神經退行性疾病發病機制研究進展

神經退行性疾病發病機制研究進展

薛小燕郭小華1李敏2羅煥敏3

(贛州市人民醫院，江西贛州341000)

關鍵詞〔〕神經退行性疾病；氧化應激；線粒體

中圖分類號〔〕E830〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：江西省贛州市指導性科技計劃項目(No.GZ2014ZSF199)

通訊作者：羅煥敏(1960-)，男，教授，主要從事神經藥理學研究。

1贛南醫學院2江西省醫藥學校

3暨南大學醫學院藥理學系

第一作者：薛小燕(1986-)，女，碩士，主要從事藥學研究。

神經退行性疾病是由神經元和(或)其髓鞘的喪失所致〔1，2〕,隨著時間的推移而惡化，出現功能障礙。其可分為急性神經退行性疾病和慢性神經退行性疾病，前者主要包括腦缺血(CI)、腦損傷(BI)、癲癇； 后者包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷頓病(HD)、肌萎縮性側索硬化(ALS)、不同類型脊髓小腦共濟失調(SCA)、Pick病等〔3，4〕。這類疾病的腦病理改變主要有兩種表現形式：一種是由細胞凋亡引起的大量神經元丟失；另一種則是神經系統沒有明顯細胞胞體數量減少，但神經細胞出現結構和功能的進行性、退行性變性。隨著對神經退行性疾病研究的不斷深入，發現越來越多的因素與神經退行性疾病發生和發展有關。

1氧化應激

氧化應激是由于自由基過度產生和(或)得不到及時清除，體內氧化與抗氧化作用失衡所致，機體的細胞和組織被損傷。自由基是具有不成對電子的原子或基團，包括羥自由基(OH·)、超氧陰離子(O2-·)、一氧化氮(NO)等〔5〕。近年來氧化應激學說逐漸受到重視，在神經退行性疾病如AD、PD、ALS中均發現有神經組織的氧化損傷〔6，7〕。

在神經系統中，興奮性氨基酸及神經遞質的代謝是產生氧自由基的源泉〔8〕；同時，各種原因(如Aβ聚集、鈣失衡等)能損傷線粒體，引起線粒體功能障礙，釋放大量活性氧(ROS)。AD病理特征主要包括：腦神經細胞外出現β-淀粉樣蛋白(Aβ)聚集形成的老年斑(SP)；腦神經細胞內Tau蛋白異常聚集形成的神經原纖維纏結(NFT)。由于游離的氧自由基所致的腦組織損傷有多方面的原因，首先腦血管內皮遭受氧化應激損傷，造成腦血管功能障礙〔9〕；其次氧自由基與Aβ蛋白結合，激活神經元與小膠質細胞上糖基化終末產物受體，造成細胞的過氧化損傷〔10〕，甚至凋亡〔11〕。此外，游離的自由基與金屬離子相互作用，并以多種形式加劇腦組織損傷，如氧化態的Fe3+可以促進Tau蛋白的磷酸化和Tau蛋白的聚集〔12〕。

研究表明，由于抗氧化防御系統功能缺陷所致的自由基產生增加，在PD發病中起主要作用。例如谷胱甘肽(GSH)，是體內的一種重要的自由基清除劑，在PD病人黑質部位，GSH大量減少，且減少量與PD的嚴重程度呈正相關〔13～15〕。

2線粒體功能障礙

線粒體存在于真核生物的細胞質中，是含有核外遺傳物質并具有雙層膜結構的細胞器。它是細胞內生產能量的最基本單位，能夠編碼電子呼吸鏈上的主要酶類物質。線粒體內膜上的呼吸鏈酶組分通過參與氧化磷酸化過程，將碳水化合物、蛋白質和脂類的代謝產物轉化成CO2和水，生成大量三磷酸腺苷(ATP)，為細胞提供能量〔16〕。

PD是最早發現與線粒體功能障礙有關的神經退行性疾病。研究顯示，在PD患者黑質致密部、紋狀體及血小板中，線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ功能下降30%；在黑質致密部，線粒體呼吸鏈復合體Ⅳ及三羧酸循環限速酶-酮戊二酸脫氫酶系活性降低〔17〕。在母系遺傳的家族性PD患者中，家系內女性患者子女的線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ功能減弱，并伴有ROS增多和抗氧化酶活性增強。此外，在黑質致密部還發現脂質過氧化增強、GSH消耗減少及氧化應激增加〔18〕。

