铁在帕金森病发病过程中的研究进展

李映霞，李海霞，程芸，谷有全，雒扬

帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）是患病率较高的神经退行性疾病，在我国已达1.7%[1]。黑质多巴胺能（dopaminergic，DA）神经元和其他非DA神经元不可逆死亡是其主要病理基础，但造成这种神经元进行性死亡的原因并不清楚。现有的研究机制倾向于神经炎症、小胶质细胞激活、肠道种群失调及蛋白质平衡失调之间的相互作用[2]。最新研究表明也可能与铁进行性沉积有关，铁离子的沉积会激发大量的小胶质细胞及氧化应激反应[3,4]。探讨异常铁离子沉积，有利于探索PD的诊治新方案。

1 铁的生物活性

铁是人体内含量较高的微量元素，可作为酪氨酸羟化酶的辅因子，在细胞质中将酪氨酸转化为DA。铁的生物学功能主要依存于其氧化还原电位，该电位允许铁离子从亚铁状态（Fe2+）向三价铁离子（Fe3+）的可逆转变，从而催化电子转移[5]。伴随着氧气和过氧化氢的产生，该氧化物通过Haber-Weiss和Fenton 氧化反应形成一种具有高强度反应性和高度破坏性的十二羟基自由基[3,6]。该途径在许多与铁代谢相关的慢性疾病有重要作用。服用铁螯合剂可改善PD患者的症状[7,8]。最近的一项II期临床试验数据也证明了该观点[9]。

2 PD中可能存在的铁代谢异常

脑铁代谢涉及多种功能蛋白，例如铁蛋白、二价金属转运蛋白1（divalent metal transporter 1，DMT1）、转铁蛋白（Transferrin，Tf）及其受体（Transferrin receptor，TfR）、铁调节蛋白（iron regulatory proteins，IRP）。铁蛋白、DMT1和Tf-TfR分别负责铁的存储和摄取，与Tf-TfR 途径相关性较大的是TfR1；IRP负责控制细胞内铁水平。在铁缺乏的细胞中，IRP与铁反应元件（iron responsive element，IRE）结合编码TfR1与DMT1的mRNA，促进铁的吸收[10]。铁输出蛋白（ferroportin，FPN）在肝素和铜蓝蛋白的协助下，负责铁的输出。铁调素是由肝脏产生的一种铁调节因子，其主要通过结合FPN发挥作用。当铁调素与FPN1 结合时，铁离子向细胞外的释放受到抑制，最终导致细胞内铁含量病理性增加。

2.1 铁转运体在PD患者黑质铁沉积中的作用

正常衰老伴随着大脑中铁的逐渐积累，在黑质、壳核、苍白球、尾状核和皮质等区域最明显，这些部位的功能异常是引发神经退行性疾病的主要部位[11]。抑制TfR1 后，中枢神经系统（central nervous system，CNS）中的铁水平降低，并显著改善鱼藤酮引起的果蝇神经变性表型。敲除TfR1 基因后鱼藤酮诱导的PD 模型中活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平明显降低，这种对散发性PD的挽救作用都可以被Malvolio 过表达抑制[12]。这提示CNS 中的TfR1 在黑质铁沉积中发挥重要的作用。除了TfR，研究证明DMT1 在脑铁代谢中也起关键作用，并在黑质神经元中高表达。研究显示，PD患者的DMT1+IRE 水平显著升高，显著导致PD 患者黑质中的铁蓄积[13]。辅助FPN1输出铁的铜蓝蛋白和肝素在PD 患者中明显降低，敲除铜蓝蛋白和肝素后，小鼠脑内出现明显的铁沉积。

2.2 L 型电压门控钙通道在PD 患者黑质铁沉积中的作用

L 型电压门控钙通道（L-type-voltage-gated calcium channel，LTCC）有Cav1.2 型和Cav1.3 型2种，神经元中主要表达Cav1.2 型。在PD 患者黑质中LTCC 表达水平显著高于正常对照。在PD 模型小鼠中发现铁离子可以通过LTCC与钙离子竞争进入PC12 细胞和N-2α细胞，在铁超载条件下这种情况可能会加剧。研究还表明，LTCC 阻滞剂硝苯地平可以缓解铁超负荷产生，进而减少DA 神经元变性和大鼠黑质中的铁蓄积[14]。另外Wang 等[15]通过LTCC 阻断剂伊拉地平抑制黑质中L 型Cav1.2 和Cav1.3钙通道后，MPTP诱导的PD小鼠神经毒性和铁蓄积显著降低。这些证据表明，LTCC在PD患者黑质铁的选择性蓄过程中有重要作用。

