《Frontiers in Aging Neuroscience》：Deciphering the effects of aging on Alzheimer’s disease based on mitochondrial dysfunction and neuroinflammation
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种以认知功能进行性恶化为特征的神经系统疾病，其发病机制复杂，且缺乏经证实有效的治愈性疗法。衰老和炎症反应在AD的发生与进展中发挥着不可或缺的作用，并与线粒体功能障碍密切相关。在衰老过程中，一系列退行性改变，包括线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）突变累积、线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygen species, mtROS）过度蓄积、线粒体质量控制（mitochondrial quality control, MQC）紊乱以及能量代谢障碍，进一步诱导线粒体结构损伤。该损伤导致损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）泄漏，并激活众多下游炎症信号通路。在脑组织中，炎症细胞因子持续促进血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）破坏、小胶质细胞异常活化、tau蛋白过度磷酸化及Aβ蓄积，驱动无限放大的神经炎症级联反应，导致不可逆的神经元损伤，并推动AD的发生与进展。本综述通过线粒体功能障碍–慢性炎症轴阐明了衰老对AD发病的调控作用，并最终聚焦于线粒体靶向治疗，为AD治疗提供了未来展望。
1 引言
阿尔茨海默病（AD）是一种与年龄相关的神经退行性疾病，主要表现包括认知障碍、炎症反应和线粒体功能障碍。老年人口不断增加将导致晚发型阿尔茨海默病（LOAD，发病年龄≥65岁）患者数量快速上升，预计到2050年全球患者人数将翻倍，给全球社会带来沉重的经济与医疗负担。值得注意的是，统计显示65岁以上人群中AD患病率约为10%，而85岁以上人群中这一比例升至32%，提示衰老对AD病理进展具有重要影响。
AD的发病机制被认为与神经元内淀粉样蛋白-β（Aβ）沉积以及tau过度磷酸化形成的神经原纤维缠结相关。事实上，仅凭淀粉样级联假说无法全面解释AD的起源和随时间进展的过程。首先，约30%认知正常的老年人中可检测到Aβ沉积；其次，以清除脑内Aβ为目标的治疗策略迄今临床疗效有限。同时，越来越多的研究强调神经炎症对AD进展的重要贡献。近期研究发现，小胶质细胞在AD早期表现出急性炎症转录谱，而在晚期则以慢性炎症激活为主。此外，糖酵解代谢物磷酸烯醇式丙酮酸可通过抑制炎症信号在AD中发挥治疗作用。
综上所述，衰老和神经炎症均对AD的发生和病理进展产生深远影响。Wilkins等人进一步提出线粒体是连接衰老与AD的核心枢纽，而越来越多的证据支持AD病因、线粒体功能障碍与慢性炎症之间的关联。作为衰老的标志性特征之一，线粒体功能障碍可同时耦合炎症通路的激活与AD病理损伤。以往综述分别总结了线粒体功能障碍与AD、或神经炎症与AD的关系，这些综述要么聚焦于上游线粒体缺陷，要么聚焦于下游神经炎症反应，很少系统整合衰老、线粒体损伤、慢性神经炎症与AD病理进展之间的因果链和双向串扰。相比之下，本综述构建了“衰老–线粒体功能障碍–慢性炎症–AD”轴，强调衰老是初始驱动因素，线粒体功能障碍是核心中间病理环节，持续性慢性炎症进一步放大神经元损伤及tau/Aβ病理。研究人员假设衰老触发的线粒体损伤和慢性炎症可能是AD的早期启动驱动因素，而不仅仅是Aβ和tau病理之后的继发性后果。因此，本综述聚焦于炎症的上游和下游调控机制，阐述衰老对AD的具体影响，并进一步从线粒体角度探索AD的治疗策略。
2 衰老中的线粒体功能障碍
内共生理论认为，线粒体是由原始真核细胞吞噬古α-变形菌后逐渐演化而来的半自主细胞器。值得注意的是，线粒体在衰老过程中会发生不可逆的改变。基于不同年龄和性别群体的统计分析表明，老年个体中线粒体DNA（mtDNA）和线粒体RNA（mtRNA）丰度以及ATP产量显著下降，表明线粒体功能随年龄增长进行性恶化。为减轻线粒体功能障碍引起的系统性缺陷，细胞对线粒体自噬施加代偿性抑制作用以提高线粒体总质量。然而，这种适应性反应导致受损线粒体堆积，形成衰老相关线粒体稳态失衡的恶性循环。多种年龄相关疾病与线粒体功能障碍密切相关，如心血管疾病、癌症和神经退行性疾病。因此，阐明衰老触发线粒体的具体改变及随后的下游反应，对治疗年龄相关疾病具有重要意义。
2.1 mtDNA突变累积
