鐵代謝在運動改善阿爾茨海默病中的作用與機制研究進展

黎超洋，崔凱茵，房國梁

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種慢性神經系統退行性疾病，以進行性認知功能障礙和記憶衰退為主要臨床癥狀（Nelson et al.，2009）。AD 主要以神經纖維纏結（neurofibrillary tangles，NFTs）（Kadavath et al.，2015）、β-淀粉樣蛋白（amyloid-β，Aβ）沉積（Cheignon et al.，2018）等為顯著病理學特征。但由于AD 的發病機制尚未明確，目前用于治療AD 的臨床藥物，如乙酰膽堿酯酶抑制劑以及N-甲基-D-天門冬氨酸受體拮抗劑等只能在一定程度上延緩AD 進程，無法達到根治的效果（Fisher，2008）。因此，通過非藥物手段預防AD 發生至關重要。

近年來，大量研究表明，科學、規律的運動鍛煉能夠有效提高大腦認知功能和學習記憶能力（Arrieta et al.，2018；Song et al.，2019）。研究表明，運動可以調節AD 動物模型腦內鐵調素（hepcidin，Hepc）和鐵代謝相關蛋白的表達，緩解腦細胞中鐵超載情況，從而減少活性氧（reactive oxygen species，ROS）及Aβ 對神經細胞的毒害作用（Belaya et al.，2021）。但目前國內外鮮見綜述性研究報道運動調節鐵代謝進而改善AD 的作用與機制?；诖?，本研究旨在分析腦內神經元鐵代謝的分子機制，梳理鐵超載與Aβ沉積、Tau 蛋白異常磷酸化、鐵死亡和運動之間的關系，闡明運動通過調節鐵代謝進而改善AD 的作用機制。

1 鐵的生理作用及鐵代謝過程

1.1 鐵的生理作用

鐵元素是體內含量最多且不可或缺的微量礦物質，正常成年人的鐵含量為3～5 g。鐵在機體內主要參與氧的運輸和儲存、電子傳遞、神經遞質合成等，而鐵代謝是鐵在體內吸收、轉運、轉化、利用、排出的過程。在生物體內，鐵以二價鐵（Fe2+）或三價鐵（Fe3+）的形式存在，二者之間可以相互轉換。Fe2+較為容易被正常生理條件下的O2以及細胞能量代謝過程中產生的H2O2氧化，通過芬頓反應形成Fe3+及超氧陰離子、羥基自由基等ROS（Walling et al.，1975）。而鐵誘導產生ROS 引起的氧化應激反應會促使鐵蛋白、血紅素鐵、鐵硫簇進一步釋放鐵，形成鐵釋放和氧化應激之間的細胞毒性正反饋循環，加劇細胞和組織損傷（MacKenzie et al.，2008）。因此，機體內鐵代謝的失調，特別是游離態Fe2+的增加會對細胞產生毒害作用（González-Domínguez et al.，2014）。但在正常情況下，機體內大多數游離態的鐵都會與相應的蛋白質結合生成對應的鐵蛋白。同時，細胞內也存在谷胱甘肽（glutathione，GSH）等抗氧化系統，以避免過多的鐵對細胞產生毒害作用（Reichert et al.，2020）。

1.2 膳食鐵吸收和鐵轉運

膳食中攝入的鐵可分為血紅素鐵和非血紅素鐵。血紅素鐵的吸收途徑尚未明確，目前研究集中關注的途徑為血紅素載體蛋白1（heme carrier protein 1，HCP-1）受體介導的內吞途徑：胃蛋白酶原使血紅素蛋白分離出血紅素，隨后被近端腸粘膜上皮細胞膜上的HCP-1 通過受體介導的內吞作用運輸至細胞膜內，并在血紅素氧合酶-1的作用下降解為Fe2+（Silva et al.，2015），最終進入可變鐵池（labile iron pool，LIP）。此外，血紅素鐵的攝入還可能通過貓白血病病毒C 亞型受體2（feline leukemia virus subgroup C receptor 2，FLⅤCR-2）、血紅素敏感基因1（hemeresponsive gene 1，HRG-1）等受體吸收（宋陸茜 等，2020；Rajagopal et al.，2008）。非血紅素鐵的吸收途徑則比較明確。非血紅素鐵一般為Fe3+，且不容易被人體吸收，因此需轉化為Fe2+（Shayeghi et al.，2005），此過程通過十二指腸細胞色素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）進行（Silva et al.，2015）。被還原的Fe2+則可通過十二指腸上皮細胞上的二價金屬離子轉運體（divalent metal-ion transporter-1，DMT-1）（Shawki et al.，2015）或 鋅 鐵 調 控 轉 運 蛋 白14（ZRT- and IRT-like protein-14，ZIP-14）轉移到細胞內（Pinilla-Tenas et al.，2011；Scheiber et al.，2019），并大多數存儲在鐵蛋白中。

