铁代谢在运动改善阿尔茨海默病中的作用与机制研究进展

黎超洋，崔凯茵，房国梁

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种慢性神经系统退行性疾病，以进行性认知功能障碍和记忆衰退为主要临床症状（Nelson et al.，2009）。AD 主要以神经纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）（Kadavath et al.，2015）、β-淀粉样蛋白（amyloid-β，Aβ）沉积（Cheignon et al.，2018）等为显著病理学特征。但由于AD 的发病机制尚未明确，目前用于治疗AD 的临床药物，如乙酰胆碱酯酶抑制剂以及N-甲基-D-天门冬氨酸受体拮抗剂等只能在一定程度上延缓AD 进程，无法达到根治的效果（Fisher，2008）。因此，通过非药物手段预防AD 发生至关重要。

近年来，大量研究表明，科学、规律的运动锻炼能够有效提高大脑认知功能和学习记忆能力（Arrieta et al.，2018；Song et al.，2019）。研究表明，运动可以调节AD 动物模型脑内铁调素（hepcidin，Hepc）和铁代谢相关蛋白的表达，缓解脑细胞中铁超载情况，从而减少活性氧（reactive oxygen species，ROS）及Aβ 对神经细胞的毒害作用（Belaya et al.，2021）。但目前国内外鲜见综述性研究报道运动调节铁代谢进而改善AD 的作用与机制。基于此，本研究旨在分析脑内神经元铁代谢的分子机制，梳理铁超载与Aβ沉积、Tau 蛋白异常磷酸化、铁死亡和运动之间的关系，阐明运动通过调节铁代谢进而改善AD 的作用机制。

1 铁的生理作用及铁代谢过程

1.1 铁的生理作用

铁元素是体内含量最多且不可或缺的微量矿物质，正常成年人的铁含量为3～5 g。铁在机体内主要参与氧的运输和储存、电子传递、神经递质合成等，而铁代谢是铁在体内吸收、转运、转化、利用、排出的过程。在生物体内，铁以二价铁（Fe2+）或三价铁（Fe3+）的形式存在，二者之间可以相互转换。Fe2+较为容易被正常生理条件下的O2以及细胞能量代谢过程中产生的H2O2氧化，通过芬顿反应形成Fe3+及超氧阴离子、羟基自由基等ROS（Walling et al.，1975）。而铁诱导产生ROS 引起的氧化应激反应会促使铁蛋白、血红素铁、铁硫簇进一步释放铁，形成铁释放和氧化应激之间的细胞毒性正反馈循环，加剧细胞和组织损伤（MacKenzie et al.，2008）。因此，机体内铁代谢的失调，特别是游离态Fe2+的增加会对细胞产生毒害作用（González-Domínguez et al.，2014）。但在正常情况下，机体内大多数游离态的铁都会与相应的蛋白质结合生成对应的铁蛋白。同时，细胞内也存在谷胱甘肽（glutathione，GSH）等抗氧化系统，以避免过多的铁对细胞产生毒害作用（Reichert et al.，2020）。

1.2 膳食铁吸收和铁转运

膳食中摄入的铁可分为血红素铁和非血红素铁。血红素铁的吸收途径尚未明确，目前研究集中关注的途径为血红素载体蛋白1（heme carrier protein 1，HCP-1）受体介导的内吞途径：胃蛋白酶原使血红素蛋白分离出血红素，随后被近端肠粘膜上皮细胞膜上的HCP-1 通过受体介导的内吞作用运输至细胞膜内，并在血红素氧合酶-1的作用下降解为Fe2+（Silva et al.，2015），最终进入可变铁池（labile iron pool，LIP）。此外，血红素铁的摄入还可能通过猫白血病病毒C 亚型受体2（feline leukemia virus subgroup C receptor 2，FLⅤCR-2）、血红素敏感基因1（hemeresponsive gene 1，HRG-1）等受体吸收（宋陆茜 等，2020；Rajagopal et al.，2008）。非血红素铁的吸收途径则比较明确。非血红素铁一般为Fe3+，且不容易被人体吸收，因此需转化为Fe2+（Shayeghi et al.，2005），此过程通过十二指肠细胞色素B（duodenal cytochrome B，Dcyt B）以及前列腺 六 跨 膜 表 皮 抗 原2（six-transmembrane epithelial antigen of the prostate 2，STEAP 2）进行（Silva et al.，2015）。被还原的Fe2+则可通过十二指肠上皮细胞上的二价金属离子转运体（divalent metal-ion transporter-1，DMT-1）（Shawki et al.，2015）或 锌 铁 调 控 转 运 蛋 白14（ZRT- and IRT-like protein-14，ZIP-14）转移到细胞内（Pinilla-Tenas et al.，2011；Scheiber et al.，2019），并大多数存储在铁蛋白中。

