帕金森病神經(jīng)發(fā)生的研究進展

吳 錚,任志偉,張國君,2*

(1.首都醫(yī)科大學(xué) 宣武醫(yī)院功能神經(jīng)外科,中國北京 100053;2.國家兒童醫(yī)學(xué)中心首都醫(yī)科大學(xué) 附屬北京兒童醫(yī)院,中國北京 100045)

當前,帕金森病(Parkinson’s disease,PD)的發(fā)病率隨年齡增長而逐漸增高,已影響全球約1%的60歲以上老人[1]。我國PD發(fā)病率正處于急劇上漲的階段,有PD患者超過250萬人,每年新增患病人數(shù)約10萬[2],這為我國帶來巨大的經(jīng)濟負擔。傳統(tǒng)的PD治療藥物包括左旋多巴、多巴胺拮抗劑和單胺氧化酶抑制劑,這些藥物通過誘導(dǎo)神經(jīng)元合成多巴胺或者阻斷多巴胺的降解,彌補多巴胺的丟失[3]。但長期服用上述藥物可能會導(dǎo)致一些繼發(fā)性癥狀,如失眠、不自主震顫和強直。除了藥物治療,近十年腦深部電刺激在運動障礙疾病的臨床治療中得到廣泛的應(yīng)用,可有效改善PD患者的運動癥狀波動現(xiàn)象以及相關(guān)并發(fā)癥,盡管其具體作用機制還不明確[4]。這些治療方法雖可以很大程度提高PD患者的生活質(zhì)量,但尚不能從根本上解決多巴胺能神經(jīng)元缺失的問題。

神經(jīng)發(fā)生是成年哺乳動物腦內(nèi)生成神經(jīng)元的過程,自首次在大鼠中發(fā)現(xiàn)距今已超過40年[5]。近年來,人們通過大量實驗研究了神經(jīng)發(fā)生的位置和作用,以及其調(diào)節(jié)因素,這都為探究神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療新方法奠定了基礎(chǔ)。神經(jīng)干細胞(neural stem cells,NSCs)是一類多潛能的細胞,一直保持著自我更新、增殖和分化的能力,存在于成年哺乳動物腦中許多區(qū)域。側(cè)腦室室管膜下區(qū)(subventricular zone,SVZ)的NSCs能夠分化成成神經(jīng)細胞,隨后沿著喙側(cè)遷移流向嗅球遷移,并在嗅球部分化成神經(jīng)元與皮質(zhì)區(qū)整合,參與嗅神經(jīng)的再生。在不同的腦損傷疾病中,新生的成神經(jīng)細胞可以不遷移至嗅球,而是到達受損組織周圍進行分化和修復(fù)[6]。海馬齒狀回的顆粒下區(qū)(subgranular zone,SGZ)的NSCs具有促進成年哺乳動物大腦空間學(xué)習和記憶形成的能力。由于SGZ的內(nèi)源性NSCs定向遷移至顆粒細胞層,所以本綜述暫不討論。有研究發(fā)現(xiàn),在背蓋的腦室周圍水管中存在著靜息狀態(tài)的NSCs,因其臨近黑質(zhì)致密部,所以推測水管有可能是供給多巴胺的潛力區(qū)[7～8]。中腦的NSCs不遷移至遠端,并且少部分可以表達多巴胺能神經(jīng)元的特異性標志物,這為彌補多巴胺丟失提供了可能[9]。盡管在病理狀況下,NSCs或神經(jīng)祖細胞(neural progenitor cells,NPCs)的增殖、分化、存活和成熟化都會受到影響,通過誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs分化多巴胺能神經(jīng)元來修補多巴胺缺損還存在很大爭議,但是再生研究對推進PD的治療手段具有重要意義。因此在本綜述中,我們主要對PD患者以及動物模型的神經(jīng)發(fā)生進行總結(jié),同時對PD的部分影響因素進行綜述,以期為根源性解決多巴胺能神經(jīng)元丟失的問題提供方案和研究方向。

1 PD中的神經(jīng)發(fā)生

1.1 PD患者腦內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生

中腦中多巴胺能神經(jīng)元放射的主要區(qū)域在紋狀體,SVZ區(qū)因緊鄰紋狀體也可以接受到來自多巴胺的影響[10]。因此,SVZ區(qū)是觀察神經(jīng)發(fā)生的主要位置,成年哺乳動物腦內(nèi)SVZ區(qū)的NSCs(也稱為B型細胞)可以產(chǎn)生短暫的增殖祖細胞(C型細胞),再經(jīng)過幾次分裂形成成神經(jīng)細胞(A型細胞),最終分化成中間神經(jīng)元直至成熟的神經(jīng)元[11]。

