运动,活性氧与阿尔茨海默病

赵永军

(华东师范大学体育与健康学院,上海 200241)

运动,活性氧与阿尔茨海默病

赵永军

(华东师范大学体育与健康学院,上海 200241)

对近些年来关于 ROS在AD发生发展中的机理进行分析,探讨运动预防及延缓AD发生的机制;活性氧(reactive oxygen species,ROS)在阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)中的作用机理以及运动对活性氧诱导的阿尔茨海默病的影响。结果表明:AD的发生发展与活性氧密切相关,活性氧参与AD病理性特征的老年斑和神经纤维缠结形成,并且促进神经元死亡。运动作为干预条件可以有效地预防和延缓活性氧诱导的 AD症。活性氧对AD的发生起重要作用,运动可预防和延缓AD的发生。

阿尔茨海默病;活性氧;氧化应激;运动干预

阿尔茨海默病 (Alzheimer's disease,AD)是一种主要在老年期发生的以进行性痴呆为主要特征的神经元退行性变疾病,其主要临床表现为进行性认知功能障碍、记忆力衰退、性格和行为改变等[1]。AD的病理特征[2]主要表现为胞外β样淀粉蛋白沉积,或者叫老年斑 (senile plaque,SP)[3]、胞内神经元纤维缠结 (neurofibrillary tangle,NFT)[4]、神经元死亡 (neuronal loss)[5]。由于 AD发病机制非常复杂所以难以用一种假说作出解释,其中自由基与氧化应激学说越来越多的受到研究者的关注,活性氧 (reactive oxygen species,ROS)被认为是 AD发生的一个重要因素,而且大量实验也证明抗氧化剂如维生素 E对AD的发病有保护和延缓进程的作用。此外,因为运动对于调节机体氧化与抗氧化稳态具有重要作用,所以也势必会参与调节AD的发生,预防及治疗。本文试图对自由基与 AD的关系加以综述,并提出运动预防AD发生的可能机制。

1 ROS及其代谢

ROS指的是化学性质比氧活泼的含氧活性物质的统称,包括氧自由基及其歧化产物。所有需氧有机体都能产生自由基,主要在线粒体[6]。正常情况下,原子在轨道或最外层各携带两个电子,如果轨道上仅有一个电子,则这个电子被称为 “不成对的”,任何有不成对电子的原子或分子被称为自由基。正常情况下,氧自由基并不会引起机体的病理改变,因为机体有对抗自由基损伤的防御系统。细胞内维持氧化还原平衡的抗氧化体系包括三类物质,一类是抗氧化酶如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等,第二类为小分子物质如维生素 C、尿酸等,第三类为目前日益受到重视的巯基还原缓冲体系,主要包括谷胱甘肽 (glutathione, GSH)、硫氧还蛋白 (thioredoxin,Trx)及谷胱甘肽硫氧还蛋白 (glutaredoxin,Grx)等,它们对清除过多的活性氧,尤其是维持蛋白质的还原状态至关重要[7],能使自由基的产生和清除处于平衡。如果自由基的产生超出机体的清除能力,活性氧自由基增多,产生大量氧化分子,细胞活性被破坏,则出现所谓的氧化应激 (oxygen stress),多余的自由基会造成细胞内糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢的紊乱,而且自由基会攻击细胞膜以及细胞核造成核酸代谢紊乱从而使细胞变性诱导细胞发生凋亡或坏死[8]。而AD的发生很可能就是自由基攻击细胞造成细胞的死亡及凋亡。

2 ROS与AD

AD是一种随增龄而发生神经系统退行性疾病,而实验证明[8]ROS在老年化进程中有重要的作用,随着年龄的增长 ROS对机体的氧化损伤逐渐积累,即使健康个体这种氧化损伤也在不断积累[9],那么ROS与AD的发生到底存在怎样的关系呢?大量证据表明在AD患者大脑中 ROS明显增加[8],其他一些学者也在 AD患者脑内发现了过氧化亚硝酸盐、糖基化终末产物,进一步证明了氧化应激与 AD病理改变直接相关。ROS可能参与了老年斑 、神经元纤维缠结、神经元死亡这三种特征性病理损害[10]。

