金属离子在阿尔茨海默病中作用及其影像学评价

张聪，王晓明

作者单位：

中国医科大学附属盛京医院放射科，沈阳 110004

伴随人口激增和老龄化加剧，阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)病因机制的探索越来越深入，关于AD的假说主要有：(1)过度磷酸化Tau蛋白形成及神经元纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT)；(2)以淀粉样蛋白(amyloid-β，Aβ)与神经元缺失为特征的瀑布学说，同时伴突触减少、颗粒空泡变性等。Aβ蛋白首先出现在新皮质区域而后缓慢进展到纹状体、基底核、脑干最后到小脑；而NFT从脑干开始进展到新皮质区域，在AD晚期两者在皮质区域共同存在[1]。金属离子在Aβ、NFT形成中起到了重要作用，笔者对金属离子的作用机制及影像学研究现状进行综述。

1 常见金属在Aβ形成过程中作用

Aβ肽类物质堆积造成细胞损伤及功能障碍，是AD主要的病因之一。Aβ的常见两种形式为：Aβ(1-42)、Aβ(1-40)。Aβ(1-42)毒性更强，先于Aβ(1-40)沉积，是AD患者的重要检测指标。Aβ(1-42)/(1-40)比值与AD发病概率成正相关，Aβ(1-42)/(1-40)比例的降低可以抑制Aβ沉积，降低AD发病概率[2-4]。近来关于AD病因，金属离子假说也可到一些认可。资料表明，重金属离子及某些类金属离子，具有细胞毒性，在长期处于低浓度环境或中毒水平时，可以穿过血脑屏障引起神经元退行性变，造成脑损伤。除此之外，脑内维持细胞正常生理功能的金属离子，如钾、钠、铁、锰等离子平衡被打破，会是诱发AD的因素之一；金属离子与Aβ之间直接产生相互作用，促进Aβ沉积及淀粉斑块形成；离子也可参与到淀粉源性Aβ形成过程，与有金属连接位点的分泌酶相互作用，促进Aβ生成[5]。

铁离子虽然与Aβ没有直接相互作用关系，由于游离铁水平升高及铁超氧化物跨膜作用导致的羟基自由基会引起溶酶体破裂和细胞内物质的渗漏，从而促进细胞损伤，加速老年斑(senile plaque，SP)形成[6]。皮质中铁离子浓度与斑块形成概率成正比，淀粉蛋白含量增高，铁离子浓度随之提高，斑块形成加速。铝离子增加组织氧化损伤的机制是通过调节铁离子介导的氧化反应加速生理性Aβ斑块聚集，除此之外，铝离子可以连接Aβ中多肽的酸性区域，加速其聚集过程[7]。二价金属转运体1 (divalent metal transporter，DMT1)存在于脑内多种神经元细胞膜表面，转运多种二价金属离子，除铁离子之外，铅与锰在金属转运过程中对AD的致病过程有重要作用。铅浓度在神经元增加影响APP转录及翻译过程，具体表现为抑制DNA甲基转移酶和APP启动子甲基化。铅除通过DMT1介导之外，与钙进入大脑的机制相同，铅进入星形胶质细胞和神经元是由电压敏感钙通道门控，Ca-ATP介导进入细胞后，铅与钙离子积聚在线粒体中相同位置，从而破坏细胞内钙离子的运输和代谢，改变钙信号通路，同时使细胞内线粒体受损，激发氧化应激反应，损伤神经元[8]。锰是选择性的脉络丛毒物也是血脑屏障渗透性最强的离子之一。锰离子是辅酶中重要的抗氧化酶，其缺乏降低歧化酶活性，从而增加线粒体脂质过氧化。锰离子作用于星形细胞及小胶质细胞的多巴胺受体，在星形胶质细胞中线粒体浓度最高，造成炎性细胞介质增多，导致线粒体功能障碍，损伤神经元[9]。

