倪嘉缵,陈 平,刘 琼,郑易之,何晓阳,宋国丽,应 明,续 旭
深圳大学生命科学学院,深圳市海洋生物资源与生态环境重点实验室,深圳市微生物基因工程重点实验室,深圳518060
1901年11月25日,一位51岁的老妇人Suguste D带着认知能力受阻的表情走进了阿罗伊斯-阿尔茨海默医生的诊室,医生详细记录了她的病史,主要表现为认知、记忆及理解能力下降,并对患者随访了4年.1906年该患者去世后,阿尔茨海默医生获得了她的脑切片,并用尼氏染色法对该样本进行了详细观察,发现有小米粒的病灶及较深染色的神经纤维,即以后被称为 β-淀粉样(β-amyloid,Aβ)斑块及神经纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFT)的两种主要病变.同年阿尔茨海默在图宾根报告了他的重要发现,遗憾的是该报告并未受到重视.1907年他发表了著名论文《大脑皮层特异性疾病研究》,然而这一超前发现几乎被忽视了近半个世纪.后来Kraepelin教授为了纪念发现者,提出将该病命名为阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD).中国在1995年审定的《神经医学名词表》中亦正式定名该病为阿尔茨海默病,通俗常称“老年痴呆”症.有人认为“痴呆”会对患者造成很大的心理压力,也会引起社会歧视,因此建议更名,港台地区常称“失智症”或“认知症”.本文采用其学术名称“阿尔茨海默病”.
20世纪中叶以来,随老年人口的快速增加及AD发病率的增高,AD防治已成为全球关注热点.据2010年失智症报告数据显示,全球约有3 560万AD患者,且以每20年增加1倍的速度增加,至2030年将达6 500万人,而多发于发展中国家[1].目前发展中国家AD患者占全球AD患者的56%,预计2050年将增至71%.该病耗费的社会成本超过世界GDP的1%(约6 040亿美元).2010年英国用于AD患者的费用约380亿美元,是用于癌症患者的2倍.
中国是世界上老年人口基数及AD患者基数最大的国家,也是老龄化速度最快的国家.据美国有关统计表明,各国65岁以上人口比例从7%上升到14%需要的时间是:法国85年,美国66年,英国45年,中国只需25年[2].联合国预测,2028-2038年为我国老年人口急速增加阶段,届时65岁以上人口将超过3亿,年均增1 000万,而AD发病率则随年龄增大急增.
尽管AD发病率与年龄的关系因评估方法及人群数目不同而异,但总趋势是随年龄增大发病率增高.如我国对一组60岁以上人群的调查发现,60~64岁发病率为1.40%,65~69 岁为1.89%,70~74岁为 3.12%,75~79岁为 5.95%,80~84岁为9.82%,85 ~89 岁为16.62%,90 ~94 岁为37.90%.
有报告预测2030年全球AD患者分布为:美洲1.48亿、欧洲 1.40亿、亚洲 2.75亿、非洲 0.39亿,其中亚洲居首位,这缘于中国、印度等亚洲国家人口基数大,且经济迅速发展,人民生活水平和医疗条件不断改善,人口平均年龄快速提高,AD患者人数也必然迅速增加.
目前发展中国家用于AD患者的费用远小于发达国家,许多高龄的AD患者仅被视为衰老,其医疗及照顾大部份由家庭担负.我国从1979年开始实行独生子女计划生育政策后,独生子女的父母现已步入老年,但他们却无法依靠家庭及子女的力量照顾老龄AD患者.因此社会及医疗机构必须提前做好承担照顾患AD老年群体的准备[3-4].
世界各国对AD的防治已提上日程,如美国1990年制定了“脑的10年计划”,在各州成立了AD协会,最近又出台了国家级AD研究计划(National Plan to Address Alzheimer's Disease).我国于1998-1999年2次召开主题为“跨世纪的脑科学——老年痴呆症致病机理与防治”和“脑科学与智能开发”的香山会议,并将AD研究列入国家“863”和“973”项目.近年关于AD研究论文迅速增加,据Web of Science数据库检索,2002-2012年有关AD的文献多达166 046篇,其中有关治疗的53 431篇,预防的10 178篇,临床的39 170篇.
据陈传锋等[4]介绍,中国有关AD的研究文献有13 037篇,涉及流行病学调查的占1.68%,风险因素的占37.4%,临床表现与诊断的占9.8%,治疗与干预的占40.2%,其他方面的占10.9%.
AD的病理特征很多,其中,Aβ在神经细胞外聚集沉淀形成老年斑(senile plaque,SP),以及tau蛋白过度磷酸化造成微管损伤和NFT是AD两个重要病理特征,其他还有沟回增宽、脑萎缩、神经元大量丢失和胶质增生、新皮质的神经元密度下降、颞叶的神经元丢失严重和炎症等.
AD患者的海马角锥体细胞与同龄相比下降近51%,突触丢失,因而严重影响神经元之间的信号传递,在大脑皮质部分出现斑块及神经元中发生颗粒空泡变性.AD患者的乙酰胆碱转移酶含量比正常人下降近80%,神经递质乙酰胆碱显著减少,金属硫蛋白失调,金属离子动态平衡紊乱等,这些诱因产生的氧化应激是神经细胞毒性和AD形成的关键.此外,AD发病因素还与某些信号传导分子,如胞内Ca2+水平升高,及蛋白激酶和磷酸酯酶平衡失控等相关.
AD病因及分子机制十分复杂[5-7],至今尚不很明确,在此仅作简要评述.
AD机制与衰老过程密切相关.病因学说有十多种,如胆碱能学说、Aβ级联学说、氧化应激学说、神经细胞凋亡学说、谷氨酸能假说、免疫与炎症学说、基因遗传学说、有毒金属离子学说、钙代谢紊乱学说以及雌激素缺陷等.李文彬等[6]提出AD发病机制ABC学说,即A为脑衰老(aging),B为 Aβ(beta-amyloid),C为神经递质通道(channel).我们认为AD是一种多因素引起的病变,发病机制也必然有多种,其中Aβ级联学说、tau蛋白过度磷酸化、衰老与氧化应激、神经递质通道等学说占主要地位.
脑衰老的原因源于自由基衰老学说,正常机体中活性氧物种(reactive oxygen species,ROS)处于内稳态,如产生过量的ROS或体内ROS的清除体系减弱,使机体处于氧化应激状态,就会引发一系列后续事件.该过程对脑衰老尤为重要,因脑的耗氧量占人体总耗氧量的20%~30%,而重量仅占体重的2%~3%,脑中易氧化的不饱和脂类含量高,ROS清除能力弱,所以脑组织更易受到ROS的攻击.衰老、缺血、感染、炎症、氧化应激及基因突变等多种因素都可促使Aβ的产生和聚集,而Aβ产生后又会诱发氧化应激,促进自由基的形成,损伤神经元,导致胞内ROS升高,引起膜脂质损伤;也可作用于细胞离子通道,引起胞内Ca2+浓度升高;还可诱导神经元凋亡,激活caspase,促进Aβ前体蛋白APP裂解释放Aβ,引起线粒体损伤、线粒体DNA突变等,这些反应又会通过多种途径加强Aβ的神经毒性,引发AD神经病理改变.经以上连锁反应,AD患者脑内产生大量Aβ,并聚集沉积形成老年斑.Aβ是最早被确定形成老年斑的主因,其产生的源头为淀粉样前体蛋白APP,该蛋白经3种酶即α、β和γ分泌酶(secretase)切割后形成Aβ1-40及Aβ1-42肽段,因后者更容易形成沉淀,而对细胞有毒性.随后的研究认为:Aβ1-42聚集形成的纤维是斑块的主要成分并具有神经细胞毒性[8],但这种认识也受到质疑.目前比较公认的是:Aβ寡聚体是主要的致病因子.有趣的是,最近有报道证明Aβ寡聚体能在神经元之间迅速传播[9],也有否定 Aβ 是AD 的主要病因的报道[10],认为Aβ这类蛋白是机体为保护自身而合成的,它能作为分子伴侣起消炎等作用,只有当产生错误折叠后才会形成纤维以清除错误折叠的蛋白.综上所述,有关Aβ从单体到寡聚体及形成纤维的过程,其机理及毒性尚需深入探讨.遗憾的是,以Aβ作为靶分子的新药研究几乎都以失败告终.这从另一侧面说明AD的成因不能只用单一因素加以阐明,针对单靶点开发的药物也难以对治疗AD有效.
