重金屬暴露與阿爾茨海默病發生發展關系的研究進展*

朱振坤， 李金泉， 曾 燕

武漢科技大學腦科學先進技術研究院，武漢430070

在過去幾十年，工業發展對環境和人體健康的影響日益引起人們的關注。重金屬在多種環境中普遍存在，是環境污染的主要組成部分。通過流行病學調查和實驗研究發現，重金屬暴露與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)的病理發生機制有關。下面將討論重金屬可能促進AD病理發生的重要機制。

AD是最常見的神經退行性疾病，可導致老年人記憶力減退和進行性認知功能下降。截止2018年，全世界有5000萬人患有癡呆癥，預計到2050年，該數字將會增加3倍，達到1.52億，其中AD約占其中的60%～80%[1]。目前，在中國已有AD患者1000萬[2]，2040年預計將超過2600萬[3]，已經成為重大腦疾病，給社會及家庭帶來沉重負擔。在與人類有關的化學元素中，重金屬在健康和疾病中都起著重要作用。隨著工業快速發展及環境保護不足，重金屬污染情況日益嚴重[4]，某些重金屬，比如鉛、鋁和鎘的神經毒性已經引起了人們的重視[5-7]，相關研究也逐漸增多。本文綜述了近年來關于重金屬神經毒性與AD病理學之間的相關性研究，旨在為研究AD的病理機制提供新視角。

1 AD特征性病理變化與重金屬神經毒性

AD的特征性神經病理學表現包括細胞外β-淀粉樣蛋白(amyloid beta，Aβ)沉積和細胞內過度磷酸化Tau蛋白形成的神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFT)[8]?！暗矸蹣拥鞍准僬f”依然是目前主要的發病機制假說，其核心觀點是Aβ聚集引發包括過度磷酸化Tau蛋白在內的系列神經毒性和神經元損傷，累積性神經元丟失易出現在內側顳葉、海馬等與學習記憶功能高度相關的腦區，患者常常首先表現為記憶力減退。隨著神經元損傷范圍增大，患者逐漸出現進一步的認知功能障礙、精神情感癥狀以及日常生活能力喪失[9]。值得注意的是，Aβ在正常衰老過程中也會產生，通過淀粉樣蛋白生成途徑對淀粉樣前體蛋白(amyloid protein precursor，APP)進行蛋白水解處理。在該途徑中，APP經β-分泌酶和γ-分泌酶復合物加工后，產生Aβ、可溶性APPβ(sAPPβ)和淀粉樣蛋白胞內域(amyloid beta intracellular domain，AICD)?；蛘?，APP通過非淀粉樣生成途徑加工產生AICD、可溶性APPα(sAPPα)，而不是Aβ[10]。另一方面，Tau異常聚集成不可溶的成對螺旋細絲(pairs of spiral filaments，PHF)，是細胞體和神經元頂端樹突中發現的NFT的主要成分[11]。在病理條件下，Tau在“病理”位點被過度磷酸化，導致微管蛋白(microtubulins，MTs)解聚，軸突運輸聚集或中斷[12]。

AD是高度異質性疾病，發病機制復雜，涉及遺傳、環境以及表觀遺傳與環境因素的相互作用[8]。根據發病年齡，通常將AD分為兩種類型：早發性AD(early-onset AD，EOAD)和遲發性AD(late-onset AD，LOAD)[9]。早發性AD與APP、早老素1(presenilin 1，PSEN1)及早老素2(PSEN2)中的特定基因突變直接相關，二者均與Aβ合成有關[10]。遲發性AD，是最常見的AD形式，占所有病例的95%，雖然也牽涉到某些遺傳風險因素，例如載脂蛋白E(ApoE)、ApoE神經元受體(SORL1)以及糖原合酶激酶3β(GSK3β)，載脂蛋白E的ε4同工型(ApoE4)已被廣泛認為是遲發性AD的最重要遺傳危險因素[11]。但更多情況下，AD沒有明確的發病原因，大量研究發現，重金屬暴露是AD的一個重要危險因素[13]。

