帕金森病多巴胺神經(jīng)元死亡的危險因素

趙晉英，李艷，李金成，李艷偉

(邵陽學(xué)院 1.分子生物學(xué)診斷重點(diǎn)實驗室; 2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

帕金森病(parkinson’s disease，PD)是常見的第二大中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其典型的臨床癥狀包括漸進(jìn)性運(yùn)動遲緩、僵直、靜止性震顫和步態(tài)異常等運(yùn)動癥狀，還會出現(xiàn)自主神經(jīng)紊亂和認(rèn)知功能障礙等非運(yùn)動癥狀。PD的癥狀與黑質(zhì)致密部(substantia nigra pars compacta，SNc)多巴胺(dopamine，DA)神經(jīng)元缺失有關(guān)，但DA神經(jīng)元為何在PD易受損的原因一直不清楚。近來的研究進(jìn)展對此問題有了一些全新的認(rèn)識[1]，本文將對此進(jìn)行綜述。

1 PD泛細(xì)胞危險因素

泛細(xì)胞危險因素是指對神經(jīng)細(xì)胞和非神經(jīng)細(xì)胞都具有廣泛損害作用的因素。現(xiàn)已證實多種危險因素可促進(jìn)PD的發(fā)病，其中絕大部分屬于泛細(xì)胞危險因素，包括年齡、基因突變、環(huán)境毒素和炎癥反應(yīng)等。另外，阮病毒樣感染最近也受到很大關(guān)注[2]。

1.1 老齡

老齡是PD頭號危險因素。調(diào)查表明在大于65歲的老齡人群中，PD發(fā)病率呈指數(shù)增加[3]。隨著醫(yī)療健康水平的提高，人類的預(yù)期壽命也大幅增加，預(yù)計PD 患者的數(shù)量將會顯著增長。據(jù)估計，到2030年美國PD患者將會超過200萬人，中國則會達(dá)到500萬人。至今尚不清楚為什么老齡是PD發(fā)病的最大危險因素，推測最大的可能與老齡后線粒體功能下降有關(guān)[4]。

1.2 基因突變

在過去幾年中，PD研究領(lǐng)域取得的最大進(jìn)展就是發(fā)現(xiàn)了與PD有關(guān)的特定基因。盡管家族性PD僅占PD患者的10%，但絕大多數(shù)都是基因突變引起的。目前，已確定有多種基因與家族性PD的發(fā)病有關(guān)聯(lián)，但它們的具體功能尚不清楚。

其中一個共性的認(rèn)識就是線粒體功能障礙。引起隱性遺傳早發(fā)性PD發(fā)病的3個基因DJ-1，Pink1和Parkin均與線粒體功能直接相關(guān)，且老齡也可引起相應(yīng)改變[5]。DJ-1是線粒體中的一種對氧化還原反應(yīng)敏感的蛋白質(zhì)，它可感受氧化應(yīng)激反應(yīng)信號，并協(xié)調(diào)多種抗氧化防御機(jī)制。Parkin和Pink1也有調(diào)節(jié)線粒體的作用，Parkin基因缺失的果蠅會出現(xiàn)碎片化和凋亡樣線粒體，Parkin基因敲除的小鼠也會出現(xiàn)一種異常的線粒體表型，表現(xiàn)出線粒體呼吸功能衰退、代謝減退、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)磷酸化增加等。Pink1基因缺失果蠅也有類似的結(jié)果，但在Pink1基因缺失果蠅過表達(dá)Parkin，該現(xiàn)象又會被彌補(bǔ)，提示這兩個基因可能參與了共同的生化代謝過程。且Pink1有1個N末端線粒體靶向序列，提示其可能主要在線粒體發(fā)揮作用[6]。

此外，與 PD發(fā)病相關(guān)的其他基因如SNCA和LRRK2的具體功能尚不清楚，但均與蛋白酶解系統(tǒng)有關(guān)，而PD的關(guān)鍵病理過程就是蛋白酶解功能障礙引起路易小體(lewy body，LB)的形成[7]。

