五羥色胺能系統與肌萎縮側索硬化發病機制

何佩 朱瑜， 江建香， 江師師， 徐仁伵

(1南昌大學醫學部研究生院，江西 南昌 330006;2江西省人民醫院神經內科)

肌萎縮側索硬化(ALS)是最常見的運動神經元病，目前發病機制不清，從神經化學的角度上看，ALS的發病機制可能與五羥色胺(5-HT)能系統相關，本文主要闡述5-HT能系統對ALS的直接影響及間接影響。

1 ALS可能的發病機制概述

ALS是一系列以上、下運動改變為突出表現的慢性進行性神經系統變性疾病，臨床表現為上、下運動神經元神經元損害的不同組合，特征表現為肌無力和萎縮、延髓麻痹及錐體束征。發病后2～5年內導致死亡。ALS的診斷目前主要基于體征、癥狀及神經生理學檢查，主要依靠肌電圖。然而并沒有ALS的血液檢查，是否可以根據腦脊液和(或)血漿的5-HT系統相關物質來幫助診斷ALS，值得研究。有學者認為〔1〕ALS發病與人類免疫缺陷病毒、阮病毒感染相關，ALS患者的血清可能對前腳細胞等神經組織存在毒性作用，值得驗證。ALS的發病與某些金屬元素中毒或某些金屬元素的缺乏相關，已發現患者血液和腦脊液中鉛含量增高，某些地區ALS高發病率可能與環境中金屬元素含量的差異相關。ALS大多為散發病例，5%～10%的患者有家族史，遺傳方式為常染色體顯性遺傳，最常見的致病基因是銅(鋅)超氧化物歧化酶(SOD)-1基因，約20%的家族性ALS與此基因相關〔1〕。近年來發現1號染色體上TAR DNA結合蛋白(TDP)-43基因突變與家族性和散發性ALS均相關。9號染色體開放閱讀框72基因(C90RF72)非編碼區GGGGCCC六核苷酸重復序列與25%左右的家族性ALS相關〔2〕，這些研究為發現ALS發病機制帶來希望。近年來發現興奮性氨基酸尤其是谷氨酸的神經細胞毒性在ALS發病中起著重要作用〔3〕，谷氨酸通過激活磷酸化神經絲的蛋白激酶來減少神經絲的軸突運輸，軸突運輸缺陷可能會助長垂死過程〔4〕，而5-HT沿著軸突在大腦廣泛分布，因此懷疑這種軸突的損害，5-HT是否起了一種保護作用。近年來學者發現5-HT神經失神經導致其對谷氨酸釋放的抑制控制喪失，導致谷氨酸誘導的下運動神經元和上運動神經元中的神經毒性〔5〕。此外還發現ALS患者腦脊液中抑制性神經遞質γ-氨基丁酸(GABA)水平較對照組明顯降低，而去甲腎上腺素(NA)較對照組升高，病情越嚴重，這種變化越明顯。而研究發現5-HT是可以影響GABA和NA的釋放。

