线粒体功能障碍与阿尔兹海默病发病的相关性研究进展

胡钰慧，何玲

(中国药科大学药学院，江苏 南京 211100)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是一种发病率与年龄密切相关的神经退行性疾病，发病年龄约为60 岁，其特征是记忆力减退、精神错乱、注意力不集中、方向感下降和性格改变[1]。全世界约有4 700 万人患有阿尔兹海默病，65 岁以上的人中约有八分之一患有此病，到2030 年，患病人数将翻一番，相关医疗保健费用高达数十亿美元。随着人类平均预期寿命的不断提高，阿尔茨海默病对世界构成了巨大的公共卫生挑战。明确的AD诊断通常是对死后患者大脑的尸检，揭示了AD的神经病理学特征，包括由β淀粉样蛋白(Aβ)组成的细胞外老年斑(SPs)和高磷酸化tau蛋白形成的神经内缠结(NFTs)，以及脑皮层、海马区神经细胞的减少[2]。因此，AD相关发病机理和治疗方法的研究主要集中在淀粉样前体蛋白(APP)代谢，Aβ的毒性和tau蛋白过度磷酸化上。即使制药行业投资了数十亿美元用于药物开发，但临床实验仍未能为阿尔茨海默病患者提供有效治疗药物。阿尔茨海默病神经影像学倡议(ADNI)和其他研究均支持以下观点：AD不仅是Aβ沉积的线性下游后果，而是一种多因素疾病。所以改善其他病理学特征例如炎症反应、胰岛素抵抗、线粒体功能障碍和氧化应激进而治疗和改善阿尔兹海默病的研究。

线粒体是母体遗传的细胞内细胞器，其关键作用涉及能量代谢和第二信使信号传导所导致的程序性细胞死亡。线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷、ATP合成障碍、能量来源不足的一组异质性病变[3]。这些疾病可能是遗传性的(线粒体DNA或核DNA编码的线粒体蛋白)或获得性的(毒素或其他继发性损伤)。对各种线粒体病的鉴定表明骨骼肌和脑是其主要的靶器官。由于神经元高度依赖于氧化磷酸化，线粒体损伤在成年人神经退行性疾病中得到了越来越多的认可，其在阿尔兹海默病患者中主要表现为活性氧簇ROS的过量产生、线粒体呼吸功能障碍及ATP含量的下降[4]。

1 阿尔兹海默病中的线粒体障碍

1.1 阿尔兹海默病中发生线粒体功能障碍的证据 最初提示AD中发生线粒体功能障碍的线索是通过对AD受试者大脑成像中区域性低代谢的观察得出的[5]。使用氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描(FDG-PET)可以检测到AD受试者脑中葡萄糖代谢的改变。葡萄糖消耗低是糖酵解减少、突触功能障碍和神经元丢失所致。AD大脑似乎以氨基酸和脂肪酸作为替代能源来补偿葡萄糖代谢不足。这些观察结果暗示了AD中能量代谢途径的改变。而AD 患者脑组织神经元中线粒体嵴断裂、嗜锇物质堆积、线粒体肿胀及其数目减少，为 AD 患者线粒体功能障碍提供了结构依据[6]。

AD大脑中的氧化应激和活性氧(ROS)损伤是与线粒体有关的另一条线索，因为线粒体是活性氧(ROS)的主要来源和氧化损伤的主要靶点，ROS可能导致DNA，脂质和蛋白质的损坏[7]。解剖学上大脑对氧化损伤的敏感区域与阿尔兹海默病最受影响的大脑区域重合，即额叶、顶叶和颞叶。有研究表明，来自AD受试者含有线粒体DNA(mtDNA)的细胞系显示出比同年龄正常对照组产生更多ROS和自由基[8]。

AD脑中区域血流量和氧气利用的减少可能更直接地表明疾病中线粒体呼吸功能受损。AD大脑的完整线粒体数量减少，原因是特定线粒体呼吸链酶(ETC酶)的丧失或功能障碍。线粒体呼吸链酶位于线粒体内膜上，由NADH(复合物Ⅰ)、琥珀酸氧化还原酶(复合物Ⅱ)、细胞色素C还原酶(复合物Ⅲ)、细胞色素C氧化酶(复合物Ⅳ)和ATP合成酶(复合物Ⅴ)组成。它们通过对底物一系列的氧化还原最终产生ATP，为机体组织提供能量，而线粒体ETC复合体Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ的功能随年龄下降，且编码ETC酶的mtDNA的病变在AD患者中多于对照组[9]。研究发现，mtDNA 水平的下降出现在神经纤维缠结形成之前， 这表明线粒体损伤是 AD 早期的突出特点[10]。

