神经退行性疾病中铁及其他金属离子的稳态与代谢
陈蕾蕾 1,2,3， 沈青青 1,2,3， 刘英娟 1,2,3， 张云琪 1,2,3， 孙丽萍 1,2,3， 马希振 1,2,3， 宋宁 1,2,3， 谢军霞 1,2,3✉
摘要
铁、锰、铜、锌等金属离子作为必需的微量营养素，在大脑的多种生理过程中发挥着至关重要的作用。然而，金属离子失衡，无论是过量还是不足，都可能有害，并可能通过氧化应激、铁死亡、铜死亡、细胞衰老或神经炎症等过程导致神经元死亡。这些过程已被发现与神经退行性疾病的病理机制有关。在这篇综述中，青岛大学的研究人员将介绍在帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）和亨廷顿病（HD）等神经退行性疾病中研究铁、锰、铜、锌等金属离子的研究历史和里程碑事件。接着，总结生理和病理条件下金属离子的上游调节因子、下游效应器以及它们之间的相互作用。最后，探讨氯碘羟喹、槲皮素、姜黄素、香豆素及其衍生物等金属离子螯合剂治疗神经退行性疾病的疗效。此外，还将阐述这些金属离子螯合剂在临床试验中观察到的有前景的结果和存在的局限性。这篇综述不仅能帮助全面理解金属离子在疾病发展中的作用，还为通过调节金属离子来预防或治疗神经退行性疾病提供新的思路。
引言
神经退行性疾病以神经元死亡和功能丧失为特征，通常会导致认知、运动和感觉功能逐渐衰退。铁、锰、铜、锌等金属离子在中枢神经系统（CNS）的各种生理过程中起着关键作用，包括能量代谢、蛋白质合成、DNA 复制、膜蛋白构建、髓鞘和神经递质合成等。大脑中金属离子的稳态由多种蛋白质和分子机制共同调节，这些机制协同控制金属离子的吸收、储存和释放过程，从而维持其在不同脑区、细胞和细胞器之间的适当浓度和分布。然而，一旦这些金属离子的稳态被打破，无论是缺乏还是积累，由于它们是酶的重要辅助因子，都可能影响参与神经退行性疾病相关酶的活性。此外，金属离子失衡可通过多种机制促进神经退行性疾病的发展，包括促进病理性蛋白质的产生和聚集、诱导氧化应激、铁死亡、铜死亡、细胞衰老或神经炎症。自 1924 年和 1953 年分别首次在帕金森病和阿尔茨海默病患者的大脑中观察到铁沉积以来，铁稳态失调与神经退行性疾病之间的关系受到了越来越多的关注。特殊脑区的异常铁沉积已被证明与帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症和亨廷顿病等神经退行性疾病的进展和疾病严重程度呈正相关。此外，其他金属离子，如锰、铜和锌，也被发现通过增加神经退行性疾病的风险或促进病理性蛋白质的聚集参与疾病的发展。值得注意的是，铁死亡和铜死亡等金属离子依赖性细胞死亡形式的发现，为神经退行性疾病提供了新的病理机制。尽管神经退行性疾病新药研发面临诸多挑战，如发病机制复杂、病程不可逆、难以穿透血脑屏障（BBB）以及临床试验困难等，但以金属离子为靶点的治疗策略已取得了有前景的成果，为神经退行性疾病的预防和治疗提供了有价值的见解。
在这篇综述中，青岛大学的研究人员将介绍在神经退行性疾病（包括帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症和亨廷顿病）中研究金属离子（包括铁、锰、铜和锌）的研究历史和里程碑事件。还将讨论生理和神经退行性疾病状态下金属离子稳态的上游调节因子、下游效应器以及它们之间的相互作用。鉴于螯合剂能够选择性地捕获金属离子并使其从与疾病进展相关的靶位点解离，有望最大限度地减少与广谱治疗相关的副作用。在这篇综述中，研究人员全面总结了包括氯碘羟喹（CQ）、槲皮素、姜黄素、香豆素及其衍生物在内的各种螯合化合物在神经退行性疾病病理学中的治疗效果。此外，研究人员还讨论了在涉及去铁酮（DFP）、
