劉鵬亮,朱婷娜,楊根夢(mèng),王上,沈?qū)氂瘢木?,于浩,李利華,洪仕君,趙永娜
(1.昆明醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院,昆明 650500; 2.昆明醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,昆明 650500)
甲基苯丙胺又稱(chēng)甲基安非他明、去氧麻黃素,屬于苯丙胺類(lèi)中樞興奮劑,因其外觀呈透明結(jié)晶樣,純品像冰糖,俗稱(chēng)“冰毒”,是繼海洛因后最為流行的毒品之一。甲基苯丙胺具有成癮快、復(fù)吸率高、精神依賴(lài)性極強(qiáng)等特點(diǎn),長(zhǎng)期濫用對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成顯著的毒性作用,并對(duì)身體上各器官均有損害,短期大量吸食極易引起猝死。《2019年中國(guó)毒品形勢(shì)報(bào)告》指出,目前我國(guó)甲基苯丙胺濫用人數(shù)占現(xiàn)有吸毒人員的55.2%(118.6萬(wàn)/214.8萬(wàn))[1]。此外,甲基苯丙胺濫用者共用未經(jīng)消毒的注射器和不潔性行為,使人類(lèi)免疫缺陷病毒的感染及傳播風(fēng)險(xiǎn)增加,給家庭和社會(huì)帶來(lái)極大危害,現(xiàn)已成為全國(guó)乃至全世界亟須解決的公共衛(wèi)生問(wèn)題。凋亡是指機(jī)體調(diào)控自主發(fā)生的細(xì)胞程序性死亡的過(guò)程,是機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的一種基本生物學(xué)反應(yīng),在多細(xì)胞生物體內(nèi)去除異常或衰老的細(xì)胞中起必要作用,其參與了生物體的進(jìn)化、內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)以及不同組織器官的發(fā)育。多項(xiàng)研究表明,甲基苯丙胺導(dǎo)致的腦部損傷與一些退行性病變(如阿爾茨海默病、帕金森病)所表現(xiàn)的腦部病理變化極其相似[2-6],而凋亡參與了甲基苯丙胺誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的發(fā)生發(fā)展過(guò)程,但具體作用機(jī)制尚未清楚。現(xiàn)就甲基苯丙胺誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡的研究進(jìn)展予以綜述,以期為研究甲基苯丙胺與凋亡相關(guān)機(jī)制以及發(fā)現(xiàn)新的治療藥物的提供依據(jù)。
凋亡的概念由Kerr在1972年根據(jù)其形態(tài)學(xué)特征首次提出[7]。細(xì)胞凋亡早期細(xì)胞質(zhì)凝結(jié),細(xì)胞器之間更緊密,細(xì)胞質(zhì)密度升高、細(xì)胞體積縮小,細(xì)胞核內(nèi)染色體降解、凝聚,這也是凋亡最主要的特征。隨后細(xì)胞膜的連續(xù)性中斷,細(xì)胞核碎裂,細(xì)胞被分割成為數(shù)個(gè)凋亡小體,被周?chē)耐淌杉?xì)胞吞噬并消化。凋亡在多細(xì)胞生物的組織分化、生長(zhǎng)發(fā)育及機(jī)體穩(wěn)態(tài)的維持中起重要作用。異常的細(xì)胞凋亡使正常的神經(jīng)受到損傷,受損后的神經(jīng)變性導(dǎo)致多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生[8]。B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2,Bcl-2)基因是調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡基因中的一員,其可以抑制凋亡作用,延長(zhǎng)細(xì)胞生存時(shí)間;而B(niǎo)cl-2相關(guān)X蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)基因是凋亡正性調(diào)控因子,可以促進(jìn)細(xì)胞凋亡的發(fā)生,細(xì)胞中Bcl-2和Bax基因的比例可以對(duì)細(xì)胞凋亡進(jìn)行調(diào)節(jié)。凋亡主要表現(xiàn)為胱天蛋白酶(caspase)家族的激活,caspase在神經(jīng)細(xì)胞凋亡中起殺傷蛋白的作用[9];多腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly(ADP-ribose) polymerase,PARP]是一種真核細(xì)胞的核內(nèi)酶,其分子量為113 000,在細(xì)胞凋亡過(guò)程中,PARP被caspase蛋白水解為分子量為89 000和24 000的兩個(gè)片段,這兩個(gè)片段成為細(xì)胞凋亡的發(fā)生標(biāo)志。因此,目前可通過(guò)檢測(cè)Bcl-2、Bax、caspase和PARP等相關(guān)蛋白的變化來(lái)判斷細(xì)胞的凋亡情況。