在過去30年，中國工業化快速發展及環境保護不足引起嚴重的環境污染，其中之一就是土壤中和水體中的重金屬污染[4]，比如，鉛、鋁、鎘、錳、鐵和銅等重金屬廣泛存在于自然界，通過工業開采進入到生物圈[14]，通過冶煉、工業廢料、化肥制造、油漆、農業和其他工業活動而被人類接觸，或者通過呼吸和飲食、飲水而被攝入[14]。其中鉛、鋁、鎘等重金屬被認為有全身毒性，過量接觸會引起腎臟、肝臟和大腦等多種器官損傷[5]，導致腎毒性、肝毒性和神經毒性[6]。大腦是重金屬的一個重要靶器官，重金屬可以通過血腦屏障，進而產生神經毒性，造成大腦損傷[7]。

2 重金屬與AD發生之間的關系

大量研究表明，環境中重金屬暴露與AD的發病有關[15]。從生理需要角度，有些金屬是人體必需微量元素(例如鐵、鋅、銅、錳)，但這些金屬在過量或其他形式下也對人體有害。這些金屬通常是較大生物蛋白的基本成分，因而可以與其他蛋白相互作用或調節其在生物體中的相對水平[16]。另外，微量有毒金屬(例如鉛、鎘、鋁、汞)，也會因為破壞了必需微量金屬的生理活性而產生毒性，即使在較低的接觸水平下也會引起神經的損傷。研究發現，在AD海馬和杏仁核中發現鐵、鋅和銅等金屬水平異常與這些區域表現出的嚴重組織病理學改變有關[17]。其機制可能是重金屬與Aβ相互作用，加重了淀粉樣沉積[18-19]，主要證據就是AD患者淀粉樣蛋白沉積物中發現必需微量金屬[18]。另外，多種重金屬如鎘、鉛和砷協同作用，通過增加APP、淀粉蛋白前β-分解酶1(BACE1)和PSEN1表達，進一步增強淀粉樣蛋白的形成，表明重金屬的協同作用促進AD發生。這種協同作用可能在生命的早期即對神經產生了損害，比如，將妊娠大鼠暴露于鋁、鎘和鉛混合物，能誘導發育中的幼鼠出現早發性AD樣病理學表現，提示重金屬可以通過增加APP生成，促進淀粉樣蛋白形成[19]。重金屬損傷另一個機制是在細胞和器官水平破壞金屬穩態[20]，而金屬穩態的破壞與AD之間有著密切的關系[21]。

