肥胖诱导阿尔茨海默病相关神经系统损伤机制的研究进展

潘智博，于文磊，陆林杰，钱祁玮，王欢欢

(杭州师范大学 医学部，浙江 杭州 311121)

随着生活水平的提高、生活方式和营养摄入模式的改变，肥胖已成为当代社会的普遍问题。肥胖是指一定程度的明显超重与脂肪层过厚，是体内脂肪积聚过多而导致的一种状态。肥胖所带来的健康问题不容小觑，研究[1-2]表明，肥胖会增加心血管疾病的患病风险，影响消化系统功能，甚至增加癌症发生的概率，是许多疾病的隐性危险因素。流行病学研究[3-4]表明，肥胖不仅可引起传统代谢性疾病，还与神经系统的损伤有着密切联系，如肥胖造成的脂质代谢异常可导致海马结构的改变，进而产生轻度认知障碍，具体表现为阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)患病风险上升。本文总结肥胖对AD相关神经系统损伤的分子机制，归纳炎症反应、氧化应激反应、免疫失衡、细胞DNA损伤与中枢神经系统(central nervous system，CNS)损伤的联系[5-8]，为神经系统疾病的治疗与预防提供一定的参考。

1 肥胖与AD相关流行病学研究

AD是常见的神经退行性疾病[9]。据国际AD协会公布的数据，2001年全球约有2 340万例AD患者。根据疾病测算负担软件DISMOD所估计的发病率，全球每年约新增460万例AD患者，至2040年AD患者人数将达到8 100万。目前普遍接受的AD发病机制为淀粉样蛋白级联假说，该假说的核心为AD的病理标志是淀粉样蛋白β(amyloid β protein，Aβ)肽。Aβ肽是淀粉样蛋白前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)的水解产物。APP有两种裂解代谢途径：淀粉样和非淀粉样蛋白途径，其中非淀粉样蛋白途径可以减少Aβ肽对神经元的损伤。

流行病学研究显示，AD的发生与机体能量代谢有着密切联系，肥胖是AD发病的高危因素之一。Whitmer等[10]对加利福尼亚州北部的Kaiser Permanente医疗护理项目的10 276名成员进行了长期性观察，结果显示，在713名被诊断为AD的患者中，肥胖比例为12.2%(正常人群为9.9%)。而另一项对1 449例老年人长期的随访研究[11]表明，中年肥胖与AD患病率呈正相关[12]，中年肥胖患者(BMI≥30 kg/m2)患AD的概率是正常人群的1.39倍。

2 肥胖诱导AD相关神经系统损伤的分子机制

2.1 肥胖与中枢炎症反应 肥胖及包括糖尿病在内的代谢综合征可诱发全身性炎症反应[13]，其中慢性炎症以及下丘脑炎症均可通过不同途径造成神经系统损伤。

由代谢综合征引发的神经病理学损伤通常是由血脑屏障(blood brain barrier，BBB)通透性增加引起的。BBB是一种保守结构，其基本结构是由紧密连接蛋白连接在一起的内皮细胞构成，可阻挡血液中有害成分进入CNS，BBB的完整性是保证神经系统正常运作的核心。许多神经系统疾病的发生与BBB完整性的破坏有密切联系[14-15]。研究表明，BBB通透性的增加与炎症反应有关[5]，而慢性炎症则是肥胖患者体内的典型病理改变[16]。

核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是细胞内重要的基因转录调控因子之一，NF-κB的错误调节会导致多种慢性炎症反应、自身免疫性疾病甚至癌症[17]。目前肥胖研究的造模通常采用小鼠高脂肪饮食(high fat diet，HFD)方法，特别是喂养富含饱和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)(如棕榈酸)的饲料。在饲养过程中，与中枢炎症有关的症状甚至在小鼠体重增加之前就可观察到，这表明SFA在早期炎症通路激活中起着重要作用，其机制可能是SFA与TLR4相互作用并激活髓样分化因子88(MyD88)，使NF-κB活化；胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)和瘦素水平(leptin，LP)是影响该途径的重要因素。另有研究[18]表明，肥胖导致的IR可通过抑制SOCS3进行预防，该途径可以由NF-κB激活引起的SOCS3表达抑制来实现。肥胖引起的慢性炎症反应还可造成细胞内DNA损伤[19]。活化的巨噬细胞分泌的细胞因子(如TNF-α和IL-6)，诱导趋化因子释放使非目标组织的DNA损伤远离炎症部位，随后这些细胞因子进入身体的不同区域并激活定居的巨噬细胞，产生促炎分子如COX2，NOS，ROS和NO等[20-21]。这些分子的释放可导致细胞中DNA氧化性损伤。另外，吞噬了凋亡细胞的巨噬细胞能移动到机体的另一区域靶向释放细胞因子，造成细胞DNA损伤。细胞因子的转移可以通过巨噬细胞使大量诱导损伤的信号在远处的组织传递开来。通过这种手段，肥胖引起的慢性炎症可以造成体内不同组织细胞DNA损伤，从而损伤神经系统。

