帕金森病與肌萎縮側(cè)索硬化發(fā)病機制的共性研究

甘衛(wèi)明 徐仁伵

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)科，江西 南昌 330006)

帕金森病與肌萎縮側(cè)索硬化發(fā)病機制的共性研究

甘衛(wèi)明 徐仁伵

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)科，江西 南昌 330006)

帕金森病;肌萎縮側(cè)索硬化;興奮性毒性;免疫/炎癥反應(yīng);金屬毒性;線粒體;細(xì)胞自噬;外泌體功能障礙;血管內(nèi)皮功能障礙

帕金森病(PD) 與肌萎縮側(cè)索硬化(ALS) 同屬于神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的范疇，目前認(rèn)為二者發(fā)病機制都與基因和環(huán)境有關(guān)。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(yīng)、金屬毒性、線粒體、細(xì)胞自噬、外泌體功能障礙及血管內(nèi)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(jīng)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(zhì)多巴胺(DA) 能神經(jīng)元變性壞死，并在殘留神經(jīng)元內(nèi)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(dǎo)致DA運輸障礙，造成DA能神經(jīng)遞質(zhì)缺乏，乙酰膽堿(ACH)系統(tǒng)功能相對亢進。這種遞質(zhì)失衡導(dǎo)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(xì)胞和大腦皮質(zhì)的錐體細(xì)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(jīng)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(zhì)，即進行性、選擇性、特異性損傷特定神經(jīng)元細(xì)胞,期間可能存在共性的發(fā)病機制。但有關(guān)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(xué)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(jīng)系統(tǒng)(CNS)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，與ALS、PD的發(fā)病機制有一定關(guān)系。目前研究認(rèn)為，重金屬的主要致病機制有：1)汞、鉛可與細(xì)胞膜和線粒體結(jié)合，抑制ACH酯酶的產(chǎn)生，導(dǎo)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(xì)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(jīng)元細(xì)胞的死亡，加速ALS發(fā)病過程。 2)Dusek等〔2〕認(rèn)為，微量元素鐵與PD、ALS 的發(fā)病有一定的關(guān)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(chǎn)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(nèi)通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可吸收的Fe2+。生理水平的鐵參與了能量的產(chǎn)生、DNA合成和修復(fù)、磷脂代謝、髓鞘和神經(jīng)遞質(zhì)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(xì)胞的涌入；③鐵透過血腦屏障運輸能力的失調(diào)，同時當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)又會直接導(dǎo)致鐵再攝取增多，從而惡性循環(huán)并啟動多種機制直接導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡。鐵中毒導(dǎo)致細(xì)胞死亡的機制有：①金屬蛋白產(chǎn)物的受損；②影響含有調(diào)節(jié)鐵響應(yīng)元件的蛋白質(zhì)表達(IRE)；③激活小膠質(zhì)細(xì)胞引起炎癥反應(yīng)；④導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯誤折疊和聚集；⑤直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這些都與PD、ALS等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制有著密不可分的關(guān)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(yīng)用于臨床仍需要大量的實驗研究。

