β淀粉样前体蛋白与弥漫性轴索损伤

　　作者：刘洪恩，孙晓川　　(重庆医科大学附属第一医院神经外科，重庆 400016)

　　摘要: 弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury，DAI)后，β淀粉样前体蛋白(β-amyloid precursor protein，β-APP)在轴索内积聚，是轴索损伤的一个重要病理标志。许多研究通过β-APP的检测，对轴索损伤的程度进行评估。β-APP在病理状况下分解生成β淀粉样蛋白(amyloid betaprotein，Aβ)，后者具有多方面的神经毒性作用。笔者现对β-APP的结构、功能、代谢和它在DAI后的表达、作用及其机制进行如下综述。

　　关键词: β淀粉样前体蛋白;β淀粉样蛋白;弥漫性轴索损伤

　　Relationship betweenβ-amyloid precursor protein and diffuse axonal injury

　　LIUHong-en，SUN Xiao-chuan

　　(Department of Neurosurgery，First Affiliated Hospital，Chongqing University of Medical Sciences，Chongqing 400016，China)

　　Abstract: Accumulation ofβ-APP occurs in injured axons after diffuse axonal injury(DAI)，and it is an important pathological marker of DAI.Axonal injury can be evaluated by detection ofβ-APP.Under pathological condition，β-APP is decomposed into amyloid beta-protein(Aβ)，which has varieties of neurotoxic effects.The structure，function and me-tabolism ofβ-APP are briefly introduced，and its expression，effects and mechanism of action after DAI are also reviewed in the paper.

　　Key words:β-amyloid precursor protein;amyloid beta-protein;diffuse axonal injury

　　DAI是一种重度脑损伤类型，是导致颅脑伤患者死亡、植物生存和严重神经功能障碍的最主要原因。因此，对DAI的早期诊断有着重要的临床意义。近几年研究表明，β-APP可以作为DAI早期诊断的指标。笔者就β-APP与DAI的关系作一综述。

　　1 β-APP的结构、分布和功能

　　β-APP是一种具有受体样结构的大分子膜整合糖蛋白，相对分子量约为110～130KD。它包括膜外较长的氨基端、较短的跨膜区和胞内羧基端。细胞外功能区与Kunitz蛋白酶抑制剂(Kunitz protease inhibitor，KPI)具有高度同源性。

　　β-APP可在人体大多数细胞中表达，普遍存在于血液和脑脊液中。β-APP基因定位于人染色体21q21.2。通过选择性剪切，可形成至少8种长度不等的APP异构体，其中以APP 695 、APP 714 、APP 770 较为常见。APP 751 、APP 770 皆含有KPI功能区。APP 695 在神经元特异表达;APP 770 主要见于AD患者;其他异构体则广泛表达。

　　对β-APP的生理功能尚不完全清楚，已知的生理功能大致如下:(1)促进生长或神经营养活性。用具有β-APP神经营养区段的人工合成肽给啮齿类动物长期脑内灌注，能增加突触的密度和记忆功能。(2)APP 751 和APP 770 异构体包含有KPI结构域，提示可能是蛋白酶抑制剂。(3)作为神经细胞表面的受体，参与G0蛋白偶联的跨膜信号传导。(4)可以稳定Ca 2+ 通道。可能还有调节细胞粘附、抑制凝血等功能。

　　2 β-APP的代谢

　　β-APP有两种代谢方式:β-APP经β-、γ-分泌酶裂解产生分子量约为4KD的Aβ，即为Aβ生成途径;β-APP经α-分泌酶裂解位于Aβ序列内第16、17位氨基酸肽键而产生分泌性的淀粉样前体蛋白(secreted amyloid protein precursor，sAPP)，这一途径阻止了Aβ的产生，因此称为非Aβ生成途径。正常生理条件下，以第二种代谢途径为主;只有在病理情况下，β-APP才通过Aβ生成途径造成Aβ的积聚。Smith等[1] 研究表明，DAI后，受损的轴索可能是Aβ的储存器，并且它可以释放到周围脑实质，促进了Aβ斑的形成;还可以释放到脑脊液中。

