神經細胞退行性病變機制研究進展

神經細胞退行性病變機制研究進展

曾紀榮

(贛州市人民醫院藥劑科，江西贛州341000)

關鍵詞〔〕神經細胞；退行性病變

中圖分類號〔〕R830〔

第一作者：曾紀榮(1965-)，男，副主任藥師，主要從事藥劑科管理研究。

神經退行性疾病(ND)是由神經元及(或)其髓鞘的喪失所致〔1，2〕，并隨著時間的推移而惡化，以致功能障礙。ND病理改變有兩種：一是細胞凋亡引起的大量神經細胞丟失；二是神經系統沒有明顯的神經元數量減少，但神經元出現結構和功能進行性退行性變性〔3〕。目前這些復雜疾病的病因仍未明確闡明。

1氧化應激(OS)

OS被認為是導致衰老和疾病的一個重要因素〔4〕。活性氧(ROS)包括超氧陰離子(·O2-)、羥自由基(·OH)和過氧化氫(H2O2)等；活性氮(RNS)包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和過氧化亞硝酸鹽(·ONOO-)等。大腦含有大量可被氧化的不飽和脂肪酸，具有氧化還原性的金屬離子(Cu2+，Fe2+)及大量的氧利用，在遭受不利因素影響時，可能會比其他組織更容易受到自由基的損傷〔5〕。自由基對神經元的損傷主要有以下方面：細胞膜被自由基脂質氧化，使膜磷脂受破壞并降解；導致細胞膜通透性增加，鈉、鈣等物質進入造成細胞毒性水腫；線粒體破壞，最終導致細胞死亡。細胞死亡又會產生更多的自由基，造成惡性循環。隨著年齡的增加，體內清除自由基的抗氧化酶活性水平降低，對ROS更加敏感，自由基對機體的損傷也會更加嚴重。因此在多種神經退行性疾病中，OS被認為是其中一個重要的發病因素〔3～7〕。

2線粒體功能障礙

線粒體主要功能是將有機物氧化產生的能量轉化為ATP以供其他代謝過程利用。細胞中線粒體的具體數目取決于細胞的代謝水平，代謝活動越旺盛，線粒體越多(線粒體可占到細胞質體積的25%)。線粒體除提供神經元所需要的能量外，還參與蛋白質的合成和細胞增殖。而在神經元維持其正常功能中，除了需要大量的能量外，還需要合成大量的蛋白，如軸突、樹突等。因此線粒體的功能缺失可能會影響大腦中神經元的正常功能。線粒體功能障礙主要包括線粒體形態結構異常和線粒體功能異常，是神經退行性疾病中如帕金森病(PD)、老年癡呆癥、癲癇等普遍存在的病理現象，但其原因仍未明確〔8〕。線粒體功能異常既是疾病病因之一，亦是疾病發病的早期征兆。線粒體功能異常是指由于線粒體膜受到破壞、呼吸鏈受到抑制、酶活性降低、線粒體DNA(mtDNA)的損傷等引起的能量代謝障礙，進而導致一系列相互作用的損傷過程。由于PD患者黑質中線粒體酶復合體Ⅰ缺陷導致產生過量的自由基，且三磷酸腺苷(ATP)合成減少〔9〕。ATP的減少會造成細胞內外離子失衡，膜電位下降，導致電壓依賴的通道如Ca2+通道的持續開放，造成Ca2+急劇內流，細胞內Ca2+增多，耗竭細胞內ATP，同時通過活化蛋白酶、脂肪酶、核酸內切酶介導興奮毒性的細胞損傷，造成神經元死亡〔10，11〕。

線粒體損傷及功能改變在細胞凋亡中起重要作用：線粒體功能下降、氧化磷酸化-電子傳遞耦聯受損、膜電位降低等線粒體功能的改變，最終導致神經細胞凋亡〔12，13〕。此外線粒體功能障礙還可能與谷氨酸受體介導的興奮毒效應有關。

