27 羥基膽固醇在阿爾茨海默癥中的作用機(jī)制

聞 嫵，馬明旋

（揚(yáng)州大學(xué)附屬醫(yī)院藥劑科，江蘇 揚(yáng)州 225000）

阿爾茨海默癥（Alzheimer disease，AD）是一種起病隱匿的中樞神經(jīng)退行性疾病。該病的病理診斷表現(xiàn)為腦β-淀粉樣蛋白（amyloid-βoligomer，Aβ）沉積及磷酸化Tau 蛋白形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)，臨床表現(xiàn)為記憶力下降、判斷力喪失、抽象思維損傷等認(rèn)知功能障礙。AD 是迄今為止最常見(jiàn)的癡呆病因，約占所有癡呆診斷的80%[1]，每年與AD 有關(guān)的直接和間接保養(yǎng)費(fèi)近5000 億美元[2]，給世界公共衛(wèi)生體系和養(yǎng)老體系帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，因此AD 被認(rèn)為是一個(gè)日益嚴(yán)峻的全球健康危機(jī)。由于AD 的病理特征主要表現(xiàn)為Aβ 和磷酸化Tau 蛋白形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)，因此研究人員致力于開(kāi)發(fā)靶向Aβ 和Tau 的新型抗AD 藥物，希望能夠逆轉(zhuǎn)AD 的發(fā)生。然而，其研究大多以失敗告終，因此需要尋找新的研究方向。近年來(lái)，風(fēng)險(xiǎn)因素管理被認(rèn)為是減緩AD 發(fā)展的有效途徑，可改變的危險(xiǎn)因素如高血壓、糖尿病和高膽固醇血癥與晚年認(rèn)知能力下降有關(guān)。隨著對(duì)AD 的深入研究，越來(lái)越多的證據(jù)表明高膽固醇血癥與AD 的發(fā)病率呈正相關(guān)[3，4]，由于外周膽固醇無(wú)法透過(guò)血腦屏障，其代謝產(chǎn)物27 羥基膽固醇（27-hydroxycholesterol，27-HC）是流入大腦的主要外周膽固醇，其影響著Aβ 的產(chǎn)生和消除且與認(rèn)知障礙顯著相關(guān)[5]，因此27-HC 可能是高膽固醇血癥促進(jìn)AD病理的潛在機(jī)制。本文就27-HC 與AD 之間可能的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，以期為預(yù)防或延緩AD 的發(fā)生提供新的策略。

1 27-HC 概述

氧化膽固醇在維持膽固醇穩(wěn)態(tài)方面起著重要作用，它在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)失調(diào)與神經(jīng)退行性病變有關(guān)。27-HC 的形成是由細(xì)胞色素P450 家族27 亞家族A 成員1（CYP27A1）介導(dǎo)的，幾乎所有的細(xì)胞都通過(guò)CYP27A1 酶從膽固醇合成27-HC，這種代謝物隨后被分泌到體內(nèi)，其濃度與血漿中的膽固醇水平直接相關(guān)[6]。由于CYP27A1 基因在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)較低，因此大腦中的內(nèi)源性27-HC 含量較少[7]，且在神經(jīng)元細(xì)胞中，27-HC 通過(guò)CYP7B1 酶的作用代謝為7α-羥基-3-氧-4-膽甾烯酸，隨后透過(guò)血腦屏障進(jìn)入肝臟代謝[8]。值得注意的是，27-HC 是血液循環(huán)中含量最豐富的膽固醇[9]，循環(huán)中的27-HC 可以通過(guò)自由擴(kuò)散進(jìn)入大腦，研究表明每天大約有5 mg 27-HC 流入大腦[10]。因此，腦內(nèi)27-HC 主要來(lái)源于外周循環(huán)，可能是高膽固醇血癥與AD 之間的分子橋梁。