體外研究表明,不同劑量甲基苯丙胺(0、1、2、2.5、3、3.5 mmol/L)處理PC12細(xì)胞和SH-SY5Y細(xì)胞的caspase-11表達(dá)量均升高,且caspase-11表達(dá)量與甲基苯丙胺劑量在16 h內(nèi)呈依賴(lài)性增加[9]。甲基苯丙胺可以誘導(dǎo)PC12細(xì)胞和SH-SY5Y細(xì)胞發(fā)生凋亡和自噬,并使caspase-3、PARP、CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β(CCAAT/enhancer binding protein β,C/EBPβ)的表達(dá)。用1.0 mmol/L甲基苯丙胺處理原代培養(yǎng)的紋狀體神經(jīng)元,觀察到caspase-3、PARP和C/EBPβ的表達(dá)水平顯著增加[10]。Xu等[11]用3.0 mmol/L甲基苯丙胺處理PC12細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)TdT介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記法(TdT mediated-dUTP nick end labeling,TUNEL)染色陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)目顯著增加,同時(shí)凋亡標(biāo)志物PARP和caspase-3的表達(dá)水平有所增加。Huang等[12]發(fā)現(xiàn),甲基苯丙胺可通過(guò)C/EBPβ/Tribble同源蛋白3/Parkin/α-syn信號(hào)通路促進(jìn)SH-SY5Y細(xì)胞發(fā)生凋亡。另有前期研究發(fā)現(xiàn),不同劑量甲基苯丙胺(0、0.125、0.25、0.5、1.0、2.0 mmol/L)處理新生SD大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元24 h,隨著甲基苯丙胺濃度的增加,神經(jīng)元突觸逐漸縮短,胞體逐漸出現(xiàn)皺縮、空泡化,甚至死亡,發(fā)現(xiàn)經(jīng)TdT介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記法染色陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量明顯增多[13]。Ma等[14]證實(shí),大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡數(shù)量與甲基苯丙胺呈劑量依賴(lài)性,細(xì)胞存活率降低。
體內(nèi)研究表明,甲基苯丙胺可誘導(dǎo)大鼠腦組織caspase-11表達(dá)增加,并明顯上調(diào)凋亡標(biāo)志物caspase-3和PARP的表達(dá)[9]。此外,甲基苯丙胺可增加大鼠紋狀體中caspase-3、PARP和C/EBPβ的表達(dá)水平[10]。Xu等[11]研究表明,capsase-3信號(hào)通路參與了核蛋白1介導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)元凋亡。Huang等[12]發(fā)現(xiàn),C/EBPβ參與甲基苯丙胺誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元凋亡,且大鼠紋狀體中caspase-3和PARP的表達(dá)水平增加。由此可見(jiàn),甲基苯丙胺可以誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生凋亡。
細(xì)胞凋亡的發(fā)生和調(diào)控與多條信號(hào)傳導(dǎo)通路有關(guān),主要有外源性的死亡受體途徑、內(nèi)源性的線粒體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑等。
3.1死亡受體途徑的調(diào)控作用 死亡受體是腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factor receptor,TNFR)超家族的成員,與相關(guān)配體結(jié)合后,其內(nèi)部死亡結(jié)構(gòu)域暴露并聚集,并與caspase-8前體結(jié)合并活化caspase-8蛋白,從而引發(fā)細(xì)胞凋亡。死亡受體有Fas、TNFR1、TNFR2、DR3、DR4、DR5、DcR1和DcR2等,目前Fas/Fas配體和TNFR介導(dǎo)的凋亡研究最多。研究發(fā)現(xiàn),TNF-α和Fas配體在神經(jīng)系統(tǒng)中用過(guò)炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡[15]。既往研究發(fā)現(xiàn),甲基苯丙胺可致大鼠神經(jīng)元損傷,并增加大鼠額葉皮質(zhì)炎癥因子TNF-α和白細(xì)胞介素-6的表達(dá)[16]。研究表明,甲基苯丙胺可促進(jìn)Fas相關(guān)死亡域蛋白向磷酸化Fas相關(guān)死亡域蛋白的轉(zhuǎn)化,且甲基苯丙胺的需求量增加,其在海馬區(qū)的表達(dá)明顯高于紋狀體[17]。