膽汁酸及其受體與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

吳 縣 洪 浩

中國藥科大學藥學院藥理系，南京，210009，中國

最近的研究表明，膽汁酸與其內(nèi)源性受體結(jié)合參與調(diào)控膽固醇/膽汁酸代謝，葡萄糖/脂質(zhì)代謝，免疫反應和能量代謝。此外，膽汁酸還可以通過在腸道中膽汁酸受體的活化釋放中間信號分子，接受這些中間信號分子的受體也遍布全身。在人和嚙齒動物大腦中已發(fā)現(xiàn)膽汁酸及其受體，然而，膽汁酸是否能夠向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信號以及這種信號分子傳導意味著什么，目前還不是很清楚。

1 膽汁酸的合成和調(diào)節(jié)

膽汁酸是膽汁的活性成分，分為游離型和結(jié)合型并具有類固醇骨架［1］。按來源又可分為初級膽汁酸和次級膽汁酸。膽汁酸由膽固醇經(jīng)經(jīng)典途徑和替代途徑轉(zhuǎn)化而來，其中經(jīng)典途徑是膽汁酸合成的主要來源［2］。它是 由膽固醇7α-羥化酶（cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1）啟動酶促反應，最終形成膽酸（cholic acid，CA）和鵝去氧膽酸（chenodeoxycholic acid，CDCA）。而甾醇12α-羥化酶（sterol 12α-hydroxylase，CYP8B1）和甾醇-27 羥化酶（sterol-27 hydroxylase，CYP27A1）是形成CA 和CDCA 的關(guān)鍵酶。隨后，這些初級膽汁酸與氨基酸甘氨酸或?；撬峋Y合形成甘氨膽酸（glycocholic acid，GCA）、甘氨鵝脫氧膽酸（glycochenodeoxycholic acid，GCDCA）、?；悄懰幔╰aurocholic acid，TCA）和 牛磺酸鵝去氧膽酸（taurochenodeoxycholic acid，TCDCA）。次級膽汁酸主要在腸道菌群控制下的腸中形成，當其返回肝臟時可以與甘氨酸和?；撬峤Y(jié)合［3-4］。在人類中，膽汁酸主要是CA 和CDCA，而在小鼠中主要是CA 和鼠膽酸（muricholic acid，MCA）。膽汁酸合成的替代途徑主要由CYP27A1 啟動，先轉(zhuǎn)化為27-羥基膽固醇，隨后被CYP7A1 羥基化，最后轉(zhuǎn)化成CDCA。此外，肝腸循環(huán)也是調(diào)節(jié)膽汁酸合成的重要途徑［5-6］。目前越來越多的研究表明，膽汁酸是一種信號調(diào)節(jié)分子，在代謝和炎癥性疾病中發(fā)揮重要的調(diào)控作用［7-10］。

2 膽汁酸受體分類和特點

膽汁酸受體主要分為核受體和膜受體這兩類［11］。核受體主要有類法尼醇 X 受體（farnesoid X receptor，F(xiàn)XR）、維生素D 受體（vitamin D receptor，VDR）、組成型雄烷受體（constitutive androstane receptor，CAR）和孕烷X 受體（pregnane X receptor，PXR）等［12］；膜受體主要有TGR5（takeda G-protein-coupled receptor 5）［13］。目前研究最多的是FXR 和TGR5。

2.1 FXR

FXR 基因定位于人染色體的12q23.1 位置和大鼠染色體的7q13 位置。FXR 是最早發(fā)現(xiàn)的膽汁酸核受體，已被證明是膽汁酸的內(nèi)源性配體，并且在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子中起作用。它能通過調(diào)控膽汁酸代謝過程中的關(guān)鍵酶以及轉(zhuǎn)運體基因來調(diào)節(jié)膽汁酸的合成、吸收和代謝過程。FXR 主要在肝臟、腸道、腎臟、腎上腺、心臟以及脂肪組織上表達［2］。此外，在中樞神經(jīng)元上也發(fā)現(xiàn)FXR 表達［14］。目前研究發(fā)現(xiàn)FXR 在糖脂代謝中具有重要作用。

2.2 TGR5

TGR5 屬于G 蛋白偶聯(lián)受體家族成員，由單個外顯子基因編碼，基因定位于人染色體2q35 位置和小鼠染色體1C3 位置，含有330 個氨基酸，于2002 年首次發(fā)現(xiàn)［15］。TGR5 在多種組織和細胞中表達，包括肝臟、膽囊、回腸、結(jié)腸、心臟、脾臟、腎臟、胎盤、白細胞、骨骼肌、棕色脂肪組織以及胰島β細胞［15］。此外，在中樞神經(jīng)元、小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞中也有表達［16-17］。目前已發(fā)現(xiàn)TGR5 在糖脂代謝和免疫功能調(diào)節(jié)方面發(fā)揮重要作用，是新發(fā)現(xiàn)的用于治療2 型糖尿病的藥物靶標。

