脑内铁代谢与神经退行性疾病

张丹丹　滕振杰　吴绍泽　吕佩源



脑内铁代谢与神经退行性疾病

张丹丹滕振杰吴绍泽吕佩源

铁的正常代谢是大脑发挥正常功能的必要因素。近年研究发现，脑内铁的代谢紊乱在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的发生发展中起重要作用。本文对脑内铁正常和异常代谢调节情况及其与神经退行性疾病的关系做一综述。

铁代谢；神经退行性疾病；阿尔茨海默病；帕金森病；亨廷顿病

神经退行性疾病是一种以神经元退行性变为主要特征的慢性进行性疾病，主要包括阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)和亨廷顿病(Huntington disease，HD)。而铁作为哺乳动物新陈代谢不可缺少的元素，在维持大脑正常生理功能中起至关重要的作用。近年来，越来越多的研究指出，脑内铁代谢异常与神经退行性疾病有密切关系。因此，对脑内铁代谢的调控可能为疾病的治疗提供潜在靶点。

1　脑内铁的正常代谢

1.1脑内铁的吸收由于中枢神经系统(CNS)内血-脑屏障(blood-brain barrier，BBB)和血-脑脊液屏障的存在，铁进入CNS必须首先穿过BBB，导致神经细胞不能直接获取铁[1]。BBB是由3种不同类型的细胞相互协调而形成的屏障系统，包括脑微血管内皮细胞(brain microvascular endothelial cell，BMVEC)、星形胶质细胞和周细胞。一般认为，BBB内的周细胞与血管收缩和扩张有关，而BMVEC和星形胶质细胞则为调节脑内铁吸收过程的核心。BMVEC是一种极化细胞，其顶端处于饱和转铁蛋白和脱铁转铁蛋白的循环系统中，而基底面暴露于具有亚铁氧化酶活性的hephaestin(Hp)和血浆铜蓝蛋白(ceruloplasmin，Cp)的环境中。每个BMVEC的质膜上约含100 000个转铁蛋白受体(transferrin receptor，TfR)，从而有利于细胞通过典型的Tf-TfR途径吸收铁。

在BMVEC顶端，饱和转铁蛋白上铁的吸收开始于Tf与TfR结合，Tf-TfR复合物通过相关蛋白的内吞作用形成早期内涵体。随后内涵体Tf上的Fe3+通过胞内还原酶被还原为Fe2+。同时内涵体内复合物的电化学势能可进一步促进Fe2+从内涵体内释放，这个过程需要二价阳离子转运蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)的参与。DMT1是BMVEC上唯一的二价阳离子转运蛋白[2]。此外，脱铁转铁蛋白上铁的吸收也发生在BMVEC顶面，最终也通过DMT1进入细胞。

1.2脑内铁的转运目前对铁在BMVEC胞质内的转运细节仍不完全清楚，一旦Fe2+进入BMVEC内，它将被分布到整个细胞。一些研究认为[3]，当Fe2+到达细胞基底面时，膜铁转运蛋白(ferroportin，Fpn)可将其从BMVEC内排出并转运至脑组织内。同时BMVEC顶面也有Fpn位点，若Fe2+到达细胞顶面，则将会被Fpn转运回到BMVEC胞外。因此，Fpn可作为将铁转运至细胞外的转运体，是大脑正常发育和行使功能必不可少的蛋白。例如，研究者们利用Fpn基因敲除[4]和Fpn基因突变[5]的小鼠观察Fpn的作用发现，在小鼠胚胎发育过程中，神经系统均出现一定程度的缺陷，甚至胚胎死亡。另外，也有研究[6]认为，Fe2+从BMVEC转运出来可能还有内源性Hp和Cp的参与，但是对于其具体作用途径还有待进一步研究。

1.3脑内铁的储存和分布储存在CNS中的铁不仅可以稳定铁蛋白，而且可以产生多种具有活性的产物，如神经黑色素和含铁血黄素。而且，铁的含量随着年龄而变化：出生时脑内的铁处于较低水平，在之后的第一个20年内其浓度增加迅速，此后缓慢上升[7]。有趣的是，铁储存的细胞也会发生改变。研究表明，在发育过程中，铁和铁蛋白最初被发现在小胶质细胞中，当髓鞘出现时，它们在少突胶质细胞储存以促进髓鞘的形成[8]。虽然单核细胞和巨噬细胞内也含少量的铁，但一般于突发性事件中才高表达，星形胶质细胞中的铁主要以NTBI结合铁的形式存在。同时，脑组织的不同区域的铁含量也存在差异，其中苍白球、尾核、壳核、小脑齿状核、红核、黑质内的铁含量最高。

