金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡與阿爾茨海默病

劉雅楠,牛芬溪,劉 悅,關(guān) 君,方 芳

(北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，北京 102400)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一種與年齡相關(guān)的，以認(rèn)知功能減退為主要臨床特征的神經(jīng)退行性疾病，主要的病理特征為β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉積、神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangle，NFT)、神經(jīng)元和突觸丟失及腦萎縮等。該病的患病率隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，隨著人口老齡化，預(yù)計(jì)到2050年，全球?qū)⒂谐^一億例AD患者[1]。少數(shù)家族型AD患者通常是因淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)、早老蛋白(presenilin-1/2，PS1/PS2)的基因突變引起[2]。而散發(fā)型AD的致病因素比較復(fù)雜，確切機(jī)制還不清楚。隨著對(duì)AD發(fā)病機(jī)制的研究，“β-淀粉樣蛋白”因能引起氧化應(yīng)激、Tau過度磷酸化、突觸結(jié)構(gòu)異常和功能障礙、神經(jīng)細(xì)胞凋亡、學(xué)習(xí)記憶能力減退等，一直被認(rèn)為是AD發(fā)病的重要原因，但針對(duì)減少Aβ沉積及毒性的藥物在臨床試驗(yàn)階段并未顯示較好的逆轉(zhuǎn)AD的作用。近些年來，越來越多的證據(jù)表明，腦中的金屬離子代謝紊亂與包括AD在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)，這為尋找新的抗AD藥物靶點(diǎn)提供了新的思路和方向。本文綜述了金屬離子在AD的發(fā)病及進(jìn)展中可能作用，以期為之后的藥物研發(fā)和臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)和研究思路。

1 人體必需金屬離子

人體必需的金屬離子在參與維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)基因表達(dá)、催化酶活性，在介導(dǎo)神經(jīng)元功能、學(xué)習(xí)、記憶相關(guān)通路的調(diào)控有特定作用，而這些金屬離子在體內(nèi)特別是腦組織中分布及功能異常被認(rèn)為參與了AD的發(fā)生和發(fā)展。

1.1 鐵鐵是人體生存所必須的微量元素，成年人體內(nèi)的鐵含量高達(dá)5 g，其中80%存在于紅細(xì)胞血紅蛋白中，20%儲(chǔ)存在巨噬細(xì)胞和肝細(xì)胞內(nèi)。在真核細(xì)胞內(nèi)，大多數(shù)鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白中，其余鐵存在于其他含血紅素的蛋白質(zhì)、鐵硫簇(iron-sulfur cluster，ISC)蛋白和非血紅素、非ISC蛋白內(nèi)[3]。鐵作為一種具有氧化還原活性的過渡金屬，細(xì)胞內(nèi)的鐵通常以Fe2+的形式存在，通過Fenton反應(yīng)或Haber-Weiss反應(yīng)，F(xiàn)e2+可以被H2O2氧化生成Fe3+和高活性的羥基自由基，F(xiàn)e2+還可以與O2反應(yīng)，產(chǎn)生超氧陰離子。正常情況下，內(nèi)源性還原劑如谷胱甘肽(glutathione，GSH)或抗壞血酸可以還原Fe3+為Fe2+，清除超氧陰離子和羥基自由基，保護(hù)細(xì)胞[3]。但當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵過量時(shí)，過量的羥基自由基和超氧陰離子會(huì)使谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等抗氧化酶失活[2]，并損傷脂質(zhì)、核酸或蛋白質(zhì)等大分子。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，鐵參與了線粒體能量轉(zhuǎn)導(dǎo)、酶催化、髓鞘形成、神經(jīng)遞質(zhì)合成和分解等重要的生物過程。隨年齡的增加，腦內(nèi)的鐵含量會(huì)逐漸增加，AD患者及中老年患者額葉皮層的斑塊和細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了與Aβ斑塊數(shù)量直接相關(guān)的鐵累積[4]。同樣在APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)皮質(zhì)區(qū)、海馬區(qū)及丘腦區(qū)中β-淀粉樣斑塊的形成與持續(xù)性鐵沉積具有相關(guān)性[5]，故大腦中鐵穩(wěn)態(tài)失衡及在腦組織中的異常分布被認(rèn)為可能與AD的病理變化有關(guān)。另有研究發(fā)現(xiàn)，Aβ前體蛋白APP mRNA的5′端非翻譯區(qū)含有能與鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron regulatory protein，IRP)結(jié)合的鐵反應(yīng)元件(iron response element，IRE)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)處于低鐵濃度時(shí)，IRP與IRE的結(jié)合力增強(qiáng)，APP的翻譯受到抑制，隨著鐵濃度的升高，APP的翻譯增加，導(dǎo)致Aβ的生成增加[3]。除了促進(jìn)內(nèi)源性APP的翻譯和表達(dá)，鐵離子還可以通過Aβ多肽鏈分子上的金屬離子結(jié)合位點(diǎn)與相鄰的Aβ結(jié)合，促進(jìn)Aβ的聚集和老年斑的形成，引起氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激又會(huì)促進(jìn)Aβ的生成和聚集，由此形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能異常。