2 27-HC 影響AD 的發(fā)病機(jī)制

2.1 27-HC 與Aβ Aβ 的異常代謝被認(rèn)為是引發(fā)AD 病理級(jí)聯(lián)的重要因素。Aβ 是由淀粉樣前蛋白（amyloid precursor protein，APP）在β-分泌酶（β-site amyloid cleaving enzyme，BACE1）的錯(cuò)誤切割下產(chǎn)生的不溶性淀粉樣蛋白，同時(shí)APP 也可以以另一種途徑被α-分泌酶（a disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10）加工產(chǎn)生具有神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)作用的可溶性蛋白[11]。Aβ 在腦內(nèi)和血液循環(huán)中的動(dòng)態(tài)平衡很大程度上取決于Aβ 的內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。晚期糖基化終產(chǎn)物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）促進(jìn)Aβ 通過(guò)血腦屏障從血液流入大腦，但低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1（low density lipoprotein receptor-related protein，LRP1）反過(guò)來(lái)介導(dǎo)Aβ 流出大腦[12]。此外，Aβ 清除障礙也被認(rèn)為是破壞穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制。腦肽酶（neprilysin，NEP）和胰島素降解酶（insulin-degrading enzyme，IDE）是兩種參與Aβ 降解的肽酶[13]，研究表明NEP 基因敲除可以上調(diào)腦內(nèi)Aβ 水平[14]，而IDE 的過(guò)表達(dá)則可以促進(jìn)Aβ 的清除甚至抑制Aβ 的累積[15]。Zhang X 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在APP/PS1 小鼠中，皮下注射27-HC 增加了APP、BACE1 和RAGE 的基因及蛋白質(zhì)表達(dá)，同時(shí)降低了ADAM10、LRP1、NEP 和IDE 的表達(dá)。由此可見(jiàn)，27-HC 通過(guò)調(diào)節(jié)Aβ 的產(chǎn)生、運(yùn)輸和消除等代謝過(guò)程，增加了Aβ 在大腦中的積累和沉積。BACE1 的轉(zhuǎn)錄受多種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，在BACE1 啟動(dòng)子區(qū)發(fā)現(xiàn)了多種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，其中包括NF-κB[17]。Marwarha G 等[18]通過(guò)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)27-HC 通過(guò)激活DNA 損傷誘導(dǎo)基因153（gadd153）誘導(dǎo)NF-κB 活化，NF-κB 與BACE1 啟動(dòng)子結(jié)合，隨后促進(jìn)BACE1 轉(zhuǎn)錄和Aβ 產(chǎn)生增加。給予NF-κB 抑制劑sc514 可顯著減弱由27-HC 誘導(dǎo)的BACE1 表達(dá)增加和Aβ 沉積，沉默gadd153 基因可抑制27-HC 誘導(dǎo)Aβ 產(chǎn)生，降低APP 和BACE1水平[19]。以上研究表明抑制gadd153 激活以及隨后與NF-κB 相互作用的藥物可能是減少BACE1 和Aβ 過(guò)度產(chǎn)生的潛在靶點(diǎn)。

2.2 27-HC 與Tau Tau 是一種主要在神經(jīng)元中表達(dá)的微管相關(guān)蛋白，其主要功能之一是維持軸突微管的穩(wěn)定，過(guò)度磷酸化可使Tau 從微管分離，Tau 傾向于錯(cuò)誤折疊并聚集形成神經(jīng)纖維纏結(jié)，最終損害神經(jīng)元功能[20]。瘦素是一種參與細(xì)胞生存和學(xué)習(xí)的脂肪細(xì)胞因子，已被證明可以調(diào)節(jié)AD 轉(zhuǎn)基因小鼠中Tau 過(guò)度磷酸化，然而，瘦素信號(hào)對(duì)27-HC 誘導(dǎo)的Tau 過(guò)度磷酸化中的作用仍有待研究。Marwarha G等[21]用27-HC 和瘦素處理兔海馬切片，對(duì)兔海馬切片中磷酸化tau 蛋白水平的變化進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)27-HC 通過(guò)抑制瘦素信號(hào)通路來(lái)增加tau 磷酸化，這一過(guò)程可以通過(guò)補(bǔ)充瘦素來(lái)逆轉(zhuǎn)。該學(xué)者[22]進(jìn)一步研究表明，27-HC 能夠誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激并激活C/EBP 同源蛋白（CHOP）來(lái)降低人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SH-SY5Y 中瘦素的表達(dá)，敲除CHOP 可以緩解瘦素表達(dá)的衰減，表明轉(zhuǎn)錄因子CHOP 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下的激活對(duì)瘦素表達(dá)的衰減起關(guān)鍵作用。為了進(jìn)一步揭示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在27-HC 誘導(dǎo)的瘦素表達(dá)衰減中的作用，研究人員用1mM 4-苯基丁酸（4-PBA）預(yù)處理27-HC 處理的SH-SY5Y 細(xì)胞，結(jié)果顯示4-PBA 預(yù)處理12 h 完全消除了27-HC 誘導(dǎo)的瘦素蛋白水平和mRNA 的衰減，已知4-PBA 可以通過(guò)穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象和促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊能力來(lái)改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[22]。由此可見(jiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是27-HC 誘導(dǎo)的瘦素負(fù)調(diào)控的機(jī)制鏈接，瘦素是一種通過(guò)減少磷酸化Tau 積累而對(duì)AD 具有潛在治療作用的細(xì)胞因子。

