阿爾茨海默病(Alzheimer’sdisease, AD)是一個與年齡密切相關的進行性神經變性疾病，是癡呆的最常見的臨床表現形式。據估計，2010年在世界各地有3.56億AD患者，2030年這將增加至6.57億，而到2050年可達11.54億。與日俱增的AD患者必將會給各國政府帶來嚴重的社會問題和經濟問題，對於AD的防治也備受世界各國重視。

        目前有關AD的研究浪潮也是此起披伏，碩果累累。多種因素參與了AD的發病機製，不管原因如何，都會歸結為AD的經典病理特征的形成：細胞外老年斑(SenilePlaques, SP)和細胞內神經纖維原纏結(NeurofibrillaryTangles, NFTs)。AD進展取決於SP和NFTs積聚和由此而引發的神經變性性病變過程。Aβ產生和沉積是一個關鍵的特征，也是SP形成的根本因素。NFTs是AD神經細胞內發現的不溶性扭曲纖維，主要由tau蛋白形成，是微管結構的一部分。微管有助於營養物和其他重要的物質在神經細胞內輸送，在AD中tau蛋白異常，微管結構解聚。盡管已有很多研究成果運用於臨床防治AD中，但還是沒有治愈AD或阻止其進展的有效方法。

        腺苷酸活化蛋白激酶( AMP-activated protein kinase, AMPK ) 是絲/蘇氨酸蛋白激酶，一種重要的蛋白激酶，主要協調代謝和能量的需要。短期效應能調節能量代謝，長期效應能調節基因轉錄[1]。大量研究表明AMPK作為哺乳動物細胞代謝傳感器參與了神經變性性變的調控[2]。因此，AMPK或許是神經變性疾病一種新的共同決定因素，調控AMPK活性有可能成為研發治療AD藥物的新途徑。

        AMPK結構和功能

        AMP作為能量傳感器和調節器，在調節細胞能量穩態的起著關鍵作用。AMPK是一個異源三聚體蛋白，由α(63kD)、β(30kD)和γ (37-63kD) 3個亞單位組成。其中,α亞單位起催化作用，而β和γ亞基在維持三聚體穩定性和作用底物特異性方麵起重要作用。每個亞單位都存在由2-3種基因所編碼的異構體(α1、α2、β1、β2和γ1、γ2、γ3)，從理論上來講，α、β和γ的不同異構體可形成各種可能的組合，可能有12種。α亞單位中的8個位點(蘇氨酸172、蘇氨酸258、絲氨酸485等)均可被磷酸化，其中蘇氨酸172位點及其磷酸化對AMPK活性的調節起重要作用。α亞基的C-末端需要與β和γ-亞基結合。β亞基含有糖原中心結合域，C-末端需要與α和γ-亞基結合。包含可變的N-末端和四個保守胱硫醚β-內合酶的γ-亞基亞型與AMP和ADP結合。這些亞型在維持AMPK的穩定性和活性上發揮著重要的作用。AMPKα蘇氨酸-172( Thr-172 ) 被磷酸化是AMPK激活所必需的。AMPK的γ-亞基暴露於α亞基激活位點(Thr-172) 可以引起構象變化。β亞基在失活或激活構象中充當結合α和γ-亞基的支架。研究表明，AMPK亞基不斷地在神經元上表達，從而被功能活化。AMPK在細胞和全身水平調節著能量平衡。它開啟以應對代謝壓力，並被激素和細胞因子調控從而影響全身的能量平衡。一旦激活，AMPK在分解代謝途徑中產生ATP。由AMP直接變構活化和上遊激酶可逆性磷酸化AMPKα亞基的Thr-172均可調節AMPK的活性。AMPK磷酸化激活需要兩種條件：γ-亞基暴露於α亞基激活位點(Thr-172)引起構象變化，α亞基的Thr-172被上遊AMPK激酶在激活環路中磷酸化。主要機製包括LKB1複合體和CaMKKβ催化Thr-172磷酸化。相反，Thr-172可以被蛋白酸酶-2C去磷酸化失活。低血糖、缺氧缺血和熱休克時細胞ATP減少，為增加AMP/ATP比，AMPK被激活。