十二指腸上皮細胞內的Fe2+需要通過細胞膜上的膜鐵轉運蛋白1（ferroportin-1，FPN-1）轉運至血漿中，才能使機體利用膳食中的鐵（Nemeth et al.，2021）。而轉運到血漿中的Fe2+通過亞鐵氧化酶將其氧化為Fe3+，并與轉鐵蛋白（transferrin，Tf）結合形成轉鐵蛋白結合鐵（transferrin bound iron，TBI），通過循環系統完成鐵在機體內的循環（Yeh et al.，2009）。除TBI 外，血液中的鐵還以非轉鐵蛋白結合鐵（non-transferrin bound iron，NTBI）的形式運輸，如檸檬酸-Fe3+（或檸檬酸-Fe2+）、抗壞血酸-Fe2+等（Qian et al.，2001）。

1.3 神經元鐵代謝過程

神經元直接攝入血液中的鐵有3 種方式：1）TBI 通過轉鐵蛋白受體（transferrin receptor，TfR）介導的內吞作用進入神經元（黃健 等，2021）；2）NTBI 通過ZIP-14、ZIP-8、DMT-1 受體進入到神經元中（Knutson，2019；Tuschl et al.，2013）；3）血紅素鐵通FLⅤCR-2、HRG-1、HCP-1 等受體進入到神經元中（Chiabrando et al.，2018；Gozzelino，2016；Khan et al.，2013）。TBI 和NTBI 都要先通過腦毛細血管內皮細胞（brain microvascular endothelial cells，BMⅤECs）進入到血腦屏障內，BMⅤECs 膜上表達TfR1、ZIP-8、ZIP-14（Lajoie et al.，2015；Steimle et al.，2019；Tuschl et al.，2013）。血液中的Tf可以與BMⅤECs上的TfR1相結合形成pH為酸性的核內體（Moos et al.，2007），并釋放出Fe3+（Kawabata，2019）。隨后核內體移動到BMⅤECs 的外側并將Fe3+釋放到腦細胞外液中（Mills et al.，2010）。而NTBI中的Fe3+則要先被還原為Fe2+，隨后通過BMⅤECs 膜上的ZIP-14 和ZIP-8 進入到細胞內，再通過FPN-1 釋放到腦細胞外液中（黃健 等，2021；Mills et al.，2010）。

腦細胞外液存在腦膠質細胞分泌的Tf 和檸檬酸（Sonnewald et al.，1991；Ward et al.，2014），這二者與Fe3+結合分別形成TBI 或NTBI 繼續在腦細胞外液中運輸。神經元細胞膜表面表達TfR1 和ZIP-8（Ji et al.，2015；Moos et al.，2007），而細胞內則表達ZIP-14（Knutson，2019），Tf 可以與TfR1 再次結合形成核內體并釋放Fe3+，隨后Fe3+被STEAP3還原為Fe2+并通過DMT-1 或ZIP-14 穿過核內體膜運輸到神經元內（Lane et al.，2018）。而NTBI 則可通過神經元膜表面上的DMT-1 或者ZIP-8 進入到神經元內（Ji et al.，2015）。研究表明，血液中重鏈鐵蛋白還可以通過T 細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）進入到少突膠質細胞或神經元中。而神經元吸收血紅素鐵的分子機制尚未完全闡明，此過程可能通過FLⅤCR-2、HRG-1、HCP-1 等血紅素受體進行。

神經元也同樣表達FPN-1，FPN-1 能夠轉運Fe2+，隨后在血漿銅藍蛋白（ceruloplasmin，CP）等亞鐵氧化酶的作用下氧化為Fe3+，Fe3+再與Tf 或各種小分子化合物結合形成TBI 或NTBI，完成鐵的排出。此外，大腦也存在負責血紅素排出的蛋白。有研究報道，ATP 結合盒蛋白G 超家族成員2（ATP-binding cassette subfamily G member-2，ABCG-2）和FLⅤCR-1 是負責腦血紅素排出的載體蛋白，ABCG-2 廣泛表達于BMⅤECs、神經元、膠質細胞中（Chiabrando et al.，2018；Gozzelino，2016）。而FLⅤCR-1 廣泛表達于大腦各個部位，并分為FLⅤCR-1a 和FLⅤCR-1b 2 種亞型，前者表達于細胞膜，后者則表達于線粒體膜，分別負責細胞和線粒體的鐵排出（Chiabrando et al.，2018）。

