β淀粉样蛋白在阿尔茨海默病中的作用机制研究进展*

刘心朗 贾建新

（内蒙古科技大学包头医学院人体解剖学教研室，包头 014040）

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD），也称为老年性痴呆，是一种慢性中枢神经系统退化性疾病，常发病于老年期或老年前期，起病隐匿。AD主要临床表现包括进行性记忆力减退和获得性知识丧失、人格变化并伴有生活、工作等多种行为精神障碍。AD给社会和家庭带来沉重负担，是仅次于心血管病、癌症、脑卒中之后第4位严重威胁老年人生命健康的疾病，已成为世界老年医学面对的热点问题[1-2]。国际阿尔茨海默病协会公布的《2018年全球阿尔茨海默病报告》显示，世界各地每3 s就会出现1例新的痴呆病例。2018年，全世界有5 000万人患有痴呆症。预计到2050年，这一数字将达到1.52亿。据估计，2030年全球用于痴呆的治疗和护理费用将从2018年的1万亿美元增至2万亿美元。

AD的主要病理学特征是大脑皮质萎缩，神经元的丢失，海马区的β淀粉样蛋白（beta amyloid peptide，Aβ）沉积形成的老年斑（senile plaque，SP）和脑神经细胞内微管相关蛋白（tau protein）过度磷酸化形成的神经元纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）[4-5]。AD的病因和发病机制尚不明确，涉及淀粉样蛋白质与微管相关蛋白质假说，胆碱能损伤假说，基因突变学说，自由基损伤假说，炎症假说等，均为目前的主要发病机制。现针对其中β淀粉样蛋白结构特征及其神经毒性假说进行综述。

1 Aβ的产生分布与结构

1.1 Aβ的产生分布

Aβ是由β淀粉样蛋白前体蛋白（β-amyloid precursor protein，APP）水解形成的正常代谢产物。APP是一种存在于多种组织的Ⅰ型跨膜糖蛋白，是突触形成和修复的调节因子。人类的APP可以通过淀粉样变和非淀粉样变2种不同的途径来处理[6]。APP的淀粉样途径是指APP在质膜上被β-分泌酶（β-secretase，又称β-site amyloid cleavage enzyme，BACE）和γ-分泌酶（γ-secretase）在N端和C端的顺序切割[7]，形成全长的Aβ肽（主要是Aβ1-40/42）。新生成的Aβ被释放到胞外间隙，与质膜和脂筏结构有关。脂筏中Aβ与神经节苷脂GM1的结合强烈促进Aβ的聚集[8]。研究显示，大量APP和γ-分泌酶也存在与线粒体-内质网结构偶联（mitochondria-associated endoplasmic reticulum membrane，MAM）处[8]，说明APP的淀粉样水解途径可以在MAM上进行。而APP经酶剪切产生的早老素1（presenilin 1，PS1）和早老素2（presenilin 2，PS2）也主要定位于MAM[9]。

1.2 Aβ的结构

Aβ分为可溶性Aβ和不溶性Aβ，可溶性Aβ聚集体通常被划分为寡聚体和原纤维蛋白。大脑中淀粉样斑块的主要成分是Aβ单体聚集形成的较大的淀粉样纤维。研究显示，Aβ单体通常并不直接影响神经元的功能，而单体水解后产生的可溶性Aβ聚集体才是影响AD患者认知功能的关键因素[10]。但也有研究表示，单体Aβ已经被认为是潜在的药物靶点，因为抑制单体聚集可以防止有毒物种的形成[11-12]。有研究者[13]通过分子中的原子量子理论（quantum theory of atoms in molecules，QTAIM）对β-淀粉样蛋白β-折叠拓扑结构计算分析显示，β-股内空间接近的特定疏水性氨基酸原子间会形成弱电子相互作用的网状结构，稳定β-片层的结构。这将有助于针对阻止β-淀粉样蛋白沉积的新药开发。

2 Aβ神经毒性和生物学功能

2.1 Aβ神经毒性

2.1.1 诱导细胞凋亡 Aβ诱导细胞凋亡是一个包括细胞氧化损伤、Ca2+内流、线粒体损伤、细胞色素C（cytochrome C，Cytc）外溢的众多环节在内的复杂过程。Aβ诱导的钙内流通过钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulindependent protein kinase-Ⅱ，CaMKⅡ）上调蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）的激活，引起线粒体分裂蛋白（dynaminrelated protein 1，Drp1）磷酸化和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）激 活。Drp1磷酸化导致线粒体断裂引起线粒体功能障碍。mTOR的激活抑制线粒体自噬，导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加激活半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）引起神经元凋亡，并加重线粒体功能障碍[14]。因此，Akt/mTOR信号转导或其与Drp1之间的相互作用在AD病理机制及发展的研究中有重要意义，可进一步探究其作为潜在治疗靶点的功能。