Park等[18]用1.0 mmol/L甲基苯丙胺處理SH-SY5Y細(xì)胞12 h發(fā)現(xiàn),TNFR、caspase-3、PARP、Bax蛋白表達(dá)水平顯著升高。此外,Liou等[19]研究證明,甲基苯丙胺會(huì)促進(jìn)心肌細(xì)胞的凋亡,同時(shí)Fas、Fas配體、TNFR、TNF-α、caspase-8、caspase-9和caspase-3蛋白表達(dá)水平有所增加,而B(niǎo)cl-2表達(dá)水平降低??梢?jiàn),甲基苯丙胺可通過(guò)死亡受體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
3.2線粒體途徑的調(diào)控作用 甲基苯丙胺可通過(guò)經(jīng)典線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。線粒體途徑是大多數(shù)脊椎動(dòng)物發(fā)生細(xì)胞凋亡的主要形式[20]。Bax蛋白與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔結(jié)合使其持續(xù)開(kāi)放,導(dǎo)致細(xì)胞膜電位消失,促進(jìn)細(xì)胞色素C(cytochrome C,CytC)的釋放并與凋亡蛋白酶活化因子1和caspase-9結(jié)合,繼而活化下游caspase-3蛋白引發(fā)凋亡,而B(niǎo)cl-2和Bcl-xL通過(guò)與Bax競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔抑制凋亡發(fā)生。研究顯示,甲基苯丙胺處理C6細(xì)胞的CytC、caspase-9、caspase-3、Bax表達(dá)水平升高,而B(niǎo)cl-xL的表達(dá)水平降低,表明甲基苯丙胺可通過(guò)線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[21]。Chen等[22]研究證明,甲基苯丙胺在體內(nèi)、體外均可以通過(guò)上調(diào)來(lái)自星形膠質(zhì)細(xì)胞的Lipocalin-2表達(dá)增加CytC、caspase-3、PARP、Bax蛋白的表達(dá),從而參與線粒體相關(guān)的神經(jīng)元凋亡。甲基苯丙胺處理PC12細(xì)胞和SH-SY5Y細(xì)胞用的線粒體膜電位降低,且線粒體內(nèi)CytC表達(dá)明顯增加[10]。此外,Huang等[12]研究表明,C/EBPβ可通過(guò)Tribble同源蛋白3/Parkin/α-syn信號(hào)軸介導(dǎo)甲基苯丙胺誘導(dǎo)的線粒體凋亡。Sharikova等[23]發(fā)現(xiàn),甲基苯丙胺處理HUTU小膠質(zhì)細(xì)胞的CytC、髓細(xì)胞白血病因子1、凋亡蛋白酶活化因子1、Bax和caspase-3表達(dá)水平增加,證實(shí)甲基苯丙胺可通過(guò)線粒體途徑誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生凋亡。除CytC介導(dǎo)細(xì)胞凋亡外,凋亡誘導(dǎo)因子介導(dǎo)的非caspase依賴(lài)的凋亡通路受Bax和Bcl-2調(diào)控。有研究證明,甲基苯丙胺也可通過(guò)促進(jìn)凋亡誘導(dǎo)因子表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[24]。
3.3內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑的調(diào)控作用 甲基苯丙胺可以通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可激活未折疊蛋白反應(yīng)來(lái)進(jìn)行細(xì)胞修復(fù),而持續(xù)性?xún)?nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。未折疊蛋白反應(yīng)主要與蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)、激活轉(zhuǎn)錄因子6、肌醇需求酶-1有關(guān)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通過(guò)激活C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)轉(zhuǎn)錄、激活c-Jun氨基端激酶信號(hào)通路、活化caspase-12三條途徑引發(fā)凋亡。研究表明,甲基苯丙胺可促進(jìn)SH-SY5Y細(xì)胞發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[10]。此外,甲基苯丙胺可通過(guò)上調(diào)大鼠前額葉皮質(zhì)和紋狀體中核蛋白1和CHOP的表達(dá)而激活體內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[11]。