27 羟基胆固醇在阿尔茨海默症中的作用机制

闻 妩，马明旋

（扬州大学附属医院药剂科，江苏 扬州 225000）

阿尔茨海默症（Alzheimer disease，AD）是一种起病隐匿的中枢神经退行性疾病。该病的病理诊断表现为脑β-淀粉样蛋白（amyloid-βoligomer，Aβ）沉积及磷酸化Tau 蛋白形成的神经纤维缠结，临床表现为记忆力下降、判断力丧失、抽象思维损伤等认知功能障碍。AD 是迄今为止最常见的痴呆病因，约占所有痴呆诊断的80%[1]，每年与AD 有关的直接和间接保养费近5000 亿美元[2]，给世界公共卫生体系和养老体系带来巨大挑战，因此AD 被认为是一个日益严峻的全球健康危机。由于AD 的病理特征主要表现为Aβ 和磷酸化Tau 蛋白形成的神经纤维缠结，因此研究人员致力于开发靶向Aβ 和Tau 的新型抗AD 药物，希望能够逆转AD 的发生。然而，其研究大多以失败告终，因此需要寻找新的研究方向。近年来，风险因素管理被认为是减缓AD 发展的有效途径，可改变的危险因素如高血压、糖尿病和高胆固醇血症与晚年认知能力下降有关。随着对AD 的深入研究，越来越多的证据表明高胆固醇血症与AD 的发病率呈正相关[3，4]，由于外周胆固醇无法透过血脑屏障，其代谢产物27 羟基胆固醇（27-hydroxycholesterol，27-HC）是流入大脑的主要外周胆固醇，其影响着Aβ 的产生和消除且与认知障碍显著相关[5]，因此27-HC 可能是高胆固醇血症促进AD病理的潜在机制。本文就27-HC 与AD 之间可能的作用机制进行综述，以期为预防或延缓AD 的发生提供新的策略。

1 27-HC 概述

氧化胆固醇在维持胆固醇稳态方面起着重要作用，它在中枢神经系统中的调节失调与神经退行性病变有关。27-HC 的形成是由细胞色素P450 家族27 亚家族A 成员1（CYP27A1）介导的，几乎所有的细胞都通过CYP27A1 酶从胆固醇合成27-HC，这种代谢物随后被分泌到体内，其浓度与血浆中的胆固醇水平直接相关[6]。由于CYP27A1 基因在神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中表达较低，因此大脑中的内源性27-HC 含量较少[7]，且在神经元细胞中，27-HC 通过CYP7B1 酶的作用代谢为7α-羟基-3-氧-4-胆甾烯酸，随后透过血脑屏障进入肝脏代谢[8]。值得注意的是，27-HC 是血液循环中含量最丰富的胆固醇[9]，循环中的27-HC 可以通过自由扩散进入大脑，研究表明每天大约有5 mg 27-HC 流入大脑[10]。因此，脑内27-HC 主要来源于外周循环，可能是高胆固醇血症与AD 之间的分子桥梁。

2 27-HC 影响AD 的发病机制

2.1 27-HC 与Aβ Aβ 的异常代谢被认为是引发AD 病理级联的重要因素。Aβ 是由淀粉样前蛋白（amyloid precursor protein，APP）在β-分泌酶（β-site amyloid cleaving enzyme，BACE1）的错误切割下产生的不溶性淀粉样蛋白，同时APP 也可以以另一种途径被α-分泌酶（a disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10）加工产生具有神经保护和神经营养作用的可溶性蛋白[11]。Aβ 在脑内和血液循环中的动态平衡很大程度上取决于Aβ 的内部转运系统。晚期糖基化终产物受体（receptor for advanced glycation end products，RAGE）促进Aβ 通过血脑屏障从血液流入大脑，但低密度脂蛋白受体相关蛋白1（low density lipoprotein receptor-related protein，LRP1）反过来介导Aβ 流出大脑[12]。此外，Aβ 清除障碍也被认为是破坏稳态的重要机制。脑肽酶（neprilysin，NEP）和胰岛素降解酶（insulin-degrading enzyme，IDE）是两种参与Aβ 降解的肽酶[13]，研究表明NEP 基因敲除可以上调脑内Aβ 水平[14]，而IDE 的过表达则可以促进Aβ 的清除甚至抑制Aβ 的累积[15]。Zhang X 等[16]研究发现，在APP/PS1 小鼠中，皮下注射27-HC 增加了APP、BACE1 和RAGE 的基因及蛋白质表达，同时降低了ADAM10、LRP1、NEP 和IDE 的表达。由此可见，27-HC 通过调节Aβ 的产生、运输和消除等代谢过程，增加了Aβ 在大脑中的积累和沉积。BACE1 的转录受多种转录因子调控，在BACE1 启动子区发现了多种转录因子结合位点，其中包括NF-κB[17]。Marwarha G 等[18]通过细胞实验和动物实验发现27-HC 通过激活DNA 损伤诱导基因153（gadd153）诱导NF-κB 活化，NF-κB 与BACE1 启动子结合，随后促进BACE1 转录和Aβ 产生增加。给予NF-κB 抑制剂sc514 可显著减弱由27-HC 诱导的BACE1 表达增加和Aβ 沉积，沉默gadd153 基因可抑制27-HC 诱导Aβ 产生，降低APP 和BACE1水平[19]。以上研究表明抑制gadd153 激活以及随后与NF-κB 相互作用的药物可能是减少BACE1 和Aβ 过度产生的潜在靶点。

