Alzheimer 病發病機制研究進展
山東省立醫院神經內科
閆鵬 杜怡峰
阿爾茨海默病 (Alzheimer’s Disease ,AD) 以潛隱性起病、癡呆緩慢進行性加重為特征，以神經元變性、丟失引起的腦萎縮，老年斑 (SP) 和神經元纖維纏結 (neurofibrillar tangles ,NFT) 為主要病理改變[1.2]，而這些病理改變主要集中在頂葉、顳葉、額葉聯合區等，如大腦皮層、海馬以及基底前腦。隨著世界人口趨向老齡化，AD 患者的數量在顯著增加,AD 也越來越受到廣泛的關注。近幾年有關人員進行了大量關于 AD 發病機制的研究，取得了顯著的進展，現綜述如下。
一、A?及 tau 蛋白相關機制
1、?淀粉樣蛋白（Amyloid protein,A?）沉積
AD 病因及發病機制迄今尚不明確，可能為多因素參與 (如遺傳、環境、老齡、代謝、頭部外傷史、雌激素缺乏等)，通過多種途徑所致的慢性復雜的病理過程。但已有的證據表明 A?沉積在 AD 的發病中起著至關重要的起始及樞紐作用，且此學說也已被大多數學者所認可。
正常情況下，神經細胞產生低濃度 A?，A?來源于淀粉樣前體蛋白 (amyloid precursor protein，APP) 的水解。APP 的分解途徑有“分泌酶分解途徑”和“溶酶體分解途徑”[3]，分泌酶分解途徑發生在細胞膜表面，共有 3 條途徑，分別由分泌酶 a、?、y 作用完成。A?PP 是一種跨膜糖蛋白，正常情況下被 a 分泌酶水解，生成可溶性分泌型 APP（sA?PP），sA?PP 可由組織正常分泌，它可以刺激細胞增殖、促進細胞間和基質的黏附，保護神經元免受興奮性毒素和氧化反應損傷。?和 y 分泌酶可分別在細胞膜外或跨膜部分將 A?PP 水解成一完整長度的可溶性 A，溶解狀 A?PP 通過 G 蛋白干預細胞內信號過程，增加微管相關蛋白激酶的活性。不同因素都可以影響 A?PP 的水解方式。通過調節 A?PP 的 3 條途徑，如增加 a 分泌酶的活性、減少?和 y 分泌酶途徑，可以減輕 A?神經毒性作用。此外，發生 APP 基因突變及過表達時，可以擾亂自身的調節機制，當 APP 表達超過其正常途徑的代謝能力時，可導致 APP 通過其他途徑如溶酶體途徑分解，產生大量 A?，腦間質進行性堆積不溶解的 A?沉積形成彌散斑塊 [4] 從而在 AD 形成的病理過程中發揮作用。A?能自發快速聚集形成?- 片層折疊結構，進而形成纖維沉積導致 SP 發生，所以 A?是 SP 的核心物質。一般認為 A?濃度過高、?折疊和纖維形成是具有神經毒性作用的基礎。
腦內 A?作為一種炎癥刺激因子，可以活化補體、觸發膠質細胞反應變化，釋放強烈的神經毒性產物如氧自由基、過量谷氨酸鹽及細胞因子、趨化因子、黏附分子等炎性蛋白的表達 [5]。其中氧自由基可引起細胞膜脂質過氧化物生成增多，破壞細胞膜功能，使細胞膜通透性增加，細胞外鈣離子進入細胞內，激活鈣依賴性蛋白酶、脂酶、激酶，使細胞內自由基生成增多，這些坃能損傷細胞器、細胞膜和細胞骨架，從而引起細胞死亡 [6]。此外，自由基還可激活小膠質細胞進而加劇氧化應激，A?是氧化應激與 AD 腦神經細胞死亡之間的耦聯分子。自由基還可促進 APP 裂解生成 A?增加，二者具有相互促進效應 [7]。
2、tau 蛋白與神經元纖維纏結