2.1.2 能量代谢障碍 在AD中，会出现线粒体能量障碍，导致Aβ沉积Tau蛋白过度磷酸化，进一步促进线粒体的这种缺陷[15-16]。Kerr等[15]的研究表明：线粒体的功能失调和自噬的受损随着年龄的增长而积累。近期研究表明[17]，通过抑制Aβ斑块和病理p-tau，可恢复线粒体自噬，继而可以逆转AD记忆丧失。通过小胶质细胞对胞外Aβ斑块的吞噬作用可以降低APP/PS1模型中的不溶性的Aβ1-42和Aβ1-40，改善认知功能障碍。

2.1.3 触发氧化应激 金属离子铜、铁、锌是氧化应激的核心调节因子，在生理浓度下能与Aβ结合形成各自的配体形式，参与ROS的产生，其中发挥主要作用的是Cu-Aβ配体[18]。通过荧光和基于紫外-可见光吸收光谱（ultravioletvisible spectroscopy，UV-Vis）的方法评估了Cu结合到一系列修饰肽上的ROS生成，提出了Cu-Aβ复合物在ROS生成的催化中间状态下的配位模型[19]。而Aβ肽的C端含有蛋氨酸残基能形成氧活性簇，促进氧化产物的形成，Aβ使细胞产生了过多的ROS破坏生物分子。

2.1.4 加速tau蛋白异常磷酸化 AD患者大脑皮层存在大量的神经原纤维病变和神经性斑块。Aβ寡聚体可以激活激酶，进而催化tau的磷酸化。磷酸化的tau蛋白会使神经纤维互相缠结形成NFT。Aβ寡聚体也可以诱导tau蛋白的低聚。tau低聚物可以通过朊病毒样机制传播，并且与病理磷酸化的tau蛋白一起可以引起负责记忆和认知功能的神经元退化和死亡[20]。最近的研究[21]表明，tau蛋白分子可以在不发生错误折叠的情况下进行扩散，但发生错误折叠的情况时可能会促进tau蛋白的扩散，同时tau蛋白的错误折叠不是导致NFT聚集的必要条件。

2.1.5 发生葡萄糖代谢障碍 AD患者脑中的Aβ通过活化糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase，GSK-3）抑制葡萄糖代谢，因此AD患者脑中的葡萄糖代谢与正常人脑中葡萄糖代谢水平相比较低。Aβ激活激酶导致的tau蛋白过度磷酸化使微管结合减少或微管失稳，从而引起胰岛素颗粒转运中断[22]，抑制胰岛素分泌。然而，最近也有研究表明，微管失稳可能会引起胰岛素颗粒的过度连接，促进胰岛素分泌[23]。研究表明，Aβ和tau增强外周胰岛素抵抗和胰β细胞功能障碍，而在AD小鼠模型中注入抗Aβ抗体可改善胰岛素敏感性和血糖调节[22]。在AD模型快速老化小鼠（senescence accelerated mouse P8，SAMP8）上的研究表明，反义寡核苷酸阻断APP的Aβ区改变了海马内多个胰岛素相关基因的表达[24]。AD患者中枢神经系统胰岛素作用受损，关键胰岛素信号蛋白减少。Aβ诱导的胰岛素抵抗导致脑内胰岛素信号转导障碍，氧化应激和神经炎症反应，进而促进Aβ进一步沉积和tau磷酸化，加重AD患者认知障碍。目前，鼻内胰岛素治疗是一种潜在的治疗AD的方法[25]。