AD患者脑内除了有Aβ聚集沉淀形成的SP外,还有在神经元内形成的NFT.NFT是AD另一个重要病理特征,其主要成分是起稳定微管作用的tau蛋白.由于蛋白激酶和磷酸酯酶的失衡而导致tau蛋白的过度磷酸化,破坏了微管的稳定性,从而使神经元微管结构被破坏.tau蛋白的磷酸化受cAMP依赖性蛋白激酶A(protein kinase A,PKA,又称激酶 A)、酪蛋白激酶 -1(casein kinase-1,CK-1)和糖原合成酶激酶-3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)等多种蛋白激酶的调控.现已发现,tau中能发生异常磷酸化的位点有21个,其中AD患者具有的异常磷酸化位点包括:Ser-198、Ser-199、 Ser-202、 Thr-205、 Thr-231、 Ser-235、 Ser-262、Ser-400和Ser-404,但各磷酸化位点与其在稳定微管中的作用机制,目前尚不十分清楚.
文献[2]论述了神经递质受体与AD的关系,如激活毒蕈碱型受体1(muscarinic receptor 1,M1受体)提高可溶性淀粉样蛋白(soluble amyloid precursor protein,sAPP)的释放,M受体激动剂能调控GSK-3和PKC等,从而减轻tau蛋白的磷酸化程度.烟碱型受体(nicotine receptor,N受体)如烟碱乙酰胆碱受体 α7亚基(α7 nAChR)上具有与Aβ直接结合的位点,Aβ作用于这些位点引起相关信号转导和产生级联反应.N受体还参与了APP的加工过程.文献[6]详细研究了这一系列受体与AD的关系,有助于阐明AD的病因,且能从中优选药物研制的新靶点.
因遗传因素发病的AD患者称为家族遗传性AD(familial Alzheimer's disease,FAD),相关基因有APP、早老素(presenilin,PS,有PS1和PS2两种亚型)和载脂蛋白E(ApoE),其中APP、PS1和PS2基因常见于FAD,仅覆盖少于2%的AD患者,约71%的FAD家族具有PS1和APP基因的常染色体显性突变,这两种基因突变常见于60岁以前发病的AD患者.ApoE基因则是唯一散发性AD(sporadic Alzheimer's disease,SAD)相关的基因.
在SAD患者中未发现APP基因突变,而在FAD患者中已发现25种APP突变[11],其中几种突变发生在靠近APP基因的Aβ编码区及其周围,即APP基因的第16和17外显子中,如在FAD患者的APP外显子17中,第2 149碱基位点的突变可使Aβ1-40或Aβ1-42明显增加,抑制α分泌酶活性而提供有利于β和γ分泌酶的底物,导致Aβ过度产生并促进斑块形成.一项对1 795名冰岛人全基因组数据筛查发现:APP基因673位的碱基由A突变为T可大大降低患AD的几率.在85岁以上人群中,没有携带这种突变基因的老人患AD的概率是携带者的7.5倍.由于该突变干扰了β分泌酶的切割能力,进而使Aβ的形成减少了40%[12].
在AD病变过程中,PS参与了细胞内Ca2+信号通路的调控,还能通过调节γ分泌酶的活性而裂解APP,并产生具有神经毒性的Aβ,以及通过Notch和Wnt信号转导途径促进tau蛋白的异常磷酸化,从而在SP和NFT形成过程中起着重要致病作用.在FAD家系中,PS1基因的错义突变约占FAD中所有基因突变的80%,能够导致外来信号刺激下星形胶质细胞内Ca2+的存储及释放发生异常,从而促进FAD患者的神经炎性病变.但PS2基因的错义突变则比较少见,在FAD中仅发现了PS2基因的N141I和M239V 两个突变位点[7].
ApoE在脑内主要由星形胶质细胞和小胶质细胞分泌,可将胆固醇从星形细胞运输到神经元.ApoE位于19q13.32,该位点有3个等位基因(ε2、ε3和ε4).ApoEε4的基因突变体是目前已知最具危险性的晚发型AD的遗传性因素之一,40%~60%的AD患者是该基因变异型的携带者,说明ApoEε4基因与AD的发病密切相关,它可能增加了患者对AD的易感性,从而增加发生AD的危险性,降低了患者发病年龄,使发病年龄提前10~15年.然而ApoEε4基因增加AD易感性的确切机制目前还不清楚[13].相反ApoEε2则具有保护功能.
2009年,Harold和Lambert两个课题组分别完成的两项与AD相关的全基因组关联性研究(Genome Wide Association Studies,GWAS)结果在《Nature》和《Genetics》上同时发表.Harold对1.6万名受试者(5 900例AD患者,余为对照)进行了为期2年的研究,结果显示:凝集素(clusterin,CLU,又称载脂蛋白J,ApoJ)和磷脂酰肌醇结合网格蛋白装配蛋白(phosphatidylinositol binding clathrin assembly protein,PICALM)基因与晚发型AD相关,对AD发生风险起直接作用[14].CLU基因并非少数人才有,只是不同人种所含CLU在具体位点的核苷酸多态性存在差异性,患AD的风险与不同位点单核苷酸多态性相关.CLU主要存在2种等位基因:C等位基因和T等位基因,白人携带C等位基因的比例高达88%.对白种人AD患者的研究发现,CLU的C等位基因携带者患晚发型AD的几率较T等位基因携带者高1.16倍,但具体作用机制尚不清楚.另有报道:CLU基因损害覆盖在大脑神经元外侧起保护作用的髓鞘质,使其功能减弱,但青少年时期并不会出现认知能力减退,因为大脑能自动修补,随着年龄增长,自动修补能力减弱,认知能力就会渐减,最终导致AD在晚年发作[15].该报道中的CLU基因是哪种等位基因,文章未提及.与此相反,有报道认为CLU是一种与AD相关的多功能蛋白,可作为分子伴侣与淀粉纤维结合,抑制蛋白聚集,从而保护细胞.CLU在脂质运输中的作用与ApoE类似,可与脂蛋白受体结合参与脑中Aβ裂解.此外,CLU作为补体活化反应抑制剂,可抑制炎症反应与补体活化反应下游区蛋白的聚集[16].但该报道未提及CLU是哪种等位基因.也有报道指出:CLU蛋白在体内的表达量决定了CLU的不同生物功能.因此,对于CLU在AD形成和发展中出现的两面性问题,应从其等位基因类型和蛋白表达量高低等因素综合分析得出结论.
PICALM分布在突触结构前后,参与了网格蛋白介导的细胞内吞作用,在神经递质的传递方面发挥重要作用.约9%的AD患者存在PICALM基因突变.在患者的大脑中发现突触数量减少,生化分析显示突触密度的降低对患者认知功能的影响大于Aβ斑块和NFT的作用.PICALM参与受体介导的胞吞作用(receptor-mediated endocytosis,RME),RME与含有ApoE及CLU的脂蛋白颗粒介导的脂质内摄及运输有关,是突触小泡再循环的重要部分.AD中RME异常可能导致脑内及通过血脑屏障的Aβ 运输及清除减少[17].
除CLU和PICALM 之外,Harold等[14]也提到桥连整合蛋白 1(bridging integrator protein-1,BIN1)及失效蛋白1(disabled 1,DAB1)与AD密切相关,它们均能影响AD脑中NFT等主要病理特征的形成.BIN1同PICALM一样参与RME过程,通过形成管状膜结构,使微管细胞骨架与细胞膜相连.而DAB1则主要通过参与酪氨酸磷酸化及神经元中微管的功能发挥作用.