2　脑内铁的异常代谢

众所周知，适当浓度的铁对于大脑的正常发育是必要的。然而，随着人类衰老和疾病的出现，铁正常代谢常被干扰。脑内铁代谢异常主要包括铁含量降低和铁过载两种情况。相关研究表明，无论是产前还是产后铁缺乏都会导致患者神经功能发育受限，包括学习和记忆障碍[9]。而脑内铁过载通常表现为铁异常沉积，其原因可能有：铁运输和储存过程不平衡、线粒体功能障碍、神经血管机制以及髓鞘崩解和破损等[10]。例如，髓鞘少突胶质细胞受损可能导致其内含铁的蛋白质大量释放，引起铁在其他部位异常沉积。同时，血管周围的炎性反应作为神经退行性变的主要特征被认为是引起血管壁损伤及通透性改变的原因，其可引起红细胞外渗进入CNS[11]。另外，线粒体在正常代谢过程中可以产生过氧化氢，其本身没有毒性，但研究表明[12]，高浓度的Fe2+可通过芬顿反应将一个电子传给过氧化氢而产生自由基，同时，Fe2+还可以与氧分子或其他分子相互作用，通过正反馈回路形成更多自由基，使神经细胞受到氧化损伤，进一步增加铁沉积，引起缓慢、进行性神经退行性改变。需注意的是，最近研究表明，自噬在神经退行性变中也起着重要的作用，其可导致金属(如铁离子)的异常沉积和有毒蛋白质的聚集，促进氧化应激[13]。此外，衰老与脑内铁的沉积相伴随，最常见的铁沉积脑区有黑质、壳核、苍白球、尾状核及皮质。且这些区域与AD、PD和HD等神经退行性疾病有关[14]。

3　脑内铁异常沉积与神经退行性疾病

3.1脑内铁异常沉积与ADAD是老年痴呆最常见类型，具有两个主要的病理特征：一是淀粉样蛋白β(amyloid β-protein，Aβ)聚集，其是神经元老年斑的主要组成成分；二是微管相关蛋白Tau蛋白的过度磷酸化，其可促进细胞内神经元纤维缠结体的形成。虽然，大量研究认为AD病理机制与Aβ的形成、积累和毒性有密切的联系，但最近研究表明，仅依赖Aβ聚集不能完全解释AD病理进展，可能还与金属动态平衡失调、胶质细胞受损、线粒体功能障碍和氧化应激等过程有关[15]。一般认为，当氧化还原状态的金属不存在时，Aβ不具有神经毒性。因此，认为与Aβ有关的氧化损伤是由其和金属的高度亲和力所致。国内有研究指出[16]，Fe2+可促进Aβ聚集、低聚反应和淀粉样变，铁与Aβ形成的复合物具有细胞毒性，其还可催化过氧化氢形成和加速氧化损伤。也有研究认为Aβ还可作为一种生物还原剂将Fe3+还原为Fe2+，进一步加强氧化损伤[17]。同时有研究证实，Fe2+介导的Aβ的细胞毒性可被铁螯合减弱[18]，进一步表明了铁在Aβ形成和毒性聚集中的作用。

此外，淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)作为一种跨膜蛋白，其5′UTR区具有编码功能性铁反应元件(iron-responsive element，IRE)核糖核酸茎环的功能[19]，一般认为其可参与突触的形成、神经可塑性和铁离子运输[20]。同时APP通过淀粉样途径可形成Aβ。一些研究表明，APP的翻译可以被细胞内铁直接调节，增加铁浓度可增加神经元内APP蛋白的数量，从而刺激Aβ产生[8]，这将为治疗AD提供一个新方向。

