铁元素与帕金森病研究进展

王雨朔 孟凡超

1）新乡医学院三全学院2017级临床医学系，河南 新乡 453003 2）郑州市第二人民医院，河南 郑州 450006

铁是人体必需的微量元素，但由于其具有氧化还原活性，并在2+铁和3+铁之间相互转化的过程中产生自由基，因此也具有毒性作用［1］。已有研究报道帕金森病（PD）患者大脑黑质（SN）铁蓄积与多巴胺能细胞死亡有关，然而高铁含量是否代表黑质变性的起始过程或仅仅是黑质变性的结果仍有待阐明。由于铁是一种氧化还原活性金属，可促进细胞毒性羟基自由基、超氧阴离子和过氧化氢的形成，因此PD患者SN中铁的累积可能参与神经元的变性［2］。体外研究表明，铁毒性并不仅限于多巴胺能神经元，高浓度游离铁对所有类型的神经元都具有毒性作用。铁通过与细胞内多巴胺的相互作用，诱导多巴胺能神经元优先受损。多巴胺是黑质细胞内活性氧（ROS）的主要来源，多巴胺被单胺氧化酶氧化后会释放过氧化氢，而过氧化氢又会通过铁的作用介导的Fenton 反应产生更多有毒的羟基自由基［3］。神经黑色素是黑质多巴胺能神经元的主要铁储备，由于黑色素螯合了大量的铁，阻止了Fenton 反应产生的羟基自由基，因此对神经元具有保护作用。相反，研究发现PD 时SN 中铁增加可使神经黑色素的铁螯合位点饱和，铁和神经黑色素之间的松散结合可能导致自由基生成增加。一旦神经黑色素从死亡的神经元中释放出来，能够激活小胶质细胞，增加神经炎症，导致神经元死亡［4］。α-突触核蛋白（α-Synuclein，α Syn）在遗传性和散发性PD的致病性级联反应中起重要作用，也是Lewy体的主要成分和PD 的病理学标志。低浓度的铁可以直接诱导α Syn 原纤维的形成，导致多巴胺和过氧化氢生成增加，刺激产生含有α Syn 和泛素的细胞内聚集物。铁与α Syn 和多巴胺协同作用，诱导PD Lewy 体病理形成和细胞死亡。研究证实PD患者存在脑部炎症，反应性小胶质细胞明显增生，多巴胺能神经元的丢失与细胞因子、ROS和一氧化氮（NO）有关水平增加有关，提示炎症反应和感染可能参与PD 的发病机制，炎症反应也可导致PD 多巴胺能神经元铁含量增加［5］。此外，PD脑表达的促炎细胞因子对星形胶质细胞和小胶质细胞的铁稳态有重要影响，尤其是促炎TNF-α引起星形胶质细胞和小胶质细胞对铁的摄取和滞留增加，而抗炎细胞因子TGF-b1 促进星形胶质细胞的铁外流，但引起小胶质细胞的铁滞留［6］。然而，对于铁沉积是否为PD的主要事件或始动因素仍然存在争议。本文就PD动物模型及散发性和家族性PD患者的铁沉积、铁与神经黑色素和α Syn的相互作用以及应用铁螯合剂靶向治疗脑内铁水平异常的最新研究进展做一综述。

1 铁和神经黑色素

铁在大脑中分布不均，已证实铁水平与年龄有关。组织和生化研究表明，正常人脑以及大鼠和猴脑SN和苍白球铁浓度较高。最近一项对正常人脑组织铁含量直接定量研究发现，壳核和苍白球铁含量最高，基底节的铁含量与年龄呈显著正相关［7］。

神经黑色素（neuromelanin，NM）是一种深色颗粒状色素，存在于SN多巴胺能神经元，其色素沉着从儿童期到成年早期增加，中年期趋于稳定，60岁开始下降。NM能强烈螯合金属，尤其是铁，但属于不完全螯合，铁以Fe3+的形式与NM 结合。由于NM 捕捉大量的铁，能够阻止Fenton（芬顿反应，H2O2在Fe2+存在下生成强氧化能力的羟基自由基）反应产生羟基自由基以及铁介导的多巴胺氧化［8］。研究发现PD患者SN 铁浓度增加可能会使NM铁螯合位点饱和，而铁与NM之间的松散结合引起毒性游离铁浓度升高可导致自由基生成增加，从而导致PD神经元损伤［9］。黑质纹状体共培养的体外研究表明，铁-黑色素复合物对多巴胺能神经元具有神经毒性作用和脂质过氧化作用，基于这些发现可以假设NM的保护作用，直到对铁的缓冲能力耗尽。在PD患者SN中，铁超载的神经黑色素颗粒不仅存在于神经元内部，也存在于神经元外部。此外，在神经黑色素聚集物中检测到氧化还原活性水平（有助于氧化应激）显著增加，并与神经元损失的严重程度相关［10］。变性神经元释放的NM可被小胶质细胞吞噬和降解，但也不利于小胶质细胞的激活，引起神经炎症和随后的变性过程，加重明显的病理条件。

