糖化应激和抗衰老

糖化应激与阿尔兹海默症

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糖化应激与阿尔兹海默症

日本同志社大学研究生院 生命医科学研究科 糖化应激研究中心
八木雅之 教授 主编

痴呆症与阿尔兹海默症

2012年的日本痴呆症老年患者人数估计为462万人(1)。此后仍在继续增长，预计将在2025年达到675万人(患病率18.5%)，2050年达到797万人(患病率21.1%)。经计算，到2025年时，65岁及以上的老年人中大约每5人就有1人是痴呆症患者，这是一种任何人都很有可能罹患的疾病(假设各年龄段的痴呆症患病率自2012年以来保持不变)。

痴呆症是指曾经达到正常水平的认知功能，因后天性的脑部疾病而发生持续性的下降，呈现出对日常生活和社交生活造成影响的状态，是一种在没有意识障碍的情况下就能观察到的症状(2)。世界卫生组织(WHO)的国际疾病分类第10版(ICD-10)中，将其定义为“痴呆是由于脑部疾病造成的症候群，通常为慢性或进行性之本质，可造成多种高级皮质功能之障碍，包含记忆、思维、定向感、理解能力、计算、学习能力、语言及判断能力”(2)。痴呆症分为阿尔兹海默型痴呆症(阿尔兹海默症)(Alzheimer’s disease：AD)、脑血管性痴呆症(vascular dementia：VD)、路易体痴呆症(dementia with Lewy bodies：DLB)和其他疾病引起的痴呆症这4种。

在岛根县海士町进行的调查发现，在943名65岁及以上的老年人中，有104人被确认为痴呆症患者，其中AD为63.5%，VD为15.4%，DLB为4.8%，帕金森病痴呆(Parkinson’s disease dementia：PDD)为6.7%，进行性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy：PSP)为1.9%，额颞叶变性型痴呆症(frontotemporal lobar degeneration：FTLD)为0.96%，由AD直接引起的痴呆症占到60%及以上(3)。

AD的症状包括“轻度认知功能障碍”(mild cognitive impairment：MCI)和“精神行为症状”(外围症状)(behavioral and psychological symptoms of dementia：BPSD)。MCI的症状有记忆障碍、视空间障碍、判断力下降、失语、失用、失认等，这些症状统称为核心症状(core symptom)。BPSD则包括兴奋、尖叫、情绪不稳、焦躁、游荡、有悖社会文化的不当行为、性欲脱抑制、收集癖、谩骂、尾随、焦虑、抑郁、妄想、幻觉等。BPSD又可进一步分为兴奋、易激惹、焦躁、幻觉、妄想等阳性症状(positive symptoms)和乏力、淡漠、抑郁等阴性症状(negative symptoms)。另外，约有60%～90%的痴呆症患者表现出多种BPSD症状，其中以淡漠、兴奋、易激惹、抑郁等最为常见(4)。

AD的神经病理学特征为在脑内海马体(hippocampus)和大脑皮层(cerebral cortex)中可见萎缩(atrophy)，在显微镜下可大范围观察到神经细胞的脱落、老年斑(senile plaques)和神经原纤维缠结(neurofibrillary tangle：NFT)的沉积(图1)(5)。NFT在电子显微镜影像中呈现为一种特殊的纤维束，该纤维束被称为配对螺旋样纤维(paired helical filament：PHF)。老年斑和PHF的主要成分被确认为β-淀粉样蛋白(amyloid-β protein：Aβ)和高度磷酸化的tau蛋白(tau protein)。tau蛋白存在于神经轴突中，是一种分子量约为5万的微管(microtubule)结合蛋白，其具有促进和稳定微管聚合的作用。微管构成细胞骨架，在细胞内的蛋白和细胞内细胞器中发挥着运输通道的作用。这一细胞内运输机制会在tau蛋白磷酸化后，因微管失稳而遭到抑制。

图1. 阿尔兹海默症患者脑内的老年斑和神经原纤维缠结(5)
plaques：老年斑， tangles：神经原纤维缠结

另外，Aβ沉积形成的老年斑,对于AD的疾病特异性要高于NFT。弥漫性老年斑(diffuse plaques)是AD大脑的最早期病变，其主要由非纤维性Aβ沉积形成。在表现为常染色体显性遗传的家族性AD中发现，Aβ前体(amyloid precursor protein：APP)的点突变(point mutation)和重复(duplication)与该疾病相关。在Aβ中，聚合的Aβ寡聚体(amyloid-β aggregate)尤其具有神经毒性。由此可推断出，在AD的发病机理中，Aβ的脑内沉积要早于tau蛋白，是一种与AD病因密切相关的现象。围绕Aβ展开的AD发病机制学说，被称为“淀粉样蛋白级联假说(amyloid cascade hypothesis)”(6)。

