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Alzheimer病与细胞凋亡

　　Alzheimer病(AD)是伴有常染色体1(1q31-42/STM22)、14(/S182)、19(ApoE)及21(App21m位点)缺陷和神经元丧失的神经退行性病变。由于缺乏有效的治疗方法，在发达国家AD已成为继心脏病、癌症和中风之后人类第四位的死因。该病的临床特点是近期记忆和智力功能进行性恶化。神经病理学特点是在大脑皮层和海马出现大量的老年炎斑(senile plaque,SP)和神经纤维缠结(neurofibrilary tangle, NFT),并伴随出现神经元丧失。就发病的机理而言，AD似乎是一种多原因引起、涉及多种病理机制和出现多种病理表现的“多因异质性疾病”。近年来许多资料表明，免疫炎症机制在AD的发生发展中起着重要作用［1～3］。McGeer和Rodgers首先提出AD的神经慢性退行性变可能是脑内免疫和炎症反应不适当激活的结果，超强的免疫反应可“方向错误”性地攻击神经组织，造成细胞损伤和死亡［4］。目前认为，细胞死亡可分为两大类，一类是由各种突发的、意外的事件所致的细胞死亡，即病理性细胞死亡，形态学上表现为细胞坏死(necrosis);另一类为生理性细胞死亡，又称为编程性细胞死亡(programmed cell death, PCD),形态学上表现为细胞凋亡(apoptosis)。一般说来细胞凋亡过多，会引起退行性变或早衰。AD患者的海马神经元中有TRPM-2 RNA表达，是神经细胞凋亡的一种表现。晚近实验证据提示：细胞凋亡为衰老及AD等神经退行性疾病神经元丧失的原因之一，内外因素激活细胞自身基因程序而引起神经元凋亡。
　　1　神经元凋亡的慢性炎症学说
　　近年的免疫组织化学研究表明，许多神经疾病尤其AD患者脑内有强烈的局灶性炎症反应，组织培养及分子生物学方法也证明脑细胞可产生许多炎性细胞因子(如IL-1β、IL-6、TNF-α、TGF-β等)、补体蛋白及其他免疫分子。这些炎性蛋白质及小胶质细胞(microglia, Mi)活化同AD病变间的密切关系，使人们提出了神经元退化的炎症学说。近年来有关β-淀粉样蛋白(amyloid protein β，A β)激活免疫炎症过程而间接造成神经退行性病变的假说获得了不少新的证据。AD患者脑内的Aβ类不溶性大分子以及胞外的NFTs,极易被吞噬细胞发现，因而作为慢性刺激物质而逐渐积累，并刺激炎症反应不断加强，造成AD的慢性炎症状况。
　　AD的许多促发因素如遗传、年龄、环境因素等均可诱发初始病变(如AD的SP及NFT)，这些病变即使引起某些神经元死亡，也是较为轻微的，因而病变进展缓慢；然而这些初始病变可激发炎症反应，后者发展至一定程度则导致更多神经元死亡，造成更多的病变，进而激发更严重的炎症反应，如此形成一个不断加强的自身毒性环路(autotoxic loop)。这个正反馈环路导致了临床所观察到的AD及其类似疾病在起始阶段进展较缓，到某个时期病情才急剧恶化。由此可见，慢性炎症可能是AD发病机制的必要因素。AD是一种由Aβ沉积，通过激活周围Mi产生细胞因子和神经系统免疫炎症应答，加速神经细胞死亡，而致记忆减退和认知障碍的疾病。而记忆与颞叶海马CA1区神经元活性有关，提示AD发病机制之一可能是Aβ等启动CA1区神经元细胞凋亡。
　　2　神经元凋亡的诱导
　　细胞凋亡(PCD)是由细胞基因控制的一种主动死亡过程，特定基因由于种种原因编码自杀性蛋白而致DNA裂解。愈来愈多的证据表明，大多数动物细胞皆能自我致死，而且这种普遍性的自杀程序能由发自其他细胞的信号所激活或抑制。例如许多发育中的脊椎动物神经元的生存依赖于与其连接的靶细胞分泌的神经营养因子(NTF)，若NTF缺乏可致神经元发生PCD。细胞的PCD也受外源性因素的影响，但诱导PCD的内源性与外源性因素都必须通过特定基因而发挥作用。
