸序列，稱為鐵調(diào)節(jié)元件（IRE）。鐵通過作用于IRE位點(diǎn)來調(diào)節(jié)鐵相關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)錄，從而維持細(xì)胞內(nèi)鐵的穩(wěn)態(tài)［21］。低氧誘導(dǎo)因子（HIF）-1和HIF-2的轉(zhuǎn)錄調(diào)控著所有細(xì)胞類型的鐵平衡。HIF1和HIF2在結(jié)構(gòu)上相似，但其有獨(dú)特的糖酵解控制，在大腦離散細(xì)胞中表達(dá)。HIF由一個(gè)胞質(zhì)亞單位HIFα和一個(gè)核亞單位HIFβ組成。HIF異二聚體在低鐵、低氧或高一氧化氮（NO）條件下形成，產(chǎn)生含鐵調(diào)節(jié)元件（IREs）的靶RNA轉(zhuǎn)錄物，包括TFR1和DMT1。當(dāng)鐵和氧充足時(shí)，HIFα的降解由泛素-蛋白酶體系統(tǒng)介導(dǎo)。缺血性事件、鐵負(fù)荷或蛋白酶體功能紊亂改變了AD患者的HIF功能，降低了TFR1和DMT1水平。有研究用脯氨酰-羥化酶抑制劑穩(wěn)定正常衰老小鼠的HIF可增強(qiáng)海馬記憶，為AD提供了一種潛在的治療方法［22］。鐵螯合劑，如M30，可上調(diào)皮質(zhì)神經(jīng)元中的HIF和HIF活化化合物［23］。

經(jīng)過不斷深入的研究，人們發(fā)現(xiàn)了一種抗菌肽——Hepcidin，其是鐵穩(wěn)態(tài)的重要因素，特別是腦鐵穩(wěn)態(tài)［24］。FPN1是體內(nèi)Hepcidin的主要受體。研究表明，Hepcidin通過Hepcidin和FPN1之間的直接相互作用調(diào)節(jié)鐵的穩(wěn)態(tài)，誘導(dǎo)FPN1的內(nèi)化和降解，降低細(xì)胞輸出鐵的能力，從而增加細(xì)胞內(nèi)鐵超載的可能性［25］。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，Hepcidin不僅下調(diào)了FPN1的表達(dá)，而且還下調(diào)了TFR和DMT1的表達(dá)［26］。上述結(jié)果表明，Hepcidin既通過控制細(xì)胞的鐵輸出，又通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的鐵輸入來調(diào)節(jié)鐵的穩(wěn)態(tài)。

除了調(diào)節(jié)鐵相關(guān)蛋白外，APP和pTau還起調(diào)節(jié)鐵的作用。研究表明APP是鐵穩(wěn)態(tài)的某種調(diào)節(jié)因子，其可以與FPN1相互作用，調(diào)節(jié)鐵離子的流出［27］。pTau作為細(xì)胞內(nèi)微管相關(guān)蛋白，可將產(chǎn)生的APP轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞表面，促進(jìn)鐵的輸出。同時(shí)Tau基因敲除小鼠會(huì)產(chǎn)生年齡依賴性的鐵積累和腦萎縮，鐵在原代培養(yǎng)神經(jīng)元中的滯留是由于APP表面轉(zhuǎn)運(yùn)減少所致，提示Tau介導(dǎo)的鐵穩(wěn)態(tài)可能依賴于APP［28］。

腦鐵平衡受到多種調(diào)節(jié)鐵的相關(guān)蛋白的調(diào)控和APP及pTau對鐵的調(diào)節(jié)作用，因此可以推測，AD腦鐵失衡是由功能失調(diào)引起的。

