ミネラル

アルツハイマー病における銅と亜鉛の調節障害

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Copper and Zinc Dysregulation in Alzheimer’s Disease

アルツハイマー病は最も一般的な認知症の一つである。アルツハイマー病に関与する分子機構については多くの知見があるにもかかわらず、現在の治療法は主にアミロイドβ(Aβ)産生を標的とした治療に焦点を当てているが、有意な効果や有効性を示すことができていない。

したがって、この疾患の多因子性についての重要な再考が必要とされている。アルツハイマー病は複雑な多因子性障害であり、アミロイドβとタウとともに、多因子、エピジェネティック、環境、血管、およびメタボリック因子の収束が、疾患に対する世界的な感受性を高め、その経過を形成する。

アルツハイマー病に収束する補因子の一つは、脳内金属の調節障害である。このレビューでは、銅と亜鉛という2つの内因性金属の不均衡によって引き起こされるアルツハイマー病関連の神経変性と認知機能の低下の役割に焦点を当てている。

ハイライト

  • アルツハイマー病は、世界で約5,000万人が罹患している広汎な神経変性疾患である。疾患管理のためのコストは、2018年には1兆米ドルに達すると予測され、2030年までに2倍になると予想されている。
  • 世界では、3秒に1人の割合で新たなアルツハイマー病症例が診断されている。アルツハイマー病のパンデミックは、新規の疾患メカニズムとターゲットの完全な調査を必要としている。
  • 現在のアルツハイマー病治療薬開発パイプラインは、アミロイドカスケード仮説を中心としたものである。このアプローチは報われておらず、今こそ病気の多因子性を認識し、介入のスペクトルを拡大する時である。より効果的なアプローチは、異なるサブタイプの患者の層別化の可能性や標的となる介入の可能性も考慮しなければならない。
  • 脳内金属イオンの制御異常は、アルツハイマー病患者のサブセットにおける併存因子として浮上してきている。銅(Cu)の調節障害は、アルツハイマー病患者のサブグループで発見され、疾患の経過を否定的に形作る。
  • 脳内亜鉛はアミロイド代謝に影響を与えることでアルツハイマー病の発症に関与しているが、金属はシナプス機能や神経栄養シグナルを積極的に調節し、銅のホメオスタシスを回復させるのにも役立つ。

変わりゆくアルツハイマー病の風景

アルツハイマー病は最も一般的な認知症の一つである。認知症のメカニズムに関する豊富な知識があるにもかかわらず、疾患を改善する薬剤はなく、治療は対症療法に限られている。これまでに試みられた治療法が全体的に失敗に終わったことは、アルツハイマー病のパラダイムの再評価が必要であることを示唆している。

アルツハイマー病の発症に関する主要な仮説は、「アミロイドカスケード」の構築物の中でフレーム化されている[1]。このモデルによると、病気は高リン酸化タウタンパク質(リン酸化タウ)とアミロイドβペプチド(用語集を参照)の有害な相互作用によって引き起こされる。このカスケードは多くの治療の試みの対象となっているが、このアミロイド中心のアプローチはこれまでのところほとんど失敗しており[2]、それによってアルツハイマー病におけるアミロイドの役割の重要な再考を促している[3,4]。最近の所見では、必要ではあるが、脳アミロイドーシスの徴候は散発性アルツハイマー病を促進するのに十分ではないことが示されている[5]。ポジトロン断層撮影(PET)とアミロイド感受性放射性物質(例:フロルベタピル、フロルベタベン、フルテメタモール、ピッツバーグ化合物B)を用いて評価されるアミロイドβ沈着は、アルツハイマー病症例の5%を占める常染色体優勢型アルツハイマー病の臨床経過を予測するのに有用なマーカーです。しかし、散発性アルツハイマー病では、認知能力のある高齢者の20-40%が異常なアミロイド沈着を示すため、アミロイドPETは決定的なものではありません[6]。さらに、多くの認知的に正常な対象者は、アルツハイマー病の病理学的基準を満たすアミロイド負荷の死後徴候を示すことが明らかになっており、臨床的にアルツハイマー病の可能性が高いと評価された患者の25-30%は脳アミロイドーシスを欠いている[5,8]。

これらのアミロイド関連の不確実性を考えると、アルツハイマー病に対するより合理的なアプローチは、この病気を多因子性障害として考えることである。アルツハイマー病は、アミロイド主導のモノリシックな実体ではなく、むしろ、アミロイドβとタウとともに、多くの多因子、エピジェネティック、環境、血管、および代謝因子の収束が、疾患への感受性を高め、その病原性の経過を形成する複雑なプロセスである[3]。その点では、アルツハイマー病脳は、アミロイドβとタウ関連の特徴に加えて、酸化ストレス、金属イオン不均衡、ミトコンドリア機能不全、神経炎症、代謝欠損、およびマクロおよびミクロ血管の変化の徴候を示すことが、現在では一般的に受け入れられている。

過去20年以上にわたり、試験管内試験および生体内試験の前臨床研究、メタアナリシス、大規模な疫学的集団研究、さらには「オミックス」エビデンスなどのエビデンスが増加しており、認知症の潜在的な修正可能な危険因子の一つは、加齢に関連した金属の恒常性の不均衡であることが示されている。銅(Cu)と亜鉛(Zn)は必須の生物学的金属であり、皮質組織ではマイクロモル濃度が高く、神経活動時には遊離イオン形態で放出される。説得力のある証拠は、アルツハイマー病の[9]の “金属仮説 “によって再定義された現象、アルツハイマー病の脳における銅と亜鉛の制御異常のための戦略的な役割を示している。仮説は、金属への毒性学的曝露を前提としていないが、むしろいくつかの細胞コンパートメントで機能の剥奪につながる内因性の調節機構の障害、および他の部分で毒性過剰。

