腦內鐵代謝與神經退行性疾病

張丹丹　滕振杰　吳紹澤　呂佩源

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腦內鐵代謝與神經退行性疾病

張丹丹滕振杰吳紹澤呂佩源

鐵的正常代謝是大腦發揮正常功能的必要因素。近年研究發現，腦內鐵的代謝紊亂在阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病的發生發展中起重要作用。本文對腦內鐵正常和異常代謝調節情況及其與神經退行性疾病的關系做一綜述。

鐵代謝；神經退行性疾??；阿爾茨海默??；帕金森??；亨廷頓病

神經退行性疾病是一種以神經元退行性變為主要特征的慢性進行性疾病，主要包括阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)和亨廷頓病(Huntington disease，HD)。而鐵作為哺乳動物新陳代謝不可缺少的元素，在維持大腦正常生理功能中起至關重要的作用。近年來，越來越多的研究指出，腦內鐵代謝異常與神經退行性疾病有密切關系。因此，對腦內鐵代謝的調控可能為疾病的治療提供潛在靶點。

1　腦內鐵的正常代謝

1.1腦內鐵的吸收由于中樞神經系統(CNS)內血-腦屏障(blood-brain barrier，BBB)和血-腦脊液屏障的存在，鐵進入CNS必須首先穿過BBB，導致神經細胞不能直接獲取鐵[1]。BBB是由3種不同類型的細胞相互協調而形成的屏障系統，包括腦微血管內皮細胞(brain microvascular endothelial cell，BMVEC)、星形膠質細胞和周細胞。一般認為，BBB內的周細胞與血管收縮和擴張有關，而BMVEC和星形膠質細胞則為調節腦內鐵吸收過程的核心。BMVEC是一種極化細胞，其頂端處于飽和轉鐵蛋白和脫鐵轉鐵蛋白的循環系統中，而基底面暴露于具有亞鐵氧化酶活性的hephaestin(Hp)和血漿銅藍蛋白(ceruloplasmin，Cp)的環境中。每個BMVEC的質膜上約含100 000個轉鐵蛋白受體(transferrin receptor，TfR)，從而有利于細胞通過典型的Tf-TfR途徑吸收鐵。

在BMVEC頂端，飽和轉鐵蛋白上鐵的吸收開始于Tf與TfR結合，Tf-TfR復合物通過相關蛋白的內吞作用形成早期內涵體。隨后內涵體Tf上的Fe3+通過胞內還原酶被還原為Fe2+。同時內涵體內復合物的電化學勢能可進一步促進Fe2+從內涵體內釋放，這個過程需要二價陽離子轉運蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)的參與。DMT1是BMVEC上唯一的二價陽離子轉運蛋白[2]。此外，脫鐵轉鐵蛋白上鐵的吸收也發生在BMVEC頂面，最終也通過DMT1進入細胞。

1.2腦內鐵的轉運目前對鐵在BMVEC胞質內的轉運細節仍不完全清楚，一旦Fe2+進入BMVEC內，它將被分布到整個細胞。一些研究認為[3]，當Fe2+到達細胞基底面時，膜鐵轉運蛋白(ferroportin，Fpn)可將其從BMVEC內排出并轉運至腦組織內。同時BMVEC頂面也有Fpn位點，若Fe2+到達細胞頂面，則將會被Fpn轉運回到BMVEC胞外。因此，Fpn可作為將鐵轉運至細胞外的轉運體，是大腦正常發育和行使功能必不可少的蛋白。例如，研究者們利用Fpn基因敲除[4]和Fpn基因突變[5]的小鼠觀察Fpn的作用發現，在小鼠胚胎發育過程中，神經系統均出現一定程度的缺陷，甚至胚胎死亡。另外，也有研究[6]認為，Fe2+從BMVEC轉運出來可能還有內源性Hp和Cp的參與，但是對于其具體作用途徑還有待進一步研究。

1.3腦內鐵的儲存和分布儲存在CNS中的鐵不僅可以穩定鐵蛋白，而且可以產生多種具有活性的產物，如神經黑色素和含鐵血黃素。而且，鐵的含量隨著年齡而變化：出生時腦內的鐵處于較低水平，在之后的第一個20年內其濃度增加迅速，此后緩慢上升[7]。有趣的是，鐵儲存的細胞也會發生改變。研究表明，在發育過程中，鐵和鐵蛋白最初被發現在小膠質細胞中，當髓鞘出現時，它們在少突膠質細胞儲存以促進髓鞘的形成[8]。雖然單核細胞和巨噬細胞內也含少量的鐵，但一般于突發性事件中才高表達，星形膠質細胞中的鐵主要以NTBI結合鐵的形式存在。同時，腦組織的不同區域的鐵含量也存在差異，其中蒼白球、尾核、殼核、小腦齒狀核、紅核、黑質內的鐵含量最高。

