晚期糖基化终产物在多发性硬化炎性反应中的作用

牛文志　胡风云

[摘要] 多发性硬化（MS）是中枢神经系统（CNS）脱髓鞘病变。炎性反应是MS发展的重要因素，并可诱发小胶质细胞、巨噬细胞及CNS内星形胶质细胞的异常糖酵解。糖酵解过程中生成的毒性物质二羰基化合物甲基乙二醛（MGO）和乙二醛（GO）可与蛋白质中的氨基酸反应生成稳定的糖基化终末代谢产物（AGEs）。多发性硬化患者炎性反应使糖酵解增强，AGEs形成增加，而AGEs与糖基化终末产物受体（RAGE）结合进一步激活炎性反应。研究表明多发性硬化患者血液和脑组织中AGEs水平增加。因此，AGEs 参与了多发性硬化的炎性反应，在MS的病理过程中具有重要的作用。本文就AGEs在MS中的作用作一综述。

[关键词] 多发性硬化；糖基化终末代谢产物；糖基化终末产物受体；糖酵解

[中图分类号] R744.51 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2018）23-0159-05

The role of advanced glycation end products on inflammatory response in multiple sclerosis

NIU Wenzhi1 HU Fengyun2

1.Shanxi Medical University， Taiyuan 030012， China； 2.Department of Neurology， Shanxi Provincial People's Hospital， Taiyuan 030012， China

[Abstract] Multiple sclerosis（MS） is a demyelinating disorder of the central nervous system （CNS）. The inflammatory response is an important factor in the development of MS， and can induce abnormal glycolysis of microglia， macrophages， and astrocytes in the CNS. The toxic substances dicarbonyl compounds methyl glyoxal （MGO） and glyoxal （GO） generated during glycolysis react with the amino acids in the protein to form stable advanced glycation end products （AGEs）.The inflammatory response in patients with multiple sclerosis enhances glycolysis and increases the formation of AGEs， whereas the binding of AGEs to receptors for glycation endproducts（RAGE） further activates inflammatory responses. Studies have shown the levels of AGEs in blood and brain tissue in multiple sclerosis patients increase. Therefore， AGEs are involved in the inflammatory response in multiple sclerosis and play an important role in the pathogenesis of MS. The role of AGEs in MS will be reviewed.

[Key words] Multiple sclerosis； Glycosylation end metabolites； Advanced glycation end products； Glycosylation end product receptors； Glycolysis

多發性硬化（multiple sclerosis，MS）是中枢神经系统（central nervous system，CNS）脱髓鞘病变。患者多在成年早期发病，表现为反复发作的神经功能障碍，多次缓解复发，病情每况愈下，甚至丧失工作能力，生活质量降低，背负沉重的医疗负担。炎性反应参与了多发性硬化的病理过程。研究表明MS患者血液和脑组织中糖基化终末代谢产物（advanced glycation endproducts，AGEs）水平增加。AGEs 可能参与了MS的炎性反应并在其病理过程中发挥了重要作用。目前关于AGEs在多发性硬化症中的作用日益受到关注。

1 MS和AGEs

1.1 MS

多发性硬化（MS）是一种中枢神经系统的炎性脱髓鞘疾病，多于成年早期发病，女性多见，分为复发-缓解型（relapsing-remitting，RR）、继发进展型（secondary progressive，SP）、原发进展型（primary-progressive，PP）、进展复发型（progressive-relapsing ，PR）。可有多种临床表现，如视力障碍、感觉异常、肢体无力、共济失调等。MS病因与多种因素有关，一般认为是携有遗传易感基因的个体在后天环境中受到外因的作用，如吸烟、维生素D摄入减低、EB病毒感染等而引发[1]。MS是中枢神经系统的自身免疫性疾病，与T细胞、巨噬细胞、小胶质细胞及星形胶质细胞介导的自身免疫性炎症反应有关[2-3]。目前MS的确切发病机制尚不明确。

