帕金森病與肌萎縮側索硬化發(fā)病機制的共性研究

甘衛(wèi)明 徐仁伵

(南昌大學第一附屬醫(yī)院神經科，江西 南昌 330006)

帕金森病與肌萎縮側索硬化發(fā)病機制的共性研究

甘衛(wèi)明 徐仁伵

(南昌大學第一附屬醫(yī)院神經科，江西 南昌 330006)

帕金森病;肌萎縮側索硬化;興奮性毒性;免疫/炎癥反應;金屬毒性;線粒體;細胞自噬;外泌體功能障礙;血管內皮功能障礙

帕金森病(PD) 與肌萎縮側索硬化(ALS) 同屬于神經系統(tǒng)退行性疾病的范疇，目前認為二者發(fā)病機制都與基因和環(huán)境有關。雖然臨床表現(xiàn)不同，但是隨著對二者發(fā)病機制的深入研究，大量的研究資料表明，二者發(fā)病機制上存在許多共性。本文主要圍繞共同的興奮性毒性、免疫/炎癥反應、金屬毒性、線粒體、細胞自噬、外泌體功能障礙及血管內皮功能障礙等方面分析PD與ALS在發(fā)病機制上的共性，以期望對未來PD與ALS的研究提供幫助。

1 概 述

PD是發(fā)病率較高的一種因神經元變性而致病的，發(fā)病人群以中老年人為主，病理特點為黑質多巴胺(DA) 能神經元變性壞死，并在殘留神經元內可見嗜酸性包涵體(即路易小體，主要成分是α-突觸核蛋白)，從而導致DA運輸障礙，造成DA能神經遞質缺乏，乙酰膽堿(ACH)系統(tǒng)功能相對亢進。這種遞質失衡導致的臨床表現(xiàn)常為靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態(tài)障礙四大主癥。ALS是一種進展和致命性的疾病，選擇性的損傷脊髓運動前角細胞和大腦皮質的錐體細胞。 ALS的平均發(fā)病年齡是55歲左右，男性發(fā)病率高于女性，呈典型的上下運動神經元同時損害的特征，最終發(fā)展成完全癱瘓，多數(shù)患者5年左右因呼吸機麻痹或肺部感染而死。 根據(jù)其發(fā)病的遺傳特點常分為家族型ALS和散發(fā)型ALS(sALS)。 PD與ALS雖然臨床表現(xiàn)不盡相同，但二者有著共同的本質，即進行性、選擇性、特異性損傷特定神經元細胞,期間可能存在共性的發(fā)病機制。但有關PD與ALS發(fā)病機制的共性研究尚未闡明。

2 相同發(fā)病機制

2.1 金屬毒性 流行病學證據(jù)發(fā)現(xiàn)，汞、鉛等重金屬過量攝入可直接損害中樞神經系統(tǒng)(CNS)和周圍神經系統(tǒng)，與ALS、PD的發(fā)病機制有一定關系。目前研究認為，重金屬的主要致病機制有：1)汞、鉛可與細胞膜和線粒體結合，抑制ACH酯酶的產生，導致在紋狀體中ACH分解減少，打破了DA與ACH之間的動態(tài)平衡，從而出現(xiàn)PD的臨床表現(xiàn)，直接加速細胞的死亡，Johnson等〔1〕發(fā)現(xiàn)SOD1 G93A基因突變小鼠模型在長期接觸低濃度甲基水銀的環(huán)境中，可以加速神經元細胞的死亡，加速ALS發(fā)病過程。 2)Dusek等〔2〕認為，微量元素鐵與PD、ALS 的發(fā)病有一定的關系，且Lee等〔3〕在ALS小鼠模型中發(fā)現(xiàn)鐵的積累可以加速小鼠的發(fā)病。在大量ALS病人腦脊液檢查中可發(fā)現(xiàn)輕度的鐵水平升高，考慮微量元素鐵可能參與了自由基的產生過程，這些都說明鐵在PD、ALS發(fā)病機制中起著重要的作用。鐵在環(huán)境中主要以難溶性的Fe3+存在，不能被機體直接吸收，在人體內通過還原反應轉化為可吸收的Fe2+。生理水平的鐵參與了能量的產生、DNA合成和修復、磷脂代謝、髓鞘和神經遞質合成等重要生理功能。以下幾種情況，會增加大腦中鐵的沉積：①腦出血；②血液中巨噬細胞的涌入；③鐵透過血腦屏障運輸能力的失調，同時當細胞內鐵穩(wěn)態(tài)失調又會直接導致鐵再攝取增多，從而惡性循環(huán)并啟動多種機制直接導致神經元細胞死亡。鐵中毒導致細胞死亡的機制有：①金屬蛋白產物的受損；②影響含有調節(jié)鐵響應元件的蛋白質表達(IRE)；③激活小膠質細胞引起炎癥反應；④導致蛋白質錯誤折疊和聚集；⑤直接導致細胞死亡，這些都與PD、ALS等神經退行性疾病的發(fā)病機制有著密不可分的關系。Dusek等〔2〕提出鐵螯合劑可能是PD、ALS疾病治療方面的一個重大突破，在實驗室模型中有較好的療效，但應用于臨床仍需要大量的實驗研究。