3 與AD發生相關的主要重金屬暴露

3.1 鉛暴露

鉛(Plumbum，Pb)是一種有毒金屬，也是最普遍存在的環境污染物之一。近幾十年來對鉛的神經毒理學認知得到了發展，最新報告表明暴露于鉛對人體有不利影響，尤其是對發育中的中樞神經系統(CNS)不利。一項基于人群的調查研究，分析了529名有機鉛暴露工人的脛骨中鉛含量及其與已知的AD危險因素APOE基因型的關系，該研究得出的結論是，具有APOE 4基因的個體，鉛對其產生的毒性作用更加明顯[22]。大量研究表明，鉛暴露可產生AD相關的Aβ、Tau和神經炎性等多方面病理改變。流行病學報告表明，嬰兒期鉛暴露導致動物模型中AD樣病理發展[23]，增加APP和β-分泌酶1(BACE1)表達，誘導海馬和皮質中的Aβ積累和斑塊形成，導致了AD樣病理改變[24]。另一項研究還報道，發育中大鼠暴露于鉛后可通過對APP基因的影響，促進淀粉樣蛋白生成，誘導衰老大鼠神經元細胞中APP和BACE1的表達增加[25]。體外研究表明，用鉛處理神經母細胞瘤細胞(SH-SY5Y)顯著降低DNA甲基化酶的mRNA和蛋白質水平，引起甲基化不足，并激活轉錄因子Sp1和Sp3，同時上調AD相關基因APP、BACE1的表達，從而導致APP蛋白表達增加和Aβ降解降低[26]。鉛的暴露還會導致總Tau和過度磷酸化Tau的水平增加。體外研究顯示鉛暴露會增加SH-SY5Y細胞中Tau和磷酸化Tau的蛋白質水平，伴隨著細胞周期素依賴蛋白激酶5(CDK5)和p25蛋白增加[27]。發育期小鼠鉛暴露會增加衰老過程中絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶活性和CDK5蛋白水平，同時增加Tau蛋白和mRNA的表達，共同促進NFT的形成[28-29]。鉛處理SH-SY5Y細胞，可激活糖原合成酶激酶-3(GSK-3β)和Caspase-3介導的Tau磷酸化，導致NFT的形成[30]。另外，鉛暴露增加炎癥發生，導致神經元死亡。已經證明低劑量鉛暴露會誘導小膠質細胞的活化和部分細胞因子釋放(如IL-1β和TNF-α)，并上調誘導型一氧化氮合酶(iNOS)的表達，導致海馬神經元損傷[31]。鉛激活Toll受體(TLR)會導致促炎細胞因子的合成增加，并產生活性氮和ROS[32]。以上研究表明，長期鉛暴露是青少年和成人健康的危險因素，可能增加患AD的風險。

3.2 鎘暴露

鎘(Cadmium，Cd)在美國毒物與疾病登記署(ATDSR)排名中，是環境污染物中排名第7的毒性重金屬，廣泛分布于自然環境和工業生產基地。流行病學研究顯示老年人血鎘水平與AD死亡率顯著相關[33]。已知鎘可穿過血腦屏障，長期接觸鎘會導致其在大腦中蓄積，激活腦神經元多種信號級聯反應，刺激炎癥反應、氧化應激，并導致神經元死亡，影響注意力和認知功能[7]。動物研究表明，鎘的神經毒性與AD病理中的淀粉樣蛋白形成、Tau過度磷酸化和細胞過氧化關系密切[34]。在APP/PS1轉基因小鼠中，鎘暴露可抑制α-分泌酶的活性，導致APP通過β-分泌酶途徑代謝更多，伴隨著皮質和海馬中Aβ過量產生，老年斑(senile plaques，SP)的數量和大小均增加[35]。鎘、鉛和砷的協同作用增加了APP、BACE1和PSEN1表達，增強淀粉樣蛋白形成[36]。除了對Aβ的影響外，鎘暴露會引起Tau過度磷酸化。鎘可以通過結合細胞內微管結合結構域的第3個重復序列來促進Tau蛋白構象變化，引起自身聚集[37]。此外，鎘處理SN56細胞阻斷毒蕈堿M1受體，引起乙酰膽堿酯酶(AchE)和GSK-3β的過表達，隨后Tau總蛋白和磷酸化Tau蛋白水平增加[35，38]。低劑量鎘處理星形膠質細胞，能激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信號傳導途徑，引起IL-6和IL-8釋放水平升高，導致神經炎癥和神經元死亡[39]。以上研究表明，鎘可能是誘導AD病理發展的因素之一。

