5-ALA对线粒体的影响及其在神经退行性疾病中的应用前景

Mitochondrial Modulation by 5-Aminolevulinic Acid and Its Therapeutic Prospects in Neurodegenerative Disorders

摘要: 5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid, 5-ALA)作为一种天然氨基酸衍生物，同时也是血红素合成的前体物质，已广泛应用于临床，尤其在光动力治疗(PDT)中显示出良好的前景。近年来，越来越多的研究表明，5-ALA不仅能促进线粒体功能的改善，还能通过调节细胞代谢、增强抗氧化能力、促进细胞自噬等机制，发挥其在神经退行性疾病中的潜在治疗效果。本文旨在综述5-ALA对线粒体功能的影响，总结其在临床的主要应用，探讨其在神经退行性疾病中的应用前景，并为相关疾病的治疗提供新的思路。

Abstract: 5-Aminolevulinic acid (5-ALA), a natural amino acid derivative and a precursor in heme biosynthesis, has been widely used in clinical practice, particularly showing promising results in photodynamic therapy (PDT). In recent years, increasing evidence suggests that 5-ALA not only promotes the improvement of mitochondrial function but also exerts potential therapeutic effects in neurodegenerative diseases through mechanisms such as regulating cellular metabolism, enhancing antioxidant capacity, and promoting autophagy. This article aims to review the impact of 5-ALA on mitochondrial function, summarize its main clinical applications, explore its potential in treating neurodegenerative diseases, and provide new insights for the treatment of related diseases.

1. 前言

5-氨基乙酰酸是一种天然存在的氨基酸前体，是血红素合成途径中的关键前体物质，目前在临床最主要用于体外和体内的光动力疗法[1]。血红素不仅是血红蛋白的核心组分，也是线粒体功能的关键调节因子，参与氧气运输及细胞呼吸链的电子转移，维持线粒体的能量生产[2]。近年来的研究表明，5-ALA在调节线粒体功能、氧化应激和维持细胞能量代谢及免疫反应中发挥重要作用，为神经退行性疾病的治疗提供了新的思路[3]-[6]。

神经退行性疾病是一类以神经细胞逐渐丧失功能和死亡为特征的慢性疾病，常见的有帕金森病、阿尔茨海默病等，许多证据提示线粒体在与衰老相关的神经退行性疾病中发挥核心作用。线粒体是细胞死亡的关键调节因子，而细胞死亡是神经变性的关键特征[7]。近年来，5-ALA作为一种线粒体靶向分子引起了广泛关注，它在神经退行性疾病中的潜在作用，为治疗这些复杂疾病治疗提供了新的角度。

本文通过探讨5-ALA在血红素合成、线粒体能量代谢和细胞保护等方面的关键作用，为理解其在神经退行性疾病治疗中的作用机制提供了新的视角。此外，本文还评估了5-ALA在改善线粒体功能、减缓神经细胞退化及可能的临床应用中的前景，为相关疾病的治疗和干预提供了新的研究方向和思路。

2. 5-ALA的生物学特性和功能

5-氨基乙酰丙酸是一种非蛋白类氨基酸，广泛存在于动物、植物和微生物细胞中，是生物体内合成卟啉、叶绿素和维生素B12等吡咯类化合物的前体物质。5-ALA由一个氨基和一个酮基组成，这种独特的结构使其能够参与多种生物化学反应[8]。在生物体内，5-ALA主要通过两种途径合成：线粒体中的琥珀酰辅酶A和甘氨酸在ALA合酶(ALAS1)的作用下生成5-ALA，以及叶绿体中的谷氨酸在谷氨酰-tRNA还原酶和谷氨酸-1-半醛氨基转移酶的作用下生成5-ALA。合成后的5-ALA随后进入细胞质，参与血红素的生物合成途径[8]。

5-ALA通过一系列酶促反应生成血红素，首先，5-ALA随后胞质，在ALA脱水酶(ALAD)的作用下，两个ALA分子缩合生成胆色素原(PBG)。接着，PBG在卟啉原脱氨酶(PBGD)的催化下转化为羟甲基胆素(HMB)，并进一步在尿卟啉原III合成酶(UROS)的作用下形成尿卟啉原Ⅲ (Uro III)。Uro III经过尿卟啉原Ⅲ脱羧酶(UROD)催化生成粪卟啉原Ⅲ (Copro III)，随后在粪卟啉原氧化脱羧酶(CPOX)的催化下，Copro III转化为原卟啉Ⅸ (Proto IX)。最后，原卟啉Ⅸ与铁结合形成血红素，反应由亚铁螯合酶(FECH)催化[9]。