4 AD的病因是Aβ斑塊形成、鐵失穩(wěn)態(tài)，還是兩個(gè)過程的協(xié)同作用？

4.1 Fe與Aβ沉積和τ過渡磷酸化 研究表明，鐵代謝紊亂可以誘導(dǎo)Aβ的產(chǎn)生和積累［29］，因?yàn)殍F可以作用于APP mRNA的IRE位點(diǎn)，從而增強(qiáng)內(nèi)源性APP的翻譯和表達(dá)。研究人員利用透射電子顯微鏡（TEM）證實(shí)，鐵以氧化鐵（Fe3O4）磁鐵礦納米粒子的形式存在于SPs的核心中。這為鐵積累和Aβ聚集相關(guān)提供了金屬生物學(xué)證據(jù)。后來，利用X射線磁性圓二色吸收譜再次揭示了人類SPs中存在磁鐵礦。磁鐵礦，作為一種多晶氧化鐵，不是人腦的正常特征，其含量升高表明異常的鐵氧化還原與AD有關(guān)。此外，TELLING等［30］利用高級亞顯微分辨率X射線顯微技術(shù)，找到了SPs結(jié)構(gòu)與鐵形成淀粉樣鐵復(fù)合體的直接關(guān)系。Aβ通過肽的親水N端區(qū)域的3個(gè)組氨酸殘基和1個(gè)酪氨酸殘基與鐵結(jié)合，這有助于穩(wěn)定這些鐵離子。研究還發(fā)現(xiàn)，亞鐵離子與Aβ的結(jié)合降低了肽螺旋結(jié)構(gòu)并增加了肽的β-片段含量，這表明亞鐵離子通過增強(qiáng)肽與肽之間的相互作用促進(jìn)淀粉樣單體形成低聚物和原纖維［31］。除促進(jìn)Aβ聚集外，高鐵水平可影響APP的淀粉樣變性過程。鐵對APP的α-分泌酶切割活性有調(diào)節(jié)作用。α-分泌酶和β-分泌酶從非活性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活性狀態(tài)的過程受呋喃調(diào)節(jié)，鐵可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)呋喃的表達(dá)。過量的鐵會(huì)抑制有利于β分泌酶激活的呋喃的表達(dá)，從而促進(jìn)淀粉樣蛋白途徑中Aβ的產(chǎn)生［32］。

體外研究也發(fā)現(xiàn)鐵可以促進(jìn)Aβ肽的聚集和細(xì)胞毒性的增強(qiáng)。然而，關(guān)于鐵和Aβ的作用卻有不同的看法。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+和Fe3+與APP和Aβ相互作用，促進(jìn)Aβ聚集成纖維狀。Fe2+還可以與Aβ蛋白的氨基酸相互作用，這可能以不同于銅和鋅的方式改變淀粉樣蛋白的形式。與Aβ結(jié)合的Fe3+很容易還原為Fe2+，并增加ROS的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致β-分泌酶將Aβ42切割成毒性更強(qiáng)的Aβ低聚物，加速神經(jīng)元死亡［33］。重要的是，Aβ會(huì)損傷線粒體功能，將Fe3+轉(zhuǎn)化為具有氧化還原活性的Fe2+，并誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，從而加重鐵超載和AD狀況。另一項(xiàng)研究表明，Aβ能顯著降低鐵的氧化還原能力，這可能表明Aβ在AD發(fā)病過程中具有神經(jīng)保護(hù)和金屬螯合作用，但在一定條件下會(huì)產(chǎn)生毒性［34］。

除了Aβ外，鐵還可以與pTau結(jié)合，誘導(dǎo)pTau磷酸化，并聚集磷酸化的pTau。NFTs是AD的另一主要病理特征，磷酸化的pTau就是NFTs的主要組成部分。研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元NFTs中有鐵沉積，在AD發(fā)病過程中pTau間接參與了腦神經(jīng)元鐵離子的傳遞［35］。

4.3 Fe與自噬 自噬是一種由溶酶體驅(qū)動(dòng)的高度保守的蛋白質(zhì)水解系統(tǒng)，可以去除功能失調(diào)的細(xì)胞器和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，從而在應(yīng)對各種不利的環(huán)境壓力和維持細(xì)胞活力方面發(fā)揮重要作用。自噬不足可引起細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)積累，從而損害細(xì)胞功能，而自噬過度也可破壞細(xì)胞微環(huán)境，造成細(xì)胞損傷。在AD腦中發(fā)現(xiàn)了自噬不足和自噬過度，自噬不足可能在AD錯(cuò)誤折疊蛋白的積累中發(fā)揮更重要的作用，如pTau和Aβ的積累［36］。最近的一項(xiàng)研究表明，細(xì)胞內(nèi)pTau的積累會(huì)反過來破壞IST1基因調(diào)控的內(nèi)吞體分選轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體（ESCRT）-Ⅲ復(fù)合物形成和自噬體-自溶體融合，加重自噬缺陷，從而在AD中形成pTau積累和自噬缺陷之間的惡性循環(huán)［37］。泛素蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）在AD腦中的活性降低，UPS活性與自噬功能密切相關(guān)。鐵離子可以與UPS組分結(jié)合，改變自噬過程。因此，自噬應(yīng)該是AD的一個(gè)有前景的治療靶點(diǎn)。鐵的攝取和鐵相關(guān)脂褐素的溶酶體積累誘導(dǎo)自噬缺陷。富含鐵的自體溶酶體可以產(chǎn)生更多的ROS，從而對自體溶酶體膜造成損害［38］。鐵蛋白是一種儲(chǔ)存鐵的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)，因此與自噬缺陷相關(guān)的鐵蛋白升高在AD中積累鐵和介導(dǎo)鐵毒性方面起著重要作用。同時(shí)，細(xì)胞質(zhì)中的鐵含量增加會(huì)使鐵蛋白飽和，阻止鐵蛋白進(jìn)入自溶體，從而加劇鐵的積累。

