張仁娟 周遠(yuǎn)忠 申旭波

遵義醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，貴州 遵義 563099

阿爾茨海默癥（Alzheimer’s disease，AD）是以記憶力缺失、出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙為特征的一種不可逆的神經(jīng)退行性疾病，其發(fā)病率隨年齡增加而升高［1-2］，在60 歲以上的人群中最為常見(jiàn)。AD 患者還可出現(xiàn)抑郁，睡眠障礙，焦慮等癥狀，這些癥狀嚴(yán)重影響AD患者的生活質(zhì)量，增加家人和全社會(huì)的負(fù)擔(dān)據(jù)?！督】抵袊?guó)行動(dòng)（2019-2030）》報(bào)告表明，目前我國(guó)AD患病人數(shù)已接近900 萬(wàn)，預(yù)計(jì)到2050 年患病人數(shù)將接近40 00 萬(wàn)。隨著全球老年人口的逐年增加，AD 病人的生活質(zhì)量和對(duì)全社會(huì)的影響等問(wèn)題逐漸受到關(guān)注［3］。目前AD并不能徹底治愈，主要是由于其發(fā)病因素較多，最主要的發(fā)病因素是AD患者腦內(nèi)容易出現(xiàn)以β-淀粉樣蛋白（amyloid-β protein, Aβ）沉淀造成的老年斑（senile plaque, SP）、Tau蛋白異常凝集造成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangle, NFT）、腦內(nèi)突觸數(shù)量減少、神經(jīng)元的大量丟失和凋亡，一旦發(fā)病，AD患者腦組織將出現(xiàn)不可逆性病變。神經(jīng)細(xì)胞對(duì)能量的需求高于其他細(xì)胞［4］，腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的能量代謝異常對(duì)AD發(fā)病至關(guān)重要，而線粒體則是其能量代謝的主要場(chǎng)所，線粒體功能障礙不僅與神經(jīng)細(xì)胞出現(xiàn)能量代謝異常有關(guān)，還與活性氧（Reactive oxygen species，ROS）穩(wěn)態(tài)異常、Ca2+失衡、細(xì)胞凋亡異常、線粒體形態(tài)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、線粒體DNA改變、自噬等過(guò)程緊密相關(guān)。因此，闡明線粒體功能障礙與AD發(fā)病的相關(guān)性，可為AD的防治提供一定的理論依據(jù)和思路。

1 能量代謝異常與AD

1.1 糖代謝障礙與AD線粒體可為細(xì)胞提供能量，能量需求與線粒體數(shù)量成正比，表現(xiàn)形式為三磷酸腺苷（ATP）［6］。神經(jīng)細(xì)胞主要以葡萄糖有氧氧化的方式來(lái)滿足大腦的正常運(yùn)行，正常糖代謝將為大腦的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供營(yíng)養(yǎng)支持，長(zhǎng)時(shí)間的糖代謝障礙將會(huì)影響大腦正常運(yùn)行［7］。EBANKS等［8］在AD患者的學(xué)習(xí)記憶區(qū)發(fā)現(xiàn)突觸損傷，線粒體出現(xiàn)功能障礙等表現(xiàn)，由此提出“線粒體級(jí)聯(lián)假說(shuō)”。相關(guān)研究［9］顯示，在AD患者出現(xiàn)明顯的臨床癥狀前已經(jīng)出現(xiàn)了糖代謝障礙，也有研究［10］發(fā)現(xiàn)AD患者血清胰島素抵抗指數(shù)顯著高于對(duì)照組，胰島素抵抗可破壞胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，胰島素信號(hào)傳導(dǎo)是調(diào)節(jié)糖代謝的關(guān)鍵因素，因此AD 患者胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的喪失有可能成為其潛在的發(fā)病機(jī)制。同時(shí)細(xì)胞因子信號(hào)傳導(dǎo)抑制因子3（SOCS3）對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)可起到負(fù)調(diào)節(jié)的作用，研究［11-12］發(fā)現(xiàn)在AD患者腦內(nèi)SOCS3 mRNA表達(dá)增加，阻礙胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，干擾細(xì)胞糖代謝。由此可見(jiàn)，進(jìn)一步研究SOCS3 對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的影響有可能成為調(diào)控AD患者糖代謝障礙的重要方向。