十二指肠上皮细胞内的Fe2+需要通过细胞膜上的膜铁转运蛋白1（ferroportin-1，FPN-1）转运至血浆中，才能使机体利用膳食中的铁（Nemeth et al.，2021）。而转运到血浆中的Fe2+通过亚铁氧化酶将其氧化为Fe3+，并与转铁蛋白（transferrin，Tf）结合形成转铁蛋白结合铁（transferrin bound iron，TBI），通过循环系统完成铁在机体内的循环（Yeh et al.，2009）。除TBI 外，血液中的铁还以非转铁蛋白结合铁（non-transferrin bound iron，NTBI）的形式运输，如柠檬酸-Fe3+（或柠檬酸-Fe2+）、抗坏血酸-Fe2+等（Qian et al.，2001）。

1.3 神经元铁代谢过程

神经元直接摄入血液中的铁有3 种方式：1）TBI 通过转铁蛋白受体（transferrin receptor，TfR）介导的内吞作用进入神经元（黄健 等，2021）；2）NTBI 通过ZIP-14、ZIP-8、DMT-1 受体进入到神经元中（Knutson，2019；Tuschl et al.，2013）；3）血红素铁通FLⅤCR-2、HRG-1、HCP-1 等受体进入到神经元中（Chiabrando et al.，2018；Gozzelino，2016；Khan et al.，2013）。TBI 和NTBI 都要先通过脑毛细血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cells，BMⅤECs）进入到血脑屏障内，BMⅤECs 膜上表达TfR1、ZIP-8、ZIP-14（Lajoie et al.，2015；Steimle et al.，2019；Tuschl et al.，2013）。血液中的Tf可以与BMⅤECs上的TfR1相结合形成pH为酸性的核内体（Moos et al.，2007），并释放出Fe3+（Kawabata，2019）。随后核内体移动到BMⅤECs 的外侧并将Fe3+释放到脑细胞外液中（Mills et al.，2010）。而NTBI中的Fe3+则要先被还原为Fe2+，随后通过BMⅤECs 膜上的ZIP-14 和ZIP-8 进入到细胞内，再通过FPN-1 释放到脑细胞外液中（黄健 等，2021；Mills et al.，2010）。

脑细胞外液存在脑胶质细胞分泌的Tf 和柠檬酸（Sonnewald et al.，1991；Ward et al.，2014），这二者与Fe3+结合分别形成TBI 或NTBI 继续在脑细胞外液中运输。神经元细胞膜表面表达TfR1 和ZIP-8（Ji et al.，2015；Moos et al.，2007），而细胞内则表达ZIP-14（Knutson，2019），Tf 可以与TfR1 再次结合形成核内体并释放Fe3+，随后Fe3+被STEAP3还原为Fe2+并通过DMT-1 或ZIP-14 穿过核内体膜运输到神经元内（Lane et al.，2018）。而NTBI 则可通过神经元膜表面上的DMT-1 或者ZIP-8 进入到神经元内（Ji et al.，2015）。研究表明，血液中重链铁蛋白还可以通过T 细胞免疫球蛋白粘蛋白分子2（T cell immunoglobulin and mucin domaincontaining protein-2，Tim-2）（Chiou et al.，2020）或TfR1（Fan et al.，2018）进入到少突胶质细胞或神经元中。而神经元吸收血红素铁的分子机制尚未完全阐明，此过程可能通过FLⅤCR-2、HRG-1、HCP-1 等血红素受体进行。

神经元也同样表达FPN-1，FPN-1 能够转运Fe2+，随后在血浆铜蓝蛋白（ceruloplasmin，CP）等亚铁氧化酶的作用下氧化为Fe3+，Fe3+再与Tf 或各种小分子化合物结合形成TBI 或NTBI，完成铁的排出。此外，大脑也存在负责血红素排出的蛋白。有研究报道，ATP 结合盒蛋白G 超家族成员2（ATP-binding cassette subfamily G member-2，ABCG-2）和FLⅤCR-1 是负责脑血红素排出的载体蛋白，ABCG-2 广泛表达于BMⅤECs、神经元、胶质细胞中（Chiabrando et al.，2018；Gozzelino，2016）。而FLⅤCR-1 广泛表达于大脑各个部位，并分为FLⅤCR-1a 和FLⅤCR-1b 2 种亚型，前者表达于细胞膜，后者则表达于线粒体膜，分别负责细胞和线粒体的铁排出（Chiabrando et al.，2018）。

