神經(jīng)細(xì)胞退行性病變機(jī)制研究進(jìn)展

神經(jīng)細(xì)胞退行性病變機(jī)制研究進(jìn)展

曾紀(jì)榮

(贛州市人民醫(yī)院藥劑科，江西贛州341000)

關(guān)鍵詞〔〕神經(jīng)細(xì)胞；退行性病變

中圖分類號〔〕R830〔

第一作者：曾紀(jì)榮(1965-)，男，副主任藥師，主要從事藥劑科管理研究。

神經(jīng)退行性疾病(ND)是由神經(jīng)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(xì)胞凋亡引起的大量神經(jīng)細(xì)胞丟失；二是神經(jīng)系統(tǒng)沒有明顯的神經(jīng)元數(shù)量減少，但神經(jīng)元出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行性退行性變性〔3〕。目前這些復(fù)雜疾病的病因仍未明確闡明。

1氧化應(yīng)激(OS)

OS被認(rèn)為是導(dǎo)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+，F(xiàn)e2+)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(jīng)元的損傷主要有以下方面：細(xì)胞膜被自由基脂質(zhì)氧化，使膜磷脂受破壞并降解；導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加，鈉、鈣等物質(zhì)進(jìn)入造成細(xì)胞毒性水腫；線粒體破壞，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。細(xì)胞死亡又會產(chǎn)生更多的自由基，造成惡性循環(huán)。隨著年齡的增加，體內(nèi)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(jī)體的損傷也會更加嚴(yán)重。因此在多種神經(jīng)退行性疾病中，OS被認(rèn)為是其中一個重要的發(fā)病因素〔3～7〕。

2線粒體功能障礙

線粒體主要功能是將有機(jī)物氧化產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為ATP以供其他代謝過程利用。細(xì)胞中線粒體的具體數(shù)目取決于細(xì)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(xì)胞質(zhì)體積的25%)。線粒體除提供神經(jīng)元所需要的能量外，還參與蛋白質(zhì)的合成和細(xì)胞增殖。而在神經(jīng)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(jīng)元的正常功能。線粒體功能障礙主要包括線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常和線粒體功能異常，是神經(jīng)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(xiàn)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(fā)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?zhǔn)艿揭种?、酶活性降低、線粒體DNA(mtDNA)的損傷等引起的能量代謝障礙，進(jìn)而導(dǎo)致一系列相互作用的損傷過程。由于PD患者黑質(zhì)中線粒體酶復(fù)合體Ⅰ缺陷導(dǎo)致產(chǎn)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(xì)胞內(nèi)外離子失衡，膜電位下降，導(dǎo)致電壓依賴的通道如Ca2+通道的持續(xù)開放，造成Ca2+急劇內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)Ca2+增多，耗竭細(xì)胞內(nèi)ATP，同時通過活化蛋白酶、脂肪酶、核酸內(nèi)切酶介導(dǎo)興奮毒性的細(xì)胞損傷，造成神經(jīng)元死亡〔10，11〕。

線粒體損傷及功能改變在細(xì)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(lián)受損、膜電位降低等線粒體功能的改變，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)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(dǎo)的興奮毒效應(yīng)有關(guān)。

3興奮性中毒

谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，介導(dǎo)神經(jīng)元突觸可塑性和生理條件下的學(xué)習(xí)記憶和神經(jīng)元的發(fā)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(shù)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(jīng)毒性，需要機(jī)體通過轉(zhuǎn)運系統(tǒng)將谷氨酸再攝取，使細(xì)胞外谷氨酸的含量低于中毒水平。當(dāng)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(jīng)元就會產(chǎn)生興奮性中毒〔14〕。