Lambert等[18]对6 000例AD患者和8 600多例对照进行研究,分析这些患者的基因图谱,还发现一种名为补体成分 [3b/4b]受体1(complement receptor 1,CR1)的基因也与AD有关.这种蛋白是人体抗感染天然免疫系统中一个重要的组成因子,许多自身免疫性和感染性疾病与该基因的多态性有关,它与Aβ的清除过程也有关系.CR1可能参与了AD发病过程中重要的、可由CLU抑制的补体级联反应.不过CLU突变基因和CR1突变基因对整体患病风险的提升作用却并不明显,大约只有15%,即这两个基因的作用比ApoE基因要小得多.最近的研究又发现CR1可通过与ApoEε4的相互作用加剧AD神经病理学特征的产生[19].研究人员指出,该次发现的3个基因广泛存在于人群中,10%的AD病例可能与CLU基因有关,9%与PICALM有关,4%与CR1有关.找到阻止这些基因发生不良变异的方法,也可能成为研究治疗药物的靶点.
另一与AD密切相关的基因是分拣蛋白相关受体(sortilin-related receptor 1,SORL1),它是一种可与脂蛋白结合、调节其胞吞作用、表达于中枢及外周神经系统中的膜蛋白受体,参与APP在细胞器间的运输,并与膜内颗粒及高尔基体外侧网络的APP相互作用,使APP再分布于高尔基体,减少其Aβ形成过程.早在2007年 Rogaeva等[20]就已在SORL1基因中发现了几个与AD相关的SNP位点,虽有人对该结果表示怀疑,但在2011年发表的一项GWAS研究[21]中,该结果得到了肯定.功能实验同样给Mayeux等人提供了证据,在SORL1蛋白表达量低的人脑内,Aβ的含量比较高[22].
最近,由美国44所大学和研究机构共同完成的一项研究,从大量人群调查中,发现了与AD相关的4个新基因:MS4A、CD2AP、CD33和EPHA1[23].英国等地的学者也发表了相似的研究结果,发 现 ABCA7、MS4A6A/MS4A4E、EPHA1、CD33和CD2AP与AD密切相关[24].遗憾的是这些研究都只提示基因对疾病的易感性,并未解释其生物学机制.有趣的是,这些基因都与胆固醇代谢和炎症有关.可以设想,应激和炎症产生皮质醇和胆固醇的衍生物,引发了Aβ蛋白质的错误折叠.使细胞的质量控制机制超负荷运转,血液里不溶性蛋白质不断增加.这些不溶性蛋白质聚集在一起,进而引起血液中血小板的聚集及形成缠结,阻碍了细胞周围重要物质的运输,导致细胞死亡.这说明预防炎症、增强蛋白质重新折叠、改善蛋白质的溶解性、促进血液里血小板的清除,均有利于AD防治.
还有报道认为胆固醇-25-羟化酶、低密度脂蛋白受体、巨噬细胞移动抑制因子、α2-巨球蛋白、白介素1、HLA A2和α1-抗糜蛋白酶A等基因与AD有关,但尚缺乏基因组数据分析及相关生物学实验验证.
随着GWAS(genome-wide association study)的发展,人们已有可能通过大规模群体DNA样本进行全基因组高密度遗传标记分型,寻找与AD相关的遗传突变信息,发现AD易感位点.10年来开展的近20个大规模AD的GWAS研究中,成功验证了以往研究发现的发病易感基因,同时也发现了一些新的与AD发病密切相关的基因.然而,目前所采用的GWAS技术主要针对基因组内的SNP位点进行分析,该方法可确定相关位点,但不能直接确定基因本身,且在任何特定人群中,GWAS都不能方便地识别罕见的风险等位基因位点.我国也有关于SNP方面的报道,如对中国汉族107例SAD患者的Pin1基因-667和-842位点进行基因多态性分析,但在-667和-842位点SAD组与对照组基因型频率及等位基因频率差异均无统计学意义.尽管GWAS为全面系统研究复杂疾病的遗传因素提供了一种新方法,但它仍有一定的局限性,需进一步完善.另外,随着基因测序技术的飞速发展,有人提出对外显子组进行测序、寻找与AD有关的突变.我们相信随着基因组测序工作的完善,及基于序列变异-SNP单体型图谱的构建和高通量基因分析技术的迅猛发展,加之表观遗传图谱、蛋白表达谱和生理学等学科的综合推进,更精确地获得与AD相关的基因信息将成为可能.
据美国文献统计,若能将AD发病的时间延迟5年,10年之后AD患者可减少100万,50年后可减少400万[7].AD的主要病理变化一般在患者有明显临床症状前10年就能在脑内被观察到,但这时患者并无任何症状,一旦出现症状后,神经细胞已严重损伤,此时进行有效治疗的可能性不大.因此目前人们更关注AD的早期预报和干预,寻找延缓由轻度认知功能损害(mild cognitive impairment,MCI)发展成早期AD的诊断方法.近年有关AD的代谢影像学、影像学、生物标志物、基因检测及其他物理探测等有许多报道.代谢影像学包括正电子发射/计算机断层扫描(positron emission tomography/computed tomography,PET/CT)及磁共振波谱分析(magnetic resonance spectroscopy,MRS).影像学有CT和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI).CT对早期AD患者主要能观察皮质萎缩、脑沟增宽,但很多脑疾病及衰老均会产生类似病变.海马是AD损伤的主要部位,而CT难以准确显示海马萎缩,且对脑白质的改变亦不太敏感,所以难以作为预报早期AD的技术.MRI的图像对诊断早期AD优于CT,可清楚区分脑灰质和白质,可通过测量海马及内嗅区的结构变化诊断早期AD.以海马萎缩作为AD患者与正常老年人的区分指标,患者若无或仅有轻度T2WI脑白质高信号时,则更倾向于诊断AD.然而,MRI技术在对其图像解释及定量化方面尚存在困难,虽在评估时MRI优于CT,但对AD的早期诊断仍有一定局限性.
利用脑部的扩散张量磁共振图像(diffusion tensor magnetic resonance imaging,DT-MRI)可以反映AD患者脑部的受损.用模式识别法将脑部DTMRI图像中多个区域内的多个参数与AD患者脑内主要损伤区域相联系,AD组与正常组比较,海马结构和胼胝体膝部的表观扩散系数较正常组高,而各向异性分数比正常对照组低.该方法尚处研究阶段,今后有望对AD的评估增加一种辅助方法[25].功能MRI(fMRI)不仅能显示脑区的激活,还能直接显示激活的部位及程度,实现了功能与结构的结合.有报道MCI和AD患者在颞叶内侧激活降低.故fMRI有望成为今后AD早期诊断的工具.
质子磁共振波谱(1H-MRS)属于代谢影像学,它能无创性检测活体内神经元的特异性标志物N-乙酰-天门冬氨酸胆碱化合物(n-acetylaspartate,NAA),反映神经退行性疾病中神经元受损的指标胆碱复合物(choline,Cho),即乙酰胆碱的前体,以及反映氧化代谢水平的乳酸(Lacate,Lac).这3条谱峰已明确得到归属,并用于活体1H-MRS的解析,可用强度基本恒定的Cr峰(Creatine/posphocreatin)作为内标.上述谱峰的比值可用于评价AD的进程.然而MRS的空间分辨率低,能明确归属的代谢产物(谱峰)有限,信号易受皮下脂肪及颅骨干扰,虽已有不少AD转基因小鼠的MRS检测报道,但在临床应用上作为早期AD诊断方法尚有难度[26].
单光子发射计算机断层成像技术(single photon emission computed tomography,SPECT)中99mTc造影剂被注射后快速进入脑组织,99mTc与局部脑血流量的分布呈正比,在血流丰富的脑组织中发射单光子,通过局部脑血流(regionalcerebralbloodflow,rCBF)的测定,客观反映脑功能的改变.AD患者的双侧颞、顶叶血流灌注下降,扣带回后部rCBF降低.虽然代谢活动的降低、脑血流的改变在一定程度上反映代谢情况变化,有助于了解脑部早期病变,但由于SPECT空间分辨率较低,特异性及准确性不高,使其应用受到限制[27-28].