2004年,H?glinger等[12]最早報道PD患者SVZ區(qū)的細胞增殖能力比對照組(非神經(jīng)精神疾病患者)減弱。2011年,O'Sullivan等[13]在PD患者腦片的Musashi-1染色結(jié)果中發(fā)現(xiàn),SVZ區(qū)的神經(jīng)干細胞數(shù)量減少,而長期接受左旋多巴治療的患者其SVZ區(qū)的神經(jīng)干細胞數(shù)量較多。2009年,O'Keeffe等[14]的研究也同樣發(fā)現(xiàn)PD會減弱SVZ區(qū)增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)標記的增殖細胞數(shù)量,并認為這與SVZ區(qū)的表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)表達水平有關(guān)。有研究認為,PD患者的α-突觸核蛋白(αsynuclein)異常沉積會影響SVZ區(qū)的細胞增殖[15]。針對PD患者SVZ區(qū)NSCs開展的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),與對照組(非神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者)相比,PD患者的NSCs進入到非增殖的靜息狀態(tài),同時這些細胞的能量代謝(線粒體功能)受損[16]。但是,也有研究觀察了10名PD患者腦內(nèi)SVZ區(qū)PCNA標記的增殖細胞,發(fā)現(xiàn)與對照組(非帕金森和癡呆患者)相比沒有顯著差異[17]。而Mundin?ano等[18]研究發(fā)現(xiàn),PD患者的嗅球部酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase,TH)陽性多巴胺能神經(jīng)元增多,提示SVZ區(qū)的神經(jīng)發(fā)生可能增強。有研究表明,PD患者SVZ區(qū)的NSCs在體外可以分化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞;這些NSCs移植到PD模型大鼠的紋狀體中后,可分化成TH陽性細胞,并促進動物運動功能恢復(fù)[19～20]。

由此可見,PD患者神經(jīng)發(fā)生的觀察僅限于少量的尸檢分析,并且結(jié)論仍有爭議。因此,對PD神經(jīng)發(fā)生的變化還需要更多的實驗研究。此外,既往研究結(jié)果的不同也可能是由于尸體的組織取材以及保存等問題影響了抗原表達效果,調(diào)整取材方案以及改善臨床試驗計劃可能會使我們更好地了解患者腦內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生。

1.2 PD動物模型腦內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生

目前,PD神經(jīng)發(fā)生的研究主要集中在動物模型上。常用的PD動物模型為6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)或者1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)注射模型,兩者均是通過線粒體呼吸抑制來增強氧化應(yīng)激反應(yīng),從而使得多巴胺耗竭,進而模擬PD病理變化[21]。

2011年,van den Berge等[17]在MPTP誘導(dǎo)的PD模型小鼠中發(fā)現(xiàn),SVZ區(qū)PH3陽性細胞數(shù)明顯多于對照小鼠,說明在多巴胺丟失之后SVZ區(qū)還保持著較好的增殖能力。但Freundlieb等[22]在MPTP誘導(dǎo)的獼猴PD模型中發(fā)現(xiàn),多巴胺的缺失可以造成SVZ區(qū)增殖的細胞減少。Aponso等[23]利用BrdU標記增殖細胞,發(fā)現(xiàn)在大鼠紋狀體內(nèi)注射6-OHDA后,3～21 d可以觀察到SVZ區(qū)的增殖細胞增多,28 d時中腦導(dǎo)水管、黑質(zhì)的增殖細胞與對照鼠相比也有所增多,同時在所有時間點紋狀體的增殖細胞均增多。Fricke等[24]在SVZ區(qū)轉(zhuǎn)染帶有熒光素的慢病毒觀察6-OHDA誘導(dǎo)PD模型的大鼠NSCs增殖,發(fā)現(xiàn)多巴胺能神經(jīng)元的退化導(dǎo)致紋狀體的傳入阻滯,對SVZ區(qū)成神經(jīng)細胞生成沒有影響,但能促使黑質(zhì)中星形膠質(zhì)細胞的生成。Farzanehfar等[7]利用Nestin-CreERT ROSA和YFP轉(zhuǎn)基因鼠標記到,中腦水管和水管中線腹側(cè)以及黑質(zhì)和腹側(cè)被蓋區(qū)有Nestin陽性細胞聚集,且這些細胞具有增殖分化能力;但在6-OHDA誘導(dǎo)PD損傷后,只有黑質(zhì)的β-gal陽性細胞明顯增多,其他區(qū)域未見明顯變化,而且黑質(zhì)區(qū)β-gal+/NeuN+細胞數(shù)也沒有顯著差異。Worlitzer等[25]也發(fā)現(xiàn),6-OHDA誘導(dǎo)PD模型大鼠的黑質(zhì)中可以產(chǎn)生新生細胞,但僅能低表達DCX(doublecortin),不能表達神經(jīng)元的標志物如TuJ1和NeuN;與Fricke等[24]的結(jié)果相似,該研究發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)當中有更多的膠質(zhì)發(fā)生。Shan等[26]也發(fā)現(xiàn),在LacZ(β-galactosidase)標記Nestin的小鼠MPTP損傷模型中,黑質(zhì)部和黑質(zhì)部旁中線處的多巴胺神經(jīng)發(fā)生明顯強于對照組,研究人員認為NSCs增殖分化可以作為多巴胺的功能替補。另外,PD動物模型的NSCs經(jīng)體外培養(yǎng)可以分化成成熟的神經(jīng)元[27],這為細胞移植療法以及干細胞調(diào)控機制研究奠定了基礎(chǔ)。