星形膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的Lipocalin-2也可通過(guò)PERK介導(dǎo)的信號(hào)通路促進(jìn)神經(jīng)元凋亡。Shah和Kumar[25]用甲基苯丙胺處理SVGA細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)PERK、轉(zhuǎn)錄因子6和肌醇需求酶-1被激活,且激活水平具有一定的時(shí)間和劑量依賴(lài)性,同時(shí)CHOP、caspase-9和caspase-12表達(dá)水平增加。甲基苯丙胺處理后,C6細(xì)胞的PERK、轉(zhuǎn)錄因子6和肌醇需求酶-1被激活,CHOP和caspase-12的表達(dá)水平增加[26]。Jayanthi等[24]證明,甲基苯丙胺可通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡,甲基苯丙胺處理后,葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78/免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白、CHOP和caspase-12的表達(dá)水平明顯升高,且注射甲基苯丙胺后,大鼠的caspase-12因子立即被激活。除神經(jīng)系統(tǒng)外,甲基苯丙胺還可通過(guò)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,從而造成肺組織損傷[27-28]。
4.1天麻素對(duì)甲基苯丙胺誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)作用 天麻素是天麻的主要生物活性成分,具有抗氧化、抗炎、抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化、調(diào)節(jié)線粒體級(jí)聯(lián)、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、上調(diào)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)等作用,其對(duì)許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有廣泛益處。天麻素對(duì)甲基苯丙胺誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡具有保護(hù)作用。天麻素可以對(duì)神經(jīng)損傷起到很好的保護(hù)作用,并通過(guò)上調(diào)Bcl-2表達(dá)、下調(diào)Bax和caspase-3表達(dá),進(jìn)而抑制神經(jīng)元的凋亡[29-30]。天麻素可通過(guò)拮抗上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的信號(hào)抑制細(xì)胞凋亡發(fā)生,可能與其抗氧化、抗炎的作用有關(guān)[31-33]。既往研究表明,給予天麻素干預(yù)并經(jīng)甲基苯丙胺處理的皮質(zhì)神經(jīng)元經(jīng)TdT介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記法染色顯示陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量顯著減少,且caspase-3表達(dá)水平明顯降低[13]。此外,天麻素可通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)腺苷酸、蛋白激酶A、cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)改善由甲基苯丙胺誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡引起的神經(jīng)毒性作用[14]。Liu等[33]研究發(fā)現(xiàn),天麻素可以減少線粒體膜電位的損失并抑制CytC、Bax和凋亡誘導(dǎo)因子的表達(dá),從而抑制細(xì)胞凋亡。自噬和凋亡是兩種不同的程序性死亡方式,有研究表明,抑制甲基苯丙胺誘導(dǎo)的自噬可以減輕甲基苯丙胺誘導(dǎo)的凋亡[10]。Yang等[34]研究發(fā)現(xiàn),天麻素可以通過(guò)蛋白激酶B/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路抑制甲基苯丙胺誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞自噬。