1.2 脂代謝障礙與AD近年來(lái)相關(guān)研究顯示，足量的ω-3 脂肪酸具有保護(hù)神經(jīng)元的作用，但飲食中攝入過(guò)量的飽和脂肪酸可引起認(rèn)知能力降低，增加患AD的風(fēng)險(xiǎn)［13-14］。脂代謝障礙可能引起腦內(nèi)Aβ蓄積，從而誘發(fā)AD。同時(shí)，脂代謝過(guò)程中膽固醇異常也與AD的發(fā)生有關(guān)［15］，攝入過(guò)量的飽和脂肪酸將引起血清中膽固醇含量增加，膽固醇含量的升高可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡通路［16］，增加AD的患病風(fēng)險(xiǎn)［17］。程旭等［18］還發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞因子（CTRP4）在腦神經(jīng)元中高度表達(dá)，CTRP4 缺失將導(dǎo)致小鼠學(xué)習(xí)記憶能力降低，并且還會(huì)影響神經(jīng)元形態(tài)和功能。

1.3 氨基酸代謝障礙與ADAD患者不僅會(huì)出現(xiàn)糖代謝障礙和脂代謝障礙，還會(huì)出現(xiàn)氨基酸代謝障礙［19-21］。氨基酸參與多種細(xì)胞的代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，因此氨基酸代謝在AD 腦內(nèi)的作用不可忽視。IBá?EZ等［22］通過(guò)對(duì)AD患者和對(duì)照組腦脊液進(jìn)行代謝組學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)精氨酸、纈氨酸等出現(xiàn)異常。LIU等［23］采用液相色譜/質(zhì)譜法檢測(cè)分析AD患者和對(duì)照組的血漿，發(fā)現(xiàn)AD患者的色氨酸和苯丙氨酸水平與對(duì)照組存在顯著差異。劉秀勤等［24］采用代謝組學(xué)分析AD 患者和對(duì)照組尿液中氨基酸水平，發(fā)現(xiàn)AD 患者的蘇氨酸、絲氨酸、纈氨酸和賴氨酸水平與對(duì)照組存在顯著差異。AD 模型小鼠腦脊液中谷氨酸的代謝產(chǎn)物γ-氨基丁酸升高，也提示AD發(fā)病過(guò)程中出現(xiàn)氨基酸代謝障礙［25］。在氨基酸代謝過(guò)程中，產(chǎn)生的含氮廢棄物在長(zhǎng)時(shí)間未被徹底清除的情況下也可能對(duì)神經(jīng)細(xì)胞造成不利影響［26］。

2 線粒體形態(tài)學(xué)與AD

AD患者腦內(nèi)出現(xiàn)的磷酸化的Tau蛋白可造成線粒體延長(zhǎng)［27］，而可溶性Tau蛋白的增加可影響線粒體在腦內(nèi)的分布，但是線粒體的形態(tài)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯改變。相關(guān)研究［28-29］發(fā)現(xiàn)早期AD 病人腦內(nèi)線粒體膜結(jié)構(gòu)、呼吸鏈有關(guān)酶及線粒體數(shù)量出現(xiàn)異常。慢性鎘暴露可造成小鼠腦皮質(zhì)區(qū)線粒體嵴斷裂、溶解、線粒體膜出現(xiàn)部分破裂［30］，而皮質(zhì)區(qū)對(duì)記憶和認(rèn)知十分重要［31］，提示慢性鎘暴露可能通過(guò)損傷線粒體造成記憶力下降和認(rèn)知改變，引發(fā)AD。SORRENTINO等［32］發(fā)現(xiàn)，修復(fù)線粒體不僅可減少腦內(nèi)老年斑蓄積，還可改變大腦功能，由此可見(jiàn)線粒體形態(tài)改變可能與AD的發(fā)病有關(guān)。