　　β-APP肽α位裂解主要在细胞表面和高尔基体上进行，其产物sAPP分泌至细胞外，具有营养神经元、促进神经细胞轴突发生和细胞生长以及神经修复等作用[2] 。许多神经递质，如谷氨酸、5-羟色胺等可以通过兴奋受体参与sAPP的分泌过程。β-APP经β-，γ-分泌酶裂解产生的Aβ聚集后有明显的细胞毒性作用，表现为破坏钙离子稳态从而增加兴奋性神经递质的神经毒性，诱导神经元凋亡并可引起中枢神经系统的炎性反应，还可通过去甲肾上腺素或其他内源性活性物质增加血管的收缩性，导致神经元缺血而死亡。由于Aβ的产生与sAPP的产生相互制约，所以如果能阻止Aβ产生或者增加s-APP的分泌，就能减轻DAI后Aβ毒性作用，从而较早阶段阻止病情的发展。

　　3 弥漫性轴索损伤后β-APP的表达

　　Tomimoto等[3] 利用免疫电镜对正常和缺血后沙土鼠脑中β-APP进行超微定位，正常脑组织β-APP主要存在于多囊结构、核膜上、高尔基体和粗面内质网中，而增多的β-APP免疫活性局限于肿胀的轴索、营养不良神经元轴突和神经元核周体中。许多研究表明，DAI后，β-APP表达上调。Naruhito研究轴索损伤72小时以内β-APP在损伤局部的变化，发现β-APP在损伤轴索处堆积，免疫阳性信号增强开始于伤后0.5小时，之后持续增强，伤后26小时强度减弱。Murakami等[4] 用蛋白印迹分析显示，弥漫性轴索损伤后24小时，100KDβ-APP在大脑皮质和海马表达均升高。但伤后7天海马区β-APP开始下降，而皮质没有明显变化;用免疫组织化学分析，伤后24小时～7天，伤灶周围神经核周体和星形胶质细胞中β-APP显著增高。在无出血病灶的海马区，伤后24小时～3天，β-APP积聚于CA3区，伤后3天有胞体皱缩、核固缩现象，而伤后7天，部分神经元丢失。说明β-APP不仅在伤灶及其周围表达，亦可在远离伤灶的海马表达，并可导致部分神经元死亡。整个脑组织轴索损伤的程度和范围随着存活时间的增长而发展，在损伤的早期发展迅速，随后进展缓慢。通过β-APP免疫组织化学阳性轴索直径的测量发现，在伤后最初24小时，轴索直径增长迅速，随后进入一个缓慢发展阶段。因此，利用β-APP测量受损轴索直径有助于对死亡时间的判断;这也提示在损伤的早期β-APP有阻断或者减缓这一病程的治疗潜力[5] 。

　　β-APP表达的上调，不仅出现在成人损伤的脑组织中，同样在婴儿和儿童颅脑外伤后，脑组织中亦有β-APP表达的升高。在正常婴儿和儿童的中枢神经系统内，没有β-APP阳性轴突的存在[6] ，所以，β-APP的检测对法医鉴定有重要意义。Gleckman等[7] 研究婴儿震荡综合征(shaken baby syndrome，SBS)中视神经损害时发现，合并有钝性头部伤的SBS患儿β-APP表达均升高，而非创伤对照组患儿均无视神经损害，亦没有β-APP的表达。近期的研究用β-APP免疫组织化学技术来评估非事故性中枢神经系统损伤(nonaccidental central ner-vous system injury，NAI)。Reichard等[8] 对28例NAI患者研究发现，其中27例病人轴突β-APP染色呈阳性。22例均因脑水肿和继发性血管收缩引起的供血不足所继发的，称之为血管性轴索损伤(vascular axonal injury，VAI)，19例为DAI，16例同时存在VAI和DAI。这说明，缺血也是轴索损害的一个重要原因。Maxwell对猩猩头颅侧向旋转加速伤模型的脑血管反应进行了系统研究，证实瞬间侧向旋转可引起颅内产生广泛的、非直接致断裂性的机械应力，由此造成脑血管痉挛、微血栓形成、微绒毛出现，最终致血脑屏障破坏及血管不完全或完全断裂。颅内压增高导致的脑疝也可引起血管痉挛而诱发VAI[9] 。因此，对NAI的诊断不能仅靠β-APP免疫组织化学的检测结果，而应该结合详尽的临床资料。

