阿尔兹海默病的发病机制及药物治疗研究进展

邓青芳，马风伟

(1.贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001；2.贵阳学院 食品与制药工程学院，贵州 贵阳 550005)

0 引言

阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一种常见的中枢神经系统退行性疾病，临床上主要表现为进行性的认知功能障碍和行为能力损害，病因尚不明确，在老龄人口中的发病率很高，目前无特效治愈药物，仅对AD患者进行对症治疗和延缓AD进程治疗。自1906年Alois Alzheimer博士报道该病以来[1]，全世界的科研人员针对AD进行了深入研究。关于AD的发病机制，存在多种学说[2]，如脑内神经细胞外，β-淀粉样蛋白(Amyloid β-protein, Aβ)异常沉积；脑内神经细胞内，Tau蛋白(Tubulin-associated unit)自聚集成神经原纤维缠结(Neurofibrillary tangles，NFTs)而引起的Tau蛋白病(Tauopathies)；小胶质细胞炎症(Microglia-mediated neuroinflammation)和泛素-蛋白酶体系统异常(Ubiquitin-proteasome system abnormality)等。

近年来，临床发现大脑中出现β-淀粉样蛋白沉积的老年人常常并没有出现失智症状，而且靶向β-淀粉样蛋白的药物开发在临床上常常疗效不佳[3]，于是研究人员越来越重视靶向Tau蛋白药物开发来治疗AD，并取得了一定的进展[4]。同时有研究发现，小胶质细胞在AD的发生发展进程中起着重要作用。本文从AD发病的可能(Tau蛋白、Aβ、小胶质细胞、泛素-蛋白酶体系统)机制和临床治疗药物等方面进行综述，为AD的发病机制探索及AD的治疗药物开发提供帮助。

1 AD可能发病机制

1.1 Tau蛋白与AD

Tau蛋白是一种微管(Tubulin)相关蛋白，主要分布在脑部神经元的轴突中，微管蛋白为球形分子，分子量约为55 kDa，有两种亚基(α-微管蛋白和β-微管蛋白)，这两种亚基有35%～40%的氨基酸序列同源；α-微管蛋白和β-微管蛋白聚合成动态微管(Microtubule)，是细胞骨架的主要成分之一，对保持细胞的形态、胞内物质的运输起着重要作用[5]。Tau蛋白的生物学功能是诱导微管蛋白聚合成微管，同时防止其解聚，从而维持神经细胞的形态和功能[6]。此外，Tau蛋白还在神经元细胞可塑性、信号转导、细胞周期调控等方面发挥重要作用[7]。人类的Tau蛋白基因位于17号染色体的长臂(17q21)。Tau基因全长大约133.9 kb，包含16个外显子(Exons)，其中有3个外显子(Exon 4A，6和8)未在人类大脑中出现。目前在成年人大脑中发现至少6种不同亚型(Isoform)的Tau蛋白，这6种亚型为Tau基因中3个外显子(Exon 2，3和10)选择性剪接的结果。其区别主要有以下两点：1)Tau蛋白N-端是否存在插入(Inserts)片段；2)Tau蛋白C-端是否存在不完全的重复序列(R1，R2，R3，R4)。

Tau蛋白主要包括4个功能区域，分别为：1)C-末端区域；2)N-末端区域；3)脯氨酸聚集区域；4)微管结合区域(Microtubule-binding domains，MBDs)。其中MBDs包括了4个不完全的重复序列-R1、R2、R3、R4，能够促进Tau蛋白与微管的结合。这种结合非常重要，可以诱导Tau蛋白发生构象变化。Jeganathan等人[8]通过质子光谱法研究Tau蛋白发现，其在生理状态下为自然展开，不具有二级结构，而在病理状态下，具有明显的β-折叠结构。Tau蛋白的α-螺旋或β-折叠结构与其发生过度磷酸化有关，已经证实，Tau蛋白的翻译后修饰(Post-translational modifications，PTMs)的异常过度磷酸化使其具有高度的聚集倾向，从而形成成对螺旋纤维细丝(Paired helical filaments，PHFs)，进而使神经纤维缠结(Nerve fiber tangles，NFTs)，构成了神经元细胞最早期的细胞骨架改变[9]。