2 铁和α Syn

α Syn是Lewy小体的主要成分，是散发性和家族性PD 的病理标志。α Syn 基因的致病性错义突变（PARK1）和α Syn 基因增殖（重复和三倍性PARK4）都可导致家族性PD［11］。已证明α Syn 含有铁等二价金属的结合位点，在暴露于铁过量的神经元，α Syn 过度表达导致细胞内铁水平增加，铁在富含α-突触核蛋白的内含物中从细胞质重新分布到核周围区域。铁在Fe2+和Fe3+两种状态下都能直接与α Syn结合，但铁的Fe3+更能加速α Syn聚集和纤维形成，多巴胺和过氧化氢的存在可以增强铁对α Syn 的聚集作用，α Syn 磷酸化也增加亚铁Fe2+对蛋白质C 端的亲和力［12］。有趣的是，α Syn 信使RNA 的5′-非翻译区含有一个预测的铁反应元件（IRE），铁反应粒子（IRP）通过与位于mRNAs 中的IREs 结合来调节含IRE mRNAs 的翻移和稳定性。当铁受到限制时，IRP与IRE-mRNAs具有很高的亲和力，抑制翻译。当铁含量丰富时，IRP与铁结合而不与IREs 结合，导致含有5′IRE 的mRNAs 发生翻译［13］。因此，铁水平升高可以促进α Syn 蛋白的翻译。这些发现指出α Syn 与铁在PD 发病机制中的重要联系，二者的相互作用可能导致恶性循环，即α Syn 水平的增加导致铁的积累，加速α Syn的聚集［14］。

3 铁沉积的细胞机制

研究发现，PD 患者细胞内铁沉积可能受以下因素的影响：（1）铁释放受损：在PD 模型中，包括1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）和6-羟基多巴胺（6-OHDA）中毒，铁转运蛋白被耗尽。淀粉样前体蛋白（APP）或tau功能的缺失导致神经元铁潴留和铁依赖性黑质细胞丢失，且这两种蛋白在PD 的SNc 中都减少［15］。铜蓝蛋白也可有助于铁转运蛋白排出细胞内的铁，对铜蓝蛋白缺乏的小鼠应用去铁酮（DFP）可治疗年龄依赖性铁升高和PD。研究发现PD 患者SN、脑脊液和血清中发现铜蓝蛋白活性降低，铜蓝蛋白基因的点突变也与帕金森综合征与PD 和SN 高回声有关［16］。（2）铁储存改变：神经元将多余的铁隔离成铁蛋白分子的能力有限，而表达黑色素作为“铁库”的补充。然而，这种能力在PD 中遭到破坏，导致SN 中小胶质细胞的铁蛋白免疫反应性增强［17］。随着时间推移，铁负载过大引起铁蛋白水平升高可作为铁的亚稳态蓄积，导致与年龄相关的神经退行性变。（3）铁吸收增加：研究发现，PD患者转铁蛋白（Tf）及其受体（TfR）的单核苷酸多态性可能通过改变Tf 与铁的结合，转运至细胞中起保护作用。此外，PD 患者和MPTP 小鼠SNc 中的铁累积与铁二价金属转运体的升高相关［18］。