3興奮性中毒

谷氨酸是中樞神經系統(CNS)主要的興奮性神經遞質，介導神經元突觸可塑性和生理條件下的學習記憶和神經元的發育等。在正常情況下，谷氨酸在突觸間隙中的濃度可以上升到1 mmol/L，然后在數毫秒后又快速下降至正常水平。因為谷氨酸具有潛在的神經毒性，需要機體通過轉運系統將谷氨酸再攝取，使細胞外谷氨酸的含量低于中毒水平。當在突觸間隙的谷氨酸的濃度不能迅速下降或由于病理原因一直維持在高水平，神經元就會產生興奮性中毒〔14〕。

興奮性中毒使神經細胞受到損傷或導致其死亡。這種情況也發生在興奮性神經遞質受體如N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA)和2-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(AMPA)受體的過度表達。海人藻酸和NMDA等興奮性毒素與這些受體結合，與病理情況下過高水平的谷氨酸一樣，能使Ca2+離子內流，進入細胞，導致興奮性中毒。Ca2+離子大量流入細胞會激活包括磷脂酶、內切核酸酶、鈣蛋白酶等一系列的酶。這些酶的激活會導致細胞骨架、細胞膜和DNA等細胞結構的損害。興奮性中毒可能會導致脊髓損傷、腦卒中、肌萎縮側索硬化癥(ALS)、PD、阿爾茨海默病(AD)和多發性硬化等其他神經退行性疾病的發生。其他導致谷氨酸水平過高的原因可能包括：低血糖和癲癇等〔15，16〕。

4免疫炎癥

機體的免疫功能隨著衰老的過程而下降，免疫功能下降的同時容易引發炎癥的發生。神經膠質細胞特別是小膠質細胞活化是大腦炎癥的主要標志。小膠質細胞介導的慢性炎癥反應在神經退行性疾病發生、發展過程中起重要作用。在AD患者腦中β-淀粉樣蛋白(Aβ)被小膠質細胞吞噬小體清除，但隨著Aβ增多，Aβ封閉了吞噬小體使小膠質細胞失去吞噬作用，反而使小膠質細胞被活化，釋放炎癥細胞因子，如白細胞介素(IL)-1，-6，腫瘤壞死因子(TNF)-α等。這些炎癥因子又反過來激活小膠質細胞和星形細胞產生淀粉樣前體蛋白(APP)和Aβ，形成惡性循環，造成APP 和Aβ的量增加，形成老年斑(SP)，最終導致神經元受損。研究發現，向小鼠第4腦室內注入脂多糖(LPS)，其以聚合體形式與免疫細胞(CD)4結合，引起小膠質細胞活化，產生過多的NO、TNF-α、前列腺素雌二醇(E2)及IL等，增加了丙二醛(MDA)受體介導的神經毒性作用和炎癥反應，致使小鼠的空間記憶能力明顯降低〔17～20〕；IL活性增強，可刺激α1抗凝乳蛋白酶、α2微球蛋白和補體的產生，同時又促進了SP的形成〔21〕。

5Ca2+失衡

在正常生理條件下，神經細胞內、外的Ca2+濃度受到的Ca2+通道、Ca2+泵等機制的嚴格調控。但是在病理條件下，這種調控失去了作用，使Ca2+通道異常開放，增加了Ca2+內流，造成了細胞內的Ca2+超載〔22～24〕。Ca2+超載引發了一系列的有害損傷：胞內過高的Ca2+濃度能活化鈣調蛋白(CaM)，使胞內神經遞質增加，引發過度興奮，影響血管舒張功能，加大了ATP和氧氣的消耗，導致腦內缺血、缺氧并產生興奮性中毒。此外，Ca2+超載可能還激活了某些酶，使大量的ATP、蛋白、磷脂被降解，破壞了胞膜完整性和pH平衡，使胞外物質進入胞內，導致神經元功能失常或死亡。Ca2+失衡還可能導致某些細胞信號通道受到干擾，影響了正常的細胞功能和相關基因的表達〔25〕。總之，神經細胞內的Ca2+自體失衡和各種因素導致的神經細胞內Ca2+超載及其所誘發的一系列鏈式反應，最終會導致神經元退行性變。

