孟雪蓮，蘇書杰，馮琳琳，陳長蘭

(遼寧大學(xué) 藥學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

0 引言

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)，又叫老年癡呆癥，是一種可引起腦功能逐漸衰退的神經(jīng)退行性疾病(Neurodegenerative diseases).在病理學(xué)上，AD主要以腦實質(zhì)組織中由神經(jīng)元細胞外Aβ(β amyloid peptide，Aβ)多肽聚集形成的老年斑沉積，和神經(jīng)元細胞內(nèi)磷酸化Tau蛋白形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)(Nerve fiber tangles，NFTs)以及海馬和大腦皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)元突觸的選擇性丟失為病理學(xué)標(biāo)志特征[1].流行病學(xué)研究表明，在65歲以上的老年人中AD的發(fā)病率為2～5%，以后每5年上升一倍，在85歲以上的老年人中發(fā)病率高達47%，嚴重影響老年人的生活質(zhì)量[2].目前我國已經(jīng)逐步進入老齡化社會，為此研究AD的發(fā)病機理及防治措施具有重要意義.AD發(fā)生的影響因素較多，關(guān)于AD的發(fā)生機制有很多學(xué)說，比較公認的有β淀粉樣多肽級聯(lián)假說、Tau蛋白假說、膽堿能假說、氧化應(yīng)激假說、炎癥反應(yīng)假說、神經(jīng)血管假說和代謝假說等[3].

鋁(Al)是地球上最為豐富的金屬元素之一.由于鋁及其化合物是水、食物、餐具、茶、調(diào)味品、除臭劑、食物添加劑、化妝品及醫(yī)藥中最常見的污染物，因此非常容易被人體誤食及在人體中發(fā)生積累[4].鋁不是生物生活必需的元素，相反，大量證據(jù)表明鋁具有神經(jīng)毒性并與一些疾病如阿爾茨海默病(AD)，肌萎縮(ALS)，帕金森綜合癥(PD)和波斯灣戰(zhàn)爭綜合癥等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生密切相關(guān)[5].

AD發(fā)生的鋁假說是上世紀(jì)60年代基于鋁的神經(jīng)毒性、解剖學(xué)和流行病學(xué)發(fā)現(xiàn)所提出的，認為鋁是導(dǎo)致AD發(fā)生的因素之一[6].在過去的幾十年中鋁假說經(jīng)歷了很多爭論和質(zhì)疑.但近年來隨著對疫苗中鋁佐劑作用機制的研究，重新引起對鋁與Aβ間相互作用機制及鋁與AD等神經(jīng)疾病發(fā)生關(guān)系以及小膠質(zhì)細胞在其中所扮演關(guān)鍵角色的重視.

近期 Morris G 等(2017)所進行的截止到2015年8個隊列，10 567個參與者的元分析表明，鋁暴露程度的提高使得AD風(fēng)險增加了71%.對AD患者腦、血清和腦脊液中的鋁含量的元分析(meta-analyses)表明，上述組織中的鋁含量顯著升高[7].非癡呆老年人腦部灰質(zhì)的鋁含量一般在1～2.5 μg Al/g腦組織(干重)，而AD患者這一區(qū)域的鋁含量一般要高出2～3倍，達3～7 μg Al/g腦組織(干重)[8，9].Mirza A等(2017)對 12 個家族性AD患者的研究表明，腦組織中的鋁含量非常高，5個病人腦組織中鋁含量達到 10 μg/g(腦組織干重)，腦組織中的鋁含量比任何其他疾病腦組織中的鋁含量都高，僅次于鋁誘導(dǎo)產(chǎn)生的腦病[10].

有越來越多的證據(jù)表明腦部鋁過量積累與 AD 的發(fā)生密切相關(guān).近期對鋁與Aβ作用機制的最新進展重新引起對鋁與AD等神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系的重視.因此研究鋁致AD的發(fā)生機制不僅對科學(xué)預(yù)防AD的發(fā)生具有重要的科學(xué)意義和臨床價值，而且對于AD的治療及藥物研發(fā)具有重要的科學(xué)意義.

