能量合成障碍在阿尔茨海默病发病中的作用

牛芬溪，谢 硕，刘 悦，方 芳

(北京中医药大学中药学院，北京 102488)

AD是一种神经退行性疾病，也是目前最为常见的老年痴呆病。据2018年报道显示，全球目前有5 000万人罹患AD，到2030年预计增加到8 200万人，而2050年患者总数将增加到现在的3倍，高达1.52亿人。2018年全球在治疗AD上的花费估计在1万亿美元，2030年总花费预计将达到2万亿美元，给患者的家庭和社会造成了极大的精神和经济负担[1]。AD患者的临床表现以渐行性记忆力减退，认知功能损害为主，但是其早期症状并不明显，发病隐密，导致病因学研究进展缓慢。AD的病理学特征主要包括细胞内高度磷酸化的tau蛋白组成的神经纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)、细胞外Aβ错误折叠形成的老年斑块(senile plaques，SPs)、神经元和突触的丢失。虽然Aβ和过度磷酸化的tau蛋白被认为是导致神经元毒性的重要原因，但针对二者研发的抗AD药物的临床试验效果并不理想。目前尚未发现能够根治AD的药物，越来越多的研究者开始关注AD早期的病理变化，治疗策略也转向多样化。

能量代谢是生物体维持细胞稳态，保证正常生命活动的物质基础。脑组织高代谢速率和神经元维持静息电位和进行突触传递等特点均提示大脑是一个极度需要能量的器官。研究表明，至少7%的早发型AD、20%晚发型AD及35%-50%晚期AD患者的大脑中ATP生成减少，特别是神经元的能量合成减少早于AD认知功能和病理特征的出现，且伴随疾病进展，能量合成逐渐减少并能促进Aβ沉积等病理变化的形成[2]，故能量合成障碍被认为是AD早期特征性病理改变之一。由于血脑屏障的限制，葡萄糖是哺乳动物大脑新陈代谢的主要能量来源，同时葡萄糖代谢还参与神经活性物质(如谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等)生成和神经细胞的增殖，对维持大脑突触重构、增强认知功能非常重要[3]。本文围绕脑血流量和葡萄糖的摄取、利用及代谢调控等环节，综述能量合成障碍在AD中的研究进展。

1 脑血流量降低

脑血流量与大脑葡萄糖和氧的供给有关。非临床期和早期的AD脑组织低灌注比代谢减慢更明显。研究发现，某些脑区脑血流量减少50%时可以降低中枢神经系统中Na+-K+ATPase活性，降低ATP合成，影响蛋白稳态。AD早期血流量降低早于突触和神经元丢失，提示慢性血流降低可能是AD认知功能障碍的重要原因。AD患者脑微血管结构损伤研究发现，AD病人早期脑内毛细血管，特别是在淀粉样斑块周围的毛细血管出现收缩现象，与脑血流降低有关。脑组织中毛细血管收缩除受血管平滑肌调控外，还与周细胞有关。通过测定毛细血管的传递时间及其异质性，可以看出AD患者毛细血管周细胞介导的血流控制被中断。血流量减少导致脑组织缺血缺氧，除直接减少脑组织葡萄糖供给外，还会引起氧化应激和活化内皮素受体，加速Aβ沉积，引起神经元和BBB损伤[4]。Aβ本身也可以直接诱导周细胞介导的毛细血管收缩，减少脑组织血流量，干扰能量合成，促进AD进展。因此，在神经元、突触等未明显损伤前，干扰周细胞介导的毛细血管收缩和毛细血管堵塞，增加脑组织血流量，改善脑能量合成障碍，恢复认知功能已成为新的预防AD的策略。

2 葡萄糖摄取障碍

脑神经元并不能直接合成或储存葡萄糖，它们完全依赖于从外部持续摄取葡萄糖以满足自身功能。由于葡萄糖是一种极性的亲水分子，不能随意透过血脑屏障，它的转运在很大程度上是依靠由SLC5基因编码的钠依赖性葡萄糖转运体(sodium depedent glucose transporter，SGLTs)和由SLC2基因编码的钠非依赖性葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUTs)来实现的。到目前为止，在人体组织中已发现14个钠非依赖性葡萄糖转运蛋白和12个钠依赖性葡萄糖转运蛋白，人脑表达10个GLUT蛋白和10个SGLTs蛋白[5]。研究发现，GLUT1主要负责将葡萄糖从血液运输到大脑的细胞外空间，包括通过55ku GLUT1的跨内皮细胞的转运和45 ku GLUT1向围绕在突触部位的星形胶质细胞的转运，而 GLUT3则主要负责将葡萄糖从细胞外空间运输到神经元，且转运效率远高于GLUT1。但是大脑葡萄糖是首先通过GLUT1进入星形胶质细胞，还是通过GLUT3直接从血管输送到神经元，目前还没有定论。也有研究发现,45 ku GLUT1在少突胶质细胞表达，而非小胶质细胞。除此之外，GLUT2可能主要在星形胶质细胞中表达，也存在于下丘脑神经元中，发挥大脑葡萄糖传感器的作用。GLUT4是一种胰岛素敏感转运蛋白，脑组织高能量需求时，GLUT4提供快速葡萄糖供给[6]。有研究表明，脑葡萄糖摄取量下降和胰岛素敏感转运蛋白表达下降之间具有很强的相关性。GLUT4的活性上调将导致组织对葡萄糖摄取利用的增加。