3 線粒體動(dòng)力學(xué)與AD

線粒體動(dòng)力學(xué)是線粒體通過(guò)持續(xù)的分裂和融合的方式來(lái)維持線粒體穩(wěn)態(tài)的表現(xiàn)。徐琳琳等［33］發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，3月齡AD小鼠腦組織出現(xiàn)線粒體融合蛋白MFN2和OPA1表達(dá)增加，線粒體分裂蛋白DRP1 表達(dá)增加，提示AD 發(fā)病中已經(jīng)出現(xiàn)了線粒體動(dòng)力學(xué)失衡。李鑫潔等［34］發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，鎖陽(yáng)醋酸乙酯提取物可下調(diào)AD 模型小鼠海馬組織中線粒體融合蛋白OPA1 和MFN1，上調(diào)線粒體分裂蛋白DRP1，提示鎖陽(yáng)醋酸乙酯提取物可能通過(guò)糾正線粒體動(dòng)力學(xué)來(lái)改善AD。線粒體出現(xiàn)分裂，融合異常還可引起ROS產(chǎn)生增多，能力代謝紊亂，進(jìn)而促使腦神經(jīng)元死亡，最終引發(fā)AD［35］。

4 ROS與AD

正常生理狀態(tài)下，腦內(nèi)產(chǎn)生的ROS 與體內(nèi)抗氧化能力處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)力來(lái)源主要由線粒體提供。當(dāng)線粒體出現(xiàn)功能障礙時(shí)可引起ROS產(chǎn)生增加［36-37］。過(guò)量的ROS或局部產(chǎn)生的ROS不僅可引起氧化應(yīng)激，還會(huì)激活NLRP3炎性小體［38-39］，進(jìn)而誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞的氧化損傷和炎性損傷。研究顯示喪失NLRP3后不僅可降低Tau蛋白產(chǎn)生的病理改變，同時(shí)還可改善認(rèn)知能力［40］。另一方面，過(guò)量ROS還可損傷線粒體膜結(jié)構(gòu)，引起線粒體細(xì)胞色素c釋放而造成細(xì)胞凋亡的發(fā)生。由此可見(jiàn)，減少ROS 的產(chǎn)生對(duì)保護(hù)腦細(xì)胞和維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性具有十分關(guān)鍵的作用。

5 Ca2+失衡與AD

Ca2+是機(jī)體細(xì)胞活動(dòng)的第二信使。Ca2+的穩(wěn)定對(duì)體內(nèi)鈣信號(hào)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)導(dǎo)以及維持神經(jīng)細(xì)胞的正常生理功能具有十分關(guān)鍵的作用［41］。線粒體是產(chǎn)生ATP 和儲(chǔ)存Ca2+的關(guān)鍵性細(xì)胞器［42］。神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加可改變胞內(nèi)線粒體的通透性，降低線粒體膜電位，造成神經(jīng)元損傷［43-44］。線粒體ATP減少可抑制Na+-Ca2+的交換，造成胞內(nèi)Ca2+超載［45］。Ca2+長(zhǎng)時(shí)間超載可觸發(fā)腦內(nèi)凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)［46］，促使細(xì)胞發(fā)生過(guò)度凋亡，損傷腦細(xì)胞［47］。腦細(xì)胞損傷可造成記憶障礙，引發(fā)AD。

6 細(xì)胞凋亡異常與AD

細(xì)胞凋亡是由基因調(diào)控細(xì)胞發(fā)生的程序性死亡，其發(fā)生可穩(wěn)定機(jī)體內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)生物進(jìn)化等作用。神經(jīng)細(xì)胞異常凋亡是AD 發(fā)病的關(guān)鍵機(jī)制之一。細(xì)胞發(fā)生凋亡的信號(hào)通路包括線粒體通路，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路和死亡受體通路［48］。線粒體通路的發(fā)生主要與Bcl-2 家族蛋白對(duì)線粒體外膜通透性的調(diào)控有關(guān)，而且促凋亡蛋白Bax和Bak在線粒體介導(dǎo)的凋亡通路中幾乎是必須存在的。神經(jīng)元發(fā)生線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡主要取決于Bax的表達(dá)和激活，缺乏Bax可在一定程度上預(yù)防神經(jīng)元的非正常性死亡［49］。王瑞婷等［50］采用不同劑量的Aβ25-35與PC12細(xì)胞共培養(yǎng)48 h，細(xì)胞Bcl-2蛋白表達(dá)呈劑量依賴性下降，Bax和caspase-3表達(dá)增加，促使腦細(xì)胞發(fā)生凋亡，由此可見(jiàn)減少線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的發(fā)生可能成為防治AD的重要手段之一。