代谢影像学另一技术是PET/CT.以氟代脱氧葡萄糖(18F-FDG)作为造影剂,PET能反映脑组织中葡萄糖代谢水平.AD患者脑部不同区域代谢水平有显著的降低,包括颞和顶叶等,表现为双侧顶颞后区、双侧颞叶、双侧额叶和双侧扣带后回(posterior cingulate cortex,PCC)对称性葡萄糖代谢减低,双侧顶颞后区皮质局限性对称葡萄糖代谢减低明显,与顶颞叶前部可出现较明显的分界,大脑皮质放射性减低的范围随痴呆程度加重而扩大.轻度AD只有顶叶受累,中度和重度AD颞叶和额叶也受累,其中左额叶与小脑的计数比值减低程度是区别中度和重度AD的重要指标.如将顶叶、额叶、颞叶与小脑计数比值减低的范围和程度相结合,可以诊断AD,并对AD痴呆程度做出较准确的评价.11C-PIB的问世,使PET能观察到AD患者脑内的Aβ变化.乙酰六氢吡啶(MP4A)对AchE具有较高选择性,可作为PET测定活体AchE活性的理想示踪剂,用于评估脑内AchE的活性及药物乙酰胆碱酶抑制剂的疗效[29].1-{6-[(2-18F-氟乙基)-甲氨基]-2-萘基}-亚乙基丙二氰(18FFDDNP)是一种脂溶性小分子化合物,能快速通过血脑屏障,染色AD患者脑内的SP和NFT.研究表明,18F-FDDNP在AD患者脑内病变较为严重区域滞留的时间明显高于正常对照组,其在颞叶、顶叶、枕叶和额叶的滞留时间较脑桥高出10%~15%,滞留时间最长的区域是海马.但这些试剂均未用于临床PET检测.2012年礼来公司(Eli Lilly)宣布,放射性诊断剂Amyvid(Florbetapir F18)获得FDA批准,可用于AD等患者脑部Aβ斑块密度的PET成像,它能特异地与Aβ结合而呈现清晰的图像.遗憾的是,除AD外,许多其他神经系统疾病及老年人脑中也存在Aβ斑块,因此Amyvid也只能作为AD诊断评估的一种辅助手段.且这种试剂半衰期短、价格昂贵,虽经FDA批准,但要广泛应用尚为时过早[30].我们认为,随着PET/CT及 MRI技术的发展,通过进一步提高这类成像检测的灵敏度及分辨率,大幅降低其检测费用,才有可能将其在临床推广,对MCI的进展作出评估.
从各种体液、血液及尿液中寻找灵敏度高、能早期预报AD的生物标志物是人们长期为之奋斗的目标.早期曾以AD患者脑脊液中Aβ40、Aβ42、总tau(t-tau)、磷酸化tau(p-tau)和特异位点磷酸化tau(包括p-tau231、p-tau181)为生物标志物.AD患者脑脊液中Aβ42较正常水平下降43%,t-tau、p-tau及特异位点磷酸化tau均升高.tau蛋白的水平在症状出现前15年就开始上升,采用脑脊液中Aβ水平预测 AD,其灵敏度为91%、特异性为64%.有人认为Aβ42和tau的联合分析对AD的临床诊断具有更高准确度[7],脑脊液中Aβ和tau的测定已被美国AD学会和NIH纳入2011年颁布的AD早期临床诊断病理指标.然而,由于采集脑脊液是一种创伤性技术,患者在没有任何AD症状时一般不会同意抽取脑脊液.相对脑脊液样本,血液样本的采集相对容易,但血浆中Aβ40和Aβ42水平仅为脑脊液中的1%左右,浓度低、检测困难、干扰因素多、特异性差,尚难用于AD早期诊断.
文献[31-33]测定了正常人和AD患者血浆内的120种分泌型信号蛋白,发现其中18种蛋白的浓度在轻中度AD患者体内发生了显著变化,这对从血液中寻找灵敏的生物标志物提供了重要信息.
尿液样品很容易得到,故人们致力于研究尿中能预报AD的生物标志物.AD7c-NTP是在神经元中表达的神经丝蛋白(Alzheimer-associated neuronalthread protein,AD7c-NTP),该蛋白在AD患者脑组织、血液及尿液中的含量均有升高趋势,其含量与痴呆的严重程度成正比,并与胰岛素信号转导有关,AD患者尿样中AD7c-NTP的含量与病程进展有关,如有报道指出AD组与正常老年组尿液中AD7c-NTP含量分别为2.50及1.21 ng/mL,用此蛋白诊断 AD的敏感性为 92.3%、特异性为89.4%[34-35].但遗憾的是未见该方法推广应用.能研制出从血液或尿液中分离及浓缩这些特异性蛋白的技术,找到灵敏的生物标志物仍具有诱人前景.
值得注意的是,根据视网膜的感光神经细胞与脑细胞密切相关的原理,可用眼部的感光细胞损伤程度预报早期AD.也有报道指出,AD患者的扩瞳反应明显敏感于正常老年人的扩瞳反应,此方法可区别MCI及AD与正常老人,诊断AD的敏感性和特异性分别为66.0%和67.65%,诊断MCI的敏感性和特异性分别 71.43%和67.65%[36].
Hanlon等[37]提出,在耳朵上方颞骨处用647 nm的红光进行照射,使脑内引起AD病变的Aβ及NFT产生近红外区的荧光,分析这些荧光光谱可诊断AD患者.采用这种方法对22位患者测定,其中21人符合实际.以上所有物理方法预测早期AD目前尚处于试探阶段,距临床应用还有很大距离.
AD的防治药物大致可分成下列几类:目前已进入临床的一线治疗药物、AD疫苗及单克隆抗体、处于研究阶段的药物、辅助性治疗药物、中药及保健品类(也称medical food).
AD的一线治疗药物主要是改善胆碱系统功能.乙酰胆碱酯酶抑制剂(Acetycholinesterase 1,AchE1)是目前常用的药物,对早期患者有一定疗效.最早使用的药物为他克林(Tacrine),因其对肝脏损伤严重而被淘汰.目前,长效可逆非竞争性AchE抑制剂有多奈哌齐(Donepezil,商品名为安理申)、氢溴酸加兰他敏(Glantamine)、利斯的明(Rivastigmine)及石杉碱甲(Huperzine A)等.这些药物对减少早期AD患者的神经递质乙酰胆碱的分解有一定疗效,但由于中、晚期患者脑内产生的乙酰胆碱已很少,该方法对治疗AD难见疗效.
盐酸美金刚(Akatinol Memantine,商品名易倍申)是首个非AchE抑制剂类AD治疗药,它是一种非竞争性的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)受体拮抗剂.AD病理过程中神经元丢失的一个重要原因是突触间隙存在过多谷氨酸,使NMDA受体被过度激活,离子通道长时间开放,Ca2+内流增大,引起神经元死亡.盐酸美金刚可抑制大脑中兴奋性神经递质谷氨酸盐的活性,减少细胞内Ca2+超载,增强乙酰胆碱通道,其机制是通过阻断NMDA受体,发挥治疗AD的效果.该药也可与安理申联合使用,从而增加对中晚期 AD 患者疗效[7,38].
研制AD疫苗是全球关心的热点.但无论是采用主动免疫或被动免疫,首先都要确定靶分子.由于Aβ42是组成及结构比较清楚的AD病理性多肽,故被不少新药设计选作靶分子.首个AD疫苗是由爱尔兰都柏林的Elan公司开发的AN-1792,它对小鼠有一定疗效,但在人体临床试验中出现了极其悲惨的现象:受试者由于异常免疫细胞而产生炎症反应成为脑膜炎.该项大规模的临床试验终止于2002年.之后又出现过7个治疗性抗体疫苗,也进入临床试验的不同阶段,但均未获得成功.
