阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease,AD)是造成痴呆的最常见原因，困扰世界约3500万人口^[1]。AD是以进行性记忆减退为临床特点，病理特征为细胞外β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)沉积形成神经元斑块(neuritic plaques,NP)和高度磷酸化的Tau蛋白形成神经元纤维缠结(neurofirillary tangles,NFT)。AD的病因和病理生理机制十分复杂，受基因调控和多种环境因素影响。关于AD发病机制有多种假说，包括胆碱能假说、淀粉样蛋白级联反应假说、氧化应激假说等等，因AD患者脑内过氧化状态的存在^[2]，氧化应激假说越来越引起人们的关注。本文对氧化应激参与AD发病的机制进行综述。

氧化应激是指活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的生成和清除失平衡，过多ROS，如过氧化氢、一氧化氮、过氧自由基、高活性羟自由基等在体内聚集，造成组织损伤。生理条件下的活性氧物质能够刺激细胞生长，并有抗氧化酶等抗氧化系统与其抗衡，如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)、过氧化氢酶(CAT)等。但是当氧化还原的平衡状态被破坏，自由基等大量聚集，引起人体脂质过氧化以及蛋白质等变性，造成各种不良后果。大脑的独特生理功能使其对氧化应激的损伤尤其敏感，ROS对大脑的损伤，常用脂质、蛋白及核糖核酸的变化来衡量^[3]。ROS对于脂质和蛋白质的攻击，导致细胞膜的流动性和通透性发生改变，最终导致细胞结构和功能的改变。

根据“Aβ沉积假说”，Aβ多肽在病人脑内沉积是导致AD病理发生的关键事件。Aβ是由39～43个氨基酸组成，相对分子量约为4000，具有β折叠构型的多肽。是由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)经β-分泌酶、γ-分泌酶水解生成。生理状态下，Aβ呈现非聚合形式，而在病理条件下，易聚集并产生神经毒作用。体外研究发现，将Aβ与培养的细胞一起孵育，会诱导产生以氧化应激为特征的神经毒性作用，导致细胞凋亡、细胞膜损伤、胞浆蛋白以及线粒体DNA等受损^[4]。Aβ多肽可诱导不同氧化物质的生成，并加速突触和线粒体的功能障碍和细胞凋亡。在Aβ家族中，蛋氨酸35被认为在促进氧化应激过程中有重要作用，当此氨基酸被其他的氨基酸代替，Aβ的促氧化能力将大大降低^[5]。有研究认为淀粉样蛋白寡聚物可自身插入脂质双分子层，使脂质过氧化，最终对蛋白质和其他生物分子造成氧化性损伤^[4]。膜脂质双分子层的改变引起大量钙离子内流，破坏了胞内钙离子稳态，引起线粒体功能障碍，最终可致突触丢失，神经元死亡。Aβ寡聚物对神经元的损伤作用已被广泛认可^[6]，而寡聚物的形成途径多样，可来自细胞外，也可源自细胞内的细胞器，如内质网和线粒体等。

Aβ在脑内沉积可以导致氧化应激，而氧化应激也可促进Aβ在脑中的积累，加速AD的发病。氧化应激时Aβ可被糖基化，使得Aβ更易聚集，且对于蛋白酶的水解和巨噬细胞吞噬作用的抵抗也有所增强，加速老年斑的形成。Porcellotti等^[7]以进展性Aβ生成为特点的Tg2576小鼠作为AD研究模型，发现小鼠自3月龄开始，神经元中就可发现抗氧化系统的失衡以及由氧化应激引起的核苷酸损伤，至9月龄后，神经元抗氧化功能不可逆丧失，说明过氧化状态在疾病的早期就已经被激活，因而抗氧化也已成为治疗AD的新靶点。Sachdeva等^[8]发现番茄红素作为一种抗氧化剂，能够显著改善脑室内注射Aβ1-42大鼠的认知能力。而Giordano等^[9]的研究中也指出抗氧化剂CAT-SKL，能够逆转原代神经元中Aβ导致的氧化应激，增加细胞的生存率。

Tau是主要的微管相关蛋白，能促进微管的组装和稳定，是神经元轴突运输所必不可少的蛋白质。尽管Tau具有可溶性和高度热稳定性，多维磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)波谱研究指出，存在于第三和第四个重复区域的β折叠结构中的8～10个残基有聚集的倾向^[10]，在AD中，Tau蛋白经过聚集形成双螺旋纤维并最终发展成为NFT。一些研究发现Tau的初期纤维化过程可能主要与神经元中发生的氧化应激等神经毒性有关^{[11, 12]}。而Tau自身可诱导线粒体功能受损，致使能量代谢异常，使活性氧簇大量生成和聚集，干扰生物膜完整性并引起突触功能障碍^[13]。尽管引起Tau聚集的机制还未明确，但体内和体外试验均表明，这种现象的产生可来自于蛋白翻译后的修饰，如过氧化、磷酸化、硝酸化、泛素化和糖基化^[14]等。在Tau聚集过程中的一些金属离子辅助因子，如Fe3+、Al3+等具有氧化还原作用，能够催化自由基的产生，潜在性损伤神经元并造成AD的病理结果^[15]。反过来，慢性氧化应激和随之产生的过氧化物质如4-羟基壬烯酸(4-HNE)，也会造成Tau蛋白的过度磷酸化而致构象改变，致Tau的聚集，最终引起神经元纤维缠结(NFT)^[16]。总之，氧化应激通过诱导构象改变和翻译后修饰促进Tau聚集，而Tau的聚集又可进一步促进氧化应激过程。Spilsbury等^[17]体外实验表明，缺乏端粒酶逆转录酶蛋白TERT(telomerase reverse transcriptase protein)神经元，在引起线粒体功能障碍的基础上，磷酸化Tau蛋白会增加，增多的Tau会进一步引起ROS增多和氧化应激损伤。

