阿爾茨海默病的發病機制研究進展

田杰，孫榮欣，王萍，譚國鶴，劉斯佳

(1廣西醫科大學基礎醫學院，南寧 530021；2廣西生物醫藥協同創新中心；3廣西再生醫學重點實驗室；4河南輕工職業學院)

1906年，德國醫生阿爾茨海默首次在一個因腦功能漸進性衰退而死亡的患者大腦中發現了異常，患者大腦組織中布滿了纏結在一起的斑塊；之后該病癥被冠以阿爾茨海默氏的名字，以此得名阿爾茨海默病(AD)。AD是老年期癡呆中最常見的類型，據《2015年世界阿爾茨海默病報告》統計，全球患癡呆病人數超過4 600萬，我國也有600萬左右的AD患者。作為一種神經退行性疾病，AD起病隱匿，病程呈慢性進行性加重，并隨著年齡的增長發病率會逐漸增高，主要危害65歲以上的老年人群。AD有兩個典型病理特征，即β淀粉樣蛋白(Aβ蛋白)沉積形成的神經炎性斑塊和Tau蛋白過度磷酸化形成的神經原纖維纏結(NFTs)，最終表現為皮質的持續皺縮以及海馬等腦區神經元的大量丟失[1]，從而造成漸進性的認知障礙、記憶力損害、人格改變、語言障礙等神經精神癥狀，嚴重危害患者身體健康和生活狀況。AD病因多樣，發病機制復雜，幾十年來科學家們針對AD開展了深入持續的研究，發現Aβ蛋白異常沉積、Tau蛋白過度磷酸化、突觸功能障礙、神經遞質的異常和線粒體自噬功能障礙等因素在其發病過程中可能起著重要作用，最近膠質細胞活化、腸道微生物失調等因素也引起了人們的關注?，F就AD的發病機制研究進展情況作一綜述。

1 Aβ蛋白異常沉積和Tau蛋白過度磷酸化

1.1 Aβ蛋白異常沉積 Aβ蛋白學說是AD研究中的核心觀點之一。Aβ蛋白是神經炎性斑塊的核心成分，構成了AD的一個特征性病理變化，斑塊周圍還包繞著各種膠質細胞，例如星形膠質細胞、小膠質細胞等。Aβ蛋白是神經系統細胞淀粉樣前體蛋白(APP)代謝的產物，是由APP在β-淀粉樣前體蛋白裂解酶1(BACE-1)、β-分泌酶或γ-分泌酶等的連續酶促反應作用下最終生成的。在正常情況下，Aβ蛋白的產生和降解會保持一定的平衡。但在某些致病因素作用下，如APP、PSEN等基因多位點突變[2]，老化、膳食因素[3]或顱腦損傷等，可導致Aβ蛋白的過量產生與沉積。人們發現，Aβ蛋白的分子構型、狀態與其神經毒性關系密切，Aβ可自發聚集成多種形態，例如2～6個肽聚集形成的中間體，這屬于可溶性低聚物；也可形成原纖維，之后自行排列成β折疊片，成為不溶性的淀粉樣斑塊；這兩種形態結構都具有神經毒性。研究[4]還進一步表明，可溶性的Aβ低聚物比纖維狀不溶性淀粉樣斑塊更具有毒性，可通過多種途徑導致神經元死亡。