1 鋁與蛋白及多肽作用方式研究進展

免疫佐劑被廣泛用于疫苗當(dāng)中，因為鋁佐劑能夠加強適應(yīng)性免疫反應(yīng).顆粒狀鋁鹽作為被批準(zhǔn)的佐劑用于疫苗當(dāng)中已有80多年.上述佐劑主要包括氫氧化鋁(一種晶狀化合物)，羥基磷酸鋁和磷酸鋁等.鋁能夠吸收抗原到其表面，而鋁顆粒能夠被單核、巨噬細胞等吞噬細胞所吞噬.由于佐劑能夠在淋巴結(jié)中遷移，可以通過單核細胞相連的細胞散布到身體內(nèi)，并逐漸在腦中聚集而引起高度重視[11].

Al3+與Mg2+、Fe3+其它金屬離子相比，或有更強的正電荷，或有較小的離子半徑，因此Al3+能夠與蛋白或多肽中帶負電荷的天冬氨酸、谷氨酸殘基或磷酸化的氨基酸殘基牢固結(jié)合從而扮演交聯(lián)劑的作用，因此Al3+能夠?qū)е碌鞍准岸嚯牡牡途刍皹?gòu)象變化，從而阻止蛋白酶對蛋白的降解[12].

2 鋁與Aβ多肽作用方式研究進展

進一步研究發(fā)現(xiàn)，與鋁佐劑增強抗原免疫原性機制相似，Al3+以及Zn2+、Cu2+、Fe3+等金屬離子具有促進Aβ多肽低聚化及影響其構(gòu)象的作用[13-14].Aβ蛋白是由淀粉樣蛋白前體(β-amyloid precursor protein，APP)經(jīng)過β-APP剪切酶(BACE)對APP的N末端剪切，及γ-分泌酶經(jīng)對APP的C末端剪切而產(chǎn)生的39～43氨基酸殘基的多肽.它是一種疏水多肽，具有一種自我聚集和在水溶液中形成SDS穩(wěn)定低聚物的固有趨向.其單體形式是一種隨機纏繞結(jié)構(gòu)，其低聚態(tài)具有β折疊片結(jié)構(gòu)，并形成不溶的淀粉樣纖維聚集物，且隨著時間老化其神經(jīng)毒性增加.因此促進或者抑制低聚化的因素將會在AD發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用.Kawahara M等(2011)的研究表明，Al能促進Aβ蛋白的聚集及SDS穩(wěn)定低聚物的形成，Al3+促進聚集的作用強于Zn2+、Fe3+、Cu2+和Cd2+，通過添加Al螯合劑去鐵胺(Deferoxamine，DFO)，聚集的Aβ蛋白可以解聚，進一步證明了Al在Aβ蛋白聚集中的作用[15].

另外鋁還可以促進神經(jīng)元細胞中APP的基因表達，長期鋁攝取過多可以導(dǎo)致大鼠中APP蛋白表達量的升高[16-17].

以往由于腦組織中鋁積累染色技術(shù)的缺陷導(dǎo)致部分學(xué)者在AD患者及同齡對照間未發(fā)現(xiàn)鋁與Aβ共沉積現(xiàn)象.但近年來隨著一些腦組織中鋁染色技術(shù)的進步，很多學(xué)者都在AD患者腦組織、Aβ聚集核心區(qū)發(fā)現(xiàn)了鋁積累.最近Yumoto等采用X射線光譜結(jié)合透射顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，在老年斑中Al的含量可達35～50 ppm[18].Platt B等(2001)通過Al的熒光Morin染色研究發(fā)現(xiàn)，Al集中于紋狀體、胼胝體和扣帶束的白質(zhì)區(qū)(白質(zhì)區(qū)小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞豐富)，對小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞免疫組化研究表明鋁注射動物與對照相比，具有強烈的炎癥反應(yīng).通過乙酰膽堿酶標(biāo)記發(fā)現(xiàn)鋁注射動物扣帶束的破壞導(dǎo)致皮質(zhì)和海馬膽堿能末梢發(fā)生嚴重的進行性變性[19].腦組織鋁顯色最新技術(shù)表明，鋁存在于Aβ沉積的核心.腦組織中鋁沉積顯色新技術(shù)的進步進一步證實了Al3+在Aβ多肽聚集及AD發(fā)生中的重要作用.