6其他機制

6.1Aβ學說Aβ來源于APP，P經一系列的蛋白水解過程產生Aβ。可溶性的α-APPs能夠充當自分泌因子能起神經保護和神經營養作用〔26〕。有研究表明，在轉基因小鼠中過度表達APP而不會產生AD癥狀〔27〕。

大多數進行分泌APP分子首先被α-分泌酶剪切，其酶切位置距離細胞膜12 個氨基酸，過程產生可溶性片段(α-APPs)，α-APPs釋放到囊泡腔和細胞外空間，在膜上殘留一個含有83個氨基酸殘基的羧基端片段(C83)。C83在γ-分泌酶作用下，降解為P3。α-與γ-分泌酶剪切APP是不產生Aβ的代謝途徑。而另外一些APP分子是被β-分泌酶所剪切，酶切位點距離α-分泌酶酶切位點16個氨基酸，產生一個小的產物(β-APPs)及殘留在膜上的含有99個氨基酸殘基的羧基端片段(C99)，該片段的起始殘基是Aβ區域的第1個殘基。γ-分泌酶水解C99，酶切丙氨酸713和蘇氨酸714之間位點產生Aβ42，酶切纈氨酸711和異亮氨酸712之間位點產生的則是Aβ40及剩下的P6。β-與γ-分泌酶剪切APP產生Aβ40和Aβ42〔28〕。

傳統的學說認為Aβ形成多聚物后沉積在大腦組織，Aβ42形成SP的核心部分，Aβ40形成伸延的部分。SP把神經元包裹起來，產生神經毒性，神經元缺營養，導致神經元損傷和死亡。這個過程被認為是AD形成的關鍵。Aβ的神經毒性機制被認為與Ca2+失衡、自由基增多、炎癥因子被激活等一系列因素有關〔29〕。Laurén等〔30〕和Chakrabarti等〔31〕研究小組曾試圖找到Aβ在AD的患者大腦中形成老年斑并引起大腦損傷的機制。他們發現曾被證實與克雅氏病相關的細胞朊蛋白(PrPSC)，能夠迅速地與Aβ結合，導致AD發生。推測存在神經元的表面的PrPSC被Aβ結合并激活時，可能啟動了細胞損害信號途徑。為了驗證這個想法，將Aβ注入小鼠，檢測了在記憶過程中大腦電變化。缺乏PrPSC的小鼠的電標記物不受影響，表明PrPSC介導Aβ引起的損害〔30〕。

AD研究中經常發現有爭議的實驗結果。對于動物模型尤其具有爭議性，由于AD的病發原因很可能不是單一原因引起的，所以不是一個簡單的模型。它應該是受到普遍認可的研究該疾病的最好的模型。因為每個實驗室的研究結果都與他特異的模型系統密不可分，所以爭論一直存在的〔31〕。

6.2Tau蛋白異常磷酸化腦中Tau蛋白質的過度磷酸化是導致AD和其他一些AD的主要原因〔32〕。在AD患者腦中，已經發生變異的蛋白質Tau會吸附大量磷酸鹽，然后聚集在神經細胞里，最終導致神經纖維纏結(NTF)，從而引發早老性癡呆癥〔33〕。NFT特征是胞內原纖維增粗扭曲成不規則形狀，占據了胞質的空間，擠壓了細胞器和細胞核，破壞了神經元的正常物質輸送，阻斷神經元間突觸傳遞，導致神經元損傷或死亡。文獻〔34〕報道，如果Tau蛋白一直處于正常狀態，沒有吸附過量的磷酸鹽，那么它就會進入神經細胞的細胞核，對其中的DNA形成保護。利用實驗鼠進行測試，結果證實，在缺乏正常Tau蛋白質的情況下，老鼠腦細胞中的DNA更易受到損害。對過度表達一種人類Tau基因的轉基因小鼠中的這些NTF所做的活體多光子成像研究，顯示了一個大相徑庭的情形。半胱天冬酶激發是所觀察到的第一個異常，發生在纏結形成之前數小時至數天。有纏結的神經細胞不是很快死亡，而是好像壽命還很長，同時半胱天冬酶活性降低。因此真實情況可能是這樣的：引起神經退化的是可溶性Tau，而不是纖維性Tau〔35〕。