3 膽汁酸受體激動劑

3.1 FXR 激動劑

FXR 激動劑按結(jié)構(gòu)分為甾體和非甾體兩類。奧貝膽酸屬甾體類FXR 激動劑，可以抑制膽酸合成的限速酶CYP7A1 間接抑制膽酸合成，目前已進入三期臨床實驗用于治療非酒精性脂肪性肝炎［18］。CDCA 是FXR 活性最強的天然配體［19］。非甾體FXR 激動劑主要GW4064，具有降血脂作用，但其具有毒性，限制了其臨床開發(fā)［20］。GSK8062 是在GW4064 結(jié)構(gòu)改造后得到的化合物，對FXR 選擇性高，但是水溶性差［21］。新合成的FXR 激動劑FXR450 在動物實驗中發(fā)現(xiàn)能減少肝臟脂肪聚集且口服生物利用度較好［22］。Cilofexor（GS-9674）是一種選擇性的非甾體FXR 激動劑，具有良好的耐受性和安全性，目前正在進行二期臨床試驗用于治療原發(fā)性硬化性膽管炎患者的膽汁淤積［23］。

3.2 TGR5 激動劑

TGR5 激動劑大多為甾體類激動劑。石膽酸（lithocholic acid，LA）是TGR5 活性最強的天然配體。目前TGR5激動劑的開發(fā)策略主要是結(jié)構(gòu)修飾內(nèi)源性的膽汁酸以提高選擇性。齊墩果酸是三萜類化合物，來源于橄欖葉，已被證實是一種非甾體類TGR5 激動劑，無FXR 活性，能改善胰島素抵抗。INT-777 是一種新合成的膽汁酸衍生物，已被證明是高效的TGR5 特異性激動劑，目前正在進行臨床前研究用于治療2 型糖尿病。

4 膽汁酸及其受體介導的信號轉(zhuǎn)導

目前膽汁酸及其受體對細胞內(nèi)信號調(diào)控的機制研究還不是很清楚。研究證實，膽汁酸可通過其受體引起G 蛋白構(gòu)象改變，導致細胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）濃度增加，進而激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），使cAMP 反應元件結(jié)合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）磷酸化，而磷酸化的CREB 又可以與一些基因的啟動子區(qū)域中的特定DNA 序列結(jié)合來調(diào)節(jié)靶基因的表達，從而發(fā)揮生物學效應。此外，細胞內(nèi)cAMP 濃度升高還可抑制核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）的激活，而PKA 又能促進CREB 磷酸化，磷酸化的CREB通過與NF-κB 競爭輔助因子CREB 結(jié)合蛋白（CREB binding protein，CBP）來 抑制NF-κB 的功能［24-25］。研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸及其受體還參與調(diào)控絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號傳導過程。膽汁酸與受體結(jié)合后，能夠激活細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK）介導的信號完成對靶基因的調(diào)節(jié)［26］。膽汁酸還能通過TGR5-cAMP-PKA 軸抑制NLRP3 炎性小體激活，從而發(fā)揮抗炎的作用［10］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)膽汁酸及受體還能作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，分兩種途徑：一種是直接作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，這主要由于膽汁酸易通過血腦屏障發(fā)揮作用；另一種是間接的作用，如通過成纖維細胞生長因子19（fibroblast growth factor 19，F(xiàn)GF19）和胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）向中樞神經(jīng)系統(tǒng)進行信號傳導［27］。

5 膽汁酸及其受體與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

膽汁酸及其受體主要參與代謝性疾病以及炎癥性疾病的發(fā)病過程。盡管膽汁酸及其受體在大腦中的生理功能尚未明確，但其病理生理學作用已有研究。最近的研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸及其受體也參與了阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）、帕金森病、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥、亨廷頓病和急性中風以及肝性腦病等中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變過程。膽汁酸在中樞神經(jīng)退行性疾病中的研究小結(jié)參見Tab.1［28］。