1.2 Tau蛋白過度磷酸化 作為AD的另一個特征性病理變化，NFTs是由微管結合蛋白Tau蛋白過度磷酸化而形成的細胞內雙螺旋絲所構成的。在AD發病早期階段，NFTs累積在內嗅皮質(EC)的神經元中，特別是在EC的Ⅱ、Ⅲ層，之后其通過突觸前擴散到大腦邊緣葉和相關皮質。結構成像研究證實，EC是AD早期功能障礙的主要部位。NFTs的數量與AD的嚴重程度有直接的正相關性。氧化應激增強、內質網蛋白折疊功能受損及蛋白酶體和自噬介導的蛋白清除力下降都能加速Tau蛋白在AD中的沉積。正常情況下軸突中豐富的可溶性蛋白可促進微管的組裝、穩定，而過度磷酸化的Tau蛋白與微管的親和力下降，會導致微管更加不穩定；在感染、代謝性疾病和慢性炎癥刺激條件下，微管結合蛋白能被糖原合酶激酶3(GSK-3β)、細胞周期蛋白依賴性激酶及其激活亞基p25或促分裂原活化蛋白激酶磷酸化，激酶的活性過度增強，磷酸酯酶的活性降低，或兩者共同作用，會使Tau蛋白過度磷酸化，從而引起細胞內微管解聚。實際上異常Tau蛋白中間分子聚集體是有毒性的，可損害認知功能。Zhou等[5]發現，致病性Tau蛋白可通過其N末端結構域來結合突觸囊泡，干擾突觸囊泡的遷移和釋放，降低神經遞質的傳遞效率，損害神經元突觸傳遞。

2 突觸功能障礙和神經遞質的異常

2.1 突觸和神經營養因子的缺失 隨著AD的進展，患者會出現記憶喪失、認知功能衰退等癥狀的加重，這還可能與腦內神經突觸的異?；蛏窠洜I養因子的減少相關。一方面，Aβ異常沉積會導致突觸前后膜上NMDA、AMPA受體的內吞，也會阻斷突觸后膜上谷氨酸受體、乙酰膽堿受體、腦源性神經營養因子受體的激活，這將會導致突觸活力的下降。文獻[6]報道，具有輕度認知功能障礙的AD患者海馬區會出現部分神經元和突觸的缺失，而剩余的突觸則會代償性增大。在輕度AD患者中，突觸囊泡蛋白的表達量會減少25%[7]。不過Cirrito等[8]認為，神經元突觸活動的同時也能快速的增加Aβ分泌，這與突觸囊泡的胞吐作用相關。所以，突觸活動可能對AD的進展發揮調控作用。另一方面，Aβ42的聚集也會引起基底前腦腦源性神經營養因子(BDNF)表達量下降，這些區域膽堿能神經元上的神經營養因子受體表達也下調。與此相對比，Ernfors等[9]在嚙齒動物和非人靈長類動物模型中的實驗證實，BDNF治療能促進神經元的存活和增強記憶，BDNF基因治療在阿爾茨海默氏病1期臨床試驗中也顯示出了對認知功能和腦代謝的改善。事實上，BDNF有助于認知功能的提高、神經元的存活、突觸功能和記憶力的增強[10]。由于突觸和神經營養因子的缺失在AD發病過程中機制復雜，更詳細的機制還有待進一步深入探索。

2.2 膽堿能神經遞質通路異常 膽堿能系統參與學習和記憶過程，其異常也被認為是參與AD發生發展的重要因素之一。ACh的缺失會影響皮質和海馬對信息的處理，進而影響認知和行為。研究[11,12]發現，膽堿能神經元的丟失可能是AD相關精神病癥狀的主要原因。突觸前α7煙堿乙酰膽堿受體對于認知能力至關重要，而在AD早期表達水平升高，后期表達卻減少。研究[13]發現，膠質細胞上煙堿型乙酰膽堿受體(nAChRs)會影響AD神經元的存活、突觸可塑性和記憶行為。人們還發現，在AD發病過程中Meynert基底核膽堿能神經元會出現嚴重缺失。定量放射自顯影測定結果也表明，在AD動物的海馬中膽堿能遞質攝取減少，毒蕈堿和煙堿膽堿受體的表達出現下調。Lahiri等認為，乙酰膽堿酯酶也參與AD的進展；De Ferrari等[14]發現，乙酰膽堿酯酶能與生長的Aβ纖維結合，兩者相互作用可促進淀粉樣蛋白原纖維的形成。同時還有研究[15]發現，星形膠質細胞和小膠質細胞上的nAChRs也有助于腦組織內Aβ的代謝，通過吞噬和降解Aβ,降低Aβ相關的氧化應激效應，從而降低其神經毒性危害。這些研究說明，膽堿能神經遞質通路在AD發病過程中也起著一定的作用。

