β淀粉样蛋白级联假说相关的阿尔茨海默病发病机制及防治策略研究进展

张 赫，郑 焱

首都医科大学基础医学院生理学与病理生理学系，北京 100069

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是最常见的发生在老年人群中的神经系统退行性疾病，临床表现以进行性的记忆衰退为主，后期全面认知功能障碍为特点。AD患者的病程长，逐渐丧失生活能力，最终因生活不能自理而死于并发症[1]。AD的病理特征包括：(1)光镜下可见脑神经细胞外出现β淀粉样蛋白(β amyloid，Aβ)沉积形成的老年斑(senile plaques，SP)和细胞内Tau蛋白异常磷酸化及由此引发的神经元纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)；(2)大脑新皮层及海马突触丢失、神经炎症、神经细胞的死亡。大体病理表现为脑萎缩[2]。AD的病因和发病机制复杂，目前尚无有效的干预手段。以往围绕Aβ开展的临床和基础研究证据指出，其在AD的病程中发挥关键作用[3]，但以Aβ为靶点的药物都未通过临床试验，提示AD发病的复杂性，Aβ级联假说也因此受到挑战。重新认识Aβ级联假说在AD发病中的地位，并探索可能的AD发病新途径将是未来AD研究的方向，本文总结了Aβ级联假说及与其相关的AD病理、病理生理过程和治疗的研究进展。

Aβ级联假说

目前对于AD的发病机制和病因还不清楚，主流学说认为Aβ是由Aβ前体蛋白(β amyloid precursor protein，APP)在β、γ两种分泌酶作用下被连续水解得到的多肽，可在细胞基质发生沉淀和聚积，其中，Aβ的可溶性聚集体被认为是产生神经毒性并最终造成认知功能紊乱的主要形式[4]，在AD的病程中发挥重要的病理作用。即Aβ聚集体沉积导致脑内大量SP的形成，一方面直接作用于神经元，产生毒性作用；另一方面可激活脑内的小胶质细胞和星形胶质细胞，产生炎症因子并诱导神经系统慢性的炎症反应，激活的小胶质细胞在AD病程早期即可吞噬突触[5]。此外，神经元内微管相关蛋白Tau的过度磷酸化也可处于Aβ过量产生、聚集的下游，进而导致大脑中神经元纤维变性，以至神经元凋亡，最终导致AD型痴呆[6]。以上就是Aβ级联假说的主要内容。

Aβ的聚集脑中Aβ的错误折叠和聚集是AD病程中的一个关键步骤[7]。Aβ可以3种不同的可溶形式存在于大脑中，包括单体型Aβ、Aβ寡聚体和纤丝状Aβ[3]。纤丝状Aβ又称为Aβ纤丝体，可发挥助氧化剂的作用，诱导蛋白质的氧化，还能改变氧化敏感酶的活性[8]。寡聚化的Aβ可以镶嵌到神经元细胞膜的双分子层中，增加膜的通透性，导致细胞内活性氧的增多，引发线粒体功能障碍，并诱导脂质的过氧化反应。因此，在与Aβ有关的神经退行性疾病中，细胞膜通透性的改变是普遍存在的现象之一。近年来，越来越多的证据提示，Aβ寡聚体才是AD发病的真正“元凶”。继Walsh 等[9]于2002年报道Aβ寡聚体对大鼠的长时程增强效应(long-term potentiation，LTP)具有损伤作用后，科学家们陆续揭示了Aβ聚集对神经元结构及认知能力的破坏作用[10-12]。2008年，Shankar等[13]从AD患者的大脑皮层活组织中提取了Aβ寡聚体，将之加入海马脑片孵育液中或注射到大鼠侧脑室，引起了海马LTP的衰减、长时程衰减效应(long-term depression，LTD)的增强、海马树突棘密度降低和正常大鼠的学习记忆能力减退。这一工作从临床角度夯实了Aβ寡聚体在AD发病中的重要贡献。

在正常大脑内，Aβ并非一无是处。有实验证据表明，Aβ单体具有神经营养作用[14]。大脑处于生理状态时，Aβ的产生和降解为动态平衡过程，如果产生过多或者降解减慢就会导致Aβ进行性积聚，成为不可溶形式的致密斑块，也就是SP。以往主流观点认为，SP即是AD的标志，也可能是AD的可干预靶点，并由此研发了一大批以清除SP为目的的新药。但遗憾的是，这些新药的临床试验大部分都以失败告终，目前尚无一种通过临床3期试验，如美国礼来公司的新药Solanezumab和瑞士罗氏公司的Crenezumab等[15-16]，这也说明仅仅作用于Aβ的单个靶点可能难以达到令人满意的治疗AD的效果。因此，越来越多的学者提出，针对SP的药物研发方向可能是错误的。不仅如此，有实验证据还提示，清除SP有可能增加Aβ寡聚体的含量，从而加速神经元变性的过程[17-18]。

