胆固醇与淀粉样蛋白代谢关系的研究进展

李成刚，晏 勇

阿尔茨海默病(AD)是引起老年痴呆的最常见的一种神经元变性疾病，其临床核心症状是逐渐发生的记忆力下降，语言、视空间功能障碍，患者可出现感觉、运动系统功能障碍。AD患者的平均生存期约为10年，但本病进展速度是可变的。随着人们预期寿命的逐步提高，特别是在工业化国家，AD已成为很严重的健康问题。1994年，Sparks 等[1]报道，摄入高胆固醇饮食会增加兔脑组织中β-淀粉样蛋白(Aβ)的沉积；经过20余年的研究发现，胆固醇与AD的发病机制之间有着重要联系。神经元膜胆固醇水平的改变和(或)胆固醇在亚细胞结构中的分布被认为与Aβ的形成、异常聚集、神经毒性以及降解有着潜在关联。本文就以上内容做一综述。

1 胆固醇与Aβ的产生

1.1 细胞水平的研究 Bodovitz等[2]和Frears等[3]采用原代神经细胞以及周围细胞进行研究，发现提高胞内胆固醇水平会明显增加Aβ的产生，减少α分泌酶裂解淀粉样前体蛋白(APP)的量。研究发现，当采用甲基-β-环糊精脱去细胞膜的胆固醇或使用羟甲基戊二酰单酰辅酶A还原酶抑制剂(HMGCRI)处理细胞后，α分泌酶的功能增强了且Aβ的产生减少了[4-6]。因此，有理由相信细胞胆固醇水平与APP的代谢有着重要关联。已经明确的APP代谢关键酶有3个，分别是α分泌酶、β分泌酶以及γ分泌酶；APP代谢有两个路径，即α路径和β路径。目前研究认为，α分泌酶主要存在于含胆固醇较低的非脂筏域(nonraft domains)，而β分泌酶以及γ分泌酶主要存在于含胆固醇丰富的脂筏域中。那么细胞膜中以及胞内胆固醇的改变是如何引起APP代谢发生改变的呢？一种较合理的解释是，膜脂质成分发生改变后影响了APP在细胞膜中的定位，同时不同程度地影响了与APP代谢相关的剪切酶，从而引起APP的剪切发生改变，最终影响Aβ的产生。在海马神经元体外培养研究中发现，当细胞膜的胆固醇减少25%以内时会促进β内分泌酶裂解APP，从而增加Aβ的生成；当细胞膜的胆固醇减少大于35%时，会引起Aβ生成减少。因此，有理由认为胆固醇减少的程度在Aβ的产生中可能具有重要作用。Abad-Rodriguez等[7]指出细胞膜胆固醇水平的轻微降低可以激发β位点剪切酶(BACE1)从脂筏移位，促进其与APP在非脂筏域中靠近，从而增加APP裂解为Aβ的可能。Marquer等[8]研究发现，局部胆固醇超载时不会直接影响Base1的催化活性，却能够激发APP-Base1在脂筏聚集，从而使得Base1更容易与APP的β位点结合，最终引起Aβ产生增加。表明膜脂质成分发生改变后影响了APP在细胞膜中的定位，同时会不同程度地影响与APP代谢相关的剪切酶特别是Base1，从而引起APP的剪切发生改变。

胆固醇除了影响膜脂的组成、物质转运外，其在亚细胞结构中的分布还可能会影响APP的水解。Davis等[9]通过对胆固醇抑制剂U18666A进行研究发现，U18666A可减少Aβ的产生，且存在剂量依赖效应。另外有研究发现，游离胆固醇在胆固醇酰基转移酶-乙酰辅酶A(ACAT)作用下衍化生成的胆固醇酯可以调节Aβ的产生，当使用ACAT抑制剂CI-1011，或采用基因、药物等手段抑制ACAT的功能后都可以降低Aβ的产生，而在提高胆固醇酯水平后可以提高Aβ的产生[10]，提示ACAT可以通过调节细胞游离胆固醇与总胆固醇的比例而间接调节APP的代谢以及Aβ的产生。Huttunen等[11]认为ACAT抑制剂可以引起APP在早期分泌路径中成熟延迟，从而限制APP被内切酶剪切；细胞膜的另一重要组成部分磷脂也具有调节APP代谢的功能。Beel等[12]认为胆固醇可以直接与APP的α剪切位点结合而抑制α分泌酶的活性，间接提高Aβ的产生。

总之，通过细胞培养发现，改变膜胆固醇水平或其亚细胞分布均会影响APP的代谢，这其中涉及相关酶活性的调节以及APP在细胞内的重新分布、APP裂解酶等方面。

1.2 动物实验研究 Lu等[13]和Refolo等[14]研究发现，高胆固醇饮食会加重Aβ的产生以及沉积，使用降低胆固醇的药物如他汀类药物可以减少Aβ的产生，他汀类药物可能成为阻止神经元变性疾病进展的措施。但Cibickova等[15]认为他汀类药物可以降低血浆胆固醇水平而对大脑的总胆固醇水平无影响，且高胆固醇饮食以及他汀类药物不会影响Aβ水平；部分研究甚至认为饮食所致高胆固醇血症可以降低脑Aβ水平。

