鐵代謝在運(yùn)動(dòng)改善阿爾茨海默病中的作用與機(jī)制研究進(jìn)展

黎超洋，崔凱茵，房國梁

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種慢性神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和記憶衰退為主要臨床癥狀（Nelson et al.，2009）。AD 主要以神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs）（Kadavath et al.，2015）、β-淀粉樣蛋白（amyloid-β，Aβ）沉積（Cheignon et al.，2018）等為顯著病理學(xué)特征。但由于AD 的發(fā)病機(jī)制尚未明確，目前用于治療AD 的臨床藥物，如乙酰膽堿酯酶抑制劑以及N-甲基-D-天門冬氨酸受體拮抗劑等只能在一定程度上延緩AD 進(jìn)程，無法達(dá)到根治的效果（Fisher，2008）。因此，通過非藥物手段預(yù)防AD 發(fā)生至關(guān)重要。

近年來，大量研究表明，科學(xué)、規(guī)律的運(yùn)動(dòng)鍛煉能夠有效提高大腦認(rèn)知功能和學(xué)習(xí)記憶能力（Arrieta et al.，2018；Song et al.，2019）。研究表明，運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)AD 動(dòng)物模型腦內(nèi)鐵調(diào)素（hepcidin，Hepc）和鐵代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)，緩解腦細(xì)胞中鐵超載情況，從而減少活性氧（reactive oxygen species，ROS）及Aβ 對神經(jīng)細(xì)胞的毒害作用（Belaya et al.，2021）。但目前國內(nèi)外鮮見綜述性研究報(bào)道運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)鐵代謝進(jìn)而改善AD 的作用與機(jī)制。基于此，本研究旨在分析腦內(nèi)神經(jīng)元鐵代謝的分子機(jī)制，梳理鐵超載與Aβ沉積、Tau 蛋白異常磷酸化、鐵死亡和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，闡明運(yùn)動(dòng)通過調(diào)節(jié)鐵代謝進(jìn)而改善AD 的作用機(jī)制。

1 鐵的生理作用及鐵代謝過程

1.1 鐵的生理作用

鐵元素是體內(nèi)含量最多且不可或缺的微量礦物質(zhì)，正常成年人的鐵含量為3～5 g。鐵在機(jī)體內(nèi)主要參與氧的運(yùn)輸和儲(chǔ)存、電子傳遞、神經(jīng)遞質(zhì)合成等，而鐵代謝是鐵在體內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、轉(zhuǎn)化、利用、排出的過程。在生物體內(nèi)，鐵以二價(jià)鐵（Fe2+）或三價(jià)鐵（Fe3+）的形式存在，二者之間可以相互轉(zhuǎn)換。Fe2+較為容易被正常生理?xiàng)l件下的O2以及細(xì)胞能量代謝過程中產(chǎn)生的H2O2氧化，通過芬頓反應(yīng)形成Fe3+及超氧陰離子、羥基自由基等ROS（Walling et al.，1975）。而鐵誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS 引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)會(huì)促使鐵蛋白、血紅素鐵、鐵硫簇進(jìn)一步釋放鐵，形成鐵釋放和氧化應(yīng)激之間的細(xì)胞毒性正反饋循環(huán)，加劇細(xì)胞和組織損傷（MacKenzie et al.，2008）。因此，機(jī)體內(nèi)鐵代謝的失調(diào)，特別是游離態(tài)Fe2+的增加會(huì)對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用（González-Domínguez et al.，2014）。但在正常情況下，機(jī)體內(nèi)大多數(shù)游離態(tài)的鐵都會(huì)與相應(yīng)的蛋白質(zhì)結(jié)合生成對應(yīng)的鐵蛋白。同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)也存在谷胱甘肽（glutathione，GSH）等抗氧化系統(tǒng)，以避免過多的鐵對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用（Reichert et al.，2020）。

1.2 膳食鐵吸收和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)

膳食中攝入的鐵可分為血紅素鐵和非血紅素鐵。血紅素鐵的吸收途徑尚未明確，目前研究集中關(guān)注的途徑為血紅素載體蛋白1（heme carrier protein 1，HCP-1）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑：胃蛋白酶原使血紅素蛋白分離出血紅素，隨后被近端腸粘膜上皮細(xì)胞膜上的HCP-1 通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用運(yùn)輸至細(xì)胞膜內(nèi)，并在血紅素氧合酶-1的作用下降解為Fe2+（Silva et al.，2015），最終進(jìn)入可變鐵池（labile iron pool，LIP）。此外，血紅素鐵的攝入還可能通過貓白血病病毒C 亞型受體2（feline leukemia virus subgroup C receptor 2，F(xiàn)LⅤCR-2）、血紅素敏感基因1（hemeresponsive gene 1，HRG-1）等受體吸收（宋陸茜 等，2020；Rajagopal et al.，2008）。非血紅素鐵的吸收途徑則比較明確。非血紅素鐵一般為Fe3+，且不容易被人體吸收，因此需轉(zhuǎn)化為Fe2+（Shayeghi et al.，2005），此過程通過十二指腸細(xì)胞色素B（duodenal cytochrome B，Dcyt B）以及前列腺 六 跨 膜 表 皮 抗 原2（six-transmembrane epithelial antigen of the prostate 2，STEAP 2）進(jìn)行（Silva et al.，2015）。被還原的Fe2+則可通過十二指腸上皮細(xì)胞上的二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（divalent metal-ion transporter-1，DMT-1）（Shawki et al.，2015）或 鋅 鐵 調(diào) 控 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白14（ZRT- and IRT-like protein-14，ZIP-14）轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)（Pinilla-Tenas et al.，2011；Scheiber et al.，2019），并大多數(shù)存儲(chǔ)在鐵蛋白中。