小胶质细胞与Aβ诱导的炎症反应来源于临床和基础研究的证据显示：非甾体抗炎药(nonsteroidal anti-inflammatory drugs，NSAIDs)可以使Aβ的聚集减少，抑制小胶质细胞的增殖活化，影响APP的代谢，抑制脑内发生的慢性炎症反应，从而改善认知[19-20]。

在人体的正常生理状态下，中枢神经系统内的神经元以及神经胶质细胞共同维持着中枢神经系统内环境的稳态。大脑中Aβ的含量保持稳定依赖于Aβ产生与清除之间的平衡，其中，Aβ的清除很大程度上依赖于脑内小胶质细胞的吞噬作用。小胶质细胞在被Aβ激活之后可以起到吞噬Aβ聚集物和坏死神经细胞的作用[21]。Aβ的清除还依赖于小胶质细胞激活后产生的酶，例如中性肽链内切酶(neutral endopeptidase，NEP)对Aβ的降解。因此，小胶质细胞可以在AD病程早期有效地通过吞噬作用和产生降解酶来延缓AD的发展[22]。但在AD进展期，小胶质细胞的生理功能发生障碍[23]，此时Aβ虽然可以与小胶质细胞表面的以Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)和清道夫受体为代表的受体蛋白结合，通过内吞进入细胞，被小胶质细胞清除，但同时也使小胶质细胞处于异常激活状态，释放神经炎性细胞因子和炎症介质，进一步加剧局部炎症反应，对神经元产生不可逆的损害[24]。这一局部炎症反应还可以激活补体系统，引发补体级联反应。补体级联反应是一种以C3分子为中心的天然免疫反应。虽然AD患者体内补体C3分子含量升高，有助于小胶质细胞对脑内Aβ的清除[17]；但如果抑制补体和补体相关产物又可以减少激活的小胶质细胞数量，降低早期突触丢失的程度。此外，在C3缺乏小鼠的脑中，年龄依赖的突触和神经元丢失现象减轻[25]。这些研究结果提示，C3可能成为治疗AD的一个药物靶点。

补体级联反应中的始动分子C1q也在AD的病程发展中发挥重要作用，是Aβ对突触毒性作用的必要条件。在AD早期，补体和小胶质细胞会介导突触丢失。抑制C1q、C3或小胶质细胞补体受体CR3可以减少激活的小胶质细胞数量，降低早期突触丢失的程度[26]。因此，C1q也可以作为AD药物研发的潜在靶点。

Aβ的运输与清除脑内的Aβ由APP水解代谢产生后，除可在脑内经由神经胶质细胞吞噬和一些酶类，如NEP和胰岛素降解酶(insulin degradation enzyme，IDE)等降解外，还可以通过血液运输至全身被清除。Aβ从细胞内产生后分泌到细胞间液，经过脑-脑脊液屏障进入脑脊液，从脑脊液到血液和淋巴系统中的运输经由血-脑屏障(blood-brain barrier，BBB)和蛛网膜绒毛或血管周围的淋巴系统，也可能经由脑膜的淋巴管[27]。Aβ在BBB内的运输由低密度脂蛋白受体相关肽1(low-density lipoprotein receptor related protein1，LRP1)介导[28]，从脑组织液到脑脊液的运输经由胶质淋巴系统，即血管周围间隙(perivascular space，PVS)和包绕在PVS周围的星形胶质细胞足突形成的网络。有临床证据表明，脑血流量下降增加了大脑中Aβ的累积[29]，尤其是沉积在脑血管中的Aβ可能是导致炎症和细胞毒性事件发生的原因之一，可进一步引起BBB更大范围的渗漏和破坏[30]。Aβ的运输与清除过程如图1所示。

