線粒體功能障礙與阿爾茨海默病

吳彬彬，董張雷，連慶泉

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院 麻醉科，浙江 溫州 325027）

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種漸進(jìn)發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病，它可由多種因素導(dǎo)致，如高齡、遺傳、腦外傷、炎癥等，而年齡增長(zhǎng)是其主要致病因素[1]。近期一項(xiàng)研究表明，在高于65歲的人群中約有13%個(gè)體患有此病。AD已成為第4位死亡原因，是導(dǎo)致患者需要接受長(zhǎng)期護(hù)理的主要原因之一，并將嚴(yán)重影響社會(huì)發(fā)展，在2030年之前，美國(guó)癡呆患者將從5 100萬增加至7 700萬[2-3]。AD患者在出現(xiàn)臨床癥狀和被確診之前有一段維持時(shí)間較長(zhǎng)的潛伏期—輕微認(rèn)知功能障礙（mild cognitive impairment，MCI），隨著病情發(fā)展患者逐漸喪失高級(jí)認(rèn)知功能并最終發(fā)展為嚴(yán)重癡呆[4]。大量β淀粉樣蛋白（β-amyloid protein，Aβ）沉積、tau蛋白高磷酸化和神經(jīng)元凋亡是AD三種主要病理變化。研究發(fā)現(xiàn)AD大腦多個(gè)腦區(qū)神經(jīng)元數(shù)量較正常組均顯著減少，如顳上溝、內(nèi)嗅皮質(zhì)、額葉皮層以及海馬等，其中海馬是參與空間認(rèn)知與記憶功能的主要區(qū)域，該部位神經(jīng)元生成與認(rèn)知功能密切相關(guān)，這可能是AD患者認(rèn)知功能障礙的主要原因之一[5]。研究報(bào)道線粒體參與AD等多種神經(jīng)退行性疾病病理過程，而“全身麻醉藥物對(duì)衰老腦組織神經(jīng)毒性作用”這一課題已引起全世界學(xué)者的關(guān)注并成為研究熱點(diǎn)，其中最為突出的是全身麻醉對(duì)老年人術(shù)后認(rèn)知功能障礙和AD發(fā)生的影響。那么麻醉藥是否通過作用于線粒體而促進(jìn)AD病情進(jìn)展，這三者之間又是什么關(guān)系？我們就這個(gè)問題作如下綜述。

1 氧化應(yīng)激、線粒體與AD

線粒體是絕大多數(shù)真核生物的“動(dòng)力工廠”，同時(shí)也是唯一含有DNA的細(xì)胞器，細(xì)胞所需能量的80%～90%均來源于線粒體氧化磷酸化作用。它的結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)分為外膜、膜間隙、內(nèi)膜和基質(zhì)四個(gè)功能區(qū)，各結(jié)構(gòu)間正常的電位梯度是維持線粒體正常功能的基礎(chǔ)。自由基是指含有未配對(duì)電子的原子、原子團(tuán)和分子，主要來源于線粒體氧化磷酸化作用并廣泛參與體內(nèi)氧化還原過程。在正常狀態(tài)下，線粒體所消耗的小部分氧分子會(huì)因?yàn)殡娮有孤抖纬苫钚匝跷镔|(zhì)（reactive oxygen species，ROS）。氧化應(yīng)激指體內(nèi)一種ROS生成和清除不平衡的狀態(tài)。由于正常的生物體內(nèi)存在一套產(chǎn)生和清除自由基的平衡體系，胞內(nèi)ROS保持在低水平狀態(tài)，但在某些病理狀態(tài)下，如線粒體結(jié)構(gòu)和功能性破壞可使細(xì)胞ATP生成減少并伴有ROS生成過多，可導(dǎo)致ROS在胞內(nèi)大量積聚并造成器官損傷[6]。大腦是體內(nèi)耗氧量最高的組織，過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶含量較低且含有大量多不飽和脂肪酸，相比其他組織更易于遭受氧自由基攻擊，而且神經(jīng)元只能通過消耗葡萄糖有氧代謝供能，因此對(duì)高濃度ROS所導(dǎo)致的損傷非常敏感[7]。