十二指腸上皮細(xì)胞內(nèi)的Fe2+需要通過細(xì)胞膜上的膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（ferroportin-1，F(xiàn)PN-1）轉(zhuǎn)運(yùn)至血漿中，才能使機(jī)體利用膳食中的鐵（Nemeth et al.，2021）。而轉(zhuǎn)運(yùn)到血漿中的Fe2+通過亞鐵氧化酶將其氧化為Fe3+，并與轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，Tf）結(jié)合形成轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵（transferrin bound iron，TBI），通過循環(huán)系統(tǒng)完成鐵在機(jī)體內(nèi)的循環(huán)（Yeh et al.，2009）。除TBI 外，血液中的鐵還以非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵（non-transferrin bound iron，NTBI）的形式運(yùn)輸，如檸檬酸-Fe3+（或檸檬酸-Fe2+）、抗壞血酸-Fe2+等（Qian et al.，2001）。

1.3 神經(jīng)元鐵代謝過程

神經(jīng)元直接攝入血液中的鐵有3 種方式：1）TBI 通過轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（transferrin receptor，TfR）介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入神經(jīng)元（黃健 等，2021）；2）NTBI 通過ZIP-14、ZIP-8、DMT-1 受體進(jìn)入到神經(jīng)元中（Knutson，2019；Tuschl et al.，2013）；3）血紅素鐵通FLⅤCR-2、HRG-1、HCP-1 等受體進(jìn)入到神經(jīng)元中（Chiabrando et al.，2018；Gozzelino，2016；Khan et al.，2013）。TBI 和NTBI 都要先通過腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞（brain microvascular endothelial cells，BMⅤECs）進(jìn)入到血腦屏障內(nèi)，BMⅤECs 膜上表達(dá)TfR1、ZIP-8、ZIP-14（Lajoie et al.，2015；Steimle et al.，2019；Tuschl et al.，2013）。血液中的Tf可以與BMⅤECs上的TfR1相結(jié)合形成pH為酸性的核內(nèi)體（Moos et al.，2007），并釋放出Fe3+（Kawabata，2019）。隨后核內(nèi)體移動(dòng)到BMⅤECs 的外側(cè)并將Fe3+釋放到腦細(xì)胞外液中（Mills et al.，2010）。而NTBI中的Fe3+則要先被還原為Fe2+，隨后通過BMⅤECs 膜上的ZIP-14 和ZIP-8 進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，再通過FPN-1 釋放到腦細(xì)胞外液中（黃健 等，2021；Mills et al.，2010）。

腦細(xì)胞外液存在腦膠質(zhì)細(xì)胞分泌的Tf 和檸檬酸（Sonnewald et al.，1991；Ward et al.，2014），這二者與Fe3+結(jié)合分別形成TBI 或NTBI 繼續(xù)在腦細(xì)胞外液中運(yùn)輸。神經(jīng)元細(xì)胞膜表面表達(dá)TfR1 和ZIP-8（Ji et al.，2015；Moos et al.，2007），而細(xì)胞內(nèi)則表達(dá)ZIP-14（Knutson，2019），Tf 可以與TfR1 再次結(jié)合形成核內(nèi)體并釋放Fe3+，隨后Fe3+被STEAP3還原為Fe2+并通過DMT-1 或ZIP-14 穿過核內(nèi)體膜運(yùn)輸?shù)缴窠?jīng)元內(nèi)（Lane et al.，2018）。而NTBI 則可通過神經(jīng)元膜表面上的DMT-1 或者ZIP-8 進(jìn)入到神經(jīng)元內(nèi)（Ji et al.，2015）。研究表明，血液中重鏈鐵蛋白還可以通過T 細(xì)胞免疫球蛋白粘蛋白分子2（T cell immunoglobulin and mucin domaincontaining protein-2，Tim-2）（Chiou et al.，2020）或TfR1（Fan et al.，2018）進(jìn)入到少突膠質(zhì)細(xì)胞或神經(jīng)元中。而神經(jīng)元吸收血紅素鐵的分子機(jī)制尚未完全闡明，此過程可能通過FLⅤCR-2、HRG-1、HCP-1 等血紅素受體進(jìn)行。

神經(jīng)元也同樣表達(dá)FPN-1，F(xiàn)PN-1 能夠轉(zhuǎn)運(yùn)Fe2+，隨后在血漿銅藍(lán)蛋白（ceruloplasmin，CP）等亞鐵氧化酶的作用下氧化為Fe3+，F(xiàn)e3+再與Tf 或各種小分子化合物結(jié)合形成TBI 或NTBI，完成鐵的排出。此外，大腦也存在負(fù)責(zé)血紅素排出的蛋白。有研究報(bào)道，ATP 結(jié)合盒蛋白G 超家族成員2（ATP-binding cassette subfamily G member-2，ABCG-2）和FLⅤCR-1 是負(fù)責(zé)腦血紅素排出的載體蛋白，ABCG-2 廣泛表達(dá)于BMⅤECs、神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞中（Chiabrando et al.，2018；Gozzelino，2016）。而FLⅤCR-1 廣泛表達(dá)于大腦各個(gè)部位，并分為FLⅤCR-1a 和FLⅤCR-1b 2 種亞型，前者表達(dá)于細(xì)胞膜，后者則表達(dá)于線粒體膜，分別負(fù)責(zé)細(xì)胞和線粒體的鐵排出（Chiabrando et al.，2018）。

