神经退行性疾病与必需金属离子的关系初探

张渊，程宏

微量金属被定义为生命的基本元素，一般来说，它们在人体中的浓度较低但发挥重要的不可替代的作用[1]。必需金属，如锌(Zn)、铜(Cu)、锰(Mn)和铁(Fe)等作为辅助因子，在参与细胞稳态和生存的一系列生理过程中以及在器官和组织发育过程中发挥作用[2]。人们充分认识到，金属离子稳态的改变可能会导致中枢神经系统(central nervous system, CNS)的损伤，并伴有神经变性、残疾和神经炎症，有助于几种神经退行性疾病的发展[3]。神经退行性疾病的特点是逐渐的神经元功能障碍和损失，涉及不同的功能系统和广泛的临床表现，大多数神经退行性疾病的一个基本现象是物理化学性质改变和蛋白质的沉积[4]，金属离子的神经毒性已在体外得到证明，对接触微量元素的不同人群进行的体内实验和流行病学研究也证明了金属的毒性，而且每种金属可能通过特定的机制产生毒性[5]。中枢神经系统中过多的金属积累可能具有毒性，诱导氧化应激，破坏线粒体功能，损害不同类型蛋白质、受体[6]，本文主要讨论铜离子和铁离子在部分神经退行性疾病(包括阿兹海默症、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症)中的病理生理学上的作用，以及它们的神经毒性所涉及的机制。

1 阿兹海默症与金属离子

阿兹海默症(alzheimer's disease, AD)是一种慢性的神经退行性疾病，该病的主要病理特征是β-淀粉样蛋白在大脑皮层及海马区中蓄积，Tau蛋白过度磷酸化导致的神经纤维纠缠结形成，这些物质的过度积累导致神经元的丢失和突触功能受损，使患者的记忆和认知受到损害。

1.1 Fe在AD中的神经毒性机制 Fe可以相对容易地得到和失去电子，在AD中，Fe沉积在老年斑和神经纤维纠缠结的核心和晕圈部位，通过芬顿(Fenton)反应生成自由基[7]。在正常的代谢过程中，线粒体中的氧分子还原会形成过氧化氢，单独的过氧化氢不会产生过多毒性，但当游离铁存在时，游离铁通过Fenton反应将一个电子传递给过氧化氢，形成一个羟基，羟基是活性最高的活性氧化物(reactive oxygen species, ROS)，可以与氧气和大脑中其他分子相互作用，形成更多自由基，导致了一个严重的正反馈循环[8]。生成的羟基会攻击蛋白质、DNA和脂质膜，破坏细胞的完整性和功能性，最终导致氧化应激和细胞凋亡[9]。

1.2 Cu在AD中的神经毒性机制 Cu是各种酶的必需元素和组成部分，在电子和氧的转运、蛋白质修饰和神经递质合成中发挥重要作用[10]；另一方面，过量的Cu是有毒的，因为它有可能通过Fenton反应产生自由基，Cu的神经毒性作用机制通常被视为其与β-淀粉样蛋白的强亲和力，当与β-淀粉样蛋白结合时，这种相互作用催化了超氧化物，经Cu氧化的β-淀粉样蛋白会更具有聚集并产生错误折叠的倾向；除此之外，β-淀粉样蛋白被氧化使其与金属相互作用的方式发生改变，当氧化的β-淀粉样蛋白与Cu结合时会产生更多的ROS，在患有AD的患者大脑中，ROS通过必需蛋白的氧化，错误折叠和聚集促进神经变性。此外，ROS可能会破坏其他大分子，影响蛋白质功能，扰乱脂膜并损伤DNA。然而，最近的研究[11]表明，Cu的不稳态及其在体内的效价，才是其神经毒性的主要决定因素。在被Cu转运蛋白1穿过顶膜摄取之前，膳食铜Cu(Cu2+)需要被还原为Cu1+，Cu1+被定位于顶膜的Cu转运蛋白1和肠上皮细胞的早期内涵体摄取，从肠上皮细胞输出的铜与血液中的白蛋白或α2-巨球蛋白结合并转运至肝脏，在肝脏中铜加载到铜蓝蛋白上进行体循环,这被认为对于避免游离Cu离子引起的毒性非常重要，Cu转运蛋白的遗传功能缺失导致严重的神经症状这一事实也支持了这一观点。

