線粒體功能障礙在阿爾茨海默癥中的研究進展

張仁娟 周遠忠 申旭波

遵義醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院，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。AD 患者還可出現(xiàn)抑郁，睡眠障礙，焦慮等癥狀，這些癥狀嚴重影響AD患者的生活質量，增加家人和全社會的負擔據(jù)。《健康中國行動（2019-2030）》報告表明，目前我國AD患病人數(shù)已接近900 萬，預計到2050 年患病人數(shù)將接近40 00 萬。隨著全球老年人口的逐年增加，AD 病人的生活質量和對全社會的影響等問題逐漸受到關注［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（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)細胞對能量的需求高于其他細胞［4］，腦內(nèi)神經(jīng)細胞的能量代謝異常對AD發(fā)病至關重要，而線粒體則是其能量代謝的主要場所，線粒體功能障礙不僅與神經(jīng)細胞出現(xiàn)能量代謝異常有關，還與活性氧（Reactive oxygen species，ROS）穩(wěn)態(tài)異常、Ca2+失衡、細胞凋亡異常、線粒體形態(tài)學、動力學、線粒體DNA改變、自噬等過程緊密相關。因此，闡明線粒體功能障礙與AD發(fā)病的相關性，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)細胞主要以葡萄糖有氧氧化的方式來滿足大腦的正常運行，正常糖代謝將為大腦的正常運轉提供營養(yǎng)支持，長時間的糖代謝障礙將會影響大腦正常運行［7］。EBANKS等［8］在AD患者的學習記憶區(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“線粒體級聯(lián)假說”。相關研究［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)顯著高于對照組，胰島素抵抗可破壞胰島素信號傳導，胰島素信號傳導是調節(jié)糖代謝的關鍵因素，因此AD 患者胰島素信號傳導途徑的喪失有可能成為其潛在的發(fā)病機制。同時細胞因子信號傳導抑制因子3（SOCS3）對胰島素信號傳導可起到負調節(jié)的作用，研究［11-12］發(fā)現(xiàn)在AD患者腦內(nèi)SOCS3 mRNA表達增加，阻礙胰島素信號轉導，干擾細胞糖代謝。由此可見，進一步研究SOCS3 對胰島素信號傳導的影響有可能成為調控AD患者糖代謝障礙的重要方向。

1.2 脂代謝障礙與AD近年來相關研究顯示，足量的ω-3 脂肪酸具有保護神經(jīng)元的作用，但飲食中攝入過量的飽和脂肪酸可引起認知能力降低，增加患AD的風險［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，脂代謝過程中膽固醇異常也與AD的發(fā)生有關［15］，攝入過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細胞發(fā)生線粒體介導的細胞凋亡通路［16］，增加AD的患病風險［17］。程旭等［18］還發(fā)現(xiàn)脂肪細胞因子（CTRP4）在腦神經(jīng)元中高度表達，CTRP4 缺失將導致小鼠學習記憶能力降低，并且還會影響神經(jīng)元形態(tài)和功能。

1.3 氨基酸代謝障礙與ADAD患者不僅會出現(xiàn)糖代謝障礙和脂代謝障礙，還會出現(xiàn)氨基酸代謝障礙［19-21］。氨基酸參與多種細胞的代謝和信號轉導通路，因此氨基酸代謝在AD 腦內(nèi)的作用不可忽視。IBá?EZ等［22］通過對AD患者和對照組腦脊液進行代謝組學檢測，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/質譜法檢測分析AD患者和對照組的血漿，發(fā)現(xiàn)AD患者的色氨酸和苯丙氨酸水平與對照組存在顯著差異。劉秀勤等［24］采用代謝組學分析AD 患者和對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)病過程中出現(xiàn)氨基酸代謝障礙［25］。在氨基酸代謝過程中，產(chǎn)生的含氮廢棄物在長時間未被徹底清除的情況下也可能對神經(jīng)細胞造成不利影響［26］。

2 線粒體形態(tài)學與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［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)并沒有出現(xiàn)明顯改變。相關研究［28-29］發(fā)現(xiàn)早期AD 病人腦內(nèi)線粒體膜結構、呼吸鏈有關酶及線粒體數(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］，而皮質區(qū)對記憶和認知十分重要［31］，提示慢性鎘暴露可能通過損傷線粒體造成記憶力下降和認知改變，引發(fā)AD。SORRENTINO等［32］發(fā)現(xiàn)，修復線粒體不僅可減少腦內(nèi)老年斑蓄積，還可改變大腦功能，由此可見線粒體形態(tài)改變可能與AD的發(fā)病有關。