高拷贝数、活跃的不对称复制、缺乏组蛋白保护和不完备的修复机制使mtDNA易于发生突变，mtDNA突变率是核DNA（nDNA）的15倍以上。据统计，mtDNA突变形式主要为点突变、插入和缺失，其中点突变最为常见。衰老导致体细胞中mtDNA突变累积。近期研究表明，人类血液mtDNA中由复制产生的单核苷酸突变在60岁后急剧上升。mtDNA突变与年龄相关功能衰退密切相关，如肠道衰老和女性生殖衰老。此外，mtDNA m6A甲基化修饰失调也会缩短线虫寿命。这些发现均表明mtDNA突变对衰老过程产生深远影响。
2.2 线粒体活性氧（mtROS）升高
早在1956年，Denham Harman的自由基理论就已强调ROS对衰老的驱动作用。事实上，细胞内90%的ROS产生于线粒体。研究表明，由于ROS产生增加和清除能力减弱，线粒体功能将进行性下降。在早衰模型小鼠中进一步发现，其肌纤维衰老表型与mtDNA氧化损伤增加相关。大量研究证实，降低氧化应激水平可有效延长寿命，长寿人群通常表现出较低的ROS和氧化损伤水平。更重要的是，衰老细胞普遍表现出mtROS显著升高。
ROS是高反应活性物质，可直接与DNA、蛋白质和脂质反应，从而对生物大分子造成损伤。核基因的氧化修饰可诱导可遗传突变，如鸟嘌呤（G）氧化为8-氧代鸟嘌呤（8-OG），其在老年人群中显著升高。除DNA外，蛋白质的氧化修饰也随衰老加剧。更为关键的是，这种氧化损伤的累积驱动了年龄相关疾病的发生发展，包括心血管疾病、神经退行性疾病和糖尿病。有趣的是，线粒体激效假说认为低水平ROS对健康和长寿有益，发育期间预先暴露于ROS刺激可促进防御能力的获得并维持至老年，从而使机体抵抗年龄相关衰退。虽然两种观点在ROS有益还是有害上看似对立，但实际上都认同一旦ROS水平超过生理耐受范围，就会加速衰老进程。
2.3 线粒体质量控制（MQC）失衡
Tsui等人将MQC分为四个核心模块，包括更新、清除、修复和重塑。衰老导致四部分协同失衡，进一步造成功能障碍线粒体累积，最终诱导衰老。
过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）是调控线粒体生物发生的关键因子。人类骨骼肌中PGC1α4的表达与年龄呈负相关，这 contributes to 年龄相关肌肉萎缩。在老年小鼠脑中也观察到类似发现，并伴有炎症信号上调和神经元功能相关通路活性降低。重要的是，尽管衰老过程中线粒体总含量保持不变，但ATP产生减少和PGC-1α表达降低提示线粒体更新受损。大量研究证实增强线粒体生物发生是延缓衰老的关键策略。例如，果蝇中过表达dPGC-1可通过促进线粒体生物发生延长寿命；年轻小鼠的血浆细胞外囊泡可通过上调PGC-1α挽救老年小鼠的线粒体功能障碍。
除线粒体更新减少外，受损线粒体清除障碍是MQC失衡的另一主要原因。缺陷线粒体的清除主要依赖于线粒体自噬、线粒体蛋白酶体途径、线粒体衍生囊泡（MDVs）以及线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）。由于UPRmt主要在发育中发挥生理作用，此处不讨论该途径。
线粒体自噬随年龄增长而恶化，但其他研究也有矛盾发现。衰老引发的结构性线粒体损伤和炎症反应可激活PINK1/Parkin介导的线粒体自噬。然而，这种代偿性上调不能完全遏制受损线粒体的累积，恰好反映了衰老过程中MQC的失衡。此外，调节线粒体自噬可调控衰老进程。抑制线粒体自噬可直接诱导细胞衰老；而激活果蝇神经元中BNIP-3依赖性线粒体自噬可有效延缓全身性衰老。尿石素A是一种自噬激活剂，可清除功能障碍线粒体并减轻慢性炎症，从而改善认知表现和视网膜功能。此外，尿石素A可延长秀丽隐杆线虫寿命并改善小鼠肌肉功能。
线粒体Lon肽酶1（LONP1）是一种ATP依赖性蛋白酶，负责选择性降解异常和氧化损伤的蛋白质。值得注意的是，老龄大鼠肝脏中LONP酶活性显著降低，而氧化型LONP丰度显著升高。此外，在人和大鼠骨关节炎软骨中检测到LONP1表达随年龄降低，这种下调似乎与骨关节炎进展相关。
MDVs代表一种将特定受损线粒体成分转运至过氧化物酶体、溶酶体或细胞外空间进行降解的途径。在衰老早期，氧化型SOD1促进MDV形成作为损伤防御反应，而在衰老晚期线粒体产生MDV的能力耗尽。这表明MDV功能在衰老过程中受到动态调节。
溶酶体作为MQC的关键步骤，与线粒体建立物理连接以清除缺陷线粒体成分。然而在衰老过程中，溶酶体膜结构被破坏，酸性和降解能力均下降。有趣的是，近期研究证实线粒体而非胞质溶胶是溶酶体的主要质子供体。衰老减少线粒体-溶酶体接触，进而导致溶酶体碱化、自噬功能抑制和过度炎症反应。
综上所述，线粒体生物发生减少加上降解机制受损导致不可逆的线粒体衰退，成为炎症的关键上游触发因素。
2.4 能量产生效率低下
随着年龄增长，累积的损伤和失调的稳态共同严重损害正常的线粒体功能，表现为与ATP合成相关的呼吸作用减弱。衰老相关的底物代谢和氧化磷酸化改变是能量产生的关键限制因素。