生理学と疾患における銅の制御

銅は、多くの生物学的プロセスの触媒として機能する必須の遷移金属である(詳細なレビューは[10]を参照)。Cuの吸収、分布、および貯蔵のプロセスは、哺乳類で細かく制御されており(図1これらのプロセスの異常は、重要な有害な全身的な影響を持っている[11]。食事や後天的なCuの制御異常は、メンケス病(MD)やウィルソン病(ウィルソン病; Box 1)に見られるように、重度の神経学的症状をもたらする。MDは、銅輸送タンパク質ATP7Aをコードする遺伝子の変異が銅欠乏症につながり、中枢神経系(CNS)の異常を促進する稀な遺伝性疾患である。ウィルソン病は、組織や臓器、肝不全、神経変性[12,13]の金属の有毒蓄積につながるCu代謝のまれな先天的なエラーである。Cuプールの介入は、MDでの補充によって、またはウィルソン病のCu吸着を減らすことによって、これらの疾患の経過を変更する。

肝臓は、Cuの恒常性を制御する重要な器官として機能する(ボックス1)。Cu の正しい処理は、タンパク質の 2 つのクラスの活性によって制御される。(i) 銅を補酵素として使用するキュプロ酵素、および (ii) 金属を輸送する銅トラフィッキングタンパク質。しかし、Cuは機能的な二面性を示している。銅は、重要な触媒機能に使用されていない場合、Cu(II)/Cu(I)駆動のレドックスサイクルに参加し、周期的なハバーワイス反応とフェントン反応の活性化を通じてヒドロキシルラジカル(OH)を生成する[14]。nCp-Cuは、血漿中のCuの5〜10%を構成し、アルブミン、ペプチド、およびアミノ酸との動的平衡状態にある。nCp-Cuは、組織や臓器に浸透し、脳を含む、それが “無菌 “Cuプール[15]を構成している。

ATP7Bの活性(肝細胞では、ATPアーゼは、初期のセルロプラスミン[Cp]にCuのローディングを制御すること)は、Cuのボディレベルを維持するために重要である。アルツハイマー病では、ATP7Bの活性低下は、遺伝子の両方のコピーの変異は、ウィルソン病 [12,13]を生じさせるが、増加したnCp-Cuレベル([16]でレビューされ、図1)に関連付けられている。

Cuの神経生物学的活性は複雑である。Cuが過剰に負荷された細胞は、ミトコンドリア[17]で金属を蓄積し、ミトコンドリアのCuの変化は、神経変性プロセスとアポトーシスのシグナリング[18,19]に参加している

銅の上昇はまた、オートファジーに関与するオルガネラであるリソソームで観察されている、オートファジーおよび/またはリソソーム経路の障害は、アミロイドβとタウ付加体の有害な蓄積につながるため、アルツハイマー病のコンテキストで重要なメカニズム[20,21]

さらにCuはグリアのアポトーシスに関与しており、そのシナプス障害は、メモリと学習機能障害を促進する[19]。

金属は興奮性シナプス[22]の裂け目にCuを含む小胞から放出されるため、Cuは、シナプス機能に影響を与える。一度リリースされると、Cuは、N-メチル-ダスパラギン酸受容体(NMDAR)の高親和性ブロッカーとして、ポストシナプス的に作用し、NMDARの機能だけでなく、グルタミン酸を媒介する神経伝達の顕著な阻害を生成するグルタミン酸受容体(AMPAR)の活性を変調することによって、グルタミン酸を介した神経伝達の[22]を生成する。

銅とアミロイドの代謝異常

銅は、それが銅結合ドメイン[23](ボックス2)を介してアミロイド前駆体タンパク質(APP)と相互作用するアミロイドカスケードに有意に影響を与える。銅濃度の増加は、アミロイドβと神経原線維のもつれの中でコロケーションし、APPの発現を調節する[9,24,25]。アミロイドβペプチドとCuおよび他の金属との相互作用は、アミロイドβ神経毒性の発生に役立つ機能獲得活性を促進することが提案されている[26](Box 2)。

この文脈では、アミロイドβ媒介の「Cu毒性」は、還元酸化(レドックス)サイクルの調節に由来し、その活性は、H2O2の生産を介して、酸化ストレスを発生させ[27]、脂質過酸化と同様にプラーク内のアミロイドβオリゴマーおよびそれらの沈殿の形成につながる[27]。

前臨床ADモデルでは、少量のCuの飲料水を介した食事摂取は、nCp-Cuの血漿中濃度を2倍にし、アミロイドβの産生にも影響を与える[28]。Cuの恒常性の破壊はまた、アルツハイマー病の脳と糖尿病患者に見られる有毒分子であるアミロイドβ高度糖化最終生成物(AGEs)の形成に参加している[29]。糖類とのアミロイドβ糖化は、Cuと反応してフリーラジカルのスーパーオキシドアニオン(O2)を生成し、それはヒドロキシルラジカル(OH)に変換され、アルツハイマー病に関連する酸化ストレスに寄与している[30]。

