重金属暴露与阿尔茨海默病发生发展关系的研究进展*

朱振坤， 李金泉， 曾 燕

武汉科技大学脑科学先进技术研究院，武汉430070

在过去几十年，工业发展对环境和人体健康的影响日益引起人们的关注。重金属在多种环境中普遍存在，是环境污染的主要组成部分。通过流行病学调查和实验研究发现，重金属暴露与阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)的病理发生机制有关。下面将讨论重金属可能促进AD病理发生的重要机制。

AD是最常见的神经退行性疾病，可导致老年人记忆力减退和进行性认知功能下降。截止2018年，全世界有5000万人患有痴呆症，预计到2050年，该数字将会增加3倍，达到1.52亿，其中AD约占其中的60%～80%[1]。目前，在中国已有AD患者1000万[2]，2040年预计将超过2600万[3]，已经成为重大脑疾病，给社会及家庭带来沉重负担。在与人类有关的化学元素中，重金属在健康和疾病中都起着重要作用。随着工业快速发展及环境保护不足，重金属污染情况日益严重[4]，某些重金属，比如铅、铝和镉的神经毒性已经引起了人们的重视[5-7]，相关研究也逐渐增多。本文综述了近年来关于重金属神经毒性与AD病理学之间的相关性研究，旨在为研究AD的病理机制提供新视角。

1 AD特征性病理变化与重金属神经毒性

AD的特征性神经病理学表现包括细胞外β-淀粉样蛋白(amyloid beta，Aβ)沉积和细胞内过度磷酸化Tau蛋白形成的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFT)[8]。“淀粉样蛋白假说”依然是目前主要的发病机制假说，其核心观点是Aβ聚集引发包括过度磷酸化Tau蛋白在内的系列神经毒性和神经元损伤，累积性神经元丢失易出现在内侧颞叶、海马等与学习记忆功能高度相关的脑区，患者常常首先表现为记忆力减退。随着神经元损伤范围增大，患者逐渐出现进一步的认知功能障碍、精神情感症状以及日常生活能力丧失[9]。值得注意的是，Aβ在正常衰老过程中也会产生，通过淀粉样蛋白生成途径对淀粉样前体蛋白(amyloid protein precursor，APP)进行蛋白水解处理。在该途径中，APP经β-分泌酶和γ-分泌酶复合物加工后，产生Aβ、可溶性APPβ(sAPPβ)和淀粉样蛋白胞内域(amyloid beta intracellular domain，AICD)。或者，APP通过非淀粉样生成途径加工产生AICD、可溶性APPα(sAPPα)，而不是Aβ[10]。另一方面，Tau异常聚集成不可溶的成对螺旋细丝(pairs of spiral filaments，PHF)，是细胞体和神经元顶端树突中发现的NFT的主要成分[11]。在病理条件下，Tau在“病理”位点被过度磷酸化，导致微管蛋白(microtubulins，MTs)解聚，轴突运输聚集或中断[12]。

AD是高度异质性疾病，发病机制复杂，涉及遗传、环境以及表观遗传与环境因素的相互作用[8]。根据发病年龄，通常将AD分为两种类型：早发性AD(early-onset AD，EOAD)和迟发性AD(late-onset AD，LOAD)[9]。早发性AD与APP、早老素1(presenilin 1，PSEN1)及早老素2(PSEN2)中的特定基因突变直接相关，二者均与Aβ合成有关[10]。迟发性AD，是最常见的AD形式，占所有病例的95%，虽然也牵涉到某些遗传风险因素，例如载脂蛋白E(ApoE)、ApoE神经元受体(SORL1)以及糖原合酶激酶3β(GSK3β)，载脂蛋白E的ε4同工型(ApoE4)已被广泛认为是迟发性AD的最重要遗传危险因素[11]。但更多情况下，AD没有明确的发病原因，大量研究发现，重金属暴露是AD的一个重要危险因素[13]。

在过去30年，中国工业化快速发展及环境保护不足引起严重的环境污染，其中之一就是土壤中和水体中的重金属污染[4]，比如，铅、铝、镉、锰、铁和铜等重金属广泛存在于自然界，通过工业开采进入到生物圈[14]，通过冶炼、工业废料、化肥制造、油漆、农业和其他工业活动而被人类接触，或者通过呼吸和饮食、饮水而被摄入[14]。其中铅、铝、镉等重金属被认为有全身毒性，过量接触会引起肾脏、肝脏和大脑等多种器官损伤[5]，导致肾毒性、肝毒性和神经毒性[6]。大脑是重金属的一个重要靶器官，重金属可以通过血脑屏障，进而产生神经毒性，造成大脑损伤[7]。

