27 羥基膽固醇在阿爾茨海默癥中的作用機制

聞 嫵，馬明旋

（揚州大學附屬醫院藥劑科，江蘇 揚州 225000）

阿爾茨海默癥（Alzheimer disease，AD）是一種起病隱匿的中樞神經退行性疾病。該病的病理診斷表現為腦β-淀粉樣蛋白（amyloid-βoligomer，Aβ）沉積及磷酸化Tau 蛋白形成的神經纖維纏結，臨床表現為記憶力下降、判斷力喪失、抽象思維損傷等認知功能障礙。AD 是迄今為止最常見的癡呆病因，約占所有癡呆診斷的80%[1]，每年與AD 有關的直接和間接保養費近5000 億美元[2]，給世界公共衛生體系和養老體系帶來巨大挑戰，因此AD 被認為是一個日益嚴峻的全球健康危機。由于AD 的病理特征主要表現為Aβ 和磷酸化Tau 蛋白形成的神經纖維纏結，因此研究人員致力于開發靶向Aβ 和Tau 的新型抗AD 藥物，希望能夠逆轉AD 的發生。然而，其研究大多以失敗告終，因此需要尋找新的研究方向。近年來，風險因素管理被認為是減緩AD 發展的有效途徑，可改變的危險因素如高血壓、糖尿病和高膽固醇血癥與晚年認知能力下降有關。隨著對AD 的深入研究，越來越多的證據表明高膽固醇血癥與AD 的發病率呈正相關[3，4]，由于外周膽固醇無法透過血腦屏障，其代謝產物27 羥基膽固醇（27-hydroxycholesterol，27-HC）是流入大腦的主要外周膽固醇，其影響著Aβ 的產生和消除且與認知障礙顯著相關[5]，因此27-HC 可能是高膽固醇血癥促進AD病理的潛在機制。本文就27-HC 與AD 之間可能的作用機制進行綜述，以期為預防或延緩AD 的發生提供新的策略。

1 27-HC 概述

氧化膽固醇在維持膽固醇穩態方面起著重要作用，它在中樞神經系統中的調節失調與神經退行性病變有關。27-HC 的形成是由細胞色素P450 家族27 亞家族A 成員1（CYP27A1）介導的，幾乎所有的細胞都通過CYP27A1 酶從膽固醇合成27-HC，這種代謝物隨后被分泌到體內，其濃度與血漿中的膽固醇水平直接相關[6]。由于CYP27A1 基因在神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞中表達較低，因此大腦中的內源性27-HC 含量較少[7]，且在神經元細胞中，27-HC 通過CYP7B1 酶的作用代謝為7α-羥基-3-氧-4-膽甾烯酸，隨后透過血腦屏障進入肝臟代謝[8]。值得注意的是，27-HC 是血液循環中含量最豐富的膽固醇[9]，循環中的27-HC 可以通過自由擴散進入大腦，研究表明每天大約有5 mg 27-HC 流入大腦[10]。因此，腦內27-HC 主要來源于外周循環，可能是高膽固醇血癥與AD 之間的分子橋梁。

2 27-HC 影響AD 的發病機制

2.1 27-HC 與Aβ Aβ 的異常代謝被認為是引發AD 病理級聯的重要因素。Aβ 是由淀粉樣前蛋白（amyloid precursor protein，APP）在β-分泌酶（β-site amyloid cleaving enzyme，BACE1）的錯誤切割下產生的不溶性淀粉樣蛋白，同時APP 也可以以另一種途徑被α-分泌酶（a disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10）加工產生具有神經保護和神經營養作用的可溶性蛋白[11]。Aβ 在腦內和血液循環中的動態平衡很大程度上取決于Aβ 的內部轉運系統。晚期糖基化終產物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）促進Aβ 通過血腦屏障從血液流入大腦，但低密度脂蛋白受體相關蛋白1（low density lipoprotein receptor-related protein，LRP1）反過來介導Aβ 流出大腦[12]。此外，Aβ 清除障礙也被認為是破壞穩態的重要機制。腦肽酶（neprilysin，NEP）和胰島素降解酶（insulin-degrading enzyme，IDE）是兩種參與Aβ 降解的肽酶[13]，研究表明NEP 基因敲除可以上調腦內Aβ 水平[14]，而IDE 的過表達則可以促進Aβ 的清除甚至抑制Aβ 的累積[15]。Zhang X 等[16]研究發現，在APP/PS1 小鼠中，皮下注射27-HC 增加了APP、BACE1 和RAGE 的基因及蛋白質表達，同時降低了ADAM10、LRP1、NEP 和IDE 的表達。由此可見，27-HC 通過調節Aβ 的產生、運輸和消除等代謝過程，增加了Aβ 在大腦中的積累和沉積。BACE1 的轉錄受多種轉錄因子調控，在BACE1 啟動子區發現了多種轉錄因子結合位點，其中包括NF-κB[17]。Marwarha G 等[18]通過細胞實驗和動物實驗發現27-HC 通過激活DNA 損傷誘導基因153（gadd153）誘導NF-κB 活化，NF-κB 與BACE1 啟動子結合，隨后促進BACE1 轉錄和Aβ 產生增加。給予NF-κB 抑制劑sc514 可顯著減弱由27-HC 誘導的BACE1 表達增加和Aβ 沉積，沉默gadd153 基因可抑制27-HC 誘導Aβ 產生，降低APP 和BACE1水平[19]。以上研究表明抑制gadd153 激活以及隨后與NF-κB 相互作用的藥物可能是減少BACE1 和Aβ 過度產生的潛在靶點。

