AD是一种与年龄密切相关的神经退行性疾病。在美国,65岁以上人群的发病率约为13%,而85岁以上人群的发病率近33%,每年的医护费用近$1000亿。随着全球人口老龄化程度的加剧,AD患者的数量将会急剧增加^[1]。2010年,全世界有3 560万AD患者,预计每20年翻1倍,到2030年将有6 570万,到2050年将达到1.154亿^[2]。AD患者常伴随记忆缺失和认知障碍,不但严重影响患者的生活质量,还给家庭和社会带来沉重的负担。在临床上,AD目前很难治愈,国内外的相关研究正处于探索积累阶段。

现有研究表明^[3],体内微量元素动态平衡的改变可能与痴呆,特别是AD的形成和病理改变有关。AD患者大脑神经元外出现大量淀粉样蛋白 (β-amyloid,Aβ) 堆积形成的老年斑,并与高浓度的金属离子共存,主要包括铜、铝、锌、铁等,这些离子与可溶性Aβ和Aβ寡聚体的相互作用与AD的发生和发展密切相关^[4-6]。AD的其他病理特征,包括神经元纤维 缠结、神经元丢失等也与这些金属离子有关。金属 离子的不平衡已被视为AD发病机制中的关键因素之一。 1 铜与阿尔茨海默病

铜在日常生活中普遍存在,包括铜管输送的饮用水、营养补剂、红肉、贝壳类动物、坚果、某些水果及蔬菜等。铜在神经传导、骨生长、结缔组织形成和激素分泌中发挥着重要作用。适量的铜对人体有重要意义^[7],但是,如果摄入铜过多而没有及时排出,就可导致机体功能紊乱和疾病的发生,AD就是其中之一^[8-10]。因此,必须在器官、细胞和蛋白质等多个水平严格控制铜的含量及其代谢。

铜可以通过血液循环进入到脑血管中,过量的铜会沉积在血管壁上,尤其是在毛细血管的内皮细胞上,而这些细胞是大脑防御系统的关键成分,调控分子进出脑组织。在生理状态下,毛细血管会阻止铜进入大脑; 随着时间的推移和铜累积的增多,毛细血管出现功能障碍,血脑屏障受到破坏,导致细胞活动副产物Aβ堆积,产生毒性^[11]。Cu²⁺能促进Aβ1-40的聚集,且能改变Aβ_1-40聚集体的形态和大小,Cu²⁺诱导Aβ_1-40聚集产生纤维状和无定形聚集体^[12]。Singh等^[13]利用小鼠和人类脑细胞进行了一系列实验,证实铜参与并加速了AD的发生发展。在生理状态下,脂蛋白受体相关蛋白1 (lipoprotein receptor-related protein 1,LRP1 ) 负责清除脑内的Aβ,而铜可以通过氧化作用破坏LRP1的功能,进而抑制大脑中Aβ的清除。Acevedo等^[14]研究表明,铜不仅可以增加β-淀粉样蛋白前体 (amyloid precursor protein,APP) 在细胞表面的水平,而且可以促进APP在体外培养的极化上皮细胞和神经细胞中的转运。在SH-SY5Y细胞和原代皮质神经元中,铜可以促进APP从细胞核周围分布到更广泛的部位,甚至可以分布到突起中,铜还可以通过增加胞外分泌和减少内吞作用而增加细胞表面的APP。综合以上研究表明,高浓度的铜可以抑制Aβ的清除,还能促使APP分布到更广泛的部位,进而产生毒性作用,加剧神经元的损伤。有趣的是,尽管胞外淀粉样斑块中铜的浓度比较高,而胞内铜却与细胞总铜量呈负相关,这似乎有点自相矛盾,Hung等^[15]研究给出了解释: APP形成Aβ的过程发 生在膜微区丰富的胆固醇脂筏,铜通过胆固醇丰富的脂筏调节flotillin-2基团,通过铜介导的APP内吞的抑制作用而减弱了Aβ的合成。因此,细胞内铜的缺乏更有利于Aβ-Cu²⁺配合物的生成。 2 铝与阿尔茨海默病

虽然在生活中铝广泛用于炊具,但是它与铜不同,并非人体必需。人们很早就发现铝与AD的发生和发展之间存在联系,早在1973年,Crapper等^[16]发现铝在AD患者大脑内某些区域聚集,并能诱导高 等动物神经纤维的退化,进一步证实铝与AD的发生密切相关。1980年,Perl和Brody^[17]利用扫描电子显微镜和X-射线荧光光谱的方法,分别检测了AD患者和正常老年人尸体海马神经元中铝的含量。结果 表明,无论是AD患者还是正常老年人,铝灶在神经元纤维缠结比例较高的神经元中均显著增多,而相邻正常神经元中几乎没有铝沉积。Yumoto等^[18]利用能量衍射型X射线光谱技术结合透射电子显微镜 (transmission electron microscope combined with energy X-ray diffraction spectroscopy,TEM-EDX) 技术探究铝在AD患者脑中的作用。结果显示,铝参与了Aβ聚集形成神经元毒性纤维的过程,并可能诱导Aβ形成β-折叠结构。综上,铝影响了神经元纤维的结构,并且与AD的发生与发展密切相关。