2 鐵代謝與AD

鐵代謝紊亂會(huì)使過量的鐵在某些細(xì)胞和組織內(nèi)過度堆積，發(fā)生鐵超載現(xiàn)象。例如在腦內(nèi)，鐵代謝相關(guān)蛋白，如FPN-1、DMT-1、鐵調(diào)控蛋白（iron regulatory protein，IRP）、Hepc、鐵蛋白、Tf、TfR、CP 以及上述提到的其他鐵代謝相關(guān)蛋白共同參與鐵代謝過程，維持鐵穩(wěn)態(tài)，避免鐵超載的發(fā)生。但在AD 患者腦內(nèi)，上述鐵代謝相關(guān)蛋白的失調(diào)導(dǎo)致神經(jīng)元內(nèi)鐵代謝紊亂（表1），使鐵凈流入大于凈流出，誘發(fā)鐵超載，并在相關(guān)腦區(qū)形成鐵堆積（Yan et al.，2020）。

表1 鐵代謝相關(guān)蛋白的分類、功能以及在AD腦中的變化Table 1 Classification and Function of Iron Metabolism-related Proteins and Their Changes in AD Brain

2.1 鐵代謝相關(guān)蛋白與AD

2.1.1 FPN-1

FPN-1 是目前唯一已知存在于哺乳動(dòng)物中的能將Fe2+從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Silva et al.，2015）。在FPN-1 mRNA 5’端存在鐵反應(yīng)元件（iron-response element，IRE）序列，高鐵水平下IRP 與IRE 分離，促進(jìn)FPN-1的表達(dá)；反之，在低鐵水平下，IRP 與IRE 結(jié)合，抑制FPN-1 mRNA 與核糖體的結(jié)合，減少FPN-1 的表達(dá)（Zhou et al.，2017）。研究表明，在APP/PS1 小鼠和野生型小鼠的海馬組織中，F(xiàn)PN-1 水平隨著鼠齡的增長而下降，在第9 個(gè)月時(shí)APP/PS1 小鼠的FPN-1 水平與野生型小鼠相比顯著下降。在AD 患者腦組織切片中也發(fā)現(xiàn)FPN-1 水平相較正常人減少；相反，過表達(dá)FPN-1 能夠改善小鼠的神經(jīng)元鐵死亡和記憶衰退（Bao et al.，2021）。提示，F(xiàn)PN-1 下調(diào)和AD 發(fā)生高度相關(guān)。AD 患者年齡增長或病情發(fā)展誘發(fā)FPN-1 的降解，降低細(xì)胞對鐵的排出效率，誘導(dǎo)鐵超載的發(fā)生。

2.1.2 DMT-1

DMT-1 是一種Fe2+跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要負(fù)責(zé)細(xì)胞外Fe2+、Zn2+、Co2+等二價(jià)陽離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)（MacKenzie et al.，2008）。DMT-1 mRNA 3’端存在IRE 序列，高鐵水平IRP 與IRE 分離，抑制DMT-1 的表達(dá)；反之則增加其表達(dá)（Zhou et al.，2017）。有研究表明，腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等炎癥因子都會(huì)增加DMT-1 的表達(dá)（Wang et al.，2005）。并且大腦皮質(zhì)和海馬組織中DMT-1 的表達(dá)量與年齡的增長呈正相關(guān)（Lu et al.，2017）。在APP/PS1 小鼠大腦皮質(zhì)和海馬組織中DMT-1 的表達(dá)量也會(huì)顯著升高，并且通過RNA 干擾沉默內(nèi)源性DMT-1，減少Fe2+攝入，可減少淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）的表達(dá)和Aβ的形成，增加細(xì)胞活性（Zheng et al.，2009）。提示，隨著衰老和AD 病程的發(fā)展，腦內(nèi)DMT-1 上調(diào)并增加Fe2+的攝入，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生鐵超載。

2.1.3 Hepc

Hepc 是一種主要在肝臟合成的肽類鐵調(diào)節(jié)蛋白，主要作用是與細(xì)胞膜上的FPN-1 結(jié)合，使其膜受體內(nèi)化或降解，限制細(xì)胞對Fe2+的釋放（Kong et al.，2015）。細(xì)胞內(nèi)鐵超載、炎癥會(huì)上調(diào)Hepc 的表達(dá)，而貧血、缺氧則會(huì)下調(diào)Hepc 的表達(dá)。Hepc 的調(diào)控通路包括Janus 激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活子3（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3，JAK/STAT3）、骨 形 態(tài) 發(fā) 生 蛋 白（bone morphogenetic protein，BMP）/SMAD、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶/絲裂原活化蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase/mitogen-activated protein kinases，ERK/MAPK）通路等（Silva et al.，2015）。肝源性Hepc 可通過血腦屏障，尤其是在神經(jīng)炎癥引起B(yǎng)MⅤECs 滲透的情況下，Hepc 通過受損的血腦屏障進(jìn)入大腦并影響AD（Raha et al.，2021）。除肝臟以外，靠近腦血管的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞也能夠表達(dá)Hepc 從而影響AD（Raha et al.，2021）。衰老本身會(huì)伴隨著腦部Hepc mRNA 水平升高（Wang et al.，2010）。同時(shí)，AD 患者腦中Hepc mRNA 水平也隨著病情發(fā)展而升高（Chaudhary et al.，2021）；并且AD 患者腦部的Hepc 主要聚集在Aβ 陽性的神經(jīng)元纖維周圍（Raha et al.，2021）。而AD 患者體內(nèi)的白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）濃度升高可激活JAK/STAT3 通路，從而增加全身或腦局部Hepc表達(dá)（Lyra e Silva et al.，2021）。此外，神經(jīng)炎癥情況下，JAK/STAT3 通路的上調(diào)不僅能增加Hepc 表達(dá)，引起腦細(xì)胞FPN-1 的降解，并減少鐵的凈流出，同時(shí)還能上調(diào)DMT-1 表達(dá)，增加鐵的凈流入，造成細(xì)胞內(nèi)的鐵堆積（Urrutia et al.，2013）。