除了Aβ聚集外，铁还可以与Tau蛋白结合，影响Tau蛋白磷酸化，从而诱导过度磷酸化的Tau蛋白聚集[21]。研究表明，Tau蛋白缠结和异常淀粉样变可引起突触丢失和氧化应激[22]。国内研究认为[23]，在神经纤维缠结处，Tau蛋白沉积也与血红素氧合酶1(heme oxygenase 1，HO-1)的表达增加有关。一般认为HO-1具有潜在的抗氧化作用，但过多的HO-1也可促进Fe2+的释放，通过自由基的形成而引发氧化应激[24]，进而导致神经细胞的铁死亡。同时，自噬功能障碍也会导致具有神经毒性的铁离子不能通过溶酶体降解，从而加重其沉积[13,23]。因此对于AD的治疗，除了单一的应用铁螯合剂和抗氧化剂外，努力研制出具有多靶点的药物来对抗AD复杂的发病机制是必要的。

3.2 脑内铁异常沉积与PDPD作为一种常见的神经退行性疾病，主要以黑质中多巴胺(dopamine，DA)能神经元的缺失以及嗜酸性Lewy小体的形成为特点。PD黑质的病理改变可能与金属沉积、氧化应激、线粒体功能障碍、泛素-蛋白酶体系统缺陷和炎性反应有关[25]，而且这些病理过程最终可导致DA能神经元退行性变。研究表明，铁浓度增加的程度与PD严重程度有关。Wieler等[26]通过多梯度回波磁共振成像技术发现，PD患者的运动障碍越严重，则黑质致密部的铁含量越多。然而，导致PD患者黑质内铁异常沉积的途径有许多：可通过DMT1、Tf/TfR和乳铁蛋白/乳铁蛋白受体增加铁的吸收，或通过Fpn1和Cp减少铁的排出；也可通过铁蛋白、溶酶体或其他铁结合蛋白使铁的储存异常[27]。PD患者Fe2+含量增加在通过芬顿反应产生活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的同时也会加重其他病原体所引起的神经毒性，损害蛋白酶体的功能，促进毒性蛋白质聚集，最终致DA能神经元损伤。泛素-蛋白酶体损伤也可导致PD发生发展。例如，在对啮齿类动物应用蛋白酶体抑制剂(如lactacystin)的研究结果显示，其可通过干扰铁调节蛋白2(iron regulatory protein 2，IRP2)、TfR1、DMT1和铁蛋白重链而导致铁调节失衡并加重氧化损伤[28]。国内相关研究指出，在PD小鼠内，通过腹腔注射具有BBB通透性的铁螯合剂VK-28或其衍生物M30，不仅可以减轻DA能神经元退行性变，还可恢复蛋白酶体的活性[29]。

然而，铁浓度增加并不能完全解释所观察到的PD患者黑质致密层损伤。Azuma等通过3T磁共振技术对PD患者黑质铁含量进行分析，结果发现黑质铁沉积存在空间差异性和横向非对称性，主要存在于黑质后部[30]。Faucheux等通过对小鼠黑质区域进行观察也发现：在黑质不同区域，铁的分布存在差异[31]，主要储存在黑质致密部DA能神经元的神经黑色素内。最近，通过对PD相关金属基因进行筛选和遗传调查研究认为，性别也影响铁的浓度[32]。此外，既往研究认为，PD中Fe3+∶Fe2+也发生改变，健康人为2∶1，而PD患者为1∶2[33]。但是关于PD中铁比例的变化，目前尚缺乏足够的临床证据。

3.3脑内铁异常沉积与HDHD是一种显性遗传性、进行性神经退行性疾病，主要由编码Htt蛋白基因的CAG序列扩展突变而致。在HD中，基底节是最易受累的结构，主要的病理改变为渐进性神经元丢失、Htt包涵体形成、炎性反应和铁异常沉积。HD内铁含量增加可能与少突胶质细胞的作用有关，突变的Htt基因可影响神经元轴突小泡的运输，从而使未成熟的髓鞘溶解，导致与稳态有关的少突胶质细胞成倍地增加以修复损伤区域[34]。伴随铁异常沉积，铁运输和储存机制也逐渐恶化，导致储存在铁蛋白外的活性铁通过氧化应激而使细胞的完整性受到损伤[35]，使其更容易受到毒素和一系列病理过程的干扰。最近国外研究者通过T2和T1加权成像技术发现[36]，在HD症状前期，尾状核、壳核和苍白球内就有铁沉积，并伴有三个核团的体积减小。同时发现HD的进展和CAG重复序列的数量可能影响铁沉积和这些核团的体积，如疾病的病程越长、CAG重复序列越多，铁的水平越高，核团的体积则越小。但目前对于铁沉积是引起HD的病因还是疾病的过程尚不清楚。