铝对神经元的损伤作用在动物实验中得到验证。Bonda等^[19]研究发现,过量的铝能够引起神经毒性作用、触发β-折叠、促进神经原纤维缠结形成、干扰神经传导和诱导细胞的氧化损伤等。铝的神经损伤作用还可能与其对乙酰胆碱酯酶的影响有关: 铝、铜、铁和钙等离子可以非竞争性地抑制乙酰胆碱酯酶,但抑制作用弱于非竞争性抑制药物^[20]; 而本实验室^[21]在D-半乳糖制作亚急性衰老模型的基础上,联合应用三氯化铝,成功制备了AD动物模型,模型鼠表现出明显的学习记忆障碍、脑内乙酰胆碱水平降低、乙酰胆碱转移酶和胆碱脂酶活性下降,并出现老年斑和神经原纤维缠结等病理改变。Ribes等^[22]研究了低剂量铝对AD转基因模型小鼠和野生小鼠的影响。结果表明,低剂量铝对野生小鼠的学习记忆能力损伤的同时也促进海马齿状回的细胞增殖,这说明大脑对铝损害表现出一种代偿性反应。但是,铝并不影响对过表达人类Aβ的成年Tg2576小鼠的认知记忆能力和淀粉样斑块的形成与发展^[23]。这可能因为Tg2576小鼠已经过表达Aβ,铝的影响就不显著了; 此外,这也提示了可能并不是通过直接作用而加速AD的发展。Gonzalez-Domínguez等^[24]对AD发病过程中金属动态平衡的研究表明,铝 介导的神经毒性主要作用于小分子物质,而且,血液中铝的浓度异常也会影响其他金属元素的分布,扰乱血清中金属的动态平衡。此外,铝还可能促进铁介导的氧化反应,对脑组织造成严重损伤。

综合以上的研究结果,说明铝可以通过多种方式产生神经损伤作用: 一方面,铝不仅能够非竞争性抑制乙酰胆碱酯酶、产生神经毒性作用,触发β-折叠、促进神经原纤维缠结形成、干扰神经传导和诱导细胞的氧化损伤而发挥直接的毒性作用; 另一方面,还能够作用于小分子物质,调节血清的金属动态平衡,促进铁介导的氧化反应而间接发挥毒性作用。因此,减少铝的摄入,不仅可以降低AD的患病风险,而且对于体内其他金属的动态平衡也具有重要意义。 3 锌与阿尔茨海默病

锌是人体的必需元素之一,是人体中部分蛋白质结构或功能的成分,在人体的生长发育、免疫力和伤口愈合等方面都有重要作用。但是,在老年人体内,血清锌含量以0.4% 的速度逐年下降^[25]。锌在大脑中有重要的作用: 降低铜的毒性或直接营养神经元,或两者兼而有之^[26]; 锌缺乏可导致神经元死亡。

在生理状态下,突触释放的Zn²⁺与各种神经细胞的离子通道、受体和转运体相互作用,调节突触传递和可塑性^{[27, 28]}。释放的Zn²⁺大部分由突触前神经元重新摄取并由锌转运体3 (zinc transporter,ZnT-3) 进一步螯合到突触囊泡中^[29],以维持Zn²⁺的动态平衡。在AD患者的海马、皮质和杏仁核中,Zn²⁺显著增高^[30],ZnT-3显著下调,其他锌转运蛋白如ZnT-1、ZnT-4和ZnT-6的表达也有所改变^[31,32,33],锌的动态平衡受损。

过量的Zn²⁺能加剧AD的两个特异性病理特 征——Aβ和过磷酸化tau的形成。一方面,突触释 放的锌可以通过抑制突触蛋白磷酸酶2A (protein phosphatase 2A,PP2A) 促进tau蛋白磷酸化^{[34, 35]},其具体机制: 锌激活sarcoma (Src) 而介导PP2A在Tyrosine307位点的磷酸化,PP2A失活,tau蛋白过度磷酸化; 而Src家族激酶抑制剂PP2,可以抑制锌诱导的PP2A磷酸化。此外,在高表达人类tau蛋白的转基因小鼠中,锌螯合剂抑制Src的激活,进而降低PP2A的磷酸化和不溶性tau蛋白的水平。另一方面,Zn²⁺可以降低Aβ的溶解度而加剧神经元损伤。

