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摘要

我们的主要目的是建立氧化剂的来源，作为理解氧化剂和氧化应激在神经退行性变的发病机制中所起作用的关键因素，即在阿尔茨海默病(AD)的进展中所起的作用。我们最初的观察指出了血红蛋白和高铁血红蛋白降解的主要区别，血红素氧化产生铁铁(Fe2+)，而高铁血红蛋白分解代谢产生铁铁(Fe3+)．高铁血红蛋白是细胞毒性和氧化还原活性铁(Fe3+)铁的载体和供体，也是神经退行性疾病的始祖。氧化还原活性铁(Fe3+)铁的丰富和永久来源，在没有铁-铁倒置的情况下，对大脑内皮小血管有“原位”直接影响，积聚并增加毛细血管内皮细胞凋亡率，并可能穿过脑实质进入星形胶质细胞、胶质细胞、神经元和其他神经元细胞。我们对铁(Fe3+)铁的运输和神经元积累的理解指出了微血管是如何组织成结构良好的神经与血管的单位会对大脑造成伤害。我们之前进行的研究发现，新生儿黄疸发病率(p=0.034)、较晚年龄出现心脏杂音(p=0.011)以及儿童和成人轻度障碍，如语言障碍和学习/记忆障碍(p=0.002)，明显高于未怀孕高铁血红蛋白血症的对照组母亲的儿童和成人。

其后果表现为母体-胎儿妊娠高铁血红蛋白血症并发症的初始脑铁有害影响，根据我们的假设，在人类中可能伴随神经元死亡，疾病老化过程，最终导致严重的疾病，如AD, PD等神经退行性疾病。

关键字

血红蛋白和高铁血红蛋白分解代谢，脑毛细血管，铁沉积，血脑屏障，细胞凋亡，神经血管单元，神经退行性脑疾病。

介绍

目前尚不清楚为什么神经退行性疾病中大脑某些区域的铁水平异常高，也不清楚大脑中铁的积累是导致神经元死亡的初始事件还是疾病过程的结果。根据前人的研究，我们认为，至少在某些神经退行性疾病中，脑铁的失调是神经元死亡的最初原因，这种失调可能与遗传或非遗传因素有关。

铁铁脑积累作为神经退行性脑疾病的原因:理解铁运输机制的新见解

我们的研究集中在持续吸入强氧化剂如NOx (NO和no2)的人身上，结果表明这些氧化剂可以可逆地将氧性血红蛋白(Fe2+)氧化为高铁血红蛋白(Fe3+)。不可逆的高铁血红蛋白血症可发生，因为氧化剂/抗氧化平衡的破坏，支持的协同SO2代谢产物，导致抗氧化硫醇[1]的降解。高铁血红蛋白本身和血红素具有促氧化特性，并诱导血管内皮的结构和功能变化[2,3]。这些变化包括细胞生长停滞、衰老、形态改变和细胞凋亡，它们在氧化还原活性铁铁(Fe3+)的影响下导致血管长号增生和内皮细胞剥蚀，Fe3+是血红素加氧酶的产物，负责高铁血红蛋白血红素降解[4]。在血液中，一氧化氮和超氧化物形成过氧酸盐(ONOO)，将氧性血红蛋白转化为高铁血红蛋白，血红素释放的高铁血红蛋白诱导内皮细胞溶解[5]。H的毒性₂O₂也依赖于它与亚铁反应，通过芬顿反应形成羟基自由基。该反应所需的亚铁是由超氧离子[6]还原胞状铁形成的。我们要强调生理性血红蛋白分解代谢和病理性高铁血红蛋白分解代谢的区别，因为它们不同的最终产物，亚铁和铁铁，具有不同的特征。铁亚铁具有催化和生成高细胞毒羟自由基的潜力，如Fenton反应(铁亚铁+ H₂O₂——>铁铁+ OH + OH)．在同样的过氧化氢作用下，三价铁又被还原为亚铁、过氧化自由基和质子。