血红素是构成线粒体电子传递链复合物的多种蛋白质的辅基，在线粒体氧化磷酸化过程起着关键作用[8]。5-ALA联合柠檬酸亚铁钠(SFC)可增加血红素的产生，导致呼吸复合体和血红素加氧酶-1 (HO-1)上调，同时也增加了mtDNA的相对拷贝数[10]。

血红素合成受阻将导致线粒体氧化磷酸化和复合体IV功能障碍阻断血管生成[11]。同时血红素还与运动神经元存活蛋白、突触囊泡蛋白、神经细胞粘附分子等基因表达相关，表明血红素对于神经元细胞信号传导和神经元细胞的正常功能至关重要[12]。

在铁代谢过程中，5-ALA还能间接调节细胞铁的摄取和稳态。血红素合成的需求会影响转铁蛋白受体(TFR1)的表达，进而影响铁的摄取和分布[13]。在铁缺乏性贫血中，铁的短缺导致血红素合成减少，而在铁过载疾病中，过量Fe²⁺可能造成氧化损伤[14]。此外，在某些肿瘤如胶质瘤中，异常的PpIX积累能反映铁代谢紊乱，因此5-ALA也被用于光动力诊断和光动力治疗，帮助识别和治疗病变组织[15]。

5-ALA的化学结构与神经递质如GABA和谷氨酸相似。研究表明5-ALA作为突触前GABAA自受体的激动剂，能够取代GABA并干扰预负荷神经末梢去极化诱导的GABA释放[16]。体外培养的神经元和胶质细胞研究表明，5-ALA使Na⁺-K⁺-ATP酶和Mg²⁺-ATP酶活性显著降低[10]。研究显示在特发性基底神经节钙化中，应用低III型钠依赖性Pi转运蛋白PiT-1负荷的5-ALA可通过p38 MAPK诱导HO-1显著减弱低Pi诱导的细胞死亡和线粒体功能障碍[17]。神经递质作为神经元之间信息传递的化学信使，同时突触前在神经元发育过程中起着重要作用，包括树突和轴突的生长以及新突触联系的形成，以及轴突的高水平神经递质释放，研究发现自发的递质释放在神经元形态以及调节大脑中新形成的突触连接的特性方面起着重要作用[18]。

3. 5-ALA对线粒体的影响机制

线粒体是能量生产中心，提供细胞活动所需的ATP，是多细胞真核生物代谢稳态的基础[19]。线粒体对于神经元维持其正常生理功能发挥着许多关键的作用，包括ATP的产生、钙离子的调节、脂质合成、ROS信号传导和细胞凋亡，同时也是突触传递生理功能维持的基础[20]。中枢神经系统的线粒体活性在神经可塑性、神经分化和神经递质的产生等过程中起着至关重要的作用，同时在脑脊液中检测到细胞外线粒体和活性线粒体能作为蛛网膜下腔出血和延迟性脑缺血等病理结果的生物标志物。膜通透性的变化、电解质平衡的紊乱、促凋亡通路的激活以及线粒体自噬的发生影响神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病以及缺血性脑卒中的发生[21]。

在线粒体功能调控方面，5-ALA展现出重要的生物学效应。体外细胞实验表明，5-ALA能使线粒体中ROS的产生减少，ATP生成功能增强，并且能够使细胞内线粒体增殖[22]。此外，5-ALA通过提高细胞内谷胱甘肽水平，有效减轻氧化应激对线粒体的损伤，从而保护线粒体功能[23]。5-ALA在大鼠PD模型和缺血模型以及体外SH-SY5Y细胞PD模型证明了具有神经保护作用[24]。5-ALA还可以通过调节线粒体生物发生相关基因如PGC1-α的表达，促进线粒体的增殖和更新，进一步改善细胞的能量代谢状态[25]。

此外，5-ALA在肝缺血再灌注(HIR)损伤模型中也展现出保护作用。5-ALA通过下调RelA和CX3CR1促进肝缺血再灌注(HIR)小鼠巨噬细胞M2极化，在肝脏缺血期联用5-ALA和壳酶蛋白(CHIL3)可促进HIR小鼠肝脏的脂质代谢和ATP生成[6]。5-ALA能够抑制环孢素a (csa)处理的mProx24细胞凋亡，增加血红素氧合酶(HO)-1、核因子e2相关因子2 (Nrf2)、p38和Erk-1/2磷酸化，并且5-ALA/SFC能够通过上调(HO)-1抑制csa诱导的细胞内活性氧的产生[26]。