2　腦內鐵的異常代謝

眾所周知，適當濃度的鐵對于大腦的正常發育是必要的。然而，隨著人類衰老和疾病的出現，鐵正常代謝常被干擾。腦內鐵代謝異常主要包括鐵含量降低和鐵過載兩種情況。相關研究表明，無論是產前還是產后鐵缺乏都會導致患者神經功能發育受限，包括學習和記憶障礙[9]。而腦內鐵過載通常表現為鐵異常沉積，其原因可能有：鐵運輸和儲存過程不平衡、線粒體功能障礙、神經血管機制以及髓鞘崩解和破損等[10]。例如，髓鞘少突膠質細胞受損可能導致其內含鐵的蛋白質大量釋放，引起鐵在其他部位異常沉積。同時，血管周圍的炎性反應作為神經退行性變的主要特征被認為是引起血管壁損傷及通透性改變的原因，其可引起紅細胞外滲進入CNS[11]。另外，線粒體在正常代謝過程中可以產生過氧化氫，其本身沒有毒性，但研究表明[12]，高濃度的Fe2+可通過芬頓反應將一個電子傳給過氧化氫而產生自由基，同時，Fe2+還可以與氧分子或其他分子相互作用，通過正反饋回路形成更多自由基，使神經細胞受到氧化損傷，進一步增加鐵沉積，引起緩慢、進行性神經退行性改變。需注意的是，最近研究表明，自噬在神經退行性變中也起著重要的作用，其可導致金屬(如鐵離子)的異常沉積和有毒蛋白質的聚集，促進氧化應激[13]。此外，衰老與腦內鐵的沉積相伴隨，最常見的鐵沉積腦區有黑質、殼核、蒼白球、尾狀核及皮質。且這些區域與AD、PD和HD等神經退行性疾病有關[14]。

3　腦內鐵異常沉積與神經退行性疾病

3.1腦內鐵異常沉積與ADAD是老年癡呆最常見類型，具有兩個主要的病理特征：一是淀粉樣蛋白β(amyloid β-protein，Aβ)聚集，其是神經元老年斑的主要組成成分；二是微管相關蛋白Tau蛋白的過度磷酸化，其可促進細胞內神經元纖維纏結體的形成。雖然，大量研究認為AD病理機制與Aβ的形成、積累和毒性有密切的聯系，但最近研究表明，僅依賴Aβ聚集不能完全解釋AD病理進展，可能還與金屬動態平衡失調、膠質細胞受損、線粒體功能障礙和氧化應激等過程有關[15]。一般認為，當氧化還原狀態的金屬不存在時，Aβ不具有神經毒性。因此，認為與Aβ有關的氧化損傷是由其和金屬的高度親和力所致。國內有研究指出[16]，Fe2+可促進Aβ聚集、低聚反應和淀粉樣變，鐵與Aβ形成的復合物具有細胞毒性，其還可催化過氧化氫形成和加速氧化損傷。也有研究認為Aβ還可作為一種生物還原劑將Fe3+還原為Fe2+，進一步加強氧化損傷[17]。同時有研究證實，Fe2+介導的Aβ的細胞毒性可被鐵螯合減弱[18]，進一步表明了鐵在Aβ形成和毒性聚集中的作用。

此外，淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)作為一種跨膜蛋白，其5′UTR區具有編碼功能性鐵反應元件(iron-responsive element，IRE)核糖核酸莖環的功能[19]，一般認為其可參與突觸的形成、神經可塑性和鐵離子運輸[20]。同時APP通過淀粉樣途徑可形成Aβ。一些研究表明，APP的翻譯可以被細胞內鐵直接調節，增加鐵濃度可增加神經元內APP蛋白的數量，從而刺激Aβ產生[8]，這將為治療AD提供一個新方向。

除了Aβ聚集外，鐵還可以與Tau蛋白結合，影響Tau蛋白磷酸化，從而誘導過度磷酸化的Tau蛋白聚集[21]。研究表明，Tau蛋白纏結和異常淀粉樣變可引起突觸丟失和氧化應激[22]。國內研究認為[23]，在神經纖維纏結處，Tau蛋白沉積也與血紅素氧合酶1(heme oxygenase 1，HO-1)的表達增加有關。一般認為HO-1具有潛在的抗氧化作用，但過多的HO-1也可促進Fe2+的釋放，通過自由基的形成而引發氧化應激[24]，進而導致神經細胞的鐵死亡。同時，自噬功能障礙也會導致具有神經毒性的鐵離子不能通過溶酶體降解，從而加重其沉積[13,23]。因此對于AD的治療，除了單一的應用鐵螯合劑和抗氧化劑外，努力研制出具有多靶點的藥物來對抗AD復雜的發病機制是必要的。