4.4 Fe與突觸 突觸損傷是AD的早期病理特征，與AD的認(rèn)知功能障礙呈正相關(guān)。鐵離子的穩(wěn)態(tài)對維持突觸功能至關(guān)重要。據(jù)報(bào)道，膳食鐵是突觸形成所必需的，缺鐵會(huì)減少果蠅生物鐘回路中突觸的形成［39］。鐵介導(dǎo)抗N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）依賴性刺激鈣誘導(dǎo)通路和海馬突觸的可塑性。NTBI增加“氧化張力”，這對基礎(chǔ)突觸傳遞和長期增強(qiáng)均很重要。在鐵含量升高的情況下，突觸活性的增加會(huì)導(dǎo)致鐵超載，這與細(xì)胞毒性效應(yīng)相一致。另一方面，長期過量鐵暴露會(huì)導(dǎo)致小鼠學(xué)習(xí)和記憶障礙，包括突觸和記憶相關(guān)蛋白的廣泛分子改變［40］。

4.5 Fe與腦淀粉樣血管病變 AD小鼠模型腦微血管鑄型顯示微血管結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并伴有Aβ的附著和沉積［41］。CAA導(dǎo)致Aβ在腦膜和腦內(nèi)血管沉積。CAA在超過50%的老年人中出現(xiàn)，在50%的AD病例中也有發(fā)現(xiàn)，這突出表明CAA在衰老的大腦中很常見，但并不總與AD相關(guān)。伴和不伴有CAA的AD患者組織鐵負(fù)荷存在差異；伴有嚴(yán)重CAA的AD患者的組織中非血紅素鐵顯著升高，尤其是在大血管壁［42］。由此推測Aβ清除不當(dāng)和BBB鐵的積聚可導(dǎo)致異常血管生成和腦血管系統(tǒng)的衰老。這些環(huán)境條件開啟了神經(jīng)血管解耦、血管退行性變、血管平滑肌丟失、腦灌注不足和神經(jīng)血管炎癥的過程。最終，這些情況導(dǎo)致BBB滲漏、引流不當(dāng)、神經(jīng)元環(huán)境中的化學(xué)失衡以及突觸功能障礙和丟失。淀粉樣蛋白沉積的來源是異質(zhì)性的，目前尚不清楚紅細(xì)胞Aβ水平如何與CAA相關(guān)。然而，紅細(xì)胞功能障礙有助于解釋AD閉塞血管的低灌注和血紅素沉積。

綜上所述，鐵穩(wěn)態(tài)失衡參與多重機(jī)制影響AD的發(fā)生和發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)Aβ的形成與集聚，因此AD的病因是Aβ斑塊形成與鐵失穩(wěn)態(tài)失衡這兩個(gè)過程的協(xié)同作用。

5 小結(jié)

AD的發(fā)病機(jī)制是異質(zhì)性的，有許多與其進(jìn)展相關(guān)的生理特征。老化的AD大腦可能吸收更多鐵，運(yùn)輸鐵不當(dāng)，或釋放鐵不足，導(dǎo)致鐵離子負(fù)荷。鐵水平的增加通過調(diào)節(jié)特定的蛋白激酶或β-、γ-、α-分泌酶途徑提升APP的表達(dá)，進(jìn)而通過多種途徑促進(jìn)Aβ和pTau過度磷酸化的形成，誘導(dǎo)或加劇Aβ和過度磷酸化的pTau聚集。與此同時(shí)，鐵過量引起氧化應(yīng)激，通過Fenton等反應(yīng)產(chǎn)生ROS，過量的ROS會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元膜脂質(zhì)過氧化、DNA損傷和腦內(nèi)神經(jīng)元損傷等級聯(lián)病理反應(yīng)。鐵負(fù)荷也通過作用于自噬相關(guān)蛋白來促進(jìn)或抑制自噬，從而引起自噬損傷，誘導(dǎo)自噬缺陷。鐵離子的突觸釋放對正常的突觸可塑性和功能至關(guān)重要，而其異常的分布或代謝在AD的發(fā)展過程中會(huì)引起突觸功能障礙，其機(jī)制與鐵離子在大腦不同區(qū)域的沉積損害了線粒體的功能密切相關(guān)。