3 鋁與Aβ多肽相互作用對神經(jīng)細胞的毒害研究進展

Ricchelli F等(2005)研究認為，Al3+能導(dǎo)致Aβ1-40及Aβ1-42產(chǎn)生更多β片層結(jié)構(gòu)及形成暴露的疏水簇，導(dǎo)致更多生成纖維形式的多聚物.Al3+比Zn2+和Cu2+在導(dǎo)致Aβ聚集和纖維化方面更為高效.通過脂質(zhì)體膜模型研究發(fā)現(xiàn)，Al3+-Aβ能夠?qū)е轮|(zhì)雙分子層發(fā)生劇烈變化[20].Song J和Niu Q等(2014)，Zhang QL和Niu Q等(2008)研究認為在鋁處理的大鼠中鋁通過破壞神經(jīng)細胞及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的可塑性和誘導(dǎo)神經(jīng)壞死損害海馬依賴的學(xué)習(xí)和記憶能力[21，22].

Kawahara M等(2001)研究發(fā)現(xiàn)在含鋁溶劑中聚集產(chǎn)生的Aβ多肽在培養(yǎng)神經(jīng)元細胞的表面形成纖維沉積[23].Drago D等(2008)分別就Aβ-Al，Aβ-Zn，Aβ-Cu，Aβ-Fe復(fù)合物對人神經(jīng)母細胞瘤的生活力、膜結(jié)構(gòu)和細胞形態(tài)的影響進行了研究.研究發(fā)現(xiàn)Aβ-Zn、Aβ-Cu和Aβ-Fe對人神經(jīng)母細胞瘤沒有細胞毒性，而Aβ-Al能夠降低細胞的生活力，增加膜的流體性，細胞形態(tài)發(fā)生重要改變.另外鋁與Aβ的結(jié)合變得強烈疏水，表現(xiàn)出很大的細胞毒性[24].多個實驗室的研究表明Aβ多肽能夠在脂質(zhì)雙分子層、脂質(zhì)體、神經(jīng)元、卵母細胞和內(nèi)皮細胞中形成離子通道.這些通道具明顯的生理特征，與其毒性特性相一致.這些Aβ通道在大小、選擇性、抑制劑和開放性上具很大差別，一般具有作用較大，不依賴電壓，離子選擇性較弱等特點，導(dǎo)致Ca2+、Na+、K+、 Cs+、Li+及Cl-等的內(nèi)流及外流，從而影響神經(jīng)細胞的功能[25].

Aβ 聚合物與神經(jīng)元細胞膜具有較強結(jié)合能力，Al3+-Aβ聚合物賦予Aβ聚合物更強的與神經(jīng)元細胞膜的結(jié)合能力導(dǎo)致神經(jīng)元細胞的損傷，這方面研究資料較為豐富，本文不再贅述.慢性鋁中毒導(dǎo)致鈣離子外排主要通道蛋白Ca2+、ATPase活性降低，而鈣離子攝取通道蛋白voltage-operated calcium channels 顯著升高，細胞內(nèi)鈣離子水平升高，鈣依賴蛋白水解酶Calpain活性顯著增加[26，27].APP或者Aβ 能夠引起Calpain表達量的升高.而AD病人與同齡對照相比m-Calpain升高7倍[28].但是YanD和Cai Y等(2017)研究發(fā)現(xiàn)，亞慢性鋁暴露損害了體內(nèi)的學(xué)習(xí)和記憶能力，削弱了細胞內(nèi)Ca2+和cAMP的信號水平，降低了TORC1核易位，降低了SIRT1、TORC1和pCREB的含量，最終降低了BDNF mRNA水平[29].

