劉雅楠,牛芬溪,劉 悅,關 君,方 芳

(北京中醫(yī)藥大學中藥學院，北京 102400)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一種與年齡相關的，以認知功能減退為主要臨床特征的神經退行性疾病，主要的病理特征為β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉積、神經原纖維纏結(neurofibrillary tangle，NFT)、神經元和突觸丟失及腦萎縮等。該病的患病率隨著年齡的增長而增加，隨著人口老齡化，預計到2050年，全球將有超過一億例AD患者[1]。少數(shù)家族型AD患者通常是因淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)、早老蛋白(presenilin-1/2，PS1/PS2)的基因突變引起[2]。而散發(fā)型AD的致病因素比較復雜，確切機制還不清楚。隨著對AD發(fā)病機制的研究，“β-淀粉樣蛋白”因能引起氧化應激、Tau過度磷酸化、突觸結構異常和功能障礙、神經細胞凋亡、學習記憶能力減退等，一直被認為是AD發(fā)病的重要原因，但針對減少Aβ沉積及毒性的藥物在臨床試驗階段并未顯示較好的逆轉AD的作用。近些年來，越來越多的證據表明，腦中的金屬離子代謝紊亂與包括AD在內的神經退行性疾病密切相關，這為尋找新的抗AD藥物靶點提供了新的思路和方向。本文綜述了金屬離子在AD的發(fā)病及進展中可能作用，以期為之后的藥物研發(fā)和臨床應用提供理論依據和研究思路。

1 人體必需金屬離子

人體必需的金屬離子在參與維持細胞結構、調節(jié)基因表達、催化酶活性，在介導神經元功能、學習、記憶相關通路的調控有特定作用，而這些金屬離子在體內特別是腦組織中分布及功能異常被認為參與了AD的發(fā)生和發(fā)展。

1.1 鐵鐵是人體生存所必須的微量元素，成年人體內的鐵含量高達5 g，其中80%存在于紅細胞血紅蛋白中，20%儲存在巨噬細胞和肝細胞內。在真核細胞內，大多數(shù)鐵儲存在鐵蛋白中，其余鐵存在于其他含血紅素的蛋白質、鐵硫簇(iron-sulfur cluster，ISC)蛋白和非血紅素、非ISC蛋白內[3]。鐵作為一種具有氧化還原活性的過渡金屬，細胞內的鐵通常以Fe2+的形式存在，通過Fenton反應或Haber-Weiss反應，F(xiàn)e2+可以被H2O2氧化生成Fe3+和高活性的羥基自由基，F(xiàn)e2+還可以與O2反應，產生超氧陰離子。正常情況下，內源性還原劑如谷胱甘肽(glutathione，GSH)或抗壞血酸可以還原Fe3+為Fe2+，清除超氧陰離子和羥基自由基，保護細胞[3]。但當細胞內鐵過量時，過量的羥基自由基和超氧陰離子會使谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等抗氧化酶失活[2]，并損傷脂質、核酸或蛋白質等大分子。

在中樞神經系統(tǒng)中，鐵參與了線粒體能量轉導、酶催化、髓鞘形成、神經遞質合成和分解等重要的生物過程。隨年齡的增加，腦內的鐵含量會逐漸增加，AD患者及中老年患者額葉皮層的斑塊和細胞中發(fā)現(xiàn)了與Aβ斑塊數(shù)量直接相關的鐵累積[4]。同樣在APP/PS1轉基因小鼠腦內皮質區(qū)、海馬區(qū)及丘腦區(qū)中β-淀粉樣斑塊的形成與持續(xù)性鐵沉積具有相關性[5]，故大腦中鐵穩(wěn)態(tài)失衡及在腦組織中的異常分布被認為可能與AD的病理變化有關。另有研究發(fā)現(xiàn)，Aβ前體蛋白APP mRNA的5′端非翻譯區(qū)含有能與鐵調節(jié)蛋白(iron regulatory protein，IRP)結合的鐵反應元件(iron response element，IRE)，當細胞內處于低鐵濃度時，IRP與IRE的結合力增強，APP的翻譯受到抑制，隨著鐵濃度的升高，APP的翻譯增加，導致Aβ的生成增加[3]。除了促進內源性APP的翻譯和表達，鐵離子還可以通過Aβ多肽鏈分子上的金屬離子結合位點與相鄰的Aβ結合，促進Aβ的聚集和老年斑的形成，引起氧化應激，而氧化應激又會促進Aβ的生成和聚集，由此形成惡性循環(huán)，最終導致神經細胞結構和功能異常。