1.3 環(huán)境毒素

第三個被廣泛認(rèn)可的泛細(xì)胞因素是環(huán)境毒素，尤其是針對線粒體的毒素可能是PD發(fā)病的危險因素[8]，并且1-甲基-4-苯-1，2,3,6-四氫吡啶(MPTP)、魚藤酮、百草枯等毒素也常常被用來制作PD疾病模型。近期通過流行病學(xué)調(diào)查已證實農(nóng)藥接觸與PD發(fā)病之間存在密切聯(lián)系[9]。

1.4 炎癥反應(yīng)

第四個泛細(xì)胞因素是炎癥反應(yīng)。在 PD毒素模型中，炎癥反應(yīng)和隨之而來的氧化應(yīng)激反應(yīng)是細(xì)胞死亡的重要因素。在PD患者疾病后期，有明顯的跡象表明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的激活和炎癥亦會促進(jìn)PD病情進(jìn)展[10]。炎癥引起的外部氧化應(yīng)激可使含有高濃度鈣離子的神經(jīng)元死亡。細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)可激活蛋白激酶Cβ，誘導(dǎo)p66Shc磷酸化和在線粒體內(nèi)積累，p66Shc又可介導(dǎo)活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，改變鈣離子反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡[11]。

1.5 阮病毒樣感染

除上述4個被公認(rèn)的因素外，近年來病毒或阮病毒樣感染越來越受到重視。BRUNDIN等[12]認(rèn)為PD病理過程似乎與某種感染有關(guān)。第一條證據(jù)是PD典型路易小體(LB)病變呈明顯階段性進(jìn)程。BRAAK學(xué)說認(rèn)為，LB病變進(jìn)展是從外周腸道的自主神經(jīng)節(jié)到延髓尾側(cè)自主神經(jīng)細(xì)胞群，然后再經(jīng)延髓進(jìn)入大腦，這一病理進(jìn)展就像感染傳播一樣[13-14]。但該假說是基于“如果延髓和神經(jīng)節(jié)病變的患者活得更久，病情將發(fā)展成PD”這樣的假設(shè)。在PD患者中是否存在這種病理進(jìn)展尚不清楚。此外，LB病變區(qū)域存在相當(dāng)大的變數(shù)，LB病變本身與PD的某些臨床癥狀也并非一一對應(yīng)。第二條證據(jù)來源于將胚胎DA神經(jīng)元移植到 PD 患者中的實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)新移植的幼稚DA 神經(jīng)元中就出現(xiàn)了LB，因此BRUNDIN等[12]認(rèn)為這與病毒或阮病毒樣物質(zhì)在宿主間擴(kuò)散相似。但是，這些表現(xiàn)似乎也可以通過其他來解釋。如幼稚DA 神經(jīng)元可能更易受移植操作的壓力，而過早地出現(xiàn)蛋白酶功能障礙和 LB。患者腦內(nèi)的LB可能誘導(dǎo)新移植的DA神經(jīng)元也形成LB病變，而并非感染。更重要的是，目前尚無確鑿的證據(jù)表明PD 神經(jīng)元病理模式符合感染模型。PD的LB病變并不遵循最鄰近規(guī)則，如孤束核在最易受損的神經(jīng)核——迷走神經(jīng)背核(dorsal nucleus of vagus nerve，DMV)的旁邊，但它并沒有LB出現(xiàn)。也并無證據(jù)支持DA神經(jīng)元易損性與突觸連接有相關(guān)性，事實上，與PD病變部位神經(jīng)元有連接的其他神經(jīng)元群并無明顯的病理學(xué)特征?？傊琍D 感染學(xué)說仍有待進(jìn)一步研究[15]。

目前，公認(rèn)的PD潛在病理過程最引人注目的是線粒體受損和蛋白酶功能障礙。但這些泛細(xì)胞危險因素均無法完全闡明PD神經(jīng)元功能障礙和丟失的模式[16]。