- 二乙酰双（4 - 甲基硫代氨基脲）（
）和 PBT 的临床试验中观察到的有前景的结果和局限性。这篇综述全面概述了具有氧化还原活性的金属离子在神经退行性疾病发生和发展中的关键作用。强调了进一步研究其作用机制以及开发针对金属稳态的有效干预措施的必要性，这是预防和治疗神经退行性疾病的一种有前景的方法。通过理解和调节这些过程，未来的策略可能会为治疗干预开辟新的途径。
神经退行性疾病中金属离子的研究历史
早在 1924 年，通过 Perls 和 Turnbull 染色，首次在帕金森病患者的苍白球（GP）中观察到铁沉积（图 1）。1987 年，Dexter 等人报告在帕金森病患者死后的大脑黑质（SN）中存在显著的铁沉积。随后的研究使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）证实，帕金森病患者死后黑质中的总铁含量增加。除了观察到总铁水平升高外，帕金森病患者黑质中的三价铁含量也有所增加。1993 年，体内磁共振成像（MRI）显示帕金森病患者黑质中的铁含量较高。2000 年，原位检测氧化还原活性铁的应用表明，铁在帕金森病患者的新皮质路易小体中聚集。作为帕金森病的主要病理特征，路易小体由大量错误折叠的 α - 突触核蛋白组成，铁沉积与 α - 突触核蛋白聚集之间的毒性作用加速了帕金森病的进展。1999 年，在 6 - 羟基多巴胺（6 - OHDA）诱导的帕金森病大鼠模型中发现黑质铁沉积和高回声。2002 年，在帕金森病诊断前，黑质高回声显示出较高的铁水平。2003 年，遗传或药理学方法表明，铁螯合剂在 1 - 甲基 - 4 - 苯基 - 1,2,3,6 - 四氢吡啶（MPTP）诱导的帕金森病模型中具有神经保护作用。此外，一项持续到 2014 年的临床试验表明，口服去铁酮通过螯合不稳定铁，对早期帕金森病患者具有神经保护作用。2007 年，一项新的研究发现，使用灵敏且特异性的波长色散电子探针 X 射线微分析结合阴极发光光谱法，在帕金森病患者死后的单个黑质多巴胺能神经元中，铁水平升高。特发性快速眼动睡眠行为障碍（iRBD）被认为是 α - 突触核蛋白病（如帕金森病）的前驱阶段。在 5 年内，41% 的 iRBD 病例会转变为神经退行性疾病，10 年内这一比例增加到 73.4%。2019 年，通过定量磁敏感成像（QSM）观察到，与健康对照组相比，iRBD 患者双侧黑质的铁含量升高，且帕金森病患者黑质的铁水平甚至高于 iRBD 患者，这表明黑质异常铁沉积可能是加速神经退行性疾病从前驱阶段向临床阶段转化的重要因素。此外，T2 * 加权磁共振成像证实，黑质铁沉积与帕金森病患者的疾病进展以及运动和认知功能障碍呈正相关。尽管黑质铁沉积已被证明与帕金森病的进展呈正相关，但在帕金森病患者的多个脑区中发现铁蛋白水平降低。2021 年，首次报道帕金森病患者脑脊液（CSF）中铁与铁蛋白的比值升高，这可能是疾病进展的潜在标志物。铁死亡是 2012 年新命名的一种程序性细胞死亡形式，其特征是铁积累和脂质过氧化。2016 年，在 MPTP 诱导的帕金森病小鼠模型中首次观察到铁死亡。酰基辅酶 A 合成酶长链家族成员 4（ACSL4）可以酯化多不饱和脂肪酸（PUFAs）并触发铁死亡。在 MPTP 诱导的帕金森病小鼠模型和帕金森病患者的黑质中均观察到 ACSL4 水平升高，而通过遗传或药物抑制 ACSL4 可以特异性地防止脂质活性氧（ROS）的升高并改善帕金森病样表型，这表明干预铁死亡途径可能成为帕金森病的一种治疗策略。最近，研究人员报告称，在帕金森病小鼠模型中，α - 突触核蛋白与铁之间的毒性相互作用诱导细胞衰老，且早于黑质多巴胺能神经元的丢失。