2.3 ATP 敏感性钾通道在PD 患者黑质铁沉积中的作用

ATP 敏感性钾（ATP-sensitive potassium，K-ATP）通道在CNS 中广泛表达，参与神经元电活动调节及α-突触核蛋白（α-synuclein，α-Syn）调控。成熟的DA 神经元中的K-ATP 通道由内向整流钾通道家族成员Kir6.2为主。K-ATP通道可能通过诱导细胞膜超极化来增强DMT1 对SK-N-SH 细胞的铁吸收功能，进而促使细胞铁的浓度增加和氧化应激的产生。Zhang等[16]发现敲除Kir6.2 基因能极大地减轻MPTP 诱导的PD 样运动功能障碍。可能的机制是弱化IRP-IRE 调节系统的铁吸收作用，抑制重链铁蛋白的过量产生，缓解了小鼠中脑中过多的铁蓄积，保护黑质DA 神经元免受MPTP 攻击。K-ATP 通道、铁反应元件及铁调节蛋白对黑质铁沉积的作用，应进一步探索。

2.4 自噬溶酶体途径在PD患者黑质铁沉积中的作用

人体储蓄的铁及铁蛋白主要通过自噬溶酶体途径（Autophagy-Lysosome Pathway，ALP）和蛋白酶体消化释放。溶酶体通过自噬降解含铁底物或巨噬细胞吞噬红细胞而回收铁，当细胞铁通过Tf输出或者通过药物鏊合耗尽胞内游离铁时，铁蛋白会通过ALP 及蛋白酶体降解铁蛋白补充铁的供应。ALP途径维持了铁蛋白和其他含铁成分的降解及细胞铁循环。当该途径受损时，会使铁蛋白大量沉积[17]，导致DA神经元和黑质致密部细胞中的自噬缺陷，造成α-Syn水平和ROS水平的升高，进而导致黑质致密部细胞通过DMT1和α-Syn增加对Fe2+的吸收，反作用于溶酶体自噬和细胞死亡[18]。

2.5 轴突运输在PD患者黑质铁沉积中的作用

FPN主要分布在神经元的胞体、轴突和树突中，但是大部分神经元中仍有铁离子，表明铁在神经元内存在轴向运输。研究证明，在脑室内注射59Fe-转铁蛋白24 h后，在远离脑室的脚间核检测到铁的放射性，表明浆核内侧核接受到远处轴突传来的投射。后研究发现腹侧海马及丘脑的铁可以通过内侧前额叶皮质到黑质，形成了2条黑质铁沉积的投射系统。Wang等[19]发现黑质被编程为只能存储从内侧前额叶皮质转移的铁，但不将其导出。因此，轴突运输可能是黑质铁沉积的另一重要通路。

3 铁在PD发病机制中的作用

3.1 铁和氧化应激

氧化应激和小胶质细胞的过量激活是PD 病因研究的热点。研究表明铁沉积除了可通过Fenton 反应促进大量异形小胶质细胞激活[20]，产生大量的炎症级联反应外，还可以通过其调节因子铁调素，引起细胞铁代谢的紊乱。铁调素的表达受许多细胞内信号的调节，在缺氧、高铁微环境和炎症等情况下会导致Hepcindin过表达，减弱对FPN的作用，抑制铁的输出、诱导神经元内铁超载、大量氧化应激反应产生、线粒体功能障碍和细胞死亡。因此，铁调素和铁代谢与氧化应激有着密切关系。另一方面，产生的ROS 既是细胞信号分子，又是有害氧化剂[21]。ROS在线粒体中的产生和大量积累会肆意攻击细胞，引起线粒体损伤或线粒体膜超极化。受损的线粒体通过向细胞质中大量释放凋亡蛋白cytC 激活经典的细胞程序性死亡途径，进而导致DA神经元凋亡，促进PD的发生[22,23]。

