阿尔茨海默病发病机制及基于神经递质治疗的研究进展

郭佳旗，魏颖鸿，张慧，刘宁，杨晶鑫，孔娟

(中国医科大学附属盛京医院临床营养科，沈阳 110004)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)在老年群体中的发病率较高，与胞外β淀粉样蛋白(amyloid β protein,Aβ)沉淀产生及胞内神经纤维纠缠有关[1]，但目前AD具体的发病机制尚不完全明确。全世界约5 000万人患有AD，预计2050年将达到1.315亿人[2]。流行病学调查显示，中国65～85岁人群中AD患病率为5%左右，而85岁以上人群则高达20%[3]。AD主要以记忆力下降、认知恶化、执行力变弱及语言功能减退等为病理表现[4]。目前美国食品药品管理局批准了以神经递质为基础的药物用于AD对症治疗，在轻中度阶段首先使用乙酰胆碱酯酶抑制剂(acetylcholinesterase inhibitor,AChEI)，在中重度阶段使用谷氨酸受体拮抗剂。目前仍无有效的治疗AD的方法[5]。随着AD的进展，患者大脑中参与思考和记忆的部分神经元受损，部分患者伴有精神错乱甚至出现痴呆症状，严重并发症可导致患者死亡，严重威胁人类生命和健康。因此，充分了解AD的发病机制对其治疗具有重要意义。现就AD发病机制与基于神经递质治疗的研究进展进行综述。

1 AD的危险因素

AD与年龄相关，有学者根据人口普查结果预算，2020年美国65～74岁人群中约3.1%患AD，75～84岁人群中约16.7%患AD，85岁以上的人群中约32.2%患AD[6]。可见，AD的患病率随着年龄的增长而升高，85岁以上老年人患病可能性更高。

有研究表明，AD与家族史有关[7-8]，父母有痴呆症病史是AD的危险因素，且有一个以上一级亲属患有AD的人发病风险更高[9]。AD与遗传相关，载脂蛋白E (apolipoprotein E,ApoE)的等位基因包括ε2、ε3和ε4，其中ApoE-ε4是对AD产生影响的风险基因之一[10-12]。ApoE-ε4等位基因的所有基因型(ε2/4、ε3/4和ε4/4)均与罹患AD风险增加有关，而ApoE-ε2/ε2、ε2/ε3和ε3/ε3对AD具有保护作用[13-14]。目前ApoE已成为研究AD新的突破点。

基因突变是AD的危险因素，已报道AD最常见的基因变异有300多个，其中早老素1和早老素2分别位于第14号和1号染色体上，分别含有13和12个外显子[15]。AD的神经元变性和认知功能减退与Aβ病理性聚集有关。Aβ由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)通过β分泌酶和γ分泌酶的酶促反应获得，是一组由39～43个氨基酸残基组成的疏水肽，主要有Aβ42和Aβ40。APP基因突变导致Aβ多肽分泌过量，早老素1和早老素2可以通过调节γ分泌酶介导APP的裂解，导致Aβ42增多和聚集从而产生神经毒性[16]。一项关于人体基因突变的研究发现，与非突变携带者相比，早老素1和早老素2以及APP的突变携带者Aβ沉积增加。有研究发现，患者大脑中Aβ水平在AD预期发病年的22年前已显著增加[17]。更多基因突变与AD的关系仍需进一步研究确定。

AD与性别相关，女性ApoE-ε4与AD的关联性更强。生物标志物分析的结果显示，女性ApoE相关风险的增加可能与Tau的病理变化有关[18]。一项校正了性别、年龄以及教育程度的荟萃分析结果表明，久坐行为与患痴呆症风险的显著增加独立相关，而AD是痴呆症最常见的神经退行性疾病[19]。随着对AD研究的深入，越来越多的危险因素被发现，可以利用这些因素探索更多可能防治AD的方法。

2 AD的发病机制

2.2Aβ沉积假说 Aβ是β分泌酶和γ分泌酶在APP的调节下，两步蛋白水解形成的小分子片段，以单体、二聚体、高聚物和纤维性聚合物等形式存在，如Aβ40和Aβ42。Aβ42有很强的形成淀粉样斑块和沉积的作用，可以产生淀粉样神经斑块[25]。大脑中最早积聚获得的形式是Aβ42。通过增加Aβ生成、提高Aβ42/Aβ40比值、促进Aβ沉积和降低Aβ清除率使Aβ42在大脑中积聚，导致老年斑的形成和沉积，随后发生炎症反应、小胶质细胞激活、细胞因子释放和星形细胞增生等复杂的级联反应[26-28]。这些反应导致进行性神经源性损伤、神经元缺陷和认知功能障碍。而α分泌酶可竞争性抑制β分泌酶的活性，减少Aβ的产生。降低Aβ生成与清除Aβ沉积可为治疗AD提供一定的帮助。