研究發現，AD患者腦內存在mtDNA缺陷和氧化磷酸化異常。聚合酶鏈式反應(PCR)及印跡雜交(Southernblot)檢測發現，散發型AD患者腦組織出現mtDNA斷裂、堿基缺失及錯義突變。電鏡觀察證實線粒體數目增加，結構異常，出現層狀體和晶狀包涵體〔19，20〕。另外，AD患者神經元線粒體功能發生障礙后，將導致神經元能量供給不足同時釋放大量ROS，誘發氧化應激損傷，鈣調節失衡，最終觸發神經元凋亡〔21，22〕。

3興奮性毒素

谷氨酸是哺乳動物中樞神經系統中最重要的興奮性神經遞質，主要在谷氨酸受體的介導下實現其在腦內的眾多功能。谷氨酸受體被激活后除參與快速的興奮性突觸傳遞外，還可以調節神經遞質的釋放、突觸的可塑性及突觸長時程增強和長時程抑制等中樞神經系統正常的生理功能〔23〕。但是細胞間隙中谷氨酸濃度過高時會對神經元產生毒性，導致神經元的退化、衰老及死亡〔24〕。谷氨酸的這種興奮性毒性作用與多種神經退行性疾病的發生、發展都有密切聯系，是導致神經退行性疾病中神經細胞死亡的重要機制之一。

谷氨酸受體在神經退行性疾病中主要起兩方面的作用，一是參與正常狀態下的突觸傳遞及在突觸活動增強時由部分促代謝型谷氨酸受體發揮的神經保護作用；另一個就是主要由離子型谷氨酸受體介導的興奮性毒性作用。興奮性毒性是指過量興奮性氨基酸(EAA)的神經毒性作用，涉及如下機制：一種是由N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體過度興奮所介導，可在數小時至數日發生，以持續的Ca2+內流和神經細胞遲發性損傷為特征。由于大量Ca2+內流及Ca2+在線粒體內快速堆積，可導致線粒體功能喪失；還可增加一氧化氮合酶的活性，使NO合成增加導致神經細胞的毒性作用。在大多數病理情況下，NMDA受體過度興奮介導的Ca2+內流引起的神經細胞的遲發型損傷在興奮性毒性作用中占主導地位。另一種是由2-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(AMPA)受體和KA受體過度興奮所介導，可在數小時內發生，以Na+內流、Cl-和水被動內流和神經細胞急性滲透性腫脹為特征。此外，花生四烯酸代謝形成的二十烷酸和磷脂分解產生的血小板激活因子(PAF)可增強白細胞聚集和血管收縮，加重腦缺血，形成惡性循環，最終導致細胞死亡。

研究發現，在AD患者腦組織中谷氨酸能系統正常結構發生改變，谷氨酸轉運體及谷氨酸重攝取的功能下降〔25〕。另外，β淀粉樣前體蛋白和Tau蛋白可以抑制細胞外谷氨酸的攝入，這種抑制作用將導致細胞外谷氨酸水平增高，從而產生興奮性毒性作用〔26〕。在PD患者和PD實驗動物模型中發現，由背側丘腦下核投射到黑質紋狀體的谷氨酸能神經元大量增加，這些研究證實了多巴胺(DA)能神經元上谷氨酸受體的過度激活是誘發興奮性毒性細胞死亡的原因之一。同時，谷氨酸攝取障礙亦加重了谷氨酸受體的過度激活〔27，28〕。

4免疫炎癥

神經退行性疾病發病的炎癥假說直到最近才提出。許多證據〔29〕都表明炎癥在AD發病中占有重要的地位。固有免疫系統是在種系發育和進化過程中形成的天然免疫防御功能。與機體另一種特異性免疫應答相比，它能對各種有害物質進行迅速的反應，以保護機體。固有免疫系統本身的激活是一把雙刃劍。有害物質(如聚集形式的Aβ)長期和不可控制的刺激，啟動固有免疫系統，就會產生對大腦的損害作用。