1.2 銅正常人體內(nèi)含銅量約為100～200 mg，主要有Cu+和Cu2+兩種形式，二者可通過氧化還原反應(yīng)相互轉(zhuǎn)化，血液中的大部分銅都以銅藍(lán)蛋白的形式運(yùn)輸至全身各系統(tǒng)。銅離子可以通過血腦屏障分布到腦脊液和腦實(shí)質(zhì)中，大腦中的銅含量大約占全身銅含量的7.3%。

雖然目前關(guān)于體內(nèi)銅水平的高低與AD的相關(guān)性尚未完全明確。但研究發(fā)現(xiàn)AD患者血清銅水平明顯高于健康者。此外，AD患者血清銅藍(lán)蛋白(ceruloplasmin， CER)水平隨著認(rèn)知功能損害程度的升高而降低[6]。與鐵類似，銅也參與了細(xì)胞氧化應(yīng)激和Aβ的生成。Cu+通過參與Fenton和Haber-Weiss反應(yīng)，降低谷胱甘肽活性和銅依賴酶的表達(dá)促進(jìn)羥基自由基的產(chǎn)生。淀粉樣前體蛋白APP中存在兩個(gè)銅結(jié)合位點(diǎn)，分別存在Aβ區(qū)域和N末端區(qū)域。當(dāng)Cu2+與N端的銅結(jié)合位點(diǎn)CuBD結(jié)合后會(huì)被還原生成Cu+，從而增加細(xì)胞內(nèi)銅離子水平，促進(jìn)自由基的形成，導(dǎo)致銅介導(dǎo)的神經(jīng)毒性的產(chǎn)生[7]。然而有研究者發(fā)現(xiàn)，CuBD與銅離子的結(jié)合具有神經(jīng)保護(hù)作用，可以改善銅離子誘導(dǎo)的空間記憶障礙、減輕神經(jīng)細(xì)胞丟失和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生等神經(jīng)毒性[8]。這種差異可能是由于細(xì)胞對(duì)銅離子的攝取不同有關(guān)。此外，Aβ合成的限速酶β-分泌酶1(β-secretase1，BACE1)的C末端存在一個(gè)Cu+結(jié)合位點(diǎn)，其活性受銅水平的調(diào)節(jié)。Cater[9]等在富銅培養(yǎng)的纖維母細(xì)胞培養(yǎng)基中檢測(cè)到α-分泌酶裂解產(chǎn)物水平較對(duì)照組顯著升高，而在銅缺乏的纖維母細(xì)胞中APP蛋白從α-分泌酶裂解變?yōu)棣?分泌酶裂解，這提示銅缺乏可能會(huì)升高BACE1的活性，從而增加Aβ的分泌。

由于CER還可以將二價(jià)鐵離子氧化生成三價(jià)鐵離子，促進(jìn)鐵與轉(zhuǎn)鐵蛋白的結(jié)合。體內(nèi)銅含量降低時(shí)會(huì)影響銅藍(lán)蛋白的合成，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致鐵的過度累積，引發(fā)一系列的神經(jīng)毒性反應(yīng)。

1.3 鋅人體的鋅含量約為2 g，主要存在于肌肉組織、肝臟和腦組織中。鋅主要參與人體細(xì)胞增殖分化、生長(zhǎng)發(fā)育、酶活性調(diào)節(jié)等生理功能。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的鋅穩(wěn)態(tài)主要由三類蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)，包括膜鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(zinc transporters，ZnTs)、鋅鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(zinc-regulated transporters, Iron-regulated transporter-like protein，ZIP)和金屬硫蛋白(metallothionein，MTS)[10]。在腦中，海馬、杏仁核、大腦皮層、丘腦和嗅覺皮質(zhì)等區(qū)域均有鋅累積，大腦中的鋅主要以與金屬蛋白或酶結(jié)合的形式存在，約有10%的鋅以游離鋅離子(Zn2+)的形式儲(chǔ)存在谷氨酸能興奮性神經(jīng)元的突觸前小泡中，分泌到突觸間隙中的鋅離子可以與多種神經(jīng)遞質(zhì)受體如N-甲基-D-天冬氨酸受體、γ-氨基丁酸受體、甘氨酸受體等結(jié)合來調(diào)節(jié)大腦的興奮性。突觸鋅在調(diào)節(jié)突觸可塑性和長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)、促進(jìn)學(xué)習(xí)和記憶過程中也發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在海馬苔蘚纖維的突觸末梢中發(fā)現(xiàn)了高濃度的鋅[11]，這也證明了鋅在維持認(rèn)知功能方面可能發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