AGEs与糖尿病、动脉硬化症、衰老及神经变性病如帕金森病等老年性疾病相关[4]。研究表明MS患者血液及脑组织中AGEs增多[5-6]。AGEs在MS患者血浆和中枢神经系统中的积聚可能导致了神经炎症和MS的发生。

1.2 AGEs及相关受体

AGEs是一种稳定的非酶糖基化反应终产物[7]。常见的AGEs前体有羧甲基赖氨酸[NE-（Carboxymethyl）-lysine，CML]、羧乙基赖氨酸[Nε-（carboxyethyl）-lysine，（CEL）] 和戊糖素等。内源性AGEs主要是通过二羰基化合物如甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO）和乙二醛（glyoxal ，GO）与蛋白质的反应而生成。

MGO是糖酵解的副产物，通过磷酸丙糖[3-磷酸甘油醛（triosephosphatesglyceraldehyde-3-phosphate，GAP）和磷酸二羟丙酮（dihydroxyacetone phosphate，DHAP）]的分解代谢产生[8-9]。GO可由葡萄糖通过羟醛缩合逆反应经GAP而直接生成[10]。此外，在氧化应激增加和活性氧（reactive oxygen species，ROS）含量高的环境中多不饱和脂肪酸易发生脂质过氧化反应而形成脂质过氧化物（advanced lipoxidation endproducts，ALEs）。ALEs经分解代谢可产生不稳定的羰基化合物，例如丙二醛（malondialdehyde，MDA）、4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal，HNE）、MGO和GO等[11]。MGO和GO可以分别与赖氨酸反应形成CEL和CML。不稳定的羰基化合物MDA和HNE以及二羰基化合物MGO和GO是性质活泼的糖代谢产物，在细胞内累积可对细胞产生严重毒性损害[8]。人体可以通过多种酶，如乙二醛酶、醛糖还原酶、醛脱氢酶和羰基还原酶减少反应性二羰基化合物的毒性作用及AGEs/ALEs的形成[8，10]。乙二醛酶系统可以减少MGO和小分子的GO毒性反应，是降低反应性二羰基化合物毒性的主要防御系统[9]。MGO可以对机体产生多种影响，如增加氧化应激[12]，刺激神经元细胞使IL-1β的表达和分泌增强引发炎症反应[13]，提高Bax/Bcl-2值和激活caspase-9、caspase-3促进线粒体凋亡[14]。此外，MGO还可与蛋白质发生糖化反应，导致蛋白质功能改变[15]；与细胞表面受体的结合，引起下游信号通路的激活。AGEs可与多种受体结合，最重要的糖基化终末产物受体（receptor for advanced glycation endproducts，RAGE）属于免疫球蛋白超家族的多配体受体，此外，还有淀粉样蛋白，高迁移率族B、Mac-1和S100蛋白等[4，16]。在与MS炎性反应相关的多种细胞如单核细胞/巨噬细胞、T-淋巴细胞、星形胶质细胞和内皮细胞上均有RAGE的表达，AGEs与RAGE结合可导致细胞内氧化应激增加和NF-κB通路的激活，产生促炎细胞因子如IL-1α、IL-6和TNF-α[17]。

2 糖基化终末代谢产物与多发性硬化炎性反应

2.1 多发性硬化症中糖基化终产物水平的改变

研究表明MS患者血浆和脑组织中的AGEs水平增加[5-6]，Sternberg Z等[5]研究认为血浆AGEs特别是CML和CEL对多发性硬化的诊断具有重要意义，与健康对照相比，MS患者血浆CEL水平显著升高且于病情改善后下降。另外，在4例相对年轻的MS患者的脑组织病理学组织检查证实有CML和RAGE的存在[6]。CML和RAGE在星形胶质细胞和巨噬细胞中均可表达，且MS病变及病变周围组织表达显著。