2 重金属与AD发生之间的关系

大量研究表明，环境中重金属暴露与AD的发病有关[15]。从生理需要角度，有些金属是人体必需微量元素(例如铁、锌、铜、锰)，但这些金属在过量或其他形式下也对人体有害。这些金属通常是较大生物蛋白的基本成分，因而可以与其他蛋白相互作用或调节其在生物体中的相对水平[16]。另外，微量有毒金属(例如铅、镉、铝、汞)，也会因为破坏了必需微量金属的生理活性而产生毒性，即使在较低的接触水平下也会引起神经的损伤。研究发现，在AD海马和杏仁核中发现铁、锌和铜等金属水平异常与这些区域表现出的严重组织病理学改变有关[17]。其机制可能是重金属与Aβ相互作用，加重了淀粉样沉积[18-19]，主要证据就是AD患者淀粉样蛋白沉积物中发现必需微量金属[18]。另外，多种重金属如镉、铅和砷协同作用，通过增加APP、淀粉蛋白前β-分解酶1(BACE1)和PSEN1表达，进一步增强淀粉样蛋白的形成，表明重金属的协同作用促进AD发生。这种协同作用可能在生命的早期即对神经产生了损害，比如，将妊娠大鼠暴露于铝、镉和铅混合物，能诱导发育中的幼鼠出现早发性AD样病理学表现，提示重金属可以通过增加APP生成，促进淀粉样蛋白形成[19]。重金属损伤另一个机制是在细胞和器官水平破坏金属稳态[20]，而金属稳态的破坏与AD之间有着密切的关系[21]。

3 与AD发生相关的主要重金属暴露

3.1 铅暴露

铅(Plumbum，Pb)是一种有毒金属，也是最普遍存在的环境污染物之一。近几十年来对铅的神经毒理学认知得到了发展，最新报告表明暴露于铅对人体有不利影响，尤其是对发育中的中枢神经系统(CNS)不利。一项基于人群的调查研究，分析了529名有机铅暴露工人的胫骨中铅含量及其与已知的AD危险因素APOE基因型的关系，该研究得出的结论是，具有APOE 4基因的个体，铅对其产生的毒性作用更加明显[22]。大量研究表明，铅暴露可产生AD相关的Aβ、Tau和神经炎性等多方面病理改变。流行病学报告表明，婴儿期铅暴露导致动物模型中AD样病理发展[23]，增加APP和β-分泌酶1(BACE1)表达，诱导海马和皮质中的Aβ积累和斑块形成，导致了AD样病理改变[24]。另一项研究还报道，发育中大鼠暴露于铅后可通过对APP基因的影响，促进淀粉样蛋白生成，诱导衰老大鼠神经元细胞中APP和BACE1的表达增加[25]。体外研究表明，用铅处理神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)显著降低DNA甲基化酶的mRNA和蛋白质水平，引起甲基化不足，并激活转录因子Sp1和Sp3，同时上调AD相关基因APP、BACE1的表达，从而导致APP蛋白表达增加和Aβ降解降低[26]。铅的暴露还会导致总Tau和过度磷酸化Tau的水平增加。体外研究显示铅暴露会增加SH-SY5Y细胞中Tau和磷酸化Tau的蛋白质水平，伴随着细胞周期素依赖蛋白激酶5(CDK5)和p25蛋白增加[27]。发育期小鼠铅暴露会增加衰老过程中丝氨酸/苏氨酸磷酸酶活性和CDK5蛋白水平，同时增加Tau蛋白和mRNA的表达，共同促进NFT的形成[28-29]。铅处理SH-SY5Y细胞，可激活糖原合成酶激酶-3(GSK-3β)和Caspase-3介导的Tau磷酸化，导致NFT的形成[30]。另外，铅暴露增加炎症发生，导致神经元死亡。已经证明低剂量铅暴露会诱导小胶质细胞的活化和部分细胞因子释放(如IL-1β和TNF-α)，并上调诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达，导致海马神经元损伤[31]。铅激活Toll受体(TLR)会导致促炎细胞因子的合成增加，并产生活性氮和ROS[32]。以上研究表明，长期铅暴露是青少年和成人健康的危险因素，可能增加患AD的风险。

