肥胖誘導阿爾茨海默病相關神經系統損傷機制的研究進展

潘智博，于文磊，陸林杰，錢祁瑋，王歡歡

(杭州師范大學 醫學部，浙江 杭州 311121)

隨著生活水平的提高、生活方式和營養攝入模式的改變，肥胖已成為當代社會的普遍問題。肥胖是指一定程度的明顯超重與脂肪層過厚，是體內脂肪積聚過多而導致的一種狀態。肥胖所帶來的健康問題不容小覷，研究[1-2]表明，肥胖會增加心血管疾病的患病風險，影響消化系統功能，甚至增加癌癥發生的概率，是許多疾病的隱性危險因素。流行病學研究[3-4]表明，肥胖不僅可引起傳統代謝性疾病，還與神經系統的損傷有著密切聯系，如肥胖造成的脂質代謝異常可導致海馬結構的改變，進而產生輕度認知障礙，具體表現為阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)患病風險上升。本文總結肥胖對AD相關神經系統損傷的分子機制，歸納炎癥反應、氧化應激反應、免疫失衡、細胞DNA損傷與中樞神經系統(central nervous system，CNS)損傷的聯系[5-8]，為神經系統疾病的治療與預防提供一定的參考。

1 肥胖與AD相關流行病學研究

AD是常見的神經退行性疾病[9]。據國際AD協會公布的數據，2001年全球約有2 340萬例AD患者。根據疾病測算負擔軟件DISMOD所估計的發病率，全球每年約新增460萬例AD患者，至2040年AD患者人數將達到8 100萬。目前普遍接受的AD發病機制為淀粉樣蛋白級聯假說，該假說的核心為AD的病理標志是淀粉樣蛋白β(amyloid β protein，Aβ)肽。Aβ肽是淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的水解產物。APP有兩種裂解代謝途徑：淀粉樣和非淀粉樣蛋白途徑，其中非淀粉樣蛋白途徑可以減少Aβ肽對神經元的損傷。

流行病學研究顯示，AD的發生與機體能量代謝有著密切聯系，肥胖是AD發病的高危因素之一。Whitmer等[10]對加利福尼亞州北部的Kaiser Permanente醫療護理項目的10 276名成員進行了長期性觀察，結果顯示，在713名被診斷為AD的患者中，肥胖比例為12.2%(正常人群為9.9%)。而另一項對1 449例老年人長期的隨訪研究[11]表明，中年肥胖與AD患病率呈正相關[12]，中年肥胖患者(BMI≥30 kg/m2)患AD的概率是正常人群的1.39倍。

2 肥胖誘導AD相關神經系統損傷的分子機制

2.1 肥胖與中樞炎癥反應 肥胖及包括糖尿病在內的代謝綜合征可誘發全身性炎癥反應[13]，其中慢性炎癥以及下丘腦炎癥均可通過不同途徑造成神經系統損傷。

由代謝綜合征引發的神經病理學損傷通常是由血腦屏障(blood brain barrier，BBB)通透性增加引起的。BBB是一種保守結構，其基本結構是由緊密連接蛋白連接在一起的內皮細胞構成，可阻擋血液中有害成分進入CNS，BBB的完整性是保證神經系統正常運作的核心。許多神經系統疾病的發生與BBB完整性的破壞有密切聯系[14-15]。研究表明，BBB通透性的增加與炎癥反應有關[5]，而慢性炎癥則是肥胖患者體內的典型病理改變[16]。

核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是細胞內重要的基因轉錄調控因子之一，NF-κB的錯誤調節會導致多種慢性炎癥反應、自身免疫性疾病甚至癌癥[17]。目前肥胖研究的造模通常采用小鼠高脂肪飲食(high fat diet，HFD)方法，特別是喂養富含飽和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)(如棕櫚酸)的飼料。在飼養過程中，與中樞炎癥有關的癥狀甚至在小鼠體重增加之前就可觀察到，這表明SFA在早期炎癥通路激活中起著重要作用，其機制可能是SFA與TLR4相互作用并激活髓樣分化因子88(MyD88)，使NF-κB活化；胰島素抵抗(insulin resistance，IR)和瘦素水平(leptin，LP)是影響該途徑的重要因素。另有研究[18]表明，肥胖導致的IR可通過抑制SOCS3進行預防，該途徑可以由NF-κB激活引起的SOCS3表達抑制來實現。肥胖引起的慢性炎癥反應還可造成細胞內DNA損傷[19]。活化的巨噬細胞分泌的細胞因子(如TNF-α和IL-6)，誘導趨化因子釋放使非目標組織的DNA損傷遠離炎癥部位，隨后這些細胞因子進入身體的不同區域并激活定居的巨噬細胞，產生促炎分子如COX2，NOS，ROS和NO等[20-21]。這些分子的釋放可導致細胞中DNA氧化性損傷。另外，吞噬了凋亡細胞的巨噬細胞能移動到機體的另一區域靶向釋放細胞因子，造成細胞DNA損傷。細胞因子的轉移可以通過巨噬細胞使大量誘導損傷的信號在遠處的組織傳遞開來。通過這種手段，肥胖引起的慢性炎癥可以造成體內不同組織細胞DNA損傷，從而損傷神經系統。