興奮性中毒使神經(jīng)細(xì)胞受到損傷或?qū)е缕渌劳?。這種情況也發(fā)生在興奮性神經(jīng)遞質(zhì)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(dá)。海人藻酸和NMDA等興奮性毒素與這些受體結(jié)合，與病理情況下過高水平的谷氨酸一樣，能使Ca2+離子內(nèi)流，進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致興奮性中毒。Ca2+離子大量流入細(xì)胞會激活包括磷脂酶、內(nèi)切核酸酶、鈣蛋白酶等一系列的酶。這些酶的激活會導(dǎo)致細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜和DNA等細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損害。興奮性中毒可能會導(dǎo)致脊髓損傷、腦卒中、肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)、PD、阿爾茨海默病(AD)和多發(fā)性硬化等其他神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。其他導(dǎo)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(jī)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(fā)炎癥的發(fā)生。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞特別是小膠質(zhì)細(xì)胞活化是大腦炎癥的主要標(biāo)志。小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的慢性炎癥反應(yīng)在神經(jīng)退行性疾病發(fā)生、發(fā)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(zhì)細(xì)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(zhì)細(xì)胞失去吞噬作用，反而使小膠質(zhì)細(xì)胞被活化，釋放炎癥細(xì)胞因子，如白細(xì)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(zhì)細(xì)胞和星形細(xì)胞產(chǎn)生淀粉樣前體蛋白(APP)和Aβ，形成惡性循環(huán)，造成APP 和Aβ的量增加，形成老年斑(SP)，最終導(dǎo)致神經(jīng)元受損。研究發(fā)現(xiàn)，向小鼠第4腦室內(nèi)注入脂多糖(LPS)，其以聚合體形式與免疫細(xì)胞(CD)4結(jié)合，引起小膠質(zhì)細(xì)胞活化，產(chǎn)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(dǎo)的神經(jīng)毒性作用和炎癥反應(yīng)，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(chǎn)生，同時又促進(jìn)了SP的形成〔21〕。

5Ca2+失衡

在正常生理條件下，神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)、外的Ca2+濃度受到的Ca2+通道、Ca2+泵等機(jī)制的嚴(yán)格調(diào)控。但是在病理條件下，這種調(diào)控失去了作用，使Ca2+通道異常開放，增加了Ca2+內(nèi)流，造成了細(xì)胞內(nèi)的Ca2+超載〔22～24〕。Ca2+超載引發(fā)了一系列的有害損傷：胞內(nèi)過高的Ca2+濃度能活化鈣調(diào)蛋白(CaM)，使胞內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)增加，引發(fā)過度興奮，影響血管舒張功能，加大了ATP和氧氣的消耗，導(dǎo)致腦內(nèi)缺血、缺氧并產(chǎn)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(zhì)進(jìn)入胞內(nèi)，導(dǎo)致神經(jīng)元功能失?；蛩劳?。Ca2+失衡還可能導(dǎo)致某些細(xì)胞信號通道受到干擾，影響了正常的細(xì)胞功能和相關(guān)基因的表達(dá)〔25〕?？傊?，神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+自體失衡和各種因素導(dǎo)致的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載及其所誘發(fā)的一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終會導(dǎo)致神經(jīng)元退行性變。

6其他機(jī)制

6.1Aβ學(xué)說Aβ來源于APP，P經(jīng)一系列的蛋白水解過程產(chǎn)生Aβ?？扇苄缘摩?APPs能夠充當(dāng)自分泌因子能起神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)營養(yǎng)作用〔26〕。有研究表明，在轉(zhuǎn)基因小鼠中過度表達(dá)APP而不會產(chǎn)生AD癥狀〔27〕。

大多數(shù)進(jìn)行分泌APP分子首先被α-分泌酶剪切，其酶切位置距離細(xì)胞膜12 個氨基酸，過程產(chǎn)生可溶性片段(α-APPs)，α-APPs釋放到囊泡腔和細(xì)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(chǎn)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(chǎn)生一個小的產(chǎn)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?xì)埢茿β區(qū)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(chǎn)生Aβ42，酶切纈氨酸711和異亮氨酸712之間位點產(chǎn)生的則是Aβ40及剩下的P6。β-與γ-分泌酶剪切APP產(chǎn)生Aβ40和Aβ42〔28〕。