長期過量鐵暴露會(huì)導(dǎo)致突觸損傷，這與AD的認(rèn)知功能障礙呈正相關(guān)。過量的鐵通過激活CDK5/p25復(fù)合物和GSK3β促使pTau的磷酸化進(jìn)而形成NFTs。鐵過量還可以作用于APP mRNA的IRE位點(diǎn)，增加內(nèi)源性APP的表達(dá)，促進(jìn)Aβ的形成。大腦中的鐵代謝異常時(shí)，氧化應(yīng)激通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的過量ROS會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元膜脂質(zhì)過氧化、DNA損傷和腦內(nèi)神經(jīng)元損傷進(jìn)而引發(fā)AD。腦淀粉樣血管?。–AA）和鐵沉積可能導(dǎo)致Aβ在腦膜和腦內(nèi)血管沉積。過量的鐵也會(huì)抑制有利于β分泌酶激活的呋喃的表達(dá)，從而促進(jìn)淀粉樣蛋白途徑中Aβ的產(chǎn)生。泛素蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）活性與自噬功能密切相關(guān)，在AD腦中UPS活性降低，自噬不足可引起細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)積累，從而損害細(xì)胞功能，而自噬過度也可破壞細(xì)胞微環(huán)境，造成細(xì)胞損傷（圖2）。

圖2 鐵離子通過多種途徑參與AD的發(fā)病機(jī)制示意圖Figure 2 Schematic diagram of iron ion involved in the pathogenesis of AD through various ways

由于鐵超載在AD的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，因此利用金屬螯合劑來減少AD患者大腦某些區(qū)域的過量鐵，緩解甚至治療AD的策略受到越來越多的關(guān)注。金屬螯合劑要有效的發(fā)揮螯合作用，必須具有以下特點(diǎn)：（1）易于穿透細(xì)胞膜和BBB；（2）靶向鐵富集區(qū)，而不消耗血漿中轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵；（3）將螯合鐵從鐵累積部位去除或轉(zhuǎn)移到其他生物蛋白，如循環(huán)轉(zhuǎn)鐵蛋白；（4）對身體無不良反應(yīng)或輕微不良反應(yīng)［43］。因此，近年來，許多人試圖尋找金屬螯合劑作為候選藥物，但很少有螯合劑被合理設(shè)計(jì)用于制造安全有效的藥物。氯喹諾爾（CQ）是一種有效的金屬螯合劑，CQ與鐵、鋅和銅離子的高結(jié)合親和力使其能夠競爭性地從Aβ中捕獲這些金屬，并防止Aβ的聚集。去鐵胺（DFO）是一種經(jīng)充分證實(shí)的鐵螯合劑，可抑制鐵或鋁的毒性及其在體內(nèi)誘導(dǎo)的ROS。DFO可以抑制Aβ1～42的形成，并溶解預(yù)先形成的淀粉樣斑塊，同時(shí)可以抑制pTau的磷酸化。但DFO的臨床應(yīng)用仍存在許多問題，如：生物利用度差、不能口服、必須注射及存在不良反應(yīng)。以鐵為靶點(diǎn)研究AD的發(fā)病機(jī)制已成為近年來的研究熱點(diǎn)。利用鐵螯合劑螯合AD患者大腦中多余的鐵也成為治療AD的新策略，然而，與其他組織器官不同的是，大腦BBB對藥物進(jìn)入具有嚴(yán)格的特異性。因此，必須從人體自身合成的物質(zhì)中尋找一種更容易穿過BBB并能有效發(fā)揮作用的鐵螯合劑，α-硫辛酸（LA）和乳鐵蛋白（LF）就是這些候選藥物之一。LA是一種小分子化合物，是存在于線粒體中的輔酶，容易穿過BBB。LA可能通過激活乙酰膽堿轉(zhuǎn)移酶（ChAT）增加乙酰膽堿的表達(dá)，改善AD患者的認(rèn)知功能。LA還可以發(fā)揮抗炎、抗氧化和活化葡萄糖攝取和利用的作用。LA的慢性治療有效地抑制了pTau過度磷酸化，減輕了神經(jīng)元的變性和異常行為。LF是一種非血紅素鐵結(jié)合糖蛋白，可以與鐵、鋅、銅或其他金屬離子可逆地結(jié)合，并通過血液循環(huán)輸送到全身組織參與代謝，最終在尿液中排泄。近年來LF被廣泛用作藥物靶向大腦的載體。LF可能通過抗炎，調(diào)節(jié)免疫，螯合金屬離子，調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬等作用來調(diào)節(jié)Aβ和NFTs的產(chǎn)生，最終可能影響AD的發(fā)生和發(fā)展。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，直接給予LA和LF可緩解AD癥狀，但其相關(guān)作用機(jī)制尚未闡明，有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，基于LF的納米藥物分子也在研究中。這種藥物分子附著在LF分子上，很容易穿過BBB，從而對病變起到治療作用，達(dá)到更好的治療效果。

作者貢獻(xiàn)：郭爽、舒?zhèn)ミM(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，文章的可行性分析，文獻(xiàn)/資料收集、整理，撰寫論文；郭爽、陳鳳燕、尹香、王璐進(jìn)行論文及英文的修訂；郭雪峰、余啟明、鄒珍友、舒?zhèn)ヘ?fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。