2 5-HT系統

大腦中約有300 000個含5-HT的神經元，其具有大量的分支，因此5-HT系統密集地支配幾乎所有大腦皮層區域〔6〕。中縫核神經元是大腦5-HT的主要來源，總共分為9個核團，命名為B1-B9，其中大部分核團含有5-HT的神經元，由尾部組(B1-B4)產生的軸突形成向脊髓、小腦、腦橋和中腦結構的下行系統，而從更多的延髓簇(B5-B9)發出的上行纖維與大腦皮層、下丘腦、丘腦、基地神經節、海馬等連接。因此這種廣泛的神經元網絡可以將5-HT視為中樞神經系統的主要調節器之一，在許多生理活動中起著重要的作用，例如，激素的分泌、覺醒周期、運動控制、免疫系統功能、傷害感覺系統、食物攝入、能量代謝、心血管疾病、呼吸功能、體溫調節、攻擊、意識、學習、記憶、嗅覺和相關病理狀態(抑郁、焦慮、躁狂、精神分裂癥、自閉癥、肥胖、吸毒、偏頭痛和高血壓)的病因學等起著非常重要的作用〔7～9〕。根據5-HT的化學結構、生物特性及藥理作用，5-HT受體分為7個家族(5-HT 1-7)，14種亞型(5-HT1A/1B/1D/1E/1F、5-HT2A/2B/2C、5-HT3、5-HT4、5-HT5A/5B，5-HT6和5-HT7)〔10〕，5-HT1A廣泛分布在中樞神經系統，主要分布在海馬、扣帶回和前額皮質、外側隔和中腦溝核。細胞體或中縫核神經元樹突上的5-HT1A自身受體的激活影響局部5-HT釋放而發揮抑制性反饋作用。5-HT1A受體參與嚙齒動物的幾種生理、行為、認知和發育功能。其中，刺激5-HT1A受體促進大腦中乙酰膽堿(Ach)和NA釋放及促腎上腺皮質激素釋放激素(CRH)、促腎上腺皮質激素(ACTH)和皮質醇水平〔11〕，另一方面，這些受體的激活引起5-HT和谷氨酸腦水平的降低及生長激素分泌的下降〔12〕。5-HT1A受體參與運動行為(激活可引起平坦的身體姿勢，前爪踩踏、甩尾、下唇縮回和運動激活)、交配行為疼痛知覺(激活引起鎮痛)和情緒行為(激活引起焦慮癥)。5-HT1A受體激動劑在許多體內神經生成模型中均表現出神經營養活性，并在體外促進神經生長因子對神經突生長的作用。5-HT1B受體在中樞神經系統(特別是黑質、蒼白球、腹側蒼白球、上皮腎小管核、尾狀殼核和額葉皮層)中最高表達。5-HT1B受體要么是5-HT神經元末端的自體受體(抑制5-HT釋放)，要么是GABA、Ach和谷氨酸的末端異源受體。它控制這些神經遞質的釋放，5-HT1B受體刺激行為效應包括吞咽不足、體溫過低、性行為、運動行為(運動過度活躍、旋轉、肌陣攣性抽搐)〔13〕。5-HT1D受體在人腦中基底神經節(黑質、蒼白球)、中腦(導水管周圍的灰色)和脊髓較高表達。嚙齒動物對5-HT1F受體的刺激引起神經元超極化，抗偏頭痛藥物“曲普坦”(例如舒馬普坦)對5-HT1F受體具有高親和力，因此被建議作為控制偏頭痛原因的神經源性炎癥的大腦靶點〔14〕。5-HT2A受體廣泛分布于中樞神經系統，在皮質、屏狀核、海馬、下丘腦和基底神經節中表達最高，研究表明5-HT2A受體刺激對DA、谷氨酸和GABA的釋放具有促進作用，而對NA釋放有抑制作用〔15～18〕，5-HT2A受體刺激對嚙齒動物的其他生理和行為影響包括促進催生素、腎素、催乳素、促腎上腺皮質激素和皮質醇的血液分泌、誘導體溫過高、運動行為。5-HT2B受體在中樞神經系統中的定位僅限于某些大腦區域，包括小腦、外側隔、下丘腦和杏仁核〔19〕，嚙齒動物大腦中的5-HT2B受體刺激會引起運動行為(修飾減少)、情緒行為(焦慮癥)、食物攝入(吞咽過多)和疼痛感的變化〔20〕。5-HT2C是脈絡叢中存在人類和嚙齒動物中最高的5-HT2受體水平，調節腦脊液的產生〔21〕，在大腦的其他部位水平較低，大腦5-HT2C受體的激活在幾個大腦區域引起神經元去極化。體內神經化學顯示出抑制作用，5-HT2C受體激動劑引起的運動和焦慮作用不敏感〔22〕。5-HT3受體在中樞神經系統中廣泛分布，密度最高，位于后區域，孤束核、三叉核、背迷走神經復合體和幾個邊緣結構〔18〕，5-HT3受體的激活促進了體內5-HT、膽囊收縮素、DA和GABA的釋放，降低了谷氨酸的釋放并調節了Ach的釋放〔23，24〕，5-HT3受體刺激在嚙齒動物中的其他功能性作用包括誘發運動行為和控制情緒行為。5-HT4受體刺激嚙齒動物中的作用包括促進記憶鞏固和減少進食的生理驅動力，而受體拮抗介導抗焦慮〔25，26〕。腦5-HT6受體的激活在幾個腦區域引起神經元去極化。體內神經化學發現表明5-HT6受體刺激促進5-HT、DA和GABA的釋放，而Ach突觸水平下降〔27〕，5-HT6受體在運動行為(出現打哈欠、伸展和咀嚼的特定行為綜合征)、食物攝入和體重(減少)及學習和記憶過程(增強保留空間學習)有重要作用〔12，20，28〕。幾種抗精神病藥(例如氯氮平、奧氮平)和抗抑郁藥(例如阿米替林、阿托品和去甲替林)對5-HT6受體具有高親和力和拮抗作用，并且這些受體被認為是發展用于治療精神分裂癥和抑郁癥的重要大腦靶點〔29〕。5-HT7受體的高密度定位在丘腦、海馬、大腦皮層、杏仁核和視交叉上核〔30〕，5-HT7受體一直與晝夜節律調節、睡眠結構、情緒、癲癇發作、疼痛知覺，認知和體溫調節的病因有關〔30～32〕。