2.1.4 鐵蛋白

鐵蛋白是一種中空的鐵貯存蛋白，其外殼由H-Ft 和L-Ft 組成，內(nèi)部包裹大量的Fe3+（Arosio et al.，2009）。鐵蛋白的主要作用是儲(chǔ)存機(jī)體內(nèi)的游離鐵，最大程度避免游離鐵的毒性作用。H-Ft和L-Ft的比例在各個(gè)組織中有所不同，二者的生理功能側(cè)重點(diǎn)也各有不同。L-Ft 結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，能儲(chǔ)存更多Fe3+，主要分布在肝臟；而H-Ft 則具有更強(qiáng)的抗氧化作用，主要分布在心臟和大腦（Zhang et al.，2021）。鐵蛋白也存在于線粒體，即MtFt，MtFt 只由H-Ft構(gòu)成（Da Silva et al.，2018）。研究表明，MtFt 過表達(dá)能夠降低線粒體內(nèi)游離鐵水平、減少ROS、抑制細(xì)胞凋亡、抑制Aβ 的生成（Levi et al.，2021）等。鐵蛋白也同樣受IRP調(diào)控，鐵蛋白mRNA 的5’端存在IRE 序列，高鐵情況下，IRE 與IRP 分離，上調(diào)鐵蛋白的表達(dá)（Zhou et al.，2017），反之則反。12 月齡APP/PS1 小鼠腦內(nèi)鐵蛋白含量顯著上升，主要分布于Aβ 斑塊的邊緣（Svobodová et al.，2019）。AD 患者海馬組織H-Ft 和L-Ft 含量與正常人相比均顯著上升，且腦內(nèi)L-Ft 的濃度與老年斑的數(shù)量和神經(jīng)元死亡呈正相關(guān)性（Kwiatek-Majkusiak et al.，2015）。此外，AD患者腦中MtFt 表達(dá)水平升高（Wang et al.，2011）。提示，在AD 病理情況下，鐵蛋白和MtFt 的表達(dá)上調(diào)是應(yīng)對腦內(nèi)鐵濃度上升的積極反應(yīng)。但L-Ft 的升高會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生炎癥因子，從而加劇AD（Kwiatek-Majkusiak et al.，2015）。

2.1.5 Tf和TfR

Tf 是一種鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，多存在于血清中。Tf 的主要功能是與Fe3+相結(jié)合，維持鐵在體內(nèi)運(yùn)輸。Tf 能通過與TfR 相互結(jié)合將鐵運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)。TfR 可分為TfR1 和TfR2，Tf 與TfR1 的結(jié)合力較TfR2 更強(qiáng)，TfR1 在腦中主要由神經(jīng)元和BMⅤECs 表達(dá)；而TfR2 mRNA 則僅在小腦中檢測到（Leitner et al.，2012）。TfR1 是腦鐵攝入的載體之一。TfR1 的表達(dá)和DMT-1 同樣受到IRP 和缺氧的影響。在TfR1 mRNA 3’端存在IRE 序列，高鐵水平下，IRP 和IRE 分離，抑制TfR1 的表達(dá)（Zhou et al.，2017），反之則反。缺氧也會(huì)誘導(dǎo)TfR1 的表達(dá)增加。Lu 等（2018）發(fā)現(xiàn)，3 月齡APP/PS1 小鼠大腦皮質(zhì)和海馬組織中Tf 和TfR 表達(dá)水平升高。此外，鐵可以通過Tf-TfR 復(fù)合物激活前列腺素D2 和E2，誘導(dǎo)早老素的表達(dá)，進(jìn)而誘發(fā)Aβ 的產(chǎn)生。

2.1.6 CP

CP 是一種由肝臟分泌且含Cu2+的亞鐵離子氧化酶，其主要作用是協(xié)助FPN-1 將Fe2+氧化為Fe3+并促進(jìn)其與Tf結(jié)合（Wang et al.，2019）。CP 的缺失會(huì)引起細(xì)胞鐵超載（Ward et al.，2014）。AD 患者血清中的CP 含量明顯升高（Park et al.，2014），CP 活性指標(biāo)eCP/iCP 下降、非CP 結(jié)合銅水平明顯升高，此外，eCP/iCP 與AD 癡呆程度呈負(fù)相關(guān)（Siotto et al.，2016）。提示，AD 患者血清中有活性的CP相對減少，無活性的apo-CP 增加，使血清CP 總體活性降低，進(jìn)而影響正常鐵代謝過程。

2.1.7 鈣衛(wèi)蛋白

鈣衛(wèi)蛋白是S100 蛋白家族成員，在人類中以S100A8和S100A9構(gòu)成異二或異四聚體的形式存在。每個(gè)S100A8/A9 異二聚體具有4 個(gè)與Ca2+結(jié)合的EF 手型結(jié)構(gòu)域和2 個(gè)金屬離子配對位點(diǎn)（His3Asp 和His6）。在Ca2+存在的情況下，2 個(gè)異二聚體會(huì)結(jié)合形成異四聚體，并通過His3Asp 和His6 結(jié)合Fe2+、Zn2+、Mn2+等二價(jià)金屬離子發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)功能；同時(shí)，鈣衛(wèi)蛋白在富氧下能夠使Fe3+還原為Fe2+，具有影響鐵穩(wěn)態(tài)的作用（Nakashige et al.，2015，2017）。而在AD 中，鈣衛(wèi)蛋白作為一種促炎蛋白，在小膠質(zhì)細(xì)胞和Aβ 沉淀周圍顯著升高（凌園果 等，2021），并通過與Toll樣受體4 或膜蛋白晚期糖基化終末產(chǎn)物受體結(jié)合，使小膠質(zhì)細(xì)胞過度活化，以及通過激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路產(chǎn)生大量TNF-α 等炎癥因子，誘發(fā)神經(jīng)炎癥的形成，進(jìn)而導(dǎo)致AD 的發(fā)生（Kummer et al.，2012），此過程可能會(huì)間接誘導(dǎo)Hepc 的產(chǎn)生，使胞內(nèi)鐵排出受阻。同時(shí)，鈣衛(wèi)蛋白還可與Aβ40形成復(fù)合物，影響Aβ40的聚集，并加重Aβ40的神經(jīng)毒性（Lee et al.，2018）。