Tau蛋白的翻译后修饰有多种类型[10]，包括磷酸化、糖基化、甲基化、乙酰化、糖醛酸化、硫酸化、泛素化、硝酸化、截断修饰等(图1)。在正常人的脑细胞内，一般1分子的Tau蛋白有2～3分子的磷酸基团修饰，同时磷酸化修饰的Tau蛋白在不停的去磷酸化，Tau蛋白的磷酸化和去磷酸化作用动态平衡调节着细胞骨架的稳定性，影响着神经元轴突的形态和脑部的功能。但在AD状态下，Tau蛋白发生异常的磷酸化，每个Tau蛋白分子可发生9～10个磷酸基团连接，过度磷酸化的Tau蛋白不仅影响其与微管的结合能力，也影响其它微管集合蛋白与微管的结合[11]。

注：A：磷酸化；B：糖基化；C：甲基化；D：乙酰化；E：糖醛酸化；F：泛素化；G：硝酸化；H：硫酸化；I：截断化。图1 Tau蛋白的翻译后修饰类型Fig.1 Common types of post-translational modifications of Tau

目前，在Tau蛋白上发现的磷酸化位点至少有45个，其中大部分是发生在丝氨酸残基(Ser)和苏氨酸残基(Thr)(图2)的羟基上，并且约一半的磷酸化位点中有脯氨酸(Pro)存在[11]。Tau蛋白的磷酸化修饰受一系列激酶的调节，其中很多是Pro依赖的蛋白激酶，如蛋白激酶A、糖原合成酶激酶3β(GSK3β)、酪氨酸激酶和细胞周期蛋白依赖激酶5等。在AD患者脑中，Tau蛋白的磷酸化修饰现象异常增多，异常磷酸化的Tau蛋白发生构象变化，容易从微观蛋白上解离[12]。

图2 丝氨酸残基、苏氨酸残基和脯氨酸残基结构Fig.2 The structure of Serine, Threonine and Proline

1.2 Aβ蛋白与AD

Aβ是由淀粉样前体蛋白(Amyloid precursor protein，APP)分解产生的[13]。APP是一种跨膜蛋白，有不同的水解途径(图3)，其中经β-分泌酶和γ-分泌酶水解产生含有40或42个氨基酸的Aβ40和Aβ42蛋白[14](图4)。Aβ42蛋白更易于形成致密纤维状斑块，沉积在大脑皮层和海马区域，引起神经元的过氧化损伤，突触功能障碍，诱发神经炎症及神经细胞凋亡，最终导致AD的发生[15]。

图3 APP在β-分泌酶和γ-分泌酶作用下生成Aβ蛋白Fig.3 Generation of Aβ from APP of β-secretase and γ-secretase

图4 Aβ42蛋白的氨基酸序列Fig.4 The amino acid sequence of amyloid β-protein 1-42

在AD患者的脑中，Aβ蛋白的C端羧基首先自聚合形成核因子核心，然后以此核心形成透明状的原纤维，之后再经过多次β-折叠形成Aβ纤维丝[16]。Aβ可分为三种聚合形式：单体、寡聚体和纤维，其中Aβ单体并不影响神经元的功能，Aβ纤维丝有神经毒性，研究表明，Aβ寡聚体毒性更大，其可以快速引发神经元大量死亡[17]。

有实验研究表明，Aβ寡聚体可与N-甲基-D-天冬氨酸受体结合，可使神经细胞内Ca2+浓度升高[18]；同时发现Ca2+依赖性蛋白激酶活性在AD患者的海马区较非AD患者有明显加强，表明Aβ蛋白可能通过钙超载，导致神经细胞内氧化应激增加，树突棘缺失来体现Aβ蛋白的毒性作用[19]。