1.2 銅正常人體內含銅量約為100～200 mg，主要有Cu+和Cu2+兩種形式，二者可通過氧化還原反應相互轉化，血液中的大部分銅都以銅藍蛋白的形式運輸至全身各系統(tǒng)。銅離子可以通過血腦屏障分布到腦脊液和腦實質中，大腦中的銅含量大約占全身銅含量的7.3%。

雖然目前關于體內銅水平的高低與AD的相關性尚未完全明確。但研究發(fā)現(xiàn)AD患者血清銅水平明顯高于健康者。此外，AD患者血清銅藍蛋白(ceruloplasmin， CER)水平隨著認知功能損害程度的升高而降低[6]。與鐵類似，銅也參與了細胞氧化應激和Aβ的生成。Cu+通過參與Fenton和Haber-Weiss反應，降低谷胱甘肽活性和銅依賴酶的表達促進羥基自由基的產生。淀粉樣前體蛋白APP中存在兩個銅結合位點，分別存在Aβ區(qū)域和N末端區(qū)域。當Cu2+與N端的銅結合位點CuBD結合后會被還原生成Cu+，從而增加細胞內銅離子水平，促進自由基的形成，導致銅介導的神經毒性的產生[7]。然而有研究者發(fā)現(xiàn)，CuBD與銅離子的結合具有神經保護作用，可以改善銅離子誘導的空間記憶障礙、減輕神經細胞丟失和星形膠質細胞增生等神經毒性[8]。這種差異可能是由于細胞對銅離子的攝取不同有關。此外，Aβ合成的限速酶β-分泌酶1(β-secretase1，BACE1)的C末端存在一個Cu+結合位點，其活性受銅水平的調節(jié)。Cater[9]等在富銅培養(yǎng)的纖維母細胞培養(yǎng)基中檢測到α-分泌酶裂解產物水平較對照組顯著升高，而在銅缺乏的纖維母細胞中APP蛋白從α-分泌酶裂解變?yōu)棣?分泌酶裂解，這提示銅缺乏可能會升高BACE1的活性，從而增加Aβ的分泌。

由于CER還可以將二價鐵離子氧化生成三價鐵離子，促進鐵與轉鐵蛋白的結合。體內銅含量降低時會影響銅藍蛋白的合成，進一步會導致鐵的過度累積，引發(fā)一系列的神經毒性反應。

1.3 鋅人體的鋅含量約為2 g，主要存在于肌肉組織、肝臟和腦組織中。鋅主要參與人體細胞增殖分化、生長發(fā)育、酶活性調節(jié)等生理功能。中樞神經系統(tǒng)的鋅穩(wěn)態(tài)主要由三類蛋白質調節(jié)，包括膜鋅轉運蛋白(zinc transporters，ZnTs)、鋅鐵調節(jié)轉運蛋白(zinc-regulated transporters, Iron-regulated transporter-like protein，ZIP)和金屬硫蛋白(metallothionein，MTS)[10]。在腦中，海馬、杏仁核、大腦皮層、丘腦和嗅覺皮質等區(qū)域均有鋅累積，大腦中的鋅主要以與金屬蛋白或酶結合的形式存在，約有10%的鋅以游離鋅離子(Zn2+)的形式儲存在谷氨酸能興奮性神經元的突觸前小泡中，分泌到突觸間隙中的鋅離子可以與多種神經遞質受體如N-甲基-D-天冬氨酸受體、γ-氨基丁酸受體、甘氨酸受體等結合來調節(jié)大腦的興奮性。突觸鋅在調節(jié)突觸可塑性和長時程增強(long-term potentiation，LTP)、促進學習和記憶過程中也發(fā)揮至關重要的作用。在海馬苔蘚纖維的突觸末梢中發(fā)現(xiàn)了高濃度的鋅[11]，這也證明了鋅在維持認知功能方面可能發(fā)揮的關鍵作用。