2.2 晚期糖基化终产物与MS的炎症反应

甲基乙二醛是一种性质活泼的糖代谢产物，可导致MGO衍生的AGEs水平增加，与其受体RAGE结合产生生物学效应。与MS发展密切相关的小胶质细胞、星形胶质细胞和内皮细胞（血脑屏障）均有可与AGEs发生结合的RAGE表达。MGO衍生的AGEs促进并加重了MS病理损伤。研究表明AGEs可通过激活小胶质细胞使促炎细胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6的表达和分泌增加[18-20]。此外，AGEs应激可以使RAGE表达上调[20-21]，促进炎性反应。除小胶质细胞之外，中枢神经系统中大量的星形胶质细胞也可以表达RAGE，对AGEs-RAGE结合反应十分敏感。既往研究表明用经过糖化修饰的牛血清白蛋白（AGEs）可以刺激星形胶质细胞导致TNF-α和IL-6分泌增加[22]。此外，MS患者的CNS高糖环境也可刺激星形胶质细胞产生促炎因子，加重神经炎症。

AGEs可刺激构成血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）的内皮细胞，使其分泌促炎症因子增多，内皮间紧密连接受损，导致BBB通透性增加[23-24]；AGEs可使构成BBB的基质蛋白发生糖化导致BBB的通透性增加[23]；AGEs还可刺激构成BBB的星形胶质细胞使血管内皮生长因子分泌增加而胶质细胞源性神经营养因子生成减少，导致BBB通透性增加[25]。

综上所述，AGEs通过增加小胶质细胞和星形胶质细胞促炎症介质的分泌而促进了MS的病情进展，同时上调RAGE的表达，诱发更多促炎症介质的分泌，形成恶性循环。此外，AGEs还可破坏BBB，导致外周免疫细胞进入CNS形成浸润，引发神经炎症和神经系统变性。

2.3 多发性硬化症AGEs升高的可能机制

2.3.1 乙二醛酶系统异常导致AGEs分解减少 乙二醛酶系统可以代谢AGES的主要前体物质MGO和GO。如前所述，该系统通过还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）将AGEs的前体物质转化为D-乳酸盐。CNS内GSH主要由星形胶质细胞内的GSH合成酶合成，部分由神经元合成[26]。2002年，Calabrese V等[27]研究表明MS患者的脑脊液中GSH显着降低。有文献[28-29]通过MRI测量体内GSH，发现SP-MS患者的脑额顶叶区的GSH显著降低。MS患者中GSH浓度的降低可能限制了乙二醛酶系统对MGO的分解作用，导致细胞内MGO及MGO衍生的AGEs增加[30]。除GSH影响外，Sidoti A等[31]确定了乙二醛酶1（glyoxalase 1，Glo-1）基因A111E的多态性也可以导致其分解作用降低。与对照组相比，RR-MS患者突变型EE基因表型頻率显著增加（59.8% vs 49.3%，P<0.0001）。这表明Glo-1活性减低可以促进MS患者中MGO衍生的AGEs水平的增加。

2.3.2 多发性硬化症糖酵解增强导致甲基乙二醛形成的晚期糖基化终产物增多 不稳定的二羰基化合物形成AGEs主要发生于高糖酵解的细胞中，如巨噬细胞[32]、小胶质细胞[33]和星形胶质细胞[34]。1962年， Karnovsky ML等[35]报道吞噬作用可增强巨噬细胞糖酵解反应。提示在MS中，吞噬髓磷脂后的巨噬细胞糖酵解反应增强。Bogie JF等[36]的研究支持了该理论，通过对吞噬了髓磷脂的巨噬细胞的微阵列分析揭示并诱导出增强糖酵解的基因，这表明吞噬了髓磷脂的巨噬细胞促进了AGEs形成。