另外下丘腦也是由HFD誘導的最常見炎癥區域之一[22]。作為能量代謝平衡的主要控制中心，下丘腦的損傷會加速肥胖的發展[23]，具體表現為下丘腦炎癥可以在短短幾天內提高HFD小鼠的體重。如上所述，一方面SFA通過NF-κB途徑產生慢性炎癥，損傷CNS；另一方面誘導下丘腦炎癥，降低其調節瘦素水平和胰島素抵抗的能力，并且長期的HFD還會減少下丘腦神經元的突觸數量并誘導神經細胞凋亡，最終導致神經系統損傷。

2.2 肥胖與氧化應激反應 氧化應激反應在肥胖的發展中起著重要作用，許多研究均證實了肥胖與氧化應激機制之間的聯系[24]。飲食習慣造成的高血糖癥和線粒體功能障礙造成的代謝綜合征等不僅會使體內的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)增加引起氧化應激，還會進一步氧化修飾DNA以及下調機體內重要基因表達，從而造成神經系統損傷。

氧化應激與日常膳食消耗的營養素絕對量及其類型息息相關。營養素絕對量不僅會誘導氧化應激反應，更可能進一步推動肥胖及其相關的非傳染性疾病的發展。營養素絕對量與氧化應激反應之間的關系與NF-κB介導的細胞信號轉導途徑相關[25]。碳水化合物或高脂類物質的攝入會導致更多的底物進入線粒體呼吸鏈[26]。在高血糖癥中，細胞內過量的底物使糖酵解途徑和三羧酸循環過載，導致NADH和FADH2過量產生，使線粒體內膜質子梯度升高，復合體III中的電子泄漏，生成大量的ROS。ROS抑制3-磷酸甘油醛脫氫酶，并通過4種替代途徑將上游糖代謝產物進行轉換：(1)葡萄糖轉移到多元醇途徑；(2)6-磷酸果糖轉移到己糖胺途徑；(3)磷酸丙酯產生甲基乙二醛途徑；(4)磷酸二羥丙酮轉化為二酰基乙二醇，激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)途徑。其中甲基乙二醛是晚期糖基化終產物(advanced glycation end product，AGE)的主要前體物質。這些替代途徑的激活通過進一步增加ROS的生成或削弱抗氧化防御能力來誘導氧化/亞硝化應激反應[27]。幾項動物實驗表明，在多元醇途徑中，NADPH消耗增加迫使葡萄糖向山梨糖醇轉化，激活應激基因引起氧化應激反應。在己糖胺途徑中形成的6-磷酸葡糖胺可抑制硫氧還蛋白還原酶活性引起氧化應激和內質網應激。最后AGE和PKC途徑可分別通過激活NOx和NF-κB誘導ROS/RNS的產生[28]。此外ROS過量生成，小鼠體內代謝基因、管家基因和結構基因的表達皆呈現出下調，均表明肥胖對神經系統有損害作用。

另外肥胖與線粒體功能有著直接聯系，一方面脂肪細胞有利于維持能量儲存和消耗之間的平衡，而維持這種平衡需要正常的線粒體功能；另一方面，在平衡過程中許多脂肪因子是重要的調節劑，包括TGF-β超家族、轉錄共激活因子PGC-1α和PRDM16。線粒體在ATP的產生、消耗以及ROS的處理中起著重要作用[29]。盡管氧化磷酸化在線粒體中十分高效快速，然而仍存在少量過剩的電子，這些電子會造成O2生成減少，從而形成潛在的有害氧自由基。除此之外，在某些條件下，質子通過各種解偶聯蛋白，可以重新進入到線粒體基質，其結果是線粒體對氧自由基產生失控[30]，造成氧化應激反應。

