能量代谢在阿尔茨海默病发生和防治中的作用

王倩倩1)，王莹莹1)，韩笑1)，张希申1)，张广传1)，关方霞1，2)，马珊珊1，2)

1) 郑州大学生命科学学院 郑州 450001 2) 郑州大学神经科学研究院 郑州 450052

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是一种年龄相关的神经退行性疾病，主要表现为认知功能障碍、记忆功能障碍、执行功能障碍以及人格的转变；AD具有发病率高、病程长等特点，目前暂无有效的临床策略可以预防、延缓或逆转AD[1]，给患者、家庭和社会带来了沉重的负担。AD的病理特征主要包括β淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ)沉积和Tau蛋白过度磷酸化导致的神经元纤维缠结(neurofibrillary tangle,NFT)[2]。目前公认的AD发病假说[3]主要有淀粉样蛋白级联假说、Tau蛋白假说、胆碱能假说、氧化应激假说和神经炎症假说等。但越来越多的研究[4-6]表明，AD的发生和发展与脑内能量代谢异常密切相关；AD患者脑内线粒体功能障碍与能量代谢异常要早于常规的Aβ沉积与Tau蛋白磷酸化，因此能量代谢异常也被认为是AD的主要原因和标志。本文主要从线粒体功能障碍，糖代谢、脂代谢与乳酸代谢异常以及胰岛素信号紊乱等方面阐述能量代谢异常以及代谢稳态维持在AD发生和防治中的作用，为进一步揭示AD的发病机制和治疗提供理论依据。

1 线粒体功能障碍与AD

线粒体功能障碍[7]主要指线粒体膜被破坏、活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平增高、线粒体ATP(mitochondrial ATP,mtATP)合酶活性降低以及线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)缺失或突变所引起的能量代谢障碍，进而导致一系列的级联反应。除了Aβ沉积与Tau蛋白磷酸化，线粒体功能障碍也被认为是家族性与偶发性AD的早期特征[8]。研究[9]表明线粒体功能障碍出现在Aβ沉积与NFT之前，线粒体级联假说甚至提出线粒体功能障碍是AD病理的触发因素，可能导致Aβ沉积、NFT与神经退行性病变等。因此，线粒体可能是AD的潜在治疗靶点。

1.1 ROSROS是分子氧的活性形式，在线粒体氧化磷酸化过程中，大量的超氧阴离子会影响细胞的存活[10]。正常情况下，ROS水平受机体氧化和抗氧化系统的稳态调控，然而随着年龄的增长或一些病理状况的影响，这种平衡被打破[9]。研究[11]表明ROS水平与认知障碍的严重程度以及从轻度认知障碍到AD的症状进展直接相关。Leuner等[12]证明线粒体来源的ROS能够诱发Aβ沉积，而Aβ沉积又会加速线粒体功能障碍，并通过增加ROS水平增强β-淀粉样前体蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1,BACE1)活性来促进其自身生成。Dumont等[13]发现线粒体超氧化物歧化酶过表达可显著改善Tg19959转基因AD小鼠的突触功能障碍和认知障碍。Ahmad等[14]证明AD发病早期，ROS介导的Akt1激酶活性丧失和mTOR信号抑制可导致β-淀粉样前体蛋白/早老素蛋白1(amyloid precursor protein/presenilin 1,APP/PS1)转基因小鼠突触可塑性与学习记忆能力的障碍。因此，线粒体功能障碍导致的氧化应激在AD发病机制中起关键作用。

基于此，人们也研发出多种调控线粒体功能的抗氧化疗法，进行AD的干预和治疗。例如，Dehghani等[15]发现脂溶性抗氧化剂辅酶Q10与叶酸单独与联合给药，均能预防或改善链脲佐菌素诱导的AD大鼠认知功能障碍。Yatin等[16]的研究表明维生素E能够通过清除Aβ诱导的ROS，减轻Aβ1-42对大鼠海马神经元的神经毒性。因此，天然或人工合成相关抗氧化化合物可直接靶向作用于线粒体，改善AD，可能是未来AD治疗的策略之一。

1.2 mtATP合酶mtATP合酶是一种F型ATP酶，通过将质子从膜间泵入基质产生能量，为机体供能。Schägger等[17]发现AD患者海马组织中ATP合酶活性显著降低。随后多项研究[18-19]证明AD患者mtATP合酶活性也明显降低。Carrette等[20]发现Tg2576转基因AD小鼠脑内Aβ的沉积与mtATP合酶的α亚基密切相关。Schmidt等[21]证明神经细胞质膜上mtATP合酶的α亚基能够结合APP和Aβ胞外结构域进而抑制ATP合酶的活性。免疫组化染色与电子显微镜观察[22]则证实AD患者和AD转基因小鼠中神经元细胞质中ATP合酶α亚基的表达增加，且与Aβ斑块和NFT共定位；而ATP合酶的其他亚基(如β、δ亚基)的表达则明显降低[23]。因此，关于mtATP合酶在AD中的作用还需要深入的研究。