2.2 鐵超載與AD

在病理狀況下，鐵代謝相關(guān)蛋白表達(dá)和功能失調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵超載的發(fā)生，從而誘導(dǎo)AD 的發(fā)生。細(xì)胞中過度的鐵超載則會(huì)誘發(fā)腦組織發(fā)生鐵沉積。腦鐵沉積程度一般采用核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的方法進(jìn)行量化，而磁定量敏感成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）以及磁敏感加權(quán)成像（susceptibility weighted imaging，SWI）在評估腦鐵沉積中具有較高的靈敏性和特異性（Liu et al.，2017）?；赟WI 技術(shù)發(fā)現(xiàn)，AD患者海馬和黑質(zhì)等區(qū)域存在病理性鐵沉積，并與病情的發(fā) 展 高 度 相 關(guān)（Haller et al.，2021）。同 時(shí)，李 思 瑤 等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，AD 患者的雙側(cè)蒼白球和殼核、左側(cè)海馬和額葉、右側(cè)尾狀核和齒狀核的SWI 相位值與認(rèn)知評分呈正相關(guān)。此外，董俊伊等（2021）使用QSM 發(fā)現(xiàn)，錐體外系核團(tuán)的磁敏感值與AD 患者的鐵堆積程度呈正相關(guān)、與認(rèn)知評分呈負(fù)相關(guān)。因此，大腦皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域中出現(xiàn)大量鐵沉積可以作為AD 早期發(fā)生的有效病理學(xué)證據(jù)之一。

2.2.1 Aβ生成及沉積

腦內(nèi)大量沉積的Aβ 是組成老年斑的主要成分，也是AD 典型病理學(xué)特征之一，同時(shí)在老年斑中檢測到了大量的鐵（Cheignon et al.，2018），表明Aβ 與鐵超載關(guān)系密切。Aβ 由APP 降解形成。在正常狀態(tài)下，APP 通過非淀粉樣蛋白途徑降解，APP 先被α-分泌酶切割降解為CTF83 和sAPPα，隨后CTF83 由γ-分泌酶切割，形成可溶性的P3 肽和APP 胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（APP intracellular domain，AICD）。而在病理狀態(tài)下，APP 通過淀粉樣蛋白途徑降解，先由β-分泌酶切割，降解為CTF99 和sAPPβ，CTF99 隨后則被γ-分泌酶切割形成難溶性的Aβ40或Aβ42以及AICD（Cheignon et al.，2018）。Aβ40或Aβ42如不及時(shí)降解或轉(zhuǎn)運(yùn)，則會(huì)與腦中的鐵、銅、鋅等相互作用形成Aβ 金屬離子低聚物，繼而形成Aβ 原纖維，大量堆積形成Aβ 沉積（Cheignon et al.，2018）。隨著腦部鐵超載的發(fā)生，Aβ 與鐵的結(jié)合能力隨之增加，顯著提高Aβ 的細(xì)胞毒性（Schubert et al.，1995）。同時(shí)，由于Aβ與Fe2+的結(jié)合力比Tf強(qiáng)，Aβ還會(huì)與Tf等含鐵蛋白爭奪鐵，加速Aβ 沉積并破壞胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)（Jiang et al.，2009）。此外，鐵超載會(huì)下調(diào)弗林蛋白酶（furin）的轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而降低α-分泌酶對APP 的切割活性；鐵超載也可以通過產(chǎn)生鐵依賴性ROS 上調(diào)金屬蛋白酶組織抑制劑-2/3 的表達(dá)，從而抑制α-分泌酶的活性。上述2 種途徑相對提高了β-分泌酶的活性，使更多APP 通過淀粉樣蛋白途徑降解生成Aβ（Silvestri et al.，2008）。此外，在APP mRNA 5’端非編碼區(qū)存在IRE 序列，鐵超載情況下會(huì)上調(diào)APP（Zhou et al.，2017）。綜上，β-分泌酶活性提高以及APP 上調(diào)，共同促進(jìn)不可溶性Aβ 的生成及沉積，從而誘導(dǎo)和加劇AD。