4. 5-ALA的临床应用

糖尿病的病理特征之一是胰岛β细胞功能障碍和胰岛素抵抗，这与线粒体能量代谢受损密切相关[27]。近年来，逐渐有临床实验研究尝试用5-ALA应用到2型糖尿病患者的治疗[28]。在动物实验中，5-ALA可防止高脂饮食喂养的小鼠肌肉量减少，改善肌肉力量，减轻肥胖和胰岛素抵抗[29]。而补充外源性 5-ALA 和亚铁离子可改善小鼠糖耐量水平，5-ALA还可提高人体胰岛素敏感性，增强二甲双胍降血糖作用，改善人体糖耐量[30]。

在一项临床试验(NCT01508741)中，研究人员将5-ALA (50 mg)作为膳食补充剂用于评估其在睡眠障碍和情绪相关疾病中的有效性和安全性。研究提出了两种可能的机制来解释5-ALA对睡眠和情绪的改善作用。首先，动物实验数据显示，5-ALA能够提高大脑中的血清素水平，这对于情绪稳定和睡眠调节至关重要，同时5-ALA还可能通过支持激素调节来进一步增强其作用其次，5-ALA能够增强细胞能量代谢，使细胞更有效地维持自身的昼夜节律，从而改善睡眠质量[31]。这些研究结果表明，5-ALA可能作为一种新的膳食补充剂，为睡眠障碍和情绪调节提供潜在的治疗策略。

光动力疗法(PDT)是一种依赖光敏剂、特定波长光照和氧气相互作用的治疗方法。5-ALA在体内代谢为光敏剂原卟啉IX (PpIX)，当受到特定波长的光照射后，PpIX会产生活性氧，导致病变细胞的氧化损伤和凋亡[32]。5-ALA在皮肤病治疗方面也得到了广泛应用，尤其是在光动力疗法(PDT)中的应用。国内复旦张江生物医药公司将5-ALA开发成了一种光动力学新药，并经国家食品药品监督管理局批准，该光敏剂被命名为“艾拉”(国药准字H20070027)，用于特异性治疗人类乳头瘤病毒(HPV)引起的尖锐湿疣[33]。

5-ALA-PDT目前广泛应用于多种肿瘤和疾病的治疗，如胶质瘤、皮肤癌(如基底细胞癌)、膀胱癌等[34]。此外，5-ALA还可用于荧光引导手术(FGS)，提高肿瘤组织的可视化程度，帮助外科医生精确切除病变部位，其高选择性和低毒性使其成为一种有效的肿瘤光动力治疗手段[35]。

5. 5-ALA在神经退行性疾病中的应用前景

神经退行性疾病是一类以神经元逐渐丧失功能和死亡为特征的慢性进行性疾病，包括帕金森病(PD)、阿尔茨海默病(AD)和肌萎缩侧索硬化等。这些疾病通常伴随认知、运动或感觉功能的进行性退化，且目前尚无有效的治愈方法。神经退行性疾病病理机制涉及蛋白质错误折叠、线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症及自噬–溶酶体系统的异常[36]。

阿尔茨海默病是以β-淀粉样蛋白沉积和tau蛋白过度磷酸化为主要特征的神经退行性疾病，其早期病理核心之一是线粒体功能障碍，体现为线粒体DNA的损伤积累[37]。研究表明AD病人的大脑中ALAS1和PBGD的mRNA水平降低[38]，另外相关研究发现携带纯合子敲入等位基因(Alas1 (GFP/GFP))的小鼠在胚胎第8.5天死亡[39]，这些结果都暗示ALAS1催化合成的5-ALA在生命体的早期发育和老年的神经退行性中有着重要作用。细胞色素c氧化酶(COX/complex IV)活性在AD患者中降低，5-ALA喂养3 × FAD的小鼠大脑中COX活性和蛋白表达以及线粒体膜电位均显著升高。在喂食5-ALA的小鼠中突触结合蛋白水平也显著升高，表明突触功能增强[40]。最近研究显示，线粒体动力学相关基因的异常表达或许可以作为AD的早期信号，包括参与缬氨酸代谢的HIBCH以及负责清除异常mtDNA片段的MGME1 [41]。而5-ALA与调节线粒体生物发生相关基因PGC1-α的表达，PGC-1α是连接线粒体动力学与线粒体发生的关键节点，可能预示着5-ALA可能会通过线粒体动力学对AD中的异常蛋白有潜在影响[25]。