3 線粒體自噬功能障礙

在神經元內，Aβ的聚集會抑制線粒體代謝鏈上的關鍵酶，如細胞色素c氧化酶等，進而導致電子傳輸、ATP生成和線粒體膜電位等方面的障礙或受損。在AD患者及轉基因動物模型的受損腦結構中，從線粒體里中可分離出Aβ。Mastroeni等[16]的實驗進一步表明，這些Aβ蛋白會直接導致線粒體功能的障礙，對細胞核編碼的OXPHOS等基因產生明顯影響。Doody等發現，線粒體興奮劑鹽酸二甲雙胍可改善輕度到中度AD患者的認知功能。Lin等[17]認為，神經元內自噬/溶酶體途徑受損會導致受損線粒體清除發生障礙，異常線粒體累積增多，進一步使能量產生減少，氧化應激增加，從而增加β-分泌酶、γ-分泌酶/早老素1的分泌，會進一步導致Aβ蛋白和Tau蛋白更多聚集；聚集的Aβ蛋白和Tau蛋白反過來又會進一步造成線粒體自噬障礙，這樣就進入了惡性反饋環路，導致ATP生成的持續性不足，引起腦內神經元的死亡。所以，AD患者腦內受損神經元中出現的線粒體功能障礙，會導致能量產生不足，而這將進一步加重Aβ蛋白和Tau蛋白的沉積，構成了一個惡性循環的機制。

4 胰島素信號代謝通路異常

目前，糖耐量異常和2型糖尿病也被認為是癡呆的危險因素之一，說明血糖代謝異常、肥胖等內分泌代謝性因素也會在AD發病過程中發揮作用[18]。眾所周知，胰島素在外周系統的代謝活動與體內血糖穩態密切相關；而其在中樞神經系統中的非代謝作用近年也逐步被揭示出來[19,20]，可在缺氧和缺葡萄糖情況下影響神經元的存活、突觸形成、學習記憶功能。外周胰島素進入體內后，可通過受體介導的胞吞作用，跨越血腦屏障(BBB)，進入腦實質內。高血糖血癥患者的體內，BBB會出現自發性地葡萄糖轉運體下調，這不僅造成BBB的破壞和早期的微血管病變，而且還會影響葡萄糖轉運入腦細胞，進而影響腦內ATP和活性氧代謝物的產生[21]。血糖水平的增高會降低海馬等腦結構中胰島素降解酶表達水平。Devi等發現，腦內胰島素的缺乏會激活GSK-3β，也會增加BACE-1表達水平，這將促進腦內Aβ生成、磷酸化Tau蛋白的增強和神經元的凋亡。Zhao等[22]認為，Aβ低聚物會刺激神經元細胞膜上胰島素受體下調，然后發生細胞內胰島素信號功能障礙，出現胰島素抵抗效應，認知功能衰退隨之也會進一步加劇。

5 其他因素

5.1 膠質細胞活化等神經免疫因素的影響作用 近年來，以膠質細胞活化為主的神經性炎癥在AD發病中所發揮的作用也是人們研究的熱點。AD患者腦中的確存在反應性小膠質細胞的增生現象，例如Heneka等[23]在AD患者腦中檢測到了明顯的膠質細胞活化標志物的升高，淀粉樣斑塊周圍圍繞大量活化膠質細胞，最初可吞噬并降解Aβ，然而在長期慢性持續活化后會釋放一些自由基和其他神經毒性物質。這些被激活的星形膠質細胞也可釋放一些急性期反應產物[24]，如α1-抗凝乳蛋白酶和α2-巨球蛋白等，都可以影響AD的進展。實際上，Aβ蛋白還可通過誘導膠質細胞表達誘導型一氧化氮合酶來產生大量NO，致使神經元被殺傷。Mrak等[25]在AD動物的腦內還發現一些活化的T細胞，這些細胞能釋放出常見的炎癥因子，如強促炎癥因子IL-1、IL-6、TNF-α、IFN-γ等，其中TNF-α和IFN-γ既有神經毒性，又可降解胰島素降解酶而后者是Aβ降解的關鍵酶。所以，這些免疫因素可能也參與了AD的發病進程。此外研究[26]表明，可溶性Aβ低聚物可激活經典的補體活化路徑，產生C1q、C3或小膠質細胞補體受體CR3，進而異?；罨∧z質細胞，然后對神經元的突觸發動攻擊，從而造成突觸的損傷和缺失。而外周的局部炎性反應，如類風濕性關節炎，也可誘發中樞神經性炎癥的發生，進而影響AD病程的發展。與此相一致的是，臨床流行病學調研[27]顯示，一些服用過阿司匹林等非甾體類消炎藥的個體，能幸免于AD的患病[28]。