Aβ由大脑中的神经元和神经胶质细胞，以及外周的血管壁细胞、骨骼肌和成骨细胞等产生并分泌到细胞外；中枢神经系统中的Aβ通过脑组织液、脑脊液和血脑屏障运输到外周血液中；部分Aβ被单核细胞、中性粒细胞吞噬，部分被Aβ降解酶降解，另外一部分在外周器官和组织被巨噬细胞吞噬，或通过胆汁和尿液排泄
Aβ is normally generated and secreted by neurons and glial cells in brain and peripheral tissues including vascular parietal cells，skeletal muscle cells，and osteoblasts;central Aβ can be transported to peripheral blood via cerebral interstitial fluid，cerebrospinal fluid，and blood-brain barrier sequentially;Aβ may be engulfed by monocytes and neutrophils，degraded by Abeta degrading enzymes，phagocytosed by macrophages in peripheral organs and tissues，or excreted through bile and urine
图1脑内和外周组织器官中Aβ的运输与清除
Fig1Aβ transport and clearance in intracerebral and peripheral tissues and organs

Aβ除了在脑内产生外，还可在骨骼肌、血管壁和薄壁组织沉积形成斑块，APP也在很多外周器官和非神经组织上表达，例如肾、肝、胰腺、肺和血管壁等，因此外周组织和器官有助于Aβ在体内的循环[31]。外周APP水解代谢产生的Aβ也可以通过血液循环进入脑组织，影响脑神经元的功能。同位素示踪技术表明，外周器官和组织也是Aβ清除主要发生的场所。生理情况下，由于血液容量大，加之血液的稀释效应使循环系统中脑源性Aβ的浓度降低。主要的清除途径包括：被血细胞吞噬；被Aβ降解酶分解；在通过外周器官组织时，Aβ还可被肝细胞和巨噬细胞吞噬，或经由胆汁和尿液排泄[27]。如前所述，大脑中聚集的Aβ加快血脑屏障的损伤，使神经系统的变性更加严重。而外周组织对Aβ的清除可以有效防止Aβ在大脑中进一步聚集，减弱与AD相关的病理性损伤，包括Tau的磷酸化、神经炎症和神经元退行性变。总之，Aβ生成和清除的不平衡导致了脑中Aβ的聚集，加速了AD的发病进程[32]。因此可以推测，从外周途径清除Aβ可能是AD治疗策略中一种比较安全、可行的方式[33]。

Aβ与Tau蛋白之间的关系目前发现的遗传性AD的致病基因有3个：位于21号染色体的APP基因和位于1号、14号染色体上的早老素(presinilin，PS)1和2基因。上述Aβ级联假说就是基于对这3个基因突变的AD家系的研究提出来的。虽然Tau蛋白的基因突变也能导致痴呆，但现在已知Tau基因的突变是另外一种类型痴呆-额颞叶痴呆(frontotempral dementia，FTD)的遗传学基础[34]。因此从遗传性疾病的角度讲，Tau蛋白功能异常对AD来说并不特异。但是，无论是散发性还是遗传性AD患者的脑内都存在SP和NFTs这两种病理特征，且脑脊液中Tau蛋白的升高是与AD相关的重要事件之一，这些证据提示在AD发病机制中，Aβ沉积和Tau蛋白过度磷酸化之间存在必然的联系。Aβ级联假说认为，作为发病的起始因子，Aβ能加快蛋白激酶作用于Tau蛋白，导致其磷酸化并触发炎症反应和氧化应激作用，导致神经元细胞的毒性作用，进而引发神经元变性死亡。Aβ通过激活小胶质细胞，使其释放炎性细胞因子，细胞因子可以继续激活小胶质细胞和星形胶质细胞，从而形成正反馈的环路，最终导致神经元的纤维缠结和变性坏死[35-36]。可见，在神经元内，Aβ的聚集可导致Tau蛋白过度磷酸化，而Tau又是神经元纤维缠结的主要组成部分，最终导致Tau发生了异常的聚集，损伤了神经元以致神经网络的正常功能。虽然在AD脑组织中Aβ相关的病理改变早于Tau相关的病理改变，但在整个病程中，Aβ和Tau蛋白的紧密联系导致更加严重的记忆损害和轴突运输障碍等过程，二者共同作用加快了AD的进展[37]。

