氧化应激与阿尔茨海默病

摘要：阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是一种多病因神经退行性疾病，以β一淀粉样蛋白（Aβ）聚集沉积引起的老年斑（senile plaque，sP），聚集的磷酸化微管稳定蛋白质（tau）引起的细胞内神经原纤维缠结（neurofibrillarytangle，NFT）为主要病理特征。活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的增加引起的氧化应激和抗氧化防御酶功能丧失在AD形成中具有重要作用。综述近年来这方面的研究进展，着重总结了AD中的生物大分子f脂质、蛋白质和核酸）氧化以及Aβ和金属离子（铁、铜和锌等）动态平衡紊乱诱导的氧化应激与AD的关系，同时介绍了AD中氧化应激相关的信号转导，旨在对今后这方面的研究及预防和治疗AD提供帮助。

关键词：阿尔茨海默病（AD）；氧化应激；p-淀粉样蛋白（Ap）；tau蛋白；信号转导

中图分类号：R749.16 文献标识码：A 文章编号：1007-7847（2015）03-0265-11

阿尔茨海默病（Alzheimer disease.AD）是一种多病因神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征。阿尔茨海默病（AD）的致病过程是一个多因素、多机制、渐进性的复杂过程，其发生与多种基因突变和遗传相关，如淀粉前体蛋白（amyloid pre-cursor protein， APP），早老素蛋白 （PSEN1和PSEN2）和载脂蛋白E ε4（APOE ε4）。病理学上，阿尔茨海默病（AD）表现为来源于APP生成的β-淀粉样蛋白（β-Amyloid，Aβ）聚集沉积引起的老年斑（senile plaque，SP），聚集的磷酸化微管稳定蛋白质（tau）引起的细胞内神经原纤维缠结fneurofibril-lary tangle，NFT）。

氧化应激（oxidative stress）是指体内的自由基或其他产物超过机体抗氧化能力的一种病理状态，由于体内氧化还原的平衡失调，从而产生过多的活性氧（ROS）和活性氮（RNS），在金属离子的作用下发生Fenton反应，形成羟基自由基f。OH）。小脑颗粒细胞、大脑皮质神经元和星形胶质细胞等多种细胞在病理条件下，可以产生过量的一氧化氮（NO），NO与超氧阴离子反应生成活性更强的过氧亚硝基（ONOO-）及.OH，进而使得机体面临着潜在损伤。

氧化应激反应的特征表现在ROS和RNS的产生和抗氧化防御的不平衡，强有力的证据表明ROS和RNS的增加引起的氧化应激和许多抗氧化防御酶功能丧失和阿尔茨海默病（AD）有着重要关系。Aβ和金属离子动态平衡紊乱等因素诱导产生的氧化应激是阿尔茨海默病（AD）形成的关键因素。重点综述了阿尔茨海默病（AD）中的生物大分子氧化；Aβ和金属离子动态平衡紊乱诱导氧化应激与阿尔茨海默病（AD）的关系；同时介绍了阿尔茨海默病（AD）中氧化应激相关的信号转导。旨在今后对阿尔茨海默病（AD）的研究及预防和治疗有所帮助。

1 氧化应激与阿尔茨海默病（AD）

1.1生物大分子氧化与阿尔茨海默病（AD）

除了淀粉斑病理症状和脑部神经原纤维缠结外，越来越多的证据表明AD患者中氧化还原状态发生改变。阿尔茨海默病（AD）中氧化应激表现为氧化蛋白、晚期糖基化终产物、脂质过氧化反应终产物、有毒物质形成f过氧化物、醇、醛、游离羰基合物、酮类和胆甾烯酮）以及核和线粒体中的核酸氧化修饰[1]。