2.2.2 Tau蛋白異常磷酸化

Tau 蛋白是神經(jīng)元中的一種微管相關(guān)蛋白。正常生理狀態(tài)下，其最主要的功能是維持神經(jīng)軸突微管的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（Kadavath et al.，2015）。而在AD 病理狀態(tài)下，Tau 蛋白常發(fā)生磷酸化、泛素化、乙酰化等修飾異常，并產(chǎn)生神經(jīng)毒性，其中以異常磷酸化最為常見（Derry et al.，2020）。微管結(jié)合調(diào)節(jié)激酶、糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）等磷酸化Tau 蛋白蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸等多個(gè)位點(diǎn)（Billingsley et al.，1997），降低了Tau 蛋白與微管的結(jié)合能力，引起神經(jīng)元之間雙螺旋纖維形成，最終沉積形成NFTs（Wang et al.，2013）。細(xì)胞內(nèi)鐵超載與Tau 蛋白異常磷酸化有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，暴露在游離鐵中的神經(jīng)元會(huì)激活GSK-3β 相關(guān)通路從而引起Tau 蛋白異常磷酸化（Han et al.，2021）。同時(shí)，高鐵飲食或神經(jīng)元暴露在Fe2+下會(huì)引起Tau 蛋白Ser202、Thr205、Ser396 位點(diǎn)的磷酸化水平上升（Wan et al.，2019）。此外，可溶性Tau 蛋白的缺失也會(huì)誘導(dǎo)AD 的發(fā)生。在鐵代謝過程中APP 與CP 功能類似，能夠協(xié)助神經(jīng)元細(xì)胞膜上的Fe2+氧化為Fe3+，與Tf 結(jié)合后運(yùn)出細(xì)胞（Duce et al.，2010）。而Tau 蛋白異常磷酸化導(dǎo)致NTFs 的形成，減少了神經(jīng)元中可溶性Tau 蛋白，使APP 無法正常轉(zhuǎn)運(yùn)至神經(jīng)元細(xì)胞膜表面，減少神經(jīng)元鐵的排出（Lei et al.，2012），進(jìn)一步加劇細(xì)胞內(nèi)鐵超載和Tau 蛋白異常磷酸化，形成惡性循環(huán)。

2.2.3 神經(jīng)元鐵死亡

細(xì)胞鐵超載會(huì)通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量ROS，誘發(fā)鐵死亡。鐵死亡這一概念由Dixon 等（2012）首次提出，是指細(xì)胞內(nèi)部Fe2+超載誘導(dǎo)大量ROS 產(chǎn)生，繼而引起細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化的新型細(xì)胞程序性死亡。鐵死亡的誘因?yàn)椋杭?xì)胞內(nèi)發(fā)生Fe2+超載并產(chǎn)生大量ROS；GSH 和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPx4）等抗過氧化物減少；細(xì)胞膜多不飽和脂肪酸的過氧化（Reichert et al.，2020）。在AD 病理狀態(tài)下，神經(jīng)元鐵超載會(huì)大量產(chǎn)生鐵依賴性ROS，誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在APP/PS1 小鼠海馬組織中，脂質(zhì)過氧化物丙二醛（malondialdehyde，MDA）表達(dá)上升，而GSH 下降（Bao et al.，2021）。有研究使用GPx4 BIKO 小鼠研究AD 模型中大腦皮質(zhì)和海馬組織是否受到鐵死亡的影響，結(jié)果表明喂食他莫昔芬誘導(dǎo)GPx4 BIKO 小鼠腦部GPx4 選擇性缺失后，其空間記憶和學(xué)習(xí)記憶能力明顯受損，并出現(xiàn)海馬體神經(jīng)元變性以及鐵死亡標(biāo)志物上升等情況，如ERK 通路激活、脂質(zhì)過氧化和神經(jīng)炎癥增強(qiáng)等（Hambright et al.，2017）。提示，在AD病理狀態(tài)下神經(jīng)元存在鐵死亡的情況。目前，關(guān)于鐵超載如何介導(dǎo)神經(jīng)元鐵死亡從而誘導(dǎo)AD 發(fā)生的機(jī)制鮮見具體報(bào)道，但鐵超載可能通過3 個(gè)途經(jīng)參與神經(jīng)元鐵死亡：1）通過生成鐵依賴性ROS 引起脂質(zhì)過氧化并消耗大量的GSH 和GPx4 等抗氧化物；2）通過抑制GSH 合成過程中的限速酶谷氨酰半胱氨酸連接酶（glutamate-cysteine ligase，GCL）的活性降低GSH 的合成速率（Maher，2018）；3）通過誘導(dǎo)線粒體功能障礙引起腦細(xì)胞能量代謝紊亂（Onukwufor et al.，2022）等。

3 運(yùn)動(dòng)與鐵代謝

已有研究表明，運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控Hepc 從而改善2 型糖尿?。◤埛f珺 等，2015）。此外，運(yùn)動(dòng)還可以調(diào)節(jié)鐵代謝，進(jìn)而改善惡性腫瘤、糖尿病性心臟病等（陳泉 等，2018；王海濤 等，2022）。

JAK/STAT3 是調(diào)控Hepc 最主要的信號通路，上游為IL-6（Silva et al.，2015）。有研究表明，小鼠經(jīng)過5 周高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)干預(yù)后血清鐵和鐵蛋白下降，這是由于IL-6 水平上升誘導(dǎo)肝源性Hepc 增加，造成腸道內(nèi)FPN-1 內(nèi)化以及DMT-1 和HCP-1 的降解，進(jìn)而抑制機(jī)體從腸道吸收鐵（Liu et al.，2011）。Meta 分析表明，急性中、大強(qiáng)度和耐力運(yùn)動(dòng)都會(huì)誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)發(fā)生并升高血清Hepc，但急性運(yùn)動(dòng)對血清Hepc 的影響更顯著（王海濤 等，2016）。提示，血清Hepc 受運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)量的共同影響。此外，運(yùn)動(dòng)前的鐵水平也影響Hepc 表達(dá)。鐵水平較低（血清鐵蛋白含量＜30 μg/L），運(yùn)動(dòng)后Hepc 的表達(dá)無顯著變化；鐵水平較高，運(yùn)動(dòng)后Hepc 的表達(dá)顯著增加（Peeling et al.，2014）。