另外下丘脑也是由HFD诱导的最常见炎症区域之一[22]。作为能量代谢平衡的主要控制中心，下丘脑的损伤会加速肥胖的发展[23]，具体表现为下丘脑炎症可以在短短几天内提高HFD小鼠的体重。如上所述，一方面SFA通过NF-κB途径产生慢性炎症，损伤CNS；另一方面诱导下丘脑炎症，降低其调节瘦素水平和胰岛素抵抗的能力，并且长期的HFD还会减少下丘脑神经元的突触数量并诱导神经细胞凋亡，最终导致神经系统损伤。

2.2 肥胖与氧化应激反应 氧化应激反应在肥胖的发展中起着重要作用，许多研究均证实了肥胖与氧化应激机制之间的联系[24]。饮食习惯造成的高血糖症和线粒体功能障碍造成的代谢综合征等不仅会使体内的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)增加引起氧化应激，还会进一步氧化修饰DNA以及下调机体内重要基因表达，从而造成神经系统损伤。

氧化应激与日常膳食消耗的营养素绝对量及其类型息息相关。营养素绝对量不仅会诱导氧化应激反应，更可能进一步推动肥胖及其相关的非传染性疾病的发展。营养素绝对量与氧化应激反应之间的关系与NF-κB介导的细胞信号转导途径相关[25]。碳水化合物或高脂类物质的摄入会导致更多的底物进入线粒体呼吸链[26]。在高血糖症中，细胞内过量的底物使糖酵解途径和三羧酸循环过载，导致NADH和FADH2过量产生，使线粒体内膜质子梯度升高，复合体III中的电子泄漏，生成大量的ROS。ROS抑制3-磷酸甘油醛脱氢酶，并通过4种替代途径将上游糖代谢产物进行转换：(1)葡萄糖转移到多元醇途径；(2)6-磷酸果糖转移到己糖胺途径；(3)磷酸丙酯产生甲基乙二醛途径；(4)磷酸二羟丙酮转化为二酰基乙二醇，激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)途径。其中甲基乙二醛是晚期糖基化终产物(advanced glycation end product，AGE)的主要前体物质。这些替代途径的激活通过进一步增加ROS的生成或削弱抗氧化防御能力来诱导氧化/亚硝化应激反应[27]。几项动物实验表明，在多元醇途径中，NADPH消耗增加迫使葡萄糖向山梨糖醇转化，激活应激基因引起氧化应激反应。在己糖胺途径中形成的6-磷酸葡糖胺可抑制硫氧还蛋白还原酶活性引起氧化应激和内质网应激。最后AGE和PKC途径可分别通过激活NOx和NF-κB诱导ROS/RNS的产生[28]。此外ROS过量生成，小鼠体内代谢基因、管家基因和结构基因的表达皆呈现出下调，均表明肥胖对神经系统有损害作用。

另外肥胖与线粒体功能有着直接联系，一方面脂肪细胞有利于维持能量储存和消耗之间的平衡，而维持这种平衡需要正常的线粒体功能；另一方面，在平衡过程中许多脂肪因子是重要的调节剂，包括TGF-β超家族、转录共激活因子PGC-1α和PRDM16。线粒体在ATP的产生、消耗以及ROS的处理中起着重要作用[29]。尽管氧化磷酸化在线粒体中十分高效快速，然而仍存在少量过剩的电子，这些电子会造成O2生成减少，从而形成潜在的有害氧自由基。除此之外，在某些条件下，质子通过各种解偶联蛋白，可以重新进入到线粒体基质，其结果是线粒体对氧自由基产生失控[30]，造成氧化应激反应。