1953 年，通过普鲁士蓝反应首次在阿尔茨海默病患者的大脑中观察到铁沉积，1960 年通过 Turnbull 蓝法在阿尔茨海默病患者的大脑皮层中再次确认了这一发现。1991 年的一项单盲临床试验表明，去铁胺（DFO）治疗可显著减缓日常生活技能的下降，这表明铁螯合剂对阿尔茨海默病相关的痴呆具有积极的减缓作用。此后，对脑区微量元素的研究越来越受到关注。1994 年，通过 MRI 对大脑铁进行体内评估，发现阿尔茨海默病患者的尾状核和苍白球中铁含量较高。此外，通过 MRI 在体内阿尔茨海默病患者的海马体中发现铁蛋白铁增加，同时组织完整性下降。1997 年，有研究报道了氧化还原活性铁与阿尔茨海默病患者海马组织中的老年斑和神经原纤维缠结之间的关联，氧化还原活性铁不仅参与原位氧化，还催化过氧化氢（
）依赖性氧化，这表明铁积累是阿尔茨海默病中自由基的来源之一。随后，有研究报道参与脂质过氧化和氧化应激的氧化还原铁介导了 Aβ 的毒性作用。根据 2017 年的 QSM 神经影像学研究，发现脑铁沉积与认知能力下降的速度和纤维状淀粉样蛋白的积累一致，这表明脑铁可能与 Aβ 相互作用，加速阿尔茨海默病的临床进展。2020 年的一项研究报告了脑铁与阿尔茨海默病患者认知能力加速下降之间的关联。同时，2020 年通过基于磁共振的 QSM 和 tau - PET 技术，确定了铁沉积与阿尔茨海默病患者颞下回中不溶性 tau 聚集体之间的正相关关系。最近，开发出了基于 DNAzyme 的荧光开启传感器，该传感器对亚铁离子或三价铁离子具有选择性，能够监测活细胞中不同氧化还原状态的铁。使用这些传感器，在发生铁死亡的细胞中观察到三价铁和亚铁离子水平均升高，同时三价铁与亚铁离子的比值降低。此外，在阿尔茨海默病小鼠的 Aβ 斑块沉积的皮质区域中观察到三价铁与亚铁离子的比值升高。通过使用同步辐射 X 射线光谱显微镜进行无标记的纳米级化学成像，在人类阿尔茨海默病脑组织的淀粉样斑块中观察到较高水平的铁，且这些铁呈现出化学还原和低氧化态的形式，为分析淀粉样斑块的化学成分提供了一种方法。
1967 年初，首次观察到矿工接触过量锰会增加患帕金森病的风险。2003 年，一项研究报告称，饮食中摄入铁和锰会共同增加患帕金森病的风险。1977 年，发表了一份病例报告，一名患者锰水平升高，同时伴有痴呆和锥体外系综合征。在该患者的大脑中观察到神经斑和神经原纤维缠结。1986 年的另一例病例报告称，慢性锰中毒导致基底节区，特别是苍白球出现神经精神症状和神经退行性变。在接触锰的非人灵长类动物中，尽管黑质纹状体多巴胺系统保持完整，但观察到轻微的运动功能缺陷，这与多巴胺释放减少有关。2017 年，有研究报道接触含锰的焊接烟雾会导致帕金森病样症状呈剂量依赖性进展。最近，有研究提出锰沿白质束扩散。使用全脑 MRI 弛豫测量方法，在接触锰后，在小脑、额叶皮层以及海马体中观察到锰沉积。2006 年，在对阿尔茨海默病患者同一脑组织中的淀粉样斑块进行原位二级结构成像（使用同步辐射傅里叶变换红外显微光谱法，FTIRM）和金属离子积累检测（使用同步辐射 X 射线荧光微探针，SXRF）后，首次观察到积累的铜和锌与 Aβ 沉积物共定位。直到 2022 年，才首次描述了一种名为铜死亡的铜依赖性细胞死亡形式，它依赖于线粒体呼吸，且与已知的细胞死亡机制不同。这一机制也被发现与神经退行性疾病有关。