衰老触发的氧化代谢紊乱主要表现为脂肪酸氧化抑制和氧化磷酸化受损。统计数据显示，在衰老过程中表达显著改变的线粒体蛋白编码基因中，约95%下调，且大多数这些基因参与底物代谢、氧化磷酸化和三羧酸（TCA）循环。此外，电子传递链（ETC）复合物的酶活性在衰老过程中下降。值得注意的是，负责ATP合成的关键酶F?F? ATP合酶活性也随衰老显著降低。有趣的是，近期研究发现衰老诱导的亚基化学计量改变（SUe/SUc比率降低）使ATP合酶寡聚化不稳定，增加其流动性并重新分布复合物，导致心肌细胞嵴开窗扩大和线粒体ATP产生减少。
衰老导致老年人脂质氧化能力降低，表现为体脂质量增加，并将细胞氧化燃料偏好从脂肪转变为葡萄糖。衰老还损害线粒体钙摄取，进一步抑制丙酮酸脱氢酶激活，从而抑制TCA循环。有趣的是，研究已确定线粒体相关基因的转录上调是大多数长寿延长途径的共同特征，这暗示恢复线粒体功能是延缓衰老的重要方法。
3 线粒体损伤相关分子模式（mtDAMPs）激活炎症反应
各种与衰老相关的线粒体功能障碍诱导线粒体通透性转换，极大地促进了线粒体内容物的释放。此外，Green等人已证明受损线粒体的累积促进炎症和神经退行性疾病的发生。与衰老相关的慢性炎症，即炎症衰老，主要由内源性DAMPs的持续激活驱动。线粒体的抗原性质加上衰老诱导的线粒体膜结构崩溃，为DAMPs的释放奠定了基础。近期研究证实，衰老损害线粒体内膜连通性并扩大膜孔，伴有嵴密度和宽度的显著降低。这种超微结构重塑源于OPA1表达的年龄相关下降。嵴结构破坏加剧炎症反应，从而加速过早衰老。
通常，mtDAMPs包括mtDNA、mtRNA、ROS、心磷脂等，逃逸到胞质溶胶中，作为危险配体与模式识别受体结合，激活炎症。Li等人（2023）报道衰老细胞中多种衰老相关分泌表型（SASP）因子表达升高，尤其是促炎细胞因子如IL-1α、IL-1β和TNF-α，作为炎症反应的关键驱动因素。在小鼠中过表达线粒体靶向的8-氧代鸟嘌呤糖基化酶1（OGG1）可通过减少胞质mtDNA减轻神经炎症，表明mtDNA的氧化损伤是其泄漏的关键触发因素。这些发现说明线粒体损伤的累积是线粒体通透性增加的关键驱动因素，进而为mtDAMPs释放和随后的下游炎症反应激活创造了条件。
3.1 mtDAMPs释放机制
迄今为止已鉴定多种线粒体内容物泄漏机制，包括BAX/BAK1在线粒体外膜（OMM）上形成的孔、电压依赖性阴离子通道（VDAC）以及内膜相关的线粒体通透性转换（MPT）。衰老细胞中一小部分线粒体经历BAX/BAK1依赖性线粒体外膜通透化（MOMP）而不驱动细胞死亡，这一现象被定义为少数MOMP（miMOMP），在衰老过程中通过释放mtDNA激活环状GMP-AMP合酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）信号通路。更重要的是，抑制MOMP已被证明可延长老年小鼠的健康寿命。
此外，控制氧化修饰mtDNA释放的途径涉及线粒体通透性转换孔（mPTP）和VDAC依赖性通道。VDAC控制衰老细胞中mtDNA的释放，这关键依赖于mtROS。此外，早衰小鼠肌纤维中mtDNA释放增加已被证明依赖于VDAC1寡聚化增加。急性严重缺氧触发小鼠鞘脂代谢紊乱，其中升高的C24-神经酰胺（Cer）与VDAC1结合驱动mtDNA泄漏以及炎症反应和衰老样表型变化。
氧化应激和Ca2?超载通过线粒体内膜中的通透性转换孔复合物（PTPC）诱导mPTP开放。事实上，研究已揭示衰老引起Ca2?从内质网（ER）到线粒体的转运增强，衰老细胞采用频繁的mPTP开放以减轻过量的细胞内Ca2?积累。这表明衰老诱导的线粒体钙负荷增加驱动mPTP开放增强，从而显著增加线粒体内膜通透性并直接导致线粒体去极化和ROS产生增加。确实，在从老龄大鼠心脏组织分离的线粒体中观察到mPTP开放增加，而异常的mPTP开放与包括AD和帕金森病在内的多种神经退行性疾病中的神经元丢失密切相关。有趣的是，在热量限制下异常的mPTP开放受到抑制，而热量限制是典型的长寿途径。
总体而言，衰老伴随线粒体清除机制受损和线粒体完整性丧失，这进一步促进mtDAMPs的细胞外释放，驱动炎症反应并加速衰老过程。
3.2 cGAS-STING信号通路
cGAS-STING信号通路是一种感知泄漏DNA的免疫程序，在抗菌防御、炎症性疾病、衰老、自身免疫和肿瘤发生中发挥关键作用。与nDNA相比，mtDNA是cGAS的有效激活剂。首先，结构特征（缺乏组蛋白保护）和区域特征（靠近ETC）使mtDNA更容易受到氧化损伤，这破坏了mtDNA完整性并促进其释放到细胞质中。此外，包裹nDNA的组蛋白占据cGAS的DNA结合位点，阻碍cGAS二聚化，最终导致cGAS功能失活。此外，mtDNA的胞质释放明显早于nDNA。
