犬尿氨酸通路在兒童神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病中的研究進(jìn)展

荊曉琦，方成志，張丙宏

作者單位：武漢大學(xué)人民醫(yī)院新生兒科，湖北 武漢 430060

神經(jīng)發(fā)育障礙（neurodevelopmental disorders，NDD）是由于遺傳和環(huán)境因素綜合作用而導(dǎo)致的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷［1］，以兒童期發(fā)育運(yùn)動(dòng)延遲，社會(huì)和情感行為改變以及認(rèn)知障礙為特征［2-4］。在涉及的腦區(qū)達(dá)到功能成熟的特定發(fā)展階段之前，兒童NDD 相關(guān)病理表現(xiàn)可被識(shí)別，表現(xiàn)為神經(jīng)軟體征、認(rèn)知缺陷、腦形態(tài)學(xué)改變等，并出現(xiàn)相關(guān)臨床癥狀，最終可能導(dǎo)致終身疾?。?］。作為一組與遺傳異質(zhì)性和后天疾病高度相關(guān)的神經(jīng)精神類疾病，神經(jīng)發(fā)育障礙全球兒童患病率為2%～5%，給社會(huì)和家庭帶來極大的負(fù)擔(dān)［6］。常見的兒童神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病包括孤獨(dú)癥譜系障礙（autism spectrum disorders，ASD）、注意力缺陷多動(dòng)障礙（attention deficit hyperactivity disorder，ADHD）、癲癇、精神分裂癥（schizophrenia，SCZ）等［6-8］。兒童NDD 的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，長(zhǎng)久以來人們普遍認(rèn)為突觸形成和修剪、神經(jīng)細(xì)胞分化遷移、髓鞘形成等相關(guān)基因異常與環(huán)境因素共同作用導(dǎo)致了病人的復(fù)雜癥狀［1，9-11］。但越來越多的研究揭示了神經(jīng)炎癥和免疫失調(diào)是神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病共同機(jī)制的重要環(huán)節(jié)［12-13］。直接證據(jù)包括病人細(xì)胞因子表達(dá)譜的變化，當(dāng)機(jī)體處于細(xì)胞因子激活狀態(tài)時(shí)，循環(huán)促炎化合物水平的升高與神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病癥狀加重、神經(jīng)病理學(xué)表現(xiàn)突出和認(rèn)知缺陷加劇相關(guān)［14］；Purves-Tyson等［15］發(fā)現(xiàn)早發(fā)SCZ病人腦中補(bǔ)體C1qA、C3 和C4 的基因表達(dá)增加；而腸道菌群紊亂引起炎癥因子的累積以及抗體產(chǎn)生的失衡，影響了病人的腦發(fā)育及神經(jīng)元可塑性［16］。犬尿氨酸通路（the kynurenine pathway，KP）的神經(jīng)活性代謝產(chǎn)物在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，犬尿氨酸（kynurenine，KYN）、犬尿喹啉酸（kynurenic acid，KYNA）和3-羥基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）在大鼠胎兒腦中水平較高，出生后快速下降，并在成年期保持較低水平［17］。研究表明，圍生期母體感染和缺氧均會(huì)影響胎兒大腦中KP 代謝產(chǎn)物水平和大腦發(fā)育，增加出現(xiàn)精神神經(jīng)癥狀的風(fēng)險(xiǎn)［18-21］。早期神經(jīng)發(fā)育中，α-7煙堿性乙酰膽堿受體（α-7nAchRs）、N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體等KP 代謝產(chǎn)物相關(guān)受體的功能障礙與ADHD、ASD 和SCZ 病兒的中樞神經(jīng)發(fā)育異常關(guān)系密切［22-24］。本研究就KP 在兒童NDD 中的研究進(jìn)展綜述如下。