另外，与正常对照组相比，AD患者大脑皮层中的乙酰胆碱转移酶(choline acetyltransferase：ChAT)活性下降。AD病患者大脑皮层的ChAT活性与总体认知评估分数(global cognitive score)相关。在AD的基底前脑(basal forebrain)的Meynert基底核(nucleus basalis of meynert：NBM)中，能够观察到胆碱能神经元的显著性脱落，从位于基底前脑的中枢神经系统细胞群投射(projection)至大脑皮层和海马体的胆碱能神经通路出现紊乱。AChE抑制剂和尼古丁(nicotine)能够促进脑内乙酰胆碱系统的神经传导。但是，研究证实，如果使用阿托品(atropine)和东莨菪碱(scopolamine)来阻断脑内乙酰胆碱系统的神经传导，会对学习和记忆行为造成影响。由此可见，胆碱能神经障碍与包括学习记忆在内的认知功能密切相关。这种因胆碱生成不足而引发AD的发病机制学说，被称为“胆碱能假说(cholinergic hypothesis)”(7)。

此外，基于AD患者的老年斑沉积与神经细胞脱落并不相关这一观察结果，还有一种学说认为，痴呆症的主要致病物质是tau蛋白，作为微管稳定因子的tau蛋白消失后，神经细胞的轴突处便会形成配对螺旋样纤维(paired helical filament：PHF)，产生NFT，从而导致细胞骨架的变性。这种AD发病机制学说被称为“tau假说(tau hypothesis)”(8-9)。不过，对于tau蛋白的过度磷酸化和PHF的形成，哪个先发生，目前则仍存在争议。

从蛋白质变性、交联反应增强和RAGE介导诱发炎症的观点来看，糖化主要与淀粉样蛋白级联假说和tau假说有关。

阿尔兹海默症与糖尿病

糖尿病的典型并发症有神经疾病(neuropathy)、视网膜病变(retinopathy)、肾病(nephropathy)、心血管疾病(cardiovascular disease)等。此外，在糖尿病患者中痴呆症发病率较高，这一点也广为人知(图2)(10)。鹿特丹大学在自1990年起的两年间，开展了一项大规模流行病学研究(Rotterdam study)，针对平均年龄为55岁及以上的6370名患者(2型糖尿病患者(2DM)692名、非糖尿病患者5678名)，调查了糖尿病与痴呆症的相关性(11)。结果显示，有126人(2.0%)发病痴呆症，其中27.0%为2DM。这126名痴呆症发病者中，有89人(70.6%)为AD；未发病痴呆症的6244人中10.5%为2DM。由此结果推算出了，2DM与非糖尿病患者相比，AD发病风险是其1.9倍。

图2. 糖尿病患者和健康人在不同年龄段的痴呆症患病率
◆：糖尿病患者， ■：健康人

对于糖代谢能力与痴呆症的关系，曾在福冈县久山町进行过一项长期性的调查(12)。在1988年至2003年的15年间，对1017名未患痴呆症的年龄为60岁及以上的老年人(女性580人、男性487人)进行追踪调查，在调查开始时，对232人(女性153人、男性79人)进行了75 g口服葡萄糖耐量试验(oral glucose tolerance test：OGTT)，用由此得到的糖代谢能力评价结果，研究了该评价结果与痴呆症发病之间的关系。结果显示，关于痴呆症发病风险(调整性别和年龄后)，若将糖耐量正常组(control)作为1.0(n=115)，则空腹血糖受损组(impaired fasting glycemia)为0.63(n=13)， 糖耐量减低组(impaired glucose tolerance)为1.35(n=63)，糖尿病组(diabetes)为1.74(n=41)，亦即糖代谢能力越低，发病风险越高。由此推测，糖尿病和糖代谢能力与痴呆症发病相关。