临床前和临床研究均显示，低水平的葡萄糖摄取与年龄相关的认知障碍有关，更容易出现MCI或AD。脑组织中葡萄糖摄取减少伴随着脑组织结构和功能变化。正电子发射断层扫描(PET)研究发现，AD患者某些脑区，如海马、扣带回、颞叶、顶叶和额叶均显示明显的葡萄糖摄取减少，GLUT1和GLUT3蛋白水平明显降低，且与Tau蛋白高度磷酸化水平相关[7]。18月龄APP/PS1小鼠海马区GLUT1表达明显比同月龄野生型小鼠减少[8]。在雄性3xTg-AD小鼠中，神经元GLUT3和GLUT4表达下降；在雌性3xTg-AD小鼠中，大脑葡萄糖摄取与GLUT3表达降低一致，但与GLUT4的表达无关[9]。在两种淀粉样变性小鼠模型(Tg2576和APP/PS1)的额叶皮质中，老龄小鼠和SAMP8小鼠海马区中均发现GLUT1和GLUT3的表达减少[10]。

已有许多研究表明，通过调控GLUT可以改善能量代谢，进而改善AD病理。Mana等[11]发现，中药复方GAPT(由人参、石菖蒲、多根、姜黄等草本提取物混合而成)通过增加脑葡萄糖摄取、增加葡萄糖转运和改善胰岛素信号通路改善了APP/PS1转基因小鼠的脑葡萄糖代谢损伤。Chen等[12]观察到人参皂苷的肠道菌群代谢产物Compound K通过促进GLUT的活性增加了被Aβ诱导损伤的HT22细胞的ATP生成量。Pang等[13]发现规律运动使得AD模型小鼠脑内GLUT1和GLUT3表达水平提高，ATP生成量增加，突触数目增多，线粒体嵴和边缘清晰完整，提示规律运动后GLUT1和GLUT3在蛋白水平的表达变化是AD模型小鼠能量代谢适应的重要组成部分。

3 葡萄糖代谢障碍

进入神经细胞中的葡萄糖主要的代谢途径包括糖酵解和有氧氧化。糖酵解途径将葡萄糖转变为丙酮酸进入线粒体，在三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)中进一步代谢，通过氧化磷酸化产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)。有研究发现，健康老年人中认知能力与葡萄糖利用有密切关系。应用18F-FDG PET技术可以检测到AD早期伴随着大脑对葡萄糖利用的降低和能量缺失，在无症状家族型AD的高危人群中也检测到葡萄糖代谢显著降低。甚至有报道发现AD患者在出现认知功能减退和脑组织结构无明显改变前，大脑皮层的糖代谢已经出现异常变化[14]。

3.1 葡萄糖酵解障碍进入细胞内的葡萄糖经己糖激酶、6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶等代谢成丙酮酸，此过程中每消耗1分子葡萄糖产生2分子ATP，虽然产生的能量较低，但该过程产生能量的速度快，特别是在突触部位葡萄糖酵解被认为是重要的能量来源，参与突触可塑性。特别是在AD脑中能量需求增加，伴有缺氧和氧化应激，神经细胞更多的依赖糖酵解来合成ATP，且脑组织葡萄糖酵解与脑内Aβ沉积呈显著的相关性。AD患者脑内和微血管中己糖激酶活性降低，同样在SAMP8小鼠皮层、海马和纹状体中也观察到葡萄糖代谢障碍与己糖激酶活性降低有关。此外，AD患者脑能量减少也与葡萄糖酵解过程中的磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶活性异常或表达降低有关[15]。

