金属离子稳态失衡与阿尔茨海默病

刘雅楠,牛芬溪,刘 悦,关 君,方 芳

(北京中医药大学中药学院，北京 102400)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一种与年龄相关的，以认知功能减退为主要临床特征的神经退行性疾病，主要的病理特征为β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉积、神经原纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT)、神经元和突触丢失及脑萎缩等。该病的患病率随着年龄的增长而增加，随着人口老龄化，预计到2050年，全球将有超过一亿例AD患者[1]。少数家族型AD患者通常是因淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)、早老蛋白(presenilin-1/2，PS1/PS2)的基因突变引起[2]。而散发型AD的致病因素比较复杂，确切机制还不清楚。随着对AD发病机制的研究，“β-淀粉样蛋白”因能引起氧化应激、Tau过度磷酸化、突触结构异常和功能障碍、神经细胞凋亡、学习记忆能力减退等，一直被认为是AD发病的重要原因，但针对减少Aβ沉积及毒性的药物在临床试验阶段并未显示较好的逆转AD的作用。近些年来，越来越多的证据表明，脑中的金属离子代谢紊乱与包括AD在内的神经退行性疾病密切相关，这为寻找新的抗AD药物靶点提供了新的思路和方向。本文综述了金属离子在AD的发病及进展中可能作用，以期为之后的药物研发和临床应用提供理论依据和研究思路。

1 人体必需金属离子

人体必需的金属离子在参与维持细胞结构、调节基因表达、催化酶活性，在介导神经元功能、学习、记忆相关通路的调控有特定作用，而这些金属离子在体内特别是脑组织中分布及功能异常被认为参与了AD的发生和发展。

1.1 铁铁是人体生存所必须的微量元素，成年人体内的铁含量高达5 g，其中80%存在于红细胞血红蛋白中，20%储存在巨噬细胞和肝细胞内。在真核细胞内，大多数铁储存在铁蛋白中，其余铁存在于其他含血红素的蛋白质、铁硫簇(iron-sulfur cluster，ISC)蛋白和非血红素、非ISC蛋白内[3]。铁作为一种具有氧化还原活性的过渡金属，细胞内的铁通常以Fe2+的形式存在，通过Fenton反应或Haber-Weiss反应，Fe2+可以被H2O2氧化生成Fe3+和高活性的羟基自由基，Fe2+还可以与O2反应，产生超氧阴离子。正常情况下，内源性还原剂如谷胱甘肽(glutathione，GSH)或抗坏血酸可以还原Fe3+为Fe2+，清除超氧阴离子和羟基自由基，保护细胞[3]。但当细胞内铁过量时，过量的羟基自由基和超氧阴离子会使谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等抗氧化酶失活[2]，并损伤脂质、核酸或蛋白质等大分子。

在中枢神经系统中，铁参与了线粒体能量转导、酶催化、髓鞘形成、神经递质合成和分解等重要的生物过程。随年龄的增加，脑内的铁含量会逐渐增加，AD患者及中老年患者额叶皮层的斑块和细胞中发现了与Aβ斑块数量直接相关的铁累积[4]。同样在APP/PS1转基因小鼠脑内皮质区、海马区及丘脑区中β-淀粉样斑块的形成与持续性铁沉积具有相关性[5]，故大脑中铁稳态失衡及在脑组织中的异常分布被认为可能与AD的病理变化有关。另有研究发现，Aβ前体蛋白APP mRNA的5′端非翻译区含有能与铁调节蛋白(iron regulatory protein，IRP)结合的铁反应元件(iron response element，IRE)，当细胞内处于低铁浓度时，IRP与IRE的结合力增强，APP的翻译受到抑制，随着铁浓度的升高，APP的翻译增加，导致Aβ的生成增加[3]。除了促进内源性APP的翻译和表达，铁离子还可以通过Aβ多肽链分子上的金属离子结合位点与相邻的Aβ结合，促进Aβ的聚集和老年斑的形成，引起氧化应激，而氧化应激又会促进Aβ的生成和聚集，由此形成恶性循环，最终导致神经细胞结构和功能异常。

1.2 铜正常人体内含铜量约为100～200 mg，主要有Cu+和Cu2+两种形式，二者可通过氧化还原反应相互转化，血液中的大部分铜都以铜蓝蛋白的形式运输至全身各系统。铜离子可以通过血脑屏障分布到脑脊液和脑实质中，大脑中的铜含量大约占全身铜含量的7.3%。

