犬尿氨酸代謝通路對抑郁癥的影響機制研究進展

秦 宇，張永鶴

(北京大學基礎醫(yī)學院藥理學系，北京 100191)

抑郁癥又稱抑郁障礙，以明顯而持久的心境低落為主要臨床特征，屬情感性精神障礙。抑郁癥不僅為患者帶來痛苦，也對社會經濟造成了巨大負擔。目前抑郁癥的發(fā)病機制仍未明確，且臨床仍有較多患者對基于單胺神經遞質的抗抑郁治療不敏感，因此，急需從新的角度發(fā)現(xiàn)對抗抑郁癥的方法。多數(shù)難治性抑郁癥患者中樞炎癥反應明顯增加。已有研究表明，促炎因子可以通過影響神經內分泌、神經再生和神經遞質代謝過程介導抑郁的發(fā)生[1]，其中犬尿氨酸代謝途徑(kynurenine pathway，KP)被認為是連接神經系統(tǒng)免疫炎性反應等多個系統(tǒng)與抑郁癥的主要途徑。本文對KP與抑郁癥神經-內分泌-免疫系統(tǒng)之間的關系以及作用于KP的藥物研究現(xiàn)狀進行綜述。

1 色氨酸-犬尿氨酸代謝途徑概述

色氨酸(tryptophan，Trp)是人體從外界攝取的必需氨基酸之一，但體內游離的Trp僅有1%～5%被代謝為五羥色胺(serotonin, 5-HT)和褪黑素等重要活性分子，其余則通過KP被代謝為多種活性產物[2]。Trp首先在吲哚胺-2,3-雙加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase，IDO)和色氨酸-2,3-雙加氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)的作用下代謝為中間產物犬尿氨酸(kynurenine，Kyn)。生理條件下IDO的活性較低，此時Trp主要經由位于肝臟的TDO進行代謝；當體內有炎癥反應或處于應激狀態(tài)時，促炎細胞因子(特別是IFN-γ)可誘導IDO活性明顯增加且升高的糖皮質激素會進一步激活TDO，促使Trp向KP發(fā)展，導致中樞和外周5-HT水平下降[3]。KP可以大致分為兩個方向：以Trp-Kyn-3-羥基犬尿氨酸(3-hydroxy-kynurenine，3-HK)-喹啉酸(quinolinic acid，QA)為主的興奮毒性通路和以Trp-Kyn-犬尿喹啉酸(kynurenic acid，KA)為主的神經保護通路。

1.1 Trp-Kyn-3-HK-QA興奮毒性通路Kyn在犬尿氨酸-3-單加氧酶(kynurenine 3-monooxygenase，KMO)的作用下代謝為神經毒性產物3-HK，并進一步代謝為QA。中樞神經系統(tǒng)中的KMO定位于小膠質細胞，因此中樞局部產生3-HK及其下游代謝產物主要由小膠質細胞介導。3-HK和QA均是N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體的激動劑，可明顯增加Ca2+內流、抑制膠質細胞對谷氨酸的重吸收并阻斷谷氨酰胺合成酶的表達，進而干擾谷氨酸-谷氨酰胺-γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)循環(huán)的動態(tài)平衡，加重谷氨酸的興奮毒性。以往認為3-HK主要通過自由基誘導的氧化應激損傷、線粒體功能受損和細胞死亡參與神經損傷過程，但近年來3-HK也被發(fā)現(xiàn)具有一定抗氧化活性，在中樞神經系統(tǒng)中同時發(fā)揮著氧化和還原雙重作用。

1.2 Trp-Kyn-KA神經保護通路KA是唯一的內源性NMDA受體拮抗劑，也是潛在的內源性抗氧化劑，可以清除氧自由基、超氧陰離子和過氧亞硝酸鹽等氧化物。催化KA合成的犬尿氨酸氨基轉移酶(kynurenine aminotransferase，KAT)主要存在于星形膠質細胞，其中KAT II被認為負責大部分中樞神經系統(tǒng)KA的合成。KA主要作用于NMDA受體的甘氨酸B位點，對抗QA引起的興奮性神經毒性。此外，KA還是α7煙堿型乙酰膽堿受體(α7 nicotinic acetylcholine receptor，α7 nAchR)的負性變構調節(jié)劑，這種拮抗作用可能與認知障礙的形成相關。KA對AMPA受體同時具有微弱的拮抗作用和正性變構調節(jié)作用，但其發(fā)揮拮抗作用所需濃度(mmol·L-1)遠超于生理濃度(μmol·L-1)，因而認為在生理條件下KA主要對AMPA受體起促進作用。