綜上可知,針對PD模型NSCs增殖分化等的研究逐漸增多,研究者們已經(jīng)認識到利用內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生修復(fù)多巴胺神經(jīng)元的丟失的潛在可能。但疾病導(dǎo)致干細胞增殖變化有很大的局限性,僅憑借自身調(diào)控無法達成修復(fù)的目的,需要借助外源性手段增強NSCs增殖能力或調(diào)節(jié)其分化的方向。

2 PD神經(jīng)發(fā)生的調(diào)節(jié)方法

2.1 外源性因素對PD神經(jīng)發(fā)生的影響

神經(jīng)發(fā)生的生物學(xué)過程受到各種細胞因子、神經(jīng)營養(yǎng)因子和生長因子等的調(diào)節(jié),研究發(fā)現(xiàn)給予外源性因子可以促進PD后內(nèi)源性的神經(jīng)發(fā)生,甚至誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元增加。白血病抑制因子是一種維持胚胎干細胞未分化狀態(tài)的細胞因子,在神經(jīng)退行性疾病中可以起到神經(jīng)保護的作用。研究發(fā)現(xiàn),在白血病抑制因子腹腔注射PD模型小鼠中,腦橋NPCs的數(shù)量和密度上調(diào)[28]。神經(jīng)營養(yǎng)因子在發(fā)育過程中促進神經(jīng)元的生存、分化和成熟,促進神經(jīng)系統(tǒng)疾病的神經(jīng)發(fā)生[6]。其中,大腦多巴胺神經(jīng)營養(yǎng)因子有著抗氧化、抗凋亡和抗炎的神經(jīng)保護作用。研究發(fā)現(xiàn),該因子能促進PD模型神經(jīng)干細胞的增殖并向受損紋狀體的遷移,從而改善運動功能[29]。一些生長因子,包括轉(zhuǎn)化生長因子、表皮生長因子和成纖維生長因子等,也均被證實可調(diào)節(jié)帕金森發(fā)病后的神經(jīng)發(fā)生[30～31]。例如,轉(zhuǎn)化生長因子注射到大鼠PD模型紋狀體中后可以促進SVZ區(qū)Nestin陽性細胞增殖,使成神經(jīng)細胞增多并向受損紋狀體遷移[32～33]。

此外,一些外源性化合物也可以促進多巴胺神經(jīng)發(fā)生過程。在MPTP模型小鼠中,給予鳥嘌呤核苷干預(yù)可以減少細胞凋亡,促進黑質(zhì)TH+多巴胺能神經(jīng)元增多以及SVZ區(qū)的Nestin+細胞增殖[34]。另有研究報道,神經(jīng)氨酸苷酶可以促進體外培養(yǎng)的NSCs分化為神經(jīng)元,將其注射到腦室中能阻斷SVZ區(qū)的NSCs沿遷移流遷移,同時促進其往紋狀體遷移并新生成神經(jīng)細胞和神經(jīng)元[35];氯化鋰可以促進NSCs體外培養(yǎng)時向多巴胺能神經(jīng)元的分化,改善PD模型大鼠的運動功能和記憶功能[36];藏花醛可以體外促進NSCs向功能性多巴胺能神經(jīng)元分化,藏花醛處理后的NSCs移植腦內(nèi)能增加多巴胺的表達水平[37];承載miR-124的納米粒子可以改善PD模型小鼠的運動功能[38]。