Aβ蛋白在脑中生成后，其清除途径有很多，但最主要的是通过胶质细胞的胶质蛋白清除，过程包括星形胶质细胞产生低密度脂蛋白受体，该受体可与Aβ结合，使其降解[20]；其次小胶质细胞被激活，小胶质细胞能够吞噬Aβ蛋白，保护神经细胞。但小胶质细胞的激活以及炎症反应对神经元细胞以及AD的发生是双向[21]。

1.3 小胶质细胞与AD

小胶质细胞(Microglial cell)是神经组织中体积最小的一种胶质细胞，也是唯一一种来源于中胚层的细胞[22]。小胶质细胞是固有的免疫效应细胞，其在中枢神经系统的生理过程及AD发病过程中发挥着重要作用[23]。

生理状态下，小胶质细胞具有高度专业化形态，细胞体呈细长或椭圆形，胞体内有少量细胞器，并且从胞体发出细长且分支的突起。小胶质细胞通过不同方向的突起延伸来探测脑内环境，以约1次/时的频率与神经元细胞接触，大量的小胶质细胞大约每4～5 h即可将大脑检查一遍[23]。当机体出现生理稳态失衡时，小胶质细胞会及时作出反应，主要有以下变化：1)小胶质细胞形态改变，如胞体增大，突起收缩；2)小胶质细胞进一步活化，突起消失，形态进行“阿米巴”样改变，具有吞噬能力；3)小胶质细胞增殖，数量增加，并迁移至损伤部位；4)小胶质细胞极化分化，细胞因子的释放。

小胶质细胞介导的炎症反应与AD有密切关系，研究表明，AD患者及实验大鼠脑内的海马区附近的小胶质细胞聚集，进而引发炎症因子的分泌聚集，出现严重的中枢神经损伤[24-25]。根据小胶质细胞分泌细胞因子的不同，可以把小胶质细胞分为两种极化表型，即M1型(经典激活性小胶质细胞)和M2型(选择性激活性小胶质细胞)(图5)。其中M1型主要分泌IL-1β(白介素-1β)、IL-6(白介素-6)、TNF-α(肿瘤坏死因子-α)、iNOS(诱导型一氧化氮合酶)等促炎因子，M2型分泌IL-4(白介素-4)、IL-10(白介素-10)、TGF-β(转化生长因子-β)、PDGF(血小板源生长因子)、VEGF(血管内皮细胞生长因子)等抗炎因子及神经营养因子[24]。过度激活的小胶质细胞释放大量的炎症因子及神经毒性物质，炎症反应增加增强，Aβ蛋白沉积，神经元损伤，加剧AD的病情。

图5 小胶质细胞的分化极化及细胞因子Fig.5 M1 and M2 microglia and the factors they induced

IL-1β广泛分布于大脑中，其中在海马区域中浓度最高，而且IL-1β在AD患者和大鼠模型海马中的表达水平很高，提示M1型小胶质细胞在AD过程中起着重要作用[26]。IL-6是由小胶质细胞产生的一种糖蛋白，通过IL-6受体介导炎症反应，诱导神经元细胞凋亡，AD患者的老年斑(Senile plaque，SP)中IL-6水平高表达[27]。

1.4 泛素-蛋白酶体系统与AD

泛素-蛋白酶体途径(Ubiquitin-proteasome system，UPS)是真核生物细胞内一种高效的非溶酶体蛋白降解途径[28]。UPS也是防止神经元细胞内异常蛋白聚集的关键途径之一。泛素化蛋白的堆积和聚集是许多神经退行性疾病的标志，AD患者脑中UPS功能障碍与Aβ沉积、Tau蛋白磷酸化等均有密切关系[29]。因此，调控UPS的功能对AD的改善及治疗的影响，已成为当下研究的热点。