より最近では、Cu関連の毒性の機能喪失モデルが提案されている(Box 2)。このモデルは、銅を処理するAPP-アミロイドβ複合体の欠陥能力に基づいており、それによって膜を越えて過剰な銅の押し出しにつながる[31]。

認知障害におけるCu

実質的な証拠は、血清、血漿、脳脊髄液(CSF)、およびAD患者の脳のCuレベルの変化は、認知障害の発生とAD関連スペクトルの異なる段階からの移行に関連付けられていることを示しています[32]。

最近のメタアナリシス[33-36]は、AD患者が金属の生理的なバランスと分布を維持することができず、血清[33-35]で増加したCuレベルを示していることを示している[36](表1)脳内の全体的なCuの枯渇と一緒に(表1)。これらの研究は、タンパク質に結合したCuの血清の減少[37]と一緒にnCp-Cuの選択的な形質的な増加[34]が発生するCuの制御異常の複合パターンの存在を明らかにした。これらの研究は、バルクのCu濃度よりもむしろnCp-Cu特異的なプールの重要性をピンポイントで指摘している。nCp-Cuの測定は、技術的な難問がないわけではない[38]。間接的なWalsheの指数の限界は、部分的にnCp-Cuレベルの直接測定を可能にする新しい方法によって解決されています([39]でレビューされています)。最近の研究では、AD患者とウィルソン病患者のサブセット間の共通性、すなわち両方のセットがnCp-Cu(ボックス1)の血中濃度の上昇を示したことが実証された[40]。

緩く結合したCuの増加したレベルは、AD大脳皮質の可溶性画分で発見されている[41]。さらに、AD脳では、nCp-Cuプールの漸進的な増加は、血液中の交換可能なnCp-Cuの拡張プールの平行した存在と一致しています[34,42]。AD患者では、いくつかの臨床研究で、nCp-Cuレベルの増加が脳波(EEG)記録された電気的脳活動の変化の出現、脳萎縮の徴候、Abおよびタウタンパク質の病理学的CSFレベル、およびより重篤な臨床経過と相関していることが実証されている([43]でレビューされている)。銅代謝の変化とADとの関連は、ATP7B遺伝子の特定の変異の頻度の増加がADのリスクの増加と関連していることを示す遺伝的データによってさらに支持されている(オッズ比1.63から5.16)[16]。したがって、ATP7B膜貫通ドメインとAドメインをコードする領域の遺伝子バリアントがADのリスク因子として作用することが提案されている[16]。

nCp-Cuの増加レベルは軽度認知障害(MCI)患者でも認められている [44,45]。nCp-Cuの高レベルは、認知愁訴のごく初期段階で観察され、アルツハイマー病への転換率が高いことを説明する。6年間の調査期間において、高レベルのnCp-Cuを示すMCI患者の50%がアルツハイマー病に転化することが判明した [32]。これらの結果は、総Cuレベルの増加と非ヘム鉄(Fe)の減少がCu:非ヘム鉄比を提供することを示した以前の5年間のフォローアップコホート研究と一致している MCI患者は、アルツハイマー病を発症する[44] MCIを持つ患者を特定するために使用することができる。

nCp-Cuの血清レベルの上昇は、アルツハイマー病への感受性を約3倍に増加させる [43]。さらに、MCI患者でnCp-Cu値が上昇している患者は、MCI患者でnCp-Cu値が正常な場合に比べてアルツハイマー病への転化の危険率が3倍高くなることが示されている[32]。認知の変調におけるCuの役割のための更なるサポートは、Cuバランスの変化が認知機能低下のリスクの増加と関連していることを示す大規模な集団研究から得られている[46,47]。

注目すべきことに、Cpはまた、神経変性のもう一つの重要な変調因子である鉄の代謝にも不可欠である[48]。Feの相同性の異常は、Cuの位置ずれと同様にアミロイドβの代謝異常の重要なモジュレーターであり、Cuによって誘発されるものと重複する細胞毒性効果を促進するため、2つの金属の間の交点は関連している[48]。しかし、Feの制御異常はまた、神経変性過程やアルツハイマー病において重要かつ新たな役割を持つメカニズムであるフェロプトーシスというユニークな現象を誘発する[48-50]。

ボックス1.  銅関連毒性のモデルとしてのウィルソン病

肝臓は、銅の恒常性を制御するための主要な器官である。銅は反応性の高い金属であり、銅輸送タンパク質(シャペロンとしても知られている)によって安全に標的部位に運ばれる。ウィルソン病は、Cuの毒性と蓄積の典型的な疾患である。この疾患は、肝臓や脳細胞のゴルジ体にあるATP7B遺伝子(銅の恒常性を制御する銅輸送ATPアーゼをコードする)の両方のコピーの遺伝的欠陥によって特徴付けられる[12,13]。ATP7Bの機能不全は、セルロプラスミンに結合していない形質的なCuプール(nCp-Cu、「遊離銅」としても知られている)の拡大をもたらする。nCp-Cuは、肝臓、脳、角膜(特徴的なカイザー-フライシャー環をもたらすおよびウィルソン病患者の他の臓器に蓄積し、それによって酸化ストレスと組織障害を引き起こす。ウィルソン病患者の3分の1は肝不全の徴候を示し、3分の1は神経学的症状を示し、最後の3分の1は行動異常を示する[112]。Cu-アルツハイマー病またはウィルソン病の患者は、これらの疾患の臨床的特徴のいくつかの共通性を示すだけでなく、脳と血清中のCuの誤配置、それによって2つの神経疾患の間で共有されている神経変性メカニズムを示唆している。