1.1.1 脂质氧化

ROS与不饱和脂肪酸结合形成脂质过氧化物（lipid peroxide，LPO），再通过非酶解作用产生强毒性的氧化应激标志物4-HNE （4-hydroxy-2，3-nonenal）。AD患者的NFT中存在大量4-HNE，4-HNE修饰后的Tau蛋白更倾向于形成神经纤维缠结[2]。在NT2神经元中，低浓度4-HNE（类似于AD患者脑组织中检测到的浓度）诱导细胞内Aβ增加2～6倍[3]。用H202处理胚胎成纤维细胞将导致4-HNE的产生，使γ一分泌酶的活性增加导致APP裂解，表明氧化应激调节分泌酶的活性，增加Aβ产生[4]。AD患者中，蛋白绑定的4-HNE和自由态的HNE、巴比妥（TBARS），血浆、尿液和脑脊液（CSF）的异前列烷（不饱和脂肪酸的氧化产物）比对照显著性升高[5]。低密度脂蛋白受体相关蛋白1（low density lipoprotein receptor-related protein l，LRPl）是转运Aβ进出血液和大脑（血一脑屏障）的重要受体。Owen等研究表明LRP1过氧化导致Aβ聚集在大脑中，引起阿尔茨海默病（AD）的发生，因为过氧化的LRP1不能够结合并清除Aβ，与此一致的是4-HNE绑定到跨膜的LRP1上，AD患者海马区比对照显著性增加[6] 。

1.1.2蛋白质氧化

阿尔茨海默病（AD）的蛋白质氧化主要分为羰基化和硝化。ROS与相关生物分子如脂质、核糖核酸发生反应，导致活性羰基衍生物和醛的生成，因而与蛋白质反应形成蛋白绑定的羰基复合物。蛋白羰基化的测定被认为是鉴定蛋白质氧化应激、衰老、生理的障碍和阿尔茨海默病（AD）非常好的方法。在PP670/671的早发性AD （early-onset familial Alzheimer disease，EOFAD，发病年龄

异常的胆固醇代谢也是阿尔茨海默病（AD）的发病一个促进因素。Aβ与胆固醇和铜结合后，氧化成对神经元有极强毒性的7-羟基胆固醇，神经原纤维和Aβ蛋白斑是催化氧化还原的主要产所。铜与APP和Aβ结合及它们与LRP1的相互作用，解释了铜对LRP1选择性作用。LRP1与大脑组织中的Aβ蛋白结合，将它们清除出大脑[48J。研究表明，铜通过氧化作用干扰LRP1功能，进而抑制了Aβ淀粉样蛋白从血脑屏障清除，铜的累积效应损害大脑中用于清除Aβ蛋白的系统，导致AD患者的大脑中Aβ积累并形成斑块的关键因素[49]。

然而有研究表明铜离子对阿尔茨海默病（AD）的确有着潜在的保护作用。二价的铜离子可以阻止β折叠中Aβ42蛋白的沉积。铜离子对卢一折叠结构中已经形成的Aβ42淀粉样蛋白纤维有清除作用[50]，与此相似，C112+对Ap40也有清除作用[51]，这些表明C u2+可以阻止脑部淀粉斑块的形成和累积。铜离子复合物在阿尔茨海默病（AD）淀粉样斑块蛋白的形成、沉积和代谢过程中的作用引起了很多争论，需要深入研究。

1.3.3锌代谢 在Aβ蛋白沉淀斑中存在过量锌离子，尤其是神经炎斑块Aβ核型和失营养的神经元突起的大量聚集，说明锌离子与Aβ沉淀和阿尔茨海默病（AD）的形成有关[52] 。在AD患者的海马和杏仁核这些易损伤部位，锌离子大量聚集。研究表明锌离子在Aβ沉淀中的聚集有可能来自于神经传递过程中神经元释放的锌离子或重摄取异常分布的锌[53] 。