2 鐵代謝與AD

鐵代謝紊亂會使過量的鐵在某些細胞和組織內過度堆積，發生鐵超載現象。例如在腦內，鐵代謝相關蛋白，如FPN-1、DMT-1、鐵調控蛋白（iron regulatory protein，IRP）、Hepc、鐵蛋白、Tf、TfR、CP 以及上述提到的其他鐵代謝相關蛋白共同參與鐵代謝過程，維持鐵穩態，避免鐵超載的發生。但在AD 患者腦內，上述鐵代謝相關蛋白的失調導致神經元內鐵代謝紊亂（表1），使鐵凈流入大于凈流出，誘發鐵超載，并在相關腦區形成鐵堆積（Yan et al.，2020）。

表1 鐵代謝相關蛋白的分類、功能以及在AD腦中的變化Table 1 Classification and Function of Iron Metabolism-related Proteins and Their Changes in AD Brain

2.1 鐵代謝相關蛋白與AD

2.1.1 FPN-1

FPN-1 是目前唯一已知存在于哺乳動物中的能將Fe2+從細胞內轉移到細胞外的膜轉運蛋白（Silva et al.，2015）。在FPN-1 mRNA 5’端存在鐵反應元件（iron-response element，IRE）序列，高鐵水平下IRP 與IRE 分離，促進FPN-1的表達；反之，在低鐵水平下，IRP 與IRE 結合，抑制FPN-1 mRNA 與核糖體的結合，減少FPN-1 的表達（Zhou et al.，2017）。研究表明，在APP/PS1 小鼠和野生型小鼠的海馬組織中，FPN-1 水平隨著鼠齡的增長而下降，在第9 個月時APP/PS1 小鼠的FPN-1 水平與野生型小鼠相比顯著下降。在AD 患者腦組織切片中也發現FPN-1 水平相較正常人減少；相反，過表達FPN-1 能夠改善小鼠的神經元鐵死亡和記憶衰退（Bao et al.，2021）。提示，FPN-1 下調和AD 發生高度相關。AD 患者年齡增長或病情發展誘發FPN-1 的降解，降低細胞對鐵的排出效率，誘導鐵超載的發生。

2.1.2 DMT-1

DMT-1 是一種Fe2+跨膜轉運蛋白，主要負責細胞外Fe2+、Zn2+、Co2+等二價陽離子的跨膜轉運（MacKenzie et al.，2008）。DMT-1 mRNA 3’端存在IRE 序列，高鐵水平IRP 與IRE 分離，抑制DMT-1 的表達；反之則增加其表達（Zhou et al.，2017）。有研究表明，腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等炎癥因子都會增加DMT-1 的表達（Wang et al.，2005）。并且大腦皮質和海馬組織中DMT-1 的表達量與年齡的增長呈正相關（Lu et al.，2017）。在APP/PS1 小鼠大腦皮質和海馬組織中DMT-1 的表達量也會顯著升高，并且通過RNA 干擾沉默內源性DMT-1，減少Fe2+攝入，可減少淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）的表達和Aβ的形成，增加細胞活性（Zheng et al.，2009）。提示，隨著衰老和AD 病程的發展，腦內DMT-1 上調并增加Fe2+的攝入，誘導細胞內發生鐵超載。

2.1.3 Hepc

Hepc 是一種主要在肝臟合成的肽類鐵調節蛋白，主要作用是與細胞膜上的FPN-1 結合，使其膜受體內化或降解，限制細胞對Fe2+的釋放（Kong et al.，2015）。細胞內鐵超載、炎癥會上調Hepc 的表達，而貧血、缺氧則會下調Hepc 的表達。Hepc 的調控通路包括Janus 激酶/信號轉導和轉錄激活子3（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3，JAK/STAT3）、骨 形 態 發 生 蛋 白（bone morphogenetic protein，BMP）/SMAD、細胞外信號調節激酶/絲裂原活化蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase/mitogen-activated protein kinases，ERK/MAPK）通路等（Silva et al.，2015）。肝源性Hepc 可通過血腦屏障，尤其是在神經炎癥引起BMⅤECs 滲透的情況下，Hepc 通過受損的血腦屏障進入大腦并影響AD（Raha et al.，2021）。除肝臟以外，靠近腦血管的星形膠質細胞和小膠質細胞也能夠表達Hepc 從而影響AD（Raha et al.，2021）。衰老本身會伴隨著腦部Hepc mRNA 水平升高（Wang et al.，2010）。同時，AD 患者腦中Hepc mRNA 水平也隨著病情發展而升高（Chaudhary et al.，2021）；并且AD 患者腦部的Hepc 主要聚集在Aβ 陽性的神經元纖維周圍（Raha et al.，2021）。而AD 患者體內的白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）濃度升高可激活JAK/STAT3 通路，從而增加全身或腦局部Hepc表達（Lyra e Silva et al.，2021）。此外，神經炎癥情況下，JAK/STAT3 通路的上調不僅能增加Hepc 表達，引起腦細胞FPN-1 的降解，并減少鐵的凈流出，同時還能上調DMT-1 表達，增加鐵的凈流入，造成細胞內的鐵堆積（Urrutia et al.，2013）。