在生理状态下,脑脊液中游离的锌浓度很低,并不足以促进Aβ聚合,但在突触快速活动时,锌的局部释放瞬时增高,游离的锌立即与Aβ_1-40配位并促进其聚合^[36]。在Zn²⁺-Aβ_1-42的寡聚物中,Zn²⁺可以同时在细胞内和细胞外与Aβ_1-42进行配位,桥接两个肽,锌的配位显著降低了Zn²⁺-Aβ_1-42寡聚体的溶解度,提高其聚合趋势^[37]。王春艳等^[38]也发现,APP/PS1转基因小鼠长期使用高锌含量的饮用水会导致大脑APP表达增加、裂解和Aβ沉积。

锌在分子水平也参与AD的发生和发展,张新 等^[39]利用锌指核酸酶技术成功制备了用于AD药物筛选的APP过表达的转基因小鼠模型。

综上研究结果表明,在生理状态下,突触释放的Zn²⁺能够调节突触传递和可塑性,但是过量的Zn²⁺能加剧Aβ和过磷酸化tau的形成,进而产生神经毒性作用。 4铁与阿尔茨海默病

铁和锌相似,也是人体必需的金属元素之一,人体血液中的血红蛋白就是铁的螯合物,人体缺铁会引起贫血症。如果妇女产后铁摄入不足,母乳喂养的新生儿脑缺铁就可能发生,这将会导致短期和长期的神经及行为缺陷。即使后天进行补充,早期缺铁对海马发育的影响仍然存在。早期铁缺乏会使包括Fn1、Cst3、Apbb1、Clu、App和Htatip在内的一系列发育基因的表达发生改变,而这些基因的失调与AD的病因学有关。动物实验结果^[40]表明,大鼠幼崽在其海马分化时,如果发生缺铁性贫血,体内有关AD和介导Aβ产生的基因组表达上调。

研究表明,随着年龄的增长,大脑灰质区的铁积累可能导致AD等疾病。朱文珍等^[41]利用定量核磁共振成像技术发现,AD患者大脑双侧的顶叶皮层、尾状核和齿状回中铁含量和海马内铁蛋白累积量明显高于正常人。Brar等^[42]研究表明,AD能够增加铁的积累,而铁的累积反过来又会加剧AD的发病过程。Cho等^[43]研究发现,SH-SY5Y细胞内增加的铁可以通过调控铁应答分子 (iron-responsive element,IRE) RNA 5'-端非编码区增加APP的表达量,而铁螯合物可以促进铁调节蛋白-1 (iron regulatory protein-1,IRP-1),选择性抑制Aβ前体蛋白转录产物的翻译和APP/IRE的结合,降低细胞内APP的表达。铁不仅影响APP的产生,对Aβ的聚集也有影响。铁可以延缓Aβ从非结构化构象转变为Aβ特征性的、有序的β交联纤维,阻碍Aβ正常的聚集,进而增加其毒性^[44]。铁能够促进APP的产生和Aβ的聚集而增加 Aβ的 毒性,而Aβ对铁的累积也有影响,Wan等^[45]已经证实Aβ可以增加线虫和人体细胞的铁含量: 在过表达APP突变体的SH-SY5Y细胞和表达Aβ的秀丽隐杆线虫株CL2006中,铁含量水平有所增加。

氧化应激反应是AD的致病因素之一,在轻度认知障碍 (mild cognitive impairment,MCI) 阶段,氧化应激已有所增加,铁的累积也在MCI期增加最多。AD发病过程中,可以检测到神经胶质细胞和小脑中氧化还原活性铁的累积,且随着发病进程逐渐增加^[46]。在AD患者的大脑内,铁通过催化自由基的产生而加重了氧化应激反应,Suttkus等^[47]在此基础上,证实神经元外周细胞丛 (perineuronal nets,PNs) 可以通过拮抗铁的作用而保护神经细胞。因此,过量的铁能够加剧Aβ的毒性作用、氧化应激反应而损伤神经元。 5 展望

近年来,人们在AD病因、病理及机制方面进行了深入研究,对其病因和发病机制也有了进一步的认识和理解,其中越来越多的研究者开始关注非生物因素在AD中的作用。阐明和梳理了金属离子与AD的关系,对于科学研究或药物开发,甚至日常生活中AD的预防,提供了一个新的视角。除此之外,研究工作者还通过测定体内金属离子的含量无创性地预测AD的患病风险和诊断AD,再根据研究的成果开发针对性的药物。尽管目前金属离子在AD致病过程中的作用还没有最后定论,甚至尚有争议,但是,金属离子和AD密切相关是毋庸置疑的,这为预防AD、研究其发病机制和研发治疗药物等提供了新方向。尽管金属离子与AD的关系研究取得了很大的进展。但是,这些金属的专一性和实际应用中的有效性还需要进一步研究。