2 KP參與抑郁癥發(fā)生的神經-內分泌-免疫調節(jié)網絡

1977年Besedovsky首次提出神經-內分泌-免疫網絡調節(jié)假說，明確了神經系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)彼此之間存在著雙向調節(jié)的現(xiàn)象，通過神經遞質、激素和細胞因子共同維持生理功能的平衡與穩(wěn)定。抑郁癥的發(fā)病機理受到多種機制和因素的調控，綜合考慮抑郁癥的神經炎性損傷假說、單胺假說以及下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA)軸亢進假說可以更全面的了解KP參與抑郁癥形成的過程(Fig 1)。

2.1 KP參與中樞神經系統(tǒng)炎癥反應越來越多的證據表明，中樞炎癥和抑郁之間存在雙向作用關系。KP代謝產物濃度升高與神經元損害相關，特別是海馬和皮層腦區(qū)。在重度抑郁障礙(major depressive disorder，MDD)患者血漿和腦脊液中可觀察到明顯的KP代謝物水平紊亂。正常條件下，KA與QA的生成維持著動態(tài)平衡；但有外來炎癥或機體處于應激狀態(tài)時，促炎細胞因子(如IFN-γ、IL-1β、IL-6和TNF-α)的釋放增加，其可促使小膠質細胞活化并激活IDO和KMO，最終導致KP傾向于Trp—Kyn—3-HK—QA興奮毒性通路。隨后，KP代謝物可誘導星形膠質細胞分化并釋放更多的細胞因子增強免疫反應，造成中樞炎癥與抑郁之間的惡性循環(huán)。KA和QA由于極性不易穿過血腦屏障，但炎癥反應時，參與構成血腦屏障的星形膠質細胞縫隙連接的連接蛋白43減少，導致血腦屏障的完整性受損，可能增加了外周QA入腦的幾率進而加重神經毒性。與KA和QA不同，Kyn可借助L-型氨基酸轉運蛋白1輕松完成跨血腦屏障轉運。一項代謝組學研究表明，在MDD患者中血漿Kyn水平與抑郁癥狀的嚴重程度呈明顯負相關[4]，考慮可能是由于MDD患者的Kyn進入中樞增多，從而導致的外周水平降低。

中樞神經系統(tǒng)中炎癥反應主要由小膠質細胞和星形膠質細胞介導。一項研究發(fā)現(xiàn)，Kyn可通過上調并激活星形膠質細胞中的NLRP2炎癥小體參與小鼠抑郁的發(fā)展[5]。此外，QA和KA作為同一代謝通路中的兩種產物在某些方面發(fā)揮著完全相反的作用，提示了星形膠質細胞和小膠質細胞對KP的差異化處理可能是抑郁癥的生物學差異基礎。使用脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)處理小鼠會致其出現(xiàn)非線性劑量依賴的抑郁樣行為，而這與線性增長的細胞因子水平并不一致。Tao等[6]給予小鼠三個劑量的LPS發(fā)現(xiàn)，僅中劑量組表現(xiàn)出3-HK水平過度升高引起的神經毒性和抑郁樣行為，另外兩組卻未出現(xiàn)類似表現(xiàn)，甚至在高劑量組中觀察到以KA過度升高為主的神經保護作用。隨后他們發(fā)現(xiàn)不同LPS劑量下兩種膠質細胞的活化程度不同，因而引起的KP改變和神經可塑性變化不同，最終導致了差異性的生化和行為學改變。因此，膠質細胞對促炎細胞因子的差異應答，可能是導致KP失調的最直接原因。

芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)被認為是調節(jié)免疫和炎癥反應的一種重要核受體，其已被證實參與調控包括抑郁癥在內的多種由免疫炎癥驅動的疾病。近年來發(fā)現(xiàn)，激活AhR可以抑制星形膠質細胞及小膠質細胞中促炎細胞因子的表達，而Trp的代謝為AhR提供了許多配體，其中就包括KP中的KA、Kyn和黃尿酸等代謝產物[7]。同時，AhR也參與調控IDO、TDO和KMO的表達與激活。全基因組關聯(lián)分析顯示，AhR的單核苷酸多態(tài)性與MDD患者血漿Kyn的濃度變化差異有關[4]。動物研究發(fā)現(xiàn)，直接給予小鼠Kyn可誘導其出現(xiàn)依賴于AhR的快感缺失和行為絕望等抑郁樣表現(xiàn)[8]，提示Kyn-AhR信號通路對于抑郁癥免疫代謝調節(jié)研究具有重要的生物學意義。