鋅在老年斑和淀粉樣蛋白沉積中的含量顯著升高。Aβ的N-末端的H6、H13和H14是鋅離子的結(jié)合位點(diǎn)，Zn2+通過破壞N-末端的螺旋結(jié)構(gòu)、誘導(dǎo)C-末端的β片層形成以及鏈內(nèi)和鏈間鹽橋的形成促進(jìn)Aβ形成寡聚體[12]。鋅離子還可以通過抑制α-分泌酶的切割來影響APP，促進(jìn)Aβ的產(chǎn)生。Tian等[13]研究發(fā)現(xiàn)，鋅處理組小鼠大腦中老年斑程度顯著增加，體外能明顯降低細(xì)胞活力。

另有研究發(fā)現(xiàn)，隨著含鋅神經(jīng)元的增多，神經(jīng)纖維纏結(jié)的分布明顯增加。鋅離子可以與Tau-R3特異性結(jié)合，并能夠促進(jìn)其聚集，同時(shí)能夠增強(qiáng)Tau-R3的細(xì)胞毒性，增加ROS的產(chǎn)生[14]。Sun等[15]發(fā)現(xiàn)100 μmol·L-1的外源鋅就可以直接誘導(dǎo)Tau磷酸化，在谷氨酸和Bic/4-AP誘導(dǎo)的大鼠腦片中發(fā)現(xiàn)蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)活性顯著降低，提示突觸釋放的鋅可能通過抑制PP2A促進(jìn)Tau蛋白的過度磷酸化。

1.4 鎂鎂離子(Mg2+)是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中含量第二高的陽(yáng)離子，它參與了細(xì)胞中許多重要過程，如酶促反應(yīng)、代謝循環(huán)和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等。在神經(jīng)系統(tǒng)中，鎂能夠與N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)受體相互作用，并對(duì)NMDA受體中的鈣通道具有阻滯作用，抑制谷氨酸興奮信號(hào)產(chǎn)生，而低濃度的鎂離子則會(huì)增強(qiáng)谷氨酸能的神經(jīng)傳遞，產(chǎn)生興奮性神經(jīng)毒性。

AD患者的大腦、血清中鎂離子水平降低[16]，故推測(cè)與AD的發(fā)病有關(guān)。Yu等[17]發(fā)現(xiàn)低濃度(0.0～0.4 mmol·L-1)的鎂離子可以顯著升高細(xì)胞的Aβ水平，而高濃度(1.2～4.0 mmol·L-1)的鎂離子對(duì)Aβ的釋放無明顯影響。Xu等[18]用鎂治療AD模型大鼠，可以通過抑制糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)來減少Tau蛋白的過度磷酸化，對(duì)實(shí)驗(yàn)大鼠的認(rèn)知功能和突觸可塑性也有一定的改善作用。

2 人體非必需金屬離子

2.1 鋁鋁是一種地球上含量豐富的金屬元素，鋁離子主要通過轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin，TF)-轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor，TFR)介導(dǎo)的內(nèi)吞作用穿過血腦屏障進(jìn)入大腦，含鋁化合物也可以通過嗅黏膜/嗅球屏障進(jìn)入大腦，微量的鋁也可以通過脈絡(luò)叢進(jìn)入大腦。腦內(nèi)鋁的半衰期約為150 d左右。體內(nèi)過量的鋁具有神經(jīng)系統(tǒng)毒性，是造成包括AD在內(nèi)的多種神經(jīng)退行性疾病的危險(xiǎn)因素。AD患者腦組織中老年斑塊和神經(jīng)纏結(jié)中鋁含量顯著升高，并且與淀粉樣蛋白具有顯著相關(guān)性。AlCl3可以誘導(dǎo)大鼠海馬區(qū)Aβ1-42和p-tau蛋白的含量分別高出正常對(duì)照組3.5倍和3.2倍，而乙酰膽堿酯酶(acetyl cholinesterase，AChE)含量是正常對(duì)照組的3.4倍[19]。鋁離子處理SH-SY5Y細(xì)胞，能增加細(xì)胞中Aβ表達(dá)，降低APP水平。由于有報(bào)道稱鋁離子暴露可下調(diào)BACE1和BACE2[20]，故可能有其他機(jī)制促進(jìn)APP向Aβ的轉(zhuǎn)化。

