氧化应激及其缓解在神经退行性疾病中的作用：从病理机制到治疗策略的整合性评述

《Antioxidants》：Oxidative Stress and Its Mitigation in Neurodegenerative Disorders

　　

摘要专业翻译 在神经退行性疾病中，大脑内的氧化应激（oxidative stress）在其病理生理学及疾病进展中具有基础性作用，其中以阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）尤为突出。氧化应激被定义为自由基的产生超过抗氧化蛋白或小分子抗氧化剂自由基清除能力的一种状态。在氧化应激相关的神经退行性疾病中，抗氧化蛋白自由基清除功能的减弱往往源于其经氧化修饰后的结构改变，可通过蛋白质氧化、脂质过氧化和/或DNA或RNA氧化的生物标志物水平升高加以指示。在AD中，蛋白质氧化和脂质过氧化之后，美拉德反应（Maillard reaction，又称Amadori化学）可导致晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）在AD脑内蓄积。AGEs促进Aβ和tau蛋白交联的形成，而Aβ和tau蛋白是AD病理学的标志性特征。AGEs受体（receptor for AGEs，RAGE）常被视为AD中氧化损伤的附加生物标志物，且AGE介导的RAGE激活据报道可引发对神经元的进一步氧化损伤。本文简要提及若干代表性抗氧化蛋白，以说明氧化蛋白可参与特定神经退行性疾病的发病机制。除抗氧化蛋白外，小分子抗氧化化合物可来源于内源性或外源性途径。本《Antioxidants》特刊“神经退行性疾病中的氧化应激及其缓解”聚焦于氧化损伤在神经退行性疾病中的作用，以及外源性和内源性抗氧化剂或抗氧化蛋白如何缓解此类损伤。在13篇论文中，研究者深入探讨了氧化应激的成因与后果，并在特定案例中阐述了利用抗氧化策略缓解这些后果如何可能有助于理解和治疗这些神经退行性疾病。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

神经退行性疾病是一类以中枢神经系统特定神经元进行性丢失为特征的疾病，其发病机制复杂，迄今缺乏有效的疾病修饰治疗手段。在众多致病假说中，氧化应激假说获得了大量实验证据的支持。氧化应激被定义为自由基产生速率超过内源性抗氧化防御系统清除能力的失衡状态，这种失衡导致蛋白质、脂质、核酸等生物大分子的氧化损伤。在阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）等神经退行性疾病中，氧化应激不仅是病理过程的伴随现象，更被认为是驱动疾病发生与进展的核心机制之一。

目前存在的主要科学问题包括：第一，氧化损伤如何具体导致神经元功能障碍和死亡，其分子通路尚不完全清楚；第二，尽管在细胞模型中多种抗氧化剂显示出良好的神经保护效果，但在人体临床试验中多数未能复制这些获益，转化研究的失败率极高；第三，抗氧化治疗的时机、剂量、靶向性等关键参数缺乏系统优化；第四，新的抗氧化策略如靶向线粒体的抗氧化剂、肠道微生物代谢调控等尚处于早期探索阶段。因此，系统梳理氧化应激在神经退行性疾病中的作用机制，评估现有抗氧化干预策略的循证证据，对于推动该领域的转化研究具有重要的学术价值。

二、研究内容与主要结论

本特刊汇集13篇论文，从氧化损伤机制和抗氧化干预策略两个维度，对神经退行性疾病中的氧化应激及其缓解进行了系统论述。研究人员得出以下核心结论：氧化应激通过蛋白质氧化、脂质过氧化和核酸氧化三条主要通路造成神经元损伤，而多种内源性和外源性抗氧化策略在临床前模型中展现出不同程度的神经保护潜力，但其临床转化仍面临生物利用度低、血脑屏障穿透不足等重大挑战。