3.2 线粒体功能障碍线粒体是一种存在于大多数细胞中的双层膜细胞器，负责从葡萄糖代谢、脂肪酸氧化和呼吸等生化过程中产生大量的细胞能量，并以ATP的形式表现出来。葡萄糖酵解产物丙酮酸进入线粒体后经丙酮酸脱氢酶催化产生乙酰辅酶A，除参与能量合成外，还是合成与学习记忆密切相关的神经递质乙酰胆碱的原料，也可通过天冬氨酸-草酰乙酸合成N-乙酰天冬氨酸参与神经髓鞘磷脂的生物合成。α-酮戊二酸脱氢酶复合物可以转变成谷氨酸和GABA，参与维持突触可塑性。大量的研究结果显示，线粒体损伤是AD的主要病理特征，在家族型和散在型AD病人和多种AD动物模型中均可见不正常的线粒体、TCA循环和OXPHOS受损、表现为线粒体数量和体积减小，线粒体膜电位、线粒体呼吸和葡萄糖代谢降低，相关代谢酶如丙酮酸脱氢酶复合物(pyruvate dehydrogenase complex，PDHC)、α-酮戊二酸脱氢酶复合物(α-ketoglutarate dehydrogenase complex，KDHC)、琥珀酸脱氢酶和细胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase，COX)、异柠檬酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶等的表达和活性降低[16]。用13C标记葡萄糖，利用核磁共振波谱分析发现，APPswe-PS1dE9和3xTG-AD小鼠脑内葡糖糖利用明显降低，TCA循环代谢产物谷氨酸、GABA和谷氨酰胺减少，提示这些小鼠大脑中葡萄糖氧化和神经递质循环受损[17]。研究发现APP可以在线粒体中经细胞质中β-分泌酶(β-site APP cleaving enzyme，BACE1)和线粒体上的γ-secretase的剪切产生Aβ。Aβ可以与线粒体膜上蛋白结合进入线粒体，与Aβ结合乙醇脱氢酶(Aβ-binding alcohol dehydrogenase，ABAD)结合导致线粒体功能障碍，降低COX活性并损伤线粒体ETC，从而导致活性氧生成增加和ATP生成减少，生成的活性氧进一步加重线粒体功能障碍，如此形成一个恶性循环[18]。转染AD患者mtDNA的细胞内活性氧明显增加，AD患者脑线粒体mtDNA含被氧化的碱基含量高于核DNA，提示出现线粒体功能障碍和氧化损伤。“线粒体级联学说”认为线粒体功能障碍是能量合成障碍的重要环节，也是AD发病早期的最主要特征。促进线粒体合成，恢复线粒体功能，改善大脑能量代谢被认为是一种抗AD的治疗策略[19]。见Fig 1。

Fig 1 Induced mitochondria by Aβ led to impaired glucose metabolism, decreased energy synthesis and impaired neuronal structure and function

4 葡萄糖能量合成相关的调控分子缺陷

4.1 胰岛素/胰岛素样生长因子1信号 (insulin/insulin-like growth factor-1 signaling，IIS) 缺陷胰岛素作为一种重要的生长因子，不仅能通过血脑屏障，也能在大脑内合成，参与调节细胞生长、能量利用、线粒体功能、自噬、氧化应激、突触可塑性和认知功能。胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)又称促生长因子，与胰岛素分子结构类似，可增加对胰岛素的灵敏度，促进葡萄糖的利用。胰岛素和IGF-1与两个高度相关的酪氨酸激酶受体-胰岛素受体(insulin receptor，IR)和IGF-1受体(IGF-1R)结合后，磷酸化IR受体和与其共定位的胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)，活化的IRS通过激活PI3K/Akt信号通路参与葡萄糖摄取、神经元存活和突触可塑性调节[20]。另外，胰岛素和IR与GLUT4共同定位于海马和脉络丛神经元，提示GLUT4在胰岛素/IR诱导的葡萄糖摄取中具有重要作用。Pharaoh等[21]研究发现IGF-1缺乏会损害雄性Igf1f/f小鼠依赖海马的空间获得和反转学习，海马线粒体氧化磷酸化偶联效率和皮层ATP水平降低。Logan等[22]利用原代培养的星形胶质细胞，通过减少IGF受体表达来降低IGF-1信号，结果发现ATP的合成显著受损。IGFR缺陷的星形胶质细胞还表现出葡萄糖摄取受损、线粒体结构和功能改变。故IIS信号通路在调节葡萄糖代谢，维持能量稳态等方面发挥着不可替代的作用，见Fig 2。

Fig 2 Regulation of insulin signaling pathways on bioenergetic synthesis of glucose