2 铁代谢与AD

铁代谢紊乱会使过量的铁在某些细胞和组织内过度堆积，发生铁超载现象。例如在脑内，铁代谢相关蛋白，如FPN-1、DMT-1、铁调控蛋白（iron regulatory protein，IRP）、Hepc、铁蛋白、Tf、TfR、CP 以及上述提到的其他铁代谢相关蛋白共同参与铁代谢过程，维持铁稳态，避免铁超载的发生。但在AD 患者脑内，上述铁代谢相关蛋白的失调导致神经元内铁代谢紊乱（表1），使铁净流入大于净流出，诱发铁超载，并在相关脑区形成铁堆积（Yan et al.，2020）。

表1 铁代谢相关蛋白的分类、功能以及在AD脑中的变化Table 1 Classification and Function of Iron Metabolism-related Proteins and Their Changes in AD Brain

2.1 铁代谢相关蛋白与AD

2.1.1 FPN-1

FPN-1 是目前唯一已知存在于哺乳动物中的能将Fe2+从细胞内转移到细胞外的膜转运蛋白（Silva et al.，2015）。在FPN-1 mRNA 5’端存在铁反应元件（iron-response element，IRE）序列，高铁水平下IRP 与IRE 分离，促进FPN-1的表达；反之，在低铁水平下，IRP 与IRE 结合，抑制FPN-1 mRNA 与核糖体的结合，减少FPN-1 的表达（Zhou et al.，2017）。研究表明，在APP/PS1 小鼠和野生型小鼠的海马组织中，FPN-1 水平随着鼠龄的增长而下降，在第9 个月时APP/PS1 小鼠的FPN-1 水平与野生型小鼠相比显著下降。在AD 患者脑组织切片中也发现FPN-1 水平相较正常人减少；相反，过表达FPN-1 能够改善小鼠的神经元铁死亡和记忆衰退（Bao et al.，2021）。提示，FPN-1 下调和AD 发生高度相关。AD 患者年龄增长或病情发展诱发FPN-1 的降解，降低细胞对铁的排出效率，诱导铁超载的发生。

2.1.2 DMT-1

DMT-1 是一种Fe2+跨膜转运蛋白，主要负责细胞外Fe2+、Zn2+、Co2+等二价阳离子的跨膜转运（MacKenzie et al.，2008）。DMT-1 mRNA 3’端存在IRE 序列，高铁水平IRP 与IRE 分离，抑制DMT-1 的表达；反之则增加其表达（Zhou et al.，2017）。有研究表明，肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、干扰素γ（interferon-γ，IFN-γ）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等炎症因子都会增加DMT-1 的表达（Wang et al.，2005）。并且大脑皮质和海马组织中DMT-1 的表达量与年龄的增长呈正相关（Lu et al.，2017）。在APP/PS1 小鼠大脑皮质和海马组织中DMT-1 的表达量也会显著升高，并且通过RNA 干扰沉默内源性DMT-1，减少Fe2+摄入，可减少淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）的表达和Aβ的形成，增加细胞活性（Zheng et al.，2009）。提示，随着衰老和AD 病程的发展，脑内DMT-1 上调并增加Fe2+的摄入，诱导细胞内发生铁超载。

2.1.3 Hepc

Hepc 是一种主要在肝脏合成的肽类铁调节蛋白，主要作用是与细胞膜上的FPN-1 结合，使其膜受体内化或降解，限制细胞对Fe2+的释放（Kong et al.，2015）。细胞内铁超载、炎症会上调Hepc 的表达，而贫血、缺氧则会下调Hepc 的表达。Hepc 的调控通路包括Janus 激酶/信号转导和转录激活子3（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3，JAK/STAT3）、骨 形 态 发 生 蛋 白（bone morphogenetic protein，BMP）/SMAD、细胞外信号调节激酶/丝裂原活化蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase/mitogen-activated protein kinases，ERK/MAPK）通路等（Silva et al.，2015）。肝源性Hepc 可通过血脑屏障，尤其是在神经炎症引起BMⅤECs 渗透的情况下，Hepc 通过受损的血脑屏障进入大脑并影响AD（Raha et al.，2021）。除肝脏以外，靠近脑血管的星形胶质细胞和小胶质细胞也能够表达Hepc 从而影响AD（Raha et al.，2021）。衰老本身会伴随着脑部Hepc mRNA 水平升高（Wang et al.，2010）。同时，AD 患者脑中Hepc mRNA 水平也随着病情发展而升高（Chaudhary et al.，2021）；并且AD 患者脑部的Hepc 主要聚集在Aβ 阳性的神经元纤维周围（Raha et al.，2021）。而AD 患者体内的白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）浓度升高可激活JAK/STAT3 通路，从而增加全身或脑局部Hepc表达（Lyra e Silva et al.，2021）。此外，神经炎症情况下，JAK/STAT3 通路的上调不仅能增加Hepc 表达，引起脑细胞FPN-1 的降解，并减少铁的净流出，同时还能上调DMT-1 表达，增加铁的净流入，造成细胞内的铁堆积（Urrutia et al.，2013）。