1.3 金属离子与AD治疗前景 迄今为止，阿兹海默的治疗方向主要是清除淀粉样蛋白和限制β-淀粉样蛋白的产生。β-淀粉样蛋白肽是由淀粉样前体蛋白(amyloid-β precursor protei, APP)生成的，具有促进老年斑的聚集和形成的作用，APP是神经元中存在的膜糖蛋白，是两种不同酶(α-和β-分泌酶)的底物，在由α-或β-分泌酶催化的第一个APP裂解后，在γ-分泌酶的辅助下发生了蛋白水解过程，β-和γ-分泌酶的加工会产生β-淀粉样蛋白的神经毒性片段。如今，已经鉴定出几种新颖的β-分泌酶底物[12],从一些试验[13]中获得的适应症表明，β-和γ-分泌酶抑制剂可有效治疗早期形式的AD，新的研究[14]表明，β-淀粉样蛋白聚集物的形成是在痴呆的主要症状发作之前产生的，能够为AD的早期致病框架带来一些改善。此外，在药理上改变AD患者的金属稳态被认为是可能有效的治疗，脑铜缺乏是AD的特征，氯碘羟喹是一种生物可利用的抗寄生虫药物，由于其能够将Cu和Zn从细胞外老年斑重新分配至Cu缺乏神经元，因此被试用为潜在AD治疗药物。在AD动物模型中，口服氯碘羟喹9周可减少淀粉样蛋白负荷并改善认知能力,此外，在β-淀粉样蛋白注射模型中，氯碘羟喹抑制了β-淀粉样蛋白聚集、氧化还原毒性并减少了神经元细胞的丢失[15]。

2 帕金森病与金属离子

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一种运动神经退行性疾病，主要的神经病理标志为路易体中α-突触核蛋白的积累和多巴胺能神经元的丢失,大多数神经元损失发生在由多巴胺能神经元组成的黑质致密部中。多巴胺能神经元的进行性丢失导致纹状体中多巴胺水平降低，进一步导致了一系列症状，如强直、静止性震颤、姿势不稳，以及睡眠障碍、便秘、构音障碍、发声困难、吞咽困难、流涎、尿失禁，甚至持续嗜睡伴轻微谵妄[16]。

2.1 Fe在PD中的神经毒性机制 在PD患者的脑中观察到，黑质致密部处有明显的Fe负荷。在PD的早期阶段，神经元丢失仅限于黑质致密部，导致Fe积累的因素可能有血脑屏障通透性增加或功能障碍、促炎状态增加、神经元和微血管中的乳铁蛋白受体增加、多巴胺神经元中二价金属离子转运体1的表达增加等[17]。Fe促成PD的机制之一是与多巴胺有害的相互作用，多巴胺(dopamine, DA)是大脑中最重要的儿茶酚胺神经递质，其通过多巴胺能神经元的信号控制着认知和运动功能，但易被氧化，从而可能导致神经毒性[18]。在氧气的存在下，Fe3+可催化DA的氧化，由于不稳定的Fe累积在黑质致密部中，DA发生氧化反应，生成的副产物包括DA的有毒半醌基或醌类以及羟基自由基，这些产物可以促进氧化应激和线粒体功能障碍，并诱导α-突触核蛋白在黑质致密部中形成。此外，铁还可以通过单胺氧化酶(monoamine oxidase,MAO)促进DA的酶促脱氨反应，生成二羟基苯基乙酸和过氧化氢，进一步产生ROS，因此，在Fe沉积和DA氧化的微环境中，神经毒可引起轴突末端及其突触囊泡的损害[19]。

2.2 Cu在PD中的神经毒性机制 PD患者的脑脊液中Cu水平升高，这与氧化应激和蛋白质构象变化相关。血清中Cu水平与疾病严重程度呈正相关，相反，黑质内和PD大脑退化区域的Cu水平和结合于神经黑色素的Cu减少。黑质中较低的Cu水平可能是由于PD中Cu转运受损，作为Cu水平降低的结果，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)在PD中被低金属化，这可能影响SOD1的活性，进一步阻碍了SOD1对ROS的清除作用[20]。金属硫蛋白(metallothionein, MT)具有储存和隔离Cu的作用，并通过这样做防止氧化应激，PD患者的脑特异性亚型MT3减少，这可能与氧化应激易感性相关[21]。此外，α-突触核蛋白具有多个Cu结合特异性位点，位于N末端和C末端[22]。这些金属-蛋白质相互作用促进了α-突触核蛋白的纤维化和聚集，铜与α-突触核蛋白的结合还改变了铜的氧化还原特性，导致生物分子和抗氧化剂发生氧化，生成过氧化氢，过氧化氢又催化了多巴胺的氧化[23]。