流行病学数据[31-32]表明，多数肥胖患者体内均存在DNA损伤，而体内大多数内源性DNA损伤来自于ROS的氧化修饰，这些损伤是促进肥胖及相关疾病发展的关键因素。当ROS破坏能力超过人体抗氧化防御系统能力时，ROS会与体内各种大分子物质进行反应，包括碳水化合物、蛋白质、磷脂和核酸等。而在这过程中，这些大分子物质的结构会因氧化修饰而发生改变[33]，其中DNA的氧化修饰因其副产物具有重要的诱变潜力而尤为突出，其主要副产物有8-羟基鸟嘌呤(8-hydroxyguanine，8-OHdG)，7,8-二氢-8-氧鸟嘌呤，胸腺嘧啶醇，4,6-二氨基-5-甲酰胺基嘧啶和2,6-二氨基-4-羟基-5-甲酰胺基嘧啶[34]。关于8-OHdG水平在肿瘤发展中的重要作用已被广泛证实，在DNA复制期间，高水平的8-OHdG可引起碱基颠换(GC至TA)的变化，从而导致癌变。

2.3 肥胖与免疫细胞失衡 研究已经证实肥胖与慢性炎症之间的关系[16]，而局部组织中的免疫细胞，尤其是内脏脂肪组织中的免疫细胞，在肥胖诱导的炎症调节中有着重要作用。几项动物实验结果显示，肥胖会增加促炎性免疫细胞的数量及其活化，其中包括M1巨噬细胞、中性粒细胞、CD4 T细胞和CD8 T细胞[35]；可抑制抗炎细胞的活性，如M2巨噬细胞、CD4调节性T细胞，调节性B细胞和嗜酸性粒细胞[36]。

有研究[37-39]表明，在小鼠和人类中，脂肪组织中的巨噬细胞数量与胰岛素抵抗呈正关系，主要原因是巨噬细胞产生的TNF-α，一方面是胰岛素信号的有效抑制因子，另一方面还是NF-κB信号的有效活化因子[40-41]。此外在脂肪组织中，巨噬细胞还能通过细胞表面的TLR4与胎球蛋白A相互作用并活化，产生NF-κB[42-44]。另有动物实验表明，在小鼠胚胎成纤维细胞(3T3-L1)中，TNF-α通过P44/42促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)使胰岛素受体底物-1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)失活，从而直接阻碍胰岛素信号转导。促炎应激传感器和信号通路的慢性激活也可导致免疫失衡：具体表现为P44/42、JNK、P38和MAPK可通过皮下脂肪定居的巨噬细胞产生的TNF-α间接刺激脂肪细胞中的脂肪分解，从而影响机体降解脂质的能力[45-46]。值得一提的是，体外于棕榈酸中培养的单核细胞的IL-6和TNF-α在mRNA水平上呈上升趋势[47]。而巨噬细胞与脂肪细胞共同培养时，巨噬细胞产生的TNF-α和IL-1β同样显著增加[42]。由于TNF-α、IL-6和IL-1β可刺激NF-κB和JNK的前馈激活，导致丝氨酸残基而非酪氨酸的IRS-1磷酸化，进而使胰岛素信号转导损伤永久化，产生免疫毒性损伤神经系统。

2.4 肥胖导致神经系统损伤机制间的关联 综上，肥胖患者体内NF-κB信号通路的调节可改变BBB的通透性进而引起中枢系统的炎症。另外，肥胖诱导的巨噬细胞M1/M2极化失调，一方面经MAPK途径引起免疫失衡，另一方面前馈激活了NF-κB信号通路，诱发其免疫毒性反应。细胞因子失衡还可导致IR表达异常，转而影响NF-κB信号通路。在氧化应激反应诱导的神经系统损伤中，ROS的氧化修饰会损伤部分组织细胞结构，改变组织功能，进而造成炎症反应及免疫细胞失衡。

3 结语

AD造成的神经系统损伤包括炎症反应、氧化应激反应、免疫失衡、DNA损伤与染色体畸变等，肥胖也可造成以上几种病理损伤，故推测肥胖与AD的发生、发展有着潜在的关系。

本文将肥胖导致的AD相关神经系统损伤机制归纳如图1，主要包括：(1)脂质代谢异常与TLR4相互作用引发的中枢炎症反应；(2)巨噬细胞M1/M2失衡导致的免疫毒性；(3)线粒体呼吸链底物过量所引发的氧化应激及DNA损伤，具体靶点见表1。其中炎症反应和氧化应激反应是目前较为明确的与AD相关神经系统损伤有关的机制。进一步深入研究肥胖对AD相关神经系统的损伤机制可为神经系统疾病提供更多的治疗手段。

图1 肥胖造成神经系统损伤机制图

表1 肥胖对AD相关神经系统损伤相关细胞因子、活性氧及细胞信号通路蛋白的影响