5-HT系統對靶神經元產生廣泛影響，如運動神經元興奮性閾值控制，并與許多其他神經遞質相互作用，包括DA、NA、谷氨酸、GABA和各種肽。5-HT對胚胎神經系統的發育也起著重要作用，胚胎神經系統涉及神經突向外生長和神經元分化，包括突觸生長、5-HT在大腦廣泛分布，被視為中樞神經系統的主要協調者之一，在運動活動中具有非常重要的作用。在ALS患者中，運動和非運動癥狀歸因于這種監督神經遞質系統的功能障礙〔5〕。

3 5-HT對ALS的影響

3.15-HT對神經的保護作用 谷氨酸興奮性中毒也是ALS的一個原因。同步釋放的L-谷氨酸是中樞神經系統中最重要的興奮性神經遞質，通過快速有效的轉運〔如星形細胞谷氨酸轉運體(GLT)1〕將其從細胞外空間清除。對這些轉運蛋白的破壞會導致體重減輕，縮短ALS患者的生存時間。5-HT能神經失神經導致其對谷氨酸釋放的抑制控制喪失，導致谷氨酸誘導的下和(或)上運動神經元中的神經毒性〔33〕。5-HT系統具有神經保護和抗炎作用。

3.25-HT調節ALS的發作和生存 由于5-HT神經元和血小板表達的5-HT相關酶和受體相似，因此中央5-HT的變化很可能反映在血小板5-HT水平。已有研究證實〔34〕ALS患者的血小板5-HT水平顯著降低，血小板5-HT水平與疾病持續時間無關，但與患者生存率呈正相關。5-HT水平處于正常范圍的患者死亡風險降低了57%，血小板5-HT水平與生存之間的正相關性強烈表明，5-HT會影響ALS疾病的進程。5-HT的降低可能是疾病的先發發作，并與5-HT代謝的內在變化有關，也可能是疾病過程本身的結果。

3.35-HT調節能量代謝 一個更有吸引力的假設是血清素與能量代謝之間的關系。血清素參與ALS改變的一系列功能，包括運動神經元興奮性和能量代謝，已知在ALS患者中顯示出能量代謝異常，血清素調節能量〔35〕，大量的ALS患者及轉基因ALS小鼠顯示出能量消耗的增加〔35～37〕，這種表型與腦源5-HT的慢性耗竭作用相似〔38〕。未來的研究應集中于5-HT和ALS中能量代謝之間的潛在關系。有研究表明黑皮質素系統能夠恢復SOD1小鼠的部分體重減輕和增加能量消耗，5-HT神經支配的喪失是導致SOD1小鼠黑皮質素缺陷的原因〔39〕。