4.2褪黑素對(duì)甲基苯丙胺誘導(dǎo)凋亡的調(diào)節(jié)作用 褪黑素是哺乳動(dòng)物和人類(lèi)松果體產(chǎn)生的一種胺類(lèi)激素,具有抗氧化、抗炎、調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤等作用。研究表明,褪黑素對(duì)甲基苯丙胺介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡有保護(hù)作用[13]。同時(shí),褪黑素還可以劑量依賴(lài)方式增加Bcl-xl/Bax比值,降低CytC、caspase-9和caspase-3的表達(dá)水平,改善甲基苯丙胺誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[21]。此外,褪黑素可通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制甲基苯丙胺誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,并提高神經(jīng)細(xì)胞活性和降低CHOP、caspase-12的表達(dá)水平[26,35]。攻擊性是甲基苯丙胺使用或戒斷后的癥狀之一,而褪黑素具有逆轉(zhuǎn)甲基苯丙胺誘導(dǎo)的攻擊性行為的能力[36]。此外,褪黑素還可通過(guò)對(duì)谷氨酸受體、突觸和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的保護(hù)和恢復(fù)作用,改善甲基苯丙胺造成的神經(jīng)損傷和學(xué)習(xí)、記憶以及認(rèn)知功能障礙[37]。蛋白激酶Cδ是新型蛋白激酶C家族成員,主要通過(guò)特定基因位點(diǎn)的磷酸化和caspase-3的剪切而被激活,從而介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Shin等[38]研究發(fā)現(xiàn),褪黑素可通過(guò)調(diào)節(jié)蛋白激酶Cδ基因抑制細(xì)胞凋亡,從而降低甲基苯丙胺引起的神經(jīng)毒性作用。
4.3其他藥物對(duì)甲基苯丙胺誘導(dǎo)凋亡的調(diào)節(jié)作用 積雪草酸[18]、人參皂苷Re[38]和木犀草素[39]等藥物均能抑制甲基苯丙胺誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。積雪草酸來(lái)自中草藥積雪草,具有抗氧化、抗凋亡及抗炎等特性。積雪草酸抑制甲基苯丙胺誘導(dǎo)的TNFR表達(dá)具有劑量依賴(lài)性,其還可通過(guò)增加Bcl-2/Bax比例抑制細(xì)胞凋亡,使caspase-3及PARP的表達(dá)降低[18]。人參皂苷Re是人參的主要活性成分之一,Shin等[38]研究證實(shí),人參皂苷Re可以通過(guò)蛋白激酶Cδ途徑抑制線粒體損傷、酶抗氧化系統(tǒng)損傷和小膠質(zhì)細(xì)胞的激活與凋亡來(lái)保護(hù)多巴胺能神經(jīng)免受甲基苯丙胺誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性作用。木犀草素是一種黃酮類(lèi)化合物,普遍存在于水果、蔬菜及草本植物中,在中醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。木犀草素可通過(guò)降低p53、caspase-3、Bax表達(dá)抑制甲基苯丙胺對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮的毒性作用;并可抑制神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生自噬,降低Beclin1和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3Ⅱ的表達(dá),這可能是木犀草素保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制之一[39]。
綜上所述,甲基苯丙胺可誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡,而天麻素、褪黑素、積雪草酸、人參皂苷Re和木犀草素等主要通過(guò)較強(qiáng)的抗氧化性抑制甲基苯丙胺誘導(dǎo)的凋亡和神經(jīng)毒性,證實(shí)甲基苯丙胺可通過(guò)激活氧化應(yīng)激誘導(dǎo)神經(jīng)毒性作用,為尋找甲基苯丙胺戒斷干預(yù)治療藥物和作用靶點(diǎn)提供了依據(jù)。
細(xì)胞凋亡是多細(xì)胞生物體內(nèi)的正常生理反應(yīng),正常的凋亡可以清除體內(nèi)的異常細(xì)胞,維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,異常的凋亡在導(dǎo)致機(jī)體損傷中發(fā)揮重要作用。甲基苯丙胺通過(guò)促進(jìn)死亡受體途徑、線粒體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑相關(guān)因子的表達(dá)誘發(fā)異常的神經(jīng)細(xì)胞凋亡,從而誘導(dǎo)神經(jīng)毒性作用,其具體調(diào)控機(jī)制尚不清楚。因此,探究甲基苯丙胺毒性作用與凋亡之間的機(jī)制、信號(hào)傳導(dǎo)通路和關(guān)鍵作用蛋白,可為甲基苯丙胺依賴(lài)者的靶向治療提供新思路和新方法,并將成為該領(lǐng)域的研究方向和最終目標(biāo)。