流行病學數據[31-32]表明，多數肥胖患者體內均存在DNA損傷，而體內大多數內源性DNA損傷來自于ROS的氧化修飾，這些損傷是促進肥胖及相關疾病發展的關鍵因素。當ROS破壞能力超過人體抗氧化防御系統能力時，ROS會與體內各種大分子物質進行反應，包括碳水化合物、蛋白質、磷脂和核酸等。而在這過程中，這些大分子物質的結構會因氧化修飾而發生改變[33]，其中DNA的氧化修飾因其副產物具有重要的誘變潛力而尤為突出，其主要副產物有8-羥基鳥嘌呤(8-hydroxyguanine，8-OHdG)，7,8-二氫-8-氧鳥嘌呤，胸腺嘧啶醇，4,6-二氨基-5-甲酰胺基嘧啶和2,6-二氨基-4-羥基-5-甲酰胺基嘧啶[34]。關于8-OHdG水平在腫瘤發展中的重要作用已被廣泛證實，在DNA復制期間，高水平的8-OHdG可引起堿基顛換(GC至TA)的變化，從而導致癌變。

2.3 肥胖與免疫細胞失衡 研究已經證實肥胖與慢性炎癥之間的關系[16]，而局部組織中的免疫細胞，尤其是內臟脂肪組織中的免疫細胞，在肥胖誘導的炎癥調節中有著重要作用。幾項動物實驗結果顯示，肥胖會增加促炎性免疫細胞的數量及其活化，其中包括M1巨噬細胞、中性粒細胞、CD4 T細胞和CD8 T細胞[35]；可抑制抗炎細胞的活性，如M2巨噬細胞、CD4調節性T細胞，調節性B細胞和嗜酸性粒細胞[36]。

有研究[37-39]表明，在小鼠和人類中，脂肪組織中的巨噬細胞數量與胰島素抵抗呈正關系，主要原因是巨噬細胞產生的TNF-α，一方面是胰島素信號的有效抑制因子，另一方面還是NF-κB信號的有效活化因子[40-41]。此外在脂肪組織中，巨噬細胞還能通過細胞表面的TLR4與胎球蛋白A相互作用并活化，產生NF-κB[42-44]。另有動物實驗表明，在小鼠胚胎成纖維細胞(3T3-L1)中，TNF-α通過P44/42促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)使胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)失活，從而直接阻礙胰島素信號轉導。促炎應激傳感器和信號通路的慢性激活也可導致免疫失衡：具體表現為P44/42、JNK、P38和MAPK可通過皮下脂肪定居的巨噬細胞產生的TNF-α間接刺激脂肪細胞中的脂肪分解，從而影響機體降解脂質的能力[45-46]。值得一提的是，體外于棕櫚酸中培養的單核細胞的IL-6和TNF-α在mRNA水平上呈上升趨勢[47]。而巨噬細胞與脂肪細胞共同培養時，巨噬細胞產生的TNF-α和IL-1β同樣顯著增加[42]。由于TNF-α、IL-6和IL-1β可刺激NF-κB和JNK的前饋激活，導致絲氨酸殘基而非酪氨酸的IRS-1磷酸化，進而使胰島素信號轉導損傷永久化，產生免疫毒性損傷神經系統。

2.4 肥胖導致神經系統損傷機制間的關聯 綜上，肥胖患者體內NF-κB信號通路的調節可改變BBB的通透性進而引起中樞系統的炎癥。另外，肥胖誘導的巨噬細胞M1/M2極化失調，一方面經MAPK途徑引起免疫失衡，另一方面前饋激活了NF-κB信號通路，誘發其免疫毒性反應。細胞因子失衡還可導致IR表達異常，轉而影響NF-κB信號通路。在氧化應激反應誘導的神經系統損傷中，ROS的氧化修飾會損傷部分組織細胞結構，改變組織功能，進而造成炎癥反應及免疫細胞失衡。

3 結語

AD造成的神經系統損傷包括炎癥反應、氧化應激反應、免疫失衡、DNA損傷與染色體畸變等，肥胖也可造成以上幾種病理損傷，故推測肥胖與AD的發生、發展有著潛在的關系。

本文將肥胖導致的AD相關神經系統損傷機制歸納如圖1，主要包括：(1)脂質代謝異常與TLR4相互作用引發的中樞炎癥反應；(2)巨噬細胞M1/M2失衡導致的免疫毒性；(3)線粒體呼吸鏈底物過量所引發的氧化應激及DNA損傷，具體靶點見表1。其中炎癥反應和氧化應激反應是目前較為明確的與AD相關神經系統損傷有關的機制。進一步深入研究肥胖對AD相關神經系統的損傷機制可為神經系統疾病提供更多的治療手段。

圖1 肥胖造成神經系統損傷機制圖

表1 肥胖對AD相關神經系統損傷相關細胞因子、活性氧及細胞信號通路蛋白的影響