2.3胆碱能假说 胆碱能假说是20世纪70年代中期研究人员对AD患者的大脑进行研究后提出的。AD患者的认知功能障碍程度与乙酰胆碱转移酶活性降低和乙酰胆碱合成减少密切相关。胆碱能假说认为AD早期胆碱能神经元受到影响，基底前脑中胆碱性神经元退化、大脑皮质和其他区域胆碱性神经递质丢失、参与乙酰胆碱合成的胆碱能丧失是导致AD患者认知功能减退的主要原因。胆碱能假说表明，提高乙酰胆碱的突触水平或选择性激动剂变构调节突触后膜的胆碱能受体，能够减少胆碱能突触数量、降低其活性[29]。AChEI负责抑制乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AChE)，阻止突触中乙酰胆碱的降解，从而增加神经细胞中乙酰胆碱的持续积累和胆碱能受体的激活，逆转认知功能障碍。

2.4ApoE假说 ApoE位于第19号染色体上，具有299个残基(分子量为 34 000)，是一种可以通过C端结构域结合胆固醇和磷脂的糖蛋白，在肝、脑星形胶质细胞和一些小胶质细胞中高表达，是受体介导的胆固醇等脂蛋白颗粒的内吞噬配体，对髓鞘的产生和正常的大脑功能必不可少[30]。ApoE基因编码序列的改变使其具有ApoE2、ApoE3和ApoE4三种亚型，ApoE-ε4是散发性AD最严重的危险因子，而ApoE-ε2与ApoE-ε3则是保护因子[31]。ApoE-ε4于1993年被鉴定为AD最明显的遗传危险因素，与常见的异构体ApoE-ε3相比，其患AD的风险增加15倍[32]。ApoE4与大脑中Aβ沉积增加有关，Jones等[33]测量了ApoE结构域中具有显著特异性的异构体，亚型构象差异可增加ApoE4铰链区的裂解水平，从而导致ApoE丧失介导Aβ清除的功能，增加ApoE-ε4等位基因携带者罹患AD的风险。ApoE-ε4基因与神经元外Aβ的淀粉样斑块、神经元内含有高磷酸化Tau的纤维缠结以及AD的其他特征(包括炎症和氧化应激)的积累有关[34]。ApoE假说的提出为人类深入了解AD提供了可能，ApoE是治疗AD的潜在靶点。

Li等[35]研究发现，星形胶质细胞ApoE的载体包括多种微RNA，这些微RNA特异性地下调神经元羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶基因和甾醇14α-去甲基化酶水平，抑制神经元胆固醇合成途径可导致细胞核内乙酰辅酶A积累，组蛋白乙酰化显著上调，最终调控多个神经元H3K27ac的富集，并激活神经元早期应答基因转录，该发现被认为是ApoE介导神经元表观遗传机制的一种新途径。有研究在表达人类ApoE等位基因的小鼠模型中进行了包括增加或降低ApoE表达水平、增强ApoE脂化作用、阻断ApoE与Aβ相互作用以及将ApoE4基因转换为ApoE3或ApoE2亚型等治疗方法的尝试，并获得了成功[30]。但将这些方法应用于人类的临床试验仍具有挑战性。虽然目前还没有针对ApoE的治疗方法，但研究发现ApoE影响AD发病机制与Tau神经纤维变性及星形胶质细胞组蛋白乙酰化有关，还发现AD可能与血脑屏障的破坏有关[30]。这些病理过程可能导致认知功能障碍，因此在此基础上开发针对ApoE的治疗药物具有重要的临床意义。