近來研究發(fā)現(xiàn)，AD大鼠腦細(xì)胞中的線粒體形態(tài)和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）相比對(duì)照組大鼠變化顯著，AD大鼠神經(jīng)元線粒體平均體積增大、表面積減小、密度減低，電子顯微鏡下可見線粒體嵴形態(tài)發(fā)生變化，甚至裂解[8]。此外，在某些病理或者衰老情況下，胞內(nèi)積聚的ROS可攻擊線粒體膜和mtDNA，造成mtDNA缺失和突變。雖然其中一些突變也存在于正常人，但是AD患者大腦神經(jīng)元中的發(fā)生率顯著高于正常人，由此推測(cè)，ROS所造成的mtDNA突變與AD發(fā)病存在一定關(guān)系[9]。此外，MCI患者體內(nèi)已表現(xiàn)出顯著氧化應(yīng)激不平衡現(xiàn)象，且非酶抗氧化物質(zhì)，如尿酸、維生素E等水平顯著下降，由于MCI患者進(jìn)展為AD風(fēng)險(xiǎn)非常高，以及MCI患者體內(nèi)發(fā)生的氧化應(yīng)激損傷可導(dǎo)致AD樣神經(jīng)病理改變，這些都提示氧化應(yīng)激不平衡在AD早期患者中就已經(jīng)存在，并且極有可能在AD病程進(jìn)展中起著關(guān)鍵作用[4]。反之，胞內(nèi)Aβ累積也可導(dǎo)致線粒體形態(tài)變化、抑制電子傳遞鏈上酶的活性、降低氧化磷酸化水平、減少ATP生成并增加ROS生成而損傷線粒體功能，還可以促進(jìn)胞外Ca2+內(nèi)流導(dǎo)致嚴(yán)重鈣超載，進(jìn)而促進(jìn)線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放，使線粒體膜選擇能力下降，大量分子進(jìn)入線粒體并伴有線粒體內(nèi)蛋白釋放，最終導(dǎo)致線粒體功能和結(jié)構(gòu)完整性喪失，由此構(gòu)成了線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激損傷和AD之間的惡性循環(huán)[10]。

2 麻醉、線粒體與AD

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類壽命的延長(zhǎng)，越來越多老年患者接受手術(shù)治療，而認(rèn)知功能障礙給患者本身以及他們的家人甚至社會(huì)帶來的負(fù)擔(dān)日益加重，老年患者大型手術(shù)后發(fā)生的認(rèn)知功能障礙也被密切關(guān)注。在全球范圍內(nèi)，每年有近2億患者在全麻狀態(tài)下接受手術(shù)治療，然而全麻與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系目前尚未研究清楚。之前有研究表明全麻藥物具有神經(jīng)毒性作用，近年來有研究顯示吸入麻醉藥物可促進(jìn)AD病程進(jìn)展[11-12]。Eckenhoff等[13]首次報(bào)道體外異氟烷暴露可促進(jìn)神經(jīng)元內(nèi)Aβ沉積。Xie等[14]和Zhen等[15]也證實(shí)無論在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，異氟烷可改變淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）代謝過程并且促進(jìn)Aβ生成。前文已經(jīng)提及神經(jīng)元凋亡是AD主要病理變化之一，已有許多研究表明，將AD大鼠暴露于吸入麻醉藥可導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡，雖然機(jī)制目前尚未完全研究清楚，但是其中幾種可能與AD病程發(fā)展相關(guān)：① 麻醉藥物直接激活caspase-3凋亡通路導(dǎo)致細(xì)胞凋亡；②促進(jìn)胞內(nèi)Aβ積聚而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡；③作用于線粒體導(dǎo)致Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡和ROS過度累積，影響細(xì)胞能量代謝而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[13，16-17]。