Fig 1 Neuro-endocrine-immunoregulatory pathway of depression based on KP

2.2 KP對單胺與非單胺遞質系統(tǒng)的影響抑郁癥患者體內存在明顯的神經遞質代謝異常，2011年就有文獻提出針對KP的抑郁癥“新5-HT”假說。KP的激活除了直接減少5-HT的合成，在IDO的作用下，一部分5-HT也會被降解為甲酰-5-羥基犬尿胺，同時，3-HK還可激活單胺氧化酶促進5-HT的降解。

KP的末端代謝產物均作用于NMDA受體發(fā)揮作用，因此QA和KA對于NMDA受體的作用失調和谷氨酸系統(tǒng)亢進可能是KP參與抑郁癥的關鍵作用點。NMDA受體與抑郁癥的發(fā)生發(fā)展關系十分密切，氯胺酮作為NMDA受體拮抗劑可以迅速增加內側前額葉皮層神經元的突觸數(shù)量和功能，并產生快速且持續(xù)的抗抑郁作用[9]。在抑郁模型小鼠中給予KA的合成類似物7-Cl-KA的前體4-Cl-Kyn，其可穿過血腦屏障同樣發(fā)揮與氯胺酮類似的抗抑郁作用，并與前額葉皮層中的GSK3β-mTOR信號通路相關[9]。另一項研究顯示，預先給予KA可逆轉小鼠強迫游泳實驗中不動時間的延長，而且這種作用可被5-HT2受體拮抗劑、多巴胺受體拮抗劑和GABAA受體拮抗劑不同程度的阻斷[10]，表明KA的抗抑郁作用可能涉及對5-HT能神經元、多巴胺能神經元和GABA能中間神經元的調控。

近年來研究顯示，α7 nAchR和NMDA受體均可調控神經遞質的釋放，內源性的KA下調可增加大鼠腦內細胞外谷氨酸、多巴胺和乙酰膽堿的水平。前額葉皮層局部注射納摩爾級的KA可以濃度依賴性的降低清醒大鼠細胞外GABA和谷氨酸水平，并且可被α7 nAchR正性變構調節(jié)劑抵消，然而應用微透析單獨或聯(lián)合給予大鼠7-Cl-KA(只具有NMDA受體拮抗作用)卻無法重復這種改變[11]。與此類似的研究也表明nmol·L-1濃度的KA可通過抑制α7 nAchR誘導紋狀體的多巴胺水平明顯降低。有趣的是，內源性的KA升高或外源性施用4-Cl-Kyn均可提高大鼠中腦腹側背蓋區(qū)多巴胺能神經元的放電速率和爆發(fā)性放電活動，而這與其對NMDA受體的拮抗作用有較大關系。上述研究顯示，在不同腦區(qū)KA主要發(fā)揮作用的受體存在差異，由此導致的效應也不同甚至相反，這也部分解釋了抑郁癥患者KP代謝物水平的差異性。

2.3 應激壓力下KP與HPA軸的互相調節(jié)HPA軸失調是應激性抑郁的主要特征之一。機體受到應激壓力時，HPA軸的過度激活和負反饋失調將導致體內糖皮質激素水平異常增加。有證據表明，慢性皮質酮給藥可引起大鼠睡眠障礙和抑郁樣行為[12]。糖皮質激素除了對TDO有明顯的激活作用外，在慢性給于皮質酮的小鼠海馬中發(fā)現(xiàn)IDO活性也明顯增強。研究表明應激水平的糖皮質激素可以促進Toll樣受體和NLRP3炎癥小體基因表達并上調促炎細胞因子的水平，進而誘導HPA軸和KP的激活。另外，QA升高會損害海馬和內側前額葉皮層，下調糖皮質激素受體并加重應激壓力下HPA軸的負反饋失調狀態(tài)[13]。

然而，通過對抑郁癥復發(fā)的人群觀察發(fā)現(xiàn)，夜間皮質醇水平的持續(xù)升高與Kyn/Trp比值的降低有關，推測其可能是夜間皮質醇水平的長期升高導致糖皮質激素受體下調，引起TDO的活性降低所致[14]。