2.5线粒体功能障碍与氧化应激假说 线粒体是脂质、氨基酸、钙稳态、类固醇代谢和触发细胞凋亡所必需的细胞器，负责维持细胞凋亡、钙平衡、突触可塑性、氧化还原等过程，并参与微管聚合和神经元生长[36],在许多神经退行性疾病中发挥主导作用。有研究表明，线粒体内Aβ的积累导致细胞毒性和神经元死亡[37-38]。AD患者大脑皮质区域的线粒体细胞色素氧化酶(复合体Ⅳ)活性显著降低，这种关键酶的缺乏可能会导致活性氧类的增加，能量储存减少，最终导致神经退化。线粒体Aβ的存在也会影响活性氧类的产生，改变不同脑区线粒体膜电位并导致AD[39]。线粒体功能障碍是发生在AD早期阶段的一种异常现象，并且与α-酮戊二酸脱氢酶复合物、丙酮酸脱氢酶复合物和细胞色素C-氧化酶等氧化代谢过程的关键酶水平降低有关，从而导致能量代谢下降[23]。调节参与线粒体氧化代谢的关键酶，增强线粒体功能可为AD的预防和治疗提供新思路。

有学者认为线粒体功能障碍主要归因于氧化应激，Aβ和Tau蛋白的蓄积以及线粒体发生受损[40-41]。线粒体功能障碍导致抗氧化作用降低，活性氧类水平升高，从而通过产生自由基对线粒体造成损害，影响其抗防御作用[23]。APP和Aβ的存在可能导致线粒体DNA基因表达受损和氧化应激[42-43]。线粒体解偶联蛋白的表达和激活是对氧化应激的一种保护机制，这种保护机制在AD大脑中出现功能失调，解偶联蛋白2、解偶联蛋白4和解偶联蛋白5的表达显著降低[44]。氧化应激可以激活c-Jun氨基端激酶和p38线粒激活蛋白激酶，增强β分泌酶的表达[23]。氧化应激通过调节Tau和Aβ等蛋白加工信号通路的激活参与AD的发展。氧化应激是AD发生的重要因素，患者神经元中的脂质、蛋白质和核酸等成分可能被氧化[45]。因此，可以尝试通过降低氧化应激反应，探寻可能缓解AD的方法。

3 基于神经递质治疗

目前批准的对症治疗AD的药物主要是以神经递质为基础。在轻中度阶段首先使用AChEI，用于稳定患者的认知功能和维持日常活动，包括多奈哌齐、利瓦斯明和加兰他明。它们均能阻止AChE分解乙酰胆碱，而AChE有助于在神经细胞之间传递信息与维持记忆。在中重度阶段使用谷氨酸受体拮抗剂，即N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methylD-aspartate receptor,NMDAR)拮抗剂。AD患者大脑中谷氨酸盐大量释放会对脑细胞造成损害，NMDAR拮抗剂致力于阻止谷氨酸盐的影响[46]。虽然目前的药物不能阻止AD对脑细胞造成的损害，但可能有助于减轻或稳定症状。

3.1AChEI M型乙酰胆碱受体分布于中枢神经系统等不同部位，属于以乙酰胆碱为第二信使的代谢受体类，在特异性激动剂和拮抗剂的基础上进一步分为M1、M2、M3、M4和M5。M型乙酰胆碱受体可以在某些神经元和其他细胞的细胞膜中形成G蛋白受体复合物，参与AD患者学习、记忆和运动过程。基于胆碱能假说缓解AD认知功能损伤的方法，理论上M4型乙酰胆碱受体和M1型乙酰胆碱受体激动剂的胆碱刺激可以防止Aβ的形成和沉积，降低Tau过度磷酸化从而减少细胞内神经纤维缠结，但由于严重的不良反应在临床阶段治疗失败[47]。

20世纪90年代，AChEI作为第一种用于治疗AD症状的药物问世。目前开发的AChEI只能适度缓解AD的认知障碍，并不能阻止该病的进展。通过AChEI来提高胆碱能水平被认为是增强认知和神经细胞功能的治疗策略之一。另一种可能有助于治疗AD的策略是增加胆碱的再摄取，从而增加突触前膜乙酰胆碱的合成。这可以通过靶向胆碱转运蛋白来实现，为乙酰胆碱的合成提供胆碱。开发能够增加质膜胆碱转运蛋白的药物可能成为未来治疗AD的方向[48]。四氢氨基吖啶是美国食品药品管理局批准的第一种治疗AD的AChEI药物，其作用是增加神经元中的乙酰胆碱，但由于肝毒性等不良反应的发生率高已退出市场。目前，已批准的AChEI包括多奈哌齐、利瓦斯明和加兰他明，但仅用于AD对症治疗[49]，尚不能从根本上达到治愈效果。