鋅在老年斑和淀粉樣蛋白沉積中的含量顯著升高。Aβ的N-末端的H6、H13和H14是鋅離子的結合位點，Zn2+通過破壞N-末端的螺旋結構、誘導C-末端的β片層形成以及鏈內和鏈間鹽橋的形成促進Aβ形成寡聚體[12]。鋅離子還可以通過抑制α-分泌酶的切割來影響APP，促進Aβ的產生。Tian等[13]研究發(fā)現(xiàn)，鋅處理組小鼠大腦中老年斑程度顯著增加，體外能明顯降低細胞活力。

另有研究發(fā)現(xiàn)，隨著含鋅神經元的增多，神經纖維纏結的分布明顯增加。鋅離子可以與Tau-R3特異性結合，并能夠促進其聚集，同時能夠增強Tau-R3的細胞毒性，增加ROS的產生[14]。Sun等[15]發(fā)現(xiàn)100 μmol·L-1的外源鋅就可以直接誘導Tau磷酸化，在谷氨酸和Bic/4-AP誘導的大鼠腦片中發(fā)現(xiàn)蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)活性顯著降低，提示突觸釋放的鋅可能通過抑制PP2A促進Tau蛋白的過度磷酸化。

1.4 鎂鎂離子(Mg2+)是哺乳動物細胞中含量第二高的陽離子，它參與了細胞中許多重要過程，如酶促反應、代謝循環(huán)和細胞信號傳導等。在神經系統(tǒng)中，鎂能夠與N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)受體相互作用，并對NMDA受體中的鈣通道具有阻滯作用，抑制谷氨酸興奮信號產生，而低濃度的鎂離子則會增強谷氨酸能的神經傳遞，產生興奮性神經毒性。

AD患者的大腦、血清中鎂離子水平降低[16]，故推測與AD的發(fā)病有關。Yu等[17]發(fā)現(xiàn)低濃度(0.0～0.4 mmol·L-1)的鎂離子可以顯著升高細胞的Aβ水平，而高濃度(1.2～4.0 mmol·L-1)的鎂離子對Aβ的釋放無明顯影響。Xu等[18]用鎂治療AD模型大鼠，可以通過抑制糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)來減少Tau蛋白的過度磷酸化，對實驗大鼠的認知功能和突觸可塑性也有一定的改善作用。

2 人體非必需金屬離子

2.1 鋁鋁是一種地球上含量豐富的金屬元素，鋁離子主要通過轉鐵蛋白(transferrin，TF)-轉鐵蛋白受體(transferrin receptor，TFR)介導的內吞作用穿過血腦屏障進入大腦，含鋁化合物也可以通過嗅黏膜/嗅球屏障進入大腦，微量的鋁也可以通過脈絡叢進入大腦。腦內鋁的半衰期約為150 d左右。體內過量的鋁具有神經系統(tǒng)毒性，是造成包括AD在內的多種神經退行性疾病的危險因素。AD患者腦組織中老年斑塊和神經纏結中鋁含量顯著升高，并且與淀粉樣蛋白具有顯著相關性。AlCl3可以誘導大鼠海馬區(qū)Aβ1-42和p-tau蛋白的含量分別高出正常對照組3.5倍和3.2倍，而乙酰膽堿酯酶(acetyl cholinesterase，AChE)含量是正常對照組的3.4倍[19]。鋁離子處理SH-SY5Y細胞，能增加細胞中Aβ表達，降低APP水平。由于有報道稱鋁離子暴露可下調BACE1和BACE2[20]，故可能有其他機制促進APP向Aβ的轉化。