细胞内铁离子来源于Fenton反应，而铁离子来源于高铁血红蛋白分解代谢，两者之间的实质性差异影响了高铁血红蛋白的细胞摄取水平，从而增加了高铁血红蛋白血症，导致铁离子诱导的氧化应激损伤。

我们认为，在高铁血红蛋白分解代谢过程中，最终的铁铁产物是来自芬顿反应的铁铁的显著补充来源，其持续形成对大脑的神经血管单位有影响。

根据前期研究提出的建议，我们认为，至少在某些疾病中，脑铁失调是神经元死亡的初始原因，这种失调可能是遗传或非遗传因素[7]的结果，并被认为具有自身免疫决定因素[8]。我们之前的研究结果表明，高铁血红蛋白作为细胞毒性和氧化还原活性铁(Fe3)的载体和供体起着特别重要的作用⁺)铁，并决定铁如何在细胞内运输(图1-4)。

图1所示。血红蛋白分解代谢

图2。血红素加氧酶

图3。低倍镜下，死于阿尔茨海默病的人的大脑中，神经元中铁离子结合灶性阳性显示斑块状聚集(x4HPF A和x10 HPF B)。

资料来源:Stifter Sanja，里耶卡大学医学院病理科。

图4．77岁阿尔茨海默病患者脑实质游离铁阳性a)阳性胶质和神经元灶性分布;B)强铁阳性血管周围区域的积累。染色:普鲁士蓝法测定铁-放大倍率40倍。

资料来源:Stifter Sanja，里耶卡大学医学院病理科。

神经科学传统上专注于中枢和外周神经系统的神经元，现在越来越清楚的是，神经元、胶质细胞和微血管被组织成一个结构良好的神经血管单位，而最近的研究强调了大脑内皮细胞在这个模块化组织[9]中的重要性。铁是正常细胞功能所必需的，但它也会产生有毒的活性氧(ROS)，对血脑屏障的血管内皮产生不利影响。将人成神经细胞瘤IMR-32细胞暴露于柠檬酸铁铵(FAC)，作为神经元铁过载和神经退行性变的模型进行研究。细胞暴露于柠檬酸铁铵的结果表明，暴露与氧化细胞水平的增加、氧化还原敏感信号的激活和凋亡[10]有关．Leung G, Moody AR已经证明铁血红素比亚铁血红素具有更强的促氧化作用。此外，他们还表明，这种铁血红素具有明显高于其亚铁对应物的松弛性。同时，这些证据表明，磁共振成像检测到的T1(纵向松弛时间)血管壁内的高信号强度是斑块内环境的内源性生物标志物，具有高度的促氧化性和致动脉粥样硬化性。MR成像测量显示，铁质血红蛋白的T1松弛度比亚铁形式的血红蛋白高10倍。这些结果支持了铁高铁血红蛋白产生的T1高信号强度反映了促氧化环境，在血管壁疾病的背景下，可能是促动脉粥样硬化[11]的假设。

这证明了高铁血红蛋白分解代谢产物对重要器官和中枢神经系统的氧化作用，从而导致其功能障碍的研究是正确的。研究MRI数据显示，细胞外高铁血红蛋白产生的脂质氧化明显多于细胞内产物;然而，这两种环境中的高铁血红蛋白具有相似的r1(松弛率的纵向松弛度)测量值。因此，由于高铁血红蛋白，T1高信号强度并不仅仅局限于引起脂质氧化的环境。因此，这种高信号强度反映危险斑块的能力可能会减弱。然而，众所周知，在没有任何化学修饰的情况下，铁血红素大大降低了红细胞膜的完整性，静态红细胞的最终命运是裂解。因此，细胞内的高铁血红蛋白注定会迅速变成细胞外，从而增加氧化驱动[12]。中枢神经系统(CNS)的细胞和细胞间铁转运机制尚不清楚，同时越来越多的证据表明铁代谢受损是神经退行性变[13]的最初原因。Brar年代,et al。得出结论，AD过程中帕金森病的发展似乎与铁的积累有关，这反过来可能有助于神经功能衰退的发病机制[14]。