1　淀粉样蛋白与神经毒　越来越多的证据表明，Aβ是各种原因诱发AD的共同通路，是AD形成和发展的关键因素［5］。分子克隆研究证明，Aβ来自一分子量更大的β-淀粉样前体蛋白(β-amyloid precursor protein, APP)。目前多数学者认为，Aβ在大脑皮层内的蓄积是AD病理发生过程中的一个早期必然事件，超前于其他脑区 损伤和临床症状数年［6］。在发生顺序上，Aβ的出现早于神经纤维缠结、轴索缺乏营养等病理变化以及临床症状。最为直接的证据是Aβ在一定条件下能表现出神经毒性。90年代初，Yankner等首先观察到较高浓度的Aβ能引起神经元退化和死亡，并证实引起毒性的必需结构是其25～35位的氨基酸序列(Aβ25～35)。最近发现，Aβ的神经毒性包括两个方面［7］，一是增强或放大各种伤害性刺激如低糖、兴奋毒素、自由基等的细胞损伤效应，一是直接的细胞毒性。实验发现，多数细胞与Aβ接触后就能表现出细胞肿胀、染色质浓缩、核内DNA断裂等细胞凋亡典型的形态和生化特征［8］，仅在少数细胞内或与兴奋毒素共存时才表现出神经元肿胀、膜溶解、乳酸脱氢酶释放等坏死(necrosis)的特征［9］。Aβ的神经毒性涉及到复杂的分子机制，主要包括促进自由基的形成、破坏细胞内的Ca2+稳态［7］，降低K+通道的功能［10］，增强致炎细胞因子(cytokine)引起的炎症反应［11］。由于多种因素相互影响给研究带来了相当大的难度。
2　炎性细胞因子和神经毒
　白细胞介素6(IL-6)：在中枢神经系统(CNS)，IL-6主要由Mi和星形胶质细胞(astrocyte, As)产生，其受体也广泛存在于丘脑、海马、皮层等脑区的神经元膜上。IL-6的神经元毒性作用主要在转基因小鼠脑内得到证实。Campbell［12］报道，IL-6转基因小鼠具有严重的神经疾病症状，表现为瘦小、行为异常、震颤、共济失调和癫痫。神经病理特征为，海马与小脑出现明显的神经元退化，尤其是海马CA1区域树突萎缩，树突空泡化和树突数目减少，并且伴随着高表达的IL-6 mRNA和高水平的IL-6。这些结果表明，脑内IL-6水平的升高是导致转基因小鼠神经元退化的主要原因。此外IL-6转基因小鼠研究还发现，隔一海马胆碱能通路的功能受到严重损害［13］，由于隔一海马通路参与记忆印迹的形成，因此脑内高水平的IL-6有可能影响学习与记忆功能。
　　有关IL-6与Aβ或APP关系的研究已有报道［14］。在原代培养的大鼠皮层神经元实验中，IL-6 200 ng/mL与神经元接触6 h之后，APP mRNA的表达增加了大约一倍。由于IL-6与APP或Aβ共存于AD的SP内，提示IL-6对APP的表达具有直接调控作用，可以促进APP产生，进而导致Aβ沉积，诱发AD。α2-M是已知最强的蛋白酶抑制剂，与IL-6共存于AD皮层与海马SP内。曾有报道［15］，在培养的人神经元细胞株内，α2-M 可抑制APP的正常分泌，导致Aβ形成增加。在人SH-SY5Y神经元细胞培养实验中，α2-M的基础合成很低，但用IL-6刺激后其合成被强烈诱导，α2-M水平大约增加了20倍［16］。这些结果提示，IL-6与α2-M在AD脑内的共存具有功能性联系，IL-6可能通过诱导α2-M合成，进而抑制APP的正常酶解，导致Aβ生成与沉积异常增加，从而诱发AD病理发生。
　肿瘤坏死因子-α(TNF-α)：LPS可刺激Mi产生TNF-α，As也可能产生少量TNF-α。在人胚胎原代神经元培养中发现，TNF-α有增强N-甲基-D-门冬氨酸(NMDA)受体介导的神经毒性作用［17］，且对人神经元细胞有细胞毒作用。大鼠神经细胞培养中，TNF-α通过作用于As间接发挥了细胞毒性而引起神经元的损伤。直接将TNF-α注射到小鼠小脑，可引起普遍性损伤。TNF-α可引起牛及啮齿类动物的Mi通过PCD机制发挥细胞毒作用。但这一作用在人类尚没有被发现。
　转化生长因子-β(TGF-β)：TGF-β是具有多功能作用的细胞因子它可由多种细胞产生，在胚胎发生期的神经细胞发育过程及免疫炎症反应过程中，TGF-β都具有重要作用。大鼠新皮层神经细胞培
　　养中，TGF-β可减少由细胞毒物、缺氧、缺血或谷氨酸引起的细胞损伤，而起到了神经保护作用［18］。使用人类胚胎皮层细胞培养，也发现了TGF-β可减轻由Aβ引起的神经细胞损伤。TGF-β对神经细胞的这些保护机制目前并不清楚。相反的结果也发现，TGF-β可能具有细胞损伤作用。由于其抑制了星形细胞谷氨酰胺合成酶的活性而增加了外源性谷氨酸造成的神经细胞损伤。也有报道TGF-β伴随Fos-Iacz的表达而参与细胞凋亡过程。
3　一氧化氮(NO)与神经毒　在人的中 枢神经系统，As是产生NO的主要细胞，IL-1β是一个关键性因子，可直接刺激人As产生NO［19］。TNF-α及IFN-γ可加强IL-1β的作用。实验也证明这些白细胞介素处理过的As能产生足够量的NO，而造成神经细胞损伤［19］。Mi产生的NO具有细胞毒性作用，它可能参与神经损伤及神经退行性疾病的病理过程。NO合酶抑制剂或能抑制Mi活性的物质均可减轻Mi介导的神经元损伤。此外，能释放NO的硝普钠(sodium nitroprusside, SNP)能直接杀伤培养中的人类胚胎皮层神经元。炎症条件下，脑内的胶质细胞可以表达诱生型一氧化氮合酶(inducible NOS, iNOS)，产生大量NO，导致神经元坏死或凋亡。一般情况下，持续与低水平的NO或过氧亚硝酸盐接触引起神经元凋亡，而短暂与高水平的NO或过氧亚硝酸盐接触则引起神经元坏死。