2.2 27-HC 与Tau Tau 是一种主要在神经元中表达的微管相关蛋白，其主要功能之一是维持轴突微管的稳定，过度磷酸化可使Tau 从微管分离，Tau 倾向于错误折叠并聚集形成神经纤维缠结，最终损害神经元功能[20]。瘦素是一种参与细胞生存和学习的脂肪细胞因子，已被证明可以调节AD 转基因小鼠中Tau 过度磷酸化，然而，瘦素信号对27-HC 诱导的Tau 过度磷酸化中的作用仍有待研究。Marwarha G等[21]用27-HC 和瘦素处理兔海马切片，对兔海马切片中磷酸化tau 蛋白水平的变化进行检测，发现27-HC 通过抑制瘦素信号通路来增加tau 磷酸化，这一过程可以通过补充瘦素来逆转。该学者[22]进一步研究表明，27-HC 能够诱导内质网应激并激活C/EBP 同源蛋白（CHOP）来降低人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y 中瘦素的表达，敲除CHOP 可以缓解瘦素表达的衰减，表明转录因子CHOP 在内质网应激下的激活对瘦素表达的衰减起关键作用。为了进一步揭示内质网应激在27-HC 诱导的瘦素表达衰减中的作用，研究人员用1mM 4-苯基丁酸（4-PBA）预处理27-HC 处理的SH-SY5Y 细胞，结果显示4-PBA 预处理12 h 完全消除了27-HC 诱导的瘦素蛋白水平和mRNA 的衰减，已知4-PBA 可以通过稳定蛋白质构象和促进内质网折叠能力来改善内质网应激[22]。由此可见，内质网应激是27-HC 诱导的瘦素负调控的机制链接，瘦素是一种通过减少磷酸化Tau 积累而对AD 具有潜在治疗作用的细胞因子。

2.3 27-HC 与神经炎症 Aβ 积聚在AD 患者的大脑灰质中，并被大量激活的小胶质细胞和星形胶质细胞包围，这些细胞分泌白介素-1（interleukin-1，IL-1）、白介素-6（interleukin-6，IL-6）、白介素-8（interleukin-8，IL-8）和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等一系列炎症因子，促炎因子的释放导致突触功能障碍、神经元死亡和神经生长受到抑制[23]。因此，大脑炎症反应的过度激活可能是AD 的重要病因之一[24]。大脑中的IL-1 由神经胶质细胞、内皮细胞和神经元产生，它有两种亚型：IL-1α 和IL-1β，IL-1β 的过度表达与AD 密切相关，这种密切的关系是因为低水平的IL-1β 促进神经元和星形胶质细胞的生长，而高水平的IL-1β 可能对神经元和星形胶质细胞有毒副作用[25]。TNF-α广泛表达于小胶质细胞、星形胶质细胞、巨噬细胞、内皮细胞和神经元中，TNF-α 的不必要增加对神经元有毒性。据报道[26]，血清和脑脊液中TNF-α 水平的升高与Aβ 水平有关。胆固醇氧化产物在人体病理生理学中具有促炎特性，特别是具有酶源侧链氧化胆固醇。27-HC 是人体循环中发现的主要侧链和酶源性氧化胆固醇之一，由线粒体酶CYP27A1 普遍产生。研究人员在AD 患者尸检标本中发现[27]，IL-1β、IL-6 和IL-8 等促炎因子明显升高，这与脑内27-HC 水平的变化同时发生。同样，一项实验研究表明[28]，通过皮下注射27-HC，能够促进小鼠大脑中TNF-α、促炎因子IL-1β 的表达，说明27-HC 可通过破坏脑-肠-菌群轴失调加重炎症反应，从而导致认知障碍和Aβ 负荷增加。另一项研究表明[29]，在SH-SY5Y 细胞中，27-HC 通过激活TGF-β/NF-κB信号通路，增加TNF-α 和诱导型一氧化氮合酶表达，降低抗炎因子IL-10 水平；在该项研究中，用27-HC 处理后的前24 h 内SH-SY5Y 细胞中的IL-1β 增加；然而，超过24 h 后，未检测到这些炎症因子的变化，这表明炎症因子的释放可能发生在炎症反应的早期阶段。因此，抑制炎症通路尤其是阻断早期炎症反应可能是防治AD 的有效途径。