三、主要关键技术方法

研究人员综合运用了多种关键技术方法：在临床研究方面，采用人体志愿者干预试验评估麦角硫因（ergothioneine，ET）补充对血浆三甲胺-N-氧化物（trimethylamine-N-oxide，TMAO）水平的影响，样本来源于健康中国男性队列及心力衰竭患者队列；在动物模型方面，采用1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）诱导的帕金森病（Parkinson disease，PD）小鼠模型评估短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）的神经保护作用，采用SAMP8小鼠模型和老年比格犬模型研究血红素加氧酶/胆绿素还原酶系统；在细胞模型方面，利用人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）及其分化的神经元和星形胶质细胞研究银杏叶提取物的线粒体保护作用，利用NSC-34细胞进行大麻酚（cannabinol，CBN）的转录组学分析；此外还运用了HPLC-质谱联用技术监测氘代药物的代谢。

四、研究结果

2.1 选定神经退行性疾病中的氧化应激

2.1.1 阿尔茨海默病中的晚期糖基化终末产物及其受体。 Mecocci教授团队通过综述研究指出，AGEs及其受体RAGE在AD脑内代谢紊乱中发挥多重作用，包括促进APP的淀粉样加工、上调BACE1产生更多神经毒性Aβ肽、促进GSK-3β和MAPKs介导的tau磷酸化、以及破坏线粒体动力学和功能导致ATP产生减少和活性氧（reactive oxygen species，ROS）升高。该研究还讨论了AGE-RAGE轴在中枢和外周代谢紊乱中的参与，并提出了阻止AGE形成、解毒AGE和抑制RAGE信号传导的潜在治疗策略。

2.1.2 唐氏综合征中的蛋白毒性及神经退行性变。 Perluigi教授团队通过综述研究发现，唐氏综合征（Down syndrome，DS）由21号染色体三体引起，伴随转录、代谢和蛋白质改变，产生慢性氧化应激和蛋白毒性。研究证实DS与蛋白质稳态网络功能障碍相关，涉及内质网应激中的PERK信号、线粒体氧化磷酸化功能下降、26S蛋白酶体活性降低、泛素相关信号衰减以及mTORC1持续激活导致的自噬和线粒体自噬减少，最终造成蛋白毒性蓄积和神经元死亡。值得注意的是，DS患者常在40-50岁即出现类似AD的神经病理改变。

2.1.3 两种神经退行性疾病中的嘌呤DNA氧化损伤。 Chatgilialoglu教授通过综述研究详细描述了自由基与DNA嘌呤碱基反应导致的DNA修饰化学过程，以及检测六种嘌呤修饰的协议。研究指出，着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）和科凯恩综合征（Cockayne syndrome，CS）中核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）机制失效主要归因于修饰嘌呤造成的空间位阻。此外，线粒体DNA的自由基损伤产物与核DNA不同，8-氧代嘌呤损伤在线粒体中远多于核DNA，线粒体依赖碱基切除修复（base excision repair，BER）而缺乏NER。

2.2 与神经退行性疾病相关的氧化应激缓解

2.2.1 麦角硫因对帕金森病的潜在保护作用。 Lim和Halliwell教授团队通过综述研究发现，ET是一种天然组氨酸衍生物，人类通过OCTN1转运体摄取但无法内源合成，蘑菇是主要膳食来源。ET具有高血脑屏障穿透能力和长达1个月的体内半衰期。研究显示较低的ET水平与衰老参数增加、轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）风险升高及痴呆患者中ET水平最低相关。在PD临床前模型中，ET治疗改善了存活率并挽救了多种PD相关指标，包括线粒体损伤、氧化应激升高、α-突触核蛋白水平增加、凋亡、神经炎症、葡萄糖代谢下降等，而OCTN1抑制剂维拉帕米可阻断这些保护效应。

2.2.2 麦角硫因是否导致人体血浆中潜在有害的TMAO水平显著升高。 Halliwell教授团队通过人体志愿者研究发现，健康中国男性补充ET（25 mg/天，持续1周）后，血浆和血液中ET水平如期升高，但血浆TMAO平均水平无显著升高。在心力衰竭患者中，ET水平与TMA或TMAO水平之间无相关性，且TMAO水平在心力衰竭中升高而ET水平未升高，进一步证实ET与TMAO缺乏关联。该研究支持ET作为AD和PD潜在神经保护疗法的安全性。