一旦mtDNA释放到细胞质中，cGAS蛋白催化胞质双链DNA（dsDNA）分子产生第二信使2′3′-cGAMP，随后与锚定在内质网膜上的STING结合。因此，激活的STING易位至高尔基体，从而招募TANK结合激酶1（TBK1）和IκB激酶（IKK）。TBK1依赖性磷酸化激活干扰素调节因子3（IRF3），IRF3二聚化、易位至细胞核并启动I型干扰素如IFN-β1的转录。
确实，大量研究已证实衰老细胞表现出mtDNA释放增加。在机制上，除了增强线粒体膜通透性外，衰老还可通过影响mtDNA合成促进mtDNA挤出。例如，衰老导致核苷酸代谢紊乱，引起核糖核苷酸错误掺入mtDNA增加，进而促进mtDNA挤出。此外，衰老还提高TBK1和磷酸化TBK1（p-TBK1）水平以及STING表达，进一步促进cGAS-STING信号通路的激活。值得注意的是，衰老诱导的STING增加促进己糖激酶2（HK2）从VDAC1解离，从而促进mPTP开放。所有这些年龄依赖性变化为cGAS-STING信号通路的激活创造了有利环境。然而，在APP/PS1小鼠的心肌细胞中，cGAS-STING通路活性出乎意料地降低，提示这些矛盾结果可能源于实验条件、病理阶段和遗传背景的差异。此外，在AD患者脑组织中观察到高尔基体定位的STING蛋白耗竭，这可能归因于累积的dsDNA如mtDNA对cGAS-STING的慢性激活，尽管这种慢性激活模式是否真实存在于AD病理环境中仍有待证实。
3.3 炎症小体
典型炎症小体由三个核心组件组成：第一是NOD样受体（NLR）家族的传感器蛋白，主要负责感知危险信号并启动复合物组装；第二是含有CARD的凋亡相关斑点样蛋白（ASC）衔接蛋白，起连接传感器段与效应段的接头作用；最后是效应器pro-caspase-1，其核心功能是介导pro-IL-1β和pro-IL-18的蛋白水解成熟以产生活性炎症细胞因子。
近期研究揭示，在NLRP3炎症小体激活剂刺激下，HK2从线粒体VDAC解离并易位至胞质溶胶。该过程通过内质网钙外流触发线粒体钙超载，驱动VDAC寡聚化和mtDNA释放，随后mtDNA与寡聚化VDAC协同招募NLRP3进行炎症小体组装。此外，激活的NLRP3炎症小体反过来可促进氧化线粒体DNA（ox-mtDNA）的释放。与NLR类似，黑色素瘤缺失因子2（AIM2）识别胞质dsDNA以及氧化应激，而AIM2炎症小体优先感知未氧化DNA。除mtDNA外，ROS同样可触发炎症小体激活。此外，线粒体易位的核蛋白硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）和外化的心磷脂均可与NLRP3形成物理接触以驱动炎症激活。近期一项研究指出，心磷脂可诱导NLRP3构象变化，这些变化进一步驱动相分离事件，最终诱导NLRP3炎症小体激活。
有趣的是，多项研究已证明cGAS-STING信号通路对炎症小体活性具有调节作用。例如，七氟烷诱导的mtDNA胞质释放以依赖cGAS-STING通路的方式触发炎症小体激活。然而，这两种信号通路如何协调响应线粒体功能障碍的精确机制仍有待进一步阐明。
3.4 NF-κB
近期一项研究提出，线粒体外膜完整性直接控制NF-κB信号传导。经典NF-κB通路依赖于RelA-p50异二聚体。在静息细胞中，IκB将RelA-p50隔离在细胞质中。IKK触发的IκB磷酸化释放复合物以易位至细胞核，调节免疫、炎症和细胞分化相关转录。
NF-κB也作为cGAS-STING信号通路的下游，介导mtDNA触发的免疫反应。激酶IKKε在S358残基磷酸化STING，随后IRF3被招募并结合。该事件促进STING从高尔基体转运至内溶酶体，并使TNF受体相关因子6（TRAF6）得以招募，导致随后的NF-κB激活。值得注意的是，IFN通过高尔基体STING激活，而NF-κB由内溶酶体STING驱动，其核易位滞后于IRF3，揭示了时空特异性。
mtRNA是NF-κB信号通路的另一种激活剂，可被RLR家族三个成员感知。维甲酸诱导基因I蛋白（RIG-I）识别短dsRNA，黑色素瘤分化相关蛋白5（MDA5）检测长dsRNA，而遗传学与生理学实验室2（LGP2）隔离dsRNA。与核酸结合后，RIG-I和MDA5发生构象变化暴露其CARD结构域，然后与线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）相互作用，触发IRF3和NF-κB的下游激活。此外，PKR和TLR3可感知mtRNA并分别通过IRF3/7和NF-κB诱导炎症基因表达。内体定位的TLR8识别单链mtRNA。来自邻近细胞的含外泌体包装的线粒体双链RNA（mt-dsRNA）通过内吞作用进入受体细胞，并被细胞内TLR3感知以触发炎症。mt-dsRNA驱动PKR二聚化和自身磷酸化以激活NF-κB通路。