3.2 铁和泛素-蛋白酶体系

泛素-蛋白酶体系（Ubiquitin-Proteasome System，UPS）是泛素介导的降解错误折叠和异常蓄积蛋白质的复杂且高度特异的细胞自我修复的途径，真核生物中绝大部分的蛋白受到其调控。黑质中的UPS 损伤和铁的积聚有密切关系。过量的铁可损害UPS，微量注射蛋白酶体抑制剂lactacystin可缓解该通路异常引起的DA丢失。DFO及膜透性铁螯合剂VK-28和M30不仅对lactacystin 诱导的黑质纹状体变性具有神经保护作用，而且还具有神经恢复作用[24]。所以，铁螯合作用可通过UPS发挥保护DA神经元的作用，并减缓DA神经元退化。另外，当UPS发生损伤时，又会通过IRPS 引起铁的积累[25]。因此，UPS 的调节失调和铁的积累成恶性循环，即UPS 受损会导致铁超载，而铁水平的增加则会进一步加剧UPS功能障碍。

3.3 铁和α-Syn聚集

α-Syn的聚集与许多因素有关，是PD发生的关键事件。铁可能通过IRP-IRE信号通路调控α-Syn的转录和合成。Chen等[26]发现在体外人SK-N-SH细胞中，α-Syn的mRNA水平在IRP1敲低后上调。当IRP不能与IRE结合，敲除IRP1，细胞中会形成大量有害的α-Syn聚集体。研究证明铁可通过其氧化还原活性造成α-Syn反平行聚集[27,28]。Kostka M等[29]提出在乙醇或二甲基亚砜存在的条件下，Fe3+诱导的抗氧化的α-Syn寡聚体能在脂质平面双层中形成孔，最终通过增加膜通透性导致细胞毒性。另外，α-Syn 也起细胞亚铁还原酶的作用，能将Fe3+还原为可利用的Fe2+[30]。这证明PD 中α-Syn 表达增加可能导致Fe2+过量生成。α-Syn 的聚集可进一步导致亚铁还原酶活性的丧失，更加造成Fe3+的积累[31]，加速DA神经元的死亡。

3.4 铁和基因突变

Parkin、α-Syn、LRRK2、PINK1 和DJ-1 是已知与PD 相关的几种基因，上述基因的缺陷会导致磷脂膜合成、髓鞘形成或髓鞘维持受损。功能失调的膜可能导致溶酶体和线粒体损伤，导致ROS产生和铁摄取上调。铁沉积可进一步改变Parkin基因的溶解度，并导致其在细胞内聚集[32]。另外，在与α-Syn、LRRK2、PINK1 或DJ-1 基因突变有关的PD 的筛查中，经颅多普勒检查发现与健康对照组相比，PD 患者均显示黑质的高回声性[33]，间接表明黑色素铁水平升高。

4 铁在PD治疗中的作用

铁与PD病理的相关性表明铁螯合剂可能是一种有前途的治疗策略。2012 年，Kwiatkowski 等[34]探索了去铁酮对轻度PD患者的疗效。治疗前该患者双侧齿状核、黑质和红色核中铁水平均升高，经长期使用去铁酮治疗后，患者双侧齿状核中的铁显著减少，并在治疗1年后患者的状况得到积极改善，并无明显的神经或血液学副作用。近期，Devos等[7]的一项双盲随机实验显示：用去铁酮（30 mg/kg/d）治疗12 个月以上的早期PD 患者，运动障碍和黑质中的铁明显得到改善。虽然铁螯合治疗对缓解PD症状有积极的作用，但其疗效可能受到膜亲和性和通透性的影响，且有可能与其他神经精神类药物相互作用，造成额外的神经元的损伤。因此寻找天然低毒的铁螯合剂显得尤为重要，研究发现黄芩的主要成分黄芩苷、大豆主要成分染料木素、姜黄科植物中的姜黄素、杨梅素及人参中活性成分人参皂甙和银杏黄酮能发挥很强的铁螯合作用[35]。与药物相比，这些典型的天然化合物具有抗神经毒性的作用且副作用较少的优势，值得进一步探索。

5 结论与展望

从与铁代谢紊乱的相关通路出发，寻找新的PD 治疗方法有重要意义。除了寻找天然低毒具有神经保护作用的天然铁螯合化合物，还因从编码铁的基因蛋白及调控铁的铁调素出发，寻找铁调素抗体及K-ATP、LTCC通路阻断剂，保护天然自噬通路等。此外，PD一经诊断其症状就不可逆转，所以开发非侵入性高分辨率成像技术，帮助PD患者早期识别细胞内铁沉积，并追踪高危个体，对降低PD疾病的进展也具有重要意义。