2.1.4 鐵蛋白

鐵蛋白是一種中空的鐵貯存蛋白，其外殼由H-Ft 和L-Ft 組成，內部包裹大量的Fe3+（Arosio et al.，2009）。鐵蛋白的主要作用是儲存機體內的游離鐵，最大程度避免游離鐵的毒性作用。H-Ft和L-Ft的比例在各個組織中有所不同，二者的生理功能側重點也各有不同。L-Ft 結構更加穩定，能儲存更多Fe3+，主要分布在肝臟；而H-Ft 則具有更強的抗氧化作用，主要分布在心臟和大腦（Zhang et al.，2021）。鐵蛋白也存在于線粒體，即MtFt，MtFt 只由H-Ft構成（Da Silva et al.，2018）。研究表明，MtFt 過表達能夠降低線粒體內游離鐵水平、減少ROS、抑制細胞凋亡、抑制Aβ 的生成（Levi et al.，2021）等。鐵蛋白也同樣受IRP調控，鐵蛋白mRNA 的5’端存在IRE 序列，高鐵情況下，IRE 與IRP 分離，上調鐵蛋白的表達（Zhou et al.，2017），反之則反。12 月齡APP/PS1 小鼠腦內鐵蛋白含量顯著上升，主要分布于Aβ 斑塊的邊緣（Svobodová et al.，2019）。AD 患者海馬組織H-Ft 和L-Ft 含量與正常人相比均顯著上升，且腦內L-Ft 的濃度與老年斑的數量和神經元死亡呈正相關性（Kwiatek-Majkusiak et al.，2015）。此外，AD患者腦中MtFt 表達水平升高（Wang et al.，2011）。提示，在AD 病理情況下，鐵蛋白和MtFt 的表達上調是應對腦內鐵濃度上升的積極反應。但L-Ft 的升高會進一步誘導膠質細胞產生炎癥因子，從而加劇AD（Kwiatek-Majkusiak et al.，2015）。

2.1.5 Tf和TfR

Tf 是一種鐵轉運蛋白，多存在于血清中。Tf 的主要功能是與Fe3+相結合，維持鐵在體內運輸。Tf 能通過與TfR 相互結合將鐵運輸到細胞內。TfR 可分為TfR1 和TfR2，Tf 與TfR1 的結合力較TfR2 更強，TfR1 在腦中主要由神經元和BMⅤECs 表達；而TfR2 mRNA 則僅在小腦中檢測到（Leitner et al.，2012）。TfR1 是腦鐵攝入的載體之一。TfR1 的表達和DMT-1 同樣受到IRP 和缺氧的影響。在TfR1 mRNA 3’端存在IRE 序列，高鐵水平下，IRP 和IRE 分離，抑制TfR1 的表達（Zhou et al.，2017），反之則反。缺氧也會誘導TfR1 的表達增加。Lu 等（2018）發現，3 月齡APP/PS1 小鼠大腦皮質和海馬組織中Tf 和TfR 表達水平升高。此外，鐵可以通過Tf-TfR 復合物激活前列腺素D2 和E2，誘導早老素的表達，進而誘發Aβ 的產生。

2.1.6 CP

CP 是一種由肝臟分泌且含Cu2+的亞鐵離子氧化酶，其主要作用是協助FPN-1 將Fe2+氧化為Fe3+并促進其與Tf結合（Wang et al.，2019）。CP 的缺失會引起細胞鐵超載（Ward et al.，2014）。AD 患者血清中的CP 含量明顯升高（Park et al.，2014），CP 活性指標eCP/iCP 下降、非CP 結合銅水平明顯升高，此外，eCP/iCP 與AD 癡呆程度呈負相關（Siotto et al.，2016）。提示，AD 患者血清中有活性的CP相對減少，無活性的apo-CP 增加，使血清CP 總體活性降低，進而影響正常鐵代謝過程。