Aβ是老年斑的主要組成成分，由APP經(jīng)過天冬氨酸蛋白酶β位APP裂解酶（aspartyl protease βsite APP-cleaving enzyme，BACE）和γ-分泌酶水解作用生成。研究證實(shí)，異氟烷可激活caspase-3途徑誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡，進(jìn)而促進(jìn)胞內(nèi)Aβ沉積；異氟烷暴露還可增加BACE和γ-分泌酶活性、增加胞內(nèi)Aβ生成，后者進(jìn)一步激活caspase-3途徑導(dǎo)致細(xì)胞凋亡而形成惡性循環(huán)[14，18]。相似的，笑氣復(fù)合異氟烷可使胞內(nèi)Aβ聚集并誘導(dǎo)凋亡，此作用可被caspase-3抑制劑Z-VAD拮抗，但是被外源性Aβ加劇[15]。前文中已提及Aβ積聚可導(dǎo)致線粒體功能障礙，因此推測(cè)麻醉藥作用于線粒體的途徑之一是使胞內(nèi)Aβ水平升高，進(jìn)而作用于線粒體導(dǎo)致其功能障礙并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。此外，Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡可能是AD病變中導(dǎo)致線粒體膜電位和ATP水平降低的另一主要細(xì)胞毒性因素。線粒體中Ca2+積累可能與ROS生成增加有關(guān)，導(dǎo)致Aβ沉積、線粒體損傷、mPTP開放增加從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19]。吸入麻醉藥，尤其是異氟烷可通過促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）上IP3和RyR受體這兩個(gè)主要Ca2+釋放通道開放，使胞內(nèi)鈣超載而破壞神經(jīng)元內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)[20-21]，但是不同麻醉藥物效能存在差異，例如在相同暴露濃度下，異氟烷促進(jìn)ER中Ca2+釋放的效能顯著強(qiáng)于七氟烷和地氟烷[22-23]。線粒體是一種不斷進(jìn)行分裂、融合，處于動(dòng)態(tài)變化中的細(xì)胞器，這種狀態(tài)被稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。與之相關(guān)的蛋白有動(dòng)力素相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein1，drp-1）和線粒體裂解因子（mitochondrial fission factor，Mff）、調(diào)節(jié)線粒體融合的線粒體融合蛋白1（Mitofusin1，Mfn1）、Mfn2等，其中許多與神經(jīng)元凋亡和突觸聯(lián)系障礙等病理變化相關(guān)[24-25]。研究發(fā)現(xiàn)，Aβ可激活神經(jīng)元內(nèi)drp-1并使之表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)線粒體過度分裂甚至碎片化，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)異常，甚至神經(jīng)元凋亡和損害突觸聯(lián)系建立，最終導(dǎo)致患者長(zhǎng)期認(rèn)知功能障礙。當(dāng)神經(jīng)元受到一些傷害性刺激時(shí)，胞漿內(nèi)Ca2+濃度持續(xù)升高，激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（CaN），引起drp-1第637絲氨酸去磷酸化，導(dǎo)致drp-1活性增強(qiáng)而促進(jìn)線粒體分裂，引起線粒體片段化甚至神經(jīng)元凋亡。研究已經(jīng)證實(shí)，臨床相關(guān)濃度異氟烷正是通過上述機(jī)制促進(jìn)線粒體移位，從而導(dǎo)致線粒體過度分裂甚至碎片化，繼而造成線粒體膜通透性增加觸發(fā)線粒體凋亡途徑，最終損害發(fā)育期神經(jīng)系統(tǒng)[26]。由此可見，異氟烷可通過調(diào)控不同機(jī)制導(dǎo)致線粒體功能障礙促進(jìn)神經(jīng)元凋亡，最終導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。此外，研究還證實(shí)1.4%異氟烷還可升高AD轉(zhuǎn)基因小鼠磷酸化tau蛋白表達(dá)水平，并導(dǎo)致正常大鼠空間認(rèn)知能力障礙，但行為學(xué)改變并不是通過Aβ和tau蛋白磷酸化水平升高實(shí)現(xiàn)，其機(jī)制尚需進(jìn)一步證實(shí)[27-28]。與吸入麻醉藥作用相同，動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)均已證實(shí)靜脈麻醉藥，如丙泊酚也可導(dǎo)致磷酸化tau蛋白水平升高[29]。但是它們對(duì)AD病理過程發(fā)展作用可能不同，吸入麻醉藥可導(dǎo)致caspase-3激活、Aβ水平升高并進(jìn)一步加劇脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，而丙泊酚處理后無以上變化并能緩解LPS所誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[30]。用丙泊酚或硫噴妥鈉處理后小鼠大腦皮層APP mRNA和相應(yīng)蛋白表達(dá)水平?jīng)]有變化，并直接或間接抑制Aβ聚集，而異氟烷處理后能使之升高[31]。此外，還發(fā)現(xiàn)丙泊酚可拮抗Ca2+、清除自由基、抑制興奮性氨基酸和神經(jīng)元代謝抑制等作用，它對(duì)腦缺血再灌注性損傷具有保護(hù)作用，與此同時(shí)，它還能緩解缺血期ATP耗竭和Ca2+內(nèi)流并有助于再灌注期ATP水平恢復(fù)，從而減輕腦缺血、低氧損傷程度[32]。這提示不同麻醉藥物對(duì)AD病程進(jìn)展作用存在差異，但還需要進(jìn)一步研究加以證實(shí)。