在真核细胞中，线粒体是提供有氧代谢所需能量的必不可少的细胞器。在脑组织中，线粒体含量丰富，与活跃的高级中枢神经活动相适应，是神经递质释放和重摄取的能量来源。神经组织中，线粒体在保障突触神经递质传递中的作用如此关键，因此线粒体的功能异常，被认为是减弱突触和神经可塑性的关键因素，也是导致AD病变的重要原因^[18]。

线粒体的功能障碍是许多神经系统变性疾病的特征性改变，甚至早于其他已知的典型疾病表现。线粒体的功能缺陷主要通过两方面损伤细胞：一是通过显著增加一系列活性氧性簇ROS的生成和释放，而这些ROS反过来引起细胞损伤^[19]。二是因氧化磷酸化过程的受损而致能量耗竭。近来研究表明，Aβ对于线粒体结构和功能的影响可能是神经元死亡和突触丢失的原因。在过表达人类APP即hAPP的小鼠模型中，线粒体内Aβ积聚，影响线粒体功能的可能原因如下^[20]。

Aβ损伤线粒体的一种方法是通过降低电子传递链中的酶的活性。Du等^[20]发现，在hAPP小鼠中，线粒体中复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)的活性下降，氧化应激强度(以4-羟基壬烯酸(4-HNE)和过氧化氢等水平反应)相较于野生型小鼠(WT)增加。多个试验已经证实复合体Ⅳ功能障碍可增加ROS的生成增加。近年来研究发现Aβ可直接结合细胞色素C氧化酶的亚基-1，二者的相互作用解释了复合体Ⅳ活性降低的原因，以及因此造成的疾病中的代谢改变。免疫共沉淀实验验证了Aβ与此亚基的相互作用。Bobba等^[21]也指出，在原代大鼠脑皮质的培养细胞中，用Aβ处理可引起复合体Ⅰ(NADH-CoQ氧化还原酶)和复合体Ⅳ的功能缺陷。在正常生理条件下，复合体Ⅰ是线粒体中产生ROS的主要位点，其功能的改变会造成ROS生成增多。与对照组相比，用Aβ处理的神经培养细胞，ROS和脂质过氧化物含量均增加。在转基因AD小鼠中观察到，电子传递链功能障碍引起的能量变化，进一步造成突触损伤，可能通过两种方式：一是因ATP供应不足，可干扰神经递质的传递^[22]。二是ATP缺乏，使ATP依赖酶功能受限，如Na⁺-K⁺ATP酶、Ca⁺ATP酶等，最终使细胞内外Na⁺、Ca⁺稳态失衡，而Na⁺、Ca⁺浓度对维持突触膜电位至关重要^[23]。

在 Aβ作用下，升高的ROS可进一步通过刺激线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)的开放来损伤线粒体。MPTP是一种蛋白复合物，形成进出线粒体膜的非选择性通道。正常情况下，MPTP通透性低，但在一些病理情况下，其通透性会大大增加，导致Ca²⁺超载和氧化应激^[24]。Aβ可通过降低Ca²⁺ATP酶的活性，增加胞内Ca²⁺浓度而刺激MPTP的开放。在hAPP小鼠模型中已证实MPTP的一些组成部分的蛋白高表达，如亲环素D、电压依赖性阴离子通道等。这证明APP的过表达，使淀粉样蛋白过多沉积，会导致MPTP的通透性增加，并可因此干扰氧化磷酸化过程，ATP生成减少，最终导致突触数目减少和神经元死亡等一系列相关后果^[20]。

线粒体自噬(mitophagy)是指细胞通过自噬的机制选择性地清除损伤或功能障碍的线粒体的过程。损伤的线粒体堆积可使ROS水平增加，并引起细胞凋亡，有效清除功能不全的线粒体对线粒体整体功能完整性和细胞生存来说都起着非常关键的作用。线粒体膜电位去极化是线粒体自噬的触发条件，通过Pink1-Parkin途径，与线粒体相关蛋白FUNDC1、Nix、Fis1等多处作用，使线粒体选择性的被清除。另外线粒体的动态变化即融合与分裂产生的子代中去极化的线粒体也是诱发线粒体自噬的关键因素^[25]。线粒体自噬功能的调节失常会导致神经元的损伤，引起神经退行性病变，如帕金森^[26]、AD等。Ye等^[27]研究发现在hApp转基因小鼠和AD病人脑神经元均发现线粒体自噬水平的增加，且主要是通过Parkin通路所引起。然而增加的线粒体自噬并没能有效的清除线粒体，主要原因是由于在AD病变中，自噬溶酶体不能被有效的被降解，自噬通路的最后环节发生了障碍，线粒体最终还是堆积在神经元内，并进一步引起神经元的损伤^[28]。

氧化应激与Aβ沉积、Tau磷酸化、线粒体损伤等相互作用，互为因果，加重对神经元的损伤，并最终引起认知功能障碍，导致AD的发生。