其他相关学说概况和治疗靶点

有临床数据提示血糖升高或糖耐量异常是AD的独立风险因素[38]，因此AD被称为3型糖尿病(type 3 diabetes mellitus，T3D)。脑内正常的胰岛素水平对认知功能具有保护作用，血中正常的胰岛素浓度有助于肝脏清除Aβ，但当糖尿病患者在病程早期出现胰岛素抵抗时，过量的胰岛素也会竞争性地抑制IDE介导的Aβ降解，并损害认知[31]。此外，AD与2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2D)的发病机制分享共同的信号通路，比如胰岛素信号受损、葡萄糖代谢紊乱、氧化应激障碍、蛋白的异常加工以及炎症通路的激活等，反过来这些病理改变又会影响Aβ的生成和清除，与AD病理改变形成恶性循环[39]。胰岛素信号通路中的胰岛素样生长因子(insulin like growth factor，IGF)也被认为是影响AD发病的重要因子，胰岛素和IGF以及其受体都表达在神经元及胶质细胞中，可以使Aβ寡聚体转变为Aβ单体，并在突触水平降低Aβ寡聚体诱导的毒性反应[40]。当大脑内IGF及其受体受损时，胰岛素信号通路紊乱，造成Aβ聚集、神经细胞功能受损和突触丢失，从而导致神经退行性疾病的发生[41]。

载脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)是脂蛋白的重要组成部分，主要在肝脏中合成，也在大脑、肾脏和多种组织中存在，APOE基因表达受肝脏X受体(liver X receptor，LXRs)调控。APOE的主要功能是转运脂类物质和调节酶的活性等，在大脑内APOE主要负责从神经胶质细胞到神经元的脂蛋白运输[42]。除了载脂蛋白的功能，APOE能够增强小胶质细胞内的NEP和细胞外的IDE对Aβ的降解能力，在Aβ的聚集和清除过程中发挥重要作用[43]。APOE的编码基因有APOE-ε2、APOE-ε3和APOE-ε4 3种等位基因，其中APOE-ε4是目前公认的晚发型AD(late-onset AD，LOAD)的最常见易感基因[44]。研究证实在敲入APOE-ε4基因的小鼠大脑中，APOE-ε4和Aβ寡聚体在诱导神经变性方面具有协同作用，而且APOE-ε4促进Aβ降解的能力较差，这也可以解释为什么APOE-ε4基因携带者更易患AD[45]。此外在AD大脑中，神经元异常的APOE表达还可以通过APOE受体介导的信号转导级联反应促进Tau蛋白的过度磷酸化[46-47]，从而导致Tau的异常聚集和NFTs的形成。

虽然关于AD脑内神经细胞变性、死亡的机制至今未被阐明，但是现有研究结果显示脑内神经元的功能紊乱有可能与钙自稳态的改变有关[48]。随着年龄的增长，大多数老年人的基底前脑胆碱能神经元中会出现钙结合蛋白表达的下降，并伴有神经元内Tau蛋白的磷酸化，以及由此引发的神经元纤维缠结。从AD特征性病理蛋白角度考虑，也可把NFTs作为治疗的靶点，已有证据表明，用免疫治疗的方式接种Tau的抗体可以减少Tau的聚集和对神经元功能的损伤[49-50]。鉴于突触以至神经元的丢失是AD患者认知功能下降的直接原因，干细胞治疗策略也被应用到AD领域。而且实验证据显示接受神经干细胞移植的AD转基因小鼠的认知障碍得到改善[51-52]。

结论与展望

AD的致病过程由多种机制和因素参与，包括Aβ淀粉样蛋白级联假说、Tau蛋白的过度磷酸化假说、氧化应激和炎症级联反应假说等[53]，近年来也出现了包括关于小胶质细胞功能在内的一系列假说[54]。虽然针对Aβ的药物迄今为止尚无一种通过临床试验，但Aβ淀粉样蛋白假说在AD病理过程中的地位不容忽视。然而这些临床试验全部失败的事实也提示，将基础研究以至临床试验的关口提前是非常必要的。由于大脑内存在AD相关蛋白之间的复杂相互作用，我们应该考虑多种蛋白质的联合影响，包括淀粉样蛋白配体和其他内源性的蛋白和受体，而不是只考虑Aβ这一种蛋白[55]。由于Aβ聚集与Tau蛋白的过度磷酸化之间存在彼此促进作用，在此过程中，双刃剑小胶质细胞在AD不同时期发挥作用不同，因此可以在AD早期通过“鸡尾酒”方式的药物干预增强小胶质细胞的吞噬作用，保护神经元，在进展期抑制炎症反应，同时抑制Aβ聚集和Tau磷酸化等病理过程，从而达到早期、多靶点、联合阻止AD病程进展的目的[56]。