葡萄糖是大脑能量主要来源，大脑对能量的需求很高[37]。Nijland PG等[38]研究发现MS患者脑组织中特定葡萄糖转运蛋白的分布发生改变，MS患者葡萄糖转运蛋白1（glucose transporter 1，GLUT1）和葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）增加。GLUT1在脑微血管中表达增加及GLUT4在星形胶质细胞和内皮细胞上表達增加可确保葡萄糖透过BBB被星形胶质细胞摄取[39]。因脱髓鞘的神经纤维需要更多的能量来进行信号的传导[40]，因此MS病灶内组织必须上调葡糖糖转运蛋白和增加的糖酵解，保证能量供应。既往正电子发射断层扫描（PET）和磁共振波谱（MRS）研究表明MS患者CNS病灶内的葡萄糖和乳酸代谢增加[41-42]。信号传导过程所需的能量主要来源于高糖酵解代谢的星形胶质细胞[34]。由大量少突胶质细胞组成的白质糖酵解活性高于灰质，提示少突胶质细胞也是高糖酵解代谢[43]。以上数据表明，MS中AGEs的可能来源星形胶质细胞和少突胶质细胞。

2.3.3 多发性硬化症中脂质过氧化增加导致甲基乙二醛形成的糖化终产物增多 除了通过糖酵解途径外，AGEs还可通过脂质过氧化过程中产生的不稳定的羰基化合物MDA和HNE以及二羰基化合物MGO和GO产生。脂质代谢产生的AGEs与ROS密切相关[11]。生理条件下ROS的浓度很低，当应激等造成线粒体呼吸链受损时ROS生成增加，CNS由于能量代谢高及抗氧化机制差，对氧化应激和ROS十分敏感[44]。在MS中，CNS内胶质细胞和由浸润的单核细胞演变的巨噬细胞增多，两者均能产生大量的ROS[45]。Guan JZ等[46]研究表明，MS患者尿液中脂质过氧化标志物8-iso-PGF2α水平增加，且与MS的病情程度呈正相关，表明MS患者脂质过氧化增加。因CNS富含多不饱和脂肪酸，脂质过氧化作用可导致ALEs的含量增加。Van Horssen J等[47]研究表明，MS病变中蛋白质，核苷酸和脂质的氧化损害增加且主要发生在脱髓鞘病变中的星形胶质细胞和巨噬细胞。上述研究结果表明，MS患者的氧化应激和脂质过氧化增强使MGO产生增加，导致AGEs形成增加。

3 问题与展望

MS患者的血浆和脑组织中AGEs增加，大量研究证据表明MS中乙二醛酶系统异常、糖酵解和脂质过氧化增加导致了MS患者血浆和CNS中 AGEs水平升高，AGEs促进了MS的疾病进展。目前AGEs对MS病理发展的调节机制仍不明确，有待进一步研究。未来可应用MS的小鼠模型寻找可行的治疗策略，通过研究减少AGEs形成或抑制其下游机制的药物来预防组织炎症和损伤，对改进的MS治疗具有重要意义。

[参考文献]

[1] 吴江，贾建平. 神经病学[M]. 北京：人民卫生出版社，2015：267-269.

[2] Bogie JF，Stinissen P，Hendriks JJ. Macrophage subsets and microglia in multiple sclerosis[J]. Acta Neuropathol，2014，128（2）：191-213.

[3] Nair A，Frederick TJ，Miller SD. Astrocytes in multiple sclerosis：A product of their environment[J]. Cell Mol Life Sci，2008，65（17）：2702-2720.

[4] Ott C，Jacobs K，Haucke E，et al. Role of advanced glycation end products in cellular signaling[J]. Redox Biol，2014，2：411-429.

[5] Sternberg Z，Hennies C，Sternberg D，et al. Diagnostic potential of plasma carboxymethyllysine and carboxye-thyllysine in multiple sclerosis[J]. J Neuroinflam，2010， 7（1）：72.