2.3 27-HC 與神經(jīng)炎癥 Aβ 積聚在AD 患者的大腦灰質(zhì)中，并被大量激活的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞包圍，這些細(xì)胞分泌白介素-1（interleukin-1，IL-1）、白介素-6（interleukin-6，IL-6）、白介素-8（interleukin-8，IL-8）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等一系列炎癥因子，促炎因子的釋放導(dǎo)致突觸功能障礙、神經(jīng)元死亡和神經(jīng)生長(zhǎng)受到抑制[23]。因此，大腦炎癥反應(yīng)的過(guò)度激活可能是AD 的重要病因之一[24]。大腦中的IL-1 由神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元產(chǎn)生，它有兩種亞型：IL-1α 和IL-1β，IL-1β 的過(guò)度表達(dá)與AD 密切相關(guān)，這種密切的關(guān)系是因?yàn)榈退降腎L-1β 促進(jìn)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的生長(zhǎng)，而高水平的IL-1β 可能對(duì)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞有毒副作用[25]。TNF-α廣泛表達(dá)于小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元中，TNF-α 的不必要增加對(duì)神經(jīng)元有毒性。據(jù)報(bào)道[26]，血清和腦脊液中TNF-α 水平的升高與Aβ 水平有關(guān)。膽固醇氧化產(chǎn)物在人體病理生理學(xué)中具有促炎特性，特別是具有酶源側(cè)鏈氧化膽固醇。27-HC 是人體循環(huán)中發(fā)現(xiàn)的主要側(cè)鏈和酶源性氧化膽固醇之一，由線粒體酶CYP27A1 普遍產(chǎn)生。研究人員在AD 患者尸檢標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)[27]，IL-1β、IL-6 和IL-8 等促炎因子明顯升高，這與腦內(nèi)27-HC 水平的變化同時(shí)發(fā)生。同樣，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究表明[28]，通過(guò)皮下注射27-HC，能夠促進(jìn)小鼠大腦中TNF-α、促炎因子IL-1β 的表達(dá)，說(shuō)明27-HC 可通過(guò)破壞腦-腸-菌群軸失調(diào)加重炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致認(rèn)知障礙和Aβ 負(fù)荷增加。另一項(xiàng)研究表明[29]，在SH-SY5Y 細(xì)胞中，27-HC 通過(guò)激活TGF-β/NF-κB信號(hào)通路，增加TNF-α 和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶表達(dá)，降低抗炎因子IL-10 水平；在該項(xiàng)研究中，用27-HC 處理后的前24 h 內(nèi)SH-SY5Y 細(xì)胞中的IL-1β 增加；然而，超過(guò)24 h 后，未檢測(cè)到這些炎癥因子的變化，這表明炎癥因子的釋放可能發(fā)生在炎癥反應(yīng)的早期階段。因此，抑制炎癥通路尤其是阻斷早期炎癥反應(yīng)可能是防治AD 的有效途徑。

2.4 27-HC 與突觸損傷 突觸是由神經(jīng)元之間的連接所形成，并參與電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的傳遞。突觸功能障礙和突觸丟失是導(dǎo)致AD 患者認(rèn)知功能缺陷的重要原因[30]。突觸可塑性發(fā)生在長(zhǎng)期記憶形成的神經(jīng)回路中[31]，長(zhǎng)期增強(qiáng)作用（long-term potentiation，LTP）是突觸可塑性的主要形式之一，高頻刺激誘導(dǎo)的LTP 依賴于雌激素受體的激活[32]。27-HC 是內(nèi)源性選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑[33]，可能會(huì)影響LTP 振幅，LTP 振幅偏離正常，或高或低，都可能導(dǎo)致海馬回路功能障礙，從而損傷記憶功能。錐體細(xì)胞的棘，是大腦皮層中最常見(jiàn)的細(xì)胞類型，是興奮性突觸的主要突觸后目標(biāo)，其功能對(duì)記憶、學(xué)習(xí)和認(rèn)知至關(guān)重要，樹(shù)突棘數(shù)量和形態(tài)的改變可能影響神經(jīng)元的連通性并引起電路故障[34]?？蒲腥藛T使用具有過(guò)表達(dá)27-HC 的轉(zhuǎn)基因小鼠Cyp27Tg 模型來(lái)檢測(cè)海馬CA1 區(qū)域LTP 的變化，并結(jié)合CA1 錐體神經(jīng)元的樹(shù)突棘重建來(lái)檢測(cè)27-HC 過(guò)表達(dá)所誘導(dǎo)的海馬突觸形態(tài)和功能的改變。研究發(fā)現(xiàn)[34]，27-HC 過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了小鼠海馬LTP，并導(dǎo)致小鼠輻射層CA1 錐體神經(jīng)元的樹(shù)突棘異常大，可能導(dǎo)致海馬回路對(duì)信息的精細(xì)處理功能障礙，從而導(dǎo)致認(rèn)知障礙。突觸后密度蛋白95（postsynaptic density protein 95，PSD95）是突觸后密度中最豐富的蛋白之一，其功能被認(rèn)為是突觸成熟和突觸可塑性的關(guān)鍵[35]。據(jù)報(bào)道[36]，含有27-HC 的甾醇混合物降低了神經(jīng)元PSD95 水平，這表明27-HC 可誘導(dǎo)突觸毒性。Brooks SW 等[37]采用高膽固醇飲食喂養(yǎng)新西蘭白兔，11 周后提取新西蘭白兔血清及海馬組織中的27-HC，并檢測(cè)海馬中雌激素受體及突觸蛋白PSD95 水平，發(fā)現(xiàn)高膽固醇飲食增加了27-HC 進(jìn)入大腦的流量，27-HC 通過(guò)下調(diào)雌激素受體α 的表達(dá)降低了PSD95 的水平。由此可見(jiàn)，生活方式是其中一項(xiàng)危險(xiǎn)因素，如高膽固醇血癥與發(fā)展AD 的生物易感性有關(guān)。