2.2.3 短链脂肪酸增强EAAT2介导的谷氨酸清除并缓解MPTP帕金森病小鼠模型中的氧化应激。 Liu教授团队通过MPTP诱导的PD小鼠模型研究发现，星形胶质细胞驻留的兴奋性氨基酸转运体-2（excitatory amino acid transporter-2，EAAT2）在PD中功能受损，导致突触间隙谷氨酸清除障碍、突触后神经元持续去极化和大量Ca²⁺内流，进而引发氧化应激。SCFAs（尤其是丙酸和丁酸）处理显著防止了黑质中酪氨酸羟化酶阳性多巴胺能神经元的丢失，改善了运动功能，提高了谷胱甘肽水平，增加了Nrf2依赖性抗氧化酶和EAAT2的表达，并减少了星形胶质细胞活化相关的神经炎症。EAAT2抑制剂二氢海人藻酸可阻断SCFAs的保护作用，证实EAAT2是SCFAs发挥作用的关键靶点。

2.2.4 左旋多巴的微生物代谢作为帕金森病的辅助治疗靶点。 Feix教授团队通过前瞻性研究分析了肠道微生物对PD主要治疗药物左旋多巴（L-DOPA）的代谢作用。研究发现PD患者肠道菌群与正常对照不同，空肠中细菌过度生长主要由粪肠球菌（E. faecalis）介导L-DOPA代谢为酪胺，导致血液和脑中L-DOPA水平降低，患者需增加剂量从而加重左旋多巴诱导的运动障碍（LID）。研究人员利用线粒体靶向药物（mitochondria-directed drugs，MTDs）策略，利用细菌具有较大内部负跨膜电位的特性，制备了含三苯基膦（TPP⁺）组分的氘代药物。体内实验显示这些药物在肠道中高效抑制L-DOPA代谢，脑中多巴胺-d3水平较对照组高15倍，且不改变微生物组组成。

2.2.5 姜黄素治疗阿尔茨海默病的转化可行性：临床挑战的批判性评估。 Martins教授和Virk博士团队通过系统综述和批判性评估指出，尽管姜黄素在体外研究中可结合小寡聚形式的Aβ42肽并减少神经炎症，但体内临床研究显示：姜黄素治疗不能清除脑内Aβ或磷酸化tau，不能直接或间接影响AD病理，不能减少脑内氧化损伤，神经炎症指标缺乏一致性，且缺乏令人信服的认知获益临床证据。研究将这种无效性归因于姜黄素溶解度差、生物利用度低、无法可靠穿越血脑屏障进入脑实质、以及快速的全身代谢。

2.2.6 血红素加氧酶/胆绿素还原酶系统作为对抗阿尔茨海默病细胞衰老的治疗靶点。 Mancuso教授通过综述研究阐述了血红素加氧酶（HO-1诱导型，HO-2组成型）/胆绿素还原酶（BVR-A）系统在细胞衰老中的参与。研究指出，在AD和MCI中HO-1和BVR-A均被氧化修饰，BVR-A主要受3-硝基酪氨酸过量损伤。HO-1降解游离血红素产生胆绿素、一氧化碳和亚铁离子（Fe²⁺），而Fe²⁺与过氧化氢通过Fenton化学产生高反应性的羟基自由基，因此铁蛋白水平对结合亚铁离子至关重要。研究还讨论了多种调节HO-1/BVR系统的潜在药物，包括多奈哌齐联合美金刚、阿托伐他汀、雷帕霉素和阿魏酸乙酯等。

2.2.7 天然维生素和新型合成线粒体靶向抗氧化剂在认知健康中的应用：体内证据的范围综述。 Fernando教授和Martins教授团队通过对MEDLINE、EMBASE和Scopus三大数据库的系统检索，从768篇文献中筛选出13篇涉及天然维生素抗氧化剂（NVAs）和12篇涉及线粒体靶向抗氧化剂（MTAs）的符合纳入标准的论文。研究发现维生素E、维甲酸、甲钴胺（维生素B12）、叶酸（维生素B9）、烟酸（维生素B3）、硫胺素（维生素B1）和泛酸（维生素B5）在AD小鼠模型中均报告了积极效果，但人体临床试验结果混杂或边际。MTAs（包括MitoQ、MitoTempo、SS-31和SkQ1）在临床前研究中表现出一致且可重复的改善效果，包括提高认知表现、延长寿命、保护线粒体电子传递链复合物I和IV、减少海马和皮层细胞损伤、降低脑内氧化应激、改善突触功能等，但尚无临床研究报告。