2.3 金属离子与PD治疗前景 PD的治疗策略主要是针对黑质致密部中的Fe沉积。铁螯合剂，包括去铁胺和去铁酮，显示出了减少多巴胺能神经元丢失和羟自由基形成的作用，这类药物已经被批准用于治疗重型地中海贫血中铁超载[24]。研究[25]表明，去铁酮能穿过血脑屏障，对Fe的全身水平和血液学指标影响不大，部分原因是去铁酮能够将螯合的金属传递至载铁蛋白；去铁酮能清除不稳定的Fe，限制了ROS的产生；在人神经母细胞瘤儿茶酚胺能细胞系中，去铁酮显示出对神经毒素的神经保护作用，而在小鼠PD模型中，去铁酮减弱了黑质致密部中的多巴胺能神经元损失并增加了DA含量。

3 肌萎缩侧索硬化症与金属离子

肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一种致死性运动神经元疾病，表现为脊髓或延髓水平上、下运动神经元进行性缺失[26]。肢体发作伴手臂和腿部运动能力丧失；延髓发作伴支配面部和咽喉肌肉的运动神经元丧失，导致咀嚼、吞咽或说话困难，在这两种情况下，疾病的进展性质均扩散至所有运动神经元群，这两种类型的ALS患者最终都死于膈肌功能丧失和肋间肌神经支配导致的呼吸衰竭[27]。

3.1 Fe在ALS中的神经毒性机制 在ALS中，检测到细胞器隔室内的神经元存在氧化损伤，并且在体液中存在氧化应激生物标记物，这种变化大部分是由于ALS中铁代谢的破坏[28]。研究[29]表明，ALS患者运动皮层中的Fe蓄积异常，并且在脑脊液中检测到不适当的Fe配体升高，它们具有自由的铁配位位点，从而增加了铁的溶解度并促进了铁的氧化还原循环和ROS的产生；此外，ALS中发生的慢性神经发炎可能会导致Fe进一步累积，炎症会改变Fe调节激素和铁蛋白的表达，进而降低Fe外排蛋白的表达，从而导致Fe积累[30]。

3.2 Cu在ALS中的神经毒性机制 SOD1通过清除活性氧在预防氧化应激中起重要作用[31]。它是一种同型二聚体，经过翻译和修饰后具有活性和高度稳定性，包括与锌和铜的配位，二硫键的形成和二聚化。相反，脱辅基超氧化物歧化酶不稳定并且易于聚集，由于过氧亚硝酸盐的产生和氧化损伤，脱辅基超氧化物歧化酶对运动神经元有毒，与ALS相关的SOD1突变会增加蛋白质的错误折叠和聚集，并改变与Zn和Cu的配位[32]。在ALS小鼠模型中，铜稳态受到了干扰，携带SOD1突变基因的小鼠模型脊髓中的铜水平升高；在过度表达人类突变型铜-锌超氧化物岐化酶的转基因小鼠模型中，铜的积累先于临床症状的出现，表明高铜是可能是ALS的一种病理表现；SOD1转基因小鼠在脊髓组织中显示Cu转运蛋白1水平增加，铜外排蛋白减少；此外，脊髓中还存在高水平的对铜具有高亲和力的金属硫蛋白[33]。

3.3 金属离子与ALS治疗前景 铜络合物是一种中性、亲脂性和热力学稳定的复合物，研究[34]表明，给携带SOD1突变基因的小鼠模型口服铜络合物可改善临床症状和延长生存期，其作用机制可能涉及通过介导体内Cu向SOD1的转移来减少SOD1对Cu的缺乏。因此，铜络合物可能与一系列神经退行性疾病的治疗相关联，具体而言，铜络合物可减少运动神经元的死亡，降低氧化修饰蛋白的水平(包括蛋白硝化和羰基化)。此外，铜络合物通过清除过氧亚硝酸盐而起到抗氧化剂的作用，过氧亚硝酸盐是一种剧毒的ROS，可以使包括SOD2在内的细胞蛋白质失活，以及诱导运动神经元凋亡[35]。总体而言，铜络合物能够延长存活时间并减缓运动障碍的进展。

4 总结与展望

必需金属，如Zn、Cu和Fe可能在神经退行性疾病的病理生理学中发挥关键作用。这些金属以不同的水平积累在不同的大脑区域，因此，很难分离出它们的特异性毒性。维持这些金属的动态平衡是至关重要的，因为任何实质性的变化都可能导致神经毒性结果。阐明金属改变氧化还原平衡的具体机制，可能有助于推动必需金属和重金属在疾病治疗方面的进展，并可能为预防AD、PD和ALS以及治疗受这些疾病影响的患者提供可能的新靶标。