        作為低ATP水平的細胞能量感受器，AMPK調節著一些胞內係統：細胞糖攝入、脂肪酸的β氧化、脂肪酸和膽固醇的合成和葡萄糖轉運酶4和線粒體生物合成等。通過抑製合成代謝能量消耗(脂肪酸和蛋白合成)和刺激能量產生，分解代謝(脂肪酸氧化和糖轉運等)等途徑，AMPK激活能增加細胞能量水平。然而，AMPK負調節著一些ATP消耗過程中的蛋白：調控CREB活性的轉導蛋白-2( TORC2 )、糖原合成、固醇調節元件結合蛋白 (SREBP)、結節性硬化蛋白2(TSC2)，抑製糖異生、糖原、血脂和脂質的合成。鑒於AMPK在脂質和代謝中的重要作用，其被作為治療肥胖、糖尿病、心血管病、癌症、老化和神經退行性疾病的關鍵靶點。

        AMPK:AD腦能量代謝紊亂的標記物

        流行病學、神經病理學和功能神經影像學證據顯示了認知損害和AD患者的腦能量代謝紊亂。AD的神經退行性表現與腦能量代謝紊亂密切相關，包括胰島素抵抗、糖攝取減少、線粒體功能障礙、膽固醇代謝障礙及Ca2+失衡等。高能量飲食和糖尿病對老化和AD的認知功能有害，而限製飲食能量對AD有益。研究顯示AD患者皮質糖代謝明顯降低，頂葉、顳葉和枕葉的皮質聯合區受累明顯。最新研究顯示了AD的氧化應激增加、線粒體障礙、糖攝取受損。既往研究表明AD中氧化應激的增加可以損害神經元的能量代謝和離子平衡，對膜離子激動型ATP酶功能和糖以及穀氨酸轉運蛋白造成損傷。這些氧化和代謝危害可以讓神經出現興奮性毒性和神經細胞凋亡的加速。

        AMPK作為細胞和機體的代謝感受器可以感受ATP的水平。當ATP下降，AMPK被激活調劑細胞適應機體代謝變化。AMPK可以通過糖和脂質代謝刺激能量產生，相反也可以抑製蛋白和膽固醇合成等耗能功能。神經元AMPK信號激活主要靠胞漿AMP和Ca2+水平的增高。作為細胞能量代謝和感受器及調節器，AMPK在糖和脂質平衡中發揮著重要作用。AMPK活性隨年齡增長而降低，導致老年相關的AD線粒體生物合成和功能下降。在AD的小鼠模型中，胰島素樣生長因子與AMPK間相互作用的紊亂可導致血管功能障礙。槲皮素可以通過激活AMPK來對抗高膽固醇飲食引起小鼠腦組織的氧化應激、炎症反應和Aβ沉積[3]。這些資料表明激活AMPK可以抑製氧化應激、改善AD線粒體功能和糖攝取，減少Aβ聚集，有利於減緩澱粉樣斑塊形成。

        不少文獻顯示糖尿病與AD相關。越來越的證據顯示胰島素能提高AD患者認知，市麵上的過氧化物酶體增殖劑激活受體γ(PPAR-γ)藥物對AD早期患者有益[4]。通過AMPK依賴機製，羅格列酮減少了由NADH氧化酶介導的葡萄糖誘導的氧化應激。羅格列酮依靠PPAR-γ激活通過AMPK、Akt和JNK信號通路減少缺血損傷。在高脂飲食引起的血脂沉積和胰島素抵抗老年大鼠，羅格列酮可以通過AMPK通路減輕胰島素抵抗和增強脂質代謝。吡格列酮在體內可以刺激AMPK信號增加脂聯素信號、線粒體功能和脂肪氧化。令人遺憾的是PPAR-γ激動劑因其嚴重心血管係統副作用而被退市。因此在包括AD在內的老年患者中使用該藥物希望不大。當務之急是尋找臨床前期的替代化合物。考慮到這類藥物的風險，製藥公司對此類研究的支持猶豫不前。過氧化物酶體增殖劑激活受體γ激動劑可以通過AMPK信號通路可改善AD患者認知損害和腦灌注。雖然其在糖尿病中高劑量使用，在AD患者長期治療有效，但仍需闡明其長期應用的臨床劑量和副作用。流行病學尚未完全揭示AD患者服用過氧化物酶體增殖劑激活受體γ激動劑的風險。在AD患者值得進一步研究低或高劑量長期治療的效果。還有研究表明通過抑製AMPK，胰島素抵抗可讓星形膠質細胞能量供應不足和炎症加劇。因此，激活AMPK是改善腦能量代謝紊亂的一個潛在靶點。