2.1.4 铁蛋白

铁蛋白是一种中空的铁贮存蛋白，其外壳由H-Ft 和L-Ft 组成，内部包裹大量的Fe3+（Arosio et al.，2009）。铁蛋白的主要作用是储存机体内的游离铁，最大程度避免游离铁的毒性作用。H-Ft和L-Ft的比例在各个组织中有所不同，二者的生理功能侧重点也各有不同。L-Ft 结构更加稳定，能储存更多Fe3+，主要分布在肝脏；而H-Ft 则具有更强的抗氧化作用，主要分布在心脏和大脑（Zhang et al.，2021）。铁蛋白也存在于线粒体，即MtFt，MtFt 只由H-Ft构成（Da Silva et al.，2018）。研究表明，MtFt 过表达能够降低线粒体内游离铁水平、减少ROS、抑制细胞凋亡、抑制Aβ 的生成（Levi et al.，2021）等。铁蛋白也同样受IRP调控，铁蛋白mRNA 的5’端存在IRE 序列，高铁情况下，IRE 与IRP 分离，上调铁蛋白的表达（Zhou et al.，2017），反之则反。12 月龄APP/PS1 小鼠脑内铁蛋白含量显著上升，主要分布于Aβ 斑块的边缘（Svobodová et al.，2019）。AD 患者海马组织H-Ft 和L-Ft 含量与正常人相比均显著上升，且脑内L-Ft 的浓度与老年斑的数量和神经元死亡呈正相关性（Kwiatek-Majkusiak et al.，2015）。此外，AD患者脑中MtFt 表达水平升高（Wang et al.，2011）。提示，在AD 病理情况下，铁蛋白和MtFt 的表达上调是应对脑内铁浓度上升的积极反应。但L-Ft 的升高会进一步诱导胶质细胞产生炎症因子，从而加剧AD（Kwiatek-Majkusiak et al.，2015）。

2.1.5 Tf和TfR

Tf 是一种铁转运蛋白，多存在于血清中。Tf 的主要功能是与Fe3+相结合，维持铁在体内运输。Tf 能通过与TfR 相互结合将铁运输到细胞内。TfR 可分为TfR1 和TfR2，Tf 与TfR1 的结合力较TfR2 更强，TfR1 在脑中主要由神经元和BMⅤECs 表达；而TfR2 mRNA 则仅在小脑中检测到（Leitner et al.，2012）。TfR1 是脑铁摄入的载体之一。TfR1 的表达和DMT-1 同样受到IRP 和缺氧的影响。在TfR1 mRNA 3’端存在IRE 序列，高铁水平下，IRP 和IRE 分离，抑制TfR1 的表达（Zhou et al.，2017），反之则反。缺氧也会诱导TfR1 的表达增加。Lu 等（2018）发现，3 月龄APP/PS1 小鼠大脑皮质和海马组织中Tf 和TfR 表达水平升高。此外，铁可以通过Tf-TfR 复合物激活前列腺素D2 和E2，诱导早老素的表达，进而诱发Aβ 的产生。

2.1.6 CP

CP 是一种由肝脏分泌且含Cu2+的亚铁离子氧化酶，其主要作用是协助FPN-1 将Fe2+氧化为Fe3+并促进其与Tf结合（Wang et al.，2019）。CP 的缺失会引起细胞铁超载（Ward et al.，2014）。AD 患者血清中的CP 含量明显升高（Park et al.，2014），CP 活性指标eCP/iCP 下降、非CP 结合铜水平明显升高，此外，eCP/iCP 与AD 痴呆程度呈负相关（Siotto et al.，2016）。提示，AD 患者血清中有活性的CP相对减少，无活性的apo-CP 增加，使血清CP 总体活性降低，进而影响正常铁代谢过程。

