丙酮醛代谢及其在阿尔茨海默病中作用的研究进展

江莲英，王家丰，李克深

(1广东医科大学附属医院，广东湛江 524000；2暨南大学华侨医院神经病学研究所)

阿尔茨海默病(AD)是以大脑前皮层及海马区淀粉样蛋白(Aβ)沉积和神经纤维缠结(NFTs)为病理特点的一种中枢性神经退行性疾病，发病机制尚不完全明确，尚未有根治的药物。研究表明，AD与糖尿病及高血糖状态关系密切，糖尿病和AD互为彼此的高风险因素；还原糖与蛋白质交联最终形成的晚期糖基化终末产物(AGEs)参与AD的Aβ和NFTs形成，并加速病情进展。丙酮醛(MG)是一种正常糖代谢中间产物，且为AGEs的一种活性前体物质。MG虽是一种体内正常的生理代谢产物，但过多的MG对细胞会造成急性或慢性损害。应用羰基清除剂(氨基胍、替尼司坦)及AGEs生成抑制剂等可对抗MG毒性作用，并可一定程度缓解AD的进展[1]。现对MG的代谢过程及其在AD发生发展及治疗中的作用综述如下。

1 MG的代谢过程

1.1 MG的合成 MG是一种小分子的高活性二羰基复合物，它可以在人体各种组织和细胞合成，也可来源于外界食物的摄取，例如咖啡[2]。在体内，MG可来源于糖代谢、氨基酸代谢及脂肪代谢，最主要是糖酵解途径；由磷酸丙酮、三磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮裂解产生，也可由氨基丙酮经氨基脲敏感胺氧化酶脱氨基形成[3]。这一反应途径可以通过酶促反应完成，也可以不通过酶促反应完成。酶促反应是由磷酸丙糖异构酶和MG合酶催化的，磷酸丙糖异构酶硝基酪氨酸化后会产生大量的MG。另外，MG同样也是蛋白质和脂肪酸代谢过程中的副产物，细胞色素P450 2E1分解酮体时会催化生成丙酮醇和MG；在苏氨酸代谢过程中，氨基丙酮的氧化以及糖基化蛋白质的降解也会产生MG[3]。

1.2 MG的降解 MG的分解代谢有乙二醛酶、NADPH依赖的醛糖还原酶、乙醛脱氢酶(ALDH)、2-氧化醛脱氢酶以及羰基还原酶途径等，醛糖还原酶和ALDH表达于大脑皮层。AD患者颞叶皮层ALDH的酶活性高于对照人群，而醛糖还原酶的活性则增加不明显。在以上这些酶中，MG最主要的分解途径是乙二醛酶系统。乙二醛酶系统包括乙二醛酶Ⅰ和乙二醛酶Ⅱ，以还原型谷胱甘肽为辅助因子[1,4]。MG能够与还原型谷胱甘肽通过非酶促反应自发形成缩醛，它能与乙二醛酶Ⅰ的两个活性位点结合，在乙二醛酶Ⅰ的催化作用下转化成S-D-乳酸谷胱甘肽；继而在乙二醛酶Ⅱ的作用下，S-D-乳酸谷胱甘肽被水解成D-乳酸，同时重新生成还原型谷胱甘肽并进入乙二醛酶Ⅰ催化的第一步中被循环利用。D-乳酸能够在线粒体中被2-羟基酸脱氢酶代谢合成丙酮酸。乙二醛酶Ⅰ是MG分解过程中的关键酶，其活性程度会直接影响MG浓度高低。相关文献表明，AD早期乙二醛酶Ⅰ活性是下降的，而中晚期其活性提高了，进一步可说明MG与AD发生发展中的关系[5]。

2 MGO与AD发生发展的关系

脑组织具有高耗氧、高能量需求的特点，脑细胞糖代谢特别旺盛，糖代谢紊乱会导致大脑功能紊乱及记忆功能损害，进而引起神经退行性疾病[6]。糖代谢紊乱导致磷酸二羟丙酮生成过多，进而引起MG过多积累，MG可直接或间接损害脑组织。

2.1 MG对神经细胞及脑组织的直接毒害作用 体外细胞实验中，MG可引起突起形态学变化，导致神经细胞的轴突及树突长度缩短，退化甚至消失[1]。用MG干预神经细胞，可破坏细胞线粒体完整性，导致其功能紊乱，影响线粒体膜电位引起ATP的耗竭。体内、外实验均证明，随着MG浓度增加，可不同程度降低神经细胞活力，增加细胞的致死率，并引起凋亡蛋白的过表达[7]。在MG干预神经祖细胞和海马神经元细胞实验中，细胞存活率不断下降，凋亡率增加，细胞内ROS水平不断增加，ERK表达水平提高。这表明MG可能是通过氧化应激，激活ERK通路，引起海马神经元细胞凋亡、坏死，影响突触联系，从而损伤其学习记忆等认知功能[8]。相关研究表明，脑室灌注MG第1、3、6天，可以导致大鼠不同程度的认知损害和鼠脑内神经化学物质的改变[9]。再者，MG可增加促氧化酶活性[10]、减少抗氧化酶尤其是谷胱甘肽的活性[11]，从而引起进一步的氧化应激，激活MAPK信号通路，促进细胞凋亡。MG破坏星形胶质细胞胰岛素信号通路，致使其Caspase和多聚ADP核糖聚合酶(PARP)裂解，引起下一步的凋亡进程[12]。