傳統(tǒng)的學(xué)說認(rèn)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(jīng)元包裹起來，產(chǎn)生神經(jīng)毒性，神經(jīng)元缺營養(yǎng)，導(dǎo)致神經(jīng)元損傷和死亡。這個過程被認(rèn)為是AD形成的關(guān)鍵。Aβ的神經(jīng)毒性機(jī)制被認(rèn)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(guān)〔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(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)曾被證實與克雅氏病相關(guān)的細(xì)胞朊蛋白(PrPSC)，能夠迅速地與Aβ結(jié)合，導(dǎo)致AD發(fā)生。推測存在神經(jīng)元的表面的PrPSC被Aβ結(jié)合并激活時，可能啟動了細(xì)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(biāo)記物不受影響，表明PrPSC介導(dǎo)Aβ引起的損害〔30〕。

AD研究中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有爭議的實驗結(jié)果。對于動物模型尤其具有爭議性，由于AD的病發(fā)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(yīng)該是受到普遍認(rèn)可的研究該疾病的最好的模型。因為每個實驗室的研究結(jié)果都與他特異的模型系統(tǒng)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(zhì)的過度磷酸化是導(dǎo)致AD和其他一些AD的主要原因〔32〕。在AD患者腦中，已經(jīng)發(fā)生變異的蛋白質(zhì)Tau會吸附大量磷酸鹽，然后聚集在神經(jīng)細(xì)胞里，最終導(dǎo)致神經(jīng)纖維纏結(jié)(NTF)，從而引發(fā)早老性癡呆癥〔33〕。NFT特征是胞內(nèi)原纖維增粗扭曲成不規(guī)則形狀，占據(jù)了胞質(zhì)的空間，擠壓了細(xì)胞器和細(xì)胞核，破壞了神經(jīng)元的正常物質(zhì)輸送，阻斷神經(jīng)元間突觸傳遞，導(dǎo)致神經(jīng)元損傷或死亡。文獻(xiàn)〔34〕報道，如果Tau蛋白一直處于正常狀態(tài)，沒有吸附過量的磷酸鹽，那么它就會進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞核，對其中的DNA形成保護(hù)。利用實驗鼠進(jìn)行測試，結(jié)果證實，在缺乏正常Tau蛋白質(zhì)的情況下，老鼠腦細(xì)胞中的DNA更易受到損害。對過度表達(dá)一種人類Tau基因的轉(zhuǎn)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(fā)是所觀察到的第一個異常，發(fā)生在纏結(jié)形成之前數(shù)小時至數(shù)天。有纏結(jié)的神經(jīng)細(xì)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(jīng)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(jīng)元丟失的進(jìn)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(nèi)鈣超載，維持其穩(wěn)態(tài)；保護(hù)線粒體，提高能量代謝；抑制神經(jīng)細(xì)胞的凋亡；減少與炎癥相關(guān)的細(xì)胞因子等的產(chǎn)生和表達(dá)；營養(yǎng)或保護(hù)神經(jīng)，誘導(dǎo)殘存的功能紊亂的神經(jīng)元恢復(fù)正常，從而促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，神經(jīng)突起的再生，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重塑；通過移植或誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化為神經(jīng)元代替丟失的神經(jīng)元。

對ND的治療主要是延緩病情的發(fā)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(jīng)元全面的功能障礙和損失。利用多途徑、多靶點的優(yōu)勢治療，對改善ND患者的癥狀，調(diào)理腦功能，能起到很好的治療作用。ND發(fā)病所伴隨的病理變化是不可逆的，在患者出現(xiàn)認(rèn)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(fā)展，不能從根本上逆轉(zhuǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷。因此，對于ND應(yīng)該做到早診斷、早治療。

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〔2013-07-13修回〕

(編輯安冉冉/張慧)