2.2 27-HC 與Tau Tau 是一種主要在神經元中表達的微管相關蛋白，其主要功能之一是維持軸突微管的穩定，過度磷酸化可使Tau 從微管分離，Tau 傾向于錯誤折疊并聚集形成神經纖維纏結，最終損害神經元功能[20]。瘦素是一種參與細胞生存和學習的脂肪細胞因子，已被證明可以調節AD 轉基因小鼠中Tau 過度磷酸化，然而，瘦素信號對27-HC 誘導的Tau 過度磷酸化中的作用仍有待研究。Marwarha G等[21]用27-HC 和瘦素處理兔海馬切片，對兔海馬切片中磷酸化tau 蛋白水平的變化進行檢測，發現27-HC 通過抑制瘦素信號通路來增加tau 磷酸化，這一過程可以通過補充瘦素來逆轉。該學者[22]進一步研究表明，27-HC 能夠誘導內質網應激并激活C/EBP 同源蛋白（CHOP）來降低人神經母細胞瘤細胞SH-SY5Y 中瘦素的表達，敲除CHOP 可以緩解瘦素表達的衰減，表明轉錄因子CHOP 在內質網應激下的激活對瘦素表達的衰減起關鍵作用。為了進一步揭示內質網應激在27-HC 誘導的瘦素表達衰減中的作用，研究人員用1mM 4-苯基丁酸（4-PBA）預處理27-HC 處理的SH-SY5Y 細胞，結果顯示4-PBA 預處理12 h 完全消除了27-HC 誘導的瘦素蛋白水平和mRNA 的衰減，已知4-PBA 可以通過穩定蛋白質構象和促進內質網折疊能力來改善內質網應激[22]。由此可見，內質網應激是27-HC 誘導的瘦素負調控的機制鏈接，瘦素是一種通過減少磷酸化Tau 積累而對AD 具有潛在治療作用的細胞因子。

2.3 27-HC 與神經炎癥 Aβ 積聚在AD 患者的大腦灰質中，并被大量激活的小膠質細胞和星形膠質細胞包圍，這些細胞分泌白介素-1（interleukin-1，IL-1）、白介素-6（interleukin-6，IL-6）、白介素-8（interleukin-8，IL-8）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等一系列炎癥因子，促炎因子的釋放導致突觸功能障礙、神經元死亡和神經生長受到抑制[23]。因此，大腦炎癥反應的過度激活可能是AD 的重要病因之一[24]。大腦中的IL-1 由神經膠質細胞、內皮細胞和神經元產生，它有兩種亞型：IL-1α 和IL-1β，IL-1β 的過度表達與AD 密切相關，這種密切的關系是因為低水平的IL-1β 促進神經元和星形膠質細胞的生長，而高水平的IL-1β 可能對神經元和星形膠質細胞有毒副作用[25]。TNF-α廣泛表達于小膠質細胞、星形膠質細胞、巨噬細胞、內皮細胞和神經元中，TNF-α 的不必要增加對神經元有毒性。據報道[26]，血清和腦脊液中TNF-α 水平的升高與Aβ 水平有關。膽固醇氧化產物在人體病理生理學中具有促炎特性，特別是具有酶源側鏈氧化膽固醇。27-HC 是人體循環中發現的主要側鏈和酶源性氧化膽固醇之一，由線粒體酶CYP27A1 普遍產生。研究人員在AD 患者尸檢標本中發現[27]，IL-1β、IL-6 和IL-8 等促炎因子明顯升高，這與腦內27-HC 水平的變化同時發生。同樣，一項實驗研究表明[28]，通過皮下注射27-HC，能夠促進小鼠大腦中TNF-α、促炎因子IL-1β 的表達，說明27-HC 可通過破壞腦-腸-菌群軸失調加重炎癥反應，從而導致認知障礙和Aβ 負荷增加。另一項研究表明[29]，在SH-SY5Y 細胞中，27-HC 通過激活TGF-β/NF-κB信號通路，增加TNF-α 和誘導型一氧化氮合酶表達，降低抗炎因子IL-10 水平；在該項研究中，用27-HC 處理后的前24 h 內SH-SY5Y 細胞中的IL-1β 增加；然而，超過24 h 后，未檢測到這些炎癥因子的變化，這表明炎癥因子的釋放可能發生在炎癥反應的早期階段。因此，抑制炎癥通路尤其是阻斷早期炎癥反應可能是防治AD 的有效途徑。