阿尔兹海默症与AGEs

AD患者大脑的神经病理学特征是脑萎缩、老年斑和神经原纤维缠结。老年斑由β-淀粉样蛋白(amyloid-β protein：Aβ)构成，是一种大约由40个氨基酸组成的肽(Aβ40、Aβ42)，分子量为4300～4500。Aβ是在β-分泌酶和γ-分泌酶(secretase)作用下，从淀粉样前体蛋白(amyloid-β protein precursor：APP)中分解出来的。在AD患者体内，Aβ会凝集，并形成不溶性纤维，以淀粉样沉积。在葡萄糖的环境中培养后，Aβ发生糖化和AGE化(AGE-Aβ)。Aβ的氨基酸序列中，第16位和第28位有赖氨酸残基(Lys：K)，第5位有精氨酸残基(Arg：R)，这些氨基酸序列位点可能与糖化有关。此外，在葡萄糖的环境中培养，Aβ会发生凝集。与未添加AGE-Aβ时相比，向Aβ-葡萄糖溶液中添加AGE-Aβ后，凝集被大大促进(13)。由此推测出，AGE-Aβ可以起到促进Aβ凝集的“种子(seed)”作用。此外，在额叶中含有老年斑的组织的蛋白中的AGEs量，AD患者要比健康老年人高出3倍(14)。但是，在Aβ-葡萄糖反应系统中添加糖化反应抑制剂氨基胍(aminoganidine)进行培养，会对Aβ的凝聚形成产生抑制(15)。另外，现已证实老人斑中还存在戊糖素、吡咯素和CML(14-15)。由此推测，因糖化而引起的Aβ的AGE化，与蛋白交联的形成有关，是Aβ凝集的促进因素之一。

从AD患者大脑中取得的配对螺旋样纤维(paired helical filament：PHF)的tau蛋白已发生AGE化。但是从非AD患者或没有患痴呆症的大脑中取得的可溶性tau蛋白并未观察到AGE化的迹象。在tau蛋白的in vitro实验系统中，发生糖化的tau蛋白形成PHF样纤维。而没有发生糖化的tau蛋白不会形成纤维(16)。PHF中含有戊糖素、吡咯素和CML。并且，tau蛋白的氨基酸序列中有13个赖氨酸残基，其中有6个发生了糖化(17)。tau蛋白的糖基化位点正是它与微管的结合位点，因而导致结合功能受损。糖化tau蛋白诱发活性氧、IL-6等的氧化应激，使神经细胞功能受损(18)。糖化tau蛋白诱发淀粉样前体蛋白(amyloid-β protein precursor：APP)和Aβ形成。tau蛋白因磷酸化和糖化而发生微管结合功能下降，作为tau蛋白原有功能的细胞内传导能力降低。因此，细胞无法将APP分泌到细胞外，细胞内APP蓄积。通过上述机制，Aβ和tau蛋白的糖化促进了Aβ的沉积和凝集，同时也增强了tau蛋白的沉积。

此外，AD患者大脑内的小胶质细胞(microglia)和星形胶质细胞(astrocyte)中所含的戊糖素、CML以及作为AGE受体的RAGE(receptor for AGEs)(19)，与健康老年人相比显著性增加。小胶质细胞是一种存在于中枢神经系统的细胞，又称常驻巨噬细胞(macrophage)，具有清除和修复神经元等的功能(20)。另一方面，已证实小胶质细胞的激活可导致肿瘤坏死因子(TNF-α)、白介素(IL)-1β、干扰素(IFN)等炎性细胞因子的形成，表明它可能对神经细胞存在损害作用(21)。星形胶质细胞是一种只在脑和脊髓中存在的星形神经胶质细胞，在维持中枢神经系统功能方面具有调节血流、为神经细胞供给能量、干预突触功能、调节神经递质等作用(22)。向小胶质的培养细胞中添加AGE化鸡卵清蛋白(chicken egg albumin-AGE)后，可观察到RAGE介导的NO(nitric oxide)、IL-6、TNF-α等物质的产生，并会诱发炎症(23)。另外，在向大鼠大脑皮层神经元细胞(cortical neuronal cell)培养系统添加各种AGEs的实验中，证实了与Amadori 化合物(amadori products)、乙醇醛(glycolaldehyde)衍生的AGEs、甲基乙二醛(methylglyoxal)衍生的AGEs、乙二醛(glyoxal)衍生的AGEs相比，甘油醛(glyceraldehyde)衍生AGEs具有更强的诱发凋亡(apotosis)作用(24)。此时，CML和CEL均未诱发细胞死亡。由此推测出，随着Aβ和老年斑在大脑内的不断蓄积而发生的AGEs生成和蓄积，能够诱导Aβ出现神经毒性，诱发RAGE介导的炎症和凋亡，并参与AD病情的神经细胞死亡的促进和增强(图3)(25)。

上述内容表明，灵活使用可减少糖化所导致的AGEs形成及蓄积的物质，或会成为防止AD发病的有效措施(26-27)。

图3. AGEs对阿尔兹海默症的影响(25)
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