3.3 鋁暴露

鋁(Aluminum，AL)并非生命必不可少的重金屬，而是一種公認的神經毒素。由于鋁在環境中無處不在，人類日常生活中不可避免地會接觸到鋁。我們飲食中攝入的大部分鋁化合物，會導致氧化損傷并影響大腦的神經信號傳導，這些因素可能導致神經元死亡和誘發神經退行性病變[40-41]。流行病學研究報道，在飲用水中鋁含量高的地區，AD患病率或AD死亡率較高，這表明鋁與AD之間有很強的聯系[42]。動物研究發現，在轉基因小鼠AD模型中，使用鋁可加速Aβ斑塊的積累并增強淀粉樣蛋白生成，盡管這種作用可通過抗氧化劑治療消除[43]。此外，在培養的神經元中發現，長期暴露于鋁可誘導β-淀粉樣蛋白的構象變化并增強其在體外的聚集，且纖維狀沉積物分布細胞表面[44]。體內實驗中發現，鋁暴露的SD大鼠，通過激活淀粉樣蛋白生成途徑，增加Aβ1-42的表達，降低了與Aβ分解代謝相關的一些關鍵酶的活性，表明Aβ降解可能減少[45]。同時，鋁具有誘導神經原纖維變性和促進類似于AD患者大腦中NFT的纏結狀結構外觀的能力。在體外實驗中，用鋁處理PC12細胞，通過增強AKT/GSK-3β信號通路，抑制Tau的去磷酸化并增強其聚集[46-47]。此外，小鼠長期攝入鋁化合物，鋁化合物對脂質過氧化物的金屬相關分解有影響，刺激鐵誘導的膜脂質過氧化并引起氧化損傷[48]。在鋁處理過的果蠅中發現，鋁與鐵相互作用后生成不穩定的鐵，從而增加了細胞內的游離鐵，進而導致了活性氧(ROS)的形成[44]?？傊?，從關于鋁和AD之間聯系的流行病學研究結果和動物實驗證據都支持鋁暴露可能在AD發病機制中起輔助作用的假設。

3.4 鐵暴露

鐵(Iron，Fe)是保持人類健康必不可少的微量元素。在正常人血漿中，鐵主要以Fe3+形式存在，并與高親和力的鐵結合蛋白及鐵轉運蛋白結合。它還可以調節多種細胞功能，例如能量代謝[49]、氧轉運[50]、神經發育[51]、DNA合成和修復以及信號傳導[52]。細胞內異常的鐵穩態改變被認為與神經系統疾病的病理變化有關[53]。雖然腦鐵缺乏會導致兒童認知發育缺陷，例如注意力缺陷多動障礙[54]，但其在成年人體內的過度積聚，也會引起包括AD在內的神經退行性疾病[55-56]。鐵的過量沉積與AD標志物(Aβ和NFT)之間存在關聯[57]。鐵聚集增加Aβ對鐵的親和力，并且這種結合增強了Aβ神經元毒性[58-59]。在APP/PS1小鼠模型中，12個月大的APP/PS1小鼠的額葉皮質中二價金屬轉運蛋白1(DMT1)升高和鐵轉運蛋白1(FPN1)降低，引起腦鐵蓄積，導致Aβ沉積，表明AD損傷與腦鐵負荷有關[60]。研究發現，DMT1的藥理抑制作用似乎還通過抑制CDK5和GSK-3β活性，而降低鐵誘導的SH-SY5Y細胞中的Tau[61]。除以上提到的對Aβ和Tau相關的神經毒性外，大腦中鐵的積累隨著年齡的增長而加劇，并常常與氧化應激、慢性神經炎癥和細胞損傷有關[62]。在線粒體鐵蛋白基因(FTMT)敲除小鼠模型中，線粒體鐵蛋白基因缺失加劇了Aβ肽引起的神經系統損傷，該過程與細胞內鐵的積累和氧化應激水平的升高有關[63]。Aβ還可激活小膠質細胞(IMG)中的核因子κB(NF-κB)信號傳導來刺激白細胞介素-1β(IL-1β)表達，加劇Aβ的促炎作用，增加IL-1β水平。值得注意的是，鐵累積毒性引起大腦免疫系統變化，比如老年人和AD患者大腦中的小膠質細胞營養不良與鐵蛋白免疫反應性有關[64]。腦出血破壞鐵穩態也增強小膠質細胞增生和星形膠質細胞增生，并導致促炎性細胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和IL-1β升高[65]?？傊?，這些研究表明鐵穩態改變可促進AD病理的發生發展。