Cu-アルツハイマー病との関連は、カイザー-フライシャー環(ウィルソン病の典型的な徴候)を呈していたにもかかわらず、ウィルソン病の診断基準を満たさなかったが、認知機能障害と神経画像特徴(アミロイドβ陽性PETスキャン、18F-フルオロデオキシグルコース[FDG]-PET低代謝、脳萎縮)を示し、アルツハイマー病の可能性が高いと考えられる患者の症例報告によって、さらに実証的に証明されている[113]。

ウィルソン病とアルツハイマー病患者のサブセットで起こるCu同値化の変化の正確なメカニズムは、まだ完全には知られていない。銅の輸送は、神経血管ユニット(NU; 本文の青枠図1)が提供する重要な環境において特に重要である。CTR1,ATP7AmおよびATP7Bは、積極的にNUで発生する生理的なCu輸送に参加している(本文中の図1の緑丸)。ATP7B 多型は、K832R 変異など、負のこれらのメカニズムに影響を与える、それによってタンパク質に緩く結合されているCuプールを増加させ、最終的に脳のCuバランスに影響を与える、NUで発生しているシト毒性メカニズムのために利用できるようになる。変異型ATP7Bはまた、内皮細胞からのCuの輸出に影響を与え、それによってCuの調節障害に寄与している(本文の図1の赤丸)。

アルツハイマー病患者のサブタイプのバイオマーカーとしてのCu制御異常

前述の証拠は、患者のサブセットでは、Cu異常が疾患のバイオマーカーとして機能し、その進行に役割を持っていることを示唆している[51]。近年、アルツハイマー病に関連するnCp-Cuの毒性成分を直接検出する方法が開発されており、Cuの調節異常がMCIまたはアルツハイマー病患者の50-60%に影響を及ぼすことが最近実証された[45,52]。このプロセスは、選択的ATP7B遺伝子バリアントのキャリアであるアルツハイマー病のサブ集団に特異的であるように思われる[53]。このCu関連アルツハイマー病サブタイプのさらなる特徴付けは、このサブセットは、明確な脳波由来の脳活動の変化と神経画像特徴[51,54]を示したことを明らかにした。ウィルソン病との類推では、nCp-Cuのレベルの増加を示す患者の選択されたサブセットのアルツハイマー病脳では、Cuのミスロケーションは、神経毒性のアクティブなメカニズムを促進することが考えられる。それはまた、nCp-Cuの変化を除いたアルツハイマー病患者の大規模なグループでは、Cuの制御異常の付随的な兆候は、二次的に疾患の主要な分子決定要因(アミロイドβとタウ)によって駆動され、マイナーな、付属の、病原性の役割を持っている可能性がある。

ボックス2. Cu, Zn, 本質的に乱れたタンパク質

「アミロイドカスケード仮説」は、脳内のアミロイドβペプチドの異常蓄積がアルツハイマー病発症の最初のステップであるという仮説である[1]。アミロイドβは、アミロイド前駆体タンパク質(APPシナプス膜タンパク質のタンパク質分解開裂から得られる37-43-アミノ酸ペプチドであり、その生理学的役割はまだ捉えどころのないままである。アミロイド前駆体タンパク質(APP)は、β-およびγセクレターゼによって順次処理され、中枢神経系の細胞外空間でアミロイドβペプチドが形成・放出される。アミロイドβは、本質的に無秩序なタンパク質(IDP)の幅広いファミリーに属し、Cuや他の金属を結合する未定義の3次元構造を持つタンパク質のクラスである。アミロイドβ40およびアミロイドβ42は、小さなa-らせん構造およびb-シート構造を持つ柔軟性のあるペプチドであり、アミロイドβの2つの最も豊富な形態である。これらのタンパク質はCuとZnを結合する[25,70]。アルツハイマー病脳の老人斑は、2つの金属がアミロイドβの代謝異常と神経毒性に関与していることを示唆し、ZnとCuで非常に濃縮されている[69]。対照的に、2つの金属のプラーク内での隔離は、それらのバイオアベイラビリティを低下させ、それらの生理学的活動を妨げる可能性がある。

2つの代替モデルは、Cuがアミロイドβ神経毒性にどのように影響を与えるかを説明している。

機能獲得モデルでは、Cuは、アミロイドβが駆動する活性酸素の生産のための重要なトリガーとして機能する。その能力では、金属は、その酸化還元特性を介して、H2O2のアミロイドβ媒介の生成に参加することができる。

機能喪失モデルは、アミロイドβペプチドが脳内での金属の有毒な利用可能性に対する保護緩衝材として機能することを提案している[31]。

このモデルによると、アミロイドβは膜を介して過剰なCuを輸出する生理的キレート剤として働き、それによってCu過負荷からニューロンを保護する。欠損したCuキレートはまた、可溶性で金属結合性のある機能的なアミロイドβモノマーの損失につながる可能性があり、その結果、毒性のあるオリゴマーに凝集してフィブリルになる。