综上所述，尽管不同的神经退行性疾病的病理特征不同，但铁稳态失衡、氧化应激和线粒体损伤是多种神经退行性疾病中细胞死亡的共同通路。这也给研究者们提供了一个极好的潜在治疗靶点，可以考虑用铁螯合剂或抗氧化剂来清除脑内过多的铁。同时，由于目前对铁异常沉积是导致神经退行性变的启动事件还是病理过程尚不清楚，因此未来需要研究一种新的技术来具体地观察时间与铁沉积动态的改变。此外，纵向研究对于阐述脑内铁含量增加的病理生理学和其在疾病进展中的作用也很必要。

[1]McCarthy RC, Kosman DJ. Iron transport across the blood-brain barrier: development, neurovascular regulation and cerebral amyloid angiopathy[J]. Cell Mol Life Sci,2015, 72(4): 709-727.

[2]Simpson IA, Ponnuru P, Klinger ME, et al. A novel model for brain iron uptake: introducing the concept of regulation[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2015, 35(1): 48-57.

[3]McCarthy RC, Kosman DJ. Glial cell ceruloplasmin and hepcidin differentially regulate iron efflux from brain microvascular endothelial cells[J]. PLoS One, 2014, 9(2): e89003.

[4]Donovan A, Lima CA, Pinkus JL, et al. The iron exporter ferroportin/Slc40a1 is essential for iron homeostasis[J]. Cell Metab, 2005, 1(3): 191-200.

[5]Mao J, McKean DM, Warrier S, et al. The iron exporter ferroportin 1 is essential for development of the mouse embryo, forebrain patterning and neural tube closure[J].Development, 2010, 137(18): 3079-3088.

[6]Yang WM, Jung KJ, Lee MO, et al. Transient expression of iron transport proteins in the capillary of the developing rat brain[J]. Cell Mol Neurobiol, 2011, 31(1): 93-99.

[7]Hallgren B, Sourander P. The effect of age on the non-haemin iron in the human brain[J]. J Neurochem, 1958, 3(1): 41-51.

[8]Belaidi AA, Bush AI. Iron neurochemistry in Alzheimer′s disease and Parkinson′s disease: targets for therapeutics[J]. J Neurochem,2015. [Epub ahead of print]

[9]Radlowski EC, Johnson RW. Perinatal iron deficiency and neurocognitive development[J]. Front Hum Neurosci, 2013, 7(2): 585.

[10]Peters DG, Connor JR, Meadowcroft MD. The relationship between iron dyshomeostasis and amyloidogenesis in Alzheimer′s disease: Two sides of the same coin[J]. Neurobiol Dis, 2015, 81: 49-65.

[11]Williams R, Rohr AM, Wang WT, et al. Iron deposition is independent of cellular inflammation in a cerebral model of multiple sclerosis[J]. BMC Neurosci, 2011, 12(6): 1218-1225.

[12]Valko M, Jomova K, Rhodes CJ, et al. Redox- and non-redox-metal-induced formation of free radicals and their role in human disease[J]. Arch Toxicol, 2016, 90(1): 1-37.

[13]Zhang Z, Miah M, Culbreth M, et al. Autophagy in neurodegenerative diseases and metal neurotoxicity[J]. Neurochem Res, 2016, 41(1-2): 409-422.

[14]Hare DJ, Arora M, Jenkins NL, et al. Is early-life iron exposure critical in neurodegeneration[J]. Nat Rev Neurol, 2015, 11(9): 536-544.

[15]Li K, Reichmann H. Role of iron in neurodegenerative diseases[J]. J Neural Transm (Vienna), 2016，123(4): 389-399.

[16]Liu B, Moloney A, Meehan S, et al. Iron promotes the toxicity of amyloid beta peptide by impeding its ordered aggregation[J]. J Biol Chem, 2011, 286(6): 4248-4256.

[17]Everett J, Céspedes E, Shelford LR, et al. Ferrous iron formation following the co-aggregation of ferric iron and the Alzheimer′s disease peptide β-amyloid (1-42) [J]. J R Soc Interface, 2014, 11(95): 20140165.

[18]Guo C, Wang T, Zheng W, et al. Intranasal deferoxamine reverses iron-induced memory deficits and inhibits amyloidogenic APP processing in a transgenic mouse model of Alzheimer′s disease[J]. Neurobiol Aging, 2013, 34(2): 562-575.