3.5 鋅暴露

鋅(Zinc，Zn)作為大腦中最豐富的必需元素之一，在神經系統發育和神經干細胞的分化中起著至關重要的作用。在大腦中，鋅也以其游離離子形式(Zn2+)存在，并富集在谷氨酸能神經末梢的突觸小泡中，在神經元受到刺激時，從突觸前膜釋放[66-67]。然而，鋅穩態失衡被認為是某些神經退行性疾病的重要影響因素[20]。AD患者的SP和NFT中鋅濃度相對于正常對照組中的鋅濃度分別增加了3倍和2.3倍[68]。細胞外過量的鋅會促進神經毒性并影響蛋白質聚集[69-70]。在突觸傳遞過程中，細胞外鋅的濃度上升至300 μmol/L，可能導致大腦中Aβ沉積[71]，影響突觸傳遞效率。在ZnT3基因敲除小鼠(一種缺乏突觸前囊泡鋅的轉基因模型)中，發現突觸性鋅缺乏導致AD相關功能障礙發生[72]。有趣的是，鋅也可以通過非磷酸化依賴性途徑調節Tau病理，其中鋅直接結合Tau并促進其聚集[73]，或神經元內和神經外鋅升高觸發Tau異常變化，通過抑制蛋白磷酸酶2A(PP2A)[74]和激活Tau磷酸化激酶(GSK-3β)來刺激Tau過度磷酸化[75]，這些機制最終導致磷酸化Tau增加，加劇AD中Tau的病理發生。前面已經多次提到氧化應激是導致AD發展的另一個因素，ROS或外源性氧化劑可促進金屬硫蛋白釋放有害的鋅[75-76]。在表達突變APP、PSEN1和Tau基因的神經元中，鋅的積累反過來會引起線粒體功能障礙，促進氧化應激發生[77-78]。然而，最近的研究顯示，小膠質細胞可能在鋅平衡中發揮著更直接的作用[79]。小膠質細胞可以通過鋅鐵轉運蛋白(ZIP1)直接攝取鋅，而ZIP1也是小膠質細胞激活的觸發器。在一項研究中發現，激活的小膠質細胞釋放出的ROS導致神經元內Zn2+的釋放，以及神經元電壓-門控K+電流的增加導致神經元細胞死亡[80]。這些研究結果顯示鋅在AD發病機制中的重要作用，并支持恢復鋅穩態是治療AD的潛在策略。

3.6 銅暴露

銅(Copper，Cu)是人體中必需的微量元素，主要分布在肝臟、肌肉和大腦中[81-82]。該微量元素是與能量代謝有關的許多酶的輔助因子，并具有抗氧化應激的作用，因此，它參與了多種生理功能途徑[83]。但是銅穩態失衡會產生嚴重的病理性后果，銅缺乏[84-85]和銅過載[86]都與人類疾病有關。AD患者血清銅水平高于健康對照組，血清中的不穩定銅水平較高，不良的認知表現和從輕度認知障礙到AD的轉化率就升高[87-88]。大腦生物金屬(例如鐵、銅、鋅)的穩態酶可能與AD的神經病理學有關[89-90]，在死后AD大腦和AD小鼠模型海馬中的不溶性Aβ淀粉樣斑塊具有異常富集的銅、鐵和鋅[91-92]。關于Tau相關病理變化，Tau蛋白被證明與銅結合，幫助NFT形成[93-94]。關于氧化應激方面，Tau與銅結合時表現出氧化還原活性，進一步促進了大腦的氧化損傷[95]。在二價狀態下，Cu2+可能通過Tau蛋白參與過氧化氫的產生[95]，并可增強促氧化劑的作用[96]。此外，銅對神經元的細胞毒性作用伴隨著ROS產生和蛋白酶Caspase-3/7活性增加，以及谷胱甘肽和ATP被耗竭[97]。銅增強Aβ對小膠質細胞活化，增加神經毒性。銅-Aβ復合物以依賴于NF-κB的方式誘導小膠質細胞活化以及TNF-α和一氧化氮的釋放。然而，單獨用銅或Aβ處理時未觀察到這些復合物產生的作用[98-99]?？偠灾?，這些研究表明過量的銅可促進AD病理性改變，因此應考慮控制銅穩態。