线粒体功能障碍为 AD常见的病理学标志，包括线粒体呼吸和活动的减少及线粒体形态的改变，如 AD 患者中细胞色素氧化酶活性降低，线粒体呼吸减弱。研究发现，3xTg三重转基因 AD 模型小鼠在老年斑形成之前已经发生线粒体能量代谢障碍，且线粒体分裂基因Drp1、Fis1的表达増多，融合基因Mfn、Opa1表达减少，表明AD 早期线粒体动力学异常[11]。在3xTg三重转基因小鼠模型中线粒体缺陷明显，线粒体酶活性降低和线粒体呼吸减少，并且也在3xTg雌性小鼠中证明线粒体功能障碍在鼠龄低且未检测到Aβ斑块或缠结病理证据时已经发生[12]。此外，源自3xTg小鼠海马的胚胎神经元表现出明显的线粒体呼吸减少和糖酵解增加[13]。这些证据均表明线粒体功能障碍是AD病理生理学的一个非常早期的步骤。

1.2 阿尔兹海默病促进线粒体障碍的机制 APP、Aβ影响线粒体功能的机制中研究最多的是直接相互作用和抑制氧化磷酸化。在AD患者的大脑中，APP(全长或C端片段)和Aβ分布与受疾病影响的大脑区域的线粒体膜相关，在APP转基因小鼠模型中观察到APP似乎被困在线粒体膜中[14]。研究者认为APP/Aβ通过在线粒体导入通道中的积累，阻止ETC酶的进入，并刺激有毒的过氧化氢物质的异常积累，进而影响线粒体功能[15]。人源性皮质细胞系或转基因小鼠脑中APP的过表达会导致ATP水平降低，COX活性受损和线粒体跨膜电位破坏，并发现了Aβ的特定线粒体结合伴侣[16]。线粒体中Aβ与线粒体酶Aβ结合醇脱氢酶(ABAD)之间的相互作用增强，加剧Aβ毒性，自由基生成增加，促进线粒体功能障碍。

AD患者脑中线粒体运输的改变与tau蛋白异常聚集有关。纤维缠结阳性的神经元显示出比无缠结的神经元更严重的线粒体分布缺陷，表明缠结的形成加剧了线粒体功能障碍；表达人tau的MAPTP301L突变的转基因小鼠表现出线粒体ETC酶的缺陷(复合体I和V)[17]。各种不同形式的tau蛋白已被证明会刺激线粒体。例如，磷酸化的tau蛋白或截短形式的tau蛋白会破坏线粒体膜电位，引起氧化应激并减弱细胞的钙缓冲能力，在体外实验中，截短的tau蛋白会引起线粒体功能障碍[18]。内源性tau(MAPT-/-)敲除小鼠最新研究表明，tau蛋白的完全敲除显示出神经保护并改善线粒体功能的作用，表现为氧化损伤减少，线粒体通透性过渡孔(mPTP)形成减少，线粒体生成增多，ATP产生增加以及认知能力改善[19]。

线粒体水平受载脂蛋白E(APOE)状态的影响。较严重认知障碍的APOE ε4携带者与具有较不严重认知障碍的APOE ε4携带者或非携带者相比，前者脑线粒体APP积聚更多并表现出更普遍的线粒体APP负担[20]。此外，年轻无痴呆的APOE ε4个体的大脑显示出比对照组更低的脑线粒体COX活性和线粒体ETC酶活性，且对参与酮和葡萄糖代谢的蛋白质的表达也产生了影响。在体外实验中，APOEε4神经毒性蛋白片段与线粒体相互作用，导致线粒体功能障碍，阻碍细胞存活[21]。

2 线粒体功能障碍促进阿尔兹海默病

有人认为线粒体功能障碍是导致更普遍发生的偶发性晚发性AD(LOAD)病理生理的主要损伤因素，并将其称为“线粒体级联假说”。

2.1 能量代谢障碍 线粒体是真核生物进行氧化代谢释放能量的场所。在成年人中，大脑只占2%体重，却消耗将近 20%的氧气，超过一半的能量被 Na+/K+ATPase 用来恢复兴奋细胞的静息电位，为了满足如此巨大的能量需求，大脑配置了巨大的线粒体容量。正因为大脑如此的依赖于线粒体的能量供应，大脑正常功能极易受到线粒体功能障碍的影响，线粒体功能紊乱在AD等神经退行性疾病发病过程中起到了关键作用。脑的高能量代谢需求和相对低活性抗氧化机制，导致其对蛋白质、脂类、核酸的氧化损伤的累积十分敏感。有研究指出AD脑中的基础切除修复能力受损和氧化应激的发生与mtDNA拷贝数较低有关[22]。随着年龄的增长而加速积累的mtDNA突变，会导致与线粒体有关的过早衰老和生物能缺乏，促进AD病理进程。