　　此外目前的研究结果也证实，前列腺素E2(PGE2)直接与海马神经元接触引起了神经元凋亡性死亡［20］。一些神经递质如多巴胺(DA)，谷氨酸盐(glutamate, Glu)等可使某些神经元细胞凋亡。Glu是Mi激活后产生的一类神经毒物质，它是一种兴奋性氨基酸(EAA)。目前认为，神经细胞的缺血缺氧、退行性病变、变性、炎性损伤等都可能与EAA的神经毒性有关。Yamada和Hatanaka报道［21］，在20 d胎大鼠海马神经元培养中，Glu与神经元接触15 min，可引起海马神经元显着退化。
　　3　神经元凋亡的基因调控
　　PCD是受遗传基因调控的，在调控PCD的过程中常有新基因表达，合成新的蛋白。在调控的信号中有的是起正调节作用，也有的是起负调节作用。不同的细胞由不同的基因诱导PCD。这些基因有：ced-3/ced-4、nedd2、TRPM-2、Fas(Apo-1)、c-fos、c-jun、c-myc、野生型p53等。抑制PCD的基因有：ced-9、bcl-2、突变型p53等［22］。此外，IL-1β转化酶家族是一些新发现的细胞“死亡蛋白”，与ced3、nedd2具有高度同源性，在炎症因子诱导的神经元PCD中起重要作用。
　　IL-1β转化酶(IL-1 beta-converting enzyme, ICE)是存在于许多哺乳动物细胞内的一种蛋白酶，是近年来研究较多的“死亡蛋白”之一。人类ICE最初是在单核细胞中发现的一种半胱氨酸蛋白酶，可使非活性的前体IL-1β(相对分子质量为33 000)在116位天冬氨酸和117位丙氨酸之间酶解为具有活性的相对分子质量为17 000的IL-1β细胞因子。ICE与线虫细胞死亡基因ced-3有高度同源性［23］。Kumar等先克隆出鼠nedd-2基因，长 kb,其基因编码的蛋白可促进鼠细胞的凋亡，LinWang以nedd-2为模板通过PCR扩增制备探针从人胎脑cDNA文库筛选出人nedd-2基因，其编码的氨基酸序列和ICE/ced-3顺序同源。转染小鼠ICE基因或ced-3基因，使其过度表达均可引起小鼠纤维母细胞出现凋亡。另外，在发生凋亡的细胞中可见成熟的IL-1 β分泌增多。这一结果提示，ICE/ced-3基因可能是决定细胞死亡基因之一［24］。目前认为ICE在由Fas、TNF及一些炎症因子等诱导的细胞凋亡中起重要作用。ICE是Fas、TNF及炎症因子介导的主要通路，其研究的重要性可想而知。AD患者神经细胞退行性改变有ICE参与。由于细胞死亡基因ced-3与nedd-2和ICE为同种物质，是引起细胞凋亡的重要酶，多种因素均可激活该基因，ICE产生可在细胞内产生一种细胞死亡蛋白，而ced-3、nedd-2和ICE为同种物质，是引起细胞凋亡的重要酶，多种因素均可激活该基因，ICE产生的IL-1β对神经细胞起直接或间接毒性作用，导致神经元凋亡。证明ICE表达促进神经细胞凋亡，而对ICE表达的调节，寻找一些抑制ICE活性的药物，对一些凋亡过多的疾病如AD及Parkinson病有重要的治疗潜力。
　　4　抗炎药物抑制神经元凋亡的可能性
　　20世纪的神经科学已获飞速发展，但造成神经元死亡的原因尚未明了，以致许多全球性致死性神经疾病一直缺乏有效的防治手段。AD发病的炎症学说启发人们用抗炎药物减缓或阻止AD发病。它不同于近10多年惯用的两种治疗方法，即基于 胆碱学说的各种AchE抑制剂如他克林(tacrine)、新斯的明等和以吡烷酮醋胺为代表的促智药(nootropic drugs)，被用来试图改善大脑皮层的代谢能力，进而减轻痴呆程度［25］。上述治疗方法并不能减缓皮层神经元的急剧损毁，因而无消除病变的根本原因。人们转而思索用抗炎疗法来抑制神经元死亡。这个设想已被临床试验所证实，有人在用非甾体类抗炎药物(NSAID)吲哚美辛(indomethacin, IM)治疗AD的一项有安慰剂对照的双盲试验中发现，接受100～150 mg/kg IM治疗的患者，其认知功能的改善明显优于安慰剂对照组［26,27］，然而尚需要更大规模的临床试验及进一步研究，以筛选出选择性调节免疫炎症反应和抑制神经元死亡的新药。

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