Prior等[24]发现J147是一种口服的活性神经营养化合物分子，能够抑制mtATP合酶的α亚基，修复老年AD模型小鼠的认知缺陷。此外，J147能够调控AMPK/mTOR通路，改善线粒体膜电位异常，对神经细胞和脑组织发挥保护作用[25]。但是AD发病过程中往往伴随ATP合酶活性的抑制，所以若运用J147治疗AD，应充分考虑AD的发展阶段，把控ATP合酶的阈值[23]，才能使J147发挥出应有的作用。

1.3 mtDNA线粒体功能由核DNA与mtDNA共同调节，mtDNA遗传多态性会导致一系列原发性线粒体相关疾病，其中大部分是以认知功能障碍为特征的神经性疾病[26]，说明神经元对mtDNA引起的线粒体缺陷高度敏感。绝大多数AD患者体细胞发生mtDNA突变，mtDNA遗传可增加家族性AD的患病风险。Mosconi等[27]在家族性AD的研究中证明，母亲有AD病史者比父亲有AD病史者AD发病率高，该研究很好地解释了AD患者家族史中微小但可见的母体遗传优势[28]。研究[29]发现AD患者海马区存在大量环氧合酶(cyclooxygenases,COX)缺陷的神经元，而mtDNA缺失会进一步导致AD患者海马区COX缺乏，提示mtDNA缺失与COX缺陷存在相关性。此外，Weidling等[30]发现，细胞中mtDNA的缺失能够影响Tau蛋白的集聚，进一步证明线粒体功能障碍能够驱动AD病理学的改变。

2 能量代谢障碍与AD

研究[31]表明包括糖代谢、脂代谢、乳酸代谢等在内的能量代谢在Aβ沉积和Tau蛋白磷酸化过程中发挥重要的调节作用，且老龄代谢综合征与AD的发病密切相关。因此，能量代谢异常也是AD的主要发病因素之一，在AD发生和发展过程中发挥重要作用。

2.1 糖代谢葡萄糖是大脑的主要能量物质，占身体质量2%的大脑消耗了机体安静状态下约25%的葡萄糖[32]。AD认知障碍与脑葡萄糖利用、糖酵解和氧化代谢异常有关[33]。脑神经元不能产生与储存葡萄糖，需要借助葡萄糖转运蛋白将葡萄糖从外周透过血脑屏障转运至海马区等部位。AD患者大脑中O-糖基化降低，导致葡萄糖转运载体1(glucose transporter，Glut 1)和Glut 3含量减少，最终导致Tau异常高磷酸化与神经纤维变性[34]。研究[35]显示脑葡萄糖代谢异常远远早于Aβ沉积，且脑内葡萄糖供应的降低会进一步导致Aβ沉积。An等[36]通过巴尔的摩老龄化纵向研究发现大脑葡萄糖稳态异常是AD固有的发病机制，且葡萄糖浓度与Aβ沉积和NFT的严重程度相关。Pagani等[37]通过18氟代脱氧葡萄糖-正电子断层成像证明，脑葡萄糖代谢率逐渐降低是轻度认知障碍的标志，进一步表明糖代谢障碍可能在AD早期发病机制中起关键作用。Johnson等[38]针对2 000名AD患者的脑组织和400份脑脊液样本的大规模蛋白质组学分析再次证明葡萄糖代谢蛋白与AD认知障碍密切相关，而且这些蛋白有可能作为液体活检标志物用于AD的早期筛查。

近些年来，Glut成为AD治疗的潜在靶点。Geji等[39]发现胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)类似物——利拉鲁肽能够刺激GLP-1受体，提高Glut的运输能力，防止AD患者脑葡萄糖代谢率的下降，阻止AD发展。Chen等[40]发现毛蕊花糖苷能够增加大鼠海马区内Glut 3与Glut 4的表达，促进葡萄糖的转运，增强大鼠学习与记忆能力。以上研究表明调节脑内糖代谢、维持糖代谢稳态可能是干预或治疗AD的新型策略。

2.2 脂代谢脂质是大脑固态物质的主要组成部分，能够参加血脑屏障的功能维持、APP的剪切、氧化应激与能量平衡，因此现亦有学者[41]认为脂质是研究AD的核心。细胞衰老过程中，脂质代谢发生显著变化，如ω-3脂肪酸含量下降和脂质过氧化增加[42]。与AD病理相关的脂肪组学研究[43]表明人大脑海马区二十二碳六烯酸水平降低会损害学习与记忆能力。载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)是调控脂蛋白转化与代谢的关键蛋白，也是一种多态性蛋白。全基因组关联研究[44]显示ApoE4等位基因是迟发性AD的主要致病因素，每个ApoE等位基因将罹患AD的风险增加3～4倍，同时将发病年龄降低约8岁。