2 PD細(xì)胞特異性危險因素

雖然PD 表現(xiàn)為分散式的LB病理特征，但患者運(yùn)動遲緩、僵直和靜止性震顫等運(yùn)動癥狀顯然與SNc的DA神經(jīng)元變性死亡有關(guān)。臨床上特效藥物——左旋多巴(L-DOPA)可減輕PD患者運(yùn)動癥狀，也證明了DA神經(jīng)元在PD發(fā)病中的中心地位。腦內(nèi)DA神經(jīng)元極少，占全部腦細(xì)胞的比例小于0.000 1%。目前大量文獻(xiàn)表明DA神經(jīng)元肯定存在某種細(xì)胞特異性危險因素導(dǎo)致其在PD中的易損性，如其特殊的DA神經(jīng)遞質(zhì)、解剖形態(tài)、電生理表型和谷氨酸能突觸傳入等[16]。

2.1 特有的DA神經(jīng)遞質(zhì)

細(xì)胞質(zhì)中的DA 及其代謝物的氧化會損傷細(xì)胞，因此，HASTINGS等[17]認(rèn)為該類神經(jīng)元所含的DA神經(jīng)遞質(zhì)本身就是疾病元兇。但值得注意的是，PD中DA神經(jīng)元易損性有明顯的區(qū)域性，中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(the ventral tegmental area，VTA)和紅核后區(qū)(the retrorubral field，RRF)也含有DA神經(jīng)元，但這2個區(qū)域的DA神經(jīng)元并不易受損[18]。其次，L-DOPA可通過提高PD患者DA水平來緩解癥狀，表明至少在短期內(nèi)DA并非細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)的主要來源[19]。最近有研究報道通過L型通道進(jìn)入SNc DA 神經(jīng)元胞質(zhì)中的Ca2+可刺激DA代謝，使細(xì)胞質(zhì)中DA濃度達(dá)到了L-DOPA 負(fù)荷的毒性范圍[20]。為了使這一機(jī)制與DA神經(jīng)元有選擇性的易損性相關(guān)聯(lián),就必須假設(shè)：胞質(zhì)內(nèi)DA濃度隨時間持續(xù)積累，最終引發(fā)細(xì)胞死亡。那么，在疾病早期給患者使用DA受體激動劑，而非L-DOPA替代治療，理應(yīng)減緩病情進(jìn)展，但事實并非如此。此外，PD患者其他多種非多巴胺能神經(jīng)元的死亡和功能衰退也提示DA 本身不太可能是該病最主要的細(xì)胞特異性危險因素。

2.2 DA神經(jīng)元特殊的的解剖形態(tài)

PD患者DA神經(jīng)元與其他受累的非DA神經(jīng)元(例如藍(lán)斑神經(jīng)元)的一個共同形態(tài)特征，就是含眾多軸突終端。據(jù)估算，1個典型的SNc DA 神經(jīng)元的軸突長達(dá)470 000 μm，每個軸突支持約370 000個突觸，這比皮質(zhì)錐體神經(jīng)元高出幾個數(shù)量級[21]。維持如此龐大的突觸終端必然要求細(xì)胞有高水平的軸突蛋白運(yùn)轉(zhuǎn)功能和蛋白酶解功能。α-突觸核蛋白(α-synuclein)是主要的突觸蛋白，它在SNc DA 神經(jīng)元內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)水平必定很高，這可能就是PD 患者DA軸突出現(xiàn)LB的原因[22]。此外，由于突觸末梢高物質(zhì)代謝必然要求大量線粒體供能，可能降低了胞體和樹突區(qū)線粒體密度，從而降低了對抗氧化應(yīng)激的能力，出現(xiàn)了能量危機(jī)[18]。事實上，的確在SNc DA神經(jīng)元胞體-樹突區(qū)的線粒體密度顯得異常低，并隨著年齡增加降低更加明顯，對抗氧化應(yīng)激的儲備能力降低可增加線粒體內(nèi)破壞性超氧自由基的生成。但也有特例，如在具有類似形態(tài)學(xué)特征的紋狀體膽堿能中間，神經(jīng)元并無易損性特點(diǎn)[23]，提示DA神經(jīng)元易損性還可能與其他因素有關(guān)。