5.1 阿爾茨海默病

AD 是癡呆最常見類型，會導致患者性格變化并伴有不適當?shù)那榫w和社會行為以及認知功能衰退，其主要病理學特征是β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉積形成的老年斑和Tau 蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)［29］。有研究發(fā)現(xiàn)，AD 患者腦提取液和血漿中CA 比年齡匹配的對照受試者顯著降低，提示膽汁酸水平的變化與AD 有關(guān)［30-31］。最近研究發(fā)現(xiàn)，熊去氧膽酸（ursodeoxycholic acid，UDCA）和?；切苋パ跄懰幔╰auroursodeoxycholic acid，TUDCA）能減少Aβ誘導的原代大鼠皮層和海馬神經(jīng)元的凋亡，具有抗凋亡的作用。UDCA 也被證明可通過調(diào)節(jié)BV-2 小膠質(zhì)細胞系中的NF-κB 信號傳導來抑制Aβ毒性［32］。此外，在APP/PS1 雙轉(zhuǎn)基因AD 動物模型中發(fā)現(xiàn)TUDCA 能明顯減少海馬和前額葉皮層中的淀粉樣斑塊數(shù)量，增加突觸后 致 密 物-95（postsynaptic density protein-95，PSD-95）的表達，能顯著改善記憶力［33-34］。然而這些實驗都沒有直接研究膽汁酸是否通過膽汁酸受體發(fā)揮作用的。實驗結(jié)果表明，在Aβ、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和鏈脲霉素（streptozocin，STZ）誘導的認知功能障礙小鼠模型中均伴有海馬和前額葉皮層TGR5 表達的下調(diào)，而TGR5 選擇性激動劑INT-777 能夠明顯改善這些模型小鼠的認知功能障礙、神經(jīng)炎癥、細胞凋亡和突觸功能損傷，并能增加海馬和前額葉皮層TGR5 的表達［35-36］。此外，還發(fā)現(xiàn)TGR5 在AD 病人皮層的表達明顯比同齡正常人低且在9 和12 月齡APP/PS1 雙轉(zhuǎn)基因小鼠海馬表達也明顯下降。這些研究結(jié)果提示，膽汁酸及其受體可能參與了AD 的發(fā)病過程，但其具體機制目前尚不清楚，有待進一步研究。

Tab.1 A summary of the application of bile acids in neurodegenerative disorders

5.2 帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）

PD 特征在于大腦黑質(zhì)區(qū)域多巴胺能神經(jīng)元的選擇性喪失而產(chǎn)生的震顫、肌強直以及運動減少［37］。有研究表明膽汁酸能改善PD 相關(guān)癥狀。Graham SF 等人的研究發(fā)現(xiàn)膽汁酸濃度的變化可作為預測PD 的潛在生物標志物，并可反映PD 的病情進展［38］。在硝普鈉（sodium nitroprusside，SNP）誘導的人多巴胺能SHSY5Y 細胞PD 模型上發(fā)現(xiàn)，UDCA 劑量依賴性的降低SNP 誘導的細胞死亡。此外，有研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙與PD 有關(guān)，而UDCA 能通過激活糖皮質(zhì)激素受體和增加蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）磷酸化來改善線粒體功能［39-40］。1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）可用于誘導PD 相關(guān)的神經(jīng)毒素模型，它能模擬人和動物PD 模型中的大多數(shù)臨床病理特征［41］。在MPTP 誘導的黑質(zhì)紋狀體軸多巴胺能神經(jīng)元缺失的PD 動物模型上發(fā)現(xiàn)TUDCA 能改善神經(jīng)元退變。MPTP 誘導的神經(jīng)毒性還與活性氧（reactive oxygen species，ROS）的增加以及JNK 介導的細胞凋亡有關(guān)，而TUDCA 可明顯降低活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平并能抑制細胞凋亡［42］。

5.3 肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）

ALS 是一種漸進性的，具有致命性的運動神經(jīng)元疾病，其主要病理特征為腦干、脊髓以及大腦皮質(zhì)運動神經(jīng)元缺失，從而導致肌肉無力和萎縮以及運動功能性癱瘓。NSC-34 細胞是通過融合培養(yǎng)神經(jīng)母細胞瘤細胞和來自小鼠脊髓的運動神經(jīng)元產(chǎn)生的，是目前廣泛使用的小鼠運動神經(jīng)元細胞系模型。用視黃酸處理NSC-34 細胞可以誘導神經(jīng)突向外生長［43-44］。SOD1是最早發(fā)現(xiàn)的一種ALS 致病基因，經(jīng)修飾以攜帶具有G93A 突變的人類SOD1（hSOD1G93A）的NSC-34 細胞已被用作ALS 細胞模型。據(jù)報道，GUDCA 可減少NSC-34 hSOD1G93A 細胞模型中的細胞死亡并阻斷caspase-9 的激活［45］。此外，臨床研究數(shù)據(jù)表明，ALS患者口服UDCA 后，具有良好的耐受性并能以劑量依賴性的進入腦脊液［46］。臨床試驗發(fā)現(xiàn)，ALS 患者口服UDCA 3 個月后耐受性依然表現(xiàn)良好［47］。每天口服TUDCA 兩次超過1 年，可改善受試者在ALS 功能評定量表中表現(xiàn)［48］。