7展望

近年來對ND研究的治療方法和藥物包括：通過清除影響因素，阻止或減緩神經元丟失的進程；抑制興奮性氨基酸的生成、釋放，清除自由基的過量生成；消除胞內鈣超載，維持其穩態；保護線粒體，提高能量代謝；抑制神經細胞的凋亡；減少與炎癥相關的細胞因子等的產生和表達；營養或保護神經，誘導殘存的功能紊亂的神經元恢復正常，從而促進神經發生，神經突起的再生，神經網絡的重塑；通過移植或誘導干細胞定向分化為神經元代替丟失的神經元。

對ND的治療主要是延緩病情的發展，療效十分有限。鑒于ND病因的多樣性，阻斷一個或兩個途徑不能明顯地減少神經元全面的功能障礙和損失。利用多途徑、多靶點的優勢治療，對改善ND患者的癥狀，調理腦功能，能起到很好的治療作用。ND發病所伴隨的病理變化是不可逆的，在患者出現認知障礙時，病程往往已到中晚期，此時治療只能減緩疾病的發展，不能從根本上逆轉神經網絡的損傷。因此，對于ND應該做到早診斷、早治療。

8參考文獻

1Appel SH，Smith RG，Le WD.Immune-mediated cell death in neurodegenerative disease〔J〕.Adv Neurol，1996；69：153-9.

2Hardy J.Pathways to primary neurodegenerative disease〔J〕.Neurologia，2002；17(8)：399-401.

3Wenk GL.Neuropathologic changes in Alzheimer′s disease〔J〕.J Clin Psych，2003；64(Suppl 9)：7-10.

4Gems D，Partridge L.Stress-response hormesis and aging：“that which does not kill us makes us stronger”〔J〕.Cell Metab，2008；7(3)：200-3.

5Seaver LC，Imlay JA.Are respiratory enzymes the primary sources of intracellular hydrogen peroxide〔J〕?J Biol Chem，2004；279(47)：48742-5.

6Devasagayam TPA，Tilac JC，Boloor KK，etal.Free radicals and antioxidants in human health：current status and future prospects〔J〕.J Assoc Phys Ind，2004；52：794-804.

7Diego-Otero Y，Romero-Zerbo Y.Alpha-tocopherol protects against oxidative stress in the fragile X knockout mouse：an experimental therapeutic approach for the Fmr1 deficiency〔J〕.Neuropsychopharmacology，2009；34(4)：1011-26.

8Zeviani M，Di Donato S.Mitochondrial disorders〔J〕.Brain，2004；127(10)：2153-72.

9張穎，胡國華.線粒體呼吸鏈功能異常在帕金森病中作用的研究進展〔J〕.中風與神經疾病雜志，2010；27(1)：89-91.

10Bender A，Krishnan KJ.High levels of mitochondrial DNA deletions in substantia nigra neurons in aging and Parkinson disease〔J〕.Nature Gene，2006；38(5)：515-7.

11Di Mauro S，Schon EA.Mitochondrial disorders in the nervous system〔J〕.Ann Rev Neurosc，2008；31：91-123.

12Lin MT，Beal MF.Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases〔J〕.Nature，2006；443(7113)：787-95.

13Green DR，Kroemer G.The pathophysiology of mitochondrial cell death〔J〕.Science，2004；305(5684)：626-9.

14Estrada Sánchez AM，Mejía-Toiber J，Massieu L.Excitotoxic neuronal death and the pathogenesis of Huntington′s disease〔J〕.Arch Med Res，2008；39(3)：265-76.