铜与锌对Aβ聚集作用受pH影响，在中性pH条件下，锌离子在低浓度情况下通过锌离子转运体3 (zinc transporters 3，ZnT3)作用于突触囊泡使可溶性的Aβ快速沉积成为抗蛋白酶的淀粉体聚集物，在弱酸性环境下，铜离子作为竞争连接离子，可以诱导可溶性Aβ聚集，但是速度更慢，产物体积更小[10]。锌参与到淀粉源性Aβ形成过程，与APP及β-淀粉分泌酶相互作用，促进Aβ产生。Aβ与铜离子相连接，使铜聚集在细胞膜表面，产生有毒的过氧化氢和羟基自由基；铜离子由突触后膜释放，造成细胞膜脂质过氧化，破坏细胞完整性，造成神经元损伤[11]，如图1所示。

2 Tau蛋白过度磷酸化

Tau蛋白是一种可溶性微管相关蛋白，构成单体是配对螺旋微丝(paired helical filaments，PHFs)。微管的重要作用是细胞骨架的稳定维持以及神经元轴突传送过程。Aβ与Tau蛋白之间存在相互作用，Aβ在体内外均能诱导Tau蛋白过度磷酸化，从而破坏微管及细胞骨架的稳定性，干扰突触转运，引起神经元凋亡。铁、铝及抗氧化酶在脑内不同部位含量不同，但均可加速Tau蛋白过度磷酸化，影响突触前膜的释放作用。神经退行性疾病中，突触传递功能受损是一个重要标志。过量Tau蛋白影响突触间传递过程，打破ROS与RNS之间的平衡，引发突触传递障碍[3，12-14]，Tau蛋白影响微管的聚集过程，提高微管与铜的亲和力，可以加速NFTs的形成，铁离子通过影响PHFs聚集而加速Tau蛋白形成。除Tau蛋白异常聚集外，氧化损伤是造成NFTs形成的可能因素之一，在NFTs形成部位，也伴有蛋白质的氧化产物增加。

3 影像学诊断常用方法

对AD诊断常用的影像诊断学方法：结构磁共振(structural MRI，sMRI)、功能磁共振(functional MRI，fMRI)、磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy，MRS)、磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)及扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、分子影像学及粒子激发X射线分析。sMRI、fMRI、DWI、DTI等多模态磁共振成像技术在诊断AD中有较为广泛的应用，单就几个可以结合金属离子检测的影像学方法进行介绍。

3.1 磁敏感加权成像

SWI是在T2回波序列上衍生的功能序列，是常用于测量AD 病人脑内铁含量异常的有效手段。AD患者脑内铁的含量与疾病发展过程呈正相关，随着年龄的增长，铁离子会在苍白球、尾状核以及壳核大量沉积，以苍白球为著。Zhu等[15]发现，AD患者脑内铁含量在双侧海马、顶叶、壳、尾状核、齿状核处明显高于正常对照组，由此可以假定推测利用SWI检测脑内铁的不同含量可以诊断是否患有AD，但仍需要与病理解剖相结合。除铁离子之外，铜、铝及锰等促进Aβ蛋白形成的金属也可以利用SWI进行检测。二价铁离子与铜离子在SWI上的显示与三价铁离子信号相反，其间的差异在于血红蛋白含量。铝离子复合物可与半醌受体相连，复合物形成可以让其通过磁性、光学特性显示，但通过光学成像，穿透力有限，很难在临床进行大范围操作；同时，复合物显示具有铁磁性，可在铁沉积高发区域间接通过SWI方法检测[16]。锰具有顺磁性，胶束研究中锰离子与Aβ的顺磁性探针N-末端结合特异性，为日后检测A端复合物含量提供了可能[9]。

3.2 分子影像学

分子影像学对于AD早期诊断有着极高的灵敏性。大量临床研究报道较多的利用18F临床研究的代谢变化来鉴别早期AD。通常正常老年人葡萄糖代谢在脑内呈对称分布，但AD患者呈葡萄糖代谢减低，在苍白球、壳等部位出现示踪剂分布减少且相应感觉运动区域受累。早期AD病灶局限性较强，而中晚期AD常累及额叶。研究证实铜、锌离子不仅显示与Aβ蛋白聚集相关，而且与Tau蛋白积累相关[17-18]，由此可以利用检测铜与锌在脑中的含量进一步判断Aβ蛋白与Tau蛋白含量，在病理基础上，确立金属离子与AD发病进程的关系。铜离子参与多种蛋白酶的活性过程，常见五种同位素中可以利用61Cu半衰期较长的特点，检测AD发病进程中动力学改变；64Cu分布于细胞表面，64Cu-铜蓝蛋白和64Cu-白蛋白在脑中的含量变化可以进一步反映出A脑斑块的沉积情况，为AD疾病过程进展提供更好的检测。63Zn可以通过63Cu低分子回旋加速器产生，63Zn及其耦合物可以在脑中被检测[19-22]。除在脑中检测Aβ蛋白含量之外，Tau蛋白特异性PET示踪剂现已用于临床评价，利用PET研究正常老年人的Tau蛋白的含量，[18F] THK主要局限于颞叶内侧，略微超过基准值。[18F] av-1451和[18F] THK示踪剂在中脑和基底神经节在体内结合广泛[23]。