鋁的過載會破壞鐵穩(wěn)態(tài)。鋁的增加使TFR的數(shù)量增加，從而導致鐵吸收的增加和鐵蛋白數(shù)量的減少，鐵蛋白的減少可能會導致更高水平的游離鐵，鐵穩(wěn)態(tài)的破壞導致后續(xù)一系列的氧化應激和神經毒性反應。

2.2 汞汞(Hg)是對人體有害的重金屬之一，其主要以汞元素、無機汞、和有機汞(甲基汞、乙基汞)三種形式存在。汞蒸氣具有高度揮發(fā)性和脂溶性的特點，可以通過呼吸和皮膚進入人體，穿過血腦屏障和脂質細胞膜，并以無機形式積累到細胞中。在神經細胞內，汞可以被氧化為Hg2+的形式，汞離子會與細胞內的分子如谷胱甘肽、酶等反應，抑制它們的活性從而損害細胞的正常功能。此外，汞通過誘導脂質過氧化反應和細胞凋亡，干擾神經遞質的正常傳遞等作用發(fā)揮神經毒性。有研究顯示，AD患者的腦組織和血液中汞濃度升高。通過分析汞和70個與AD相關的因素之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)包括Aβ形成、神經纖維纏結、磷酸化tau蛋白以及記憶力喪失等AD的標志性特征都可以歸因于汞。AD中神經遞質如乙酰膽堿、谷氨酸等的抑制作用以及γ分泌酶、環(huán)氧合酶-2等的酶功能障礙均可以由汞毒性引起。汞可以抑制海馬DNA合成，與AD的PS1、PS2的基因突變有關[21]。Wallin等[22]研究發(fā)現(xiàn),Hg2+離子可以與Aβ肽N端部分的His6、His13和His14殘基進行特異性結合，提示汞可能參與了AD相關的β-淀粉樣蛋白的聚集過程。

3 金屬離子靶向治療研究除了靶向β-淀粉樣蛋白和Tau蛋白之外，金屬離子的靶向調節(jié)也逐漸獲得了廣泛關注。金屬螯合是金屬離子通過兩個或兩個以上配位鍵與配體離子形成具有配位五元或六元環(huán)結構的螯合物的過程，目前研究已經發(fā)現(xiàn)多種金屬離子螯合劑具有改善AD病理過程的作用。研究發(fā)現(xiàn)臨床治療鐵中毒常用的鐵螯合劑去鐵酮(deferiprone，DFP)可以顯著降低模型小鼠的腦鐵含量和Tau蛋白磷酸化，改善空間記憶障礙[23]。Zhao等[24]用特定的Cu2+螯合劑TDMQs治療3種AD模型小鼠，均能改善小鼠的認知和行為障礙。Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)用聚乙二醇修飾的Zn2+結合肽殼聚糖納米顆?？筛纳艫PP/PS1雙轉基因小鼠的認知能力，并減少小鼠腦內Aβ斑塊沉積。

4 總結

綜上所述，機體內金屬離子穩(wěn)態(tài)對于神經系統(tǒng)正常的生理功能至關重要。鐵、銅、鋅、鎂等人體必需金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡以及鋁、汞等非必需金屬離子均可影響淀粉樣蛋白的產生及降解，Tau蛋白的磷酸化以及促進氧化應激等反應，產生神經毒性，不同程度的參與AD的病理進展。針對金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡的抗阿爾茨海默病治療已有初步的臨床試驗在進行中，但目前金屬離子與AD的相關性研究如AD不同階段金屬離子穩(wěn)態(tài)失衡的調控，各種金屬離子含量的增多或減少對AD不同階段的影響，不同金屬離子相互影響的時間和空間的關系等還有待更深入的研究，為更好的開發(fā)以金屬離子轉運和分布為靶向的抗AD藥物提供理論基礎和實驗依據。