结果

我们的研究结果指出了由脑损伤引起的有毒环境氧化剂的后果，以及高铁血红蛋白分解代谢在怀孕期间作为铁(Fe)来源的作用^{3 +})铁的形态集中在大脑的各个区域。高铁血红蛋白和溶血都是氧化应激的结果，但它们之间的主要区别在于高铁血红蛋白是一种可逆现象(氧化剂-抗氧化平衡)，而溶血是红细胞膜氧化应激的结果，是一种不可逆事件。高铁血红蛋白血症还会加剧现有的贫血，刺激缺氧，这可能是额外危险的。我们对妊娠期高铁血红蛋白的前瞻性研究显示，高铁血红蛋白>1.5 g/L水平显著升高(r= 0.72,p< 0.01)，这可以解释为氧化剂-抗氧化剂失衡，导致高铁血红蛋白血症[15]。整个暴露期记录的高铁血红蛋白血症和死产明显高于对照期记录的死产(p= 0.0205)，繁殖损失频率显著低于对照组控制而不是曝光时期(p< 0.05)[16]。

由于我们没有发现母亲高铁血红蛋白血症对胎儿造成影响的证据，因此第二个目标是引导人们注意高铁血红蛋白作为氧化应激效应环境毒性的早期生物标志物，氧化应激效应使怀孕处于危险之中，并可能随后损害新生儿、儿童和青少年的健康。进行的适当研究发现，新生儿黄疸发病率(p=0.034)、较晚年龄出现心脏杂音(p=0.011)以及儿童和成人轻度障碍，如语言障碍和学习/记忆障碍(p=0.002)明显高于未怀孕的对照组母亲的儿童和成人。拉维奇AM，莫霍罗维奇L，et al。最近有病理组织学技术证实，在不利条件下，胎儿血脑屏障毛细血管内皮细胞铁离子阳性升高，也会导致早产、死产或新生儿早期死亡[18]。蓝色普鲁士法的应用突出了蓝色颗粒的积累，表明非血红素铁^{3 +}在36名受害者中，有12人(33%)的脑干和小脑出现阳性反应，而对照组中没有。在阳性病例中，铁沉积广泛分布于脑实质或局限于特定区域，其程度和强度不同(图5和6)。

图5。小脑铁-铁阳性: A)皮质下区，B)齿状核区实质，6个月SIDS患者(病例9)。C)和D)在年龄匹配的对照病例中等效的铁阴性区域。染色:普氏普鲁士蓝铁铁反应放大倍率A)C): 10倍;B) D): 20×。

来源:Lavezzi AM, Mohorovic L, Alfonsi G, Coma MF, Matturri L，吸烟母亲不明原因胎儿和婴儿死亡患者的脑铁积累。可能与母体高铁血红蛋白血症有关。意大利米兰大学外科、重建和诊断科学系利诺·罗西研究中心，研究和预防围产期意外死亡和SIDS。

图6。血脑屏障血管A) 36孕周SIUD患者内皮细胞铁阳性(病例3)。B)年龄匹配的对照病例的铁负性。染色:普氏普鲁士蓝铁铁反应放大倍率A) B): 20×。

来源:Lavezzi AM, Mohorovic L, Alfonsi G, Coma MF, Matturri L，吸烟母亲不明原因胎儿和婴儿死亡患者的脑铁积累。可能与母体高铁血红蛋白血症有关。意大利米兰大学外科、重建和诊断科学系利诺·罗西研究中心，研究和预防围产期意外死亡和SIDS。

讨论

在观察的基础上，我们指出，当最后产物是铁时，细胞内的高铁血红蛋白和血红素分解代谢是特异性的，它与细胞毒性和顺磁性一起，具有显著的“原位”作用。我们认为铁和铁诱导的氧化应激是神经退行性变的共同机制，我们还提出了环境毒性因素导致神经元死亡的最初原因。实验表明，铁和亚铁可以通过不同的途径进入细胞，但他们没有指出哪一种途径在人类[19]中占主导地位。