3.45-HT緩解或延緩吞咽困難 ALS患者有一部分表現出吞咽困難，支配吞咽的相關神經腦干運動核(即三叉神經、面神經核、迷走神經核和舌下核)從腦干和大腦的許多其他區域接受密集的5-HT神經支配。5-HT替代或選擇性5-HT再攝取抑制劑，例如帕羅西汀或氟西汀，可能對大量有吞咽困難的患者具有廣泛的應用，因此，早期補充5-HT可以緩解或延緩神經系統疾病的吞咽困難癥狀，為患者提供更好的生活質量并降低患者的死亡風險〔40〕。

3.55-HT增加運動元興奮性 5-HT和NA增加了運動神經元的興奮性。 5-HT可通過降低動作電位閾值、增加超極化激活的內向電流(IH)、降低超極化后電位(AHP)和增加輸入電阻來增加興奮性〔41〕。單胺能(即DA、5-HT和NA)的途徑已被證明可以啟動并促進脊髓運動輸出的表達，從而控制節段反射并發揮主要作用〔42〕。

3.65-HT激活呼吸頻率和幅度 5-HT對運動活動和呼吸有促進作用，5-HT神經元與許多呼吸節律必不可少的初級呼吸核之間存在相互聯系，體外研究表明，中縫核的5-HT神經元自發地起呼吸節律作用，并且在吸氣時其發動頻率增加，這是呼吸活動的關鍵起搏器〔43〕，中縫核血清素能神經元激活呼吸頻率和幅度并增強中樞呼吸化學反射，除了在呼吸化學敏感性和呼吸節律中發揮作用外，5-HT神經元還可能調節上呼吸道阻力和對缺氧的心血管反應，5-HT神經元與腦干呼吸網絡的相互作用可能在呼吸節律和化學敏感性中起主要作用〔44，45〕。這些發現表明5-HT系統是治療ALS患者呼吸衰竭潛在的治療靶標，5-HT對運動活動和呼吸有促進作用。

在ALS中優先受影響的神經元，包括三叉神經、面神經、舌下和腹角運動神經元，均接受密集的5-HT神經支配。而對ALS的神經變性過程更具抵抗力的運動神經元組(例如動眼運動核)接受稀疏的5-HT輸入。ALS會影響腦脊髓5-HT神經元，而5-HT神經元可能會導致ALS患者痙攣性痙攣〔46〕。

4 5-HT相關受體物質對ALS的影響

4.1小膠質細胞上的5-HT2B受體延緩ALS疾病進展 ALS早期，5-HT不斷耗竭，有實驗〔47〕在大鼠中觀察到5-HT2B受體表達的增加是對5-HT神經支配喪失的補償反應，并且通過它們變得過度興奮而有助于存活的運動神經元的可塑性。5-HT和三磷酸腺苷(ATP)促進了小膠質細胞的遷移。研究發現小膠質細胞是中樞神經系統的常駐單核吞噬細胞，與神經退行性疾病如ALS的發病機制有關，在SOD1G93A小鼠中，發現小膠質細胞5-HT2B受體的表達在腰(L3-5)脊髓組織中被上調，而阻斷小膠質細胞上的5-HT2B受體可促進疾病進展〔47〕，5-HT2B受體的增加可能是由于組成活性5-HT2B受體的代償性產生。盡管這些受體可能通過增加運動神經元興奮性來促進膈肌運動和維持呼吸，但也可能會發生痙攣〔47〕，5-HT2B是在小膠質細胞中表達的5-HT受體，在3種不同的ALS轉基因小鼠模型的脊髓中均被上調。5-HT2B在神經退行性病變期間可積極促進小膠質細胞的存活，調節單核吞噬細胞的存活和功能，5-HT2B受體刺激可提高原發性小膠質細胞的存活率，而5-HT2B受體的抑制作用可降低原發性小膠質細胞的存活率〔48〕，5-HT2B受體消融對單核吞噬細胞產生巨大影響與加速疾病進展有關。5-HT2B受體限制了脊髓單核吞噬細胞(最可能是小膠質細胞)的變性，并減慢了ALS中的疾病進展。由此可看出5-HT2B受體的代償性產生可能延緩疾病進展，靶向該受體可能在治療上提供幫助。