　　神经元损伤是否可逆与细胞骨架的变化密切相关。神经细胞骨架是维持轴突正常形态、结构及功能的重要亚细胞结构;超微结构研究显示，脑损伤后神经元和神经轴突的细胞骨架崩解是脑组织创伤反应的一种主要特征[10] 。有学者认为，β-APP是沿微管蛋白通过快速顺性轴浆运输传送。外 伤性脑损伤导致的细胞骨架崩解，细胞轴浆流动停止是β-APP在轴突积聚的一个重要原因[11] 。与成熟期相比，发育期快速顺性轴浆运输更快，因此，婴儿和儿童脑损伤后β-APP积聚的更快，这样可以更早地检测到轴索损伤的存在。另外，Ciallella等[12] 研究发现，外伤性脑损伤72小时内，白质轴突内β-APP24小时时升高明显，并维持3天;IL-1β在伤后6小时达高峰，72小时时回到基线水平。证实了IL-1可明显诱导神经细胞内β-APPmRNA的表达，其诱导作用可能与β-APP基因5，启动因子的调控序列相关。虽然β-APP的表达是轴突损伤的一个敏感指标，但它不能区别轴突损伤是由原发性创伤引起还是由继发性脑损害如缺血、缺氧、水肿等所致[13] 。

　　4 β-APP在弥漫性轴索损伤中的作用及机制

　　DAI后不久即表达升高的β-APP被认为是一种急性期蛋白，可能具有促进神经轴突生长和保护神经元免受兴奋性毒性损害的功能。Wallace等[14] 证实，高浓度的人类β-APP 751 能诱导PC 12 细胞轴突的生长，而低浓度的β-APP 751 能增加神经生长因子(NGF)的神经营养活性。Tarr等[15] 用点突变研究表明，NGF受体TrKA的过度表达导致了APP-Y(682)酪氨酸的磷酸化，从而把神经营养信号向细胞内传递的途径和β-APP的演化进程联系起来。在中枢神经系统发育过程中，β-APP主要表达于胞突区域，参与轴索发育，构成细胞骨架等。而DAI后，β-APP.β-APPmRNA表达上调的时间与胶质细胞增生的时间重叠，说明β-APP与神经修复再生有关。Hall等[16] 用沙土鼠前脑缺血模型研究显示，β-APP的第二次升高出现在伤后2天，这与胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达增高是同时的，说明APPmRNA水平的升高可能是胶质细胞源性的。

　　Masumura等[17] 研究发现，脑损害后1小时，β-APP 695 mR-NA在伤灶及其周围的表达下降，而伤后1天，β-APP 751 mRNA和β-APP 770 mRNA的表达上调。APP 751 和APP 770 包含有KPI结构域，说明脑外伤后β-APP可能发挥了丝氨酸蛋白酶抑制作用。体外实验证明，含KPI基因序列的sAPP能抑制胰蛋白酶、糜蛋白酶及其他一些丝氨酸蛋白酶的活性。它还可以抑制凝血因子XIa、IXa，具有抗凝作用。另外，所有的β-APP超基因家族成员都有粘附功能，它们可以调节细胞间粘附。sAPP就能够和某些细胞外基质结合而促进神经元的附着。目前有研究认为，β-APP的过度表达可直接引起神经损害，说明β-APP本身可能具有促神经细胞凋亡的作用[18] 。但是β-APP的神经毒性主要是由β-APP异常裂解产生的Aβ所继发的。Nakagawa等学者[19] 认为，Aβ主要是通过caspase-12介导的内质网应激反应途径引起细胞凋亡。Bryan-sisneros等[20] 研究发现，Na + 的内向通量是β-APPC末端(内含Aβ肽段)毒性的主要机理。目前对Aβ细胞毒性机制的研究很多，但不是很确切。

　　5 展望

　　DAI后，特别是前24小时内，β-APP在轴索内迅速积聚，并且可以异常裂解为Aβ从而产生神经毒性作用。通过对β-APP的检测，可以判断轴索损伤的程度和范围，同时可以估计损伤的时间。但是有文献报道，β-APP表达的增高与β-AP-PmRNAs的表达是非同步的，这说明不能从转录水平解释β-APP的增高;并且β-APP和Aβ确切的作用途径和机制亦不完全明确，这都需要进一步的研究。同时近期的研究也阐明了很多可以阻断该病理反应链的途径，然而鉴于β-APP代谢和Aβ形成的复杂性，目前还没有一种理想的治疗方法，依然有很多工作需要去做。

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