銅とのいくつかの類推では、Znはまた、アミロイドβの代謝異常に参加している。シナプス裂け目でのアミロイドβへのZnの結合は、グルタミン酸受容体とGABA受容体上でZnによって発揮される興奮と抑制の強直および段階的な生理的調節を防ぐ(ボックス3も参照)[58]。いくつかの証拠は、アミロイドβがシナプス活動時に放出されるキレート性Znを隔離することを示している。さらに、アミロイドβはZnと競合し、シナプス金属酵素(すなわち、MMP)の触媒部位からカチオンを剥離し、それによってクレフトでの酵素活性を損なうことができる。Zn は酸化還元金属ではないが、金属は有害な活性酸素種 (ROS) の興奮毒性主導の生成の中心的なプレーヤーであるため、陽イオンは間接的に アルツハイマー病 で発見された酸化ストレスを促進することができる。グルタミン酸およびアミロイドβ駆動型だけでなく、Zn依存性の活性酸素産生は、細胞内プール(すなわち、MT)からのさらなるZnの動員を誘発し、壊死、アポトーシス、およびオートファジーの混合物を含むフィードフォワードカスケードを活性化する[58]。

生理・疾患におけるZnの制御

Znは、中枢神経系の構造的または不安定な形態で発見されている。銅との密接な類似性では、構造的なZnは、タンパク質やペプチドにしっかりと結合しており、適切なタンパク質の折りたたみのための重要なコンポーネントとして、または多くの酵素[55]の活性に必要な触媒/共触媒要素として機能する。遊離した「フリー」Znは、ミトコンドリア、リソソーム、小胞体(ERゴルジ装置などの細胞内小器官の内腔に貯蔵されているか、メタロチオネイン(MT活性酸素種(ROS)とpH感受性の金属結合タンパク質のクラスに結合している[56]。生理的条件下では、細胞質のZn濃度はピコモルから低ナノモルの範囲[57]に保たれており、この遊離Znの動員は、細胞内シグナル伝達のためのセカンドメッセンジャーとして機能する。しかし、Znレベル(ナノモル範囲内)のサージは、神経毒性を促進する[58]。Znレベルのタイトな制御は、一連のZnトランスポーター(ZnTs「Zrt-、Irt関連」タンパク質(ZIP)の協調した活性によって達成されるだけでなく、細胞内および細胞外のZn貯蔵庫と結合タンパク質からの移動によっても達成される[59]。一過性のグローバル虚血、てんかん状態、脳外傷、興奮毒性などの病理学的状況は、その経シナプス流入を介して神経細胞内の金属濃度を蓄積する。脳内亜鉛の追加蓄積は、MT、ミトコンドリア、リソソーム、およびERなどの細胞内プールからの活性酸素およびpH駆動の動員時に発生する[58]。これらの脳内のZnの上昇は、運動壊死、オートファジー、およびアポトーシス[58]を設定するために重要である。

神経細胞死の引き金と形成の経路におけるZn、およびミトコンドリア機能不全の役割は、広範囲に調査されている[58,60,61]。Znは、急峻な電気化学的勾配(Dp)でミトコンドリアに入り、小器官内に蓄積し、その機能を強力に破壊し、最終的には不可逆的な小器官の損傷につながる[58,61,62]。Znは、細胞死の重要かつ保存されたエフェクターであるミトコンドリア透過性遷移孔(MPTP)の活性化を介して、ミトコンドリア膜の膜安定化を誘発する。MPTPの開口は、チトクロムc、アポトーシス誘導因子(AIFDN-Bcl-XLなどのプロアポトーシス因子の放出および/または産生を促進する[62,63]。ミトコンドリア機能とエネルギー産生に対するこれらの Zn 依存の悪影響は、アルツハイマー病 脳 [64] で発見された欠乏したエネルギーバランスに貢献する可能性がある。

Znはまた、アポトーシスシグナル伝達カスケードの活性化、プラズマ膜チャネルの変調、および代謝基質[58]の枯渇を含む細胞の終焉を促進するために多くの細胞質経路をターゲットにすることができる。Cuとは異なり、Znは酸化還元金属ではないが、それにもかかわらず、間接的に12-リポキシゲナーゼ、NADPHオキシダーゼ、一酸化窒素合成酵素(nNOS)の神経細胞のアイソフォームなどの活性化酵素、活性酸素と反応性窒素種(RNS)を生成する酵素を介して酸化ストレスを促進することができる[58]。これらの経路は、O2とNOが神経毒性のあるONOO(ペルオキシナイトライト)の形成につながる致命的な収束を促進する。注意してほしい、Zn駆動のROSとRNSの生成は、それによって自己永続的なフィードフォワードループ[58,65]でZnの異常恒常性を悪化させ、細胞内の酸化還元に敏感な貯蔵庫、おそらくMTからのさらなるZnの放出を促進する。

Zn、アミロイドカスケード、およびその先

Znレベルの変化は、アルツハイマー病で発生し、病気の進行に重要なアミロイド依存性と非依存性メカニズムに影響を与える[26](ボックス2と3)。死後の アルツハイマー病 脳の研究は、Zn の恒常性に関与するタンパク質とトランスポーターのレベルの変化を示している [66]。これらのプロセスは、疾患の進行と認知障害の重症度と相関している[67]。アルツハイマー病患者の血清Znのレベルを評価する臨床研究は、結果の不均一なセットをもたらした[33,68]。メタアナリシスは、Znが疾患で減少するという考えを支持している(表1)。しかし、脳脊髄液 アッセイまたは死後脳組織分析は、アルツハイマー病 [36] で見つかった Zn の量に決定的な答えを提供することができなかった。Znとアミロイドβの代謝異常の間の関連性は、「アルツハイマー病のためのZn仮説」が策定された1990年代初頭にさかのぼる。