2.3 DA神經(jīng)元獨(dú)特的電生理表型

SURMEIER等[16]主要研究DA神經(jīng)元電生理表型。他們發(fā)現(xiàn)，與多數(shù)神經(jīng)元不同，在無任何傳入沖動情況下，成人SNc DA神經(jīng)元具有自主節(jié)律性電活動，是一種規(guī)則的寬波幅動作電位(2～4 Hz)[24]。而這對受該神經(jīng)元支配區(qū)域(比如紋狀體)的DA水平非常重要。大多數(shù)神經(jīng)元均依賴一價陽離子通道驅(qū)動動作電位，但在SNc DA神經(jīng)元還有L型Ca2+通道參與，它允許Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)引起鈣震蕩。該通道含有1個由Cacna1d 編碼的獨(dú)特的Cav1.3孔道。Cav1.3鈣通道較少見，僅占腦內(nèi)L型鈣通道的10%[25]。與其他L型鈣通道不同，Cav1.3鈣通道只在超極化時開放，允許Ca2+內(nèi)流使膜電位達(dá)到閾電位從而誘發(fā)動作電位，繼而產(chǎn)生自主節(jié)律電活動。而SNc DA神經(jīng)元自主電節(jié)律中Cav1.3鈣通道的持續(xù)活動將會增加神經(jīng)元的代謝成本。另外，細(xì)胞內(nèi)Ca2+作用豐富多樣，如調(diào)節(jié)酶活性和程序性細(xì)胞死亡等，因此，胞內(nèi)Ca2+濃度(10 nmol/L水平，低于胞外的1/萬)受到精密調(diào)控，進(jìn)入胞內(nèi)的Ca2+迅速被隔離起來或者泵出胞外，這些也需要消耗大量ATP。在大多數(shù)神經(jīng)元鈣通道的開放主要發(fā)生在非常簡短的動作電位時，這是細(xì)胞較經(jīng)濟(jì)的管理方式。但在SNc DA神經(jīng)元，Cav1.3鈣通道開放的時間、幅度和Ca2+內(nèi)流的空間范圍更大。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，L型鈣通道開放時，SNc DA神經(jīng)元線粒體中具有較高水平的基礎(chǔ)氧化應(yīng)激，而且Ca2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)也增加了SNc DA神經(jīng)元對神經(jīng)毒素MPTP、6-OHDA和魚藤酮的敏感性[26]。此外，在PD患者和模型動物上發(fā)現(xiàn)游離鈣緩沖蛋白-鈣結(jié)合蛋白的表達(dá)量均與疾病易感性成負(fù)相關(guān)，但在中腦VTA和SNc背層神經(jīng)元的鈣結(jié)合蛋白表達(dá)水平較高，這也可能與它們的抗性有關(guān)系。

