張聰，王曉明

作者單位：

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，沈陽 110004

伴隨人口激增和老齡化加劇，阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)病因機(jī)制的探索越來越深入，關(guān)于AD的假說主要有：(1)過度磷酸化Tau蛋白形成及神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangle，NFT)；(2)以淀粉樣蛋白(amyloid-β，Aβ)與神經(jīng)元缺失為特征的瀑布學(xué)說，同時(shí)伴突觸減少、顆粒空泡變性等。Aβ蛋白首先出現(xiàn)在新皮質(zhì)區(qū)域而后緩慢進(jìn)展到紋狀體、基底核、腦干最后到小腦；而NFT從腦干開始進(jìn)展到新皮質(zhì)區(qū)域，在AD晚期兩者在皮質(zhì)區(qū)域共同存在[1]。金屬離子在Aβ、NFT形成中起到了重要作用，筆者對(duì)金屬離子的作用機(jī)制及影像學(xué)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 常見金屬在Aβ形成過程中作用

Aβ肽類物質(zhì)堆積造成細(xì)胞損傷及功能障礙，是AD主要的病因之一。Aβ的常見兩種形式為：Aβ(1-42)、Aβ(1-40)。Aβ(1-42)毒性更強(qiáng)，先于Aβ(1-40)沉積，是AD患者的重要檢測(cè)指標(biāo)。Aβ(1-42)/(1-40)比值與AD發(fā)病概率成正相關(guān)，Aβ(1-42)/(1-40)比例的降低可以抑制Aβ沉積，降低AD發(fā)病概率[2-4]。近來關(guān)于AD病因，金屬離子假說也可到一些認(rèn)可。資料表明，重金屬離子及某些類金屬離子，具有細(xì)胞毒性，在長(zhǎng)期處于低濃度環(huán)境或中毒水平時(shí)，可以穿過血腦屏障引起神經(jīng)元退行性變，造成腦損傷。除此之外，腦內(nèi)維持細(xì)胞正常生理功能的金屬離子，如鉀、鈉、鐵、錳等離子平衡被打破，會(huì)是誘發(fā)AD的因素之一；金屬離子與Aβ之間直接產(chǎn)生相互作用，促進(jìn)Aβ沉積及淀粉斑塊形成；離子也可參與到淀粉源性Aβ形成過程，與有金屬連接位點(diǎn)的分泌酶相互作用，促進(jìn)Aβ生成[5]。

鐵離子雖然與Aβ沒有直接相互作用關(guān)系，由于游離鐵水平升高及鐵超氧化物跨膜作用導(dǎo)致的羥基自由基會(huì)引起溶酶體破裂和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的滲漏，從而促進(jìn)細(xì)胞損傷，加速老年斑(senile plaque，SP)形成[6]。皮質(zhì)中鐵離子濃度與斑塊形成概率成正比，淀粉蛋白含量增高，鐵離子濃度隨之提高，斑塊形成加速。鋁離子增加組織氧化損傷的機(jī)制是通過調(diào)節(jié)鐵離子介導(dǎo)的氧化反應(yīng)加速生理性Aβ斑塊聚集，除此之外，鋁離子可以連接Aβ中多肽的酸性區(qū)域，加速其聚集過程[7]。二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1 (divalent metal transporter，DMT1)存在于腦內(nèi)多種神經(jīng)元細(xì)胞膜表面，轉(zhuǎn)運(yùn)多種二價(jià)金屬離子，除鐵離子之外，鉛與錳在金屬轉(zhuǎn)運(yùn)過程中對(duì)AD的致病過程有重要作用。鉛濃度在神經(jīng)元增加影響APP轉(zhuǎn)錄及翻譯過程，具體表現(xiàn)為抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和APP啟動(dòng)子甲基化。鉛除通過DMT1介導(dǎo)之外，與鈣進(jìn)入大腦的機(jī)制相同，鉛進(jìn)入星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元是由電壓敏感鈣通道門控，Ca-ATP介導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞后，鉛與鈣離子積聚在線粒體中相同位置，從而破壞細(xì)胞內(nèi)鈣離子的運(yùn)輸和代謝，改變鈣信號(hào)通路，同時(shí)使細(xì)胞內(nèi)線粒體受損，激發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，損傷神經(jīng)元[8]。錳是選擇性的脈絡(luò)叢毒物也是血腦屏障滲透性最強(qiáng)的離子之一。錳離子是輔酶中重要的抗氧化酶，其缺乏降低歧化酶活性，從而增加線粒體脂質(zhì)過氧化。錳離子作用于星形細(xì)胞及小膠質(zhì)細(xì)胞的多巴胺受體，在星形膠質(zhì)細(xì)胞中線粒體濃度最高，造成炎性細(xì)胞介質(zhì)增多，導(dǎo)致線粒體功能障礙，損傷神經(jīng)元[9]。