生体外での観察では、Znが老人斑[69]内で非常に濃縮されていることが確認されている。最近の証拠は、Znとアミロイドβの間の複雑な相互作用を示している。遺伝学的および薬理学的操作は、アミロイドβペプチドがZnを隔離し、NMDARの強直相性調節またはマトリックスメタロプロテアーゼ(MMPs)の補因子としての活性を含む金属の生理活性からシナプスを枯渇させることを示している[9,58,70](図2,ボックス2と3)。シナプスZnの欠乏がアルツハイマー病関連の機能不全に寄与するという考えは、老化ZnT3ノックアウト(KO)マウス[71]、シナプス前小胞性Znを欠いているトランスジェニックモデルで観察されるアルツハイマー病様の表現型によって裏付けられている。最近の前臨床所見では、Znはまた、Znが直接タンパク質に結合し、その凝集を促進するリン酸化に依存しない経路[72]および/またはタンパク質-リン酸化酵素2A(PP2A)[73]を阻害し、タウリン酸化キナーゼ(すなわち、GSK-3b、ERK1)を活性化することによって異常なタウリン酸化を引き起こす経路によってタウの病理を調節する可能性があるという証拠を提供した。GSK-3b、ERK1/2,およびcJunK)[74,75]。これらのメカニズムは最終的に、アルツハイマー病におけるタウ病理を悪化させる可能性のあるリン酸化タウ付加体の純増加につながる。

ボックス3 シナプス可塑性における銅と亜鉛

シナプス可塑性は、学習と記憶の分子的相関関係である。このプロセスは、正と負の調節因子(すなわち、イオントトロピックおよびメタボトロピック受容体、セカンドメッセンジャー、プロテインキナーゼ、ホスファターゼなど)の茄多の協調した活動によって細かく制御されている。ZnとCuは、シナプス可塑性[22,58]の形成に参加している。Znは、いくつかの、すべてではないが、グルタミン酸シナプスの末端にある小胞内に格納されている。陽イオンは、記憶関連プロセスのための重要な回路である海馬モッシーファイバー(MF)-CA3シナプス接触のような戦略的な場所に特に豊富である。この陽イオンは、シャッファー側副膜(SC)-CA1シナプス接触部でも放出される。一度裂け目では、シナプス後に放出されたZnは、シナプス後の端末に到達し、受容体の配列と相互作用し、調節する。Znは、NMDARとGABAAR、および、より少ない程度ではあるがAMPARに悪影響を及ぼす [58]。陽イオンはまた、シナプス可塑性に関与する細胞内シグナル伝達カスケードを促進するメタボトロピックなG共役型Zn2+感知受容体(ZnR)を活性化する[96]。最近では、Znは神経栄養シグナル伝達[84,85,88,94]の形成に重要な貢献者として浮上している。カチオンは、BDNFのMMP依存性成熟に必要です(本文の図2を参照)。さらに、MMP 補因子として作用する Zn は、樹状突起の拡大と構造可塑性に重要なステップである細胞外マトリックスの分解を介して、樹状突起の棘とシナプスのリモデリングに影響を与える。シナプスにおけるCuの活性はZnと重複している[22,58]。実際、Cuは活動電位とカルシウム(Ca)に依存した方法でシナプス前小胞から放出される。裂け目に入ると、陽イオンはNMDAR、AMPAR、GABAAR、および電圧ゲーテッドCaチャネル(VGCCs)に悪影響を及ぼす。シナプスのCu効果は、可塑性と長期増強(LTP)を否定的に変調する。興味深いことに、Cuは、不明なメカニズムを介してMMP-9活性との干渉を介して、BDNF/TrkB神経栄養軸のモジュレーターとして試験管内試験でも記述されている。

血管障害、銅、亜鉛、および興奮毒性

アミロイドβを標的とすることを目的としたほとんどのアルツハイマー病臨床試験の失敗と「アミロイド仮説」の独断的な解釈に対する懐疑主義の高まりは、病気のメカニズムのより複雑で相乗的な見方を促している[3]。例えば、脳血管病理は遅発型アルツハイマー病のほとんどの患者に存在する[76]。血管関連白質病変、神経血管ユニットの変化、および皮質微小梗塞は、特に高齢の患者では、一般的な併存疾患の特徴である[77]。CuおよびZnはこれらのプロセスを調節することができる。

Cuに関しては、一連の縦断的コホート研究により、血管疾患や死亡率のリスクとCuおよびCpのレベルの変化との関連が示されている[78]。また、Cuに関連した血管疾患の可能性の増加を明らかにした研究もある[79,80]。

対照的に、Znは、血管依存性の機能不全とアミロイドβとタウの病理学[81]の間の収束の重要なポイントを表している興奮毒性(NMDARブロッカーmemantineを持つアルツハイマー病患者で治療的に対処する有害なメカニズム)に不可欠なプレーヤーである。歴史的に、興奮毒性はグルタミン酸受容体、特にNMDARの過剰活性化によって駆動されるプロセスとして説明されてきたが、これは細胞質カルシウム(Ca)の異常な上昇とCa依存性のROS/RNSの生成、ミトコンドリアの機能不全、およびカリウムチャネルの活性化を誘発する有害なイベントのカスケードであり、最終的には壊死、プロアポトーシス、およびオートファジーに関連した経路の活性化につながる[82]。証拠のかなりのボディは、現在、脳のZnの制御異常がプロセスに不可欠な貢献であるという考えをサポートしている。過去30年以上にわたって蓄積された証拠は、脳のZnの恒常性の変化が共犯者だけでなく、グルタミン酸駆動の殺人事件[60,83]の共同指導的な俳優であることを実証している。