2.1.7 鈣衛蛋白

鈣衛蛋白是S100 蛋白家族成員，在人類中以S100A8和S100A9構成異二或異四聚體的形式存在。每個S100A8/A9 異二聚體具有4 個與Ca2+結合的EF 手型結構域和2 個金屬離子配對位點（His3Asp 和His6）。在Ca2+存在的情況下，2 個異二聚體會結合形成異四聚體，并通過His3Asp 和His6 結合Fe2+、Zn2+、Mn2+等二價金屬離子發揮相應的生物學功能；同時，鈣衛蛋白在富氧下能夠使Fe3+還原為Fe2+，具有影響鐵穩態的作用（Nakashige et al.，2015，2017）。而在AD 中，鈣衛蛋白作為一種促炎蛋白，在小膠質細胞和Aβ 沉淀周圍顯著升高（凌園果 等，2021），并通過與Toll樣受體4 或膜蛋白晚期糖基化終末產物受體結合，使小膠質細胞過度活化，以及通過激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路產生大量TNF-α 等炎癥因子，誘發神經炎癥的形成，進而導致AD 的發生（Kummer et al.，2012），此過程可能會間接誘導Hepc 的產生，使胞內鐵排出受阻。同時，鈣衛蛋白還可與Aβ40形成復合物，影響Aβ40的聚集，并加重Aβ40的神經毒性（Lee et al.，2018）。

2.2 鐵超載與AD

在病理狀況下，鐵代謝相關蛋白表達和功能失調，導致細胞內鐵超載的發生，從而誘導AD 的發生。細胞中過度的鐵超載則會誘發腦組織發生鐵沉積。腦鐵沉積程度一般采用核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的方法進行量化，而磁定量敏感成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）以及磁敏感加權成像（susceptibility weighted imaging，SWI）在評估腦鐵沉積中具有較高的靈敏性和特異性（Liu et al.，2017）?；赟WI 技術發現，AD患者海馬和黑質等區域存在病理性鐵沉積，并與病情的發 展 高 度 相 關（Haller et al.，2021）。同 時，李 思 瑤 等（2011）研究發現，AD 患者的雙側蒼白球和殼核、左側海馬和額葉、右側尾狀核和齒狀核的SWI 相位值與認知評分呈正相關。此外，董俊伊等（2021）使用QSM 發現，錐體外系核團的磁敏感值與AD 患者的鐵堆積程度呈正相關、與認知評分呈負相關。因此，大腦皮質相關區域中出現大量鐵沉積可以作為AD 早期發生的有效病理學證據之一。

2.2.1 Aβ生成及沉積

腦內大量沉積的Aβ 是組成老年斑的主要成分，也是AD 典型病理學特征之一，同時在老年斑中檢測到了大量的鐵（Cheignon et al.，2018），表明Aβ 與鐵超載關系密切。Aβ 由APP 降解形成。在正常狀態下，APP 通過非淀粉樣蛋白途徑降解，APP 先被α-分泌酶切割降解為CTF83 和sAPPα，隨后CTF83 由γ-分泌酶切割，形成可溶性的P3 肽和APP 胞內結構域（APP intracellular domain，AICD）。而在病理狀態下，APP 通過淀粉樣蛋白途徑降解，先由β-分泌酶切割，降解為CTF99 和sAPPβ，CTF99 隨后則被γ-分泌酶切割形成難溶性的Aβ40或Aβ42以及AICD（Cheignon et al.，2018）。Aβ40或Aβ42如不及時降解或轉運，則會與腦中的鐵、銅、鋅等相互作用形成Aβ 金屬離子低聚物，繼而形成Aβ 原纖維，大量堆積形成Aβ 沉積（Cheignon et al.，2018）。隨著腦部鐵超載的發生，Aβ 與鐵的結合能力隨之增加，顯著提高Aβ 的細胞毒性（Schubert et al.，1995）。同時，由于Aβ與Fe2+的結合力比Tf強，Aβ還會與Tf等含鐵蛋白爭奪鐵，加速Aβ 沉積并破壞胞內鐵穩態（Jiang et al.，2009）。此外，鐵超載會下調弗林蛋白酶（furin）的轉錄和翻譯，從而降低α-分泌酶對APP 的切割活性；鐵超載也可以通過產生鐵依賴性ROS 上調金屬蛋白酶組織抑制劑-2/3 的表達，從而抑制α-分泌酶的活性。上述2 種途徑相對提高了β-分泌酶的活性，使更多APP 通過淀粉樣蛋白途徑降解生成Aβ（Silvestri et al.，2008）。此外，在APP mRNA 5’端非編碼區存在IRE 序列，鐵超載情況下會上調APP（Zhou et al.，2017）。綜上，β-分泌酶活性提高以及APP 上調，共同促進不可溶性Aβ 的生成及沉積，從而誘導和加劇AD。