2.2.8 银杏叶提取物改善人iPSCs及其衍生神经元和星形胶质细胞中与年龄相关的线粒体缺陷。 Eckert教授团队通过细胞模型研究发现，与年轻供体来源的iPSCs相比，老年供体来源的iPSCs及其分化的神经元表现出线粒体功能改变，包括ATP产生和线粒体膜电位降低，但线粒体ROS和超氧自由基水平升高。该研究首次报道了老年供体iPSCs分化的星形胶质细胞具有与年轻供体来源细胞相比类似的线粒体改变。GBE处理24小时后，年轻和老年iPSCs的线粒体功能均得到改善，氧化应激显著减轻，氧消耗率和细胞外酸化率均升高，且GBE处理老年来源的神经元和星形胶质细胞可增加线粒体功能并降低氧化应激。

2.2.9 大麻酚对氧化应激反应和神经元可塑性相关基因的调节：转录组学分析。 Mazzon教授团队通过对NSC-34细胞进行转录组学分析发现，大麻酚（CBN）在任何测试浓度下均未对细胞产生不良影响，包括未下调与凋亡性细胞死亡相关的基因（caspase 3），这与四氢大麻酚（THC）的效应形成对比。CBN能够诱导与减轻氧化应激相关的保护性通路基因，即激活Nrf-2及其细胞应激反应以产生抗氧化酶基因，同时下调Nrf-2抑制剂Keap1的基因。此外，Sod1基因被下调，这将减少过氧化氢的产生。研究人员还发现磷酸化Akt/Akt比值随CBN剂量增加而升高，该比值与神经元极化和树突分支相关。

2.2.10 β-丙氨酰-L-组氨酸和甘氨酰-L-组氨酰-L-赖氨酸糖缀合物与铜的协同保护功能。 Rizzarelli教授和Naletova博士通过综述研究深入探讨了铜结合肽的氧化还原化学，系统评述了肌肽（carnosine，Car）与海藻糖（trehalose，Tre）结合形成CarTre，以及甘氨酰-L-组氨酰-L-赖氨酸（GHK）与透明质酸（hyaluronan，HA）结合形成HAGHK和HACar的抗氧化特性。研究指出，HA可保护Car免受其降解酶肌肽酶的降解。HACar衍生物的铜配合物具有显著的SOD1样超氧自由基清除特性，而HAGHK聚合物具有ROS清除特性。这些糖缀合物还被描述为可预防Aβ肽相关损伤或参与Aβ斑块溶解。

五、讨论与结论

本特刊的13篇论文共同表明，氧化应激在神经退行性疾病的病因学、病理学和进展中扮演核心角色。氧化和/或亚硝化应激对蛋白质、膜脂双层和DNA/RNA的损伤导致构象改变，进而损害其各自功能，最终导致关键脑细胞死亡。然而，抗氧化维生素在AD或PD细胞模型中的成功经验在患者体内研究中大多未能复制，一个例外是维生素B1衍生物在AD中的IIa期临床试验显示出一定成效。因此，研究者正在探索替代策略，包括麦角硫因补充、短链脂肪酸干预、肠道微生物代谢调控、线粒体靶向抗氧化剂、银杏叶提取物、大麻酚以及肌肽和GHK糖缀合物等。这些策略在临床前模型中展现出令人鼓舞的前景，但均需进一步严格研究加以验证。研究结论明确指出：氧化应激在神经退行性疾病中的关键作用已得到充分确立，但对其病因、病理和进展的深入理解仍需更多关注，抗氧化策略的临床转化之路依然漫长。