1 KP的組成及相關(guān)代謝產(chǎn)物

1.1 KP 的組成色氨酸是人體的必需芳香族氨基酸。生理狀況下小部分色氨酸代謝成血清素，超過95%的色氨酸在吲哚胺-2，3-雙加氧酶（indoleamine-2，3-dioxygenase，IDO）和色氨酸-2，3-雙加氧酶（tryptophan-2，3-dioxygenase，TDO）的作用下首先代謝為中間產(chǎn)物KYN 并進(jìn)一步產(chǎn)生喹啉酸、KYNA 和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）等神經(jīng)活性代謝產(chǎn)物［25］。KP是免疫系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)通路，其關(guān)鍵酶可被皮質(zhì)醇和炎癥細(xì)胞因子激活［26］。KP 的特殊性在于它能夠同時(shí)產(chǎn)生具有神經(jīng)保護(hù)作用和神經(jīng)毒性的代謝產(chǎn)物。生理?xiàng)l件下，“喹啉酸分支”處于休眠狀態(tài)，KYN 優(yōu)先通過犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（kynurenine aminotransferases，KAT）在星形膠質(zhì)細(xì)胞中合成具有神經(jīng)保護(hù)作用的KYNA；KYN 也可生成3-羥基犬尿氨酸后轉(zhuǎn)化為喹啉酸并最終分解為NAD+［27-28］。近年來的研究發(fā)現(xiàn)KP與炎癥-免疫失調(diào)過程的緊密關(guān)聯(lián)。干擾素-γ （INF-γ）、白細(xì)胞介素-1β （IL-1β）和腫瘤壞死因子α （TNF-α）等促炎細(xì)胞因子可誘導(dǎo)IDO 的表達(dá)上調(diào)［29-30］；生理?xiàng)l件下喹啉酸/KYNA 的比例受到嚴(yán)格控制，其比值的微小波動(dòng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)病理學(xué)改變［31］。越來越多的研究揭示了KP在神經(jīng)發(fā)育過程中的作用，關(guān)注它在疾病狀態(tài)下的改變能夠?yàn)檎{(diào)控KP 治療兒童NDD 提供理論依據(jù)。

1.2 喹啉酸喹啉酸主要由活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生。作為一種內(nèi)源性NMDA 受體激動(dòng)劑，喹啉酸主要通過抑制谷氨酰胺合成酶和星形膠質(zhì)細(xì)胞重?cái)z取谷氨酸具有興奮毒性作用［32］。過量的喹啉酸通過增強(qiáng)鈣離子的內(nèi)流和蛋白激酶、磷脂酶、一氧化氮合酶等細(xì)胞損傷相關(guān)酶的活化，進(jìn)而激活相關(guān)凋亡途徑［33-34］。有研究證實(shí)，喹啉酸也能夠參與活性氧形成，介導(dǎo)脂質(zhì)過氧化，介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞損傷［35-38］。Rahman 等［39］在培養(yǎng)人原代胚胎神經(jīng)元時(shí)發(fā)現(xiàn)，病理濃度（＞100 nmol/L ）的喹啉酸能夠調(diào)控蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PP）1、PP2A、PP2B等PP上絲氨酸和蘇氨酸殘基的磷酸化，激活τ蛋白（tau蛋白），誘發(fā)神經(jīng)毒性。

1.3 KMOKMO 是KP 途徑的關(guān)鍵酶，在腦中主要表達(dá)于小膠質(zhì)細(xì)胞［40］，也存在于外周組織（肝臟、腎臟和胎盤）的巨噬細(xì)胞中［41］?？诜﨣MO 抑制劑Ro 61-8048 可以增加沙鼠海馬細(xì)胞外液中KYNA 濃度，并且應(yīng)用該化合物在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中能夠發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［42-43］。Giorgini等［44］在KMO 基因敲除小鼠中觀察到，KYN 和KYNA水平明顯升高，3-HK和喹啉酸水平有所降低。以上表明，靶向KMO 在一定程度上可恢復(fù)KP 代謝產(chǎn)物的失衡。