2.1.7 钙卫蛋白

钙卫蛋白是S100 蛋白家族成员，在人类中以S100A8和S100A9构成异二或异四聚体的形式存在。每个S100A8/A9 异二聚体具有4 个与Ca2+结合的EF 手型结构域和2 个金属离子配对位点（His3Asp 和His6）。在Ca2+存在的情况下，2 个异二聚体会结合形成异四聚体，并通过His3Asp 和His6 结合Fe2+、Zn2+、Mn2+等二价金属离子发挥相应的生物学功能；同时，钙卫蛋白在富氧下能够使Fe3+还原为Fe2+，具有影响铁稳态的作用（Nakashige et al.，2015，2017）。而在AD 中，钙卫蛋白作为一种促炎蛋白，在小胶质细胞和Aβ 沉淀周围显著升高（凌园果 等，2021），并通过与Toll样受体4 或膜蛋白晚期糖基化终末产物受体结合，使小胶质细胞过度活化，以及通过激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路产生大量TNF-α 等炎症因子，诱发神经炎症的形成，进而导致AD 的发生（Kummer et al.，2012），此过程可能会间接诱导Hepc 的产生，使胞内铁排出受阻。同时，钙卫蛋白还可与Aβ40形成复合物，影响Aβ40的聚集，并加重Aβ40的神经毒性（Lee et al.，2018）。

2.2 铁超载与AD

在病理状况下，铁代谢相关蛋白表达和功能失调，导致细胞内铁超载的发生，从而诱导AD 的发生。细胞中过度的铁超载则会诱发脑组织发生铁沉积。脑铁沉积程度一般采用核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的方法进行量化，而磁定量敏感成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）以及磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）在评估脑铁沉积中具有较高的灵敏性和特异性（Liu et al.，2017）。基于SWI 技术发现，AD患者海马和黑质等区域存在病理性铁沉积，并与病情的发 展 高 度 相 关（Haller et al.，2021）。同 时，李 思 瑶 等（2011）研究发现，AD 患者的双侧苍白球和壳核、左侧海马和额叶、右侧尾状核和齿状核的SWI 相位值与认知评分呈正相关。此外，董俊伊等（2021）使用QSM 发现，锥体外系核团的磁敏感值与AD 患者的铁堆积程度呈正相关、与认知评分呈负相关。因此，大脑皮质相关区域中出现大量铁沉积可以作为AD 早期发生的有效病理学证据之一。

2.2.1 Aβ生成及沉积

脑内大量沉积的Aβ 是组成老年斑的主要成分，也是AD 典型病理学特征之一，同时在老年斑中检测到了大量的铁（Cheignon et al.，2018），表明Aβ 与铁超载关系密切。Aβ 由APP 降解形成。在正常状态下，APP 通过非淀粉样蛋白途径降解，APP 先被α-分泌酶切割降解为CTF83 和sAPPα，随后CTF83 由γ-分泌酶切割，形成可溶性的P3 肽和APP 胞内结构域（APP intracellular domain，AICD）。而在病理状态下，APP 通过淀粉样蛋白途径降解，先由β-分泌酶切割，降解为CTF99 和sAPPβ，CTF99 随后则被γ-分泌酶切割形成难溶性的Aβ40或Aβ42以及AICD（Cheignon et al.，2018）。Aβ40或Aβ42如不及时降解或转运，则会与脑中的铁、铜、锌等相互作用形成Aβ 金属离子低聚物，继而形成Aβ 原纤维，大量堆积形成Aβ 沉积（Cheignon et al.，2018）。随着脑部铁超载的发生，Aβ 与铁的结合能力随之增加，显著提高Aβ 的细胞毒性（Schubert et al.，1995）。同时，由于Aβ与Fe2+的结合力比Tf强，Aβ还会与Tf等含铁蛋白争夺铁，加速Aβ 沉积并破坏胞内铁稳态（Jiang et al.，2009）。此外，铁超载会下调弗林蛋白酶（furin）的转录和翻译，从而降低α-分泌酶对APP 的切割活性；铁超载也可以通过产生铁依赖性ROS 上调金属蛋白酶组织抑制剂-2/3 的表达，从而抑制α-分泌酶的活性。上述2 种途径相对提高了β-分泌酶的活性，使更多APP 通过淀粉样蛋白途径降解生成Aβ（Silvestri et al.，2008）。此外，在APP mRNA 5’端非编码区存在IRE 序列，铁超载情况下会上调APP（Zhou et al.，2017）。综上，β-分泌酶活性提高以及APP 上调，共同促进不可溶性Aβ 的生成及沉积，从而诱导和加剧AD。