2.4 27-HC 与突触损伤 突触是由神经元之间的连接所形成，并参与电信号和化学信号的传递。突触功能障碍和突触丢失是导致AD 患者认知功能缺陷的重要原因[30]。突触可塑性发生在长期记忆形成的神经回路中[31]，长期增强作用（long-term potentiation，LTP）是突触可塑性的主要形式之一，高频刺激诱导的LTP 依赖于雌激素受体的激活[32]。27-HC 是内源性选择性雌激素受体调节剂[33]，可能会影响LTP 振幅，LTP 振幅偏离正常，或高或低，都可能导致海马回路功能障碍，从而损伤记忆功能。锥体细胞的棘，是大脑皮层中最常见的细胞类型，是兴奋性突触的主要突触后目标，其功能对记忆、学习和认知至关重要，树突棘数量和形态的改变可能影响神经元的连通性并引起电路故障[34]。科研人员使用具有过表达27-HC 的转基因小鼠Cyp27Tg 模型来检测海马CA1 区域LTP 的变化，并结合CA1 锥体神经元的树突棘重建来检测27-HC 过表达所诱导的海马突触形态和功能的改变。研究发现[34]，27-HC 过表达增强了小鼠海马LTP，并导致小鼠辐射层CA1 锥体神经元的树突棘异常大，可能导致海马回路对信息的精细处理功能障碍，从而导致认知障碍。突触后密度蛋白95（postsynaptic density protein 95，PSD95）是突触后密度中最丰富的蛋白之一，其功能被认为是突触成熟和突触可塑性的关键[35]。据报道[36]，含有27-HC 的甾醇混合物降低了神经元PSD95 水平，这表明27-HC 可诱导突触毒性。Brooks SW 等[37]采用高胆固醇饮食喂养新西兰白兔，11 周后提取新西兰白兔血清及海马组织中的27-HC，并检测海马中雌激素受体及突触蛋白PSD95 水平，发现高胆固醇饮食增加了27-HC 进入大脑的流量，27-HC 通过下调雌激素受体α 的表达降低了PSD95 的水平。由此可见，生活方式是其中一项危险因素，如高胆固醇血症与发展AD 的生物易感性有关。

2.5 27-HC 与葡萄糖代谢 大脑葡萄糖代谢的失调是导致AD 及记忆损伤的重要因素。大脑葡萄糖摄取受到大脑肾素血管紧张素系统（renin-angiotensin system，RAS）的调节，RAS 在一些大脑功能如学习、记忆、情绪反应和感官信息处理的调节中发挥作用[38]。这种作用归因于下游肽血管紧张素IV（AngIV），Ang IV 与其受体结合，该受体被称为胰岛素调节氨基肽酶（insulin-regulated aminopeptidase，IRAP），这是一种能够切割几种生物活性肽的酶，其位于海马神经元内以及整个其他大脑区域中含有葡萄糖转运蛋白（glucose transporter 4，GLUT4）的特殊囊泡内[39]。Ang IV 与其受体结合抑制了IRAP 的生物活性，防止记忆增强肽的切割，并激活GLUT4，有利于葡萄糖的摄取，从而保持认知功能。27-HC 被认为是AD 中脑葡萄糖代谢减少的生物标志物，因为它能够激活脑RAS 活性，损害神经元葡萄糖摄取[40]。Ismail MA 等[5]发现CYP27A1 过表达小鼠表现出脑葡萄糖摄取减少、GLUT4 表达降低及记忆巩固蛋白表达降低，为了排除外周效应的干扰，研究人员将10 μM 27-HC 直接注射到WT 小鼠的侧脑室中，结果得到了与CYP27A1 过表达小鼠相同的结果。用1 μM 27-HC 处理大鼠原代神经元，结果显示27-HC 增加了IRAP 的水平和活性，对抗IRAP 拮抗剂血管紧张素IV（Ang IV）介导的葡萄糖摄取，并提高了Ang IV 降解酶氨基肽酶N（AP-N）的水平。以上研究结果表明，27-HC 通过IRAP/GLUT4 系统失调损害神经元葡萄糖的摄取，因此抑制IRAP 或是激活GLUT4 可能是预防AD 中葡萄糖代谢改变和记忆力下降的有效策略。

3 总结

AD 是世界上最常见的神经退行性疾病之一，关于AD 的发生存在多种假说，但具体的发病机制尚不明确。目前普遍认为Aβ 沉积、Tau 磷酸化、神经炎症、突触损伤及葡萄糖代谢障碍等是AD 发病的潜在机制。27-HC 作为高胆固醇血症与AD 发生之间的分子桥梁，参与高胆固醇血症导致AD 发生的病理过程，但在药效研究方面，直接针对27-HC的研究较为有限。因此需要进一步研究27-HC 在体内的产生、转运和代谢等过程，阐明27-HC 在AD发生发展中的分子机制，以回答27-HC 是否是一种有效的措施。此外，血清胆固醇的长期影响还需要进一步研究，以制定适当的策略来减缓AD 的进展。