2.2 MG参与AGEs形成间接影响脑组织功能 在AGEs生成的前体中，MG是高反应活性的α羰基醛，可随着3-磷酸丙糖裂解源源不断的生成，表明MG可能是AGEs生成的主要反应物。它与蛋白质的氨基酸残基反应形成AGEs的速度比还原糖快20 000倍[13]。磷酸丙糖增多及乙二醛酶的减少，均会导致MG过多积累。MG与蛋白质的精氨酸残基反应生成环咪唑啉酮复合物，可与蛋白质赖氨酸残基生成Nε羧乙基赖氨酸(CEL)和Nε羧甲基赖氨酸及甲基咪唑ε二聚赖氨酸盐(MOLD)，可与半胱氨酸残基生成可逆性硫代半缩醛，也与色氨酸残基反应生成咔啉衍生物[14]。研究发现，MG与氨基酸残基反应形成的这些复合物例如CEL、MOLD，可以在NFTs及其脑脊液中被检测到[15]。紧接着，这些生成的复合物，经过一系列的反应，最后生成AGEs。AGEs可与AGEs受体(RAGE)结合，进而引起一系列氧化应激反应[16]；也可与Aβ蛋白交联，从而增加其不溶性和抗蛋白酶水解性[17]。

2.3 AGEs与Aβ、AD形成关系 正常细胞和组织也有一定水平的AGEs，随着机体衰老，细胞和组织的AGEs持续增多，在AD患者中尤其加速增多。研究发现，AD患者的脑脊液可检测到高水平的AGEs和MG[18]。AD患者的Aβ和帕金森患者的路易斯小体，均可见大量AGEs富集。有关数据表明，AD患者老年斑中AGEs比正常对照高3倍[19]。细胞内和细胞外均有AGEs聚集，细胞内主要以PHF-tau蛋白赖氨酸糖基化形式形成稳定NFTs结构，而细胞外Aβ中可检测到大量的AGEs[20]。AD脑内Aβ被还原糖基修饰，从而导致脑内糖化淀粉蛋白(Aβ-AGEs)的二级结构改变，使其成为与RAGE受体结合更为紧密的配体，且更易聚集沉积[21]。体外实验也发现，AD患者Aβ淀粉蛋白半衰期延长[22]。

相关文献表明，Aβ-AGEs比Aβ引起的炎症信号更加显著[23]。研究发现，Aβ-AGEs比Aβ毒性更明显；与直接脑内灌注Aβ相比，直接脑室内灌注Aβ-AGEs可以明显加速鼠脑认知损害的程度，减少突触密度及下调突触蛋白，且细胞膜受体RAGE表达上调，通过激活GSK3及其下游信号通路发挥效应[24]。有相关文献表明，AGEs与细胞膜受体RAGE结合诱导氧化应激，消耗胞内谷胱甘肽水平，从而激活p21丝裂原蛋白激酶和核转录因子κβ(NF-κβ)；NF-κβ转入细胞核内，能够增强RAGE基因的mRNA表达，又能促进前炎症因子释放，从而加剧AD病理性神经炎症反应[24]。

3 抑制MG生成治疗AD

3.1 MG毒性反应的抑制剂 有关研究表明，毛地黄黄酮可有效抑制MG诱导PC12细胞凋亡的mTOR/4E-BP1通路[25]。相关文献表明，二甲双胍可以逆转MG诱导的细胞凋亡效应，减少MG诱导鼠施旺细胞凋亡率及细胞凋亡蛋白的表达；这与目前研究火热的二甲双胍可以延长丝虫及小鼠的寿命，及改善AD进展的证据相关。二甲双胍能够与MG反应生成噻唑啉酮，且应用二甲双胍干预可一定程度减少AGEs的形成，这为后期治疗AD实验提供希望。人参皂可抑制MG对星形胶质细胞的Capsase和PARP的裂解作用，进而纠正其损坏的胰岛素信号通路，减少其对细胞的凋亡作用[12]。虽然作用机制不一，但均可明显改善MG对细胞的毒性作用，均有望于成为治疗AD的潜在药物。

3.2 AGEs生成抑制剂 文献上出现大量AGEs生成的抑制剂，如AGEs断裂抑制(溴化苯酰甲基噻唑PTB、ALT711)、羰基形成抑制剂(替尼司坦)、AGEs形成抑制剂(氨基胍、吡哆胺)[1]。其中羰基清除剂氨基胍，是一种小分子亲核性肼类化合物；氨基胍末端的两个氨基可与α-二羰基中间体结合形成三嗪类化合物，与MG反应生成3-氨基-1，2,4三嗪衍生物。替尼司坦可有效阻止Maillard反应过程，达到对MG解毒的目的，从而阻止AGEs生成[17]。但氨基胍及其化合物在临床试验中发现有不良反应，无法继续用于临床实践。其他AGEs抑制剂OPB-9195、吡哆胺、替尼司坦，仍处于临床研究中。

MG作为体内一种源源不断产生的物质，可通过产生氧化应激、破坏胰岛素信号通路等进而直接诱导细胞凋亡，也参与AD的Aβ及NFTs的形成过程。随着机体衰老，MG持续在体内积累，形成的AGEs可在正常组织中被检出，尤其是在能量代谢特别旺盛的大脑组织中，且在糖尿病及AD病理状态下可加速积累。这表明MG在AD发生发展中起着重要作用，也进一步提示AD患者的认知功能下降与MG水平的升高紧密相关；另一方面表明，降低糖尿病、高糖状态风险以及加强MG的解毒功能系统可为AD治疗提供新的机会。