3.2 镉暴露

镉(Cadmium，Cd)在美国毒物与疾病登记署(ATDSR)排名中，是环境污染物中排名第7的毒性重金属，广泛分布于自然环境和工业生产基地。流行病学研究显示老年人血镉水平与AD死亡率显著相关[33]。已知镉可穿过血脑屏障，长期接触镉会导致其在大脑中蓄积，激活脑神经元多种信号级联反应，刺激炎症反应、氧化应激，并导致神经元死亡，影响注意力和认知功能[7]。动物研究表明，镉的神经毒性与AD病理中的淀粉样蛋白形成、Tau过度磷酸化和细胞过氧化关系密切[34]。在APP/PS1转基因小鼠中，镉暴露可抑制α-分泌酶的活性，导致APP通过β-分泌酶途径代谢更多，伴随着皮质和海马中Aβ过量产生，老年斑(senile plaques，SP)的数量和大小均增加[35]。镉、铅和砷的协同作用增加了APP、BACE1和PSEN1表达，增强淀粉样蛋白形成[36]。除了对Aβ的影响外，镉暴露会引起Tau过度磷酸化。镉可以通过结合细胞内微管结合结构域的第3个重复序列来促进Tau蛋白构象变化，引起自身聚集[37]。此外，镉处理SN56细胞阻断毒蕈碱M1受体，引起乙酰胆碱酯酶(AchE)和GSK-3β的过表达，随后Tau总蛋白和磷酸化Tau蛋白水平增加[35，38]。低剂量镉处理星形胶质细胞，能激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信号传导途径，引起IL-6和IL-8释放水平升高，导致神经炎症和神经元死亡[39]。以上研究表明，镉可能是诱导AD病理发展的因素之一。

3.3 铝暴露

铝(Aluminum，AL)并非生命必不可少的重金属，而是一种公认的神经毒素。由于铝在环境中无处不在，人类日常生活中不可避免地会接触到铝。我们饮食中摄入的大部分铝化合物，会导致氧化损伤并影响大脑的神经信号传导，这些因素可能导致神经元死亡和诱发神经退行性病变[40-41]。流行病学研究报道，在饮用水中铝含量高的地区，AD患病率或AD死亡率较高，这表明铝与AD之间有很强的联系[42]。动物研究发现，在转基因小鼠AD模型中，使用铝可加速Aβ斑块的积累并增强淀粉样蛋白生成，尽管这种作用可通过抗氧化剂治疗消除[43]。此外，在培养的神经元中发现，长期暴露于铝可诱导β-淀粉样蛋白的构象变化并增强其在体外的聚集，且纤维状沉积物分布细胞表面[44]。体内实验中发现，铝暴露的SD大鼠，通过激活淀粉样蛋白生成途径，增加Aβ1-42的表达，降低了与Aβ分解代谢相关的一些关键酶的活性，表明Aβ降解可能减少[45]。同时，铝具有诱导神经原纤维变性和促进类似于AD患者大脑中NFT的缠结状结构外观的能力。在体外实验中，用铝处理PC12细胞，通过增强AKT/GSK-3β信号通路，抑制Tau的去磷酸化并增强其聚集[46-47]。此外，小鼠长期摄入铝化合物，铝化合物对脂质过氧化物的金属相关分解有影响，刺激铁诱导的膜脂质过氧化并引起氧化损伤[48]。在铝处理过的果蝇中发现，铝与铁相互作用后生成不稳定的铁，从而增加了细胞内的游离铁，进而导致了活性氧(ROS)的形成[44]。总之，从关于铝和AD之间联系的流行病学研究结果和动物实验证据都支持铝暴露可能在AD发病机制中起辅助作用的假设。