单酰甘油脂肪酶(monoacylglycerol lipase,MAGL)能够调控脑内脂质代谢。研究[45]发现化合物JZL184能够抑制MAGL表达进而抑制Aβ的积累和BACE1的表达，显著降低5XFAD转基因AD小鼠的神经病理症状，改善突触与认知功能。Sun等[46]发现红景天提取物能够调节亚油酸代谢、鞘脂代谢和醚脂代谢,使脂质水平回归正常，对Aβ1-42诱导的AD小鼠发挥神经保护作用。以上研究皆表明，调节脂质代谢可以干预或延缓AD进程。

2.3 乳酸代谢乳酸长期以来被认为是有害的代谢终产物，但是近来研究[47]显示乳酸能够作为能量底物发挥作用。此外，乳酸具有信号传导功能，能够使组蛋白发生乳酸化修饰进而有助于组织稳态的恢复[48]。PTEN敲除小鼠出现学习和记忆障碍，同时伴有乳酸积累，而脑血管单羧酸转运酶体1过表达或Akt1缺失可降低乳酸水平，并使海马神经再生和认知功能恢复正常，证明乳酸稳态对于海马区神经发生和神经认知至关重要[49]。星形胶质细胞是脑内唯一能储备、分解糖原，并利用糖酵解产生的乳酸为神经元供能的细胞，在神经元能量代谢和功能转归中起核心作用[50-51]。星形胶质细胞中乳酸的浓度高于神经元，两者之间的浓度梯度使得乳酸自星形胶质细胞流向神经元[52-54]。星形胶质细胞与神经元之间乳酸的转运需要单羧酸转运酶体的参与。Zhang等[55]发现APP/PS1转基因小鼠大脑中乳酸和单羧酸转运酶体含量均显著降低，神经元和少突细胞数量减少，星形胶质细胞数量增加。Liguori等[56]发现患有轻度认知障碍的AD患者脑脊液中乳酸含量明显高于对照组(排除中枢和周围神经系统疾病的住院患者)与脑血管疾病所致认知障碍患者。但是，在整个AD人群中，脑脊液中高Aβ与Tau蛋白水平则对应较低的乳酸水平。这些脑脊液数据表明，随着AD进展，脑脊液中乳酸水平处于动态变化中，提示调控乳酸生成的线粒体和糖酵解代谢途径在不同AD阶段可能受到不同程度的损害。

Lu等[57]发现姜黄素能够提高APP/PS1小鼠脑组织中的乳酸含量和单羧酸转运酶体2蛋白水平，进而改善APP/PS1小鼠的空间学习和记忆能力。

3 胰岛素信号紊乱与AD

神经元对葡萄糖的摄取与利用受胰岛素的影响，胰岛素信号及其下游的许多靶点能够影响神经元活性与突触可塑性，胰岛素信号的改变能够导致代谢障碍和认知能力下降[58]。因此，胰岛素信号水平能够影响AD发生和发展。

3.1 AD中的胰岛素信号转导Aβ沉积与Tau蛋白磷酸化与胰岛素受体(insulin receptor,IR)信号级联的受损相关。正常生理条件下，胰岛素与IR结合并触发胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)的磷酸化进而激活PI3K，促进神经元生长、突触可塑性等一系列细胞反应[59]。胰岛素抵抗通过激活JNK激酶抑制IRS1的磷酸化，最终导致糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK3β)活性增强和Tau磷酸化与NFT增加，导致记忆损伤[60]。此外，JNK激酶还能够抑制PI3K/AKT信号通路导致神经元生长减慢、突触可塑性减弱与学习记忆能力降低[59]。神经元对葡萄糖的摄取并不仅仅依赖于胰岛素，更多的是IR与胰岛素信号通路改变的影响。Zhao等[61]发现胰岛素介导的PI3K/AKT级联反应能够增加胰岛素降解酶，胰岛素抵抗能够阻止胰岛素降解酶降解胰岛素与Aβ，导致Aβ的沉积。L′Episcopo等[62]发现，敲除小鼠神经元IR，会通过PI3K/AKT信号级联损伤抑制GSK3β磷酸化，使得Tau磷酸化与NFT增加。