正常调节下，锌离子能够调节α-分泌酶活性，促使APP产生具有神经营养作用的分泌型的APP（sAPPce）。研究结果表明锌离子具有保护PC12细胞免受Aβ40损伤的作用，并且这种保护作用发生在Aβ损伤作用之前，在Aβ损伤后补充锌作用不明显刚。锌离子能激活基质蛋白酶、胰岛素降解酶和活脑啡肽酶，降解Aβ。健康人CSF中锌离子浓度与Aβ负相关[55]。然而体内锌浓度超载时，β和γ分泌酶占据主导作用，水解APP产生Aβ，Aβ聚集导致阿尔茨海默病（AD）形成口5J。在AD患者中，Ap42与铜、锌和铁的异常相互作用诱导肽聚集和氧化。铜和锌过量可能导致大脑皮层Aβ聚集沉淀，可溶性Aβ的降解通常随着生理状态下的铜和锌浓度提升而加快[55] 。研究表明，Aβ的N末端区域的H6、H13和H14与2ri2+配位。Zr12+_Aβ-16液态核磁共振表明Zn2+绑定到H6、H13和H14和Ell上[56] 。脑中的Zn2+池，特别是突触中的2n2+的大幅度的改变可能是阿尔茨海默病（AD）神经元功能障碍的潜在因素[57] 。锌离子除了诱导Aβ的生成外，还能诱导Taα蛋白过度磷酸化[58]。

膳食锌高水平可能导致认知功能障碍和提高Aβ聚集。体内和体外，高浓度的锌通过调节mRNA的5-UTR促进APP和APP裂解酶的表达从而增加Aβ的生成[59]。最近Miller构建了一系列的含有Zn2+的Aβ42低聚物，发现和Aβ低聚物配位的分子内和分子间的锌减少低聚物的溶解，因此促进Zn2+-Aβ聚集[60] 。

镁、锰及其他金属元素与阿尔茨海默病（AD）也有关系，不具体阐述。

2 阿尔茨海默病（AD）中氧化应激相关的信号转导

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen -activatedprolein kinases，MAPKs）是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。MAPKs信号转导通路将细胞外刺激信号转导至细胞及其核内，在细胞生物学反应（如细胞增殖、分化、转化及凋亡等）的过程中具有至关重要的作用。哺乳动物中有3个最重要的MAPKs信号通路，ERK （extracellular signal-regu-lated kinase）、JNK/SAPK（ c-Jun N-terminal kinase/stress activated protein kinase）和p38MAPK通路。SAPK及其下游物是主要的二分反应（bipartite re-sponse）分子，依赖于细胞和环境条件及和其他信号通路相互作用，导致神经退行性疾病或神经保护作用。

JNKJSAPK激活早于Aβ沉淀，表明JNK/SAPK通路独立于郑发生[61]。阿尔茨海默病（AD）早期，JNK/SAPK核定位在大部分易感神经元中，这和氧化标记物8-OHG很相似，表明在阿尔茨海默病（AD）中氧化应激可能激活JNK/SAPK通路。SAPK可以被Aβ激活，Aβ在阿尔茨海默病（AD）病变和氧化中起着重要作用。在不同的神经元细胞中，Aβ诱导后JNK活性增加2―3倍，引起细胞的死亡[62]。Tg2576小鼠中，脂质过氧化反应，氧化应激的标志物都早于Aβ出现[22]，因此认为氧化应激激活JNK/SAPK，随后Aβ升高进一步激活JNK/SAPK。实际上，JNK/SAPK的激活增加p-分泌酶（β-site APP cleaving enzyme l，BACEl），反过来又导致Aβ的升高[63]。Tamagno等研究表明氧化应激可以诱导y-分泌酶和BACE1，y-分泌酶和BACE1剪切APP产生Aβ[64]。Aβ和H2O2一样诱导NF-KB蛋白，引起半胱天冬酶级联反应，最终激活Caspase-3.导致细胞的凋亡反应。醋氨酚通过减少NF-KB的激活保护神经元，减弱Aβ的PC12细胞培养物所诱导的氧化应激，说明氧化应激是神经退行性疾病中引起神经元凋亡的主要原因。芦丁（ Rutin）通过降低IL-8、诱导型一氧化氮合酶（iducible NOS.iNOS）和NF-KB的蛋白表达阻止海马区的ATD形成[65] 。