[6] Sternberg Z，Ostrow P，Vaughan M，et al. Age-rage in multiple sclerosis brain[J]. Immunol Investig，2011，40（2）：197-205.

[7] Hegab Z，Gibbons S，Neyses L，et al. Role of advanced endproducts in cardiovascular disease[J]. Word J Cardiol，2012，4（4）：90-102.

[8] Allaman I，Belanger M，Magistretti PJ. Methylglyoxal，the dark side of glycolysis[J]. Front Neurosci，2015，9：23.

[9] Maessen DE，Stehouwer CD，Schalkwijk CG. The role of methylglyoxal and the glyoxalase system indiabetes and other age-related diseases[J]. Clin Sci，2015，128（12）：839-861.

[10] Lange JN，Wood KD，Knight J，et al. Glyoxal formation and its role in endogenous oxalate synthesis[J]. Adv Urol，2012，2012：819202.

[11] Pamplona R. Advanced lipoxidation end-products[J]. Chem Biol Interact，2011，192（1-2）：14-20.

[12] Matafome P，Sena C，Seica R. Methylglyoxal，obesity， and diabetes[J]. Endocrine，2013，43（3）：472-484.

[13] Di Loreto S，Caracciolo V，Colafarina S，et al. Methylglyoxal induces oxidative stress-dependent cell injury and up-regulation of interleukin-1beta and nerve growth factor in cultured hippocampal neuronal cells[J]. Brain Res，2004，1006（2）：157-167.

[14] Figarola JL，Singhal J，Rahbar S，et al. LR-90 prevents methylglyoxal-induced oxidative stress and apoptosis in human endothelial cells[J]. Apoptosis，2014，19（5）：776-788.

[15] Brownlee M. Biochemistry and molecular cell biology of diabetic complications[J]. Nature，2001，414（6865）：813-820.

[16] Yan SF，Ramasamy R，Schmidt AM. The rage axis： A fundamental mechanism signaling danger to the vulnerable vasculature[J]. Circ Res，2010，106（5）：842-853.

[17] Singh R，Barden A，Mori T，et al. Advanced glycation end-products： A review[J]. Diabetologia，2001，44（22）：129-146.

[18] Dukic-Stefanovic S，Gasic-Milenkovic J，Deuther-Conrad W，et al. Signal transduction pathways inmouse microglia N-11 cells activated by advanced glycation endproducts（AGEs）[J]. J Neurochem，2003，87（1）：44-55.

[19] Wang AL，Li Z，Yuan M，et al. Sinomenine inhibits activation of rat retinalmicroglia induced by advanced glycation end products[J]. Int Immunopharmacol，2007，7（12）：1552-1558.

[20] Wang L，Chen K，Liu K，et al. DHA inhibited AGEs-induced retinalmicroglia activation via suppression of the PPARγ/NFκB pathway and reduction of signal transducers in the AGEs/RAGE axis recruitment into lipid rafts[J].Neurochem Res， 2015，40（4）：713-722.

[21] Shaikh SB，Uy B，Perera A，et al. AGEs-RAGE mediated up-regulation of connexin43 inactivated human microglial CHME-5 cells[J]. Neurochem Int，2012，60（6）：640-651.

[22] Wang Z，Li DD，Liang YY，et al. Activation of astrocytes by advanced glycation end products： Cytokines induction and nitric oxide release[J].Acta Pharmacol Sin，2002，23（11）：974-980.

[23] Hussain M，Bork K，Gnanapragassam VS，et al. Novel insights in the dysfunction of human blood-brain barrier after glycation[J]. Mech Ageing Dev，2016，155：48-54.

[24] Shimizu F，Sano Y，Tominaga O，et al. Advanced glycation end-products disrupt the blood-brain barrier by stimulating the release of transforming growth factor-β by pericytesand vascular endothelial growth factor and matrix metalloproteinase-2 by endothelial cells in vitro[J].Neurobiol Aging，2013，34（7）：1902-1912.