2.2.2 Tau蛋白異常磷酸化

Tau 蛋白是神經元中的一種微管相關蛋白。正常生理狀態下，其最主要的功能是維持神經軸突微管的形成和結構穩定（Kadavath et al.，2015）。而在AD 病理狀態下，Tau 蛋白常發生磷酸化、泛素化、乙?；刃揎棶惓?，并產生神經毒性，其中以異常磷酸化最為常見（Derry et al.，2020）。微管結合調節激酶、糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）等磷酸化Tau 蛋白蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸等多個位點（Billingsley et al.，1997），降低了Tau 蛋白與微管的結合能力，引起神經元之間雙螺旋纖維形成，最終沉積形成NFTs（Wang et al.，2013）。細胞內鐵超載與Tau 蛋白異常磷酸化有關。研究發現，暴露在游離鐵中的神經元會激活GSK-3β 相關通路從而引起Tau 蛋白異常磷酸化（Han et al.，2021）。同時，高鐵飲食或神經元暴露在Fe2+下會引起Tau 蛋白Ser202、Thr205、Ser396 位點的磷酸化水平上升（Wan et al.，2019）。此外，可溶性Tau 蛋白的缺失也會誘導AD 的發生。在鐵代謝過程中APP 與CP 功能類似，能夠協助神經元細胞膜上的Fe2+氧化為Fe3+，與Tf 結合后運出細胞（Duce et al.，2010）。而Tau 蛋白異常磷酸化導致NTFs 的形成，減少了神經元中可溶性Tau 蛋白，使APP 無法正常轉運至神經元細胞膜表面，減少神經元鐵的排出（Lei et al.，2012），進一步加劇細胞內鐵超載和Tau 蛋白異常磷酸化，形成惡性循環。

2.2.3 神經元鐵死亡

細胞鐵超載會通過芬頓反應產生大量ROS，誘發鐵死亡。鐵死亡這一概念由Dixon 等（2012）首次提出，是指細胞內部Fe2+超載誘導大量ROS 產生，繼而引起細胞膜脂質過氧化的新型細胞程序性死亡。鐵死亡的誘因為：細胞內發生Fe2+超載并產生大量ROS；GSH 和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPx4）等抗過氧化物減少；細胞膜多不飽和脂肪酸的過氧化（Reichert et al.，2020）。在AD 病理狀態下，神經元鐵超載會大量產生鐵依賴性ROS，誘導鐵死亡的發生。此外，研究發現，在APP/PS1 小鼠海馬組織中，脂質過氧化物丙二醛（malondialdehyde，MDA）表達上升，而GSH 下降（Bao et al.，2021）。有研究使用GPx4 BIKO 小鼠研究AD 模型中大腦皮質和海馬組織是否受到鐵死亡的影響，結果表明喂食他莫昔芬誘導GPx4 BIKO 小鼠腦部GPx4 選擇性缺失后，其空間記憶和學習記憶能力明顯受損，并出現海馬體神經元變性以及鐵死亡標志物上升等情況，如ERK 通路激活、脂質過氧化和神經炎癥增強等（Hambright et al.，2017）。提示，在AD病理狀態下神經元存在鐵死亡的情況。目前，關于鐵超載如何介導神經元鐵死亡從而誘導AD 發生的機制鮮見具體報道，但鐵超載可能通過3 個途經參與神經元鐵死亡：1）通過生成鐵依賴性ROS 引起脂質過氧化并消耗大量的GSH 和GPx4 等抗氧化物；2）通過抑制GSH 合成過程中的限速酶谷氨酰半胱氨酸連接酶（glutamate-cysteine ligase，GCL）的活性降低GSH 的合成速率（Maher，2018）；3）通過誘導線粒體功能障礙引起腦細胞能量代謝紊亂（Onukwufor et al.，2022）等。

3 運動與鐵代謝

已有研究表明，運動可以調控Hepc 從而改善2 型糖尿?。◤埛f珺 等，2015）。此外，運動還可以調節鐵代謝，進而改善惡性腫瘤、糖尿病性心臟病等（陳泉 等，2018；王海濤 等，2022）。

JAK/STAT3 是調控Hepc 最主要的信號通路，上游為IL-6（Silva et al.，2015）。有研究表明，小鼠經過5 周高強度運動干預后血清鐵和鐵蛋白下降，這是由于IL-6 水平上升誘導肝源性Hepc 增加，造成腸道內FPN-1 內化以及DMT-1 和HCP-1 的降解，進而抑制機體從腸道吸收鐵（Liu et al.，2011）。Meta 分析表明，急性中、大強度和耐力運動都會誘導炎癥反應發生并升高血清Hepc，但急性運動對血清Hepc 的影響更顯著（王海濤 等，2016）。提示，血清Hepc 受運動強度和運動量的共同影響。此外，運動前的鐵水平也影響Hepc 表達。鐵水平較低（血清鐵蛋白含量＜30 μg/L），運動后Hepc 的表達無顯著變化；鐵水平較高，運動后Hepc 的表達顯著增加（Peeling et al.，2014）。