国外许多大公司投以巨资的单抗类新药,曾被认为是人类在短期内克服AD的最后希望,遗憾的是这些新药全部失败,如辉瑞(Pfizer)公司的新药Dimebon投入7.5亿美元却未取得效果;Elan、Pfizer和强生(J&J)公司联合研制的Bapineuzumab已进入III期临床,也未见到疗效;Eli Lilly公司第2个治疗AD的新药Solanezumab宣告失败,而该公司2011年推出的第1个治疗AD的新药Semagacestat,非但对AD无缓解,反而使其恶化.
有人发现AD患者体内免疫球蛋白(intravenous immunoglobulin,IVlg)降低,于是从健康人外周血制备的IVlg为8名患者进行了半年的试验,其中6人的认知状况明显好转.然而IVlg来源困难、价格昂贵,其疗效与病情的严重程度有关,并需长期使用,因而难以推广[7].产品Gammagard由美国Baxter International有限公司研制,但遗憾的是,2013年3月该公司宣布:在III期临床试验中,该药对AD患者的治疗未获得预期疗效,因而停止研究.至此国外治疗AD的药物几乎全部失败.有人预言,上述试验的失败可能会使制药公司在没有新思路出现之前放弃这一领域新药的研发.
Aβ42聚集形成的寡聚体及纤维可直接造成细胞氧化损伤、线粒体功能障碍,因此早期受到人们广泛关注,将抑制Aβ聚集、促进Aβ解聚作为“靶标”来寻求治疗AD的药物.为筛选抑制Aβ聚集的活性物质,人们建立了多种模型和方法.体外模型如用荧光染料硫代黄素T(ThT)检测Aβ不同的聚集状态(单体/寡聚体/纤维).建立高通量筛选Aβ聚集抑制物的细胞模型已成为近年研究的热点.早期人们试图合成能阻止形成折叠,且疏水性又类似于Aβ的小肽,例如分别由11个和5个氨基酸组成的抗β折叠的小肽iAβ11及iAβ5,体外实验证明它们具有一定效果[5].最近从天然产物中寻找抗Aβ聚集的活性物质亦多有报道,如灵芝、人参、银杏、牛膝、葛根姜黄素、迷迭香酸、去甲二氢愈创木酸、白黎芦醇及其苷化合物等,均能有效抑制Aβ42寡聚体的形成.多项研究表明,儿茶素类化合物能够有效抑制淀粉样原纤维的形成,其中的没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)已被多次报道可高效抑制各种形式淀粉样原纤维的形成.最近又有研究发现了一类新型有机分子——咔唑菁类分子,它本身能产生强的荧光,并可与Aβ结合,抑制Aβ的聚集及纤维化[39].
本课题组近年利用Aβ42-EGFP融合基因转化哺乳动物细胞,在其中表达了Aβ42-EGFP融合蛋白.首次证明了来自线虫的抗脱水保护性蛋白(Aav LEA1)可直接阻止 Aβ42-EGFP融合蛋白的聚集.黄芪多糖(astragalus polysaccharides,PS5)和灵芝酸(Ganoderma acid,GDA)也可阻止 Aβ42-EGFP融合蛋白的聚集,但它们可能是通过蛋白酶体(proteasome)间接地发挥作用[40-41].尽管如此,抗Aβ聚集剂要用于临床,尚需克服许多困难,因为以Aβ作为药物筛选靶分子的思路受到质疑,Kurnellas等[10]认为Aβ除与AD有关外,它本身在细胞中还具有一定生物功能.这类药物最终能否通过血脑屏障,其生物利用度和确切疗效等目前尚缺乏足够的数据.
正在开展的其他类型新药研究还有很多,如抑制β和γ分泌酶活性的药物;用金属螯合剂如铁调素(hepcidin)等去除脑内有害金属离子和过量Fe3+、Ca2+和Zn2+的金属螯合剂.2006年我国学者提出β2-肾上腺素受体被激活后会增强γ分泌酶的活性,进而增加Aβ蛋白的产生,因而β2-肾上腺素受体有可能作为AD治疗药物的靶点.然而,所有这些研究均未见体内试验的报道,若要将其应用于临床治疗,尚有较大距离.
辅助性药物主要是针对AD产生的病因使用一些常规药物,但并不作为AD治疗的推荐用药,如抗氧化剂、维生素E、褪黑素(melatonin)、增加脑血流量的银杏制剂、减少Ca2+内流的钙通道阻滞剂(如尼莫地平)、降低血脂的他汀类药物及增加脑代谢活性的药物(如多种麦角碱类).这些单一药物并非用于AD防治,医生根据患者所处AD发病阶段某些功能的损伤严重程度进行用药.已发现这类药往往会对AD症状有改善效果[7].
7.5.1 从植物中开发防治AD的新药
从植物中开发治疗或延阻AD病理进程的药物是全球关注热点,在此介绍部分中药单方的研究.
中药有效成分单体提取物抗AD作用的研究,如中国学者从千层塔中开发出选择性AchE抑制剂石杉碱甲(hurperzin,Hup A).Ratia M 等[42]证实,石杉碱可以选择和可逆抑制中枢神经系统AChE活性,激活蛋白激酶C/丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路,激活α分泌酶以及增加GSK-3β磷酸化等,通过上述机制修复三转基因AD模型小鼠认知障碍.Yang等[43]报道Hup A可以改善APP/PS1转基因小鼠大脑皮层Aβ寡聚体引起的线粒体ATP产生下降、线粒体肿大和氧化呼吸链活性抑制,从而拓展了Hup A干预AD的作用靶标.而由Hup A衍生物研发出的效果更强的抗AD新药NT-1,其I和II期临床实验正在进行[44].
姜黄素是姜黄根茎的提取物,也是食用咖喱的主要成分,具有抗炎、抗氧化和抗蛋白质聚集等活性[45].近年姜黄素被用于AD干预.流行病学调查指出食用咖喱的印度人群其AD发病率低于美国人30% ~40%[46].印度一项研究调查了1 010例60~90岁人群食用咖喱与认知水平之间的关系,发现经常食用咖喱(>1次/月)的人,认知功能好于那些从不食用咖喱或很少使用咖喱者.该研究指出,姜黄素的强抗氧化作用能保护神经细胞、减少β分泌酶过度表达、阻断tau蛋白过度磷酸化以及与金属离子结合等,从而阻延AD[45].姜黄素可通过血脑屏障进入大脑组织,与Aβ沉淀形成SP特异性结合,连续给予7 d后可见SP减少.但也有报道每天口服2 g或4 g姜黄素24周的患者,按AD评估量表的评分未见提升,用药者血液中姜黄素浓度的测定数据表明:姜黄素的生物利用度偏低.若能把姜黄素制备成纳米材料、脂质体剂型或进行糖基化修饰,增加其水溶性或生物利用度,则姜黄素将是有前景的AD 治疗药物[45,47-51].
淫羊藿的有效成分为淫羊藿甙.文献[52]指出,给AD转基因小鼠喂饲淫羊藿甙后,其记忆能力有显著改善.淫羊藿甙可有效修复Aβ1-42所致原代培养大鼠皮层神经元树突和轴突的损伤,其机制为激活P13K/Akt通路,抑制GSK-3β活性,从而阻断 tau蛋白过度磷酸化[53].李林等[54]对淫羊藿黄酮/淫羊藿甙干预AD的药理学机制和临床研究进行了综述,指出淫羊藿活性成分对多种AD模型小鼠学习认知能力有修复作用,可减低海马和大脑皮层Aβ含量及SP数量,抑制APP、β分泌酶和突触核蛋白表达,增加泛素-蛋白酶体系统的Parkin和UCH-L1表达,增加突触素(SYP)和PSD-95表达,保护线粒体呼吸链,提高抗氧化作用和抑制炎症,改善海马和皮层突触超微结构的损伤.