15Camacho A，Massieu L.Role of glutamate transporters in the clearance and release of glutamate during ischemia and its relation to neuronal death〔J〕.Arch Med Res，2006；37(1)：11-8.

16Fujikawa DG.Prolonged seizures and cellular injury：understanding the connection〔J〕.Epilepsy Behav，2005；7(Suppl 3)：S3-11.

17Lee H，Villacreses NE，Rapoport SI.In vivo imaging detects a transient increase in brain ar achidonic acid metabolism：a potential marker of neuroinflammation〔J〕.J Neurochem，2004；91(4)：936-45.

18Rosi S，Ramirez-Amaya V，Hauss-Wegrzyniak B，etal.Chronic brain inflammation leads to a decline in hippocampal NMDA-R1 receptors〔J〕.J Neuroinflamm，2004；1(1)：12.

19Rosi S，Ramirez-Amaya V，Vazdarjanova A，etal.Neuroinflammation alters the hippocampal pattern of behaviorally induced Arc expression〔J〕.Neuroscience，2005；25(3)：723-31.

20Rosi S，McGann K，Hauss-Wegrzyniak B.The influence of brain inflammation upon neuronal adenosine A2B receptors〔J〕.J Neurochem，2003；86(1) 220-7.

21Brody DL，Holtzman DM.Active and passive immunotherapy for neurodegenerative disorders〔J〕.Ann Rev Neurosci,2008；31：175-93.

22Manev H，Favaron M.Delayed increase of Ca2+influx elicited by glutamate：role in neuronal death〔J〕.Molecul Pharmacol，1989；36(1)：106-12.

23楊明鄄.對鈣離子幾種生理學效應的歸納與探討〔J〕.生物學通報，2006；41(8)：26-7.

24郭靜，蒲詠梅，張東才.鈣離子信號與細胞凋亡〔J〕.生物物理學報，2005；21(1)：1-17.

25Striggow F，Ehrlich BE.Ligand-gated calcium channels inside and out〔J〕.Current Opin In Cell Biol，1996；8(4)：490-5.

26Hunt WT,Salins PB,Anderson CM,etal.Neuroprotective role of statins in Alzheimer′s Disease：anti-apoptotic signaling〔J〕.Open Neurosci J，2010；4：13-22.

27Louren FC，Galvan V，Fombonne J，etal.Netrin-1 interacts with amyloid precursor protein and regulates amyloid-β production〔J〕.Cell Death Different，2009；16(5)：655-63.

28Xie CW，Sayah D，Chen QS.Deficient long-term memory and long-lasting long-term potentiation in mice with a targeted deletion of neurotrophin-4 gene〔J〕.PNAS USA，2000；97(14)：8116-21.

29Abramov E，Dolev I，Fogel H，etal.Amyloid-β as a positive endogenous regulator of release probability at hippocampal synapses〔J〕.Nature Neurosci，2009；12(12)：1567-76.

30Laurén J，Gimbel DA,Nygaard HB,etal.Cellular prion protein mediates impairment of synaptic plasticity by amyloid-β oligomers〔J〕.Nature，2009；457(7233)：1128-32.

31Chakrabarti O，Hegde RS.Functional depletion of mahoguninby cytosolically exposed prion protein contributes to neurodegeneration〔J〕.Cell,2009；137(6)：1136-47.

32Heidi L.Key Alzheimer′s finding questioned〔J〕.Nature，2010；466(7310)：1031.

33Xu YH，Chen Y，Zhang P，etal.Structure of a protein phosphatase 2A holoenzyme：insights into B55-mediated tau dephosphorylation〔J〕. Molecular Cell，2008；31(6)：873-85.

34Sultan A，Nesslany F，Violet M，etal.Nuclear tau：a key player in neuronal DNA protection〔J〕.JBC，2011；286(6)：4566-75.

35Calignon A，Fox LM，Pitstick R，etal.Caspase activation precedes and leads to tangles〔J〕.Nature，2010；464(7292)：1201-4.

〔2013-07-13修回〕

(編輯安冉冉/張慧)