2.2 免疫/炎癥反應 在免疫/炎癥反應中，研究最多的是小膠質細胞，它是神經系統(tǒng)的“巨噬細胞”，是CNS中一道至關重要的免疫防線，對神經元發(fā)育過程中的正常死亡起著重要作用。小膠質細胞是參與免疫/炎癥反應中的主要細胞類型，通過“吞噬”細胞殘骸來保護神經元。非炎癥期，在神經元和小膠質細胞協(xié)同作用下，使CNS內的大部分小膠質細胞僅表達少量的環(huán)氧酶(COX)-2，而當PD、ALS發(fā)生時神經元的完整性遭到破壞時，神經元直接激活的信號(如促炎分子等)產生或抑制性信號缺失，迅速激活小膠質細胞，導致小膠質細胞中的COX-2 mRNA與蛋白水平迅速升高，同時小膠質細胞被激活并發(fā)生形態(tài)變化并釋放谷氨酸及致炎因子，如腫瘤壞死因子等神經毒性物質損傷神經元，從而使神經元變性。故小膠質細胞的作用主要在ALS、PD的晚期，其激活可以明顯加重神經元細胞的死亡，加速疾病的進展〔4〕。 Brochard等〔5〕研究表明，CD4+細胞在神經損害機制中發(fā)揮主要的毒性調節(jié)作用。有些常見的微生物也可誘導機體的神經系統(tǒng)免疫反應，對PD和ALS等疾病有著重要的影響，研究最多的如單純皰疹病毒、人類免疫缺陷病毒、胃腸道菌群等〔6〕。

2.3 興奮性毒性 Lewerenz等〔7〕認為慢性興奮毒性是神經變性疾病的發(fā)病機制之一，包括ALS、PD等。谷氨酸和天冬氨酸是人體中主要的兩種興奮性氨基酸，在PD和ALS發(fā)病機制中研究最多的是谷氨酸，本文也主要闡述谷氨酸與二者之間的聯(lián)系。谷氨酸是CNS中主要的興奮性遞質，主要與離子型谷氨酸受體結合并激活而起作用。常見的離子型谷氨酸受體包括N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡、唑丙酸AMPA受體和紅藻氨酸鹽受體，AMPA和紅藻氨酸鹽受體主要調控Na+內流而NMDA受體主要調控Ca2+內流。Lewerenz等〔7〕發(fā)現(xiàn)在ALS和PD病變處存在大量的谷氨酸攝取系統(tǒng)受損，導致谷氨酸轉運受到抑制，造成細胞外谷氨酸大量蓄積。細胞外蓄積的大量谷氨酸通過由離子型谷氨酸受體的過度活化導致Na+內流神經元去極化，且鈣離子過度內流，破壞了細胞內鈣離子穩(wěn)態(tài)從而在神經系統(tǒng)內造成急性損傷。但Cetin〔8〕等的研究發(fā)現(xiàn)，ALS的治療藥物利魯唑(主要作用是抑制谷氨酸的釋放)似乎僅在前6個月的治療產生一定延緩作用,對患者的肌力和生活質量沒有顯著的改善，說明谷氨酸在ALS發(fā)病機制中可能并不是決定因素。因為臨床上PD患者的黒質DA能神經元死亡達50%以上，紋狀體DA遞質水平降低50%以上才出現(xiàn)癥狀，所以治療上主要還是針對DA缺失的對癥治療，尚未涉及保護黒質DA能神經元的相關治療，以后是否可以使用藥物抑制谷氨酸釋放或谷氨酸受體拮抗劑來保護黒質DA能神經元需要我們對其深入研究。