        二甲雙胍是治療糖尿病的一線藥物，通常被認為是AMPK激活劑(可能通過LKB1)[4]。其很多作用的發揮也可能經由AMPK通路。有報道稱二甲雙胍誘發PP2A活性，減少體內體外依賴PP2A表型的Tau磷酸化。在胰島素抵抗的體外模型“3型糖尿病”Neuro-2a神經元細胞係，長期高胰島素狀態可以出現AD標誌性的病理改變，使用二甲雙胍治療可以阻止出現AD中分子和病理改變。這些資料表明二甲雙胍在防止AD中具有潛在價值[5]。然而，也有發現二甲雙胍激活AMPK可明顯增加細胞內外Aβ片段，從而加劇AD[6]。盡管在人類身上尚未證實，二甲雙胍在防治AD上還麵臨著許多挑戰，AMPK在AD中的作用需要進一步研究。

        AMPK調節Aβ病理生理過程

        AD已被確定為蛋白質錯誤折疊疾病，引起的異常折疊Aβ蛋白在大腦沉積。Aβ有39-43個氨基酸是一種澱粉樣蛋白前體，是能穿透神經細胞膜的跨膜蛋白。Aβ的生成要求兩序列裂解反應，兩種蛋白水解酶：β分泌酶和γ分泌酶。在澱粉樣降解途徑，Aβ產生始於β分泌酶介導的APP殘端的Met671與Asp672裂解，裂解成一個可溶性細胞外片段(sAPPb)和細胞的膜結合片段(C99)。接著C99由BACE通過γ分泌酶在疏水性跨膜區域Val711或Ile713進一步裂解，產生Aβ。在非澱粉樣降解途徑，APP經α分泌酶產生sAPPα阻止Aβ生成。相反γ分泌酶裂解後β分泌酶再裂解也可產生Aβ。有關β/γ分泌酶裂解抑製劑的研究表明其可能成為一個抗AD的有效方法。

        許多資料表明AMPK是Aβ生成的關鍵調節劑。不少研究表明AMPK在Aβ生成的的病理過程中發揮著重要作用。最近研究表明在AMPKα2敲除的神經元Aβ生成增加。AMPK激活可能會通過調節APP生成而減少Aβ生成。

        AMPK參與膽固醇平衡僅次於HMG-CoA還原酶，調節膽固醇和鞘脂的代謝。膽固醇和鞘脂與調節APP加工和Aβ產生有關，從而參與到AD的病理過程。Won等在AMPKα2敲除的小鼠神經元上觀察到高水平的膽固醇和鞘脂，AMPK調節膽固醇和鞘脂的水平從而調劑APP分別，進而其代謝引起Aβ的產生[8]。因此，AMPK通過調節膽固醇和鞘脂的水平就APP分布從而導致Aβ的產生。