2.4 DA神經(jīng)元的谷氨酸能突觸傳入

興奮性毒性一直被認(rèn)為是PD發(fā)病的一個因素[27]，SNc DA神經(jīng)元谷氨酸能突觸傳入加劇了其易損性。在體內(nèi)，SNc DA神經(jīng)元發(fā)生的尖峰電位是通過在基礎(chǔ)起搏活動上疊加突觸輸入而產(chǎn)生的，近期大量實驗研究證實N-甲基天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[28]。基礎(chǔ)起搏使SNc DA神經(jīng)元的膜電位保持在NMDA受體受鎂離子阻滯無效的電壓范圍內(nèi)，即使適度的谷氨酸能神經(jīng)突觸輸入也能夠產(chǎn)生大量的NMDA受體電流。而通過NMDA受體進(jìn)入的鈣與自主起搏過程中通過Cav1.3通道進(jìn)入的鈣協(xié)同作用，是否導(dǎo)致線粒體出現(xiàn)代謝臨界點(diǎn)尚有待進(jìn)一步研究。驅(qū)動NMDA受體以及由此導(dǎo)致的細(xì)胞質(zhì)鈣濃度的升高被認(rèn)為是發(fā)生相對較晚的階段事件，僅在細(xì)胞發(fā)生超極化膜電位時才會發(fā)生。而SNc DA神經(jīng)元能自主起搏，健康狀態(tài)下不會有穩(wěn)定的超極化膜電位，這意味著NMDA受體應(yīng)該更易被募集。此時，另一個因素即細(xì)胞內(nèi)鈣儲存也參與進(jìn)來。代謝型谷氨酸受體(metabotropic glutamate receptors，mGluR)的激活動員了細(xì)胞的鈣儲存[29]，隨后會迫使神經(jīng)元清除細(xì)胞內(nèi)的游離Ca2+，重新恢復(fù)鈣儲存，此過程非常消耗ATP。而在起搏過程中，持續(xù)進(jìn)入SNc DA神經(jīng)元的鈣再次增加了mGluR激活后的能量負(fù)擔(dān)。在這種方式中，自主起搏及NMDA和mGluR受體激活會使SNcDA神經(jīng)元創(chuàng)造持續(xù)的“鈣風(fēng)暴”。即使線粒體在短期內(nèi)能夠經(jīng)受住這場風(fēng)暴，但長期ATP供能的負(fù)擔(dān)及氧化應(yīng)激升高，勢必會增加線粒體DNA損傷并加速其老化。

3 其他類型神經(jīng)元共有的特異性細(xì)胞危險因素

研究顯示在PD時，除了SNc DA神經(jīng)元外，許多其他腦區(qū)的細(xì)胞也有受損[30]。DMV區(qū)的膽堿能神經(jīng)元也是PD患者LB病變出現(xiàn)最早的神經(jīng)元之一，它們也具有自發(fā)電活動[31]，并且依賴于L型鈣通道。藍(lán)斑(Locus coeruleus，LC)區(qū)去甲腎上腺素能神經(jīng)元與SNc DA神經(jīng)元類似，具有較大的軸突終端，也具有L型鈣通道誘導(dǎo)的自主起搏電活動和寬尖峰動作電位[32]。中縫核(raphe nucleus，RN)中的5-羥色胺能神經(jīng)元也具有寬尖峰電位，并且也是鈣依賴性自主起搏電位[33]。腳腦橋核(pedunculopontine nucleus，PPN)中的膽堿能神經(jīng)元也是如此[34]。結(jié)節(jié)乳頭狀和下丘腦外側(cè)核神經(jīng)元也具有自發(fā)電活動，在此過程中也利用 L型鈣通道[35]?；浊澳X(basal forebrain，BF)中的膽堿能神經(jīng)元在PD中也缺失，同樣具有較大的軸突終端，也具有自發(fā)電活動和明顯的鈣通道電流，隨著年齡的增長，這些神經(jīng)元的鈣穩(wěn)態(tài)亦發(fā)生了明顯的有害變化[36]。嗅球的DA神經(jīng)元具有鈣依賴性自主起搏電位[37]，然而，盡管嗅覺缺陷是PD癥狀的先兆，但是嗅球中并無細(xì)胞丟失的跡象[38]。上述非DA神經(jīng)元盡管具有不同的神經(jīng)遞質(zhì)和軸突投射區(qū)域，但它們共同的生理特征可能就是PD共同的危險因素。