Nakamura等[63]发现脱水吗啡能够通过刺激胰岛素信号改善3XTg-AD小鼠的记忆功能，大大降低胰岛素抵抗并且提高胰岛素降解酶水平。Lv等[64]发现鼻内胰岛素给药能够激活IRS1-PI3K-Akt-GSK3β胰岛素信号通路，恢复链脲霉素诱导的AD小鼠的学习与认知功能。这些研究表明胰岛素抵抗以及胰岛素信号受损可介导生物能失调与神经退行性病变，为寻找新的AD治疗方法提供了可能。

3.2 AD与糖尿病流行病学研究[65]一致认为2型糖尿病以及胰岛素抵抗会增加AD的发病风险与认知缺陷。临床研究[66]也发现AD患者存在脑中枢性胰岛素抵抗、糖代谢失调和周围胰岛素抵抗的现象。胰岛素抵抗下，血糖与胰岛素能通过血脑屏障，导致脑部血糖和胰岛素水平升高，通过Aβ聚集、Tau蛋白磷酸化、诱发炎症等机制促进AD的发生[67]。除了APP代谢与Tau蛋白磷酸化，许多生化反应对AD与2型糖尿病都有相似的影响，例如氧化应激、线粒体功能障碍、炎症与能量代谢异常等[68]。Rorbach-Dolata等[69]认为高血糖诱导的神经元兴奋性毒性有助于Aβ沉积、Tau蛋白磷酸化、线粒体功能障碍与晚期糖基化终末产物的形成。AD和糖尿病可能均是由于胰岛素抵抗以及过高的血糖水平提高了ApoE蛋白的糖基化，阻碍了其向星形胶质细胞运送脂质的能力，最终导致神经元功能障碍与死亡[70]。最新研究[71]表明胰岛淀粉样多肽也能够损害血脑屏障，引起大脑代谢功能障碍，与Aβ直接作用并共同沉积，导致糖尿病相关的AD。所以，部分学者将AD称为3型糖尿病或者脑特异性糖尿病[72]。

4 基于AD治疗的能量代谢调控策略

目前，用于治疗AD的临床药物主要是胆碱酶抑制剂(多奈哌齐、卡巴拉汀、加兰他敏)和盐酸美金刚，但只能暂时减轻AD症状，不能延缓AD进程或彻底治愈AD[73]，而且针对Aβ的药物也在Ⅲ期临床试验中失败。所以研发新型治疗AD的靶向药物迫在眉睫。如上所述，线粒体功能障碍、能量代谢受损与胰岛素信号通路受损在AD发病中发挥重要作用，提示维持能量代谢稳态可能是AD治疗的潜在靶点。

除了前面提到的抗氧化疗法，研究[74-75]表明热量限制和运动也能够改善线粒体功能，加强神经保护，预防老年疾病的发生。Bo等[76]发现体育锻炼能够增加mtDNA修复，改善线粒体的呼吸功能，减少ROS的生成。此外，通过饮食控制或运动也可调节体内的糖、脂和乳酸的代谢水平，重塑机体的能量代谢稳态，提高身体素质，保护认知功能。实验[70]表明，高脂肪、低碳水化合物的生酮饮食能够减少AD鼠中的Aβ沉积，增强能量代谢与运动功能。Pan等[77]的研究发现靶向小胶质细胞的天然产物芦丁钠能重编程细胞的糖代谢状态，有效逆转小胶质细胞的能量代谢紊乱，从而减缓AD病理和认知障碍。姜黄素也能够改善线粒体氧化、糖代谢与乳酸代谢，显著降低Tg2576AD小鼠的氧化应激与乳酸水平，但其在人脑中却因较低的生物利用率而收效甚微[78]。Moussa等[79]使用白藜芦醇治疗轻度至中度AD患者52周，发现白藜芦醇能够激活沉默调节蛋白1，减少神经炎症，抑制脑脊液中金属蛋白酶活性并触发适应性免疫。Craft等[80]对AD患者进行的初步研究表明，胰岛素是一种有前景的治疗药物，可以增强大脑的记忆和认知功能。以上研究均表明，AD可能是一种代谢失调相关疾病，能量代谢稳态调节可能是未来靶向治疗AD的重点。

5 展望

与能量代谢相关的线粒体障碍，糖代谢、脂代谢、乳酸代谢障碍及胰岛素抵抗已成为研究AD发病机制和干预治疗的热点，胰-脂-糖轴紊乱所导致的能量代谢异常可能是AD病因学的核心。然而，现阶段基于能量代谢的药物，如GLP-1类似物(如利拉鲁肽)，三七皂苷类(如姜黄素、白藜芦醇)与胰岛素等虽然在AD治疗中表现出积极的作用，但是它们在人脑中的生物利用率较低，具体作用机制与潜在的不良反应尚不完全清楚，还需要深入的探索。因此，基于能量代谢的干预或代谢稳态维持，研发治疗AD的靶向药物并进一步应用，在AD治疗中具有重要意义。