3.4 铁暴露

铁(Iron，Fe)是保持人类健康必不可少的微量元素。在正常人血浆中，铁主要以Fe3+形式存在，并与高亲和力的铁结合蛋白及铁转运蛋白结合。它还可以调节多种细胞功能，例如能量代谢[49]、氧转运[50]、神经发育[51]、DNA合成和修复以及信号传导[52]。细胞内异常的铁稳态改变被认为与神经系统疾病的病理变化有关[53]。虽然脑铁缺乏会导致儿童认知发育缺陷，例如注意力缺陷多动障碍[54]，但其在成年人体内的过度积聚，也会引起包括AD在内的神经退行性疾病[55-56]。铁的过量沉积与AD标志物(Aβ和NFT)之间存在关联[57]。铁聚集增加Aβ对铁的亲和力，并且这种结合增强了Aβ神经元毒性[58-59]。在APP/PS1小鼠模型中，12个月大的APP/PS1小鼠的额叶皮质中二价金属转运蛋白1(DMT1)升高和铁转运蛋白1(FPN1)降低，引起脑铁蓄积，导致Aβ沉积，表明AD损伤与脑铁负荷有关[60]。研究发现，DMT1的药理抑制作用似乎还通过抑制CDK5和GSK-3β活性，而降低铁诱导的SH-SY5Y细胞中的Tau[61]。除以上提到的对Aβ和Tau相关的神经毒性外，大脑中铁的积累随着年龄的增长而加剧，并常常与氧化应激、慢性神经炎症和细胞损伤有关[62]。在线粒体铁蛋白基因(FTMT)敲除小鼠模型中，线粒体铁蛋白基因缺失加剧了Aβ肽引起的神经系统损伤，该过程与细胞内铁的积累和氧化应激水平的升高有关[63]。Aβ还可激活小胶质细胞(IMG)中的核因子κB(NF-κB)信号传导来刺激白细胞介素-1β(IL-1β)表达，加剧Aβ的促炎作用，增加IL-1β水平。值得注意的是，铁累积毒性引起大脑免疫系统变化，比如老年人和AD患者大脑中的小胶质细胞营养不良与铁蛋白免疫反应性有关[64]。脑出血破坏铁稳态也增强小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生，并导致促炎性细胞因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和IL-1β升高[65]。总之，这些研究表明铁稳态改变可促进AD病理的发生发展。

3.5 锌暴露

锌(Zinc，Zn)作为大脑中最丰富的必需元素之一，在神经系统发育和神经干细胞的分化中起着至关重要的作用。在大脑中，锌也以其游离离子形式(Zn2+)存在，并富集在谷氨酸能神经末梢的突触小泡中，在神经元受到刺激时，从突触前膜释放[66-67]。然而，锌稳态失衡被认为是某些神经退行性疾病的重要影响因素[20]。AD患者的SP和NFT中锌浓度相对于正常对照组中的锌浓度分别增加了3倍和2.3倍[68]。细胞外过量的锌会促进神经毒性并影响蛋白质聚集[69-70]。在突触传递过程中，细胞外锌的浓度上升至300 μmol/L，可能导致大脑中Aβ沉积[71]，影响突触传递效率。在ZnT3基因敲除小鼠(一种缺乏突触前囊泡锌的转基因模型)中，发现突触性锌缺乏导致AD相关功能障碍发生[72]。有趣的是，锌也可以通过非磷酸化依赖性途径调节Tau病理，其中锌直接结合Tau并促进其聚集[73]，或神经元内和神经外锌升高触发Tau异常变化，通过抑制蛋白磷酸酶2A(PP2A)[74]和激活Tau磷酸化激酶(GSK-3β)来刺激Tau过度磷酸化[75]，这些机制最终导致磷酸化Tau增加，加剧AD中Tau的病理发生。前面已经多次提到氧化应激是导致AD发展的另一个因素，ROS或外源性氧化剂可促进金属硫蛋白释放有害的锌[75-76]。在表达突变APP、PSEN1和Tau基因的神经元中，锌的积累反过来会引起线粒体功能障碍，促进氧化应激发生[77-78]。然而，最近的研究显示，小胶质细胞可能在锌平衡中发挥着更直接的作用[79]。小胶质细胞可以通过锌铁转运蛋白(ZIP1)直接摄取锌，而ZIP1也是小胶质细胞激活的触发器。在一项研究中发现，激活的小胶质细胞释放出的ROS导致神经元内Zn2+的释放，以及神经元电压-门控K+电流的增加导致神经元细胞死亡[80]。这些研究结果显示锌在AD发病机制中的重要作用，并支持恢复锌稳态是治疗AD的潜在策略。