5.4 亨廷頓?。℉untington’s disease，HD）

HD 是一種常染色體顯性遺傳性神經(jīng)退行性疾病，由亨廷頓蛋白（Huntingtin，HTT）基因外顯子1 中CAG三聯(lián)體重復序列的擴增突變引起，常伴有非自愿性舞蹈動作、精神和行為障礙以及認知功能受損［49］。3-硝基丙酸（線粒體琥珀酸脫氫酶的不可逆化學抑制劑）可用于誘導動物腦紋狀區(qū)神經(jīng)元凋亡，引起類似于HD 相關(guān)的形態(tài)學和神經(jīng)學變化。用TUDCA 孵育大鼠神經(jīng)元RN33B 細胞可以使3-硝基丙酸誘導的細胞凋亡減少約80%［50］。其他膽汁酸，包括UDCA 和GUDCA，也能減少細胞凋亡，阻止3-硝基丙酸誘導的線粒體細胞色素C 的釋放［51］。而在HD 的遺傳模型中如R6/2 轉(zhuǎn)基因小鼠，表現(xiàn)出嚴重的神經(jīng)變性，導致生存時間縮短至少4 個月。R6/2 轉(zhuǎn)基因小鼠從斷奶至6 月齡，每隔3天皮下注射給予TUDCA（500 mg·kg-1）一次治療可明顯減少紋狀體細胞凋亡，并增強其在開場運動和感覺運動測試中的表現(xiàn)［52］。

5.5 急性中風（acute stroke）

中風分為缺血性與出血性兩大類，是一種嚴重的腦血管疾病。已有研究發(fā)現(xiàn)，大鼠大腦中動脈閉塞60 min后單劑量靜脈給予TUDCA，可顯著減少梗死面積和細胞凋亡［53］。單劑量靜脈注射UDCA 可導致腦內(nèi)UDCA水平顯著增加，從不能檢測上升至 0.15 nmol·g-1。此外，還發(fā)現(xiàn)TUDCA 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中有抗炎作用，可減少膠質(zhì)細胞活化以及促炎細胞因子表達［54］。在紋狀體注射膠原酶誘導出血性損傷后，在頸動脈注射TUDCA 可減少病灶容積和周圍血腫，且二天后半胱天冬酶活性下降50%［55］。

5.6 肝性腦病（hepatic encephalopathy，HE）

HE 是急性和慢性肝衰竭引起的嚴重神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥。從無癥狀到嚴重的認知能力下降，甚至死亡［56］。有研究發(fā)現(xiàn)TGR5 mRNA 在肝性腦病人皮層中表達明顯下調(diào)［16］。在氧化偶氮甲烷（azoxymethane，AOM）誘導的肝性腦病動物模型中，TGR5 激動劑樺木酸（betulinic acid）可以明顯改善神經(jīng)功能下降，增加皮質(zhì)cAMP 濃度，減少小膠質(zhì)細胞激活以及促炎癥細胞因子的產(chǎn)生［57］。膽汁酸及其受體在中樞神經(jīng)退行性疾病中的相關(guān)調(diào)節(jié)機制參見Fig.1。

Fig.1 TGR5 signal transduction pathway

6 總結(jié)與展望

膽汁酸及其受體的研究主要是在外周，并有望用于治療代謝型疾病如高血脂、脂肪肝、肥胖和糖尿病等。對膽汁酸及其受體的研究，將加速受體特異性激動劑的開發(fā)，降低毒副作用并提高療效。膽汁酸易通過血腦屏障并且在中樞組織中發(fā)現(xiàn)其受體有表達，這些發(fā)現(xiàn)表明其可能具有重要的功能作用。目前在細胞和動物模型以及人體臨床試驗中，膽汁酸及其受體的中樞神經(jīng)保護作用已經(jīng)確認，但它們在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用機制有待深入研究。研究膽汁酸及其受體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中作用，將促進對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機制的研究，這將為開發(fā)用于防治中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新型藥物提供理論基礎(chǔ)。