本课题组采用三转基因AD模型小鼠,长期喂以含淫羊藿甙的饲料,2月龄AD模型小鼠经过20周用药后,水迷宫实验证明其认知能力有显著改善.将小鼠进行活体MRI及MRS检测,发现长期给予淫羊藿甙可有效逆转AD病理特征,小鼠海马神经细胞的NAA水平下降,并减轻氧化应激所致的乳酸堆积.免疫组化检测结果发现,用药组小鼠大脑学习及短期记忆相关的前脑皮层、海马CA1、CA3和齿状回区域,胞内及胞间Aβ沉积明显减轻;同时AD小鼠大脑皮层线粒体丙酮酸脱氢酶(human pyruvate dehydrogenase-E1,PDHE1α)表达水平也明显降低.上述结果提示,淫羊藿甙可能成为有效干预AD病理进程和修复学习记忆障碍的药物,但仍需对其分子调节机制及信号通路进行深入研究.
研究证明,银杏(Ginkgo biloba)叶提取物具有多靶点效用,可以改善脑循环、调整神经细胞代谢、影响毒蕈碱样胆碱能系统,能抗Aβ沉淀引起的脑组织ROS增加和氧化损伤,被认为对预防AD有疗效.2006年在人体中进行的160 mg银杏提取物与5 mg量多奈哌齐剂量组双盲随机对照实验结果显示[55]:银杏叶提取物EGb761与多奈哌齐均在Kurz症状检查(SKT)和临床总体印象量表(clinical global impression,CGI)测评中具有改善AD认知障碍作用,但简易精神状态检查(MMSE)无差异.随后报道的多项RCT结果,对银杏提取物干预AD疗效存有争议[56],如法国学者在《柳叶刀》上报道的一项大型多中心双盲RCT结果,否定了EGb761有干预AD疗效[57].这些研究报道促使我们思考:建立反映中药多靶点、多作用途径的临床疗效评价体系的必要性和迫切性.对上述持否定结论的研究报道进行分析,不难发现其选择的实验样本基本都是75岁以上老龄人群,年龄偏大.我们认为银杏叶提取物这类药物主要是起延缓AD进程的作用,实验时应选择年龄不太高的MCI患者才能说明药物的预防作用[54,58].
人参皂苷是一种多靶点抗衰老的传统中药,对AD的作用已有大量报道,如 Rg1和Rg2能降低GSK-3/PP2A活性,降低tau蛋白的过度磷酸化;而Rg2对AD模型大鼠海马神经元的结构和突触素SYN的表达均有一定保护作用.我国许多抗AD的中成药都含有人参中的皂苷类,如中成药“金思维”就是含有人参茎叶皂苷17.9%及淫羊霍黄酮苷33.3%的复方[59].韩国学者制备的含人参为主药的12味药材验方jianghonghwan水煎剂,是以人参皂甙Rg3含量来控制药品质量,对不同月龄APP/PS1转基因AD模型小鼠给药后,观察到皮层与海马Aβ聚集和SP减少及可溶性与不溶性Aβ1-40和Aβ1-42水平显著下降[60].其他植物药中单一组分对AD的防治也多有报道,如首乌、钩藤和知母等.
中医理论认为AD治疗方略一般是补肾填髓、活血化瘀、祛痰醒窍.国内不少复方中成药用于AD治疗,如由何首乌、淫羊藿、人参、石菖蒲、葛根和川芎6味中药制成的“参乌胶囊”,目前已经完成治疗轻中度AD III期临床试验,其药理学研究采用不同AD动物模型,全面验证了其在Aβ生成和聚集、降低tau磷酸化和NFT、抑制小胶质细胞和星形胶质细胞活化、降低炎性反应、改善线粒体能量代谢障碍、提高大脑皮层和海马ChAT/AChE比值等方面的作用.特别应指出的是该复方中几个主要标志成分能针对AD发病机制不同靶点发挥作用,从而延阻认知功能下降.
7.5.2 从海洋动植物中开发防治AD新药
已有相关从海洋藻类及海洋动物的活性物质中寻找防治AD药物的报道,如从海洋藻类中获得的多糖及寡糖有可能作为预防AD药物.文献[61]指出,从褐藻胶中获得的低分子海洋硫酸寡糖类药物HSH-971,能明显改善痴呆大鼠的学习记忆功能,提升大脑皮层及海马内超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和ATPase等酶的活性,降低丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,对AD具有明显防治效果.其他多糖如鼠尾藻多糖等也具有较好的抗氧化活性[62-63].
褐藻硫酸多糖具有抗脑缺血、营养神经细胞的作用,其抗氧化保护神经细胞的最小活性片段为四糖,说明糖链长度对其抗氧化损伤作用具有明显影响[64].动物实验表明,对痴呆型大鼠喂饲褐藻胶寡糖3 d后,该寡糖对Aβ导致的神经损伤有保护作用[65].AD患者脑内存在着局部炎症反应,抗炎疗法可能是延缓AD的手段之一.已证明四糖结构的寡糖有显著抗炎活性,褐藻胶的寡糖能明显抑制二甲苯致小鼠耳肿胀炎症反应,对鸡蛋清致大鼠足爪肿胀有抑制作用.AD患者脑部常出现NO大幅减少的情况,这可能对记忆的贮存造成障碍并减少脑部血液流量,使Aβ增加.因此调控脑内NO含量对改善AD症状具有一定作用.但它有双重功能,在病理情况下,大量表达的NO可导致神经损伤及炎症等病理状态,因此,选择性抑制iNOS对NO过量产生导致的疾病具有潜在治疗价值.我们的研究指出,在巨噬细胞NO的产生和LPS导致NO过高产生的炎症细胞模型中,不同结构的褐藻胶寡糖有不同的作用.在AD预防时,可以选择能够产生NO的寡糖作为保健品;当发病后,可选择抗炎活性比较强的成分.因而这些多糖及寡糖也是用于AD防治的潜在药物.
近年,我国学者对中药单体和单方标准化提取物的研究已深入到分子机制和相关信号通路领域,但规范化、大样本、毒理学及确切疗效指标等研究深度尚不够.动物实验中给药时间一般较短,临床研究中随机、客观和可重复性等不尽规范,因而研究成果不容易被认可.我们认为AD病因机制和病理进程复杂漫长,而早期阶段的线粒体生物转运失衡和突触可塑性降低先于大量Aβ沉淀和NFT发生,因此,可将线粒体生物转运失衡和突触可塑性降低作为中药神经保护和神经营养、再生作用基础研究的重点,利用原代神经细胞的快速筛选平台及转基因动物模型,在探索主要作用机制基础上,将有效成分单体复方配伍,有利于结合中医药“君臣佐使”和“固本治标”的理念,一方面发挥中药辨证施治的原理,另一方面应用现代药理学方法,完全有可能从中药宝库中发掘防治AD的新药.
由于治疗AD的新药研制长期没有进展,且AD患者一般在症状出现前10多年脑内已开始病变,故寻找毒性低,能长期服用,可作为早期干预及延缓AD多种病因的保健药就成为焦点.
7.6.1 辅酶Q-10有望成为延缓AD发展的药物
辅酶Q-10(coenzyme Q-10)的主要生理功能是在线粒体內膜协助电子传递,从而生成能量物质ATP供应各系统,且稳定细胞膜结构.它具有清除过量ROS、延缓衰老与脑病变等作用.由于线粒体损伤、ATP产量降低及过量ROS产生等问题均能通过补充辅酶Q-10解决,辅酶Q-10与AD的关系已引起广泛关注,如辅酶Q-10可抑制晚期转基因AD小鼠的Aβ水平及氧化应激[66-67].对转APP突变基因小鼠PTg19959喂饲辅酶Q-10 6个月后,发现氧化应激、海马区Aβ沉积斑块大小及数量、水迷宫测定的认知能力等均有明显改善[68].辅酶Q-10对防止tau蛋白过度磷酸化的作用也有报道,以转tau突变基因P301S小鼠为模型,经6个月喂饲辅酶Q-10后,皮层区的tau过度磷酸化降低,线粒体中与电子传递有关的关键酶均得到上调,转基因小鼠的营养状态及存活率均有提高[69-70].