3.2 腦內鐵異常沉積與PDPD作為一種常見的神經退行性疾病，主要以黑質中多巴胺(dopamine，DA)能神經元的缺失以及嗜酸性Lewy小體的形成為特點。PD黑質的病理改變可能與金屬沉積、氧化應激、線粒體功能障礙、泛素-蛋白酶體系統缺陷和炎性反應有關[25]，而且這些病理過程最終可導致DA能神經元退行性變。研究表明，鐵濃度增加的程度與PD嚴重程度有關。Wieler等[26]通過多梯度回波磁共振成像技術發現，PD患者的運動障礙越嚴重，則黑質致密部的鐵含量越多。然而，導致PD患者黑質內鐵異常沉積的途徑有許多：可通過DMT1、Tf/TfR和乳鐵蛋白/乳鐵蛋白受體增加鐵的吸收，或通過Fpn1和Cp減少鐵的排出；也可通過鐵蛋白、溶酶體或其他鐵結合蛋白使鐵的儲存異常[27]。PD患者Fe2+含量增加在通過芬頓反應產生活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的同時也會加重其他病原體所引起的神經毒性，損害蛋白酶體的功能，促進毒性蛋白質聚集，最終致DA能神經元損傷。泛素-蛋白酶體損傷也可導致PD發生發展。例如，在對嚙齒類動物應用蛋白酶體抑制劑(如lactacystin)的研究結果顯示，其可通過干擾鐵調節蛋白2(iron regulatory protein 2，IRP2)、TfR1、DMT1和鐵蛋白重鏈而導致鐵調節失衡并加重氧化損傷[28]。國內相關研究指出，在PD小鼠內，通過腹腔注射具有BBB通透性的鐵螯合劑VK-28或其衍生物M30，不僅可以減輕DA能神經元退行性變，還可恢復蛋白酶體的活性[29]。

然而，鐵濃度增加并不能完全解釋所觀察到的PD患者黑質致密層損傷。Azuma等通過3T磁共振技術對PD患者黑質鐵含量進行分析，結果發現黑質鐵沉積存在空間差異性和橫向非對稱性，主要存在于黑質后部[30]。Faucheux等通過對小鼠黑質區域進行觀察也發現：在黑質不同區域，鐵的分布存在差異[31]，主要儲存在黑質致密部DA能神經元的神經黑色素內。最近，通過對PD相關金屬基因進行篩選和遺傳調查研究認為，性別也影響鐵的濃度[32]。此外，既往研究認為，PD中Fe3+∶Fe2+也發生改變，健康人為2∶1，而PD患者為1∶2[33]。但是關于PD中鐵比例的變化，目前尚缺乏足夠的臨床證據。

3.3腦內鐵異常沉積與HDHD是一種顯性遺傳性、進行性神經退行性疾病，主要由編碼Htt蛋白基因的CAG序列擴展突變而致。在HD中，基底節是最易受累的結構，主要的病理改變為漸進性神經元丟失、Htt包涵體形成、炎性反應和鐵異常沉積。HD內鐵含量增加可能與少突膠質細胞的作用有關，突變的Htt基因可影響神經元軸突小泡的運輸，從而使未成熟的髓鞘溶解，導致與穩態有關的少突膠質細胞成倍地增加以修復損傷區域[34]。伴隨鐵異常沉積，鐵運輸和儲存機制也逐漸惡化，導致儲存在鐵蛋白外的活性鐵通過氧化應激而使細胞的完整性受到損傷[35]，使其更容易受到毒素和一系列病理過程的干擾。最近國外研究者通過T2和T1加權成像技術發現[36]，在HD癥狀前期，尾狀核、殼核和蒼白球內就有鐵沉積，并伴有三個核團的體積減小。同時發現HD的進展和CAG重復序列的數量可能影響鐵沉積和這些核團的體積，如疾病的病程越長、CAG重復序列越多，鐵的水平越高，核團的體積則越小。但目前對于鐵沉積是引起HD的病因還是疾病的過程尚不清楚。

綜上所述，盡管不同的神經退行性疾病的病理特征不同，但鐵穩態失衡、氧化應激和線粒體損傷是多種神經退行性疾病中細胞死亡的共同通路。這也給研究者們提供了一個極好的潛在治療靶點，可以考慮用鐵螯合劑或抗氧化劑來清除腦內過多的鐵。同時，由于目前對鐵異常沉積是導致神經退行性變的啟動事件還是病理過程尚不清楚，因此未來需要研究一種新的技術來具體地觀察時間與鐵沉積動態的改變。此外，縱向研究對于闡述腦內鐵含量增加的病理生理學和其在疾病進展中的作用也很必要。

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(本文編輯：時秋寬)

10.3969/j.issn.1006-2963.2016.05.012

河北省自然科學基金資助項目(H2013307046)；河北省重大醫學科研課題項目(zd2013005)

050017 河北醫科大學研究生學院(張丹丹、滕振杰、吳紹澤、呂佩源)；05005l 河北省人民醫院神經內科(呂佩源)

呂佩源，Email：peiyuanlu@163.com

R742.5；R742.8+9

A

1006-2963(2016)05-0360-04

2016-04-02)