2.1 ROS与老年斑

老年斑多为球状 ,光镜下斑块的核心为球状或星状,是β-淀粉样蛋白 (beta-amyloid peptide又名Aβ)在神经轴突的聚集。其外是粒状、梱束状或无规则型棒状的环形物,嗜银染。Aβ是形成老年斑的主要成分,Aβ是由一种跨膜蛋白——淀粉样蛋白前体(APP)经过β-分泌酶途径分解而来,有 Aβ1-40和Aβ1-42两种,APP最终分泌出何种形式的Aβ取决于γ-分泌酶在 APP上的剪切位点。Pappolla MA et al[11]最早报道氧化作用可使 Aβ聚集于神经轴突。非聚集的 Aβ对机体无损伤作用,但当它形成聚集状态后便具有神经毒性和血管内皮毒性,自由基可以促进Aβ转向β折叠的构象,从而相互聚集形成纤维。Aβ的神经毒性作用的机制目前尚不清楚,可能与其诱导产生氧化应激作用有关。Aβ肽的碳端含有蛋氨酸残基,是 Aβ神经毒性的主要来源,它能形成氧活性族,促进氧化反应和过氧化物形成,而氧化产物一旦形成又能促使可溶性 Aβ形成不溶性Aβ,导致老年斑的形成[12]。有研究表明,即使没有完全成熟的老年斑,只是可溶性的蛋白样微聚体就足可以诱导氧化应激产生。在 AD患者大脑中存在的氧化应激主要包括脂质过氧化作用升高、线粒体和细胞核DNA损伤增加、神经胞膜损伤增加。

此外,老年斑块周围常有小胶质细胞和星形胶质细胞沉积。Aβ能激活小胶质细胞释放炎症细胞因子,同时也直接诱发小胶质细胞产生呼吸爆发,生成大量的自由基[13],自由基的产生又进一步加剧了Aβ的沉积,从而形成恶性循环最终导致神经元死亡。神经元、胶质细胞膜上有高级糖基化终末产物受体是Aβ的特异性受体,免疫组化发现AD脑中小胶质细胞 RAGE表达增多,在 SP周围的小胶质细胞这种趋势尤其明显。Aβ与 RAGE结合后,通过活化核因子NF-кB的转录触发自由基的产生[14]。另外,Aβ还可星形胶质细胞 (AC)表达的复合物如清道夫受体 SR和丝氨酸蛋白酶抑制剂酶等结合激活AC,激活AC具有吞噬功能,可吞噬并降解Aβ,激活AC可分泌细胞因子如 IL-1β、 IL-6、TNF-α、I

L-8、M IP-la、活性氧物质,这些物质对神经元有毒性作用,使神经元凋亡并坏死。由此,一些研究者提出神经元的损伤可能是由激活的星形胶质细胞分泌的产物如 ROS引起的,而不是由Aβ直接作用引起神经元损伤[15]。另有研究表明,Aβ可能起到抗氧化剂的作用,如果这样的话,那么对于易受氧化应激损伤的大脑来说似乎是一种保护性机制[5]。总之,Aβ与 ROS相互作用共同参与了 AD的发生和发展,究竟谁在先,目前尚无统一定论,笔者认为,随年龄增长体内代谢发生紊乱导致 ROS产生,ROS促进Aβ的形成,而Aβ通过与小胶质细胞和星形角质细胞进一步促使 ROS产生增多,形成恶性循环,最终由Aβ的神经毒性作用及其诱导的炎性细胞因子对神经元产生破坏作用,以及 ROS对神经元的攻击共同造成神经元变性,并最终死亡,产生 AD症状。