2.2 神经细胞凋亡 线粒体参与调控的神经细胞的凋亡是 AD 发病的重要环节[23]。线粒体参与很多细胞凋亡通路，在大多数凋亡途径中，线粒体起着起始、放大的作用。线粒体功能障碍时，线粒体外膜的通透性增加，存在于线粒体内外膜之间的凋亡相关蛋白扩散到细胞质中并引起细胞凋亡，例如在内源性凋亡途径中发挥主要作用的细胞色素C[24]。线粒体功能障碍所致神经细胞凋亡促进AD的神经元丢失和认知功能障碍。

2.3 线粒体功能障碍促进Aβ的产生 线粒体中Aβ与线粒体酶Aβ结合醇脱氢酶之间相互作用的增强，加剧了Aβ毒性，自由基生成。线粒体功能障碍本身可能会促进Aβ异常产生，线粒体ETC功能的化学抑制作用增加了蛋白水解APP的加工。AD来源的杂交体(包含人类AD受试者的mtDNA)显示出Aβ生成和分泌增多，以及增加的氧化应激和凋亡标记[25-26]。有研究采用遗传学方法在小鼠的寿命期内增加mtDNA损伤，去了解与年龄相关的mtDNA突变如何在体内引起AD病理，结果表明线粒体有助于Aβ加工及其异常聚集，揭示了Aβ加工与mtDNA缺陷之间的关系，并提出必须产生Aβ才能产生有毒的ROS的假设[27]。mtDNA编码的蛋白质在APP加工中起着重要作用，线粒体功能障碍随着年龄的增加而增加，诱导Aβ的生成，而Aβ进一步诱导线粒体功能障碍、氧化应激，最终形成一个恶性循环[28]。

2.4 线粒体功能障碍促进tau蛋白过度磷酸化 线粒体损伤是低负荷运动大鼠(low capacity running rat,LCR rat)的早期病理特征，LCR大鼠的总线粒体活性比正常组降低约50%。LCR大鼠经人工选育具有与衰老相关代谢障碍的遗传元件，表现出细胞和全身代谢功能障碍。由于生物能受损，年老的LCR大鼠海马在线粒体中表现出更大的天然磷酸化tau积累，其可能成为线粒体功能障碍导致异常磷酸化tau积累途径的模型[29]。此外，研究者发现，LCR大鼠海马表现出与年龄有关的萎缩和神经退行性病变，这与线粒体功能异常和磷酸化tau蛋白有关。

3 靶向线粒体功能障碍治疗AD

迄今为止，针对线粒体功能障碍方面的阿尔茨海默病治疗策略集中在阻止氧化应激和细胞凋亡相关的线粒体过程[30]。促进线粒体功能、增强氧化呼吸能力可以促进 AD 模型小鼠神经元轴突生长和树突棘的形成， 抑制空间学习记忆能力的降低。例如来自APP转基因小鼠(Tg2576)与线粒体中过表达过氧化氢酶的小鼠(MCAT)杂交所得的AD-MCAT小鼠与对照组相比，表现出寿命延长和Aβ沉积减少[31]。但是，相关机制的抗氧化剂在AD患者的临床试验中并未产生明显的益处，例如维生素E尽管在临床试验最初显示出与安慰剂组相比认知能力下降的减弱，但后续其他研究认为，这可能无法推广到更大的组[32]。但临床前研究显示出了治疗潜力，尤其是当直接针对线粒体时以及AD患者早期治疗开始时，这表明，专门针对线粒体的抗氧化剂可能是治疗阿尔兹海默病的方法。线粒体在程序性细胞死亡中起着关键作用，特别是线粒体通透性过渡孔(mPTP)的作用，有研究表明小分子mPTP抑制剂减弱了Aβ诱导的细胞毒性和线粒体功能障碍[33]，但靶向线粒体功能障碍治疗阿尔兹海默病还有很长的路要走。

4 总结与展望

在研发有效的药物治疗阿尔茨海默病的过程中，失败的概率很高，原因众多。例如，大多数临床试验都招募病程较深的患者，但这可能已经无法实现有效的治疗干预：β淀粉样蛋白在衰老过程中一直存在且不断积累沉积并导致神经元死亡，直到患者的疾病早期症状变得明显。此外，阿尔茨海默病的生物学特性仍不充分，发生机制仍然没有十分明确。线粒体功能紊乱发生于阿尔茨海默病的早期，以线粒体为靶点的临床研究结果令人失望，部分是因为它的药物干预治疗太慢[34]。研究阿尔茨海默病中线粒体变化的机制及其相关性，并最终以线粒体为靶点治疗阿尔茨海默病还任重而道远。