2.2 免疫/炎癥反應(yīng) 在免疫/炎癥反應(yīng)中，研究最多的是小膠質(zhì)細(xì)胞，它是神經(jīng)系統(tǒng)的“巨噬細(xì)胞”，是CNS中一道至關(guān)重要的免疫防線，對神經(jīng)元發(fā)育過程中的正常死亡起著重要作用。小膠質(zhì)細(xì)胞是參與免疫/炎癥反應(yīng)中的主要細(xì)胞類型，通過“吞噬”細(xì)胞殘骸來保護神經(jīng)元。非炎癥期，在神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞協(xié)同作用下，使CNS內(nèi)的大部分小膠質(zhì)細(xì)胞僅表達少量的環(huán)氧酶(COX)-2，而當(dāng)PD、ALS發(fā)生時神經(jīng)元的完整性遭到破壞時，神經(jīng)元直接激活的信號(如促炎分子等)產(chǎn)生或抑制性信號缺失，迅速激活小膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞中的COX-2 mRNA與蛋白水平迅速升高，同時小膠質(zhì)細(xì)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(jīng)毒性物質(zhì)損傷神經(jīng)元，從而使神經(jīng)元變性。故小膠質(zhì)細(xì)胞的作用主要在ALS、PD的晚期，其激活可以明顯加重神經(jīng)元細(xì)胞的死亡，加速疾病的進展〔4〕。 Brochard等〔5〕研究表明，CD4+細(xì)胞在神經(jīng)損害機制中發(fā)揮主要的毒性調(diào)節(jié)作用。有些常見的微生物也可誘導(dǎo)機體的神經(jīng)系統(tǒng)免疫反應(yīng)，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(rèn)為慢性興奮毒性是神經(jīng)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(zhì)，主要與離子型谷氨酸受體結(jié)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(diào)控Na+內(nèi)流而NMDA受體主要調(diào)控Ca2+內(nèi)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(dǎo)致谷氨酸轉(zhuǎn)運受到抑制，造成細(xì)胞外谷氨酸大量蓄積。細(xì)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(dǎo)致Na+內(nèi)流神經(jīng)元去極化，且鈣離子過度內(nèi)流，破壞了細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)從而在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)生一定延緩作用,對患者的肌力和生活質(zhì)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(zhì)DA能神經(jīng)元死亡達50%以上，紋狀體DA遞質(zhì)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(zhì)DA能神經(jīng)元的相關(guān)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(zhì)DA能神經(jīng)元需要我們對其深入研究。

2.4 氧化應(yīng)激 Soraru等〔9〕在ALS患者的脊髓內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量的神經(jīng)元一氧化氮合酶(nNOS)，可生成一定量的自由基NO·，造成氧化應(yīng)激損傷。正常生理情況下，人體內(nèi)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(chǎn)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?qū)⑵渥兂傻突钚晕镔|(zhì)，使其產(chǎn)生和清除處于一個相對平衡狀態(tài)。當(dāng)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(yīng)激損傷。由nNOS生成的NO·在神經(jīng)細(xì)胞中主要作用機制是一方面誘導(dǎo)活化NMDA谷氨酸受體，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子溶度上升；另一方面大量的NO·與細(xì)胞的超氧化物陰離子(O2-)產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽(ONOO-)，它不可逆的影響線粒體呼吸，從而導(dǎo)致神經(jīng)元的壞死。Bhat等〔10〕認(rèn)為，氧化應(yīng)激損傷是PD患者黒質(zhì)DA能神經(jīng)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(jīng)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(rèn)為，在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病早期線粒體即有參與。 線粒體是細(xì)胞的能量“工廠”，為細(xì)胞的各種生命活動提供能量。神經(jīng)元細(xì)胞是一種具有高代謝活性細(xì)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(guān)。 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(dǎo)抑制線粒體功能，可引起劑量依賴性的皮層運動神經(jīng)元死亡，他們認(rèn)為，慢性線粒體功能抑制是通過兩個非NMDA和NMDA受體介導(dǎo)的谷氨酸興奮性毒性所導(dǎo)致的。 這也說明由谷氨酸介導(dǎo)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(rèn)為線粒體的抗氧化劑如超氧化物歧化酶、GPX可以調(diào)控活性氧的濃度，產(chǎn)生氧化應(yīng)激效應(yīng)，除了產(chǎn)生活性氧，同時線粒體也參與了鈣穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞凋亡和脂質(zhì)過氧化等，直接導(dǎo)致了神經(jīng)元細(xì)胞的變性。新的治療方法現(xiàn)在已經(jīng)開始瞄準(zhǔn)線粒體作為一個潛在的藥物靶點。