2.4 27-HC 與突觸損傷 突觸是由神經元之間的連接所形成，并參與電信號和化學信號的傳遞。突觸功能障礙和突觸丟失是導致AD 患者認知功能缺陷的重要原因[30]。突觸可塑性發生在長期記憶形成的神經回路中[31]，長期增強作用（long-term potentiation，LTP）是突觸可塑性的主要形式之一，高頻刺激誘導的LTP 依賴于雌激素受體的激活[32]。27-HC 是內源性選擇性雌激素受體調節劑[33]，可能會影響LTP 振幅，LTP 振幅偏離正常，或高或低，都可能導致海馬回路功能障礙，從而損傷記憶功能。錐體細胞的棘，是大腦皮層中最常見的細胞類型，是興奮性突觸的主要突觸后目標，其功能對記憶、學習和認知至關重要，樹突棘數量和形態的改變可能影響神經元的連通性并引起電路故障[34]?？蒲腥藛T使用具有過表達27-HC 的轉基因小鼠Cyp27Tg 模型來檢測海馬CA1 區域LTP 的變化，并結合CA1 錐體神經元的樹突棘重建來檢測27-HC 過表達所誘導的海馬突觸形態和功能的改變。研究發現[34]，27-HC 過表達增強了小鼠海馬LTP，并導致小鼠輻射層CA1 錐體神經元的樹突棘異常大，可能導致海馬回路對信息的精細處理功能障礙，從而導致認知障礙。突觸后密度蛋白95（postsynaptic density protein 95，PSD95）是突觸后密度中最豐富的蛋白之一，其功能被認為是突觸成熟和突觸可塑性的關鍵[35]。據報道[36]，含有27-HC 的甾醇混合物降低了神經元PSD95 水平，這表明27-HC 可誘導突觸毒性。Brooks SW 等[37]采用高膽固醇飲食喂養新西蘭白兔，11 周后提取新西蘭白兔血清及海馬組織中的27-HC，并檢測海馬中雌激素受體及突觸蛋白PSD95 水平，發現高膽固醇飲食增加了27-HC 進入大腦的流量，27-HC 通過下調雌激素受體α 的表達降低了PSD95 的水平。由此可見，生活方式是其中一項危險因素，如高膽固醇血癥與發展AD 的生物易感性有關。

2.5 27-HC 與葡萄糖代謝 大腦葡萄糖代謝的失調是導致AD 及記憶損傷的重要因素。大腦葡萄糖攝取受到大腦腎素血管緊張素系統（renin-angiotensin system，RAS）的調節，RAS 在一些大腦功能如學習、記憶、情緒反應和感官信息處理的調節中發揮作用[38]。這種作用歸因于下游肽血管緊張素IV（AngIV），Ang IV 與其受體結合，該受體被稱為胰島素調節氨基肽酶（insulin-regulated aminopeptidase，IRAP），這是一種能夠切割幾種生物活性肽的酶，其位于海馬神經元內以及整個其他大腦區域中含有葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter 4，GLUT4）的特殊囊泡內[39]。Ang IV 與其受體結合抑制了IRAP 的生物活性，防止記憶增強肽的切割，并激活GLUT4，有利于葡萄糖的攝取，從而保持認知功能。27-HC 被認為是AD 中腦葡萄糖代謝減少的生物標志物，因為它能夠激活腦RAS 活性，損害神經元葡萄糖攝取[40]。Ismail MA 等[5]發現CYP27A1 過表達小鼠表現出腦葡萄糖攝取減少、GLUT4 表達降低及記憶鞏固蛋白表達降低，為了排除外周效應的干擾，研究人員將10 μM 27-HC 直接注射到WT 小鼠的側腦室中，結果得到了與CYP27A1 過表達小鼠相同的結果。用1 μM 27-HC 處理大鼠原代神經元，結果顯示27-HC 增加了IRAP 的水平和活性，對抗IRAP 拮抗劑血管緊張素IV（Ang IV）介導的葡萄糖攝取，并提高了Ang IV 降解酶氨基肽酶N（AP-N）的水平。以上研究結果表明，27-HC 通過IRAP/GLUT4 系統失調損害神經元葡萄糖的攝取，因此抑制IRAP 或是激活GLUT4 可能是預防AD 中葡萄糖代謝改變和記憶力下降的有效策略。

3 總結

AD 是世界上最常見的神經退行性疾病之一，關于AD 的發生存在多種假說，但具體的發病機制尚不明確。目前普遍認為Aβ 沉積、Tau 磷酸化、神經炎癥、突觸損傷及葡萄糖代謝障礙等是AD 發病的潛在機制。27-HC 作為高膽固醇血癥與AD 發生之間的分子橋梁，參與高膽固醇血癥導致AD 發生的病理過程，但在藥效研究方面，直接針對27-HC的研究較為有限。因此需要進一步研究27-HC 在體內的產生、轉運和代謝等過程，闡明27-HC 在AD發生發展中的分子機制，以回答27-HC 是否是一種有效的措施。此外，血清膽固醇的長期影響還需要進一步研究，以制定適當的策略來減緩AD 的進展。