3 作用于KP的抗抑郁藥物研究現(xiàn)狀

3.1 動物抑郁模型中的KP干預研究目前已有一些藥物通過對KP的干預在嚙齒類動物的抗抑郁方面初顯療效：(1)IDO和TDO是KP中重要的限速酶。其中IDO主要包括IDO1和IDO2兩種類型，而前者在體內分布較多并發(fā)揮主要作用。IDO1型抑制劑1-MT能夠明顯減少散發(fā)型阿爾茨海默癥模型小鼠懸尾實驗和強迫游泳實驗的不動時間，改善焦慮和抑郁癥狀[15]。新型IDO抑制劑DWG-1036可改善家族型阿爾茨海默癥模型小鼠(3×Tg-AD)的學習記憶能力和焦慮抑郁樣行為，但是具有明顯的性別差異[16]。另一方面，TDO抑制劑別嘌呤醇可減輕慢性束縛應激小鼠的抑郁相關行為以及循環(huán)Kyn水平的增加[17]。(2)有研究表明，KMO基因敲除小鼠對LPS誘導的抑郁無效。腦室內注射KMO抑制劑Ro 61-8048可以消除神經損傷模型小鼠的抑郁樣行為，但并不改善疼痛癥狀，提示抑制KMO可能成為治療抑郁的有效新靶點[18]。(3)利用血腦屏障轉運機制也可預防或治療炎癥引起的抑郁樣癥狀。預先給予小鼠L-型氨基酸轉運蛋白1競爭性拮抗劑亮氨酸可阻斷Kyn及其代謝產物的中樞轉運，并明顯消除LPS引起的抑郁樣癥狀[19]。(4)慢性抗抑郁藥的應用可刺激海馬和皮層的KAT基因表達和KA產生。在小鼠實驗中，運動訓練可通過增加骨骼肌中KAT的表達減弱外周Kyn的累積，預防慢性溫和應激引起的抑郁癥狀產生[20]。

3.2 現(xiàn)有研發(fā)藥物及臨床試驗現(xiàn)況電痙攣療法以及氯胺酮、地昔帕明等抗抑郁藥物的作用機制已被證明與其對KP的干預有關，但直接作用于KP的藥物還未在臨床中得到應用，因此發(fā)現(xiàn)作用于KP的新型抗抑郁藥物或輔助治療藥物成為目前亟待解決的問題。由VistaGen公司研發(fā)的新型口服NMDA受體拮抗劑AV-101(4-Cl-Kyn)此前已進入II期臨床隨機對照試驗。Park等[21]給予19名難治性抑郁癥患者連續(xù)14 d的AV-101，結果表明AV-101安全且耐受性良好，但單一療法在所研究劑量和治療持續(xù)時間下并未產生抗抑郁作用。未來應進一步確認有效的給藥劑量以及治療持續(xù)時間，或考慮將其與經典抗抑郁藥物聯(lián)合給藥治療。如前所述，L-亮氨酸已在動物實驗中被證明具有快速抗抑郁作用，并于2017年進入II期臨床試驗，目前仍在進行中。

3.3 其他可能靶點及研究方向除上述已被證實的具有抗抑郁效應的作用位點外，針對KP其他酶或者中樞轉運的調節(jié)也有希望成為治療抑郁的靶點：(1)喹啉酸磷酸核糖基轉移酶(quinolinate phosphoribosyltransferase，QPRT)雖然并非KP的限速酶，但QPRT可將過剩的QA代謝為DNA修復底物煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)。在LPS活化的巨噬細胞中發(fā)現(xiàn)，QPRT上游的KP代謝物和酶的表達均增加，但QPRT和NAD+的水平卻明顯下降。而過表達QPRT可恢復NAD+的合成和巨噬細胞的功能，并使升高的炎癥因子水平趨于正常[22]。已有研究觀察到在神經膠質瘤中QPRT水平的升高具有細胞保護作用，因而提高QPRT的活性或許可起到改善和修復神經炎癥反應的作用。(2)3-羥基鄰氨基苯甲酸-3, 4-雙加氧酶(3-hydroxyanthranilic acid dioxygenase，3-HAO)是QA的直接生物合成酶，其抑制劑由于缺乏體內的穩(wěn)定性，在實驗和臨床應用中受到限制。直至2013年，由Vallerini等[23]化學合成出一系列2-氨基煙酸1-氧化物衍生物，成為第一種在體內化學穩(wěn)定且有活性的3-HAO抑制劑。其中的化合物6經測試后發(fā)現(xiàn)其可迅速減少神經退行性疾病模型大鼠中的QA生成，同時增加KA的產生，發(fā)揮神經保護作用，但截至目前還未有研究探明3-HAO抑制劑與抑郁癥之間的關系。(3)研究表明，抑郁癥患者的血腦屏障通透性更高，而炎癥反應過程中血腦屏障的破壞會加速外周促炎細胞因子和有毒代謝產物進入中樞。TNF-α抑制劑依那西普可修復習得性無助模型小鼠受損的血腦屏障緊密連接并逆轉其抑郁樣行為[24]，因此，保證血腦屏障的完整性也能夠起到一定的神經保護作用和可能的抗抑郁作用。