血红素是铁的主要功能形式，在线粒体中合成。史密斯,et al。表明铁能够原位参与氧化并且很容易催化氢₂O₂他们表明铁的积累可能是阿尔茨海默病[20]的氧化损伤的重要因素。根据我们的观点，我们的工作支持上述关于在阿尔茨海默病中血红素氧化酶-1(一种催化高铁血红蛋白和血红素转化为铁铁的酶)增加时血红素代谢紊乱的重要性的陈述，这表明血红素周转增加是氧化还原活性铁的来源。派瑞克,et al。研究人员发现，虽然阿尔茨海默病中线粒体DNA和细胞色素C氧化酶活性增加，但线粒体数量减少，这表明线粒体周转加速，并提示线粒体功能障碍是阿尔茨海默病[21]的起始和进展潜在不可分割的组成部分。研究还发现，氧化损伤主要发生在细胞质内，而不是线粒体。由此提出假说，线粒体作为来源提供过氧化氢，过氧化氢作为中间体，一旦进入细胞质，在金属离子的存在下，通过Fenton反应转化为高活性的羟基自由基，对细胞质[22]造成损伤。细胞凋亡是由细胞外和细胞内信号通路、死亡受体和线粒体介导通路启动的。

氧化应激诱导的凋亡信号传导可导致各种病理，从而导致ROS增加和/或抗氧化降低，破坏细胞内氧化还原稳态，以及脂质、蛋白质或DNA[23]的不可逆氧化修饰。

此外，铁通过Fenton反应参与多种病理过程，该反应催化活性氧(ROS)的形成。为了验证这种反应加速细胞凋亡的假设，Jacob AK等人在体内使用人脐静脉内皮细胞(HUVECs)作为微血管系统的替代品。用Fe [III](氯化铁和柠檬酸铁铵)加载HUVECs，在热休克刺激[24]后发生凋亡。脑铁是正常灰质磁共振成像(MRI)对比度的主要贡献者。非血红素脑铁主要以铁蛋白形式存在。MRI显示的非血红素脑铁定量有助于不同神经系统疾病的诊断和监测[25]。大脑的大部分非血红素铁被认为是由铁蛋白或含铁血黄素组成的存储池，也是高铁血红蛋白分解代谢[26]的产物。然而，转铁蛋白结合铁的浓度总是太小而影响MRI。这一事实表明，高铁血红蛋白分解代谢作为集中在大脑各个区域的铁(FeIII)形式的来源的作用应该被考虑。现在，非血红素结合的Fe3⁺由于其顺磁性，可以通过磁共振成像(MRI)进行量化。据认为，大多数非血红素结合的铁以铁蛋白、含铁血黄素或高铁血红蛋白分解代谢产物的形式沉积，而转铁蛋白结合的铁浓度总是很低，MRI[27]无法检测到。最近的研究结果表明了一种铁氧体-磁铁矿核壳铁蛋白结构。研究还发现，铁蛋白铁芯中的磁铁矿并非像以前认为的那样是游离有毒亚铁的来源。因此，阿尔茨海默病患者铁蛋白核心中磁铁矿的存在并不是其脑亚铁(II)浓度升高[28]的原因。

结论

富含细胞毒和氧化还原活性铁(Fe3⁺)不含铁-铁反转的铁，”原位作为铁诱导细胞氧化应激的原因，对脑内皮小血管有直接特异性的影响，增加内皮细胞凋亡率，从而使高铁血红蛋白、血红素和铁铁在脑实质的积累成为可能。综上所述，我们指出高铁血红蛋白血症不仅作为环境氧化剂显著影响的生物标志物和前体，而且作为氧化还原活性铁形式的载体和供体的重要性。我们认为铁是脑实质堆积的始祖，在穿过大脑微血管到达神经元(神经血管单位损伤)，引起神经元死亡，持续衰老过程，最终导致严重的神经退行性疾病，如AD、PD、MS等疾病中起着重要作用。然而，环境氧化剂与神经退行性疾病发病机制的关系尚需进一步研究。

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