除IL-6 外，Hepc 的表達還受低氧誘導因子1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、血幼素（hemojuvelin，HJⅤ）和TfR2 的調控。在運動過程中，血流量的重新分配致使流經肝臟的血流量減少，誘發缺氧，從而激活HIF-1α 抑制Hepc 的表達（Domínguez et al.，2018）。HJⅤ可分為位于細胞膜上的mHJⅤ和可溶性sHJⅤ，二者互為BMP 的競爭位點。sHJⅤ是一種肌細胞因子，在運動過程中會釋放到血液中，通過與mHJⅤ競爭BMP 抑制SMAD 通路激活，抑制Hepc 表達（Liu et al.，2011）。有研究表明，低氧環境或低氧運動均能上調骨骼肌中sHJⅤ的表達（李海洲 等，2011）。此外，運動還能影響肝臟mHJⅤ的表達，進而調控Hepc 的表達（劉樹欣 等，2011）。說明，運動可通過HJⅤ途徑對機體內鐵代謝進行調控。在運動對TfR2 的影響中，有研究對SD 大鼠進行低氧運動或常氧運動干預發現，運動可減少使肝臟TfR2 表達，但低氧運動的效應更為明顯（李海洲 等，2012）。隨著TfR2 的下調，ERK/MAPK 通路受到抑制，從而抑制肝臟Hepc 的表達。

同時，IRP 也是調控機體鐵代謝的重要環節之一。運動對IRP-1 的調控可能通過增加一氧化氮（nitric oxide，NO）增強IRP-1 活性，促進IRP 與相關蛋白mRNA 上IRE序列結合，從而調控鐵代謝（王海濤 等，2009）。

綜上，運動通過調控機體炎癥因子、HIF-α、HJⅤ和TfR2的表達，激活或抑制JAK/STAT3、SMAD、ERK/MAPK 通路，從而影響肝臟Hepc 的表達。此外，運動還能通過上調NO影響IRP的表達，通過Hepc和IRP調控機體內鐵代謝。

4 運動調節鐵代謝緩解腦鐵超載，預防和延緩AD

4.1 運動調節腦內鐵代謝相關蛋白，緩解神經元鐵超載，減少Aβ生成和Tau蛋白過度磷酸化

Belaya 等（2021）使用6 周齡5×FAD 小鼠進行為期6 個月的自主轉輪運動實驗發現，自主轉輪運動能降低5×FAD小鼠大腦皮質中IL-6R、JAK1、STAT3、DMT-1、TfR、鐵蛋白和FPN-1 的mRNA 水平以及IL-6 和Hepc 的表達量，并上調JAK/STAT3 特異性抑制劑蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）在大腦皮質中的mRNA表達。Choi 等（2021）對APP-C105 小鼠進行為期8 周的70%～85%O2max跑臺運動干預發現，跑臺運動能夠降低APP-C105 小鼠大腦皮質運動區TfR1、Tf、DMT-1、L-Ft、HFt、MtFt、β-分泌酶和APP 的表達量，提高FPN-1、furin、α-分泌酶的表達量；此外，Morris 水迷宮實驗、被動回避實驗、新奇物識別實驗也表明，運動組小鼠學習和記憶能力相對提高，并且大腦皮質運動區Fe2+、Fe3+、總鐵含量顯著下降。Chen 等（2014）發現，為期3 個月的游泳運動干預下調雌性SD 大鼠海馬中FPN-1 的表達量，上調IRP-1 和IRP-2 的表達量。云少君等（2009）對3 月齡ICR 大鼠進行為期10 周的跑臺運動干預，并通過D-半乳糖誘導AD，發現運動能夠上調ICR 大鼠腦部IRP-2 的基因表達，降低Morris 水迷宮實驗逃避潛伏期。上述研究提示，運動干預能夠影響腦部鐵代謝相關蛋白的表達，從而調控鐵代謝。