5.2 腸道微生物的失調對AD的影響 人類共生微生物是影響宿主健康的一個非常重要的因素，腸道微生物與大腦相互作用形成的“腸-腦軸”，可在人體內發揮重要調節作用。最近越來越多的研究表明，腸道微生物的數量和組成對情緒、精神、一些神經退行性疾病都有重要影響作用。Harach等[29]的實驗已表明，一些腸道細菌可加速AD的進展，可增加腦中Aβ斑塊的形成，進一步觸發神經炎癥反應。通過測序細菌16S rRNA，發現AD模型小鼠(淀粉樣前體蛋白轉基因小鼠)與對照小鼠擁有不同的腸道細菌組成，而無菌小鼠腦中Aβ斑塊數量明顯更少；而將健康小鼠或AD模型小鼠的腸道細菌轉移到無菌小鼠腸道內，在那些接受移植AD小鼠來源腸道細菌的小鼠，其大腦中出現Aβ斑塊的增多。Minter等的研究則表明，給小鼠長期使用廣譜抗生素治療，腸道微生物發生巨大變化，小鼠腦內淀粉樣斑塊的產生也減少。這些結果說明腸道內細菌可能在AD的進展過程中發揮重要的調節作用。Hu等[30]的研究也顯示，腸道微生物紊亂可使腸道通透性和血腦屏障通透性增加，進而加重神經退行性病變的發生；腸道微生物的代謝產物及其對宿主腦內神經生化指標的影響，也會改變AD的發病風險。以上研究提示，AD的發病進展與腸道微生物的紊亂存在密切相關性。將來通過個性化的飲食或相應的干預調節或將成為治療AD的一個新方法。

綜上所述，AD的發病機制和調節因素存在多樣化、復雜化，Aβ蛋白學說、Tau蛋白過度磷酸化、線粒體功能障礙、胰島素信號代謝通路異常、神經性炎癥異常激活、腸道微生物失調等可能在AD的發病過程中起重要作用，相關的具體分子和細胞機制還有待于進一步深入研究。近年研究顯示，人們又取得了一些新的研究突破，例如發現Ca2+的失調可導致腦中Aβ蛋白的形成和積累，引起神經元死亡和記憶缺失，這可能也是淀粉樣斑塊和NFTs的一個觸發因素；持續的病毒和細菌感染，以及隨著年齡增長而免疫力逐漸降低，則可能通過觸發慢性炎癥反應和神經免疫因素而影響AD的發病進程。最近，Kumar等[31]在線蟲、小鼠和人類神經元組織中的最新研究還顛覆了傳統主流學界的一些觀點，即Aβ蛋白也許不僅僅是大腦中存在的能引發炎癥的代謝垃圾，它也是一種抗菌肽，可能在先天免疫中發揮著保護作用，有效的防止腦組織感染真菌和細菌，反而發揮神經保護作用[31]。這樣看來，AD發病機制的研究將變的更加復雜并富有挑戰性，未來需要更多的研究去辨明Aβ蛋白的具體作用和生物學性質，需要從分子、細胞、環路等各個層面去系統了解AD的發病機制，才能更好地為我們了解、預防和控制AD提供更準確的科學依據。隨著科研水平和社會醫療技術的不斷飛速進步，以及人們對自身健康意識的提高和保護，相信AD在未來會變成一種可防可治愈的疾病。