2.2.2 Tau蛋白异常磷酸化

Tau 蛋白是神经元中的一种微管相关蛋白。正常生理状态下，其最主要的功能是维持神经轴突微管的形成和结构稳定（Kadavath et al.，2015）。而在AD 病理状态下，Tau 蛋白常发生磷酸化、泛素化、乙酰化等修饰异常，并产生神经毒性，其中以异常磷酸化最为常见（Derry et al.，2020）。微管结合调节激酶、糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）等磷酸化Tau 蛋白苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸等多个位点（Billingsley et al.，1997），降低了Tau 蛋白与微管的结合能力，引起神经元之间双螺旋纤维形成，最终沉积形成NFTs（Wang et al.，2013）。细胞内铁超载与Tau 蛋白异常磷酸化有关。研究发现，暴露在游离铁中的神经元会激活GSK-3β 相关通路从而引起Tau 蛋白异常磷酸化（Han et al.，2021）。同时，高铁饮食或神经元暴露在Fe2+下会引起Tau 蛋白Ser202、Thr205、Ser396 位点的磷酸化水平上升（Wan et al.，2019）。此外，可溶性Tau 蛋白的缺失也会诱导AD 的发生。在铁代谢过程中APP 与CP 功能类似，能够协助神经元细胞膜上的Fe2+氧化为Fe3+，与Tf 结合后运出细胞（Duce et al.，2010）。而Tau 蛋白异常磷酸化导致NTFs 的形成，减少了神经元中可溶性Tau 蛋白，使APP 无法正常转运至神经元细胞膜表面，减少神经元铁的排出（Lei et al.，2012），进一步加剧细胞内铁超载和Tau 蛋白异常磷酸化，形成恶性循环。

2.2.3 神经元铁死亡

细胞铁超载会通过芬顿反应产生大量ROS，诱发铁死亡。铁死亡这一概念由Dixon 等（2012）首次提出，是指细胞内部Fe2+超载诱导大量ROS 产生，继而引起细胞膜脂质过氧化的新型细胞程序性死亡。铁死亡的诱因为：细胞内发生Fe2+超载并产生大量ROS；GSH 和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPx4）等抗过氧化物减少；细胞膜多不饱和脂肪酸的过氧化（Reichert et al.，2020）。在AD 病理状态下，神经元铁超载会大量产生铁依赖性ROS，诱导铁死亡的发生。此外，研究发现，在APP/PS1 小鼠海马组织中，脂质过氧化物丙二醛（malondialdehyde，MDA）表达上升，而GSH 下降（Bao et al.，2021）。有研究使用GPx4 BIKO 小鼠研究AD 模型中大脑皮质和海马组织是否受到铁死亡的影响，结果表明喂食他莫昔芬诱导GPx4 BIKO 小鼠脑部GPx4 选择性缺失后，其空间记忆和学习记忆能力明显受损，并出现海马体神经元变性以及铁死亡标志物上升等情况，如ERK 通路激活、脂质过氧化和神经炎症增强等（Hambright et al.，2017）。提示，在AD病理状态下神经元存在铁死亡的情况。目前，关于铁超载如何介导神经元铁死亡从而诱导AD 发生的机制鲜见具体报道，但铁超载可能通过3 个途经参与神经元铁死亡：1）通过生成铁依赖性ROS 引起脂质过氧化并消耗大量的GSH 和GPx4 等抗氧化物；2）通过抑制GSH 合成过程中的限速酶谷氨酰半胱氨酸连接酶（glutamate-cysteine ligase，GCL）的活性降低GSH 的合成速率（Maher，2018）；3）通过诱导线粒体功能障碍引起脑细胞能量代谢紊乱（Onukwufor et al.，2022）等。

3 运动与铁代谢

已有研究表明，运动可以调控Hepc 从而改善2 型糖尿病（张颖珺 等，2015）。此外，运动还可以调节铁代谢，进而改善恶性肿瘤、糖尿病性心脏病等（陈泉 等，2018；王海涛 等，2022）。

JAK/STAT3 是调控Hepc 最主要的信号通路，上游为IL-6（Silva et al.，2015）。有研究表明，小鼠经过5 周高强度运动干预后血清铁和铁蛋白下降，这是由于IL-6 水平上升诱导肝源性Hepc 增加，造成肠道内FPN-1 内化以及DMT-1 和HCP-1 的降解，进而抑制机体从肠道吸收铁（Liu et al.，2011）。Meta 分析表明，急性中、大强度和耐力运动都会诱导炎症反应发生并升高血清Hepc，但急性运动对血清Hepc 的影响更显著（王海涛 等，2016）。提示，血清Hepc 受运动强度和运动量的共同影响。此外，运动前的铁水平也影响Hepc 表达。铁水平较低（血清铁蛋白含量＜30 μg/L），运动后Hepc 的表达无显著变化；铁水平较高，运动后Hepc 的表达显著增加（Peeling et al.，2014）。