7 線粒體自噬障礙與AD

線粒體自噬是細(xì)胞清除出現(xiàn)損傷的線粒體的方式，其功能受損將導(dǎo)致異常線粒體蓄積［51-52］。ESHRAGHI 等［53］發(fā)現(xiàn)線粒體自噬功能受損在AD 的臨床表現(xiàn)之前就已經(jīng)出現(xiàn)在AD患者腦內(nèi)，而這一現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與線粒體功能障礙和能量代謝異常有關(guān)［54］。線粒體自噬障礙將導(dǎo)致腦內(nèi)Tau蛋白蓄積［55-56］，從而誘發(fā)AD。小膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)具有吞噬功能的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞之一，小膠質(zhì)細(xì)胞在AD發(fā)病過(guò)程中可通過(guò)線粒體自噬的方式來(lái)減少神經(jīng)炎癥對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害［57］，因此通過(guò)修復(fù)線粒體自噬功能有可能成為減少AD發(fā)病的干預(yù)措施之一［58］。

8 線粒體DNA改變與AD

線粒體是細(xì)胞發(fā)揮功能的主要?jiǎng)恿?lái)源，是細(xì)胞完成氧化磷酸化，合成ATP 的主要加工場(chǎng)所。隨著DNA 甲基化酶、5-甲基胞嘧啶和5-羥甲基胞嘧啶的出現(xiàn)，表觀遺傳學(xué)的作用在線粒體中逐漸受到重視，線粒體DNA與核內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA在不同組織和細(xì)胞的遺傳密碼上存在顯著的差異性，線粒體DNA的表觀遺傳多與DNA發(fā)生甲基化，miRNA調(diào)控和蛋白異構(gòu)有關(guān)［59-61］。目前研究主要集中于線粒體DNA甲基化致AD的致病機(jī)制上面［62-64］，且多集中于線粒體D環(huán)區(qū)，徐營(yíng)營(yíng)等［65］通過(guò)透射電鏡，焦磷酸鹽測(cè)序等方法觀察到實(shí)驗(yàn)組APP/PS1 小鼠海馬CA1 區(qū)出現(xiàn)線粒體腫脹，結(jié)構(gòu)不完整，嵴斷裂等損傷和退化表現(xiàn)，D環(huán)區(qū)12S rRNA基因，Cyt b基因和COX Ⅱ基因甲基化明顯增強(qiáng)，姜紅燕等［66］對(duì)4 個(gè)早發(fā)家族性AD患者家系樣本中的線粒體DNA 進(jìn)行全序列測(cè)序，發(fā)現(xiàn)變異的線粒體DNA 可能存在致病性，影響線粒體功能，引發(fā)AD，但二者之間的因果關(guān)系還有待研究。

9 總結(jié)

線粒體功能障礙主要影響能量代謝，線粒體形態(tài)學(xué)、動(dòng)力學(xué)改變，引起Ca2+、ROS 水平異常，出現(xiàn)線粒體細(xì)胞凋亡、自噬障礙、DNA 改變等過(guò)程，最終誘發(fā)AD。線粒體是機(jī)體中十分關(guān)鍵的細(xì)胞器，對(duì)細(xì)胞的存活、繁殖等過(guò)程十分重要。闡明線粒體功能障礙在AD發(fā)病進(jìn)展和調(diào)節(jié)機(jī)制的作用，這些研究將在一定程度上為改善AD 患者線粒體功能方面提供一定的理論依據(jù)，對(duì)采取相應(yīng)的措施逆轉(zhuǎn)或減緩AD的發(fā)病進(jìn)程起到一定的作用。