除上述中由 A?沉積形成的 SP 外，NFT 是 AD 的另外一個主要損傷，它是由神經原纖維異常聚集而形成的，其主要成分是以成對雙螺旋絲樣結構（paired helical filament,PHF）形成聚集的異常磷酸化的 tau 蛋白。tau 蛋白是人腦中正常存在的磷蛋白，相對分子量 50000-65000，正常的 tau 蛋白位于軸索中和神經元胞體。人 tau 蛋白的基因定位于 17 號染色體 17q21, 通過不同的 mRNA 剪切方式可產生從 351 到 441 個氨基酸的 6 種不同長短的異形體。在體內 tau 蛋白可穩定已組裝的微管，在微管間形成橫橋連接相同的微管，并同其他細胞骨架系統一起保障細胞內物質運輸。當 tau 蛋白發生高度磷酸化、異常糖基化、異常糖化以及泛素蛋白化時,tau 蛋白失去對穩定微管的束縛, 神經纖維退化, 產生 AD[8]。
二、中樞神經遞質代謝障礙
AD 患者腦內神經遞質代謝障礙是重要的病理特征。其中膽堿能損傷學說是目前較為公認的：AD 患者皮質的膽堿能系統發生嚴重的潰變，引起學習記憶減退和認知障礙，產生癡呆癥狀 [9]。正常基底前腦的膽堿能神經元（主要位于基底核、斜角帶核和內側隔核）合成大量乙酰膽堿經投射纖維輸送至大腦皮質和海馬，乙酰膽堿被認為與學習和記憶有關，而海馬是學習記憶的重要解剖基礎，前腦膽堿能神經元的退變以及皮質和海馬 Ach 的減少是 AD 的突出特征，從而導致以記憶和識別功能障礙為主的多種臨床表現。在 APP23 轉基因小鼠腦內存在膽堿能的變化 [10]。同時實驗表明, 膽堿酯酶抑制劑對 AD 的治療具有長期穩定的效果 [11]。神經化學的研究發現，乙酰膽堿改變區域有選擇性，在 AD 患者腦中，膽堿能系統中有關酶亦有受累，顳中回、頂葉和額葉皮質及海馬中的膽堿乙酰基轉移酶（ChAT）活性明顯低下，而在腦干、小腦、中央前后回和枕葉皮質其水平正常；基底前腦（如 Meynert 氏核和 Broca 氏斜角區）中的膽堿能神經元變性丟失，乙酰膽堿酯酶（AchE）活性降低。丁酰膽堿酯酶（BuChE）在正常人腦中含量很少，但在 AD 患者腦中卻有明顯增加。目前認為腦內 BuChE 活性增加與 AD 的進展和認知功能損害有關。
此外，大量研究證實在正常人基底前腦膽堿能神經支配的靶區，如大腦皮質和海馬等區域都有高濃度的 NGFmRNA 表達，可以合成 NGF，經基底前腦膽堿能神經元的軸突攝取，逆行運輸至胞體，并引發神經元胞體內一些功能性蛋白和酶的表達以及神經突起的生長等一系列生物效應，對其神經元的存活和軸突的再生發揮重要作用 [12.13]。尸檢證明 AD 患者基底前腦的 NGF 水平下降，而皮層和海馬的 NGF 水平并未降低，說明從皮層和海馬到基底前腦神經元的 NGF 運輸發生障礙，而使基底前腦的神經元的神經營養作用有所欠缺，在外界損傷因素的作用下導致神經元的變性和死亡。
另外，AD 患者腦內去甲腎上腺素、5- 羥色胺、多巴胺濃度均降低，腦內谷氨酸濃度升高而γ- 氨基丁酸含量顯著下降，其中 Glu 是腦內重要的興奮性神經遞質, 在神經系統生長、發育、學習、記憶中起十分重要的作用。在體外添加高濃度的 Glu 或在病理條件下造成局灶周圍 Glu 大量聚集均可導致神經損傷。體外實驗發現 Glu 引起細胞死亡和 tau 蛋白變化, 另有實驗證明 Aβ的神經毒性與 Glu 的興奮毒性有關。神經肽中生長抑素、促腎上腺皮質激素釋放激素、P 物質、神經肽 Y、阿片肽及血管加壓素也有改變。
三、氧化應激和自由基損傷
氧化應激 (Oxidative Stress) 指自由基相對抗氧化防御機制過剩的一種狀態，表現為自由基產物增多或抗氧化能力減退。自由基具有化學活性強，連鎖反應的特點，其產生可以通過內源途徑或外源途徑，引起生物衰老的主要是生物代謝過程中不斷產生的內源性自由基。若自由基產生過多或體內清除能力減弱，就會對機體造成傷害。