[19]Tao Y, Wang Y, Rogers JT, et al. Perturbed iron distribution in Alzheimer′s disease serum, cerebrospinal fluid, and selected brain regions: a systematic review and meta-analysis[J]. J Alzheimers Dis, 2014, 42(2): 679-690.

[20]Caldwell JH, Klevanski M, Saar M, et al. Roles of the amyloid precursor protein family in the peripheral nervous system[J]. Mech Dev, 2013, 130(6-8): 433-446.

[21]Suttkus A, Holzer M, Morawski M, et al. The neuronal extracellular matrix restricts distribution and internalization of aggregated Tau-protein[J]. Neuroscience, 2016, 313: 225-235.

[22]Ittner LM, Ke YD, Delerue F, et al. Dendritic function of tau mediates amyloid-beta toxicity in Alzheimer′s disease mouse models[J]. Cell, 2010, 142(3): 387-397.

[23]Wang D, Hui Y, Peng Y, et al. Overexpression of heme oxygenase 1 causes cognitive decline and affects pathways for tauopathy in mice[J]. J Alzheimers Dis, 2015, 43(2): 519-534.

[24]Ward RJ, Zucca FA, Duyn JH, et al. The role of iron in brain ageing and neurodegenerative disorders[J]. Lancet Neurol, 2014, 13(10): 1045-1060.

[25]Jenner P, Olanow CW. Understanding cell death in Parkinson′s disease[J]. Ann Neurol, 1998, 44(3 Suppl 1): S72-84.

[26]Wieler M, Gee M, Camicioli R, et al. Freezing of gait in early Parkinson′s disease: Nigral iron content estimated from magnetic resonance imaging[J]. J Neurol Sci, 2016, 361: 87-91.

[27]Rhodes SL, Ritz B. Genetics of iron regulation and the possible role of iron in Parkinson′s disease[J]. Neurobiol Dis, 2008, 32(2): 183-195.

[28]Zhu W, Li X, Xie W, et al. Genetic iron chelation protects against proteasome inhibition-induced dopamine neuron degeneration[J]. Neurobiol Dis, 2010, 37(2): 307-313.

[29]Zhu W, Xie W, Pan T, et al. Prevention and restoration of lactacystin-induced nigrostriatal dopamine neuron degeneration by novel brain-permeable iron chelators[J]. FASEB J, 2007, 21(14): 3835-3844.

[30]Azuma M, Hirai T, Yamada K, et al. Lateral asymmetry and spatial difference of iron deposition in the substantia nigra of patients with parkinson disease measured with quantitative susceptibility mapping[J]. AJNR Am J Neuroradiol,2016, 37(5): 782-788.

[31]Faucheux BA, Martin ME, Beaumont C, et al. Lack of up-regulation of ferritin is associated with sustained iron regulatory protein-1 binding activity in the substantia nigra of patients with Parkinson′s disease[J]. J Neurochem, 2002, 83(2): 320-330.

[32]Mariani S, Ventriglia M, Simonelli I, et al. Association between sex, systemic iron variation and probability of Parkinson′s disease[J]. Int J Neurosci, 2016, 126(4): 354-360.

[33]Dexter DT, Carayon A, Javoy-Agid F, et al. Alterations in the levels of iron, ferritin and other trace metals in Parkinson′s disease and other neurodegenerative diseases affecting the basal ganglia[J]. Brain, 1991, 114 (Pt 4): 1953-1975.

[34]Bartzokis G, Lu PH, Tishler TA, et al. Myelin breakdown and iron changes in Huntington′s disease: pathogenesis and treatment implications[J]. Neurochem Res, 2007, 32(10): 1655-1664.

[35]Zecca L, Stroppolo A, Gatti A, et al. The role of iron and copper molecules in the neuronal vulnerability of locus coeruleus and substantia nigra during aging[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(26): 9843-9848.

(本文编辑：时秋宽)

10.3969/j.issn.1006-2963.2016.05.012

河北省自然科学基金资助项目(H2013307046)；河北省重大医学科研课题项目(zd2013005)

050017 河北医科大学研究生学院(张丹丹、滕振杰、吴绍泽、吕佩源)；05005l 河北省人民医院神经内科(吕佩源)

吕佩源，Email：peiyuanlu@163.com

R742.5；R742.8+9

A

1006-2963(2016)05-0360-04

2016-04-02)