帕金森病的核心病理是黑质多巴胺能神经元退变与α-突触核蛋白聚集，线粒体功能障碍在其发病机制中占据关键地位。5-ALA显著抑制6-OHDA定位注射导致的TH阳性神经元的丢失，并且5-ALA通过Nrf2/HO-1途径使H2O2细胞模型的ROS减少[24]。研究表明，5-ALA可促进heme合成，间接激活线粒体复合体IV，提升ATP生成效率[42]。在注射α-突触核蛋白原纤维的突触核蛋白病小鼠中，腹腔注射5-ALA可阻止RNA g-四聚体相分离，从而减轻α-syn聚集、神经变性和进行性运动缺陷[43]。此外，5-ALA-PDT相关研究发现，自噬小体在5-ALA结合和功能发挥过程中有着重要作用，同时增强自噬会促进5-ALA的生成[44]。而帕金森病的发病机制之一为线粒体自噬障碍，这一研究暗示了5-ALA对PD相关模型的保护作用与自噬功能可能密切相关。

脆性X相关震颤/共济失调综合征(FXTAS)是一种由FMR1基因的CGG三核苷酸重复扩增引起的神经退行性疾病，其分子病理机制之一是FMR polyG蛋白的RAN (repeat-associated non-AUG)翻译及其在细胞中的异常聚集[45]。研究表明，5-ALA能够有效抑制FMR polyG的RAN翻译，并减少由CGG-G4RNAs诱导的FMR polyG蛋白聚集，从而改善FXTAS模型小鼠的异常突触可塑性和行为[45]。这一发现为5-ALA在FXTAS及相关神经退行性疾病中的潜在治疗作用提供了实验依据。

6. 5-ALA应用于中枢神经系统的药学挑战

尽管5-ALA在神经退行性疾病中展现出良好的应用前景，但其临床应用仍面临一些挑战。5-ALA对血脑屏障通透性影响是首要的考虑因素。例如，高剂量5-ALA可导致PpIX过量积累，在光照条件下产生活性氧引发光毒性[46]。相关研究中还发现，5-ALA在PDT应用时会影响血脑屏障通透性[47]。其次，5-ALA口服生物利用度较低，并且其半衰期较短，大部分小鼠动物实验中实验设计需要每天或隔天给药，因此5-ALA在后续的临床治疗应用中在给药频率需要谨慎考量。此外，5-ALA在体内的代谢和分布特性也需要深入研究，以提高其靶向性和生物利用度。

针对这些问题，近年提出了多种剂型改良策略，包括脂质体包封、聚乳酸-羟基乙酸纳米粒、前药修饰及受体介导递送系统。

此外，长期用药安全性亦需关注。虽然短期临床使用5-ALA安全性较高，但长期系统暴露可能影响肝脏铁代谢与血红素稳态[48]。因此5-ALA的药代参数优化、递送系统创新及长期毒理学验证仍需进一步研究，其长期使用的安全性和有效性也需要更多临床数据的支持。

7. 结论

5-ALA作为一种具有多种生物学功能的天然化合物，通过多靶点调控线粒体功能、抗氧化应激和维持细胞能量代谢中发挥重要作用。5-ALA在体内代谢为光敏剂原卟啉IX (PpIX)的特点也使其在临床治疗中广泛应用。5-ALA具有多方面的生物学特性，使其在帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病中的应用前景广阔，为这些难治性疾病的治疗提供了新的思路。然而，5-ALA的临床应用仍面临诸多挑战，需要进一步的基础和临床研究来优化其应用策略。随着研究的深入，5-ALA有望成为神经退行性疾病治疗的重要策略之一。

致 谢

作者衷心感谢老师在综述选题与结构设计方面给予的悉心指导，以及在文献查阅和内容修改过程中提出的宝贵意见。感谢课题组成员在学术讨论中提供的建设性建议。本工作得到湖南省科技创新重点工程2021SK1014的资助，在此一并致谢。

基金项目

湖南省科技创新重点工程2021SK1014。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。