虽然目前关于体内铜水平的高低与AD的相关性尚未完全明确。但研究发现AD患者血清铜水平明显高于健康者。此外，AD患者血清铜蓝蛋白(ceruloplasmin， CER)水平随着认知功能损害程度的升高而降低[6]。与铁类似，铜也参与了细胞氧化应激和Aβ的生成。Cu+通过参与Fenton和Haber-Weiss反应，降低谷胱甘肽活性和铜依赖酶的表达促进羟基自由基的产生。淀粉样前体蛋白APP中存在两个铜结合位点，分别存在Aβ区域和N末端区域。当Cu2+与N端的铜结合位点CuBD结合后会被还原生成Cu+，从而增加细胞内铜离子水平，促进自由基的形成，导致铜介导的神经毒性的产生[7]。然而有研究者发现，CuBD与铜离子的结合具有神经保护作用，可以改善铜离子诱导的空间记忆障碍、减轻神经细胞丢失和星形胶质细胞增生等神经毒性[8]。这种差异可能是由于细胞对铜离子的摄取不同有关。此外，Aβ合成的限速酶β-分泌酶1(β-secretase1，BACE1)的C末端存在一个Cu+结合位点，其活性受铜水平的调节。Cater[9]等在富铜培养的纤维母细胞培养基中检测到α-分泌酶裂解产物水平较对照组显著升高，而在铜缺乏的纤维母细胞中APP蛋白从α-分泌酶裂解变为β-分泌酶裂解，这提示铜缺乏可能会升高BACE1的活性，从而增加Aβ的分泌。

由于CER还可以将二价铁离子氧化生成三价铁离子，促进铁与转铁蛋白的结合。体内铜含量降低时会影响铜蓝蛋白的合成，进一步会导致铁的过度累积，引发一系列的神经毒性反应。

1.3 锌人体的锌含量约为2 g，主要存在于肌肉组织、肝脏和脑组织中。锌主要参与人体细胞增殖分化、生长发育、酶活性调节等生理功能。中枢神经系统的锌稳态主要由三类蛋白质调节，包括膜锌转运蛋白(zinc transporters，ZnTs)、锌铁调节转运蛋白(zinc-regulated transporters, Iron-regulated transporter-like protein，ZIP)和金属硫蛋白(metallothionein，MTS)[10]。在脑中，海马、杏仁核、大脑皮层、丘脑和嗅觉皮质等区域均有锌累积，大脑中的锌主要以与金属蛋白或酶结合的形式存在，约有10%的锌以游离锌离子(Zn2+)的形式储存在谷氨酸能兴奋性神经元的突触前小泡中，分泌到突触间隙中的锌离子可以与多种神经递质受体如N-甲基-D-天冬氨酸受体、γ-氨基丁酸受体、甘氨酸受体等结合来调节大脑的兴奋性。突触锌在调节突触可塑性和长时程增强(long-term potentiation，LTP)、促进学习和记忆过程中也发挥至关重要的作用。在海马苔藓纤维的突触末梢中发现了高浓度的锌[11]，这也证明了锌在维持认知功能方面可能发挥的关键作用。

锌在老年斑和淀粉样蛋白沉积中的含量显著升高。Aβ的N-末端的H6、H13和H14是锌离子的结合位点，Zn2+通过破坏N-末端的螺旋结构、诱导C-末端的β片层形成以及链内和链间盐桥的形成促进Aβ形成寡聚体[12]。锌离子还可以通过抑制α-分泌酶的切割来影响APP，促进Aβ的产生。Tian等[13]研究发现，锌处理组小鼠大脑中老年斑程度显著增加，体外能明显降低细胞活力。

另有研究发现，随着含锌神经元的增多，神经纤维缠结的分布明显增加。锌离子可以与Tau-R3特异性结合，并能够促进其聚集，同时能够增强Tau-R3的细胞毒性，增加ROS的产生[14]。Sun等[15]发现100 μmol·L-1的外源锌就可以直接诱导Tau磷酸化，在谷氨酸和Bic/4-AP诱导的大鼠脑片中发现蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)活性显著降低，提示突触释放的锌可能通过抑制PP2A促进Tau蛋白的过度磷酸化。

1.4 镁镁离子(Mg2+)是哺乳动物细胞中含量第二高的阳离子，它参与了细胞中许多重要过程，如酶促反应、代谢循环和细胞信号传导等。在神经系统中，镁能够与N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)受体相互作用，并对NMDA受体中的钙通道具有阻滞作用，抑制谷氨酸兴奋信号产生，而低浓度的镁离子则会增强谷氨酸能的神经传递，产生兴奋性神经毒性。

AD患者的大脑、血清中镁离子水平降低[16]，故推测与AD的发病有关。Yu等[17]发现低浓度(0.0～0.4 mmol·L-1)的镁离子可以显著升高细胞的Aβ水平，而高浓度(1.2～4.0 mmol·L-1)的镁离子对Aβ的释放无明显影响。Xu等[18]用镁治疗AD模型大鼠，可以通过抑制糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)来减少Tau蛋白的过度磷酸化，对实验大鼠的认知功能和突触可塑性也有一定的改善作用。