多奈哌齐是AChEI的第二代药物，是一种吲哚苄基哌啶衍生物，但只对症用于改善AD患者的认知和行为，而不能改变其进展[50]。多奈哌齐可逆地与AChE结合，抑制乙酰胆碱水解，导致突触内乙酰胆碱浓度升高。该药耐受性良好，有轻微和短暂的胆碱能不良反应，这些不良反应与胃肠和神经系统有关。

利瓦斯明是AChE和丁酰胆碱酯酶的可逆抑制剂，通过结合AChE的两个活性位点(阴离子和脂质位点)，从而阻止乙酰胆碱的代谢[49]。利瓦斯明的分解速度较AChE慢，其在突触通过AChE和丁酰胆碱酯酶进行代谢。该药用于轻中度AD患者的治疗，但是口服该药会引起恶心、呕吐、消化不良、腹痛、乏力、食欲减退和体重减轻等不良反应，有些患者由于这些不良反应而停药[51]。

加兰他明是治疗轻中度AD患者的标准一线药物。加兰他明是一种特异性的三级异喹啉生物碱，具有双重作用机制，是AChE的竞争性抑制剂，能结合并激活烟碱型乙酰胆碱受体的α亚基变构。接受加兰他明长期治疗的AD患者整体认知功能稳定，Wallin等[52]的亚组分析发现，加兰他明在认知功能低下、ApoE-ε4等位基因发生率较低的老年患者中获得的短期反应较好，可用于轻中度AD患者的治疗。

3.2NMDAR拮抗剂 NMDAR是由两个NR1亚基和两个NR2亚基或两个NR3亚基组成的四聚体。通过NMDAR进行的谷胱甘肽传递对于神经可塑性、神经元存活以及学习和记忆的形成至关重要[53]。NMDAR激活导致Ca2+内流并触发下游信号转导。在正常情况下，细胞外的Mg2+促进Ca2+进入细胞并发挥生理功能，从而抑制NMDAR。钙调蛋白依赖性激酶和cAMP反应元件结合蛋白被磷酸化，触发形成长期增强效应所需的基因转录，这是神经可塑性和记忆形成的分子基础。美金刚是第一个被批准的针对NMDAR和谷氨酸通路用于治疗中重度AD的药物，其他NMDAR非竞争性拮抗剂药物正在开发中。目前已有几种NMDAR非竞争性拮抗剂进入临床试验，但大多因疗效差、不良反应大而失败[54]。NMDAR拮抗剂亟待更大规模的试验进行验证，仍需不断探索新的治疗方法。

4 其他辅助治疗手段

认知训练可能对轻中度AD患者整体认知感及语言流利性的改善有积极影响，且这些益处可以在治疗时获得延续[55]。认知刺激、音乐疗法和心理治疗(如认知行为疗法)等是治疗痴呆的有效方式，而AD是导致痴呆最常见的原因，这些干预措施可以改善患者的抑郁症和焦虑症，且有助于提高患者生活质量[56]。家庭和其他专业人员的支持性护理也是治疗AD的主要手段。杨静等[57]研究表明，采用健康信念模式护理AD患者可改善患者认知功能，提高患者的生活满意度。建议医疗保健人员使用这些方法，增强患者的生命体验感。同时，让患者待在熟悉的家庭环境中可以满足他们的日常需求，从而获得更高的生活质量。

5 小结与展望

近年来AD发病率逐渐升高，引起人们的广泛关注，因此开展更多与AD相关的课题具有重要意义。虽然目前的药物不能阻止AD对脑细胞的损害，但有助于减轻或稳定患者症状，未来迫切需要研发更加有效的治疗AD的药物。针对AD患者Aβ聚集的病理特点，考虑从减轻Aβ沉积的角度来治疗AD，可以通过使用分泌酶抑制剂减少Aβ生成、接种Aβ疫苗减少Aβ积聚、借助肽类抗聚集物减少Aβ聚集、研发促进Aβ清除或抑制Aβ抗体增加的药物等手段，也可以进一步探索利用丁酰胆碱酯酶抑制剂、β分泌酶抑制剂和γ分泌酶抑制剂等途径阻止AD的进展。对于有AD风险的患者可以加强体育锻炼、调整生活方式并改变膳食结构，同时进行适当的认知训练增强大脑健康，尽可能地减少AD的发生。