由于大腦主要由易被氧化的脂質所組成，并有高耗氧率，卻又缺乏高效氧化防御機制，因此對氧化損傷較為敏感。目前巳證實，隨著老齡化程度的增加，大腦的氧化程度也隨著加劇，老齡化是公認的 AD 風險因素。另外，正常情況下超氧化物歧化酶 (SOD) 可將超氧陰離子歧化為過氧化氫, 從而降低其濃度, 保護細胞免受自由基攻擊，但在某些金屬離子 (如 Fe、Cu) 大量存在下, 過氧化氫能被 SOD 轉化為毒性更強的羥自由基，目前已證實 AD 患者大腦中 Fe3+ 堆積是腦內自由基來源之一, 并與 AD 的特征性神經病理改變有關[14]。此外，AD 患者超氧化物歧化酶（SOD）活性增強，腦葡萄糖 -6- 磷酸脫氫酶增多，谷氨酰胺合成酶活性減弱，脂質過氧化物酶增多，這些都會導致氧化應激增加，自由基淤積[15]。自由基損傷生物膜造成細胞內環境紊亂，導致細胞老化、死亡；損傷脂類產生過氧化，使核糖核酸失活，造成 DNA 和 RNA 交聯，觸發 DNA 突變。過氧化脂質分解時可產生丙烯醛等醛類，這些醛類與磷酸及蛋白結合形成脂褐素，沉積于腦導致智力障礙。同時，AD 患者腦中線粒體的損傷和氧化應激是密切相關的，有研究表明線粒體損傷和氧化應激這兩種因素可相互促進，從而導致 AD[16]。
四、興奮性氨基酸（EAAs）毒性作用
興奮性氨基酸 (excitatory amino acids ,EAAs) 如谷氨酸和天門冬氨酸, 尤其是前者, 是哺乳動物腦內含量最高的氨基酸。Glu 是錐體細胞的神經遞質，主要儲存于突觸前末梢內，分布集中在前腦，從新皮質到后腦含量逐漸減少。1954 年 Hayashi 首次報道谷氨酸對大腦皮層具有興奮作用, 隨后的研究又發現酸性氨基酸對脊髓神經元、海馬、丘腦、大腦等結構也都產生極強的興奮作用。哺乳動物的前腦中大約 50 % 的突觸是以谷氨酸為主要神經遞質。事實上, 幾乎所有的神經細胞都能被谷氨酸所興奮。這種興奮反應是通過幾種不同亞型的谷氨酸受體實現的。1969 年,Olney 首次報道谷氨酸除作為興奮性遞質參與神經元的正常信息傳遞外, 還具有神經毒性作用, 即過量的興奮性氨基酸能過度興奮中樞神經系統谷氨酸敏感神經元而達到使它們致死的程度 [17]。
近年來，興奮性氨基酸尤其是谷氨酸（Glu）的興奮性神經毒性作用越來越受到重視。研究證實 AD 患者的新紋狀體中 [3H]Glu 結合量增加，這是皮層紋狀體 Glu 能神經元受損引起代償作用的結果。Glu 參與 AD 發病的機制可能有：Glu 的快速興奮作用，引起去極化,Cl-、Na+ 及水內流，導致細胞滲透性溶解；另外，目前的研究表明：由 EAAs 受體過度興奮所引發的細胞內鈣超載是導致神經元死亡的最終途徑。因去極化激活膜電位依賴式 Glu R，使大量 Ca2+ 內流，造成細胞內 Ca2+ 超載。而神經細胞內 Ca2+ 超載可觸發一系列酶促反應，激活磷酸肌醇環路，破壞細胞的超微結構，并最終導致周圍大批神經細胞死亡。細胞死亡后胞內大量的谷氨酸和 Ca2+ 進入細胞間隙, 如果不能及時被其它神經元和膠質細胞攝取轉運, 可進一步加重對周圍神經元的傷害 [18]。
五、鈣代謝平衡失調
近年來鈣代謝自體平衡失調與腦老化和老年癡呆的關系已引起廣泛的關注。
鈣營養缺乏或吸收障礙可導致 AD。鈣營養缺乏或吸收障礙導致血清鈣降低，維生素 D3 合成減少，甲狀旁腺激素分泌增多，使細胞內鈣向外轉移，細胞外鈣增加易發生鈣沉積，而細胞內鈣減少影哉細胞的正常代謝，導致 APP 異常裂解和 NFTs 形成。細胞低鈣還影響細胞的通透性、細胞間相互作用以致干擾細胞的生長發育，特別是低鈣可使血清脂質過氧化（LPO）升高，自由基生成增加，使神經細胞發生變性，促進 AD 的發生、發展。