近期研究揭示线粒体泛素化调节NF-κB信号通路。由于线粒体泛素化促进NF-κB核输入，且PINK1拮抗性抑制去泛素化，线粒体作为NF-κB信号的放大平台。进一步研究表明，氧化损伤触发Parkin依赖性线粒体泛素化，该泛素化并非作为自噬诱导的“吃我”信号，而是招募NEMO至去极化线粒体，通过磷酸化IKKβ启动NF-κB信号。这些发现揭示不同亚群的受损线粒体驱动不同的下游信号通路。
3.5 衰老标志的相互恶性循环
衰老构成一种进化上保守的保护机制，通过先天性和适应性免疫清除衰老细胞以限制潜在有害细胞的增殖。事实上，衰老细胞部署了多种免疫逃逸机制，而年龄相关的免疫系统退化进一步有利于衰老细胞的积累，进而驱动功能障碍线粒体的堆积。研究人员已在上文阐述了衰老诱导的线粒体功能障碍如何驱动慢性炎症激活。反过来，这种激活的炎症信号对线粒体产生相互影响，加剧线粒体缺陷的累积。例如，AIM2和NLRP3炎症小体的激活驱动过度线粒体ROS生成、线粒体内膜去极化、通透性增加和线粒体网络片段化。此外，caspase-1抑制线粒体自噬进一步增加功能障碍线粒体的丰度。Baechle等人（2023）将慢性炎症置于衰老过程的中心，认为它与其他11个衰老标志相互交互。确实，要理清线粒体功能障碍、慢性炎症与其他衰老标志之间的因果关系仍然具有挑战性，因为这些因素作为相互强化的触发因素加速机体退化。
4 AD中的线粒体-炎症稳态失衡
鉴于线粒体功能障碍和慢性炎症作为衰老不可避免的标志共同促进AD的病理进展，可以推断衰老至少部分通过线粒体-炎症病理轴驱动AD的发生。
AD患者中观察到的线粒体丰度降低导致ATP合成不足，引发GSH危机，最终驱动神经元铁死亡损伤。近期研究将mtDNA耗竭的SH-SY5Y细胞分别与来自健康个体、认知障碍患者和AD患者的血小板融合。AD组和认知障碍组的tau总蛋白和磷酸化tau（p-tau）水平均显著升高。综上所述，年龄相关的线粒体缺陷，如ATP产生受损和mtDNA改变，可能是AD的关键诱导因素。确实，随着衰老mtDNA释放增加，它激活cGAS-STING通路，产生衰老相关炎症信号，进而导致体力和认知能力下降。此外，在AD小鼠中观察到cGAS-STING活性增加。片段化ox-mtDNA以Z-DNA形式释放到胞质溶胶中，被Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）识别，并通过受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）激活下游免疫反应，进而引起AD相关的小胶质细胞神经炎症。引人注目的是，近期研究强调抑制炎症级联反应是AD的核心治疗策略。
随时间累积的mtDAMPs维持炎症信号通路的持续激活，触发促炎细胞因子的大量分泌，持续损害神经元和突触完整性。这种累积的神经炎症信号可能有助于启动和传播AD的完整病理级联，并且也是连接衰老相关线粒体损伤与AD驱动的神经退行性变的关键病理环节。
4.1 炎症与血脑屏障（BBB）功能障碍
BBB是大脑与血液之间的特化界面，由内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞组成，是维持正常脑生理功能的重要结构，通过物理隔离阻止外周毒素和免疫细胞浸润脑组织。然而，BBB在衰老和神经退行性疾病中屏障功能被破坏，甚至可在小鼠中引起脑出血。由于BBB通透性增加先于Aβ斑块和神经原纤维缠结沉积，这一病理特征暗示BBB可作为AD早期诊断的生物标志物。炎症信号级联的激活是BBB功能障碍的主要原因之一，例如在辐射介导的脑内皮损伤中，胞质mtDNA释放激活cGAS-STING轴，启动I型干扰素反应并破坏完整的BBB功能。外周反复炎症触发小胶质细胞内NLRP3-GSDMD信号轴激活，通过不依赖IL-1β的途径促进GDF-15分泌，驱动C-X-C基序趋化因子配体（CXCL）趋化因子表达以招募释放基质金属蛋白酶（MMPs）的中性粒细胞，最终破坏BBB完整性。有趣的是，CXCL和MMPs属于SASP因子，其分泌水平随衰老升高。值得注意的是，在健康衰老过程中，BBB由于基础神经炎症升高而丧失结构完整性，表现为周细胞和星形胶质细胞变性、紧密连接破坏和转运蛋白下调，共同驱动中枢神经系统微环境失衡。这些观察可能表明SASP是触发BBB损伤的关键因素。
衰老过程中BBB发生的结构损伤意味着来自外周组织的低度慢性炎症和其他毒性物质不再局限于外周组织微环境，使它们能够持续渗透中枢神经系统，破坏大脑固有的稳态免疫平衡，逐渐演变为以过度小胶质细胞激活为核心的神经炎症状态。
4.2 神经炎症与小胶质细胞
作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，小胶质细胞在静息状态下介导Aβ清除。一项对84名老年供体（平均死亡年龄88岁，涵盖从无AD病理到严重AD病理的连续病理谱）的研究揭示，在AD早期阶段小胶质细胞即发生炎症激活，伴随多种炎症信号通路上调。根据神经炎症假说，衰老触发的慢性炎症作为启动刺激将小胶质细胞 priming 为“活化”表型，随后的病理损伤诱导持续有害的小胶质细胞激活。