4.2星形膠質細胞上的5-HT1A受體在ALS中起神經保護作用 星形膠質細胞是中樞神經系統中最豐富的支持神經元的神經膠質細胞。其神經保護作用已在各種神經系統疾病如ALS、脊髓損傷、腦卒中和帕金森病(PD)中得到證實〔49～51〕，星形膠質細胞通過產生抗氧化劑、釋放神經營養因子和攝取潛在的神經毒性分子(例如突觸間中的谷氨酸過量和細胞外α-突觸核蛋白聚集體)刺激星形膠質細胞上的5-HT1A受體，促進星形膠質細胞增殖并上調抗氧化分子〔50〕，從而在ALS中起神經保護作用。5-HT1A受體是中樞神經系統中5-HT信號傳導的關鍵介質。研究已證明了紋狀體星形膠質細胞中5-HT1A受體的表達，并且該受體的刺激對DA神經毒性具有神經保護作用，星形膠質細胞中對神經吞噬的線粒體的降解是作為神經保護靶標的顯著現象，可對ALS產生神經元修復。

4.35-HT的前體物質5-HT酸(5-HTP)可改善ALS的運動功能和存活率 實驗發現〔52〕，將轉基因SOD1 G93A小鼠和野生型同窩小鼠每周3次(0、5或50 mg/kg)全身性注射5-HTP，每周記錄動物體重、運動功能和存活率。經5-HTP處理的小鼠以劑量依賴性方式顯著延遲了SOD1 G93A小鼠的后肢無力和死亡率。全身注射5-HTP可延緩ALS小鼠的后肢肌肉無力并降低肌張力。此外，5-HTP的高劑量給藥顯著延長了小鼠的壽命。SOD1 G93A小鼠中施用5-HTP可改善運動功能和存活率。這些研究提示，5-HT代謝在SOD1表達升高和運動神經元疾病的小鼠中具有重要作用〔52〕。

4.45-HT2B/C受體引起ALS痙攣反射和運動維持 痙攣發生在多種神經系統疾病中，包括神經退行性疾病(例如ALS或多發性硬化)，痙攣通常被定義為肌肉過度拉伸反射，可能嚴重限制日常生活，也可能導致嚴重受損患者低水平運動功能〔53〕。痙攣由5-HT神經軸突的喪失引起。通常，5-HT通過持續鈣電流的增加來介導運動神經元的興奮性，但是隨5-HT神經支配的喪失而降低，失去了5-HT的傳遞，并且運動神經元變得興奮過度〔54〕。為了補償脊髓損傷后腦干5-HT輸入的這種損失，運動神經元產生了具有組成型活性的5-HT2B和5-HT2C受體，5-HT神經元的變性對于通過5-HT2B/C受體引起痙攣是必要的。5-HT神經元的變性通常與營養不良5-HT纖維的出現有關，營養不良5-HT纖維在遠端投射區域處特別擴大、腫脹和聚集〔55，56〕。靶向5-HT系統的多種藥物可用于治療神經系統疾病的痙攣。5-HT神經元變性觸發ALS痙攣，痙攣是ALS的主要癥狀，證據表明，與ALS相關的痙攣由5-HT2B/5-HT2C受體的組成性活動引起，5-HT2B/C受體非依賴性活性的配體確實可以導致部分持久性痙攣反射的發展及維持運動〔57，58〕，痙攣被認為是由運動神經元激活的一種補償機制，這些發現對ALS病理生理的理解有重要的意義〔59〕。

綜上，腦脊液或血液里沒有可用于診斷ALS的生物標記物。因此，未來的研究應該關注ALS的5-HT系統功能障礙，并使5-HT系統相關標志物用于臨床患者的常規檢查，此外，目前研究已經發現5-HT可以延緩ALS疾病的發展，所以5-HT用于治療ALS具有巨大的發展潛力。