4 PD泛細(xì)胞危險因素與特異性危險因素間的交互作用

在PD神經(jīng)變性過程中，是否存在泛細(xì)胞因素和細(xì)胞特異性因素間的相互作用呢？老齡是最主要的泛細(xì)胞危險因素，最主流的老化理論就認(rèn)為氧化磷酸化過程中電子傳遞鏈產(chǎn)生的ROS和相應(yīng)的活性分子，會對線粒體DNA和細(xì)胞器產(chǎn)生破壞最終導(dǎo)致老化[39]。這個理論的推論是衰老與代謝率直接相關(guān)，SNc DA神經(jīng)元產(chǎn)生自主電活動必將過度消耗線粒體的功能，這意味著它會比其他類型的神經(jīng)元衰老更快，這提示PD時細(xì)胞特異性和泛細(xì)胞危險因素之間有交互作用。人體正常老化細(xì)胞死亡的體視學(xué)發(fā)現(xiàn)，SNc DA神經(jīng)元比其他類型的神經(jīng)元具有更高的風(fēng)險[40]；對壽命較短的哺乳動物研究，雖未發(fā)現(xiàn)確切的SNc DA神經(jīng)元丟失，但是，隨著老化也會出現(xiàn)與PD患者類似的表現(xiàn)，且對神經(jīng)毒素更易感[41-42]；SNc的線粒體隨著老齡化會出現(xiàn)功能下降，衰老也更易引起mtDNA的突變[43]。

同樣，細(xì)胞特異性線粒體應(yīng)激與其他泛細(xì)胞危險因素間亦可能存在正交互作用[2]。隨著人體衰老，這種交互作用使PD發(fā)病達(dá)某個臨界點(diǎn)，出現(xiàn)選擇性的神經(jīng)變性的發(fā)生，就像DJ-1功能的喪失會危及線粒體氧化防御功能一樣。在多數(shù)神經(jīng)元中，氧化應(yīng)激反應(yīng)是間歇性的，也較溫和，防御的成本也較低。但像SNc DA類神經(jīng)元，其氧化應(yīng)激反應(yīng)是長期持續(xù)的，長期的防御必將帶來更高的代謝成本[16]。降低蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的某些基因突變(如α-synuclein過表達(dá))也可通過增加ATP利用率，對細(xì)胞活力產(chǎn)生不良影響；此外，被濫用的損害線粒體功能的環(huán)境毒素應(yīng)該對具有高線粒體需求的細(xì)胞類型有更大的影響；疾病晚期的炎癥會顯著增加炎癥范圍內(nèi)及其周邊幸存神經(jīng)元中的破壞性ROS的產(chǎn)生，若這些神經(jīng)元由于自身細(xì)胞特異性因素已經(jīng)產(chǎn)生過量ROS，那么，它們的氧化防御系統(tǒng)就會被破壞，從而加速細(xì)胞死亡。

5 總結(jié)和展望

盡管有很多令人信服的證據(jù)都支持PD發(fā)病與泛細(xì)胞因素間存在著重要聯(lián)系，但如果僅用泛細(xì)胞損傷因素很難解釋PD所有的神經(jīng)病理過程和細(xì)胞丟失的病理機(jī)制，同樣，據(jù)此提出的治療策略和開發(fā)的治療藥物有可能存在某些缺陷。當(dāng)前PD的治療主要是彌補(bǔ)DA神經(jīng)遞質(zhì)的缺乏，但對如何阻斷甚至延緩病情進(jìn)展仍未獲得重大突破。目前嘗試的抗炎藥物、特異性靶向抗氧化劑、可提高神經(jīng)元能量供給的藥物、線粒體功能保護(hù)藥物、NMDA受體阻斷劑等均表現(xiàn)出對PD病情延緩有作用。值得一提的是，針對介導(dǎo)SNc DA神經(jīng)元自主起搏電活動的L型鈣通道，已有研究表明采用二氫吡啶類藥物(鈣通道阻滯劑)抑制SNc DA神經(jīng)元的鈣通道，能降低胞漿鈣水平，降低線粒體氧化應(yīng)激及對毒素的敏感性[44]；流行病學(xué)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)長期服用二氫吡啶可降低PD的患病風(fēng)險[45]。目前，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)在早期PD患者中應(yīng)用二氫吡啶類藥物——伊地拉平進(jìn)行為期5年的Ⅲ期臨床試驗也即將完成[16]。相信深入認(rèn)識SNc DA 神經(jīng)元細(xì)胞特異性危險因素，分析其與PD泛細(xì)胞危險因素的交互作用，必將為進(jìn)一步理解PD發(fā)病機(jī)制提供全新思路，據(jù)此設(shè)計的治療策略可能更為全面。