4 铁沉积与非人类灵长类PD模型

某些研究探讨多种PD 动物模型铁含量的变化，以确定SN 中的铁沉积是主要还是次要事件。研究发现，将MPTP单侧注入猕猴的尾状核或壳核，构建偏瘫帕金森病模型，注射后1 周出现对侧肢体屈膝姿势和运动减退。应用免疫组化方法比较SN 和其他基底节结构的铁含量发现，MPTP 损伤侧的铁染色明显增加，尤其是SN，而其他基底节结构，如苍白球、尾状核和壳核则没有增加，同时发现注射侧铁蛋白免疫染色正常，表明铁的积累与铁蛋白代谢改变无关［19］。TEMLETT等［20］检测单侧MPTP处理的非洲绿猴总游离铁浓度发现，MPTP 损伤侧SN 铁含量明显高于未损伤侧，而其他微量元素无明显变化。重要的是，铁不仅存在于变性的多巴胺细胞，也存在于周围基质和胶质细胞。最近一项研究利用高分辨率MRI 证明食蟹猴半侧帕金森模型MPTP损伤侧SN 铁沉积增加，证实了以前的发现。SHI 等［21］发现SN 铁水平与MPTP 注射猴的病理严重程度和运动障碍呈正相关。高铁有助于MPTP 诱导PD 病理学在PD 的晚期或严重阶段升高，而铁水平降低可能预示疾病的早期阶段。HE 等［22］研究发现，MPTP 诱导的帕金森病猴给药后1～18个月SN铁含量的变化及多巴胺能细胞死亡与铁积累过程的关系，结果表明MPTP注射第1天同侧SN发生凋亡，TH 阳性细胞数从第1 周开始明显减少；MPTP注射后4.5～18 个月同侧SN 铁含量显著增加，且铁含量增加与多巴胺能细胞的死亡程度显著相关。这些发现表明，仅黑质纹状体系统的损伤可诱导黑质内的铁蓄积，而多巴胺能细胞的死亡先于铁的积累，这意味着铁的积累可能不是主要事件，但铁含量增加可能有助于黑质变性的进程。

5 PD与铁沉积

随着磁共振成像（MRI）技术的进步，越来越多的证据表明PD患者SN内铁沉积增加，也发现其他脑区，包括壳核、红核和苍白球铁沉积增加。一项纵向研究发现PD 患者SN 铁改变局限于腹侧位置。病理研究表明，在PD 的腹侧SN 变性早且程度最大，通过定量易感性图谱评估该局部铁水平可作为PD疾病进展的生物标志物［23］。有证据表明PD 患者SN 铁负荷与运动障碍相关，也有研究报道帕金森统一评分量表（UPDRS）增高、肌强直和步态冻结评分与PD患者SN铁积聚呈正相关。由于PD患者黑质铁蓄积的增加似乎是根据疾病运动的严重程度分层，因此铁评估可能有助于监测PD 进展［24］。路易体病患者SN 也显示铁负荷增加；轻度PD患者以及对照组和PD组之间黑质铁含量在调整后年龄缺乏这种变化，早期PD 患者缺乏铁浓度增加，进一步支持铁积聚可能不是初始事件，而是随着疾病的发展而发生［25］。

研究发现多种基因与家族性PD 有关，在某些情况下SN 铁积聚。与对照组和散发性PD 患者相比，携带Parkin 突变功能缺失的PARK2 患者SN 铁染色更强烈。此外，PARK2和散发性PD 铁染色分布模式也存在差异［26］。虽然对Parkin缺乏如何导致铁积累尚不清楚，但Parkin 在调控二价金属转运蛋白1（DMT1）中的作用已被证实。DMT1 是负责铁吸收的主要转运蛋白，Parkin 是E3 连接酶，负责1B-DMT1 亚型的泛素化。过表达Parkin 导致1B-DMT1 亚型减少，金属转运和毒性显著降低。此外，在含有Parkin外显子4纯合子缺失的淋巴细胞和Parkin 基因敲除动物脑中1B-DMT1 表达升高，因此，Parkin 缺乏可能通过增加1B-DMT1水平加速铁进入细胞［27］。

PLA2G6 编码Ca2+非依赖性磷脂酶a2β（iPLA2β），选择性水解甘油磷脂释放游离脂肪酸，作为PARK14 连锁常染色体隐性遗传早发性肌张力障碍帕金森综合征的致病基因，也是婴儿神经轴索营养不良、与脑铁积聚相关的神经变性和Karak 综合征的致病基因［28］。PLA2G6 突变患者常表现脑内铁蓄积，但有些患者却没有蓄积。在iPLA2 敲除小鼠模型，从临床早期即在脑中存在年龄依赖性铁沉积。与对照组相比，老年iPLA2β基因敲除小鼠脑区DMT1 和铁调节蛋白2（IRP2）上调，表明通过激活IRP2 和上调DMT1，iPLA2 基因消融增加脑内铁摄取，与Parkin 缺乏途径类似［29］。GUO 等［30］为研究iPLA2 活性降低是否为铁沉积的真正原因，应用iPLA2拮抗剂处理细胞后发现，尽管iPLA2乙酰胆碱活性降低减少铁吸收活性和增加铁储存活性，但未导致明显的铁蓄积，提示iPLA2活性降低可能不是铁沉积的主要原因，需要进一步研究理清这些研究间的差异。