3 線粒體動力學與AD

線粒體動力學是線粒體通過持續(xù)的分裂和融合的方式來維持線粒體穩(wěn)態(tài)的表現(xiàn)。徐琳琳等［33］發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，3月齡AD小鼠腦組織出現(xiàn)線粒體融合蛋白MFN2和OPA1表達增加，線粒體分裂蛋白DRP1 表達增加，提示AD 發(fā)病中已經(jīng)出現(xiàn)了線粒體動力學失衡。李鑫潔等［34］發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，鎖陽醋酸乙酯提取物可下調AD 模型小鼠海馬組織中線粒體融合蛋白OPA1 和MFN1，上調線粒體分裂蛋白DRP1，提示鎖陽醋酸乙酯提取物可能通過糾正線粒體動力學來改善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)細胞的動力來源主要由線粒體提供。當線粒體出現(xiàn)功能障礙時可引起ROS產(chǎn)生增加［36-37］。過量的ROS或局部產(chǎn)生的ROS不僅可引起氧化應激，還會激活NLRP3炎性小體［38-39］，進而誘發(fā)神經(jīng)細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，同時還可改善認知能力［40］。另一方面，過量ROS還可損傷線粒體膜結構，引起線粒體細胞色素c釋放而造成細胞凋亡的發(fā)生。由此可見，減少ROS 的產(chǎn)生對保護腦細胞和維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性具有十分關鍵的作用。

5 Ca2+失衡與AD

Ca2+是機體細胞活動的第二信使。Ca2+的穩(wěn)定對體內(nèi)鈣信號的產(chǎn)生、轉導以及維持神經(jīng)細胞的正常生理功能具有十分關鍵的作用［41］。線粒體是產(chǎn)生ATP 和儲存Ca2+的關鍵性細胞器［42］。神經(jīng)元細胞內(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+長時間超載可觸發(fā)腦內(nèi)凋亡相關蛋白的表達［46］，促使細胞發(fā)生過度凋亡，損傷腦細胞［47］。腦細胞損傷可造成記憶障礙，引發(fā)AD。

6 細胞凋亡異常與AD

細胞凋亡是由基因調控細胞發(fā)生的程序性死亡，其發(fā)生可穩(wěn)定機體內(nèi)環(huán)境，促進生物進化等作用。神經(jīng)細胞異常凋亡是AD 發(fā)病的關鍵機制之一。細胞發(fā)生凋亡的信號通路包括線粒體通路，內(nèi)質網(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 家族蛋白對線粒體外膜通透性的調控有關，而且促凋亡蛋白Bax和Bak在線粒體介導的凋亡通路中幾乎是必須存在的。神經(jīng)元發(fā)生線粒體介導的細胞凋亡主要取決于Bax的表達和激活，缺乏Bax可在一定程度上預防神經(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細胞共培養(yǎng)48 h，細胞Bcl-2蛋白表達呈劑量依賴性下降，Bax和caspase-3表達增加，促使腦細胞發(fā)生凋亡，由此可見減少線粒體介導的細胞凋亡的發(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

線粒體自噬是細胞清除出現(xiàn)損傷的線粒體的方式，其功能受損將導致異常線粒體蓄積［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［54］。線粒體自噬障礙將導致腦內(nèi)Tau蛋白蓄積［55-56］，從而誘發(fā)AD。小膠質細胞是腦內(nèi)具有吞噬功能的神經(jīng)膠質細胞之一，小膠質細胞在AD發(fā)病過程中可通過線粒體自噬的方式來減少神經(jīng)炎癥對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害［57］，因此通過修復線粒體自噬功能有可能成為減少AD發(fā)病的干預措施之一［58］。

8 線粒體DNA改變與AD

線粒體是細胞發(fā)揮功能的主要動力來源，是細胞完成氧化磷酸化，合成ATP 的主要加工場所。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DNA在不同組織和細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調控和蛋白異構有關［59-61］。目前研究主要集中于線粒體DNA甲基化致AD的致病機制上面［62-64］，且多集中于線粒體D環(huán)區(qū)，徐營營等［65］通過透射電鏡，焦磷酸鹽測序等方法觀察到實驗組APP/PS1 小鼠海馬CA1 區(qū)出現(xiàn)線粒體腫脹，結構不完整，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，姜紅燕等［66］對4 個早發(fā)家族性AD患者家系樣本中的線粒體DNA 進行全序列測序，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系還有待研究。

9 總結

線粒體功能障礙主要影響能量代謝，線粒體形態(tài)學、動力學改變，引起Ca2+、ROS 水平異常，出現(xiàn)線粒體細胞凋亡、自噬障礙、DNA 改變等過程，最終誘發(fā)AD。線粒體是機體中十分關鍵的細胞器，對細胞的存活、繁殖等過程十分重要。闡明線粒體功能障礙在AD發(fā)病進展和調節(jié)機制的作用，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)，對采取相應的措施逆轉或減緩AD的發(fā)病進程起到一定的作用。