本课题组采用双向荧光差异凝胶电泳(2DDIGE)及串联基质辅助激光解析电离飞行时间质谱技术,研究辅酶Q-10对三转基因小鼠的血清蛋白质组学的影响,结果显示:AD小鼠与野生对照小鼠相比,在辅酶Q-10处理与未处理AD小鼠中,共鉴定出23个差异蛋白点,其中辅酶Q-10“修饰”蛋白点8个,包括 CLU、alpha-2-macrophage precursor等与AD密切相关蛋白.AD小鼠海马和皮层Western blot结果显示,辅酶Q-10可降低tau蛋白在Ser396、Ser262和Thr231位点的磷酸化,对突触标记物synaptophysin及突触后致密物质(PSD-95)的丢失有保护作用.
以上结果表明,辅酶Q-10对早期AD的干预均具有正面结果,如可增加线粒体中产生ATP的主要酶系、降低氧化应激、減少Aβ的沉积及减轻tau蛋白的过度磷酸化等,这些作用均有利于延缓AD的发展.目前存在的问题是:缺乏一定规模人群的试验数据,每人每日应服用辅酶Q-10的剂量尚缺乏统一认可的数据.文献曾提到对治疗神经退行性疾病如AD和PD等需使用大剂量辅酶Q-10,约900~1 200 mg/d.转基因小鼠实验所使用的剂量一般在200 mg/kg左右,如折算为成人用量,每人每日使用剂量也相当大.然而能否允许使用大剂量辅酶Q-10作为AD和PD患者的早期干预药物,各国尚无政策规定.因此,若能启动一项用大剂量辅酶Q-10对早期AD患者进行长期干预的人群实验,将为早期干预药物用于临床治疗提供科学依据.
7.6.2 补充叶酸、VB6及VB12可降低血液中同型半胱氨酸,减少AD风险
体内同型半胱氨酸Hcy源自蛋氨酸,其形成途径为:①Hcy与丝氨酸缩合为胱硫醚,称为转硫化途径;②蛋氨酸在S-腺苷蛋氨酸合成酶催化下与ATP作用生成S-腺苷蛋氨酸,作为甲基供体,同时形成S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosyl homocysteine,SAH),水解后形成腺苷及 Hcy.而生成的Hcy由蛋氨酸合成酶催化,以VB6和VB12作为辅酶再转化为蛋氨酸.
目前已公认Hcy是心血管病的重要危险因子,其与AD的关系也有不少报道.当血浆Hcy水平超过14 μmol/L时,发生AD的危险性增加2倍.血浆Hcy高于 5 μmol/L,发生 AD的风险会增加40%.此外,研究还发现,高Hcy的AD患者比低Hcy者在3年内神经细胞萎缩的速度明显加快.Hcy会促进tau蛋白的磷酸化.tau蛋白的磷酸化是磷酸化与去磷酸化的平衡过程.蛋白磷酸酶2A(PP2A)起去磷酸化作用.在蛋氨酸循环中形成的SAH是甲基转移酶的竞争性抑制剂.Hcy浓度升高可致SAH增多,从而使细胞内甲基化作用降低,使PP2A减少,引起tau蛋白的过度磷酸化.Hcy还会引起Aβ增多、DNA损伤、氧化应激加剧、大脑叶颞中央回萎缩等.对AD病人血浆中Hcy浓度的测定表明[71],AD组与对照相比有明显差别,AD患者为 25.70 μmol/L,轻度 AD 为 21.98 μmol/L,中度 AD 为25.52 μmol/L,重度 AD 为31.47 μmol/L,对照组仅 14.55 μmol/L.
对168名已出现轻度认知功能障碍的老人进行为期两年的临床对比实验,每日服用大剂量VB6、VB12和叶酸,2年后服药老人大脑萎缩程度减缓30%.体外实验证明Hcy对大脑神经元具有直接杀伤作用[71-74].本课题组测定了不同年龄段(1、2、4、8和12月龄)AD三转基因小鼠血浆中Hcy水平的变化.结果表明:早在2月龄时,AD小鼠血浆Hcy的水平就显著高于对照组.随年龄增长,Hcy水平逐步升高,到4月龄后达到稳定.而对照组中2月龄的野生型小鼠血浆中Hcy水平很低.同时还发现AD小鼠血浆Hcy的升高早于细胞内Aβ的聚集及空间记忆的损伤.因此认为,降低体内Hcy可作为预防AD的措施之一.同时,Hcy也有可能作为预报早期AD的标志物.故服用一定剂量的VB6、VB12及叶酸有助于降低患AD的风险.
7.6.3 硒化合物作为早期AD干预药物的前景[75]
硒对维持中枢神经系统的生物功能具有重要作用.硒缺乏与AD具有很大相关性,AD组体内硒的水平与对照组相比明显偏低,血清、红细胞和指甲中硒浓度也明显降低.ApoE4等位基因携带者指甲的含硒量比非携带者显著降低.补充含硒化合物可以改善认知功能.然而也有不同结果的报道:如AD患者与健康对照者的脑脊液和血清硒水平没有明显差异,AD病人海马区或脑杏仁核区硒水平显著升高等.上述结果的不一致性,可能与受试者基因型、饮食习惯、生活方式及所摄取硒的形态、检测部位等的不同有关.
AD患者脑细胞具有高氧化应激水平.硒蛋白及硒酶在脑中具有还原活性,其抗氧化功能可通过多种途径实现,如硒蛋白R是一种亚砜还原酶,而AD患者脑内Aβ中35位的蛋氨酸被氧化成亚砜后易形成沉淀,硒蛋白R可将被氧化成亚砜的残基还原为蛋氨酸,从而起到调节氧化还原平衡的作用.
硒化合物也直接与产生的Aβ斑块有关.亚硒酸钠通过降低BACE1表达而限制Aβ的产生,通过保护神经细胞免受脂质氧化和Aβ毒性,改善对神经细胞的损伤.喂食有机硒Sel-Plex的APP/PS1小鼠,其Aβ斑块沉淀、DNA和RNA氧化水平均显著降低,GPx活性显著增高.AD中硒蛋白的表达与Aβ形成及脂质过氧化密切相关.我们课题组发现,不同形式的SelM对ROS产生和Aβ聚集的作用各不相同.全长SelM能减少ROS的产生、降低Aβ的聚集,而截短体SelM则与全长SelM具有相反的作用和效果,即在缺硒状态不利于ROS的去除[76].说明不同形式SelM对AD的作用与氧化应激和Aβ产生、聚集密切相关.此外,我们还发现了人脑中与SelR相互作用的蛋白为CLU,两个蛋白通过相互作用,在促表达、抗氧化、增强蛋氨酸亚砜还原酶活性方面发挥协同作用.近年有报道称神经细胞毒性主要由Aβ寡聚体所致,成熟的Aβ纤维毒性较小.伴侣分子可通过加速多肽在水溶液中的聚集,来减少Aβ的神经毒性[77],而CLU就是一种伴侣分子.因此,研究SelR与CLU的相互作用及对Aβ聚集的影响、进而研究硒与AD的关系,对揭示硒预防AD机理具有重要意义.
过量金属离子,如Cu+、Fe2+和Zn2+等对神经细胞具有一定的毒副作用,其动态平衡失调会引起氧化应激和产生ROS[78].内源性金属离子如Fe2+或Cu+与过氧化氢作用产生高活性的羟自由基,使神经细胞受损.氧化应激产物HNE抑制Zn2+的输出,造成锌动态平衡紊乱[79],引起AD中tau蛋白的过度磷酸化和Aβ寡聚体的生成[80].硒化合物可以通过清除ROS、产生GPx活性和与金属离子配位结合的方式发挥抗氧化、维持金属内稳态的功能[78],防止神经退行性病变.我们实验室研究了硒蛋白与金属离子的结合性质及其对Aβ聚集的作用[81],发现SelP和SelM具有结合过渡金属离子的性质,并能抑制Zn2+介导的Aβ非纤维化聚集、ROS产生和对神经纤维细胞的毒性.