        AD患者的瘦素是下降的。Greco等報道顯示瘦素治療的人群和大鼠神經元細胞通過激活AMPK抑製Aβ的產生[9]。直接用細胞滲透性活化劑5-氨基咪唑-4-甲酰核苷酸(AICAR)刺激AMPK可複製瘦素的作用，降低Aβ產生，而AMPK的抑製劑CompoundC可抑製瘦素活性增加Aβ生成。最近的研究證明，一種天然多酚白藜蘆醇通過鈣/CaMKKb,提高AMPK活性從而在體內和體外能激活幾種代謝傳感器和降低Aβ的水平。AMPK抑製劑則可以降低白藜蘆醇對Aβ水平的影響。白藜蘆醇可以通過作用於mTOR抑製AMPK從而觸發自噬溶酶體降解Aβ[10]。Kwon等發現褪黑素通過調節AMPK通路能增強白藜蘆醇的抗Aβ誘導的神經退行性病變效果[11]。大量體內外模型顯示褪黑素不僅能抑製Aβ的產生，還可以阻止結構依賴性相互作用澱粉樣蛋白纖維形成。Kwon等研究還表明褪黑素和白藜蘆醇能顯著降低ROS產生和線粒體膜電位破壞，減輕Aβ42誘導的神經毒性。Aβ42處理能激活AMPK活性，而褪黑素和白藜蘆醇治療能抑製的AMPL磷酸化[12]。Aβ42可顯著增加AMPKα1活性而對AMPKα沒有明顯影響。Thornton等研究顯示CaMKKβ需要Aβ42激活AMPK。研究顯示Aβ42先通過CaMKKβ信號通路調節AMPK，接著激活AMPKa1複合物[13]。總而言之，這些資料顯示CaMKKβ介導的AMPK激活能阻止Aβ進一步生成，可能在AD病理中發揮抗Aβ毒性作用。

        已被證明的是AMPK的活化是通過抑製BACE1表達從而調節APPβ-裂解進而減少Aβ的生成。Lu等發現AMPK激活能顯著降低高膽固醇喂養老年大鼠膽固醇水平，下調BACE1表達，降低腦組織Aβ沉積，腹腔注射AMPK抑製劑CompoundC能抵消這種作用[14]。

        排除血糖和胰島素因素，AMPK激活能上調BACE1表達從而由澱粉樣前體蛋白產生Aβ。Chen等研究顯示二甲雙胍通過上調BACE1的轉錄激活AMPK，能顯著增加細胞內外Aβ的產生。AMPK抑製劑CompoundC能顯著抑製BACE1轉錄和Aβ生成揭示了這個AMPK依賴機製[15]。此外，越來越多數據表明5-氨基咪唑-4-甲酰核苷酸(AICAR)介導AMPK激活，通過抗炎和抗氧化的調控降低Aβ。最新研究表明AICAR治療可降低Aβ的產生，這可能是通過降低脂質APP水平而不是調節α或β分泌酶活性發揮作用的。Won等觀察AICAR治療下調神經元C99水平，沒有改變體外APP或BACE1水平及α或β分泌酶活性。這表明AICAR介導的APPβ裂解減少與細胞APP和BACE1水平及α或β分泌酶活性相互獨立[16]。

        總之，AMPK激活到底是抑製BACE1表達調節APPβ裂解減少Aβ產生，還是上調BACE1增加Aβ產生存在爭議。AMPK激活與Aβ產生是敵是友，較大程度取決於實驗條件和生化設置。AMPK是否是對抗Aβ產生的強有力靶點值得進一步研究。

        AMPK調控tau蛋白磷酸化

        Tau高度磷酸化的Tau蛋白假說被認為是AD的主要病因，Tau蛋白沉積為配對的螺旋絲，交互聚集成神經原纖維纏結和有毒的可溶性Tau蛋白片段。腦脊液中升高的磷酸化tau是AD相關腦組織病變的一個可靠生物標誌物。腦脊液Aβ42水平異常降低與高腦脊液tau蛋白水平的組合對診斷AD頗有幫助。在一般情況下，tau蛋白在絲氨酸和蘇氨酸殘基超磷酸。Tau蛋白磷酸化由一係列激酶調節，包括糖原合成酶激酶3、細胞分裂蛋白激酶5、SRC家族酪氨酸激酶、蛋白激酶A、CaMKKβ，應激活化蛋白激酶、微管蛋白激活的蛋白激酶、絲裂原活化蛋白激酶以及AMPK。研究表明AICAR直接刺激AMPK抑製tau蛋白磷酸化，相反AMPK抑製劑compoundC,可以增加tau蛋白磷酸化。這些表明是AMPK是tau蛋白磷酸化的一個關鍵的調節因素。