2 人体非必需金属离子

2.1 铝铝是一种地球上含量丰富的金属元素，铝离子主要通过转铁蛋白(transferrin，TF)-转铁蛋白受体(transferrin receptor，TFR)介导的内吞作用穿过血脑屏障进入大脑，含铝化合物也可以通过嗅黏膜/嗅球屏障进入大脑，微量的铝也可以通过脉络丛进入大脑。脑内铝的半衰期约为150 d左右。体内过量的铝具有神经系统毒性，是造成包括AD在内的多种神经退行性疾病的危险因素。AD患者脑组织中老年斑块和神经缠结中铝含量显著升高，并且与淀粉样蛋白具有显著相关性。AlCl3可以诱导大鼠海马区Aβ1-42和p-tau蛋白的含量分别高出正常对照组3.5倍和3.2倍，而乙酰胆碱酯酶(acetyl cholinesterase，AChE)含量是正常对照组的3.4倍[19]。铝离子处理SH-SY5Y细胞，能增加细胞中Aβ表达，降低APP水平。由于有报道称铝离子暴露可下调BACE1和BACE2[20]，故可能有其他机制促进APP向Aβ的转化。

铝的过载会破坏铁稳态。铝的增加使TFR的数量增加，从而导致铁吸收的增加和铁蛋白数量的减少，铁蛋白的减少可能会导致更高水平的游离铁，铁稳态的破坏导致后续一系列的氧化应激和神经毒性反应。

2.2 汞汞(Hg)是对人体有害的重金属之一，其主要以汞元素、无机汞、和有机汞(甲基汞、乙基汞)三种形式存在。汞蒸气具有高度挥发性和脂溶性的特点，可以通过呼吸和皮肤进入人体，穿过血脑屏障和脂质细胞膜，并以无机形式积累到细胞中。在神经细胞内，汞可以被氧化为Hg2+的形式，汞离子会与细胞内的分子如谷胱甘肽、酶等反应，抑制它们的活性从而损害细胞的正常功能。此外，汞通过诱导脂质过氧化反应和细胞凋亡，干扰神经递质的正常传递等作用发挥神经毒性。有研究显示，AD患者的脑组织和血液中汞浓度升高。通过分析汞和70个与AD相关的因素之间的联系，发现包括Aβ形成、神经纤维缠结、磷酸化tau蛋白以及记忆力丧失等AD的标志性特征都可以归因于汞。AD中神经递质如乙酰胆碱、谷氨酸等的抑制作用以及γ分泌酶、环氧合酶-2等的酶功能障碍均可以由汞毒性引起。汞可以抑制海马DNA合成，与AD的PS1、PS2的基因突变有关[21]。Wallin等[22]研究发现,Hg2+离子可以与Aβ肽N端部分的His6、His13和His14残基进行特异性结合，提示汞可能参与了AD相关的β-淀粉样蛋白的聚集过程。

3 金属离子靶向治疗研究除了靶向β-淀粉样蛋白和Tau蛋白之外，金属离子的靶向调节也逐渐获得了广泛关注。金属螯合是金属离子通过两个或两个以上配位键与配体离子形成具有配位五元或六元环结构的螯合物的过程，目前研究已经发现多种金属离子螯合剂具有改善AD病理过程的作用。研究发现临床治疗铁中毒常用的铁螯合剂去铁酮(deferiprone，DFP)可以显著降低模型小鼠的脑铁含量和Tau蛋白磷酸化，改善空间记忆障碍[23]。Zhao等[24]用特定的Cu2+螯合剂TDMQs治疗3种AD模型小鼠，均能改善小鼠的认知和行为障碍。Zhang等[25]发现用聚乙二醇修饰的Zn2+结合肽壳聚糖纳米颗粒可改善APP/PS1双转基因小鼠的认知能力，并减少小鼠脑内Aβ斑块沉积。

4 总结

综上所述，机体内金属离子稳态对于神经系统正常的生理功能至关重要。铁、铜、锌、镁等人体必需金属离子稳态失衡以及铝、汞等非必需金属离子均可影响淀粉样蛋白的产生及降解，Tau蛋白的磷酸化以及促进氧化应激等反应，产生神经毒性，不同程度的参与AD的病理进展。针对金属离子稳态失衡的抗阿尔茨海默病治疗已有初步的临床试验在进行中，但目前金属离子与AD的相关性研究如AD不同阶段金属离子稳态失衡的调控，各种金属离子含量的增多或减少对AD不同阶段的影响，不同金属离子相互影响的时间和空间的关系等还有待更深入的研究，为更好的开发以金属离子转运和分布为靶向的抗AD药物提供理论基础和实验依据。