4 鋁與磷酸化Tau作用方式研究進展

Tau蛋白是微管結(jié)合蛋白(Micro tubuli-associated protein，MAP)中的一種，正常Tau蛋白的作用是和管蛋白結(jié)合形成微管并維持微管的完整性和穩(wěn)定性，在中樞和外周的神經(jīng)系統(tǒng)中含量豐富，可有6種不同的異構(gòu)體[30].Tau蛋白被高度磷酸化以后將失去與微管的結(jié)合能力形成異常修飾聚集的Tau蛋白而導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙[31].Shin等研究發(fā)現(xiàn)，鋁可以選擇性與高度磷酸化Tau蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)這些蛋白質(zhì)聚集并抑制其水解，從而誘導(dǎo)它們形成NFTs.并且鋁和異常磷酸化的Tau蛋白在NFTs內(nèi)可共同定位，推測鋁與磷酸化Tau蛋白的結(jié)合促進了NFTs的產(chǎn)生[32].Walton等進一步證實鋁與過磷酸化Tau蛋白在大腦海馬組織的NFTs中存在共定位現(xiàn)象[33].

磷酸化的Tau蛋白由于大量負電荷的存在，對Al3+變得尤為敏感，對鋁的敏感度提升了3.5個單位.在螯合劑EDTA存在時，鋁誘導(dǎo)的Tau蛋白聚集為可溶的，而產(chǎn)生的磷酸化Tau蛋白聚集是不可溶的，且對蛋白質(zhì)水解作用也不敏感[34，35].Tau蛋白磷酸化后就失去了與管蛋白的結(jié)合能力，為維持圍觀的完整性和穩(wěn)定性必須產(chǎn)生更多的Tau蛋白，這些新產(chǎn)生的Tau也逐步的磷酸化，導(dǎo)致磷酸化Tau蛋白進一步增加[36].

PP2A(protein phosphatase 2A，PP2A)是哺乳動物腦部從磷酸化Tau蛋白中移除磷酸根的最主要的酶，AD患者腦部往往表現(xiàn)出PP2A活性受到抑制[37]，鋁能通過抑制PP2A的活性從而促進磷酸化Tau蛋白的增加，磷酸化Tau蛋白是成熟NFTs產(chǎn)生的關(guān)鍵因素[38].免疫組化實驗顯示，很少量的鋁足以抑制PP2A的活性[39].

Kov′acs等應(yīng)用Aβ和Tau蛋白免疫組化方法研究發(fā)現(xiàn)，15位AD患者中全部檢測到NFTs和彌散的、原始的、典型的及致密的Aβ沉積.但在15位老年非患者對照中，僅有13位(87%)在大腦的嗅球部位檢測到NFTs，而僅僅5位(33%)含有彌散的Aβ沉積.并認為NFTs的產(chǎn)生早于Aβ沉積[40].淀粉樣蛋白級聯(lián)假說則認為Aβ沉積的出現(xiàn)早于NFTs的出現(xiàn)，并認為前者導(dǎo)致后者的形成[41].Price等觀察發(fā)現(xiàn)Aβ沉積在顳皮層的出現(xiàn)要早于NFTs的出現(xiàn)[42].但一些學(xué)者研究認為，大腦邊緣區(qū)域Tau病理學(xué)比Aβ病理發(fā)生平均要早至少27年[43，44].

5 鋁對 Aβ 多肽與 Fibrinogen 相互作用影響研究進展

以往關(guān)于AD發(fā)生機制的研究比較重視Aβ產(chǎn)生及聚集對腦實質(zhì)組織的影響，而對血腦屏障(Blood Brain Barrier，BBB)通透性及腦毛細血管血流的研究相對忽視.而實際上AD既存在腦實質(zhì)組織細胞外Aβ聚集也存在腦血管壁上Aβ的聚集.

AD患者的一個常見病理學(xué)特征是在毛細血管、動脈和小動脈壁上發(fā)生的 Aβ多肽沉積，被稱為腦淀粉樣血管病.AD是一種神經(jīng)退行性疾病，血管病理學(xué)在其中起著重要作用.在AD患者中經(jīng)常發(fā)生腦血管功能障礙.AD患者往往發(fā)生腦血流減少及變化，慢性腦灌注不足經(jīng)常與 AD發(fā)生相聯(lián)系，因此循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題在AD發(fā)生過程中扮演重要角色，神經(jīng)元損傷和記憶缺陷有可能是血管問題所導(dǎo)致的[45].纖維蛋白原(Fibrinogen)是一種 340 kDa血漿糖蛋白，在血液中以微摩爾級濃度存在，在凝血過程中起關(guān)鍵作用.在凝血酶的剪切下，纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白，聚合成纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)及凝塊.纖維蛋白原通過為激活的血小板提供橋梁促進血小板的聚集，從而為凝固提供必要條件，纖維蛋白凝塊的溶解由纖溶酶原所介導(dǎo)[46，47].