        AMPK是一種生理tau蛋白激酶，磷酸化多個tau蛋白抗原表位。Thornton等發現在原代小鼠皮層神經元，AMPK增加tau蛋白Ser262磷酸化，影響tau蛋白微管結合能力[17]。為弄清Ser262是否是AMPK對tau蛋白主要的磷酸化位點，Thornton等建立了His標記WT野生型tau蛋白或構建攜帶Ser262至S262A突變的CL13細胞係。Thornton發現62a突變對GSK-β(一個tau激酶)磷酸化tau蛋白的能力無明顯影響。與WT野生型相比，AMPK引起的tau蛋白磷酸化存在於s262a突變。這表明AMPK在Tau蛋白有額外的AMPK磷酸化位點。Thornton還發現AMPK通過改變tau蛋白微管結合在Ser396和Ser262位點磷酸化tau蛋白[17]。通過CaMKKβ介導活化途徑AMPK上遊的NMDA受體，AMPK在tau蛋白磷酸化的病理生理發揮著重要作用。

        最近的研究發現，AMPK在體外可以直接在thr-231和ser-396/404磷酸化tau蛋白。Vingtdeux等發現在3R(3重Tau蛋白)和4R(4重Tau蛋白)tau蛋白病(包括AD)腦神經元有激活的AMPK(p-AMPK)異常積累[18]。在AD腦組織中，p-AMPK在神經纖維沉積，澱粉樣蛋白斑塊周圍的軸突營養不良，90%以上神經元存在纖維纏結或纖維纏結前體。在純雙螺旋結構不存在p-AMPK，這表明p-AMPK並不與纏結的Tau蛋白共聚合。這些數據表明AMPK激活之前tau蛋白沉積。

        AMPK/mTOR/自噬/AD

        自噬是一種進化上保守的溶酶體依賴通路和細胞內自我保護過程，降解長壽蛋白或錯誤折疊的蛋白質和受損的細胞器。很顯然，在健康的神經元細胞自噬積極和高效，在AD中自噬最有可能來自受損的自噬泡間隙而不僅僅是誘導強自噬。一種慢性退化的神經元自噬溶酶體係統可能是從正常腦老化到病理性老化再到阿爾茨海默氏病神經退行性疾病過渡的一個關鍵因素。在阿爾茨海默氏症的蛋白質清除不當可能導致的自噬溶酶體降解途徑的損壞，或誘導這個通路的改變，這可能導致神經功能障礙和神經元丟失。事實上，自噬是參與清除Aβ和tau蛋白異常聚集的一個關鍵途徑。誘導自噬在體內體外能增強可溶性和聚合形式Aβ和tau蛋白的清除。因此，控製自噬溶酶體蛋白降解是AD的一個潛在治療靶點[19, 20]。

        mTOR是一個289kDa的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的PIKK家族的成員，調節細胞生長，細胞增殖，細胞運動，細胞的存活率，蛋白質的合成，轉錄，是一個廣泛的細胞信號。mTOR與其他蛋白質相互作用，形成複雜的兩種主要類型，mTOR複合物1和2(mTORC1和mTORC2)。越來越多的證據表明，自噬是通過mTOR負調控，自噬是受mTORC1調控第二個關鍵過程。營養豐富的條件下，mTOR被召集至溶酶體表麵，火化後就可以促進細胞生長，抑製細胞自噬。數據還表明，mTOR作為中央控製器在AD的發病機製中起著重要作用，降低mTOR通路可誘導Aβ產生和積累的tau蛋白。mTOR上遊和下遊信號通路成分參與到各種各樣的AD發病機製。mTOR抑製劑雷帕黴素能改善AD小鼠模型學習記憶障礙，減輕Aβ和tau蛋白的病理改變。mTOR信號通路是通過自噬途徑調節Aβ和tau蛋白一個關鍵調節因素。