除IL-6 外，Hepc 的表达还受低氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、血幼素（hemojuvelin，HJⅤ）和TfR2 的调控。在运动过程中，血流量的重新分配致使流经肝脏的血流量减少，诱发缺氧，从而激活HIF-1α 抑制Hepc 的表达（Domínguez et al.，2018）。HJⅤ可分为位于细胞膜上的mHJⅤ和可溶性sHJⅤ，二者互为BMP 的竞争位点。sHJⅤ是一种肌细胞因子，在运动过程中会释放到血液中，通过与mHJⅤ竞争BMP 抑制SMAD 通路激活，抑制Hepc 表达（Liu et al.，2011）。有研究表明，低氧环境或低氧运动均能上调骨骼肌中sHJⅤ的表达（李海洲 等，2011）。此外，运动还能影响肝脏mHJⅤ的表达，进而调控Hepc 的表达（刘树欣 等，2011）。说明，运动可通过HJⅤ途径对机体内铁代谢进行调控。在运动对TfR2 的影响中，有研究对SD 大鼠进行低氧运动或常氧运动干预发现，运动可减少使肝脏TfR2 表达，但低氧运动的效应更为明显（李海洲 等，2012）。随着TfR2 的下调，ERK/MAPK 通路受到抑制，从而抑制肝脏Hepc 的表达。

同时，IRP 也是调控机体铁代谢的重要环节之一。运动对IRP-1 的调控可能通过增加一氧化氮（nitric oxide，NO）增强IRP-1 活性，促进IRP 与相关蛋白mRNA 上IRE序列结合，从而调控铁代谢（王海涛 等，2009）。

综上，运动通过调控机体炎症因子、HIF-α、HJⅤ和TfR2的表达，激活或抑制JAK/STAT3、SMAD、ERK/MAPK 通路，从而影响肝脏Hepc 的表达。此外，运动还能通过上调NO影响IRP的表达，通过Hepc和IRP调控机体内铁代谢。

4 运动调节铁代谢缓解脑铁超载，预防和延缓AD

4.1 运动调节脑内铁代谢相关蛋白，缓解神经元铁超载，减少Aβ生成和Tau蛋白过度磷酸化

Belaya 等（2021）使用6 周龄5×FAD 小鼠进行为期6 个月的自主转轮运动实验发现，自主转轮运动能降低5×FAD小鼠大脑皮质中IL-6R、JAK1、STAT3、DMT-1、TfR、铁蛋白和FPN-1 的mRNA 水平以及IL-6 和Hepc 的表达量，并上调JAK/STAT3 特异性抑制剂蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）在大脑皮质中的mRNA表达。Choi 等（2021）对APP-C105 小鼠进行为期8 周的70%～85%O2max跑台运动干预发现，跑台运动能够降低APP-C105 小鼠大脑皮质运动区TfR1、Tf、DMT-1、L-Ft、HFt、MtFt、β-分泌酶和APP 的表达量，提高FPN-1、furin、α-分泌酶的表达量；此外，Morris 水迷宫实验、被动回避实验、新奇物识别实验也表明，运动组小鼠学习和记忆能力相对提高，并且大脑皮质运动区Fe2+、Fe3+、总铁含量显著下降。Chen 等（2014）发现，为期3 个月的游泳运动干预下调雌性SD 大鼠海马中FPN-1 的表达量，上调IRP-1 和IRP-2 的表达量。云少君等（2009）对3 月龄ICR 大鼠进行为期10 周的跑台运动干预，并通过D-半乳糖诱导AD，发现运动能够上调ICR 大鼠脑部IRP-2 的基因表达，降低Morris 水迷宫实验逃避潜伏期。上述研究提示，运动干预能够影响脑部铁代谢相关蛋白的表达，从而调控铁代谢。