2.2 ROS与神经元纤维缠结

神经原纤维缠结在神经元细胞体以及轴突和树突内形成神经原纤维包含体,神经原纤维包含体内的基本成分是双螺旋状或长度 15 nm的直的神经原纤维。这些神经原纤维由一大类蛋白质构成,包括相关微管蛋白、tau蛋白、泛素、中间细丝蛋白和聚糖类,其中最主要的成分是高度磷酸化的不溶性 tau蛋白。很早就有研究者证明硝基化的蛋白质与 AD细胞内的损伤过程关系密切,这就意味着组成神经元纤维缠结的细胞骨架成分的一种异常的氧化修饰。而这种异常的氧化修饰很可能干扰了蛋白质的三级结构,从而使其失去功能,这可能是细胞骨架成分转化为神经纤维缠结的关键步骤。近年来的研究表明氧化修饰在对于神经元纤维缠结的形成有一定的作用,资料表明在神经纤维缠结的形成部位存在着蛋白质氧化产物、羰基和脂质过氧化物增加[16]。Nicolas[17]在 AD患者脑内,特别是在神经纤维缠结中,发现了大量氧化应激的标记物如硫巴比土酸和丙二醛,说明 ROS可能通过影响神经纤维缠结从而促进 AD的发生。碱基修饰产物 8羟基脱氧鸟苷(8-OH-dG)是 DNA的氧化损伤重要标记物,8羟基鸟苷 (8-OH-G)则是 RNA氧化损伤的标记物。在 AD疾病早期,神经元未形成神经原纤维缠结(NFT)时就可观察到 8-OH-dG、8-OH-G含量增高。出现了NFT的神经元内的 8-OH-G水平较未出现NFT的细胞内的水平低,这表明氧化应激是 AD发病的早期事件[18],说明可能正是氧化应激促进了神经纤维缠结的发生。Tau蛋白高度磷酸化造成的神经纤维缠结与血红素氧加酶 (heme oxygenase-1, HO-1)相关,在没有明显神经元纤维缠结的细胞中HO-l表现较强的免疫活性,而在有神经元纤维缠结的神经元中 HO-l过度表达最为明显[19],HO-1是血红素 (促氧化剂)转化为胆红素 (抗氧化剂)的关键酶,表明在神经纤维缠结的形成过程中氧化应激升高,但具体机制目前的研究尚不能解释。脂质过氧化导致的 Ca2+内流,可使细胞骨架和膜不稳定,引起的神经元变性和轴突的膜紊乱,从而促进神经纤维缠结形成。

2.3 ROS与神经元死亡

与对照组相比,AD患者中核酸氧化损伤标志物 8-OH-dG含量的变化与神经元大小呈相反的关系且神经元大小与 AD所持续的时间呈负相关[5],表明神经元大小与神经元的氧化损伤与 AD的发展进程有关。在AD的发展过程中神经元大小显著降低,在大脑内氧化应激逐渐积累使神经元内结构发生变化,从而造成神经元萎缩及死亡[20]。脑组织由于GSH含量较低以及富含对自由基敏感的多不饱和脂肪酸,所以其最易收受到自由基的攻击,AD伴有大量自由基生成,而脑组织清除自由基能力又不足,所以神经元受到自由基损伤不可避免,自由基生成与清除之间的不平衡造成脑内大量自由基堆积。自由基损伤生物膜,使膜磷脂酰丝氨酸暴露,导致细胞完整性丧失[21],攻击细胞核造成核酸代谢紊乱,触发DNA突变[8],损伤线粒体造成其通透性增加,细胞色素 C释放,细胞色素 C氧化酶活性降低,氧化磷酸化障碍,使神经元发生供能障碍[13],自由基与不饱和脂肪酸及胆固醇反应促使脂质过氧化,脂质过氧化产物 4-羟基-2-壬烯酸 (HNE)或丙二醛对胞膜直接修饰或与功能性、结构性蛋白质起反应造成氧化损伤,最终导致神经元变性,坏死或凋亡。有学者提出自由基对线粒体的攻击造成线粒体的改变存在一个阈值,当线粒体的这种改变达到这一阈值时伴随而来的就会发生 AD症状[22]。另有一些学者提出氧化应激引起的神经元变性与蛋白质凋亡基因的活化有关,Bcl-2蛋白存在于内质网和线粒体内膜,是细胞凋亡的抑制因子,实验表明,Bcl-2对细胞的凋亡抑制作用是通过防止脂质过氧化实现的,在神经细胞中 Bcl-2高表达可降低细胞内活性和脂质过氧化物水平,从而抑制凋亡[23]。低浓度的自由基含量被证明是具有细胞信息传递、保持细胞联络的的功能,但随着浓度增加自由基可诱导细胞凋亡通路激活,引起细胞的变性及死亡,但自由基这一由好转坏的浓度界点还需进一步研究 (见图 1)。

图1 ROS与AD病理特征的可能联系(引自Ved Chauhan,2006,略作修改))