3.7 錳暴露

錳(Manganese，Mn)是人體組織中的關鍵微量元素，對細胞內穩態具有重要的生理作用[100]，錳還是參與正常細胞功能的關鍵酶，如抗氧化酶Mn-超氧化物歧化酶(Mn-SOD)和谷氨酰胺合成酶的輔助因子。越來越多的研究發現，錳超載與神經退行性疾病有關，例如AD、帕金森病和亨廷頓病[101]。與健康受試者相比，在患有癡呆癥人群的大腦中檢測到的錳水平明顯更高，而在頂葉皮層中檢測到的錳水平最高[102-103]，這表明錳超負荷可能與AD的病理發生和認知功能障礙有關。動物研究發現，暴露于錳的APP/PS1小鼠，可改變Aβ相關基因表達，并且在體外和體內都增加了Aβ肽的水平，涉及的機制可能與Aβ降解的破壞有關[103]。在Tau病理方面，APP/PS1小鼠模型中發現Mn-SOD的部分缺乏增加了Aβ斑塊沉積和Tau磷酸化[104-105]。在氧化損傷方面，因為這種金屬過度的氧化還原活性，使得過量的錳暴露會直接引起自由基的形成，導致膜脂質、DNA、氨基酸、神經遞質和其他相關生物分子的直接氧化[106]。在AD患者中高錳水平與低抗氧化劑防御能力呈正相關，通過谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活性降低和脂質過氧化作用增強，使得丙二醛(MDA)升高，導致過量的ROS產生[107]。同樣，錳會誘導自噬中炎癥的激活，從而導致小鼠海馬依賴性學習和記憶受損[108]。在免疫損傷方面，錳對小膠質細胞和星形膠質細胞產生深遠的影響，激活炎癥反應，促進這些細胞相關的神經毒性作用[108-109]?？傊?，以上研究表明，高錳可能是AD病理發生的潛在風險。

3.8 汞暴露

汞(Mercury，Hg)是另一種重金屬，由于其極高的毒性而備受公眾關注。甲基汞(MeHg)是有機汞的主要環境來源，它既可通過工業生產過程直接產生，還可通過生活在土壤和河流中的微生物的作用間接形成。長期或急性接觸汞蒸氣會導致肺功能損傷、精神疾病以及神經退行性病變[110]。汞和AD病理發生發展的相關性，已在多種動物模型和體外實驗中進行了研究。研究表明，MeHg處理PC12細胞，通過APP的過量產生以及中性溶酶介導的Aβ降解的減少而增加了Aβ1-40的積累[111]。在培養的SH-SY5Y細胞中，HgCl2處理可顯著增加Aβ1-40和Aβ1-42的分泌以及磷酸化Tau的水平。此外，MeHg還通過激活JNK途徑以選擇性方式誘導大腦皮層中的Tau過度磷酸化[112]。研究報道，汞處理SH-SY5Y細胞，導致細胞內的谷胱甘肽(GSH)水平降低，褪黑素可以保護細胞免受汞引起的GSH損失，表明汞可導致氧化應激反應[113]。這些研究表明汞促進AD病理發生和發展，但汞對AD的神經毒性的潛在機制尚有待進一步的研究來闡明。

4 小結

本文通過總結流行病學報道和動物實驗研究，從Aβ、Tau和神經炎性3個主要的病理改變角度，闡述了8種重金屬與AD病理變化產生和加重之間的相關性。提出減少環境重金屬污染物的暴露，維持細胞和組織水平的金屬穩態對預防AD病理發生和加重，保護腦健康至關重要。