机制上，运动通过下调AD 模型脑部IL-6 以及IL-6R，减少IL-6/IL-6R 受体复合物和JAK 结合，抑制JAK 磷酸化；同时，运动通过上调PTP 表达使p-STAT3 二聚体和p-JAK去磷酸化。这2 种途径共同抑制p-JAK 对STAT3 招募，进而抑制p-STAT3 与Hepc 基因启动子的结合，最终下调Hepc在脑中的表达。Hepc 的降低上调FPN-1 膜表达，促使细胞的铁排出。此外，LPS、TNF-α、IL-6 等炎症因子的降低具有下调DMT-1 表达及抑制TfR1 铁转运效率的作用（Ⅴela，2018a，2018b），而运动能够抑制小胶质细胞中MAPK（ERK1/2 和p38-MAPK）通路的激活，从而阻断NF-κB 炎症通路（Leem et al.，2011）。同时提高IL-10 抗炎症因子的水平，使M1/M2 小胶质细胞的比例降低，共同减少小胶质细胞对TNF-α、IL-1β、IL-6 等炎症因子的释放（Souza et al.，2013；Tang et al.，2016）。这些炎症因子的减少能够直接抑制DMT-1 和TfR1 的表达，进而减少细胞对铁的摄入。上述过程中，运动调节各种铁代谢相关分子的表达，从而减少细胞对铁的摄入以及增加对铁的排出，共同缓解细胞内铁超载的情况。

运动通过缓解铁超载情况使细胞内游离铁相对减少，促使IRP-1 中的铁硫簇断裂，并增强与IRE 的亲和力。同时，运动可通过提高海马体内源性NO 的表达使IRP-1铁硫簇构象发生改变，增加IRP-1 活性（Liu et al.，2019；Qi et al.，2020），增加IRP-1 与铁蛋白和APP 的mRNA 5’端的IRE 结合量，从而使二者的mRNA 稳定性下降，抑制其表达。铁蛋白表达的减少降低细胞内铁贮存量，而APP 表达的减少则能减少不可溶性Aβ 的形成。此外，运动可以缓解铁超载，上调细胞中furin 的转录和表达，进而降低神经元中β-分泌酶的活性，提高α-分泌酶的活性，抑制不可溶性Aβ 的形成过程。最后，铁超载的缓解也能抑制GSK-3β 相关通路的激活，从而抑制Tau 蛋白过度磷酸化的过程（图1）。

图1 运动、铁代谢和AD病理的关系Figure 1. Relationship between Exercise， Iron Metabolism， and AD Pathology

4.2 运动降低细胞铁死亡敏感性，抑制神经元死亡

AD 患者脑部存在铁死亡的情况已得到证实，但对于铁死亡如何介导AD 的发生尚未完全阐明。Choi 等（2021）研究发现，APP-C105 小鼠以70%～85%O2max强度进行跑台运动可以降低大脑皮质中MDA 和4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal，4-HNE）的表达量。Medhat 等（2020）通过4 周有氧游泳运动联合维生素D 干预LPS 诱发AD 大鼠，发现单纯运动组大鼠大脑MDA 表达显著下降，GSH 表达显著上升，而运动联合维生素D 干预能够显著提高脑中GSH的表达量。此外，8 周的有氧运动能够激活Kelch 样ECH相关蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）/核因子E2 相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）通路，使Keap1 构象发生改变，抑制Nrf2 的泛素化过程，启动下游抗氧化蛋白基因的转录和翻译，从而提高APP/PS1 小鼠大脑皮质和海马组织GCL 的表达量（房国梁等，2018）。提示，运动能够抑制脂质过氧化物MDA 和4-HNE 的生成，并且通过激活Keap1/Nrf2 信号通路提高GCL表达进而促进GSH 的表达，促使GPx4 利用GSH 作为辅助因子将膜磷脂氢过氧化物还原为无害的脂醇，从而缓解细胞中脂质过氧化的过程。同时，运动缓解铁超载的过程抑制芬顿反应，从而降低了铁依赖性ROS 的产生，降低神经元铁死亡的敏感性，抑制神经元铁死亡的发生（图1）。

5 小结与展望

综上所述，铁代谢是一个非常复杂的过程，涉及铁的摄入、排出、储存以及铁代谢相关蛋白之间的相互作用。AD 患者存在铁代谢紊乱的情况，导致铁超载，进而诱导Aβ 生成和沉积、铁依赖性ROS 产生、Tau 蛋白异常磷酸化和神经元铁死亡敏感性升高。而运动干预可以通过调节脑内铁代谢相关蛋白缓解以上异常过程，从而延缓和改善AD 发生。

目前，关于铁代谢在运动预防和延缓AD 中的机制研究相对较少，未来可重点从铁代谢在运动预防和延缓AD中的新机制，以及不同运动方式和运动强度对AD 患者脑铁代谢影响的异同及其相关机制等方面展开研究，从而进一步揭示运动如何调控AD 患者脑中铁代谢过程、预防和延缓AD，为运动防治AD 提供新思路。