ATP13A2（PARK9）编码溶酶体p5 型ATP酶，在调节正离子稳态中发挥重要作用，其突变导致Kufor Rakeb 病，是一种常染色体隐性青少年帕金森病，以锥体束征、痴呆和核上性凝视麻痹为特征。脑部磁共振显示，某些受影响个体出现普遍的脑萎缩、双侧壳核和尾状核铁积累［31］。研究ATP13A2 与铁的关系发现，通过脯氨酰羟化酶结构域（PHD2）-缺氧诱导因子1α（HIF1α）信号调节ATP13A2对细胞铁稳态至关重要。HIF1α协调参与铁代谢的各种细胞应激基因转录，抑制PHD2亚型阻止其羟基化HIF1α进行蛋白酶体降解，结果表明对离体和在体PD 模型都具有神经保护作用。ATP13A2 是已知的HIF1α靶点，PHD2 抑制可导致ATP13A2 表达增加，而ATP13A2 表达下调则导致细胞内亚铁水平升高，可能是由于维持溶酶体铁储存能力降低所致［32］。ATP13A2过度表达使细胞对铁诱导的细胞毒性更具抵抗力。此外，ATP13A2 表达导致溶酶体和晚期核内体增大，铁诱导溶酶体膜通透性降低，提示过表达ATP13A2 提高溶酶体膜完整性，保护铁诱导的细胞损伤，结果表明ATP13A2功能缺失突变可能是PD相关神经病理学的基础，但在现阶段，由于临床异质性的原因，很难得出家族性PD患者基因突变与脑铁积累之间存在明确的联系［33］。研究基因模型铁含量变化，可以增强对PD 铁积累与神经变性关系的认识。

6 铁螯合剂治疗PD

铁螯合物作为一种有前途的治疗概念引入神经变性疾病，其特点是包括PD 的铁超载。以前报道去铁胺（DFO）是一种有效的Fe3+螯合剂，能阻止铁-黑色素复合物对黑质纹状体共培养的毒性作用［34］。在MPTP 诱导的PD 小鼠模型，DFO 还通过上调HIF1α、TH、血管内皮生长因子（VEGF）和生长相关蛋白43（GAP43）表达，并下调α-突触核蛋白，二价金属具有铁反应元件的转运蛋白和转铁蛋白受体，从而有效地减轻行为缺陷，提高SN和纹状体多巴胺能神经元的存活率。但由于其口服生物利用度低、半衰期短、难以进入脑组织等，又发现另一种人工合成金属螯合剂去铁酮（DFP）对MPTP 诱导PD 动物模型有效。在一项双盲、安慰剂对照随机试验中，纳入一项为期12 个月接受多巴胺稳定治疗的早期PD 患者，在黑质铁沉积和UPDRS评估方面，早期开始治疗患者与晚期开始患者相比，对治疗的反应更早、更持久［35］。

某些8-羟基喹啉类似物也显示治疗PD神经变性变的巨大潜力，氯碘喹啉是一种亲脂性铁螯合剂，能逆转MPTP 诱导PD 动物SN 铁积累。此外，氯碘喹啉治疗过度表达A53T α Syn转基因小鼠可防止铁与α Syn相互作用、α Syn聚集体形成、SN α Syn相关细胞的丢失、海马和尾壳核棘神经元树突棘密度的降低以及运动和认知功能的下降［36］。VK-28 是另一种有效的脑渗透性铁螯合剂，能保护神经细胞免受6-OHDA 诱导的毒性。黑质铁和单胺氧化酶B（MAO-B）活性增加是PD 的特征，因此也是治疗的靶点，雷沙吉兰具有很强的MAO-B抑制和神经保护活性，这种神经保护活性导致从原型铁螯合剂VK-28 中开发出如HLA-20和M30 的双功能铁螯合剂［37］。这些化合物具有与DFO相当的铁螯合能力以及MAO-A和B选择性抑制和神经保护作用，这些具有双重铁螯合和MAO-B抑制活性的神经保护化合物可能是未来治疗PD的潜在候选药物［38］。

对PD 动物模型和患者的临床研究表明，铁沉积不是初始过程，然而铁的增加是导致黑质变性进展的一个主要事件。尽管目前不能确切证明PD 致病级联的最先表现，但不同的动物模型已证明铁螯合剂挽救神经变性变的有效性，突出了铁作为PD 神经元死亡介导的关键作用。磁共振成像技术的最新进展有望使铁水平评估作为监测PD病情进展的生物标志物。