另外，Ca2+ 超載會使鈣依賴性生理生化反應超常運轉，耗竭 ATP，產生自由基，甚至引起細胞死亡。對老化或 AD 患者的研究發現，在含有 NFT 的腦細胞和來源于 AD 患者的成纖維細胞內均到 Ca2+ 的堆積 [19]。鈣超載發生在神經細胞，可引起神經可塑性及認知功能降低，出現癡呆。神經細胞內 Ca2+ 超載可觸發一系列酶促反應如:(1) 激活磷脂酶 A2, 使磷脂降解, 游離脂肪酸特別是花生四烯酸增多, 后者進一步代謝為前列腺素、血栓烷、白三烯, 并有氧自由基形成, 啟動膜脂質過氧化。氧自由基不僅導致神經元的非特異性損傷, 還促進興奮性氨基酸的釋放, 造成惡性循環; (2)激活蛋白激酶、核內切酶、一氧化氮合酶等, 導致神經絲降解, 微管解聚, 神經元骨架變性解體, 胞體皺縮、核固縮等;(3)突觸前末梢丙酮酸脫氫酶磷酸化, 使線粒體滯留 Ca2+ 的作用降低, 神經末梢去極化, 谷氨酸釋放增多;(4)突觸后膜受體蛋白磷酸化, 造成膜對離子通透性失常, 加之 Ca2+ 激活中性蛋白酶, 使更多受體暴露, 增加受體對谷氨酸的親和力, 加重谷氨酸受體活化及其偶合的 Ca2+ 通道開啟所引起的 Ca2+ 超載, 最終導致周圍大批神經細胞死亡。
六、基因突變
目前已發現 5 種基因的突變或多型與 AD 有關。他們或多或少涉及腦細胞內高度磷酸化的微管相關蛋白 (tau) 構成的神經纖維纏結 (neurofibrillar tanglea,NFT) 及細胞外以? 淀粉樣蛋白為中心的老年斑（senile plaque,SP）等 AD 的特征性病理變化。這些 AD 相關基因包括：(1)21 號染色體的淀粉樣蛋白前提 (amyloid precursor protein,APP) 基因；(2)14 號染色體的早老蛋白 (preseni- lin,PS，又稱 STM)1 基因；(3)1 號染色體的早老蛋白(PS)2 基因；(4)19 號染色體的載脂蛋白 E(apol- ipoprotein E,ApoE4) 基因；(5)12 號染色體的 A2M 基因其中 PS1 與 ApoE4 基因缺陷在散發性 AD 中較為常見。這 5 種 AD 相關基因中 APP、PS1、PS2 基因與家族性早發型 AD 有關，而 ApoE 基因及 A2M 基因與家族性遲發型 AD 關系較密切，與散發性 AD 亦有一定關系。
APP 基因定位于 21q21.2, 由基因經轉錄、翻譯生成數種亞型，總稱 APP。再經分泌酶水解生成 A?，繼而在胞外聚積成老年斑。目前發現 APP 基因至少有 6 種點突變，突變型 APP 可出現新的切點，易為?分泌酶酶解，并在 y 分泌酶的配合下產生完整的 A?，且其 A?分泌量可高于正常 4～10 倍。
早老蛋白 (PS)1 與 2 都是跨膜蛋白，可在細胞中與 APP 形成復合物，參與 APP 的轉運及合成后加工，其野生型有抗凋亡作用，而突變型的早老蛋白易被半胱天冬酶(caspases) 裂解，且可使神經元中 A?增多[20]。PS1 由 467 個氨基酸組成，其基因的定位在 14q24.3。PS1 基因突變可使?鏈蛋白穩定性下降，凋亡相關基因 par-4 高表達，神經元易于凋亡；PS2 與 PS1 結構相似(67% 同源)，亦由 467 個氨基酸組成，其基因定位在 1 號染色體。在家族性 AD 中已發現其 2 種誤義突變(141 位 Asn→Ile;239 位 Met→Val)，另據報道檢出 PS2 基因缺陷的個體亦均會患有 AD。