        眾所周知，AMPK通過直接磷酸化ULK1促進自噬。而mTOR這個結合生長因子和營養信號中央細胞生長調節因子，能抑自噬。新近的研究表明，AMPK通路能調節mTOR的活性。最近的報告表明，mTOR通通過CaMKKβ介導激活AMPK可增加胞內鈣，從而誘導自噬。

        最近的研究表明，AMPK激活降低mTOR信號通路活化有利於細胞自噬，從而促進溶酶體降解Aβ。Vingtdeux等研究顯示，白藜蘆醇通過增加細胞內鈣水平激活AMPK，通過CaMKKβ促進thr-172AMPK磷酸化，從而通過抑製mTOR誘導自噬降低Aβ水平，在體外通過溶酶體係統促進胞內Aβ降解[23]。Vingtdeux等還發現RSVA314和RSVA405兩種白藜蘆醇類似物，發揮著白藜蘆醇同樣的作用機製：促進CaMKKβ依賴性激活AMPK，抑製mTOR，促進自噬和溶酶體降解Aβ[23]。

        結論與展望

        AMPK這個脂質和糖代謝的重要調節因子，被認為是代謝相關疾病如AD的一個重要治療靶點。如前所述，腦的能量代謝紊亂參與了AD的發病機製。AMPK活化能增強紊亂的腦能量代謝，參與了AD的發病機製。AMPK的激活還可以通過調節澱粉樣蛋白前體產生減少Aβ生成。由於AMPK是一種生理tau蛋白激酶和tau蛋白磷酸化表位多，通過AICAR直接刺激AMPK可抑製tau蛋白磷酸化。AMPK的激活可抑製mTOR信號通路，從而促進自噬，進而溶酶體降解Aβ。研究表明，AMPK是抗代謝應激的神經保護因子，對AD的預防作用顯著。AMPK在AD的發病機製中起著重要的作用，是AD的一個潛在治療靶點。

        然而，研究還表明，AMPK的活化具有神經保護作用，還可能導致的不利結果。有研究表明，AMPK激活可能是有害的，給予抑製AMPK的藥物對中風有神經保護作用。AMPK激活可能是通過加劇缺血誘導的代謝衰竭對實驗性腦卒中有害。研究證據也顯示，AMPKα-2參與了腦卒中AMPK活化所致的有害影響。亨廷頓氏這種病紋狀體神經退行性疾病AMPKα-1過度激活。在AD和其他tau蛋白病的神經元，AMPK是異常激活可直接在Thr-231和ser-396/404磷酸化纖維纏結或纖維纏結前體的tau蛋白。因此，AMPK與Aβ的產生和tau蛋白聚集存在著亦敵亦友的關係。考慮到AMPK的保護性能，AMPK激活是否導致細胞存活或消亡的活動在很大程度上取決於條件和生化的設置。它可以由實驗設置有效的抑製劑和AMPK激活劑從而產生有爭議的結果。對藥理操作後得到的AMPK結果的解釋，AMPK實際發揮的作用更重要的是應考慮到實驗條件而非應用活性化合物。因為一般的AMPK激活劑或抑製劑的作用取決於實驗的設置，而不能一概而論。不管怎樣，將來的研究需要放在AMPK在AD發病或AD治療中的作用上。

        AMPK活化是試圖恢複細胞穩態的一種保護性反應。AMPK通路的激活可能是治療和預防各種疾病的關鍵，然而AMPK過度激活可能是有害的。AMPK通路是通過調控自噬途徑調節Aβ和tau蛋白一個關鍵因子。先前在阿爾茨海默病中AMPK相關物質的發現可能有深遠的臨床意義。不過，目前仍不清楚AMPK是否發揮致病作用，保護作用，或者是阿爾茨海默病的一個過程。此外，激活AMPK對人類臨床是否有益仍是一個待解的問題。因此，有必要對AMPK生物化學和生理學進行進一步揭示，對於AD防治的AMPK相關藥物機製有一個更好的了解。