在动物实验中，关于改变血浆胆固醇水平对Aβ产生的影响尚存争议，这可能与研究所用鼠的性别、鼠龄、基因型及转基因鼠的使用等有关；或许更重要的是血-脑脊液屏障(BBB)的作用，因为周围血中胆固醇水平对脑组织中胆固醇水平的影响甚微或根本就没有影响。因为大部分研究只谈到了饮食中胆固醇水平对Aβ产生的影响而没有客观地评估脑内胆固醇水平变化，所以就无法确定是因为脑内胆固醇水平变化还是由于周围血中胆固醇水平的升高通过某种机制间接引起脑内APP代谢的改变。

1.3 人体内研究 尼曼-匹克病C型(NPC)是以胆固醇、鞘糖脂等脂质在细胞内涵体和溶酶体积累为特点的常染色体遗传性疾病。脂质积累将诱使中枢神经系统逐步退化。NPC显示了一些与AD相似的耐人寻味的病理表现。Mattsson等[16]研究发现，尼曼-匹克病患者的脑脊液中Aβ(38)、Aβ(40)及Aβ(42)的水平升高与依赖γ剪切酶的Aβ的释放增加相一致。表明人体神经细胞脂质积累会促进依赖γ-剪切酶的Aβ的产生，支持胆固醇与Aβ的产生密切相关这一结论。

2 胆固醇与Aβ的聚集及神经毒性

除影响Aβ的产生外，细胞培养以及动物实验还发现胆固醇与Aβ的聚集以及细胞毒性相关。生理条件下，Aβ主要是以可溶性单体存在的，不会引起神经细胞功能障碍和死亡，甚至对神经系统有保护作用[17]。但病理条件下或某些刺激因素存在时，Aβ可以出现变构和自我聚集，进而形成具有较高分子量的低聚物、原纤维以及纤维。目前研究认为，Aβ低聚物有明显神经毒性作用，对AD的病理改变影响最大。虽然目前引起Aβ不正常聚集的具体作用机制还不太清楚，但有实验证据表明含胆固醇丰富的脂筏是导致Aβ聚集的主要原因[18]。既往研究发现，从AD患者的脑组织分离的Aβ低聚物与脂筏微域之间存在联系，且这种联系是与胆固醇水平相关的，胆固醇耗竭可引起Aβ聚集减少。Hashimoto等[19]研究发现，与胆固醇代谢密切相关的载脂蛋白E(APOE)会促进Aβ单体形成低聚物，且APOE-ε4/ε4型AD患者的脑组织Aβ低聚物水平是APOE-ε3/ε3型AD患者的2.7倍。Rushworth等[18]研究认为，胆固醇可以通过修饰脂筏的其他组件如神经节苷脂(ganglioside：GM1)而促进Aβ的聚集；GM1还可在结合Aβ的同时促进其在脂筏微域中聚集[20]。Okada等[21]认为神经节苷脂中的唾液酸可以诱导Aβ从α螺旋变为β折叠，导致GM1-Aβ复合物的产生并成为形成Aβ低聚物和Aβ纤维的种子。Yahi等[22]采用膜重建技术发现胆固醇可以通过调节鞘糖脂的构象而促进或阻止Aβ与脂筏结合。表明Aβ与神经元脂筏域的结合以及Aβ的聚集可能是由多因素介导的。部分研究认为降低细胞胆固醇水平可以减少Aβ的神经毒性，而提高细胞胆固醇水平可以增加Aβ的神经毒性，但有研究却得出完全不同的结论。

总之，胆固醇与Aβ神经毒性之间有着复杂的关系，细胞膜胆固醇水平的微小改变或其在亚细胞结构中的分布改变均会影响Aβ的神经毒性，这可能与Aβ的产生、聚集、降解有关，而细胞胆固醇水平的波动会改变脂筏的物理学特性，进而可调节其与Aβ的结合以及细胞的生存能力。

3 胆固醇与Aβ的降解及在体内的清除

3.1 Aβ的降解 胆固醇在Aβ的降解及体内的清除中具有关键作用，主要是通过调节与Aβ清除相关酶的水平或酶活性而实现的。脑组织中存在多种Aβ相关蛋白水解酶，如胰岛素降解酶(IDE)、中性溶酶、内皮素转化酶、纤溶酶等，Pacheco-Quinto等[23]认为内皮素转化酶是Aβ的主要清除酶，其功能发生改变是胞内Aβ沉积的重要原因[24]。IDE是一种主要表达于神经元的锌金属肽链内断酶，在神经胶质细胞也有明显表达，对胞外的Aβ降解具有重要作用；IDE的部分亚基存在于脂筏微域中，细胞膜胆固醇水平的改变可直接影响IDE的功能，导致Aβ降解减少[25]。中性溶酶对细胞内外以及表面的Aβ均具有降解作用。纤溶酶是一种丝氨酸蛋白酶，是脂筏常驻蛋白，是纤溶酶原在组织型或尿型纤溶酶原激活物的作用下而产生的，AD患者中纤溶酶水平显著降低。但Martorana等[26]通过对照试验检测脑脊液中纤溶酶系统，发现AD患者脑脊液中组织型纤溶酶原激活物、纤溶酶原、纤溶酶原激活物抑制剂-1水平与对照组间无明显差异，而活体脑脊液中纤溶酶水平不能反映死后病理学改变，因此，脑脊液中纤溶酶不能成为AD的可靠标志物。