1.4 KYNAKYNA 在腦內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞中由KYN 經(jīng)KAT 催化產(chǎn)生，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的體內(nèi)外模型中發(fā)揮抗炎抗氧化的作用［31，45-47］。生理濃度的KYNA 通過拮抗α7nAchRs，抑制突觸前膜釋放谷氨酸；病理狀態(tài)下，KYNA 作用于NMDA 受體上的甘氨酸位點(diǎn)［半抑制濃度（IC50）10～30 μmol/L］和谷氨酸位點(diǎn)（IC50500 μmol/L），通過阻斷興奮性神經(jīng)遞質(zhì)傳遞，從而保護(hù)神經(jīng)功能。GP35作為KYNA 的內(nèi)源性配體，二者結(jié)合可參與調(diào)節(jié)膠質(zhì)細(xì)胞中谷氨酸釋放、單核細(xì)胞外滲、炎癥反應(yīng)以及細(xì)胞因子釋放等多種病理生理過程［48-49］。

1.5 KAT在人類、小鼠和大鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，目前已經(jīng)分離出4種KAT的亞型，分別為KAT Ⅰ、KAT Ⅱ、KAT Ⅲ和KAT Ⅳ。其中，KAT Ⅱ高表達(dá)于星形膠質(zhì)細(xì)胞，是大腦合成KYNA 的主要催化亞基［50］。Bortz等［51］發(fā)現(xiàn)，抑制大鼠的KAT Ⅱ能夠降低腦內(nèi)KYNA 水平，提高認(rèn)知能力。在嚙齒動(dòng)物和靈長(zhǎng)類動(dòng)物中使用KAT Ⅱ抑制劑PF-04859989 可減少中腦多巴胺放電，改善認(rèn)知功能，對(duì)苯丙胺和氯胺酮引起的感覺障礙也有緩解作用［52］。

2 KP在兒童神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病中的作用

2.1 KP異常與ASDASD是具有高度異質(zhì)性的神經(jīng)發(fā)育性疾病，特點(diǎn)是社交和溝通障礙、刻板和僵化的行為模式、興趣范圍狹窄等［53］。KP 的腦-腸軸受損進(jìn)而誘發(fā)免疫炎癥被認(rèn)為是ASD 的潛在發(fā)病機(jī)制［54］。ASD 病兒血漿和尿液中KP 改變以色氨酸水平降低、高 IDO1 活性為特征［55］。與正常兒童相比，ASD 病兒的 KYNA 血漿水平顯著降低，KYN/KYNA 比值顯著升高，喹啉酸過量蓄積，表明ASD病兒中色氨酸消耗較大，KAT 活性降低［54］。有研究者發(fā)現(xiàn)，ASD 病兒的臨床特征可能與小腦、腦干等多個(gè)大腦區(qū)域的小膠質(zhì)細(xì)胞過度激活所導(dǎo)致的突觸功能受損相關(guān)［53］。作為ASD 的潛在致病因素，小膠質(zhì)細(xì)胞過度激活的關(guān)鍵時(shí)期可能從胎兒期持續(xù)至早期發(fā)育階段［53］。流行病學(xué)相關(guān)研究表明，母體孕期免疫激活會(huì)增加后代患ASD的風(fēng)險(xiǎn)［56］。

2.2 KP 異常與癲癇癲癇是兒童期較為常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，以大腦神經(jīng)元異常放電引起短暫中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為特征，常伴有其他心理、認(rèn)知和軀體合并癥［57-58］。既往研究證實(shí)，原發(fā)性癲癇病人和繼發(fā)于自身免疫性腦炎的癲癇病人的血清和腦脊液中IDO1 和KYN/色氨酸比值均升高；Deng等［59］在繼發(fā)性癲癇動(dòng)物模型中觀察到，IDO1主要定位于小膠質(zhì)細(xì)胞，下調(diào)IDO1 表達(dá)，血清和海馬的KYN 水平和KYN/色氨酸比值顯著降低。這些結(jié)果表明，IDO1 可能與繼發(fā)性癲癇的密切相關(guān)。同時(shí)Dey 等［60］在繼發(fā)性癲癇病人中發(fā)現(xiàn)，隨著癲癇持續(xù)時(shí)間、發(fā)作頻率的增加，KAT Ⅱ活性降低，內(nèi)源性KYNA 合成減少，喹啉酸的從頭合成顯著增加，最終導(dǎo)致海馬細(xì)胞谷氨酸過度釋放。此外，難治性兒童癲癇發(fā)作頻率與KYNA 濃度有關(guān)，而生酮飲食可能通過誘導(dǎo)KAT活性從而增加KYNA的血漿水平［61］。