2.1.6 激活神经胶质细胞诱发炎性级联反应 AD炎症过程可激活小胶质细胞，导致胶质细胞分泌过多急性期蛋白，补体因子激活和诱导炎症酶系统，产生炎性细胞因子，这些炎症因子包括多种白细胞介素（IL）和多种因子（肿瘤坏死因子-α、转化生长因子-β），可以调节炎症反应和免疫反应，可能导致神经元功能障碍和细胞死亡。研究表明，AD患者脑组织中促炎症细胞因子如肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素1β（IL-1β）、白细胞介素6（IL-6）和干扰素（IFN-γ）水平升高，可抑制淀粉样Aβ的吞噬作用。在AD过程中，可溶性Aβ寡聚体的异常积累导致细胞因子和其他促炎症因子的过度释放，与调节成分如IL-4、IL-10、受体拮抗剂、白细胞介素抑制剂等的比例失调，最终导致神经元和突触损伤、丧失和认知功能下降[26]。Aβ持续存在可持续破坏神经细胞，发生恶性循环。Wang等[27]报道在AD进程中，伴随Aβ的沉积以及Tau蛋白的磷酸化，肠道菌群组成发生变化，引起外周相关代谢产物异常蓄积，诱导外周促炎性Th1细胞的分化、增殖和脑内侵润，导致AD相关神经炎症发生。

2.1.7 突触功能障碍 脑特定区域的神经元过度活跃被认为是AD的早期扰动。AD患者脑中的胆碱能神经元严重退化，乙酰胆碱合成和水平下降，胆碱乙酰转移酶（ChAT）活性下降，ACh受体的解除导致神经传导作用阻断。谷氨酸是氨基酸神经递质家族的成员，是大多数新皮层和海马突触中最丰富的兴奋性信号信使[28]。研究表明，Aβ可溶性二聚体分子阻止谷氨酸转运出突触间隙，导致突触间隙中高浓度的谷氨酸持续时间过长[29]。

2.1.8 血管性损伤 血管性损伤发生于AD早期，外源性Aβ可以降低脑血流量，降低后的脑血流量又可以促进Aβ的生成。Nortley等[30]报道，在认知能力下降的患者中，Aβ产生的氧自由基能够激活内皮素-1（endothelin-1，ET）的释放，继而ET会激活周细胞ETA受体，因此Aβ收聚在大脑毛细血管周细胞位置。周细胞是毛细血管上唯一的可收缩细胞，可通过调节收缩状态改变脑血流量。同时在AD的小鼠模型中，毛细血管发生了收缩，而不是非小动脉。这说明，抑制Aβ引起的毛细血管收缩或许可以缓解AD的能量缺陷和神经退化。

2.2 Aβ清除运输

2.2.1 内源性Aβ清除运输 AD中，Aβ生成与清除失衡，脑内Aβ的清除途径包括中枢途径和外周途径，中枢清除途径是指脑Aβ被小胶质细胞吞噬及被Aβ降解酶降解。而Aβ通过血脑屏障（blood-brain-barrier，BBB）转运，脑组织间液流出及经脑脊液吸收入淋巴等是Aβ的外周清除途径[31]。Aβ外周清除途径有2条：经受体跨BBB转运至血液被外周组织降解及经血管旁淋巴引流途径到达局部淋巴结被降解。跨BBB的流出运输系统将Aβ从大脑运到血液，主要被低密度脂蛋白受体相关蛋白-1（low-density lipoprotein receptorrelated protein-1，LRP-1）介导，定位于脑血管内皮细胞的侧腔外。脑Aβ清除主要依赖外周清除，外周清除障碍所导致Aβ沉积会加快AD病程的进展。正常情况下脑内Aβ生成与清除是平衡的，异常情况下生成与清除失衡促使 AD过量沉积。新型AD治疗药物GV-971通过重塑肠道菌群平衡、降低外周相关代谢产物积累，减轻脑内神经炎症，进而改善认知障碍。GV-971还能直接透过血脑屏障捕获Aβ，抑制Aβ聚集体的形成，并使已形成的聚集体解聚[27]。虽然大多数细胞外Aβ通过BBB清除，但淋巴途径似乎也对Aβ清除很重要[32]。

2.2.2 外源性Aβ清除运输 研究表明，向脑内局部注射Aβ后不仅能在原注射部位形成沉淀，Aβ也会扩散到周围脑组织。然而，Aβ的空间传播方式是否是通过非系统方式从注射部位到近端区域扩散或沿神经解剖学通路定向运转仍不能确定。

AD作为威胁老年人生命的神经退行性疾病之一，Aβ沉积是其重要的病理特征。但关于Aβ沉积假说相关的治疗方法一直进展缓慢。可能是因为Aβ沉积无法全面清除，其所引起的毒性作用分布广泛，且损伤不可逆又不易修复。因此，Aβ的源头阻断和抑制传递可能会有效抑制Aβ沉积，成为预防AD形成的一种重要方法，为今后的研究提供重要方向。