传统的M1-M2二分法简单地将小胶质细胞分为M1表型（分泌促炎细胞因子并加重神经元死亡）和M2表型（抑制炎症，在AD中通常受抑制）。然而，这种简单分类无法真正反映小胶质细胞在体内的复杂连续体。单核RNA测序分析进一步将其细分为稳态小胶质细胞（H-MG）、干扰素响应小胶质细胞（IRM）、疾病相关小胶质细胞（DAM）和神经退行性小胶质细胞（MGnD）。H-MG代表具有免疫监视和稳态维持功能的分枝状静息小胶质细胞群体。值得注意的是，单独cGAS激活就足以驱动H-MG向IRM、DAM和MGnD转化。IRM表现出cGAS依赖性I型干扰素刺激基因上调，包括Ifits、Oasl1、Oasl2、Isg15和Stat2。DAM是识别神经退行性相关分子模式（NAMPs）的小胶质细胞亚群。普遍观点认为DAM功能是时间依赖性的，在AD早期介导保护性免疫反应，而晚期持续斑块驱动的炎症小体激活诱导DAM功能障碍以加速疾病进展。cGAS激活驱动低激活DAM-1向过度激活DAM-2转化，伴随溶酶体和脂质代谢基因上调（Ctsb、Ctsd、Ctsz、Cd9、Cd63、Apoe）。MGnD代表高表达神经退行性特征基因的的小胶质细胞亚群，包括Apbb2、Olfr111和Xylt1。然而，除cGAS-STING信号通路外，其他炎症信号通路是否直接参与小胶质细胞亚型的调节仍有待进一步研究。
4.3 神经炎症与tau过度磷酸化
tau蛋白由MAPT基因编码，生理条件下定位于神经元轴突，促进微管组装和稳定，并参与轴突运输和神经元生长。tau蛋白的翻译后修饰，特别是磷酸化，驱动tau聚集为不溶性神经原纤维缠结（NFTs）和可溶性寡聚体，其病理聚集与认知障碍和AD进展密切相关。有趣的是，近期研究进一步认识到D-肽具有强大的解聚AD相关tau聚集体的活性，被视为有前景的治疗候选物。此外，血浆%p-tau217时钟模型可作为预测工具，估计认知正常个体进展为症状性AD所需时间。更重要的是，实验结果表明炎症细胞因子诱导轴突和树突内tau串珠状聚集体，且这种串珠的丰度在小鼠海马和皮层中随年龄增长而上升。小胶质细胞识别病理刺激后启动免疫反应，通过炎症细胞因子进一步调节tau蛋白磷酸化水平。例如，IL-1β等细胞因子作用于神经元后，通过激活p38α丝裂原活化蛋白激酶和糖原合酶激酶-3β直接调节tau在多个位点的磷酸化水平。此外，包括IL-6和TNF-α在内的促炎细胞因子通过细胞周期蛋白依赖性激酶5激酶依赖性途径发挥其调节作用。直接用IL-6处理的原代神经元细胞在Ser396和Ser404残基表现出tau过度磷酸化。更重要的是，虽然促炎细胞因子诱导tau过度磷酸化和聚集，但tau蛋白本身可作为NLRP3的激活剂，从而形成正反馈环，最终加剧疾病进展。受促炎细胞因子TNF-α和IL-1β刺激的星形胶质细胞通过NF-κB信号通路上调磷脂酰肌醇蛋白聚糖-4（GPC-4），其分泌的GPC-4蛋白与载脂蛋白E4结合，促进神经元表面低密度脂蛋白受体相关蛋白1受体的运输，该过程进一步促进神经元tau摄取和磷酸化。这些发现暗示衰老触发的神经炎症可能是病理性tau聚集的关键驱动因素。
4.4 神经炎症与Aβ积累
神经炎症可调节Aβ的合成、蛋白水解切割和降解，从而参与AD中Aβ积累的病理进程。淀粉样前体蛋白（APP）依次经β-分泌酶（BACE1）和γ-分泌酶蛋白水解切割产生高致病性Aβ40和Aβ42肽。值得注意的是，APP和BACE1（控制淀粉样生成切割的限速酶）的启动子区域含有炎症相关转录因子的结合基序，这解释了炎症刺激时其转录升高的原因。此外，衰老和炎症刺激均触发干扰素诱导跨膜蛋白3（IFITM3）上调，IFITM3与γ-分泌酶增强的相互作用增强其蛋白水解切割活性，最终导致Aβ水平升高。由PINK1缺陷导致的过度线粒体ROS产生激活NF-κB通路，增强BACE1和γ-分泌酶活性，从而促进大量Aβ积累。同时，蛋白质降解减少 contributes to 蛋白质聚集。例如，来自AD小鼠模型的证据直接证实NLRP3炎症小体激活显著抑制细胞Aβ清除。
5 AD的线粒体靶向治疗策略
事实上，除了通过炎症反应调节AD发病机制外，线粒体功能障碍本身是AD进展的关键驱动因素。首先，先于Aβ聚集和tau病理改变发生的线粒体功能障碍表明它是AD的早期病理事件，这种线粒体缺陷不仅能促进Aβ生成和切割，还能加重tau过度磷酸化和随后的缠结沉积。因此，以线粒体为中心、以抑制炎症为目标的策略可能同时解决线粒体和慢性炎症问题，从而作为AD的预防性和前瞻性治疗工具具有巨大潜力。
5.1 线粒体靶向药物的机制与局限性
虽然这些机制性观察为线粒体靶向AD干预提供了潜在依据，但将临床前发现转化为人类临床应用存在重大转化挑战。值得注意的是，II期候选药物如雷帕霉素、黄芪、白藜芦醇和姜黄素在所有临床测试药物中占比最大（约33%）。虽然这些数据表明这些药物在早期研究中显示出前景，但只有一小部分进入后期试验，突出显示了该类治疗药物的转化瓶颈。