除IL-6 外，Hepc 的表達(dá)還受低氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、血幼素（hemojuvelin，HJⅤ）和TfR2 的調(diào)控。在運(yùn)動(dòng)過程中，血流量的重新分配致使流經(jīng)肝臟的血流量減少，誘發(fā)缺氧，從而激活HIF-1α 抑制Hepc 的表達(dá)（Domínguez et al.，2018）。HJⅤ可分為位于細(xì)胞膜上的mHJⅤ和可溶性sHJⅤ，二者互為BMP 的競爭位點(diǎn)。sHJⅤ是一種肌細(xì)胞因子，在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)釋放到血液中，通過與mHJⅤ競爭BMP 抑制SMAD 通路激活，抑制Hepc 表達(dá)（Liu et al.，2011）。有研究表明，低氧環(huán)境或低氧運(yùn)動(dòng)均能上調(diào)骨骼肌中sHJⅤ的表達(dá)（李海洲 等，2011）。此外，運(yùn)動(dòng)還能影響肝臟mHJⅤ的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控Hepc 的表達(dá)（劉樹欣 等，2011）。說明，運(yùn)動(dòng)可通過HJⅤ途徑對機(jī)體內(nèi)鐵代謝進(jìn)行調(diào)控。在運(yùn)動(dòng)對TfR2 的影響中，有研究對SD 大鼠進(jìn)行低氧運(yùn)動(dòng)或常氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可減少使肝臟TfR2 表達(dá)，但低氧運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)更為明顯（李海洲 等，2012）。隨著TfR2 的下調(diào)，ERK/MAPK 通路受到抑制，從而抑制肝臟Hepc 的表達(dá)。

同時(shí)，IRP 也是調(diào)控機(jī)體鐵代謝的重要環(huán)節(jié)之一。運(yùn)動(dòng)對IRP-1 的調(diào)控可能通過增加一氧化氮（nitric oxide，NO）增強(qiáng)IRP-1 活性，促進(jìn)IRP 與相關(guān)蛋白mRNA 上IRE序列結(jié)合，從而調(diào)控鐵代謝（王海濤 等，2009）。

綜上，運(yùn)動(dòng)通過調(diào)控機(jī)體炎癥因子、HIF-α、HJⅤ和TfR2的表達(dá)，激活或抑制JAK/STAT3、SMAD、ERK/MAPK 通路，從而影響肝臟Hepc 的表達(dá)。此外，運(yùn)動(dòng)還能通過上調(diào)NO影響IRP的表達(dá)，通過Hepc和IRP調(diào)控機(jī)體內(nèi)鐵代謝。

4 運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)鐵代謝緩解腦鐵超載，預(yù)防和延緩AD

4.1 運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)腦內(nèi)鐵代謝相關(guān)蛋白，緩解神經(jīng)元鐵超載，減少Aβ生成和Tau蛋白過度磷酸化

Belaya 等（2021）使用6 周齡5×FAD 小鼠進(jìn)行為期6 個(gè)月的自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自主轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)能降低5×FAD小鼠大腦皮質(zhì)中IL-6R、JAK1、STAT3、DMT-1、TfR、鐵蛋白和FPN-1 的mRNA 水平以及IL-6 和Hepc 的表達(dá)量，并上調(diào)JAK/STAT3 特異性抑制劑蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）在大腦皮質(zhì)中的mRNA表達(dá)。Choi 等（2021）對APP-C105 小鼠進(jìn)行為期8 周的70%～85%O2max跑臺運(yùn)動(dòng)干預(yù)發(fā)現(xiàn)，跑臺運(yùn)動(dòng)能夠降低APP-C105 小鼠大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)TfR1、Tf、DMT-1、L-Ft、HFt、MtFt、β-分泌酶和APP 的表達(dá)量，提高FPN-1、furin、α-分泌酶的表達(dá)量；此外，Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)、被動(dòng)回避實(shí)驗(yàn)、新奇物識別實(shí)驗(yàn)也表明，運(yùn)動(dòng)組小鼠學(xué)習(xí)和記憶能力相對提高，并且大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)Fe2+、Fe3+、總鐵含量顯著下降。Chen 等（2014）發(fā)現(xiàn)，為期3 個(gè)月的游泳運(yùn)動(dòng)干預(yù)下調(diào)雌性SD 大鼠海馬中FPN-1 的表達(dá)量，上調(diào)IRP-1 和IRP-2 的表達(dá)量。云少君等（2009）對3 月齡ICR 大鼠進(jìn)行為期10 周的跑臺運(yùn)動(dòng)干預(yù)，并通過D-半乳糖誘導(dǎo)AD，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能夠上調(diào)ICR 大鼠腦部IRP-2 的基因表達(dá)，降低Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)逃避潛伏期。上述研究提示，運(yùn)動(dòng)干預(yù)能夠影響腦部鐵代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)，從而調(diào)控鐵代謝。

機(jī)制上，運(yùn)動(dòng)通過下調(diào)AD 模型腦部IL-6 以及IL-6R，減少IL-6/IL-6R 受體復(fù)合物和JAK 結(jié)合，抑制JAK 磷酸化；同時(shí)，運(yùn)動(dòng)通過上調(diào)PTP 表達(dá)使p-STAT3 二聚體和p-JAK去磷酸化。這2 種途徑共同抑制p-JAK 對STAT3 招募，進(jìn)而抑制p-STAT3 與Hepc 基因啟動(dòng)子的結(jié)合，最終下調(diào)Hepc在腦中的表達(dá)。Hepc 的降低上調(diào)FPN-1 膜表達(dá)，促使細(xì)胞的鐵排出。此外，LPS、TNF-α、IL-6 等炎癥因子的降低具有下調(diào)DMT-1 表達(dá)及抑制TfR1 鐵轉(zhuǎn)運(yùn)效率的作用（Ⅴela，2018a，2018b），而運(yùn)動(dòng)能夠抑制小膠質(zhì)細(xì)胞中MAPK（ERK1/2 和p38-MAPK）通路的激活，從而阻斷NF-κB 炎癥通路（Leem et al.，2011）。同時(shí)提高IL-10 抗炎癥因子的水平，使M1/M2 小膠質(zhì)細(xì)胞的比例降低，共同減少小膠質(zhì)細(xì)胞對TNF-α、IL-1β、IL-6 等炎癥因子的釋放（Souza et al.，2013；Tang et al.，2016）。這些炎癥因子的減少能夠直接抑制DMT-1 和TfR1 的表達(dá)，進(jìn)而減少細(xì)胞對鐵的攝入。上述過程中，運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)各種鐵代謝相關(guān)分子的表達(dá)，從而減少細(xì)胞對鐵的攝入以及增加對鐵的排出，共同緩解細(xì)胞內(nèi)鐵超載的情況。