近年研究發現載脂蛋白 E 在 AD 患者腦中老年斑 (SP) 和神經元纖維纏結（NFTs）的形成中起著重要作用。ApoE 基因具有多態性，有 ApoE2、ApoE3、ApoE43 種等位基因。對 AD 患者 ApoE4 與膽堿能功能缺陷的研究表明，ChAT 活性的降低與 ApoE4 等位基因拷貝數的增加成正比。通常認為，ApoE4AD 的危險因素，而非致病因素，它是常見 AD 的主要易感基因。等位基因 ApoE4 使發病年齡提早，等位基因 ApoE2、ApoE3 使發病率降低，發病年齡延遲[21]。AD 病人的 ApoE4 等位基因出現頻率遠高于正常人，同時體外實驗表明 ApoE4 載脂蛋白與 A?共同保溫可產生沉淀，故推測 ApoE4 可促進淀粉樣斑塊形成，相反 ApoE2、ApoE3 則為保護因素。
A2M 基因定位于 12 號染色體，該基因編碼?2 巨球蛋白，該基因異常是 AD 的危險因素 [22]。
七、內分泌失調學說
AD 發病在女性明顯多于男性，有研究表明，經年齡校正后，男女 AD 發病率之比是男：女 =0.77：1.30。據調查，AD 患者血中雌酮硫酸鹽濃度低于年齡相當的非 AD 者。有實驗表明，雌二醇能增強大鼠認知能力 [23]。臨床觀察表明，雌激素替代治療（RET）可能減少 AD 發病的危險性，同時，接受 RET 的 AD 患者其智能評分要高于未接受 RET 的 AD 患者。以上研究或觀察結果均提示雌激素缺乏可能在 AD 的發病中起到一定作用。雌激素可直接促進腦內損傷神紹細胞的修復，并能通過促進星形膠質細胞發育進而支持神經元功能；另外，雌激素有促進 Ach,DA，5-HT 等神經遞質的合成，增加基底前惱核團及其投射區域的乙酰膽堿轉移酶活性，從而可達到改善患者情緒反應、抗抑郁焦慮、提高患者積極性等效果。同時，雌激素可能還通過改善腦部血供、直接營養神經、抑制 apoE 而促使淀粉樣蛋白清楚等途徑來發揮作用。
八、其他
除外上述機制外，還有諸如免疫、炎癥、細胞凋亡等因素在 AD 的發病環節中發揮作用。神經炎性 SPs 中 A?沉積可激活小膠質細胞引起炎癥反應，炎癥反應反過來又可增加 A? 及 APP 的產生及積聚，形成惡性的正反饋循環，導致 APP 和 A?的量劇增 [24]。用非甾體類抗炎藥能延續和防止 AD 的發作。
部分 AD 患者血清中抗核抗體等自身抗體滴度增加，腦內存在主要組織相容性抗原Ⅰ型和Ⅱ型等免疫炎性標志物，而這些免役炎性物質與 AD 的病理結構（如 SPs、NFTs）密切相關。
細胞凋亡是一種由基因調控的，以維持組織的自身穩定而發生的生理性的死亡過程，與中樞神經系統的衰老和 AD 的發生存在密切聯系。AD 的神經元凋亡的具體機制可能與自由基及凋亡相關基因表達失調等因素有關，于腦內神經元凋亡相關的基因包括凋亡抑制基因如 bcl-2 和凋亡誘導基因如 IL-1? 轉換酶（ICE）基因。另外，P53 基因與 AD 的發病也存在有一定的關系，A?肽在神經元內沉積的過程中，P53 被激活，表達增加，誘導神經元凋亡 [25]。
綜上，AD 的發病機制十分復雜，盡管近年來 AD 是一個比較熱門的研究課題，但是到目前為止還未能有一種學說能夠比較合理、全面地解釋 AD 的發病過程。AD 的發病可能是多種因素綜合作用的結果，概括起來可以說是內在因素和外在環境綜合作用的結果。相信隨著研究的不斷進行，在分子生物學、遺傳學、免疫學等多學科知識和物理、化學等學科技術的支持下，我們在攻克 AD 上一定會取得更大的突破和進展。
參考文獻 (略)
編輯： xiaoyan