1991 年，研究人员在使用电感耦合等离子体质谱法分析冷冻的死后脑组织后，观察到亨廷顿病患者的纹状体（壳核和 / 或尾状核）中总铁水平升高，壳核和黑质中铜水平升高。此外，在帕金森病患者的黑质、尾状核和外侧壳核中观察到锌水平升高。2016 年，QSM 结果显示，在症状前和症状期的亨廷顿病患者的基底节区（包括苍白球、壳核和尾状核）均有显著的铁积累。此外，壳核和尾状核中的铁积累与疾病严重程度显著相关。值得注意的是，2022 年在肌萎缩侧索硬化症患者的左中央前回和丘脑中也观察到显著的铁沉积，且丘脑中的铁沉积与疾病严重程度相关。铜 / 锌超氧化物歧化酶，也称为 SOD1，在催化氧化反应中的活性发生改变，这被认为在 1996 年就启动了肌萎缩侧索硬化症的神经病理变化。1997 年，在患者中发现突变型 SOD1 的酶活性降低了约 50%。在 2021 年的一项最新研究中，使用 ICP-MS 分析红细胞中的金属水平，发现锌与肌萎缩侧索硬化症风险降低相关，而镉和铅与患病风险增加相关。
生理状态下的脑金属离子稳态
铁
铁作为一种必需的微量元素，在大脑中作为许多生理过程的辅助因子，包括氧运输、DNA 合成、线粒体呼吸和磷脂合成。铁在生物体内的主要功能之一是参与氧运输。在红细胞中，铁是血红蛋白的组成部分，血红蛋白与氧结合形成氧合血红蛋白，将氧从肺部运输到身体其他部位。这一过程对细胞能量代谢至关重要。铁是线粒体呼吸链酶复合物中各种关键酶的重要组成部分，特别是存在于复合物 I 和复合物 II 中的铁硫簇和细胞色素。铁硫簇是由铁和硫原子组成的非血红素辅助因子，在电子传递链的电子传递中起着至关重要的作用。铁水平不足会直接影响这些铁硫簇的合成和稳定性，从而阻碍呼吸链酶复合物的活性。铁也是直接参与 DNA 复制和修复过程中关键步骤的某些酶的组成部分。例如，铁硫簇是参与电子传递链的酶的活性中心，为 DNA 合成提供所需的能量。此外，铁参与细胞内的氧化还原反应，这对于维持细胞内的还原环境、防止氧化应激损伤至关重要，因为氧化应激会损伤 DNA 并影响其正常合成。在 DNA 合成过程中，铁的作用不仅限于提供能量，还涉及直接参与核酸链的形成。依赖铁的酶，如 DNA 聚合酶，在新 DNA 链的合成中起催化作用，帮助将核苷酸连接成长链。这些铁的功能对于细胞生长、分裂和遗传信息的传递至关重要。铁缺乏或过量都会影响 DNA 合成和正常细胞功能。铁缺乏可能导致 DNA 合成速率下降，影响细胞增殖和分化，而铁过量则可能通过产生自由基导致 DNA 损伤。因此，维持铁的平衡对于正常的大脑功能至关重要，并且与神经退行性疾病密切相关。
铁进入大脑。血脑屏障是阻止外周铁进入大脑的主要屏障之一。在穿越血脑屏障的过程中，作为血脑屏障核心解剖结构的内皮细胞起着关键作用。铁最初由微血管内皮细胞在管腔膜处摄取。在这个过程中，结合三价铁的转铁蛋白（Tf）与转铁蛋白受体 1（TfR1）结合，通过内吞作用进入细胞，而非转铁蛋白结合铁（NTBI）或亚铁离子则通过二价金属转运蛋白 1（DMT1）进入细胞。此外，H - 铁蛋白和 Tf 也可以作为铁源穿越血脑屏障。研究发现，诱导多能干细胞（iPSC）衍生的脑内皮细胞通过 T 细胞免疫球蛋白和粘蛋白受体 1 摄取 H - 铁蛋白，然后将 H - 铁蛋白分泌到大脑中，这一过程可能受到 DMT1 的影响。除了 H - 铁蛋白，脑内皮细胞还分泌 Tf。XEN602 抑制 DMT1 可以改变 Tf 和铁在内皮细胞中的转运。随着年龄的增长，血清铁蛋白水平呈现出与年龄相关的上升趋势，且男性高于女性。最近，有研究表明血清铁蛋白与衰老过程中的认知能力有关。在 65 岁及以上的受试者中，发现男性血清铁蛋白水平与执行功能和语言功能呈正相关，总数字广度（TDS）、音位言语流畅性（PVF）和语义言语流畅性（SVF）的认知得分有所提高。然而，在 50 - 64 岁的受试者或女性受试者中，未发现血清铁蛋白与认知得分之间存在显著关联。此外，研究发现血清铁蛋白与认知的关联受到肠道微生物群通过微生物衍生代谢物的调节。尽管在血脑屏障的双室细胞培养模型中，发现 Tf 介导的放射性标记铁（
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