機制上，運動通過下調AD 模型腦部IL-6 以及IL-6R，減少IL-6/IL-6R 受體復合物和JAK 結合，抑制JAK 磷酸化；同時，運動通過上調PTP 表達使p-STAT3 二聚體和p-JAK去磷酸化。這2 種途徑共同抑制p-JAK 對STAT3 招募，進而抑制p-STAT3 與Hepc 基因啟動子的結合，最終下調Hepc在腦中的表達。Hepc 的降低上調FPN-1 膜表達，促使細胞的鐵排出。此外，LPS、TNF-α、IL-6 等炎癥因子的降低具有下調DMT-1 表達及抑制TfR1 鐵轉運效率的作用（Ⅴela，2018a，2018b），而運動能夠抑制小膠質細胞中MAPK（ERK1/2 和p38-MAPK）通路的激活，從而阻斷NF-κB 炎癥通路（Leem et al.，2011）。同時提高IL-10 抗炎癥因子的水平，使M1/M2 小膠質細胞的比例降低，共同減少小膠質細胞對TNF-α、IL-1β、IL-6 等炎癥因子的釋放（Souza et al.，2013；Tang et al.，2016）。這些炎癥因子的減少能夠直接抑制DMT-1 和TfR1 的表達，進而減少細胞對鐵的攝入。上述過程中，運動調節各種鐵代謝相關分子的表達，從而減少細胞對鐵的攝入以及增加對鐵的排出，共同緩解細胞內鐵超載的情況。

運動通過緩解鐵超載情況使細胞內游離鐵相對減少，促使IRP-1 中的鐵硫簇斷裂，并增強與IRE 的親和力。同時，運動可通過提高海馬體內源性NO 的表達使IRP-1鐵硫簇構象發生改變，增加IRP-1 活性（Liu et al.，2019；Qi et al.，2020），增加IRP-1 與鐵蛋白和APP 的mRNA 5’端的IRE 結合量，從而使二者的mRNA 穩定性下降，抑制其表達。鐵蛋白表達的減少降低細胞內鐵貯存量，而APP 表達的減少則能減少不可溶性Aβ 的形成。此外，運動可以緩解鐵超載，上調細胞中furin 的轉錄和表達，進而降低神經元中β-分泌酶的活性，提高α-分泌酶的活性，抑制不可溶性Aβ 的形成過程。最后，鐵超載的緩解也能抑制GSK-3β 相關通路的激活，從而抑制Tau 蛋白過度磷酸化的過程（圖1）。

圖1 運動、鐵代謝和AD病理的關系Figure 1. Relationship between Exercise， Iron Metabolism， and AD Pathology

4.2 運動降低細胞鐵死亡敏感性，抑制神經元死亡

AD 患者腦部存在鐵死亡的情況已得到證實，但對于鐵死亡如何介導AD 的發生尚未完全闡明。Choi 等（2021）研究發現，APP-C105 小鼠以70%～85%O2max強度進行跑臺運動可以降低大腦皮質中MDA 和4-羥基壬烯醛（4-hydroxynonenal，4-HNE）的表達量。Medhat 等（2020）通過4 周有氧游泳運動聯合維生素D 干預LPS 誘發AD 大鼠，發現單純運動組大鼠大腦MDA 表達顯著下降，GSH 表達顯著上升，而運動聯合維生素D 干預能夠顯著提高腦中GSH的表達量。此外，8 周的有氧運動能夠激活Kelch 樣ECH相關蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）/核因子E2 相關因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）通路，使Keap1 構象發生改變，抑制Nrf2 的泛素化過程，啟動下游抗氧化蛋白基因的轉錄和翻譯，從而提高APP/PS1 小鼠大腦皮質和海馬組織GCL 的表達量（房國梁等，2018）。提示，運動能夠抑制脂質過氧化物MDA 和4-HNE 的生成，并且通過激活Keap1/Nrf2 信號通路提高GCL表達進而促進GSH 的表達，促使GPx4 利用GSH 作為輔助因子將膜磷脂氫過氧化物還原為無害的脂醇，從而緩解細胞中脂質過氧化的過程。同時，運動緩解鐵超載的過程抑制芬頓反應，從而降低了鐵依賴性ROS 的產生，降低神經元鐵死亡的敏感性，抑制神經元鐵死亡的發生（圖1）。

5 小結與展望

綜上所述，鐵代謝是一個非常復雜的過程，涉及鐵的攝入、排出、儲存以及鐵代謝相關蛋白之間的相互作用。AD 患者存在鐵代謝紊亂的情況，導致鐵超載，進而誘導Aβ 生成和沉積、鐵依賴性ROS 產生、Tau 蛋白異常磷酸化和神經元鐵死亡敏感性升高。而運動干預可以通過調節腦內鐵代謝相關蛋白緩解以上異常過程，從而延緩和改善AD 發生。

目前，關于鐵代謝在運動預防和延緩AD 中的機制研究相對較少，未來可重點從鐵代謝在運動預防和延緩AD中的新機制，以及不同運動方式和運動強度對AD 患者腦鐵代謝影響的異同及其相關機制等方面展開研究，從而進一步揭示運動如何調控AD 患者腦中鐵代謝過程、預防和延緩AD，為運動防治AD 提供新思路。