銅與鋅對(duì)Aβ聚集作用受pH影響，在中性pH條件下，鋅離子在低濃度情況下通過鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)體3 (zinc transporters 3，ZnT3)作用于突觸囊泡使可溶性的Aβ快速沉積成為抗蛋白酶的淀粉體聚集物，在弱酸性環(huán)境下，銅離子作為競(jìng)爭(zhēng)連接離子，可以誘導(dǎo)可溶性Aβ聚集，但是速度更慢，產(chǎn)物體積更小[10]。鋅參與到淀粉源性Aβ形成過程，與APP及β-淀粉分泌酶相互作用，促進(jìn)Aβ產(chǎn)生。Aβ與銅離子相連接，使銅聚集在細(xì)胞膜表面，產(chǎn)生有毒的過氧化氫和羥基自由基；銅離子由突觸后膜釋放，造成細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，破壞細(xì)胞完整性，造成神經(jīng)元損傷[11]，如圖1所示。

2 Tau蛋白過度磷酸化

Tau蛋白是一種可溶性微管相關(guān)蛋白，構(gòu)成單體是配對(duì)螺旋微絲(paired helical filaments，PHFs)。微管的重要作用是細(xì)胞骨架的穩(wěn)定維持以及神經(jīng)元軸突傳送過程。Aβ與Tau蛋白之間存在相互作用，Aβ在體內(nèi)外均能誘導(dǎo)Tau蛋白過度磷酸化，從而破壞微管及細(xì)胞骨架的穩(wěn)定性，干擾突觸轉(zhuǎn)運(yùn)，引起神經(jīng)元凋亡。鐵、鋁及抗氧化酶在腦內(nèi)不同部位含量不同，但均可加速Tau蛋白過度磷酸化，影響突觸前膜的釋放作用。神經(jīng)退行性疾病中，突觸傳遞功能受損是一個(gè)重要標(biāo)志。過量Tau蛋白影響突觸間傳遞過程，打破ROS與RNS之間的平衡，引發(fā)突觸傳遞障礙[3，12-14]，Tau蛋白影響微管的聚集過程，提高微管與銅的親和力，可以加速NFTs的形成，鐵離子通過影響PHFs聚集而加速Tau蛋白形成。除Tau蛋白異常聚集外，氧化損傷是造成NFTs形成的可能因素之一，在NFTs形成部位，也伴有蛋白質(zhì)的氧化產(chǎn)物增加。

3 影像學(xué)診斷常用方法

對(duì)AD診斷常用的影像診斷學(xué)方法：結(jié)構(gòu)磁共振(structural MRI，sMRI)、功能磁共振(functional MRI，fMRI)、磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)、磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)及擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、分子影像學(xué)及粒子激發(fā)X射線分析。sMRI、fMRI、DWI、DTI等多模態(tài)磁共振成像技術(shù)在診斷AD中有較為廣泛的應(yīng)用，單就幾個(gè)可以結(jié)合金屬離子檢測(cè)的影像學(xué)方法進(jìn)行介紹。