越來越多的證據(jù)表明Fibrinogen相關(guān)的循環(huán)系統(tǒng)障礙在AD中起著重要作用.Aβ和Fibrinogen之間的相互作用，將誘發(fā)抗血纖維蛋白溶酶的異常血液凝塊，延遲纖維蛋白溶解，增加炎癥，使認知功能喪失.Aβ寡聚物比Aβ單體對Fibrinogen具有更強的親和力.Singh PK等(2018)測試了Aβ聚合抑制劑Aβ-Fibrinogen交聯(lián)的阻滯祖婆用，發(fā)現(xiàn)一些既能抑制Aβ聚合又能抑制Aβ-Fibrinogen交聯(lián)的抑制劑[48].Hyung JA等(2011)發(fā)現(xiàn)經(jīng)高通量篩選所獲得的RU-505既能顯著減少腦皮層血管淀粉樣蛋白沉積和小膠質(zhì)細胞增多癥，也進一步改善了AD小鼠模型的認知損傷[49].Zamolodchikov D等(2018)研究發(fā)現(xiàn)，Aβ1-42的中心區(qū)域與Fibrinogen的D片段相結(jié)合，并導(dǎo)致導(dǎo)致Fibrinogen的C末端發(fā)生結(jié)構(gòu)變化[50].Cortes-Canteli M等(2010)對其與AD中纖維蛋白凝塊形成的關(guān)系進行了研究.體外和體內(nèi)實驗表明，在Aβ存在情況下，纖維蛋白凝塊結(jié)構(gòu)異常并難以降解.對血栓形成和溶解的腦內(nèi)成像顯示AD小鼠血栓形成和纖溶作用存在異常.此外，在AD小鼠中，減少纖維蛋白原能夠降低腦淀粉樣血管病變的病理改變和認知功能減退[51].Chen SM等(2013)對由AlCl3誘導(dǎo)產(chǎn)生的大鼠神經(jīng)病理改變研究結(jié)果表明，AlCl3注射增加Aβ斑塊積累，引起紅細胞變形能力下降，紅細胞聚集增加，氧氣傳輸效率降低、Fibrinogen濃度增加，血液粘度增加等一系列改變血液流變學(xué)參數(shù)的變化[52].Bhattacharjee S等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，在AD患者中，在從大動脈到為海馬體提供血液的后大腦動脈中鋁濃度呈現(xiàn)梯度增加的趨勢，細胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮細胞比腦組織的其它細胞具有更強的鋁吸附能力[53].

通過以上分析可以看出，前人研究工作說明AD患者腦部血管壁上能產(chǎn)生Aβ聚集，Aβ通過與Fibrinogen的相互作用能夠促進腦血管中纖維蛋白凝塊的形成及紅細胞的聚集.腦血管內(nèi)皮細胞對鋁具有很強的吸附能力，因此鋁有可能促進Aβ在腦血管壁上發(fā)生聚集，形成更多的Al-Aβ低聚物.由于紅細胞占到血液體積的40%以上，Al通過促進Aβ與Fibrinogen的相互作用有可能進一步加劇腦血管中纖維蛋白凝塊的形成及紅細胞的聚集，導(dǎo)致毛細血管血流發(fā)生更大變化，甚至導(dǎo)致腦組織局部缺氧，引起AD的發(fā)生.