3.6 铜暴露

铜(Copper，Cu)是人体中必需的微量元素，主要分布在肝脏、肌肉和大脑中[81-82]。该微量元素是与能量代谢有关的许多酶的辅助因子，并具有抗氧化应激的作用，因此，它参与了多种生理功能途径[83]。但是铜稳态失衡会产生严重的病理性后果，铜缺乏[84-85]和铜过载[86]都与人类疾病有关。AD患者血清铜水平高于健康对照组，血清中的不稳定铜水平较高，不良的认知表现和从轻度认知障碍到AD的转化率就升高[87-88]。大脑生物金属(例如铁、铜、锌)的稳态酶可能与AD的神经病理学有关[89-90]，在死后AD大脑和AD小鼠模型海马中的不溶性Aβ淀粉样斑块具有异常富集的铜、铁和锌[91-92]。关于Tau相关病理变化，Tau蛋白被证明与铜结合，帮助NFT形成[93-94]。关于氧化应激方面，Tau与铜结合时表现出氧化还原活性，进一步促进了大脑的氧化损伤[95]。在二价状态下，Cu2+可能通过Tau蛋白参与过氧化氢的产生[95]，并可增强促氧化剂的作用[96]。此外，铜对神经元的细胞毒性作用伴随着ROS产生和蛋白酶Caspase-3/7活性增加，以及谷胱甘肽和ATP被耗竭[97]。铜增强Aβ对小胶质细胞活化，增加神经毒性。铜-Aβ复合物以依赖于NF-κB的方式诱导小胶质细胞活化以及TNF-α和一氧化氮的释放。然而，单独用铜或Aβ处理时未观察到这些复合物产生的作用[98-99]。总而言之，这些研究表明过量的铜可促进AD病理性改变，因此应考虑控制铜稳态。

3.7 锰暴露

锰(Manganese，Mn)是人体组织中的关键微量元素，对细胞内稳态具有重要的生理作用[100]，锰还是参与正常细胞功能的关键酶，如抗氧化酶Mn-超氧化物歧化酶(Mn-SOD)和谷氨酰胺合成酶的辅助因子。越来越多的研究发现，锰超载与神经退行性疾病有关，例如AD、帕金森病和亨廷顿病[101]。与健康受试者相比，在患有痴呆症人群的大脑中检测到的锰水平明显更高，而在顶叶皮层中检测到的锰水平最高[102-103]，这表明锰超负荷可能与AD的病理发生和认知功能障碍有关。动物研究发现，暴露于锰的APP/PS1小鼠，可改变Aβ相关基因表达，并且在体外和体内都增加了Aβ肽的水平，涉及的机制可能与Aβ降解的破坏有关[103]。在Tau病理方面，APP/PS1小鼠模型中发现Mn-SOD的部分缺乏增加了Aβ斑块沉积和Tau磷酸化[104-105]。在氧化损伤方面，因为这种金属过度的氧化还原活性，使得过量的锰暴露会直接引起自由基的形成，导致膜脂质、DNA、氨基酸、神经递质和其他相关生物分子的直接氧化[106]。在AD患者中高锰水平与低抗氧化剂防御能力呈正相关，通过谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性降低和脂质过氧化作用增强，使得丙二醛(MDA)升高，导致过量的ROS产生[107]。同样，锰会诱导自噬中炎症的激活，从而导致小鼠海马依赖性学习和记忆受损[108]。在免疫损伤方面，锰对小胶质细胞和星形胶质细胞产生深远的影响，激活炎症反应，促进这些细胞相关的神经毒性作用[108-109]。总之，以上研究表明，高锰可能是AD病理发生的潜在风险。

3.8 汞暴露

汞(Mercury，Hg)是另一种重金属，由于其极高的毒性而备受公众关注。甲基汞(MeHg)是有机汞的主要环境来源，它既可通过工业生产过程直接产生，还可通过生活在土壤和河流中的微生物的作用间接形成。长期或急性接触汞蒸气会导致肺功能损伤、精神疾病以及神经退行性病变[110]。汞和AD病理发生发展的相关性，已在多种动物模型和体外实验中进行了研究。研究表明，MeHg处理PC12细胞，通过APP的过量产生以及中性溶酶介导的Aβ降解的减少而增加了Aβ1-40的积累[111]。在培养的SH-SY5Y细胞中，HgCl2处理可显著增加Aβ1-40和Aβ1-42的分泌以及磷酸化Tau的水平。此外，MeHg还通过激活JNK途径以选择性方式诱导大脑皮层中的Tau过度磷酸化[112]。研究报道，汞处理SH-SY5Y细胞，导致细胞内的谷胱甘肽(GSH)水平降低，褪黑素可以保护细胞免受汞引起的GSH损失，表明汞可导致氧化应激反应[113]。这些研究表明汞促进AD病理发生和发展，但汞对AD的神经毒性的潜在机制尚有待进一步的研究来阐明。

4 小结

本文通过总结流行病学报道和动物实验研究，从Aβ、Tau和神经炎性3个主要的病理改变角度，阐述了8种重金属与AD病理变化产生和加重之间的相关性。提出减少环境重金属污染物的暴露，维持细胞和组织水平的金属稳态对预防AD病理发生和加重，保护脑健康至关重要。