2.4 氧化應激 Soraru等〔9〕在ALS患者的脊髓內發(fā)現(xiàn)了大量的神經元一氧化氮合酶(nNOS)，可生成一定量的自由基NO·，造成氧化應激損傷。正常生理情況下，人體內有足夠清除類似NO·樣的自由基損傷的酶，如谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)等，故一般情況下自由基不會產生病理損害。這些酶的作用主要是阻斷自由基的氧化損傷或將其變成低活性物質，使其產生和清除處于一個相對平衡狀態(tài)。當這種平衡狀態(tài)被打破時，也就是機體不能完全清除自由基，機體就會出現(xiàn)氧化應激損傷。由nNOS生成的NO·在神經細胞中主要作用機制是一方面誘導活化NMDA谷氨酸受體，導致細胞內鈣離子溶度上升；另一方面大量的NO·與細胞的超氧化物陰離子(O2-)產生過氧亞硝酸鹽(ONOO-)，它不可逆的影響線粒體呼吸，從而導致神經元的壞死。Bhat等〔10〕認為，氧化應激損傷是PD患者黒質DA能神經元變性的主要原因。但Kamat等〔11〕試驗證明抗氧化劑在減緩神經系統(tǒng)退行性疾病進展上基本無效。

2.5 線粒體功能障礙 目前研究發(fā)現(xiàn)，在sALS患者組織中線粒體的損傷和線粒體DNA(mtDNA)的異常。同時Shephard等〔12〕認為，在神經退行性疾病的發(fā)病早期線粒體即有參與。 線粒體是細胞的能量“工廠”，為細胞的各種生命活動提供能量。神經元細胞是一種具有高代謝活性細胞，需要大量的能量，Kamat等〔11〕研究發(fā)現(xiàn)，ALS和PD等疾病與線粒體功能障礙有關。 另外Van Westerlaak等〔13〕以一周兩次的頻率給予給鼠腦培養(yǎng)組織低劑量丙二酸鹽，誘導抑制線粒體功能，可引起劑量依賴性的皮層運動神經元死亡，他們認為，慢性線粒體功能抑制是通過兩個非NMDA和NMDA受體介導的谷氨酸興奮性毒性所導致的。 這也說明由谷氨酸介導的興奮性毒性與線粒體功能障礙有著密不可分的聯(lián)系。Kamat等〔11〕認為線粒體的抗氧化劑如超氧化物歧化酶、GPX可以調控活性氧的濃度，產生氧化應激效應，除了產生活性氧，同時線粒體也參與了鈣穩(wěn)態(tài)，細胞凋亡和脂質過氧化等，直接導致了神經元細胞的變性。新的治療方法現(xiàn)在已經開始瞄準線粒體作為一個潛在的藥物靶點。

2.6 細胞自噬 細胞自噬(Autophagy)是在細胞內依賴溶酶體降解異常蛋白及損壞的細胞器的過程，步驟包括自噬小泡包裹、運輸?shù)饺苊阁w、降解和降解產物的再利用。在神經退行性疾病中，細胞自噬被認為是決定神經元生存和死亡的仲裁器。Kamat等〔11〕在ALS、PD等疾病患者大腦內發(fā)現(xiàn)了細胞自噬現(xiàn)象較活躍，認為細胞自噬與ALS、PD等的發(fā)病機制有關。細胞自噬主要有三種形式：微自噬(Microautophagy)、巨自噬(Macroautophagy)和分子伴侶介導的自噬(Chaperone-mediated autophagy)。自噬在人體內可以促進清除毒物和細胞內聚集的致病蛋白，增強細胞的存活，并可以調節(jié)炎癥。 Nixon〔14〕認為，PD和ALS分別和α-突出核蛋白、TDP-43蛋白在神經元細胞中異常積聚有關。細胞自噬的神經保護作用就是依賴溶酶體在細胞內降解這些突變的蛋白。 在運動神經元中，在神經軸突末端形成自噬小泡，依靠動力蛋白將三磷酸腺苷(ATP，細胞的主要能源) 轉化為機械力，使自噬小泡從微管向溶酶體運輸，自噬小泡靠近溶酶體并與之融合。 動力蛋白功能障礙減少了自噬小泡的逆行運輸，導致細胞內自噬小泡數(shù)量增多，從而影響細胞自噬功能，導致神經元死亡。在ALS中，錯誤折疊的蛋白質，例如TDP-43等，大量的聚集在細胞質、細胞核或細胞外基質中，從而破壞細胞器，導致神經元功能障礙。另外加強細胞自噬可能是以后治療ALS的重要方法。同樣在PD中，發(fā)現(xiàn)錯誤折疊的PINK1蛋白，正常的PINK1蛋白與Beclin1(自噬效應蛋白)相互作用，促進細胞自噬現(xiàn)象，反之錯誤折疊的PINK1蛋白明顯降低了細胞自噬的能力〔15〕。 從而導致在PD能神經元中α-突出核蛋白等的聚集體，導致神經元的變性死亡。