激活的JNK/SAPK核定位进一步表明，氧化应激信号也可能影响基因的表达。JNK/SAPK通路的激活可以调控诱导一些抗氧化酶，如HO-1、超氧化物歧化酶-1（SOD-1）、谷胱甘肽（GSH）和热休克蛋白（HSP），这些抗氧化酶在阿尔茨海默病（AD）也被诱导[66] 。ROS也可作为信号分子，通过耦合到炎症基因表达、抗氧化或者细胞周期的调控，从而刺激白激酶级联反应[67] 。Selvatici等研究表明NaN3和H202处理后，神经元出现类似于阿尔茨海默病（AD）的症状，同时tau和糖原合酶激3p （GSK3p）磷酸化增加，BACE1和p35/25蛋白表达量也增加[68] 。

功能性补偿相关的线粒体基因表达增加在阿尔茨海默病（AD）和Tg2576AbPP转基因小鼠已被描述。相对于正常人群，阿尔茨海默病（AD）申基因表达的显著性差异已经被观察，许多差异性表达的基因都被c-Jun调控，这表明适应性代偿主要通过JNK/c-Jun通路。随着阿尔茨海默病（AD）病情的发展，激活的JNK/SAPK从细胞核到细胞中被再分配[61]，表明在阿尔茨海默病（AD）的晚期，JNK/SAPK在tau蛋白的磷酸化起着发挥作用。在长期慢性氧化应激条件下，细胞的抗氧化防御可能会不堪重负。神经退行性疾病，通过JNK/SAPK激活的结构自适应（如tau蛋白磷酸化）和NFT的形成可能提供一种抗氧化剂的功能[69]。阿尔茨海默病（AD）中氧化应激相关的信号转导见图1。3 阿尔茨海默病（AD）的治疗与展望 ROS和RNS在细胞内的生成和积累是有害的，并加剧疾病进展。神经退化性疾病的致病因素大都涉及到氧化应激。在阿尔茨海默病（AD）的研究中，探讨和分析氧化应激在阿尔茨海默病（AD）发病机制中的潜在原因是至关重要的。因此，对一些防止和/或减缓ROS和RNS介导的损伤的策略进行了研究。

抗氧化剂帮助捕获并中和自由基，保护神经元免受Aβ诱导的神经毒性作用。辅酶Ql0（coenzyme Ql0，CoQl0）体内体外都具有抗氧化和神经保护作用。Idebenone（人工合成的CoQl0类似物），临床实验表明具有抑制脂质过氧化能力，AD患者使用后可以改善记忆和认知功能。La-trepirdine，第一个被使用为非选择性的抗组胺剂，在神经退行性疾病中可以阻止ROS介导的损伤。Steele等研究表明该化合物能显著和持续改善认知行为，通过增强细胞自噬过程即“自食”过程，以此来抑制大脑神经退行性疾病[70] 。Acetyl-L-carni-tine （ALCAR）和R-α-lipoicacid （LA）也是抗氧化剂。在运动过程和促进脂肪的利用过程中，L-肉碱和乙酰辅酶A在线粒体内被转化成ALCAR。LA在有氧代谢（pyruvate dehydrogenase complex，PDHC）中作为一个辅助因子。ALCAR与LA组合使用可以降低由于衰老引起的ROS介导的损伤和线粒体功能障碍，改进认识和运动功能。AL-CAR和LA的神经保护机制，主要是恢复线粒体抗氧化酶水平和增加核因子红细胞相关因子2（nuclear factor erythroid-related factor 2，Nrf2）转运，从而上调抗氧化基因的转录水平[71，72] 。Szeto-Schiller peptides（SS-31），一种新型线粒体靶向性小分子多肽，该多肽选择性地定位于线粒体内膜具有抗氧化作用，对阿尔茨海默病（AD）有保护作用。在体外，SS-31能够清除H202，抑制氧化亚油酸和低密度脂蛋白，减少线粒体肿胀[73]。尼古丁可以降低Aβ毒性并对阿尔茨海默病（AD）有保护作用，赵保路等研究表明该保护作用主要通过调节金属离子的代谢平衡来达到[74]。多种具有抗氧化特性的天然化合物，如香料、绿茶、白藜芦醇和维生素等，已经被评价作为阿尔茨海默病（AD）的治疗剂[75]。