UPS对特定的蛋白质底物进行降解的过程可分为两步：1)泛素与蛋白质底物进行共价结合，形成泛素化标记的蛋白质底物，此过程称为泛素化；2)26S蛋白酶体对泛素化标记的蛋白底物进行降解，以及解离泛素链。泛素是一种广泛存在于真核细胞中的多肽，其单个分子由76个氨基酸组成，分子量约为8.5 kDa(图6)[30]。泛素多肽利用其末端76位甘氨酸的羧基与蛋白质底物中赖氨酸的氨基共价结合，使目标蛋白泛素化标记，以便进一步降解[31]。26S蛋白酶体是一个巨大的复合物体，分子量约为2 000 kDa，其由20S和19S两种结构组装而成，20S呈桶状，19S呈帽状。

图6 泛素蛋白的氨基酸序列Fig.6 The amino acid sequence of ubiquitin

蛋白的泛素化作用是可逆的，机体存在着去泛素化酶(Deubiquitinating enzymes，DUB)能使泛素从蛋白上切掉，从而避免蛋白被降解的命运[32]。人体的DUBs可分为5个亚家族，分别为：JAB1/MPN/Mov34蛋白酶亚家族(JAMM)、Josephin结构域蛋白酶亚家族(MJD)、卵巢肿瘤相关蛋白酶亚家族(Ovarian tumor domain，OTU)、泛素C末端水解酶亚家族(Ubiquitin C-terminal hydrolase，UCH)和泛素特异性蛋白酶亚家族(Ubiquitin specific proteases，USPs)，其中USPs亚家族是DUB家族中成员最多的亚家族[32]。

2 药物治疗

2.1 针对AD的化学药物治疗

虽然关于AD的治疗药物研究进行了很多年，但是目前尚未有根治AD的药物，多数药物针对临床症状开展针对性治疗，如胆碱能神经元在大脑皮层的发育、认知功能、学习记忆等方面起着重要的调节作用，乙酰胆碱作为重要的神经递质在AD患者中出现异常，表现为乙酰胆碱合成减少，摄取不足等。故临床上常用胆碱酯酶抑制剂来降低乙酰胆碱的水解，维持大脑内乙酰胆碱水平，进而增强胆碱能神经元的突触传递效能，改善AD患者的认知功能[33]。表1列举了临床上常用的治疗AD的化学药物以及一些新型的治疗药物(免疫治疗)。

表1 治疗AD的常用化学药物Tab.1 Commonly used clinical drugs for AD cure

2.2 针对AD的植物提取物及中药复方治疗

中草药治疗AD已有千年的悠久历史[41,42]，但其治疗机制尚不明确，植物次生代谢产物是其生长过程中产生的非必需的小分子类化合物，种类多样，结构复杂，有些对AD有明显的治疗效果[43](表2)。中医认为，AD属于“呆病”，是元气的崩溃以及经络、喉咙阻塞引起的，中药复方如天麻钩藤饮、六味地黄丸等常用于临床上AD的治疗。也有医家提倡“治痰即治呆”，通过治疗脾胃，减痰化痰来治疗AD，并取得了一定疗效[44]。

表2 治疗AD的植物提取物及中药复方Tab.2 Natural products source and Chinese herbal compound formula for AD treatment

3 展望

随着人口老龄化的时代到来，AD患者的发病率将逐年增加，如果将AD发病时间延迟5～10年，则大大减轻中国乃至世界的经济社会负担。近年来，虽然基因组学、蛋白组学、分子生物学的不断发展对AD发病机制有了更深入的了解，但是AD作为CNS退行性疾病，具有长期性和渐进性的特点，其具体的发病机制仍未完全清晰，特异性的预防及治疗AD的药物也仍未上市。但另一方面，随着研究的深入，AD的早期发病的分子生物学改变与神经炎症有密切关系，因此，今后可从以下3方面开展AD更深入的工作：1)小胶质细胞的生物信息学分析，以及小胶质细胞激活、增殖、分泌炎症因子的诱因研究；2)神经炎症与APP水解位点的关系及控制因素的研究；3)UPS功能障碍的诱因及诱导神经元细胞凋亡的关联研究。相信随着分子生物学技术的发展，人类对AD的研究将更深入，也将筛选出更加高效的特异性强的化学药物或中药，为AD的预防和治疗提供更精准的治疗药物和治疗方案。