脳内Znの陰と陽 神経栄養シグナルの変調

Cuと同様に、Znは二重の活性を持っている。前述のように、Znはアミロイド代謝の強力なモジュレーターであるだけでなく、神経伝達、神経栄養、シナプス可塑性(ボックス3)のレギュレータでもある。金属による脳機能の複雑な調節という概念を支持するために、Znの補給は、神経栄養シグナル伝達に積極的に影響を与え、特に、脳由来の神経栄養因子(BDNF)-TrkB軸[58,84,85]の活性化に影響を与えることがわかっている(図2,ボックス3)。ニューロトロフィンは、神経細胞の生存、成長、および可塑性に関与するタンパク質の一群である。欠損した神経栄養シグナル伝達は、アルツハイマー病 [86]を含むいくつかの神経変性疾患と関連している。Znの補給は、その成熟した機能的な形態に不活性proBNDFのZn依存性とMMP媒介の成熟を促進することによって、マウスADモデルにおけるBDNFレベルの低下を打ち消した[85]。さらに、前臨床のマウスモデルでは、脳のZn欠乏またはキレーションは、発生時に発生した場合、シナプス可塑性関連タンパク質のレベルの低下と認知障害の存在にリンクされている[71,87,88]。成熟したBDNFとは対照的に、プロBDNFは、シナプス伝達の障害を促進し、神経細胞死に関連するプロセスに参加している。プロBDNFの放出は、BDNFの成熟にアミロイドβオリゴマーの阻害効果[90]と一緒に、ADモデルやアルツハイマー病患者で観察された神経細胞の興奮性の変化のための新しいメカニズムを提供することを発見し、GABA作動性伝達を阻害する[89]。このように、Zn依存的なBDNFの成熟不全は、脳機能に重大な影響を及ぼす可能性がある。その文脈では、MMPs、BDNF、およびTrkBシグナル伝達のZnを介した変調は、神経変性のプロセスと症状のコースに決定的に影響を与える可能性がある。さらに、MMP活性の遺伝的または薬理学的な増強、特にMMP-9は、アミロイドβオリゴマーを減少させることにより、ADモデルにおける認知機能の低下を減少させる[85,92]。したがって、MMP活性のZn媒介的な増加は、二重の有益な効果を有する可能性がある。このプロセスは、BDNFの成熟を促進するだけでなく、小さなアミロイドβ付加体のクリアランスにも参加し、それによって非毒性のアミロイドβ副産物の生産を促進する[93]。Zn-MMP-BDNF軸の操作はまた、シナプス可塑性に影響を与え、神経精神症状の出現に寄与する可能性がある[88,94]。Znの欠乏はproBDNFのレベルを変更し、可塑性に影響を与える可能性があり、Znの補充は、主にBDNFのシグナリングの増強を通じて得られる抗抑圧効果を持っている間に、抑うつ症状の発症と相関することが判明している[95]。また、さらなる研究の価値があるのは、そのメタボトロピック受容体mZnR/GPR39の活性化を介した神経伝達物質としてのZnの役割である。受容体は、抑制性のトーンを高めるか、または神経伝達物質の放出を減少させることで、ニューロン活動のネガティブなモジュレーターとして作用する。

銅および亜鉛の調節障害を標的とする

金属調節障害の問題は、治療の試みの対象となってきた。金属タンパク質減衰化合物(MPAC)の使用は、同時に有益であったり有害であったりする複雑な作用の配列を提供し、議論の対象となっている[97]。Cuおよび/またはZnの広範なキレート化は、アミロイドプラークの有益な可溶化を積極的に調節するだけでなく[9]、シナプス裂け目での2つの陽イオンの有害な隔離を促進し、それによって神経伝達および神経栄養軸に悪影響を与える[88]。

 

2つのMPACであるクリオキノール(クロロキン)PBT2は、前臨床ADモデルとアルツハイマー病患者においてZnとCuのホメオスタシスを回復させる目的で使用されてきた。前臨床ADモデルでは、2つのMPACは、動物の認知障害を減少させるだけでなく、アミロイドβとタウの病理学を減少させるのに有効であることが判明している[98,99]。

クロロキンとPBT2もまた、2つの臨床試験で使用されており、アルツハイマー病関連の分子バイオマーカーと認知に有益な効果を示すことが報告されている[100,101]。PBT2をベースとした第II相試験であるIMAGINE試験は、進行性または軽度のアルツハイマー病患者の小さなコホートで実施され、最初は治療群の海馬萎縮のわずかな減少しかもたらさなかったと考えられていた[49]。結果をさらに修正すると、主要な有益な認知効果の欠如は、研究参加者の最適な無作為化、アミロイド負荷の観点からの彼らの多様な見通し、および研究コホートの規模の小ささに起因している可能性が高いことが明らかになった。これらの知見は、このクラスのMPACの治療効果を明らかにするためには、より厳格で個別化された患者の募集基準が必要であることを強調している。