金属离子螯合剂临床上可以缓解阿尔茨海默病（AD）症状，延缓疾病进程。金属离子螯合剂是一类通过螯合金属离子形成稳定的水溶性络合物的有机或无机化合物。锌螯合剂，如氯碘羟喹（clioquinol，CQ），又称为PBT1，羟基喹啉家庭成员，被认为是2r12+和Cu2+和Fe3+有效的螯合剂。PBT1和第二代金属离子螯合剂PBT2在转基因AD小鼠和AD患者中有着非常好的效果，主要通过抑制金属离子诱导的的活性氧自由基形成和Aβ聚集[76，77]。PBT2也可增加基质金属蛋白酶（如脑啡肽酶、胰岛素降解酶和组织型纤溶酶原激）活性，增加清除Aβ能力[78]。PBT2与Zn2+和Cu2+结合，这些Cu12+和Zn2+化合物可以被细胞吸收，触发激活磷酸肌醇-3-激酶（PI3K），随后磷酸化下游目标分子Akt和GSK3β，MAPKs也被激活，导致基质金属蛋白酶上调和基质Aβ的降解[76]。去铁酮（deferiprone）是一种铁的螯合剂。Jaya等研究表明兔子在给予deferiprone后，血浆中的铁含量减少，大脑中的Aβ蛋白和tau蛋白的磷酸化水平也恢复到正常水平，但deferiprone对ROS水平没有影响[79]，这表明降低血浆中的铁的含量可能保护AD患者的脑。

另一个重要抗氧化防御系统是低相对分子质量还原型谷胱甘肽（GSH）。氧化应激可能通过细胞内GSH下降介导的神经元死亡，由于GSH在AD患者脑中含量减少，因此普遍认为恢复GSH水平有助于治疗阿尔茨海默病（AD）。最近Zampagni等设计了一种新的S一酰基GSH衍生物，添加该衍生物的细胞将激发脂质过氧化作用和线粒体功能功能障碍显著性降低，该衍生物可以保护胆碱能神经免于Aβ诱导的损伤和降少神经胶质反应[80]。NADPH氧化酶（NADPH oxidase enzyme，NOX）是细胞内一组具有氧化活性的蛋白，主要生物学功能是产生ROS。之前研究表明在AD患者中NOX系统发生改变。在老年轻度认知功能损害（mildcognitive impairment，MCI）大脑中，NOX活性比对照显著性增加。与此吻合的是，Park等在转基因AD小鼠中发现NOX2的缺失虽然不能影响Aβ和淀粉样蛋白斑块水平，却可以降低氧化应激，改善脑血管功能和记忆缺失[81]。夹竹桃麻素（ apocynin），一种NOX抑制剂，通过抑制NOX聚集而影响NOX介导的过氧化物的形成。这表明，NOX抑制剂在神经退行性疾病治疗中有潜在效果[82]。

总之，氧化应激、Aβ和金属离子不平衡或代谢紊乱与阿尔茨海默病（AD）的有着密切的关系。这表明鳌合金属离子、清除自由基、清除氧、抑制氧化酶活性的物质可以用来缓解Aβ毒性诱导的细胞损伤.今后在这方面进行深入的研究是非常必要的，对阐述阿尔茨海默症（AD）发病机理、寻找预防策略及治疗都有着重要意义。