我们还以三转基因AD小鼠作为动物模型,给不同月龄的小鼠喂饲硒代蛋氨酸,3个月后发现给药组的小鼠行为学有显著的改善,硒代蛋氨酸对突触前后蛋白的下降有修复作用,能显著降低tau蛋白的表达及tau蛋白磷酸化水平.
以tau为靶分子的AD防治药物的相关研究目前不多.文献[82]对8种不同硒化合物的研究表明:硒酸钠能特异地促进PP2A活性,减轻AD小鼠模型中的tau蛋白病理特征,有望发展成以tau为靶点治疗AD的药物.然而硒蛋白防治AD的作用机理尚不够深入,且缺乏一定规模的临床试验.鉴于上述原因,目前既要加强对AD防治作用机理及临床的研究,同时还需对非高硒地区的老年人群补硒,如对早期AD患者补充能使血液中GPx及SelP接近饱和的小剂量硒(据报道,体重58 kg的成人,满足SelP合成所需硒用量约为49 μg/d).我们认为,通过补充适量硒,能在一定程度上延缓AD病程,故含硒化合物有望成为预防早期AD的化学干预制剂.
7.6.4 胰岛素及椰子油能减轻中度AD症状
有人将AD称为III型糖尿病,兼有I型及II型糖尿病特征,即胰岛素缺乏及胰岛素受体受损(不敏感).胰岛素能通过血脑屏障,而某些神经元也能产生胰岛素及胰岛素信号转导蛋白.胰岛素和胰岛素样生长因子(IGFs)除了影响神经元的生存,还影响能量代谢和神经递质的释放,启动与记忆有关的信号转导.关于胰岛素及其受体与AD的关系,文献[7]指出:在糖尿病胰岛素抵抗时,由于胰岛素降解酶的底物是胰岛素和Aβ,胰岛素作为Aβ的竞争性结合底物,可抑制Aβ降解,加重中枢神经细胞Aβ的沉积,促进AD的发生.具有胰岛素抵抗的慢性高胰岛素血症患者,及空腹或餐后血胰岛素水平增高的正常人,其认知功能减退甚至痴呆发生的危险性显著升高.而在胰岛素缺乏的链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)糖尿病模型鼠海马神经元中,因其胰岛素降解酶表达减少,同样可使Aβ沉积.中枢神经系统中几乎所有细胞都能合成APP,胰岛素能促进α分泌酶的活性,使APP产生可溶性Aβ前体蛋白sAPPα.当胰岛素缺乏或功能异常,可使具有神经营养的sAPPα减少,Aβ增加,促进SP形成和神经元的退行性病变.胰岛素能促进Aβ从神经元胞内释放到胞外,并结合到胰岛素样生长因子I(IGF-I)诱导的载体蛋白上.
tau蛋白是神经细胞主要的微管相关蛋白.tau蛋白的异常磷酸化破坏了与微管的结合,而tau蛋白磷酸化的平衡是由磷酸激酶及磷酸酯酶所调控,其中GSK-3β,Akt/PKB和PP2A是关键,它们受胰岛素信号网络所调控,胰岛素和IGF1通过激活PI3K/PKB通路下调GSK-3活性,从而保持tau蛋白的正常磷酸化及与微管的结合功能.
体外细胞实验指出,外周胰岛素水平下降可抑制磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI-3K)的活性,而PI-3K自身活性下降可导致下游的GSK-3β由非活化型转变为活化型,从而使 tau蛋白在Thr181、Ser199、Ser202、Thr212、Thr217 和Ser396 等位点发生磷酸化[7,83-84].
有报道称,用胰岛素滴鼻和使用胰岛素增敏剂如罗格列酮,通过提高胰岛素敏感性,对早期AD有一定疗效[7].
国外一本有趣的书提出,AD患者脑内葡萄糖吸收受阻,可使用酮类化合物(ketones)保持脑能量供应[85].该书作者的丈夫患中期AD,经服用椰子油后认知水平显著提高,这可能是由于椰子油中含有大量饱和脂肪酸转化为酮类化合物[86].但这些治疗方法尚缺乏严格的科学数据及广泛的人群试验,只能作为个案参考.
迄今为止,糖尿病与AD间的关系仍很不清楚.糖尿病是AD的危险因子,或AD是糖尿病的危险因子尚存争议,有待进一步开展研究.在2012年AD协会国际会议上,荷兰科学家Philip Scheltens报告,用保健品治疗轻度AD患者,经24周人群试验,认知能力有明显改善.他们提出的配方为:二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)、磷酯、胆碱、尿苷单磷酸(UMP)、VE、硒、VB6、VB12和叶酸.该组成中前两种DHA及EFA是鱼油中的主要成分,可防止脑血管的堵塞及供给脑内必要的养分.卵磷酯及胆碱是神经递质乙酰胆碱及细胞膜的原料.UMP进入脑内能促进神经细胞轴突生长,增加神经递质的释放,上调神经丝蛋白-70及M蛋白[87].而硒与叶酸的作用机制前面已提及.非常有趣的是,Philip Scheltens的尝试与我们的研究思路不谋而合,我们认为在上述配方中需再增加大剂量辅酶Q-10,其防治AD的疗效将会更加显著.遗憾地是这种疗法因无法招募志愿者进行大样本人群试验,尚难以推广.
有人指出,AD将是下个世纪危害人类健康的第一杀手.虽然长期以来癌症占据首位,但目前不管是癌症早期诊断的方法,还是靶向药物均有长足进展,癌症患者的生存时间已有大幅提高.但对AD既缺乏早期预报的方法,又没有能治愈的药物.随着老龄化社会的快速到来,AD患者的迅速增加,不仅为患者家庭带来巨大的痛苦,还将影响社会、经济的可持续发展.
AD病因复杂,从基因突变到表观遗传学,特别是与人体衰老过程紧密相关,所以无论从病因还是从防治策略均应摒弃单一因素的思路,从多因素及内在相互联系的系统生物学观点进行研究.
影响AD的基因不断被发现,有些是先天遗传造成SAD,有些是在胎儿早期因某些DNA的不同甲基化所致,而大量是在人体不断衰老过程中导致的DNA损伤及突变.随着高通量DNA测序技术的发展,采用GWAS等方法,除了发现新的基因及SNP,研究这些基因间的关系及表达产物的作用外,还应采用网络及子网络方法研究各种蛋白、因子和酶的相互作用.
对引起AD的病因,除了己有的十多种学说外,要进一步将衰老学与AD病因学相联系,因衰老过程是在漫长的时间域中,各种生理过程受内外环境的影响逐渐发生变化.AD是神经退行性疾病的一种,许多引起衰老的因素,均与AD起因相关.
AD病因的复杂性及神经细胞的不可再生性,决定了若选择单一分子作靶标进行新药及疫苗的研发将会困难重重.西方多数药厂已丧失信心,想退出具有诱人前景的AD治疗药物研究领域.但山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村,若将治疗重点前移,着重放在AD发生早期,综合用药以减缓AD病程,从中药的整体理论、辩证理论及双向调节理论出发,发掘符合重心前移的药物.另外,许多所谓medical food的保健药,无论在转基因小鼠还是在小规模的人群试验中均出现过显著疗效.若将治疗重心前移,还需解决对AD的预报方法,PET/CT、fMRI虽目前尚未被普遍采用,但仍是一种能实现对AD早期预报的有应用前景的方法.
随着高灵敏度、高分辨率的质谱技术及代谢组学、蛋白质组学的发展,从血液及尿液中寻找能进行早期预报的生物标志物,是从事AD研究的科技人员的重任.相信通过国内外科学家的共同努力,在不远的将来征服AD必然会有所突破.
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