鋁的過載會(huì)破壞鐵穩(wěn)態(tài)。鋁的增加使TFR的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致鐵吸收的增加和鐵蛋白數(shù)量的減少，鐵蛋白的減少可能會(huì)導(dǎo)致更高水平的游離鐵，鐵穩(wěn)態(tài)的破壞導(dǎo)致后續(xù)一系列的氧化應(yīng)激和神經(jīng)毒性反應(yīng)。

2.2 汞汞(Hg)是對(duì)人體有害的重金屬之一，其主要以汞元素、無機(jī)汞、和有機(jī)汞(甲基汞、乙基汞)三種形式存在。汞蒸氣具有高度揮發(fā)性和脂溶性的特點(diǎn)，可以通過呼吸和皮膚進(jìn)入人體，穿過血腦屏障和脂質(zhì)細(xì)胞膜，并以無機(jī)形式積累到細(xì)胞中。在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，汞可以被氧化為Hg2+的形式，汞離子會(huì)與細(xì)胞內(nèi)的分子如谷胱甘肽、酶等反應(yīng)，抑制它們的活性從而損害細(xì)胞的正常功能。此外，汞通過誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和細(xì)胞凋亡，干擾神經(jīng)遞質(zhì)的正常傳遞等作用發(fā)揮神經(jīng)毒性。有研究顯示，AD患者的腦組織和血液中汞濃度升高。通過分析汞和70個(gè)與AD相關(guān)的因素之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)包括Aβ形成、神經(jīng)纖維纏結(jié)、磷酸化tau蛋白以及記憶力喪失等AD的標(biāo)志性特征都可以歸因于汞。AD中神經(jīng)遞質(zhì)如乙酰膽堿、谷氨酸等的抑制作用以及γ分泌酶、環(huán)氧合酶-2等的酶功能障礙均可以由汞毒性引起。汞可以抑制海馬DNA合成，與AD的PS1、PS2的基因突變有關(guān)[21]。Wallin等[22]研究發(fā)現(xiàn),Hg2+離子可以與Aβ肽N端部分的His6、His13和His14殘基進(jìn)行特異性結(jié)合，提示汞可能參與了AD相關(guān)的β-淀粉樣蛋白的聚集過程。

3 金屬離子靶向治療研究除了靶向β-淀粉樣蛋白和Tau蛋白之外，金屬離子的靶向調(diào)節(jié)也逐漸獲得了廣泛關(guān)注。金屬螯合是金屬離子通過兩個(gè)或兩個(gè)以上配位鍵與配體離子形成具有配位五元或六元環(huán)結(jié)構(gòu)的螯合物的過程，目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種金屬離子螯合劑具有改善AD病理過程的作用。研究發(fā)現(xiàn)臨床治療鐵中毒常用的鐵螯合劑去鐵酮(deferiprone，DFP)可以顯著降低模型小鼠的腦鐵含量和Tau蛋白磷酸化，改善空間記憶障礙[23]。Zhao等[24]用特定的Cu2+螯合劑TDMQs治療3種AD模型小鼠，均能改善小鼠的認(rèn)知和行為障礙。Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)用聚乙二醇修飾的Zn2+結(jié)合肽殼聚糖納米顆粒可改善APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知能力，并減少小鼠腦內(nèi)Aβ斑塊沉積。

4 總結(jié)

綜上所述，機(jī)體內(nèi)金屬離子穩(wěn)態(tài)對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)正常的生理功能至關(guān)重要。鐵、銅、鋅、鎂等人體必需金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡以及鋁、汞等非必需金屬離子均可影響淀粉樣蛋白的產(chǎn)生及降解，Tau蛋白的磷酸化以及促進(jìn)氧化應(yīng)激等反應(yīng)，產(chǎn)生神經(jīng)毒性，不同程度的參與AD的病理進(jìn)展。針對(duì)金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡的抗阿爾茨海默病治療已有初步的臨床試驗(yàn)在進(jìn)行中，但目前金屬離子與AD的相關(guān)性研究如AD不同階段金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡的調(diào)控，各種金屬離子含量的增多或減少對(duì)AD不同階段的影響，不同金屬離子相互影響的時(shí)間和空間的關(guān)系等還有待更深入的研究，為更好的開發(fā)以金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)和分布為靶向的抗AD藥物提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。