3 运动对ROS诱导的AD的预防及治疗作用

传统中治疗 AD的方法集中于药物疗法和营养疗法,然而最近在AD的治疗方案中常常包含各种各样的运动。这是因为有越来越多的证据表明运动可以通过多种机制抑制 AD的发生。其中运动通过影响自由基代谢预防 AD已得到大量实验证明。运动可以提高蛋白酶体活性,蛋白酶体可以调节 APP的蛋白质水解作用[24],最终通过影响神经元的活性来预防和延缓 AD的发生。Paul等[25]对转基因 AD小鼠模型进行五个月自主运动发现,与安静组相比额叶皮层Aβ水平下降 38%,海马水平皮层Aβ水平下降 53%,海马组织 Aβ水平下降 40%,提示运动可以通过减少 Aβ的形成预防和延缓 AD发生,而其机制可能是通过影响APP的代谢来减少 Aβ的生成。身体活动可以在 RNA和蛋白质水平上调节基因表达产物,从而诱导神经元在结构上、影响神经元的化学物质上以及电生理学上发生改变提高神经元的可塑性。有报道称[26]与低频率的活动相比高水平的活动可以降低 AD发生的概率,这种高水平的活动定义为每周不低于 3次,强度水平大于步行强度。长期运动可以提高机体氧化应激水平,提高机体抗氧化酶活性,使机体抗氧化水平适应性提高。Hyun等[27]研究发现 NSE/APPsw Tg小鼠 16周跑台运动后Aβ-42显著下降,且运动训练可以抑制凋亡的生化级联通路包括细胞色素 c、caspase-9、caspase-3和Bax,从凋亡通路的不同层次阻断细胞凋亡通路级联效应,同时研究还发现运动训练促进葡萄糖转运蛋白-1(GLUT-1)和脑源性神经营养因子 (BDNF)等蛋白质的表达增加,诱导包括超氧化物岐化酶-1(SOD-1)、过氧化酶 (CAT)和Bcl-2的基因表达,增强机体抗氧化能力,使神经元免受氧化应激及兴奋毒性脑损伤,预防和延缓AD发生,运动组小鼠中热休克蛋白-70(HSP-70)和葡萄糖调节蛋白-78(GRP-78)也显著升高,这些蛋白能够使大脑抵抗由氧化应激诱导的神经元死亡,且运动训练可使血清总胆固醇,胰岛素和葡萄糖水平恢复到正常水平,调节神经元正常的能量代谢。另外,运动可以提高突触可塑性,脑血管功能及增加生长因子含量等多种通路预防 AD发生[28]。但是也有运动与 AD相关性不一致的报道,W ilson et al报道[29]每周数小时的运动与AD发展的危险因素并不相关。所以运动作为治疗手段予以考虑,但其对AD的作用机制以及不同运动方式对 AD的影响还需进一步探讨。

4 结束语

总之,Aβ聚集形成老年斑与 Tau蛋白高度磷酸化形成神经纤维缠结可能只是机体对于随年龄增加而增加的氧化应激而产生的一种适应性反应,使机体为了防止 ROS对其造成更大的损失而做出的一种代偿机制。所以 Aβ可能起到抗氧化剂的作用,如果这样的话,那么对于易受氧化应激损伤的大脑来说似乎是一种保护性机制[5]。运动对于 AD的良性影响虽然已得到大量实验的证明,但其作用机制还需深入探讨。

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[责任编辑 魏 宁]

Exercise,Oxidative Stress and Alzhe imer D isease

ZHAO Yong-jun
(Physical Education&Health College,East China NormalUniversity,Shanghai 200241,China)

The paper aims to investigate the role of oxidative stress in the pathogenesis of Alzhe imer disease and to study the effect of exercise on preventing and treating this disease.Method:to analyze the studies about the evidence and possiblemechanism about the oxidative stress involved inAlzhe imer disease.Result:Oxidative stress is involved in all the three pathological features ofAD,Senile plaques,neurofibrillary tangles and neuronal death while exercise can act as a therapy to prevent and postpone the invasion ofAD.Conclusion:Oxidative damage plays an important role in the attack ofAD,while exercise can prevent and postpone the attack of this disease.

Alzhe imer disease;ROS;Oxidative stress;exercise

G 804.5

A

1007-7413(2010)04-0090-05

2010-07-21

赵永军(1985-),男,山西长治人,在读硕士。研究方向:运动与衰老。