2.3 KP 異常與SCZSCZ 病因假說主要涉及神經(jīng)遞質(zhì)異常、神經(jīng)發(fā)育障礙和免疫系統(tǒng)紊亂，但這些假說都不能完全解釋SCZ 病人的復(fù)雜癥狀和異質(zhì)性?，F(xiàn)有證據(jù)表明，在沒有身體傷害的情況下，心理壓力可以引起炎癥活動(dòng)的顯著增加，而事實(shí)上近一半的SCZ 可被定義為“高炎癥/免疫生物型”［15］。SCZ 的KYN 假說基于腦內(nèi)過量的KYNA 可以通過干擾谷氨酸能和膽堿能傳遞，間接影響多巴胺能信號(hào)傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致SCZ 癥狀［31］。此外，SCZ 的認(rèn)知障礙程度與大腦中KYNA 水平有關(guān)［62］。SCZ 伴隨的炎癥和氧化應(yīng)激，通過誘導(dǎo)IDO而激活KP相關(guān)神經(jīng)毒性級(jí)聯(lián)反應(yīng)［63］。Zhang 等［64］發(fā)現(xiàn)，首發(fā)且未用藥精的神分裂癥病人外周血中IDO 水平升高，且IDO 水平與TNF-α、IFN-γ等促炎細(xì)胞因子水平和陰性癥狀呈顯著正相關(guān)。IDO 在大腦中的神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中廣泛表達(dá)，IDOrs9657182 等位基因的多態(tài)性與SCZ發(fā)病機(jī)制有關(guān)［63］。在SCZ病人的尸檢中發(fā)現(xiàn)，前額葉皮層中TDO2 的mRNA 表達(dá)量顯著增加［65］。在動(dòng)物模型中使用TDO 抑制劑后，紋狀體中脂質(zhì)損傷和羧基蛋白水平下降、超氧化物歧化酶活性升高，海馬中羧基蛋白水平降低、過氧化氫酶活性升高。

3 總結(jié)與展望

作為連接內(nèi)分泌、代謝、免疫等多種生理過程的紐帶，KP 失調(diào)通過誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥、興奮性氨基酸毒性、氧化應(yīng)激等諸多病理生理機(jī)制，參與了多系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展。鑒于KP 的功能多樣性和在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的重要地位，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究探索KP的激活途徑以及KP的重要酶和代謝產(chǎn)物所介導(dǎo)的神經(jīng)損傷機(jī)制。最新的藥理學(xué)和遺傳學(xué)研究補(bǔ)充了代謝實(shí)驗(yàn)的部分不足，提示通過靶向KP以恢復(fù)其代謝產(chǎn)物失衡，在未來預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病中有巨大潛力。目前靶向KP 重要酶及產(chǎn)物的治療策略在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，例如，Murakami 等［66］發(fā)現(xiàn)托莫西汀可通過調(diào)節(jié)ASD 動(dòng)物模型大腦額葉皮質(zhì)中KYNA 水平，改善社會(huì)行為和（或）社會(huì)識(shí)別記憶受損；研究者在癲癇小鼠模型中觀察到，敲除IDO1基因能夠減輕神經(jīng)元損傷、癲癇持續(xù)狀態(tài)后的炎癥反應(yīng)和癲癇發(fā)作［59］。未來我們將進(jìn)一步研究KP 在兒童神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病病理生理過程中的重要作用，爭(zhēng)取為臨床決策提供新的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。