雷帕霉素是一种经典mTOR抑制剂，抑制蛋白质翻译并促进自噬，因此代表经典的老年保护剂。从线粒体角度来看，雷帕霉素的作用途径涉及激活线粒体自噬和减少ROS。此外，其对Aβ和Tau的调节作用也是其治疗功效的重要机制。然而，雷帕霉素的实际应用受到许多限制。首先，模型差异、给药途径、剂量、给药时间和靶向递送载体均可影响实验结果。其次，研究表明早期干预与更好的疗效相关，而在晚期AD中获益有限甚至有害。第三，慢性小胶质细胞过度激活促进炎症并损害神经元。最后，长期使用该药物与副作用相关，表现为葡萄糖不耐受、糖尿病、免疫抑制等。
先前一项I期临床试验以每天1mg雷帕霉素给药8周。然而，在参与者的脑脊液中未检测到该药物，相关病理标志物无改善。在另一项IIa期临床研究中，尽管采用间歇给药，当前检测方法仍无法可靠评估脑脊液（CSF）药物浓度（CSF中游离药物浓度低于检测下限），使得人脑中枢药物暴露情况不明确。值得注意的是，一项正在进行的II期临床试验（NCT04629495）正在进一步评估雷帕霉素的安全性、耐受性和可行性。因此，未来在改进检测方法以确定雷帕霉素是否可穿过BBB的同时，开发有效且安全的脑靶向递送系统仍是亟待克服的挑战。
黄芪是一种天然药物产品，含有多种活性成分，包括皂苷、黄酮类和多糖。黄芪总提取物可改善AD小鼠的学习记忆能力。黄芪甲苷IV（AS-IV）是黄芪的核心生物活性成分，抑制mPTP开放、减少ROS、降低细胞色素c释放、保护线粒体并减轻炎症激活。然而，黄芪口服给药后存在显著代谢降解和BBB穿透不足，构成主要转化挑战。AS-IV注射剂的I期临床试验为其治疗剂量确定提供了基础。目前，两项评估黄芪治疗AD安全性和疗效的II期临床试验（NCT05578443和NCT06694597）正在进行中。
作为AD治疗候选药物，白藜芦醇通过sirtuin 1-腺苷酸活化蛋白激酶双向调节轴发挥作用，激活线粒体自噬、促进线粒体生物发生、阻断mPTP开放、刺激抗氧化通路并缓解神经炎症。临床前数据表明白藜芦醇可延长线虫寿命并减轻小鼠AD病理。然而，实际临床数据显示白藜芦醇在人体中生物利用度差且疗效有限。
姜黄素是姜黄中发现的一种天然多酚。在AD模型中，姜黄素可通过抑制Aβ/Tau聚集、对抗氧化应激、发挥抗炎作用、螯合金属离子、调节表观遗传调控和调节神经递质来减轻AD症状。然而，临床试验结果高度不一致，没有确凿证据表明姜黄素对AD患者有效，主要原因是其口服生物利用度极低且穿越BBB能力差。
据统计，58.9%的线粒体靶向II期临床候选药物基于抗氧化应激，而靶向线粒体动力学和线粒体自噬的药物相对较少。这些数据反映了线粒体相关干预治疗靶点开发的不平衡。除了这些目前处于临床试验中的药物外，仍有许多线粒体靶向候选药物处于临床前开发阶段，可能具有AD治疗潜力。因此，基于线粒体功能障碍触发炎症的机制，研究人员关注满足以下至少一项标准的候选药物，即在不依赖线粒体清除的情况下降低总体mtDAMPs负荷、增强受损线粒体的清除、以及抑制释放通道的开放（表1）。
表1中列出的药物包括：MitoQ和SkQ1，通过线粒体负跨膜电位在线粒体基质中积累，清除mtROS，但BBB穿透性差、脱靶效应风险和窄治疗窗口（高剂量可产生促氧化效应）。尿石素A（UA），在多种AD小鼠模型通过恢复线粒体自噬和溶酶体功能改善认知衰退，但脑内有效浓度和药代动力学尚不清楚，疗效因肠道菌群依赖性代谢差异大，过量线粒体自噬可能引起外周组织（如肠道）非选择性自噬，增加脱靶风险。山奈酚和丹皮酚通过激活PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬改善线虫和小鼠AD模型的记忆功能，但山奈酚可穿越BBB，而丹皮酚是否可穿越不确定。和厚朴酚通过线粒体自噬清除受损线粒体、减少氧化应激、减轻Aβ聚集、缓解海马神经元损伤并改善APP/PS1小鼠认知表现，虽已证明在小鼠中可穿越BBB，但目前无证据表明可穿越人BBB。芦荟大黄素（AE）通过激活神经元线粒体自噬减轻APP/PS1 AD小鼠海马神经元损伤并改善认知障碍，但AE对某些靶点相对敏感，每个靶点的完整剂量-效应关系尚不清楚，且实验仅探索了6月龄AD小鼠，AE在AD晚期的治疗效果未知。环孢素A减少caspase-3诱导的cleaved-tau并阻断mPTP孔开放，从而逆转年龄相关认知障碍和线粒体功能障碍，但具有强效免疫抑制作用、中枢神经系统特异性差和BBB穿透有限。依布硒啉作为BBB可渗透的CypD共价抑制剂，通过抑制CypD-mPTP通路恢复线粒体膜功能并降低ROS，改善包括mAPP和5×FAD两种AD转基因小鼠模型的认知能力，但作为共价修饰半胱氨酸残基的化合物可靶向多种蛋白中的半胱氨酸，产生脱靶风险。