6 對鋁在大腦中蓄積及鋁中毒的預(yù)防

由于鋁進入腦部的量遠大于離開的量，結(jié)果極易導(dǎo)致導(dǎo)致隨著時間推移鋁在腦部的凈積累，鋁是唯一常見的隨著年齡增長在腦部蓄積的神經(jīng)毒素[54，55].腸道對鋁的吸收率越高腦部鋁的含量越高[56]，所以應(yīng)該盡量減少在鋁中暴露的機會.鋁可以通過BBB、脈絡(luò)叢和鼻腔等三種途徑通過體循環(huán)或吸收部位進入大腦[57].由于Al3+與Fe3+的相似性，負責(zé)Fe3+離子運輸?shù)募毎鞍淄荒芎芎玫貐^(qū)分Al3+與Fe3+[58]，鋁的代謝與鐵的代謝交織密切.

在環(huán)境中有很多因素可以促進鋁進入大腦的進程.如BBB通透性的增加，檸檬酸和甲狀旁腺激素(PTH)，以及維生素D等都會影響到鋁進入大腦.近年來隨著鋁制炊具使用的減少，很多人認為人類對鋁的攝取減少了.而實際情況是近年來人類對鋁的攝取反而增多了，因為飲用水、作物、加工食品及鋁制容器均可成為人類攝取鋁的來源.1989年世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織提出人體鋁的暫定攝入量標(biāo)準(zhǔn)為7 mg/kg，1994年我國提出面制食品中鋁的限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)為≤100 mg/kg[59].

飲用水中的鋁多為游離型，游離型的鋁分子量小，較易吸收，易通過腸壁進入血液，因此飲用水是人類對鋁攝取的一大來源.若使用含鋁的混凝劑或明礬來凈化水質(zhì)，則會增加水中的鋁含量.環(huán)境污染的加重，酸雨的增多增加了土壤中鋁的溶出.輸水系統(tǒng)中混凝土管、陶土管、水泥管等一般含有鋁元素，提高了給水管網(wǎng)末梢出水的鋁含量[60].

一些食用作物對鋁具有很強的吸收和積累.劉文涵等對5份甘薯樣品檢測發(fā)現(xiàn)其鋁含量高達(190.8±1.59) mg/kg[61].一些面制加工食品如油條、粉絲、糕點、掛面等，尤其是油條和粉絲，由于在加工過程中使用了含鋁添加劑作為膨松劑，鋁含量常常含量過高，不僅超過聯(lián)合國推薦攝入標(biāo)準(zhǔn)，甚至超過我國食品限量使用標(biāo)準(zhǔn)多倍.紅薯粉和粉絲制作中鋁的來源為超量使用明礬所致，食品添加劑中使用硫酸鋁鉀、硫酸鋁胺等含鋁膨松劑所致[62-63].高志勝等對江蘇一些地區(qū)面食中鋁含量進行了檢測，結(jié)果顯示，油條中鋁的平均含量為495.6 mg/ kg，最大值達到1 538.7 mg/kg，平均值超過限量標(biāo)準(zhǔn)5倍，超過聯(lián)合國推薦攝入標(biāo)準(zhǔn)的71倍[62].顏代英等檢測發(fā)現(xiàn)，紅薯粉和粉絲中鋁的平均含量分別為269.26和108.58 mg/kg，紅薯粉平均值超過限量標(biāo)準(zhǔn)2.7倍，超過攝入量聯(lián)合國推薦攝入標(biāo)準(zhǔn)的38.4倍[62，63].

鋁制炊具、容器也是人體攝入鋁的重要來源.在使用鋁炊具時如果接觸酸(醋)、堿、鹽等可使大量鋁離子進入食物中.鋁制易拉罐盛裝啤酒、飲料，會使溶出的鋁進入人體[60].此外一些藥物中如胃藥代表Al(OH)3等也含有鋁，，長期服用這些藥物也會造成鋁在人體內(nèi)的過量積累.

鋁攝入過量，除了具有前面提到的導(dǎo)致AD產(chǎn)生等神經(jīng)系統(tǒng)毒性作用外，還具有免疫毒性、生殖毒性、成骨毒性等各種毒性[60].為此避免過度攝入及接觸鋁已經(jīng)成為AD及其它疾病防治的重要課題之一.

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鋁在AD的發(fā)生過程中具重要作用.通過控制鋁攝入防治AD的發(fā)生具有重要理論和臨床意義.