3.2 Aβ在体内的清除 APOE可以通过减少细胞膜胆固醇水平而激发Aβ快速向溶酶体转运，促进胞内Aβ的清除；通过细胞培养发现，APOE可能参与Aβ的清除。Lee等[27]研究发现，APOE与Aβ的结合可以减轻Aβ的神经毒性，APOE等位基因中介导Aβ结合以及清除的是APOE-ε2以及APOE-ε3而非APOE-ε4，这个过程必须要有低密度脂蛋白受体相关蛋白-1(LRP-1)的参与，提示LRP介导了Aβ的吸收以及降解。Deane等[28]研究发现，APOE-ε2及APOE-ε3与Aβ的亲和力较APOE-ε4高，在极低密度脂蛋白受体(VLDLR)以及LRP-1的介导下Aβ-APOE-ε2和Aβ-APOE-ε3较Aβ-APOE-ε4复合物在BBB中清除的速度更快。因此，APOE/Aβ复合物的形成会促进Aβ的清除，但这个过程是由LRP-1/VLDLR等介导的，因APOE-ε4与Aβ的亲和力差故不利于该复合物的形成，进而导致Aβ清除减少并最终引起Aβ的沉积以及老年斑的形成。人体内Aβ可以在形成APOE/Aβ复合物后通过与位于BBB中的低密度脂蛋白受体相关蛋白-2(LRP-2)结合而进入脑内，但是脑内的Aβ主要是顺浓度梯度跨越BBB，然后被转运到肝脏降解，这也是体内Aβ清除的主要途径。Aβ跨越BBB需要LRP-1/VLDLR/APOE/P-糖蛋白等参与。简言之，与胆固醇代谢和Aβ降解有关的酶有多种，影响Aβ清除的通路有多条，因此，很难准确评估某一Aβ降解酶或某一通路的效力。

4 他汀类药物与AD

既然细胞膜胆固醇及其在亚细胞的分布会影响Aβ的产生，那么通过改变胆固醇的代谢从而降低Aβ的水平是否会成为治疗AD的策略？大量流行病学数据提示，AD与他汀类药物存在明显的负相关性。已有临床试验证实他汀类药物可以降低24-S-羟基胆固醇水平及Aβ的水平。通过细胞培养发现，他汀类药物可以减少Aβ的产生，进而减少Aβ低聚物形成，降低Aβ的神经毒性。转基因鼠动物实验进一步证明他汀类药物在高表达Aβ的转基因小鼠模型中可以减轻Aβ斑形成，但也有研究认为他汀类药物对AD无益[29]。之所以会出现分歧，可能有以下几方面的原因：(1)样本人群的年龄段不同；(2)他汀类药物使用剂量及患者耐受性不同；(3)某些前瞻性研究本身存在的限制，如他汀类药物使用时间太短、缺乏痴呆的客观分类、不可控制的血管因素、患者使用他汀类药物的依从性等。他汀类药物通过BBB的效率是不一样的，但目前研究认为各种类型的他汀类药物可能对AD发生风险以及脑胆固醇产生了相似的影响，提示他汀类药物可能通过外周作用间接产生中枢效应。有研究表明，他汀类药物可以通过抑制异戊二烯产生、抗氧化、抗凋亡、抗炎等途径产生效力，且可能对AD有效，但仍需要大量临床研究及动物实验进一步证实。

5 小结

胆固醇与APP及Aβ密切相关，改变细胞膜胆固醇水平或其亚细胞分布均会影响APP的代谢、Aβ的产生、Aβ的聚集及Aβ的神经毒性。与胆固醇代谢和Aβ清除均相关的蛋白或受体有很多种，但胆固醇在细胞以及亚细胞的分布是如何影响AD发病的，目前还没有完整的解释，这也许就是临床上常规使用他汀类药物可以降低胆固醇水平却没有达到改善AD的预期的理想效果的主要原因。胆固醇是大脑保持理想功能的关键物质，受到复杂的调控，有研究指出Aβ可以反过来调节胆固醇的代谢[30-31]。Aβ与胆固醇之间可能存在某种循环，这种循环受严密调控，当胆固醇稳态失控或Aβ水平增高时都可能打破这一循环而导致AD。因此，还需要更多的研究以阐明胆固醇与Aβ的关系以及二者在AD发病机制中的作用，最终为AD的治疗以及预防提供科学依据。

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