3.3 粒子激发X射线分析

早在1986年，Edwardson等[24]利用energydispersive X-ray spectroscopy (EDX)联合 scanning electron microscopy (SEM-EDX)在SP中测量铝离子含量。此外，Collingwood等[25]利用transmission electron microscopy (TEM-EDX) 分析方法在AD患者大体解剖中范围大约1～2 mm斑块中检测铝离子。有研究表明，在AD患者的海马和颞叶可以通过TEM-EDX检出铝离子的存在[26]。铝离子在AD发病过程中激发氧化还原反应，引起Aβ沉积增多，因而检测铝离子含量有助于对AD的早期诊断。粒子发射(particle induced X-ray emission，PIXE)联合rutherford backscattering (RBS) 及scanning transmission ion microscopy (STIM)在AD患者中杏仁核与海马内检测到锌离子浓度升高，实验表明，转基因鼠，在6个月左右可用LA-ICPMS (Laser Ablation-ICP-MS)在杏仁核和海马检测是否有淀粉样蛋白形成及神经元和轴突变性[8]。锌离子参与淀粉源性Aβ形成过程，直接加速Aβ斑块形成，锌离子可以间接检出Aβ含量，进而对AD病理过程进行判断。Lovel等[27]使用PIXE在老年斑中测量发现AD患者脑中铜离子含量为正常人的1.5倍。Hutchinson等[28]也在转基因鼠实验中证实了铜离子水平确有提高，老年斑块是AD的标志之一，由此猜测铜离子的含量升高，可以间接反映疾病程度。

3.4 MRS

MRS是对在体特定化合物进行测量的一种无创MRI技术，临床常用来反映体内化合物的代谢水平，常使用N-乙酰天门冬氨酸(NAA)、肌酸(Cr)、乳酸(Lac)、胆碱(Cho)、γ-氨基丁酸(γ-amino butyric acid，GABA) NAA/Cr等指标评估病情。Cr因其代谢数值较为恒定，常用来作为参照值。肌醇(myo-inositol，MI)只存在于胶质细胞中，起到维持神经胶质细胞渗透压的作用，是神经胶质细胞的评价标志。胆碱(cholines，Cho)反映细胞代谢状态，代谢旺盛及肿瘤发生情况下，数值增高。GABA是脑内主要的抑制性神经递质，因其含量较低，具体测量较难实现，但可利用多量子滤波和二维J分辨谱进行实际测量。实验证明脑内铁离子含量增加可以使GABA受体水平减低并抑制其释放，反之检测GABA含量可以反映出在脑内铁水平含量[9]。此外，锰离子与铁离子之间存在相互制约关系，Erikson等[29]证实在尾状核锰离子含量与GABA呈负相关，可以进一步通过检测GABA含量进而反映在能量代谢过程中细胞物质沉积，由此诊断AD的发病进程。但是MRS受影响因素较多，且与在金属离子之间联系仍需要探索，但也是为金属离子检测提出了新的道路。

4 展望

AD其发病机制以及诊断标准仍处在争议之中，目前相对认可的机制是Aβ淀粉蛋白沉积及NFT形成，临床上使用多种影像学方法诊断AD，SWI技术可以检测铁、锰、铝在AD易感区域的含量，但某些金属需要配制成为复合物干扰成分较多。分子影像学、粒子激发X射线分析检测金属同位素含量间接反映AD的诊断情况，但有实际操作情况及干扰因素。MRS检查方法较为成熟，但是与金属离子的活性改变之间的关系，仍然是下一步探索所需的方向。