2.5 27-HC 與葡萄糖代謝 大腦葡萄糖代謝的失調(diào)是導(dǎo)致AD 及記憶損傷的重要因素。大腦葡萄糖攝取受到大腦腎素血管緊張素系統(tǒng)（renin-angiotensin system，RAS）的調(diào)節(jié)，RAS 在一些大腦功能如學(xué)習(xí)、記憶、情緒反應(yīng)和感官信息處理的調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用[38]。這種作用歸因于下游肽血管緊張素IV（AngIV），Ang IV 與其受體結(jié)合，該受體被稱為胰島素調(diào)節(jié)氨基肽酶（insulin-regulated aminopeptidase，IRAP），這是一種能夠切割幾種生物活性肽的酶，其位于海馬神經(jīng)元內(nèi)以及整個(gè)其他大腦區(qū)域中含有葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose transporter 4，GLUT4）的特殊囊泡內(nèi)[39]。Ang IV 與其受體結(jié)合抑制了IRAP 的生物活性，防止記憶增強(qiáng)肽的切割，并激活GLUT4，有利于葡萄糖的攝取，從而保持認(rèn)知功能。27-HC 被認(rèn)為是AD 中腦葡萄糖代謝減少的生物標(biāo)志物，因?yàn)樗軌蚣せ钅XRAS 活性，損害神經(jīng)元葡萄糖攝取[40]。Ismail MA 等[5]發(fā)現(xiàn)CYP27A1 過(guò)表達(dá)小鼠表現(xiàn)出腦葡萄糖攝取減少、GLUT4 表達(dá)降低及記憶鞏固蛋白表達(dá)降低，為了排除外周效應(yīng)的干擾，研究人員將10 μM 27-HC 直接注射到WT 小鼠的側(cè)腦室中，結(jié)果得到了與CYP27A1 過(guò)表達(dá)小鼠相同的結(jié)果。用1 μM 27-HC 處理大鼠原代神經(jīng)元，結(jié)果顯示27-HC 增加了IRAP 的水平和活性，對(duì)抗IRAP 拮抗劑血管緊張素IV（Ang IV）介導(dǎo)的葡萄糖攝取，并提高了Ang IV 降解酶氨基肽酶N（AP-N）的水平。以上研究結(jié)果表明，27-HC 通過(guò)IRAP/GLUT4 系統(tǒng)失調(diào)損害神經(jīng)元葡萄糖的攝取，因此抑制IRAP 或是激活GLUT4 可能是預(yù)防AD 中葡萄糖代謝改變和記憶力下降的有效策略。

3 總結(jié)

AD 是世界上最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病之一，關(guān)于AD 的發(fā)生存在多種假說(shuō)，但具體的發(fā)病機(jī)制尚不明確。目前普遍認(rèn)為Aβ 沉積、Tau 磷酸化、神經(jīng)炎癥、突觸損傷及葡萄糖代謝障礙等是AD 發(fā)病的潛在機(jī)制。27-HC 作為高膽固醇血癥與AD 發(fā)生之間的分子橋梁，參與高膽固醇血癥導(dǎo)致AD 發(fā)生的病理過(guò)程，但在藥效研究方面，直接針對(duì)27-HC的研究較為有限。因此需要進(jìn)一步研究27-HC 在體內(nèi)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝等過(guò)程，闡明27-HC 在AD發(fā)生發(fā)展中的分子機(jī)制，以回答27-HC 是否是一種有效的措施。此外，血清膽固醇的長(zhǎng)期影響還需要進(jìn)一步研究，以制定適當(dāng)?shù)牟呗詠?lái)減緩AD 的進(jìn)展。