2.2 干細胞移植對PD神經(jīng)發(fā)生的影響

干細胞移植對PD模型動物內(nèi)源性NSCs的命運會產(chǎn)生影響。將含有人胎盤堿性磷酸酶標記的神經(jīng)干細胞移植大鼠紋狀體和黑質(zhì)后,再進行同側(cè)6-OHDA注射誘導(dǎo)PD模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn):兩周后SVZ區(qū)的細胞增殖明顯,且更多的新生成神經(jīng)細胞遷移至移植部位,這種內(nèi)源性祖細胞的變化可能與GDNF、Shh和SDF1alpha表達上調(diào)有關(guān)[39]。體外嗅鞘細胞和NSCs共培養(yǎng)可以促進NSCs存活、突觸生長以及分化成多巴胺能神經(jīng)元后多巴胺的釋放。研究顯示,將嗅鞘細胞和NSCs共同移植到受損紋狀體可以促進NSCs存活、突觸生長以及多巴胺釋放[40]。間充質(zhì)干細胞移植到紋狀體后會釋放特異性細胞因子NT-3、腦源性營養(yǎng)因子和表皮生長因子,從而促進SVZ區(qū)的細胞增殖和成神經(jīng)細胞的遷移,并向神經(jīng)元方向分化[41～43]。針對6-OHDA注射左側(cè)紋狀體模型小鼠進行的蛋白質(zhì)組學(xué)檢測顯示,與SVZ區(qū)細胞肌漿網(wǎng)和突觸結(jié)構(gòu)相關(guān)的蛋白質(zhì)受損,說明6-OHDA會抑制SVZ區(qū)NSCs分化為功能性神經(jīng)元,而移植人胚胎神經(jīng)干細胞可以修復(fù)SVZ區(qū)的蛋白質(zhì)受損情況,但對紋狀體多巴胺能神經(jīng)元丟失的補償作用還需深入驗證[44]。

干細胞移植可以影響內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生過程,而內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生也可影響移植細胞對PD的神經(jīng)保護作用。Madhavan等[45]的研究發(fā)現(xiàn),利用抗有絲分裂劑提前抑制內(nèi)源性祖細胞的增殖可以使PD模型大鼠的干細胞移植療法效果更好,說明內(nèi)源性干細胞和移植的干細胞共同創(chuàng)建神經(jīng)保護的穩(wěn)定環(huán)境。

以上研究表明,干細胞移植到PD模型動物腦內(nèi)后通過自分泌和旁分泌引起腦內(nèi)微環(huán)境的改變,影響內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生過程,改善動物運動功能。但干細胞移植的位置、注射時間以及注射劑量都需要更深入探討。

2.3 電刺激治療對PD神經(jīng)發(fā)生的影響

電刺激治療是將一個或者多個電極植入大腦的特定區(qū)域,給予電信號刺激的一種治療手段。當前臨床上對PD患者電刺激可以有效改善PD的“開關(guān)”現(xiàn)象、運動障礙和藥物耐受性震顫部位,主要刺激部位在丘腦底核和蒼白球。目前一些證據(jù)表明,神經(jīng)發(fā)生也可能是電刺激起到治療效果的原因之一。一項PD患者尸檢研究報道了接受丘腦底核電刺激的PD患者SVZ區(qū)NSCs的增加[46]。給予6-OHDA誘導(dǎo)PD模型大鼠高頻丘腦底核電刺激,可促進SVZ區(qū)BrdU陽性細胞和紋狀體中TH陽性細胞顯著增多[47]。此外,在體外細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中,電刺激也可以增強NSCs的增殖、分化、遷移和整合[48]。

3 展望

目前,對于PD神經(jīng)發(fā)生的研究尤其是臨床證據(jù)還非常有限,尚且沒有定論。而成人神經(jīng)發(fā)生是關(guān)鍵的內(nèi)源性神經(jīng)替代機制,因此闡明PD的神經(jīng)發(fā)生過程,尋找多巴胺能神經(jīng)元補償辦法,對促進PD患者神經(jīng)功能的恢復(fù)有重大的意義。PD后SVZ區(qū)以及非神經(jīng)源性區(qū)域如黑質(zhì)區(qū)、紋狀體、皮層等可以檢測到NSCs的一系列反應(yīng)[49]。藥物治療包括中國傳統(tǒng)中草藥,以及電刺激治療等手段,可能通過促進腦內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生,對PD患者運動功能恢復(fù)起到作用[46,13]。這些都為利用內(nèi)源性NSCs解決PD患者多巴胺能神經(jīng)元丟失帶來了希望,給再生修復(fù)治療PD開辟了新的途徑。