3 線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相互作用與AD

AD患者中約10%患者是由于基因突變致病，其中包括早老素1和早老素2（presenilin-1、2，PS1、2），它們均與Aβ生成有關(guān)并存在于線粒體相關(guān)膜（mitochondrial-associated membrane，MAM）上。PS突變是家族型AD主要致病因素之一，這不僅使人們產(chǎn)生“PS突變是否與MAM功能相關(guān)，AD患者中是否存在MAM功能障礙？”的疑問。在形態(tài)學(xué)水平，PS基因突變細(xì)胞中MAM面積是正常細(xì)胞的2～3倍，提示PS基因表達(dá)與MAM功能相關(guān)。Schon等[33]發(fā)現(xiàn)γ-分泌酶在線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)交接界面（MAM）上含量豐富，而MAM與多種功能相關(guān)，如Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)、脂質(zhì)代謝、維持線粒體正常形態(tài)和對(duì)細(xì)胞凋亡的調(diào)控等[34]。在AD動(dòng)物模型中，這兩種細(xì)胞器之間存在通信功能障礙。在MAM功能障礙細(xì)胞中可見大量脂滴聚集、膽固醇含量增加以及磷脂合成速率加快，影響細(xì)胞代謝并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這提示MAM功能障礙對(duì)AD病程進(jìn)展可能具有一定促進(jìn)作用[35]。盡管MAM的生理重要性已引起人們重視，但它的結(jié)構(gòu)還未被研究清楚，目前可以確定的是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體的成分是mfn2，線粒體動(dòng)力學(xué)正常對(duì)于線粒體完整性以及線粒體之間mtDNA交換有重要作用，對(duì)于Ca2+和脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)也是必需的，而Mfn2對(duì)于維持線粒體動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定性具有重要意義[36]。在PS基因持續(xù)表達(dá)的情況下，敲除Mfn2基因可降低γ-分泌酶活性，而在PS敲除細(xì)胞中下調(diào)Mfn2表達(dá)可改善MAM面積顯著擴(kuò)大的現(xiàn)象。反之，在Mfn2敲除細(xì)胞中進(jìn)一步敲除PS基因能使MAM保持正常，提示在PS和Mfn2同時(shí)缺失的情況下MAM作用仍能維持正常。此現(xiàn)象雖不能闡明MAM作用機(jī)制，但對(duì)于解釋其生物學(xué)功能具有重要意義。因此，目前只能推測(cè)MAM功能障礙促進(jìn)AD發(fā)展，但是其中的具體機(jī)制尚需進(jìn)一步闡明。

4 展望

AD發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，是多種病因共同作用的結(jié)果。目前已知線粒體功能障礙所導(dǎo)致的氧化應(yīng)激是AD病程早期一種主要病理改變，而AD患者細(xì)胞中Aβ積聚可進(jìn)一步破壞線粒體功能和結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，由此構(gòu)成了線粒體功能障礙所導(dǎo)致的氧化應(yīng)激損傷與AD之間的惡性循環(huán)。全麻藥物對(duì)AD作用近年來被關(guān)注，它可通過多途徑導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡和ROS過度積聚，影響細(xì)胞能量代謝而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。靜脈麻醉藥物，如丙泊酚等對(duì)AD病理過程發(fā)展作用可能與吸入麻醉藥不同，但是它是否為一種相對(duì)安全的麻醉藥物尚待進(jìn)一步證實(shí)。此外，MAM與AD之間的關(guān)系也引起人們的重視。但無論是麻醉藥或MAM對(duì)AD的作用機(jī)制還需深入研究，相信隨著科學(xué)的發(fā)展，在不久的將來會(huì)進(jìn)一步揭示它們之間的相關(guān)性，為AD的治療和預(yù)防提供理論依據(jù)。

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