3.1 磁敏感加權(quán)成像

SWI是在T2回波序列上衍生的功能序列，是常用于測(cè)量AD 病人腦內(nèi)鐵含量異常的有效手段。AD患者腦內(nèi)鐵的含量與疾病發(fā)展過程呈正相關(guān)，隨著年齡的增長(zhǎng)，鐵離子會(huì)在蒼白球、尾狀核以及殼核大量沉積，以蒼白球?yàn)橹?。Zhu等[15]發(fā)現(xiàn)，AD患者腦內(nèi)鐵含量在雙側(cè)海馬、頂葉、殼、尾狀核、齒狀核處明顯高于正常對(duì)照組，由此可以假定推測(cè)利用SWI檢測(cè)腦內(nèi)鐵的不同含量可以診斷是否患有AD，但仍需要與病理解剖相結(jié)合。除鐵離子之外，銅、鋁及錳等促進(jìn)Aβ蛋白形成的金屬也可以利用SWI進(jìn)行檢測(cè)。二價(jià)鐵離子與銅離子在SWI上的顯示與三價(jià)鐵離子信號(hào)相反，其間的差異在于血紅蛋白含量。鋁離子復(fù)合物可與半醌受體相連，復(fù)合物形成可以讓其通過磁性、光學(xué)特性顯示，但通過光學(xué)成像，穿透力有限，很難在臨床進(jìn)行大范圍操作；同時(shí)，復(fù)合物顯示具有鐵磁性，可在鐵沉積高發(fā)區(qū)域間接通過SWI方法檢測(cè)[16]。錳具有順磁性，膠束研究中錳離子與Aβ的順磁性探針N-末端結(jié)合特異性，為日后檢測(cè)A端復(fù)合物含量提供了可能[9]。

3.2 分子影像學(xué)

分子影像學(xué)對(duì)于AD早期診斷有著極高的靈敏性。大量臨床研究報(bào)道較多的利用18F臨床研究的代謝變化來鑒別早期AD。通常正常老年人葡萄糖代謝在腦內(nèi)呈對(duì)稱分布，但AD患者呈葡萄糖代謝減低，在蒼白球、殼等部位出現(xiàn)示蹤劑分布減少且相應(yīng)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域受累。早期AD病灶局限性較強(qiáng)，而中晚期AD常累及額葉。研究證實(shí)銅、鋅離子不僅顯示與Aβ蛋白聚集相關(guān)，而且與Tau蛋白積累相關(guān)[17-18]，由此可以利用檢測(cè)銅與鋅在腦中的含量進(jìn)一步判斷Aβ蛋白與Tau蛋白含量，在病理基礎(chǔ)上，確立金屬離子與AD發(fā)病進(jìn)程的關(guān)系。銅離子參與多種蛋白酶的活性過程，常見五種同位素中可以利用61Cu半衰期較長(zhǎng)的特點(diǎn)，檢測(cè)AD發(fā)病進(jìn)程中動(dòng)力學(xué)改變；64Cu分布于細(xì)胞表面，64Cu-銅藍(lán)蛋白和64Cu-白蛋白在腦中的含量變化可以進(jìn)一步反映出A腦斑塊的沉積情況，為AD疾病過程進(jìn)展提供更好的檢測(cè)。63Zn可以通過63Cu低分子回旋加速器產(chǎn)生，63Zn及其耦合物可以在腦中被檢測(cè)[19-22]。除在腦中檢測(cè)Aβ蛋白含量之外，Tau蛋白特異性PET示蹤劑現(xiàn)已用于臨床評(píng)價(jià)，利用PET研究正常老年人的Tau蛋白的含量，[18F] THK主要局限于顳葉內(nèi)側(cè)，略微超過基準(zhǔn)值。[18F] av-1451和[18F] THK示蹤劑在中腦和基底神經(jīng)節(jié)在體內(nèi)結(jié)合廣泛[23]。