2.7 外泌體功能障礙 人類神經系統(tǒng)的功能關鍵取決于神經細胞間信息的交換，Janas等〔16〕認為神經退行性疾病發(fā)病機制可能與神經元間或神經元和神經膠質細胞通信功能失調密切相關，同時也認為外泌體與細胞間通訊、生物分子廢物的細胞清除等密切相關。多囊體內的腔內囊泡在神經細胞中順行或逆行運輸，然后作為一種外泌體釋放到細胞外。 研究提供的證據(jù)表明，外泌體含有大量與神經元功能有密切關系的蛋白，包括淀粉樣前體蛋白(APP)，APP C-末端片段(APP-CTFS)，淀粉樣蛋白和胞內結構域(AICD)，銜接蛋白NEDD4家族相互作用蛋白1(Ndfip1)。除了在上述與神經元功能密切相關的蛋白外，外泌體還被證明含有功能活躍的miRNA。所以認為，外泌體在神經保護和神經毒性方面有重要作用。神經保護作用主要包括傳輸神經保護外泌體miRNA到受體神經細胞并清除神經細胞中有毒蛋白質。 神經毒性作用主要包括把潛在的有毒外泌體miRNA或脂質轉移到神經細胞受體并且把外泌體內的有毒蛋白擴散到鄰近的神經細胞。Janas等〔16〕發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)細胞模型中，外泌體的轉移顯著增加了GLT1蛋白表達，GLT1被認為調節(jié)細胞外谷氨酸水平和突觸活化，這些都與ALS、PD等神經退行性疾病發(fā)病相關。

2.8 血管內皮功能障礙 血管內皮功能障礙常與高齡、高水平低密度脂蛋白、高血壓、糖尿病、吸煙者等有關。大量的數(shù)據(jù)表明，PD、sALS常好發(fā)于高齡人，F(xiàn)ukui等〔17〕研究認為血管內皮功能障礙除了在動脈粥樣硬化早期階段的作用外，在神經變性疾病如ALS、PD的進展中也起重要作用。主要致病機制可能與導致神經元內氧化應激作用的累積有關，最終通過自由基物質損害，導致神經元死亡。

3 結 語

目前，PD、 ALS在臨床治療上尚未有效治療藥物，尤其是ALS。因此，希望在發(fā)病機制的研究上，找到治療PD和ALS疾病的靶點。在本文中，我們發(fā)現(xiàn)PD和ALS的發(fā)病機制之間具有共同性，如金屬毒性、免疫/炎癥反應、興奮性毒性、線粒體功能障礙、氧化應激、細胞自噬、內皮功能障礙、外泌體功能障礙，這些共性為我們研究PD，ALS的發(fā)病機制提供了新的思路。

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〔2015-12-19修回〕

(編輯 李相軍)

國家自然科學基金資助項目(30560042,81160161,81360198)

徐仁伵(1969-),男,教授,主任醫(yī)師,博士生導師,主要從事肌萎縮側索硬化和帕金森病的發(fā)病機制和防治研究。

甘衛(wèi)明(1991-),男,碩士,主要從事肌萎縮側索硬化的防治研究。

R746.4

A

1005-9202(2017)07-1818-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.07.106