2.6 細(xì)胞自噬 細(xì)胞自噬(Autophagy)是在細(xì)胞內(nèi)依賴溶酶體降解異常蛋白及損壞的細(xì)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(chǎn)物的再利用。在神經(jīng)退行性疾病中，細(xì)胞自噬被認(rèn)為是決定神經(jīng)元生存和死亡的仲裁器。Kamat等〔11〕在ALS、PD等疾病患者大腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞自噬現(xiàn)象較活躍，認(rèn)為細(xì)胞自噬與ALS、PD等的發(fā)病機制有關(guān)。細(xì)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(dǎo)的自噬(Chaperone-mediated autophagy)。自噬在人體內(nèi)可以促進清除毒物和細(xì)胞內(nèi)聚集的致病蛋白，增強細(xì)胞的存活，并可以調(diào)節(jié)炎癥。 Nixon〔14〕認(rèn)為，PD和ALS分別和α-突出核蛋白、TDP-43蛋白在神經(jīng)元細(xì)胞中異常積聚有關(guān)。細(xì)胞自噬的神經(jīng)保護作用就是依賴溶酶體在細(xì)胞內(nèi)降解這些突變的蛋白。 在運動神經(jīng)元中，在神經(jīng)軸突末端形成自噬小泡，依靠動力蛋白將三磷酸腺苷(ATP，細(xì)胞的主要能源) 轉(zhuǎn)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(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)自噬小泡數(shù)量增多，從而影響細(xì)胞自噬功能，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。在ALS中，錯誤折疊的蛋白質(zhì)，例如TDP-43等，大量的聚集在細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核或細(xì)胞外基質(zhì)中，從而破壞細(xì)胞器，導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙。另外加強細(xì)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(yīng)蛋白)相互作用，促進細(xì)胞自噬現(xiàn)象，反之錯誤折疊的PINK1蛋白明顯降低了細(xì)胞自噬的能力〔15〕。 從而導(dǎo)致在PD能神經(jīng)元中α-突出核蛋白等的聚集體，導(dǎo)致神經(jīng)元的變性死亡。

2.7 外泌體功能障礙 人類神經(jīng)系統(tǒng)的功能關(guān)鍵取決于神經(jīng)細(xì)胞間信息的交換，Janas等〔16〕認(rèn)為神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機制可能與神經(jīng)元間或神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞通信功能失調(diào)密切相關(guān)，同時也認(rèn)為外泌體與細(xì)胞間通訊、生物分子廢物的細(xì)胞清除等密切相關(guān)。多囊體內(nèi)的腔內(nèi)囊泡在神經(jīng)細(xì)胞中順行或逆行運輸，然后作為一種外泌體釋放到細(xì)胞外。 研究提供的證據(jù)表明，外泌體含有大量與神經(jīng)元功能有密切關(guān)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(nèi)結(jié)構(gòu)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(jīng)元功能密切相關(guān)的蛋白外，外泌體還被證明含有功能活躍的miRNA。所以認(rèn)為，外泌體在神經(jīng)保護和神經(jīng)毒性方面有重要作用。神經(jīng)保護作用主要包括傳輸神經(jīng)保護外泌體miRNA到受體神經(jīng)細(xì)胞并清除神經(jīng)細(xì)胞中有毒蛋白質(zhì)。 神經(jīng)毒性作用主要包括把潛在的有毒外泌體miRNA或脂質(zhì)轉(zhuǎn)移到神經(jīng)細(xì)胞受體并且把外泌體內(nèi)的有毒蛋白擴散到鄰近的神經(jīng)細(xì)胞。Janas等〔16〕發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)細(xì)胞模型中，外泌體的轉(zhuǎn)移顯著增加了GLT1蛋白表達，GLT1被認(rèn)為調(diào)節(jié)細(xì)胞外谷氨酸水平和突觸活化，這些都與ALS、PD等神經(jīng)退行性疾病發(fā)病相關(guān)。

2.8 血管內(nèi)皮功能障礙 血管內(nèi)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(guān)。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(rèn)為血管內(nèi)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(jīng)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(dǎo)致神經(jīng)元內(nèi)氧化應(yīng)激作用的累積有關(guān)，最終通過自由基物質(zhì)損害，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。

3 結(jié) 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(yīng)、興奮性毒性、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、細(xì)胞自噬、內(nèi)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(xué)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(dǎo)師,主要從事肌萎縮側(cè)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(cè)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