3.3 粒子激發(fā)X射線分析

早在1986年，Edwardson等[24]利用energydispersive X-ray spectroscopy (EDX)聯(lián)合 scanning electron microscopy (SEM-EDX)在SP中測(cè)量鋁離子含量。此外，Collingwood等[25]利用transmission electron microscopy (TEM-EDX) 分析方法在AD患者大體解剖中范圍大約1～2 mm斑塊中檢測(cè)鋁離子。有研究表明，在AD患者的海馬和顳葉可以通過TEM-EDX檢出鋁離子的存在[26]。鋁離子在AD發(fā)病過程中激發(fā)氧化還原反應(yīng)，引起Aβ沉積增多，因而檢測(cè)鋁離子含量有助于對(duì)AD的早期診斷。粒子發(fā)射(particle induced X-ray emission，PIXE)聯(lián)合rutherford backscattering (RBS) 及scanning transmission ion microscopy (STIM)在AD患者中杏仁核與海馬內(nèi)檢測(cè)到鋅離子濃度升高，實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)基因鼠，在6個(gè)月左右可用LA-ICPMS (Laser Ablation-ICP-MS)在杏仁核和海馬檢測(cè)是否有淀粉樣蛋白形成及神經(jīng)元和軸突變性[8]。鋅離子參與淀粉源性Aβ形成過程，直接加速Aβ斑塊形成，鋅離子可以間接檢出Aβ含量，進(jìn)而對(duì)AD病理過程進(jìn)行判斷。Lovel等[27]使用PIXE在老年斑中測(cè)量發(fā)現(xiàn)AD患者腦中銅離子含量為正常人的1.5倍。Hutchinson等[28]也在轉(zhuǎn)基因鼠實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了銅離子水平確有提高，老年斑塊是AD的標(biāo)志之一，由此猜測(cè)銅離子的含量升高，可以間接反映疾病程度。

3.4 MRS

MRS是對(duì)在體特定化合物進(jìn)行測(cè)量的一種無創(chuàng)MRI技術(shù)，臨床常用來反映體內(nèi)化合物的代謝水平，常使用N-乙酰天門冬氨酸(NAA)、肌酸(Cr)、乳酸(Lac)、膽堿(Cho)、γ-氨基丁酸(γ-amino butyric acid，GABA) NAA/Cr等指標(biāo)評(píng)估病情。Cr因其代謝數(shù)值較為恒定，常用來作為參照值。肌醇(myo-inositol，MI)只存在于膠質(zhì)細(xì)胞中，起到維持神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞滲透壓的作用，是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的評(píng)價(jià)標(biāo)志。膽堿(cholines，Cho)反映細(xì)胞代謝狀態(tài)，代謝旺盛及腫瘤發(fā)生情況下，數(shù)值增高。GABA是腦內(nèi)主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，因其含量較低，具體測(cè)量較難實(shí)現(xiàn)，但可利用多量子濾波和二維J分辨譜進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明腦內(nèi)鐵離子含量增加可以使GABA受體水平減低并抑制其釋放，反之檢測(cè)GABA含量可以反映出在腦內(nèi)鐵水平含量[9]。此外，錳離子與鐵離子之間存在相互制約關(guān)系，Erikson等[29]證實(shí)在尾狀核錳離子含量與GABA呈負(fù)相關(guān)，可以進(jìn)一步通過檢測(cè)GABA含量進(jìn)而反映在能量代謝過程中細(xì)胞物質(zhì)沉積，由此診斷AD的發(fā)病進(jìn)程。但是MRS受影響因素較多，且與在金屬離子之間聯(lián)系仍需要探索，但也是為金屬離子檢測(cè)提出了新的道路。

4 展望

AD其發(fā)病機(jī)制以及診斷標(biāo)準(zhǔn)仍處在爭(zhēng)議之中，目前相對(duì)認(rèn)可的機(jī)制是Aβ淀粉蛋白沉積及NFT形成，臨床上使用多種影像學(xué)方法診斷AD，SWI技術(shù)可以檢測(cè)鐵、錳、鋁在AD易感區(qū)域的含量，但某些金屬需要配制成為復(fù)合物干擾成分較多。分子影像學(xué)、粒子激發(fā)X射線分析檢測(cè)金屬同位素含量間接反映AD的診斷情況，但有實(shí)際操作情況及干擾因素。MRS檢查方法較為成熟，但是與金屬離子的活性改變之間的關(guān)系，仍然是下一步探索所需的方向。