大腦炎癥的主要標志是神經膠質細胞，特別是小膠質細胞的活化。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。各種原因激活小膠質細胞所釋放的前炎癥細胞因子和自由基等啟動或放大神經元的損傷反應，而神經元的損傷反過來又激活小膠質細胞，形成一個惡性循環。AD患者腦內存在豐富的被激活的小膠質細胞，激活的小膠質細胞可產生補體蛋白、炎癥因子及急性期反應物等神經毒性物質，從而激活免疫炎癥反應，產生神經毒性〔30，31〕。臨床研究發現，長期使用非甾體類抗炎藥物，可以減輕AD的發病進程〔32〕。

在PD患者腦中，伴隨著腦黑質致密部DA能神經元選擇性喪失的是大量表達組織相容性白細胞抗原DR的小膠質細胞，這被認為是小膠質細胞激活的重要標志。在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)和6-羥多巴誘導的PD動物模型上也可觀察到DA能神經元的喪失程度與該部位小膠質細胞的激活呈平行關系〔33〕。

5Ca2+失衡

Ca2+是腦神經元內重要的信號傳導信使之一。通過細胞膜上電壓依賴性和配體依賴性而內流的鈣是突觸前端釋放神經遞質和突觸后神經元反應的重要信號。其在神經元的發育、軸突的生長、突觸生成及各種代謝通道的調節中起重要作用。研究表明，Ca2+從細胞外進入細胞內導致鈣平衡破壞是細胞死亡的中心環節，細胞Ca2+超載在PD、HD和ALS疾病中發揮重要作用〔34〕。例如，Ca2+拮抗劑尼莫地平可阻斷MPTP在靈長類和小鼠上引起的PD的發展。MPTP神經毒性破壞Ca2+的穩態，而Ca2+作為凋亡的觸發者，可能通過激活Ca2+依賴的核酸內切酶或通過其他效應，調控信號的傳導〔35〕。AD患者腦中Na+/Ca2+交換較正常人明顯提高，患者血清中Ca2+濃度降低，可以使甲狀旁腺激素分泌增加，通過蛋白途徑激活腺苷酸環化酶使細胞內環磷酸腺苷濃度升高，從而促進鈣內流，誘導了腦細胞內Ca2+的增高，進而通過破壞線粒體功能等途徑降低細胞能量代謝而發生癡呆。血Ca2+降低還可能影響細胞膜通透性和細胞間的相互作用，從而干擾神經細胞的生長發育，特別是影響自由基的代謝〔36〕。

6細胞凋亡

細胞凋亡涉及一系列基因的激活、調控及表達等作用。經典的細胞凋亡途徑主要有以下兩條〔37，38〕：死亡受體途徑和線粒體途徑。前者是通過死亡配體與相應的位于細胞表面的死亡受體相結合，死亡受體胞內段的死亡域會吸引銜接蛋白并募集Caspase-8前體，形成死亡誘導信號復合物，產生活化的“啟動”Caspase，激活Caspase-3，Caspase-7等“效應”Caspase，從而誘導細胞凋亡。后者是凋亡刺激因素誘導線粒體釋放細胞色素C(Cytc)、凋亡誘導因子等促凋亡多肽進入細胞質，介導下游效應Caspase的活化，誘導凋亡。在受體介導的某些凋亡途徑也需要線粒體的參與。研究發現，AD患者神經元減少，認知功能降低，是由于細胞凋亡導致的，AD患者腦中細胞凋亡速率是正常對照組的50多倍〔39〕。Aβ在AD發生中起了關鍵作用，它可誘導細胞凋亡。目前用來研究PD發病凋亡機制的經典動物模型是MPTP制備的小鼠PD模型，MPTP的毒性代謝產物1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)被DA轉運體攝取入DA能神經元，可導致DA能神經元凋亡，動物出現震顫、運動減少、步態不穩、肢體僵硬、豎尾、豎毛等與原發PD相似的癥狀〔40〕。

7其他

神經退行性疾病的發病還有衰老，基因調控異常，腦代謝障礙等機制。

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〔2013-09-03修回〕

(編輯安冉冉/杜娟)