VBIT-4抑制线粒体外膜VDAC1寡聚化以阻断mtDNA、ROS和促凋亡因子释放，减轻AD组织病理损伤，但靶点选择性有待进一步确认，存在潜在脱靶风险。Mdivi-1可抑制线粒体分裂，减少碎片化线粒体积累，并以DRP1依赖性方式减少Bax/Bak介导的MOMP，此外通过抑制复合物I反向电子传递抑制ROS，但面临三个关键转化障碍：机制复杂使体内疗效主要由DRP1还是复合物I抑制驱动不清楚；毒性具有细胞类型依赖性，体外保护神经元但损伤胶质细胞；治疗窗口窄，因为抑制DRP1的浓度也抑制复合物I。SS-31通过与心磷脂结合维持线粒体内膜嵴结构完整性并稳定呼吸链超复合物，从而减少电子泄漏和ROS产生，此外抑制mPTP开放，减轻钙超载和线粒体肿胀，但主要限制因素包括BBB穿透有限、口服生物利用度极差（主要依赖注射给药）和血浆半衰期短需频繁给药。
此外，线粒体移植和 endogenous 肽类[如线粒体衍生微肽Humanin和 endogenous 神经肽PACAP]代表有前景的AD治疗策略。线粒体移植可直接重建线粒体稳态并挽救受损能量代谢，而 endogenous 肽具有良好生物相容性和低毒性，可减轻氧化应激和神经炎症。此外，替西帕肽作为一种双重GLP-1/GIP受体激动剂，具有AD治疗潜力，因为它可穿越BBB激活抗氧化信号通路并抑制炎症信号。然而，与线粒体移植和 endogenous 肽一样，所有这些方法主要依赖临床前发现，仍缺乏大规模人体临床数据。值得注意的是，几种通过限制mtDAMPs释放来抑制炎症反应的药物仍显示出有前景的治疗潜力，尽管尚未在AD动物模型中进一步验证，例如脱氧核苷和锌。
5.2 线粒体靶向AD治疗转化障碍的根源
尽管许多AD线粒体靶向治疗候选药物在研发阶段显示出前景，但它们距离常规临床应用仍有很长的路要走。事实上，线粒体靶向药物临床进展缓慢主要与AD特征和药物固有缺陷有关。
从疾病特征角度看，AD早期有较长的无症状潜伏期。线粒体功能障碍发生在Aβ和tau介导的AD病理改变之前。到患者出现记忆衰退时，往往已发生大量神经元丢失。此阶段给予线粒体靶向干预难以逆转已建立的神经元损伤，只能部分减缓疾病进展，因此难以观察到认知功能的显著改善。此外，AD由多种交织的病理途径驱动，Aβ沉积、tau过度磷酸化、神经炎症、钙稳态紊乱和线粒体功能障碍等致病因素相互作用、相互调节。因此，仅针对线粒体的单靶点干预不足以抵消整体病理损伤。此外，AD表现出显著的患者间异质性。发病年龄、Aβ/tau病理负荷、线粒体损伤程度和合并症的差异可导致标准化给药方案下患者治疗反应不同。值得注意的是，AD受多种因素调节，包括性别差异、APOE基因型、TREM2、外周免疫、血管因素、生活方式/环境因素和微生物组-肠-脑轴。这些因素相互作用，可能直接或间接影响线粒体功能和炎症反应，从而影响线粒体靶向药物的疗效。例如，性别差异部分归因于绝经后雌激素下降，削弱线粒体保护，导致脑能量代谢受损、氧化应激和Aβ/tau清除减少，从而促进AD发生发展。这些因素应被视为重要限制和未来研究方向。
此外，药物本身也存在许多固有缺陷。首要问题是药物BBB穿透不足，以姜黄素为例，其良好的临床前活性因BBB通透性差而打折扣，导致脑组织药物暴露有限，从而限制临床疗效。其次，药物特异性不足可引发脱靶毒性。神经系统疾病的线粒体靶向药物需要特异性作用于神经元线粒体，但注射和口服等给药途径不可避免地对周围组织线粒体产生影响，增加副作用风险。第三，药物稳定性差使药物易在体内被外周代谢清除，需要频繁给药。最后，存在临床前到临床的转化差距。值得注意的是，许多提出的AD发病机制来自细胞或动物AD模型，但这些模型不能完全概括人类AD病理。动物模型在发病机制、生理结构和遗传背景方面与人类不同，同时表现出相对简单的病理特征，而人类患者遭受复杂病理叠加。这解释了一些在动物研究中疗效良好的候选药物在人体试验中表现平庸的原因。
5.3 未来展望
鉴于AD的疾病特征和现有线粒体靶向药物的多种局限性，为推动AD线粒体靶向治疗策略的发展，未来研究应至少从以下六个方面进行优化。
第一，探索AD早期阶段的广谱临床生物标志物，特别是线粒体相关生物标志物，以便在疾病早期阶段启动线粒体靶向干预，实现AD的预防性治疗。第二，开展合并症相关研究。临床前研究应采用合并症模型评估药物疗效和安全性。此外，临床试验应纳入有基础合并症的受试者，系统评估药物相互作用。第三，促进线粒体靶向药物与Aβ/Tau靶向方法相结合的协同联合治疗策略。第四，通过分子结构修饰、脂质体和纳米载体等载体介导递送系统以及细胞介导递送系统改善药物的BBB通透性。第五，开发AAV介导的基因治疗策略。例如，AAV9-DJ-1可增强APP/PS1模型小鼠的抗氧化能力和线粒体自噬，从而有效改善其认知功能。第六，推动大样本、多中心临床试验，全面评估药物的临床安全性和疗效。
上述多维策略的协同实施有望打破AD线粒体靶向药物的临床转化瓶颈，为该疾病的精确干预提供新见解和新方向。