例えば、最近開発されたMPAC由来のラジオリガンドの使用は、これら2つの金属の地域的な調節という重要な問題を解明し、被験者のより選択的なリクルートに役立つ可能性を開く[102]。この点では、これまでのところ、MPAC試験は、銅の調節障害の明確な徴候を持つ患者を含めるように設計されていないため、この治療法から最も恩恵を受けられる可能性のある患者のサブセットを重大に無視している。したがって、nCp-Cu調節障害の兆候を示すアルツハイマー病および/またはMCI患者のサブセットを選択的に標的とすることにより、より有望なアプローチが提供される。

前臨床および臨床的証拠は、Znの補充は、脳Cuバランスを復元するための介入の実行可能かつ費用対効果の高いラインであることができることを示している(表2)。Znの補給は、ウィルソン病を持つ患者の治療の主力は、腸内の増加した粘膜ブロックを介してCuの吸収に影響を与えることにより、nCp-Cuのレベルを減少させる。小規模サイズの アルツハイマー病 コホートでは、150 mg/日で Zn の使用は、負の体の Cu バランスを誘導することが発見された、それによっておそらく Cu のコンパートメント化と血液から臓器や組織、脳を含む [103] を元に戻する。Znはまた、正に神経栄養シグナル伝達とシナプス可塑性に影響を与える可能性がある(ボックス3)。今日までに、わずか数件の小規模な臨床研究では、アルツハイマー病におけるZn補給の効果を評価している(表2)。したがって、大規模な試験が緊急に必要とされている。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22438177/

最後に、備考と将来の展望

アルツハイマー病の風景の変化は、新たな機会を開く。この病気の多因子性の性質に沿って、成長している強固な証拠は、アルツハイマー病に関連する金属の調節障害のさらなる探求が貴重な治療法を提供することを示している。MPACsやバイオメタルを標的とした他の介入のラインの使用は、本質的な課題に直面している(また、顕著な質問を参照してほしい)。狭い動的な濃度範囲内でのみ作用し、好ましい領域および/または小領域の局在において作用の選択性を示す化合物、または選択された細胞集団を標的とする化合物を設計するためには、さらなる工夫が必要となるであろう。神経中心のバイアスは、これまでのところ、アストロサイト、ミクログリア、およびペリサイトなどの神経血管ユニットおよび炎症の制御に関与する重要な細胞における金属バランスの研究を無視してきた。また、介入のタイミングも重要であるように思われる。これらの新しい治療アプローチの可能性は、強く概念的な飛躍に依存しており、1つだけのアルツハイマー病とそれを治療するための “銀の弾丸 “があるという還元主義的な仮定から離れて移動する意思がある。いくつかの健康関連ネットワークの共同機能不全の結果としてアルツハイマー病を含む疾患状態のより多くの最新の解釈に沿って、金属の調節異常をターゲットにすることは、すべてのための治療ではなく、むしろ金属の不均衡になりやすいアルツハイマー病患者の選択されたサブタイプのためのオプションであるかもしれない。

用語集

  • アミロイドβ(アミロイドβ):アミロイド前駆体タンパク質(APP)のタンパク質分解・アミロイド切断に由来するタンパク質断片。このペプチドは老人性プラークの主要な構成要素である。
  • セルロプラスミン:フェロキシダーゼ活性を持つ151kDaのタンパク質で、血流中の銅輸送に関与している。
  • 興奮毒性:興奮性神経伝達物質グルタミン酸の過剰な刺激によって活性化される神経細胞死のメカニズム。
  • マトリックスメタロプロテアーゼ(MMPs樹状突起棘のリモデリングやBDNFなどの神経栄養分子の成熟など、さまざまな生物学的機能に関与するZn含有エンドペプチダーゼの一群。
  • メマンチン:米国食品医薬品局(FDA)が承認したアルツハイマー病治療薬。この薬は、イオントロピー性グルタミン酸受容体NMDAの低親和性ブロッカーとして作用する。
  • メンケス病(MD):CuトランスポーターATP7Aをコードする遺伝子の変異によって引き起こされる遺伝性疾患で、Cu欠乏症につながる。
  • メタロチオネイン(MT):システイン残基に富み、内因性および外因性の金属を結合する低分子量タンパク質のクラス。
  • 金属タンパク質減衰化合物(MPACアミロイドβといくつかの金属イオン(特にZnとCu)との間の有害な相互作用を破壊し、シナプス裂け目でこれらの金属によって発揮される相同性の強壮活性を回復させるために使用される薬物の一群。
  • 壊死、アポトーシス、オートファジー:異なる内因性および/または外因性の刺激によって引き起こされ、特定のユニークな分子経路によって実行される細胞死の形態。
  • オミックス(Omics):健康状態や疾患に関連した状態における単一分子群(遺伝子、タンパク質、代謝物、イオンなど)の機能と相互作用を特徴づける学問分野(ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、イオノミクスなど)。
  • 活性酸素および窒素種(ROSおよびRNS):酸素または窒素を含む不安定で非常に反応性の高い化学種。活性酸素およびRNSは、シグナル伝達分子として重要な役割を果たすだけでなく、制御がうまくいかない場合には細胞毒性を持つ。
  • タウタンパク質:微小管の安定化に生理的に関与するタンパク質群。高リン酸化を受けると、タウタンパク質は神経原線維のもつれに凝集し、神経変性を促進する。
  • Znトランスポーター(ZnTs):細胞質から細胞内小器官の内腔へのZnの輸送を促進したり、細胞外へのZnの放出を可能にするタンパク質群。
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