4 討論與展望

4.1 KP對抑郁癥臨床診斷和分型具有重要意義抑郁癥是一種高度異質性的疾病，精準治療的前提是精準診斷，因此，尋求更為準確的臨床診斷方式不僅有利于分型個體化治療，還有助于監(jiān)測治療情況。在72名未接受藥物治療的抑郁癥患者體內發(fā)現(xiàn)，腦脊液與血漿中的KP代謝物水平密切相關，其中Kyn/Trp比值是最具有相關性的指標[25]。在正常哺乳類動物腦內約40%的Kyn經過中樞代謝途徑合成，另外60%則來自外周，因此，外周Kyn的濃度可能在一定程度上代表中樞KP代謝物的水平。最新的研究表明，結腸與海馬的Kyn水平存在明顯的正相關，提示結腸中的Kyn可能是外周的重要來源之一[26]。一組對MDD、雙相抑郁障礙和健康對照者的血漿KP代謝物檢測結果顯示，KA的水平用于診斷MDD的準確度可達82.5%，當結合QA的水平時可將準確度提升至83.6%[27]。因此，未來KP的代謝物水平很有希望成為抑郁癥的臨床血清學檢測指標。

4.2 KP及神經炎癥反應的區(qū)域特異性值得注意的是，促炎細胞因子在外周和中樞對KP的影響存在差異。Li等[26]檢測了慢性不可預測性溫和應激大鼠結腸、皮層和海馬中KP代謝物及關鍵酶的水平，發(fā)現(xiàn)KP在結腸中更容易被代謝為KA，而在皮層和海馬中則更容易被代謝為3-HK。Doolin等[28]研究了首次和再復發(fā)抑郁人群血漿中KP代謝物水平的差異，發(fā)現(xiàn)首次抑郁發(fā)病人群主要表現(xiàn)為血漿KA水平下調，而復發(fā)人群則主要表現(xiàn)為QA水平上調，提示MDD的發(fā)生可能主要是由于KA水平降低所致，而慢性或復發(fā)性MDD可能是QA水平增高引起的。也間接提示了不同病程的抑郁患者KP激活可能不同，亦或可根據KP代謝物濃度來區(qū)分不同的患病人群。與大多研究結果不同的是，Clark等[29]的一組尸檢報告顯示，與健康對照組相比在MDD患者腹外側前額葉皮層中沒有觀察到活化的小膠質細胞和細胞因子上調等炎癥反應指標，并且Kyn/Trp比值、QA和主要KP酶表達水平均明顯降低，表明在抑郁癥患者腹外側前額葉皮層中可能并未發(fā)生經典的炎癥和KP激活。Woelfer等[30]在前扣帶回中發(fā)現(xiàn)了NMDA受體與KP的重疊特性，即在前扣帶回中顯示出較高NMDA受體密度的區(qū)域(如背側前扣帶回)其QA的表達較高，而在NMDA受體分布較低的區(qū)域(如膝前扣帶回)檢測不到QA的表達。

以上針對不同部位以及病程之間的KP差異提示外周和中樞神經系統(tǒng)中免疫炎癥反應、神經遞質受體和KP均存在區(qū)域特異性，未來進一步探明其中的差異性和重疊效應將有利于我們了解抑郁癥患者的KP變化和KP對抑郁癥的影響機制。

5 結語

綜上，KP的激活在情緒調節(jié)中起著至關重要的作用，人們對KP參與抑郁癥的研究可追溯至上世紀70年代。KP被發(fā)現(xiàn)存在于體內多個系統(tǒng)并相互影響，很有可能成為抑郁癥眾多假說的貫通點。抑郁癥患者數(shù)量正逐年增加，未來KP的臨床應用價值將越來越受到關注。進一步研究KP與抑郁癥之間的關系，并評估不同抗抑郁藥物的作用機制與KP之間的聯(lián)系，將有助于新靶點抗抑郁藥物的研發(fā)。