運(yùn)動(dòng)通過緩解鐵超載情況使細(xì)胞內(nèi)游離鐵相對減少，促使IRP-1 中的鐵硫簇?cái)嗔?，并增?qiáng)與IRE 的親和力。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)可通過提高海馬體內(nèi)源性NO 的表達(dá)使IRP-1鐵硫簇構(gòu)象發(fā)生改變，增加IRP-1 活性（Liu et al.，2019；Qi et al.，2020），增加IRP-1 與鐵蛋白和APP 的mRNA 5’端的IRE 結(jié)合量，從而使二者的mRNA 穩(wěn)定性下降，抑制其表達(dá)。鐵蛋白表達(dá)的減少降低細(xì)胞內(nèi)鐵貯存量，而APP 表達(dá)的減少則能減少不可溶性Aβ 的形成。此外，運(yùn)動(dòng)可以緩解鐵超載，上調(diào)細(xì)胞中furin 的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，進(jìn)而降低神經(jīng)元中β-分泌酶的活性，提高α-分泌酶的活性，抑制不可溶性Aβ 的形成過程。最后，鐵超載的緩解也能抑制GSK-3β 相關(guān)通路的激活，從而抑制Tau 蛋白過度磷酸化的過程（圖1）。

圖1 運(yùn)動(dòng)、鐵代謝和AD病理的關(guān)系Figure 1. Relationship between Exercise， Iron Metabolism， and AD Pathology

4.2 運(yùn)動(dòng)降低細(xì)胞鐵死亡敏感性，抑制神經(jīng)元死亡

AD 患者腦部存在鐵死亡的情況已得到證實(shí)，但對于鐵死亡如何介導(dǎo)AD 的發(fā)生尚未完全闡明。Choi 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，APP-C105 小鼠以70%～85%O2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺運(yùn)動(dòng)可以降低大腦皮質(zhì)中MDA 和4-羥基壬烯醛（4-hydroxynonenal，4-HNE）的表達(dá)量。Medhat 等（2020）通過4 周有氧游泳運(yùn)動(dòng)聯(lián)合維生素D 干預(yù)LPS 誘發(fā)AD 大鼠，發(fā)現(xiàn)單純運(yùn)動(dòng)組大鼠大腦MDA 表達(dá)顯著下降，GSH 表達(dá)顯著上升，而運(yùn)動(dòng)聯(lián)合維生素D 干預(yù)能夠顯著提高腦中GSH的表達(dá)量。此外，8 周的有氧運(yùn)動(dòng)能夠激活Kelch 樣ECH相關(guān)蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）/核因子E2 相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）通路，使Keap1 構(gòu)象發(fā)生改變，抑制Nrf2 的泛素化過程，啟動(dòng)下游抗氧化蛋白基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而提高APP/PS1 小鼠大腦皮質(zhì)和海馬組織GCL 的表達(dá)量（房國梁等，2018）。提示，運(yùn)動(dòng)能夠抑制脂質(zhì)過氧化物MDA 和4-HNE 的生成，并且通過激活Keap1/Nrf2 信號通路提高GCL表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)GSH 的表達(dá)，促使GPx4 利用GSH 作為輔助因子將膜磷脂氫過氧化物還原為無害的脂醇，從而緩解細(xì)胞中脂質(zhì)過氧化的過程。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)緩解鐵超載的過程抑制芬頓反應(yīng)，從而降低了鐵依賴性ROS 的產(chǎn)生，降低神經(jīng)元鐵死亡的敏感性，抑制神經(jīng)元鐵死亡的發(fā)生（圖1）。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，鐵代謝是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及鐵的攝入、排出、儲(chǔ)存以及鐵代謝相關(guān)蛋白之間的相互作用。AD 患者存在鐵代謝紊亂的情況，導(dǎo)致鐵超載，進(jìn)而誘導(dǎo)Aβ 生成和沉積、鐵依賴性ROS 產(chǎn)生、Tau 蛋白異常磷酸化和神經(jīng)元鐵死亡敏感性升高。而運(yùn)動(dòng)干預(yù)可以通過調(diào)節(jié)腦內(nèi)鐵代謝相關(guān)蛋白緩解以上異常過程，從而延緩和改善AD 發(fā)生。

目前，關(guān)于鐵代謝在運(yùn)動(dòng)預(yù)防和延緩AD 中的機(jī)制研究相對較少，未來可重點(diǎn)從鐵代謝在運(yùn)動(dòng)預(yù)防和延緩AD中的新機(jī)制，以及不同運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對AD 患者腦鐵代謝影響的異同及其相關(guān)機(jī)制等方面展開研究，從而進(jìn)一步揭示運(yùn)動(dòng)如何調(diào)控AD 患者腦中鐵代謝過程、預(yù)防和延緩AD，為運(yùn)動(dòng)防治AD 提供新思路。