在AD患者脑中和Aβ 1-42寡聚体诱导的人星形胶质细胞模型中均发现胰岛素、IGF-1及其受体和下游信号分子(PI3K/Akt)的mRNA和蛋白质出现了显著地下降。有研究发现，3xTg-AD小鼠早在1个月时就表现出糖耐量受损，约14个月时检测到斑块、18个月时出现过度磷酸化tau聚集和认知功能下降，且出现AD病理症状前就伴随着血浆胰岛素水平的下降，而PI3K/AKT信号通路在18-20月龄的3xTg-AD小鼠中发生了改变[23]。6月龄APP/PS1小鼠表现出认知能力受损，葡萄糖耐受不良，海马中胰岛素受体转录降低，线粒体功能障碍，能量代谢异常均早于淀粉样斑块形成。脑室注射链尿佐菌素的大鼠出现胰岛素抵抗，脑葡萄糖代谢及能量代谢异常，进行性学习记忆能力降低。Aβ可以与胰岛素竞争与受体结合引起胰岛素抵抗，导致葡萄糖代谢紊乱，胰岛素信号通路受损可抑制胰岛素降解酶的表达和活性，增加Aβ沉积，导致AD发生[24]。这些研究提示IIS信号通路的障碍，包括脑胰岛素抵抗、IGF-1抵抗和IRS1功能障碍会影响葡萄糖代谢，引起能量合成障碍。Lee等研究发现来自阔叶山麦冬的新化合物(LP9M80-H)正是通过诱导IRS2表达增加，通过PI3K/Akt促进神经元葡萄糖转运体的生物合成，增加葡萄糖的摄取和利用，导致ATP的产生增加[25]。胰高血糖素样肽(GLP-1)是脑内神经元产生参与调节血糖水平的物质。GLP-1以依赖血浆葡萄糖水平的方式改变血-脑葡萄糖转运和脑内葡萄糖代谢率，具有改善胰岛素抵抗的作用。研究发现GLP-1能调节星形胶质细胞和5xFAD小鼠皮层的糖酵解作用，减少氧化损伤，增加ATP产生，改善小鼠认知功能[26]。

4.2 AMPK信号通路缺陷AMPK(adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK)是一种在真核细胞中保守的细胞能量传感器，它能抑制消耗能量的合成代谢过程，促进产生能量的分解代谢过程，任何通过干扰ATP合成来扰乱能量平衡的代谢压力都会激活AMPK。当线粒体功能发生障碍时，细胞中AMP/ATP比例将会上调，导致AMPK被激活。活化的AMPK可以触发GLUT的膜移位，增加葡萄糖摄取，促进葡萄糖酵解和ATP产生。特别是AMPK可磷酸化并直接激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)。PGC-1α是线粒体生成的主要调控因子，也是能量代谢的关键调节因子。该信号通路除了能够发挥调节大脑能量代谢，改善大脑的摄取速率和代谢率，防止神经元退变和死亡的作用之外，还可调节BACE1的转录、合成和活性，减少APP代谢生成Aβ，进而减少淀粉样斑块的形成，防止AD的发生发展[27]。临床研究表明，AD患者AMPK活性降低，PGC-1α的mRNA及蛋白水平均低于健康人群。白藜芦醇通过增强AMPK和PGC1α活性，激活SIRT1促进线粒体发生，能减轻Aβ1-42诱导大鼠学习记忆障碍和APP/PS1的小鼠脑内淀粉样斑块的产生和氧化应激反应[28]。

4.3 缺氧诱导因子表达降低缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)是GLUT1和GLUT3的主要调节因子，在正常糖代谢中起着重要的作用[29]。在AD患者脑内可以观察到HIF-1下调，可能是由于氧化应激增加破坏了HIF-1的稳定性，因此，GLUT1和GLUT3水平的降低可能是由于HIF-1下调所致。研究发现通过CRISPR/Cas9技术对HIF-1α和GLUT1双基因敲除抑制了PI3K/Akt/mTOR通路，导致葡萄糖摄取减少[29]。

4.4 雌激素缺乏雌激素是一种类固醇激素，参与葡萄糖转运、糖酵解和有氧氧化，同时对葡萄糖代谢过程中活性氧的产生和清除具有调节作用。女性绝经后，卵巢功能衰退导致体内雌激素水平降低是AD发生的危险因素。雌激素缺乏可导致小鼠认知功能、葡萄糖摄取减少，葡萄糖转运蛋白表达减少，线粒体能量代谢损害[30]。

5 结语

综上所述， 葡萄糖摄取、利用和代谢调控障碍，与AD大脑中的能量合成障碍密切相关，但这三者之间的因果关系，特别是不同脑区、不同类型神经细胞中能量代谢障碍的差异目前还不十分明确。虽然体内参与能量合成的生物学过程相当复杂，但已有很多研究试图从上述环节发现如何增强脑内葡萄糖摄取和利用，改善线粒体功能，提高大脑能量合成延缓AD的发生和进展，发现了许多改善能量合成障碍的化合物具有改善AD病理特征的作用，但大多数还处于动物实验阶段，为更好保证临床应用的有效性和安全性，仍需进一步深入研究。