神经细胞退行性病变机制研究进展

神经细胞退行性病变机制研究进展

曾纪荣

(赣州市人民医院药剂科，江西赣州341000)

关键词〔〕神经细胞；退行性病变

中图分类号〔〕R830〔

第一作者：曾纪荣(1965-)，男，副主任药师，主要从事药剂科管理研究。

神经退行性疾病(ND)是由神经元及(或)其髓鞘的丧失所致〔1，2〕，并随着时间的推移而恶化，以致功能障碍。ND病理改变有两种：一是细胞凋亡引起的大量神经细胞丢失；二是神经系统没有明显的神经元数量减少，但神经元出现结构和功能进行性退行性变性〔3〕。目前这些复杂疾病的病因仍未明确阐明。

1氧化应激(OS)

OS被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素〔4〕。活性氧(ROS)包括超氧阴离子(·O2-)、羟自由基(·OH)和过氧化氢(H2O2)等；活性氮(RNS)包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和过氧化亚硝酸盐(·ONOO-)等。大脑含有大量可被氧化的不饱和脂肪酸，具有氧化还原性的金属离子(Cu2+，Fe2+)及大量的氧利用，在遭受不利因素影响时，可能会比其他组织更容易受到自由基的损伤〔5〕。自由基对神经元的损伤主要有以下方面：细胞膜被自由基脂质氧化，使膜磷脂受破坏并降解；导致细胞膜通透性增加，钠、钙等物质进入造成细胞毒性水肿；线粒体破坏，最终导致细胞死亡。细胞死亡又会产生更多的自由基，造成恶性循环。随着年龄的增加，体内清除自由基的抗氧化酶活性水平降低，对ROS更加敏感，自由基对机体的损伤也会更加严重。因此在多种神经退行性疾病中，OS被认为是其中一个重要的发病因素〔3～7〕。

2线粒体功能障碍

线粒体主要功能是将有机物氧化产生的能量转化为ATP以供其他代谢过程利用。细胞中线粒体的具体数目取决于细胞的代谢水平，代谢活动越旺盛，线粒体越多(线粒体可占到细胞质体积的25%)。线粒体除提供神经元所需要的能量外，还参与蛋白质的合成和细胞增殖。而在神经元维持其正常功能中，除了需要大量的能量外，还需要合成大量的蛋白，如轴突、树突等。因此线粒体的功能缺失可能会影响大脑中神经元的正常功能。线粒体功能障碍主要包括线粒体形态结构异常和线粒体功能异常，是神经退行性疾病中如帕金森病(PD)、老年痴呆症、癫痫等普遍存在的病理现象，但其原因仍未明确〔8〕。线粒体功能异常既是疾病病因之一，亦是疾病发病的早期征兆。线粒体功能异常是指由于线粒体膜受到破坏、呼吸链受到抑制、酶活性降低、线粒体DNA(mtDNA)的损伤等引起的能量代谢障碍，进而导致一系列相互作用的损伤过程。由于PD患者黑质中线粒体酶复合体Ⅰ缺陷导致产生过量的自由基，且三磷酸腺苷(ATP)合成减少〔9〕。ATP的减少会造成细胞内外离子失衡，膜电位下降，导致电压依赖的通道如Ca2+通道的持续开放，造成Ca2+急剧内流，细胞内Ca2+增多，耗竭细胞内ATP，同时通过活化蛋白酶、脂肪酶、核酸内切酶介导兴奋毒性的细胞损伤，造成神经元死亡〔10，11〕。

线粒体损伤及功能改变在细胞凋亡中起重要作用：线粒体功能下降、氧化磷酸化-电子传递耦联受损、膜电位降低等线粒体功能的改变，最终导致神经细胞凋亡〔12，13〕。此外线粒体功能障碍还可能与谷氨酸受体介导的兴奋毒效应有关。

3兴奋性中毒

谷氨酸是中枢神经系统(CNS)主要的兴奋性神经递质，介导神经元突触可塑性和生理条件下的学习记忆和神经元的发育等。在正常情况下，谷氨酸在突触间隙中的浓度可以上升到1 mmol/L，然后在数毫秒后又快速下降至正常水平。因为谷氨酸具有潜在的神经毒性，需要机体通过转运系统将谷氨酸再摄取，使细胞外谷氨酸的含量低于中毒水平。当在突触间隙的谷氨酸的浓度不能迅速下降或由于病理原因一直维持在高水平，神经元就会产生兴奋性中毒〔14〕。

兴奋性中毒使神经细胞受到损伤或导致其死亡。这种情况也发生在兴奋性神经递质受体如N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA)和2-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPA)受体的过度表达。海人藻酸和NMDA等兴奋性毒素与这些受体结合，与病理情况下过高水平的谷氨酸一样，能使Ca2+离子内流，进入细胞，导致兴奋性中毒。Ca2+离子大量流入细胞会激活包括磷脂酶、内切核酸酶、钙蛋白酶等一系列的酶。这些酶的激活会导致细胞骨架、细胞膜和DNA等细胞结构的损害。兴奋性中毒可能会导致脊髓损伤、脑卒中、肌萎缩侧索硬化症(ALS)、PD、阿尔茨海默病(AD)和多发性硬化等其他神经退行性疾病的发生。其他导致谷氨酸水平过高的原因可能包括：低血糖和癫痫等〔15，16〕。

4免疫炎症

机体的免疫功能随着衰老的过程而下降，免疫功能下降的同时容易引发炎症的发生。神经胶质细胞特别是小胶质细胞活化是大脑炎症的主要标志。小胶质细胞介导的慢性炎症反应在神经退行性疾病发生、发展过程中起重要作用。在AD患者脑中β-淀粉样蛋白(Aβ)被小胶质细胞吞噬小体清除，但随着Aβ增多，Aβ封闭了吞噬小体使小胶质细胞失去吞噬作用，反而使小胶质细胞被活化，释放炎症细胞因子，如白细胞介素(IL)-1，-6，肿瘤坏死因子(TNF)-α等。这些炎症因子又反过来激活小胶质细胞和星形细胞产生淀粉样前体蛋白(APP)和Aβ，形成恶性循环，造成APP 和Aβ的量增加，形成老年斑(SP)，最终导致神经元受损。研究发现，向小鼠第4脑室内注入脂多糖(LPS)，其以聚合体形式与免疫细胞(CD)4结合，引起小胶质细胞活化，产生过多的NO、TNF-α、前列腺素雌二醇(E2)及IL等，增加了丙二醛(MDA)受体介导的神经毒性作用和炎症反应，致使小鼠的空间记忆能力明显降低〔17～20〕；IL活性增强，可刺激α1抗凝乳蛋白酶、α2微球蛋白和补体的产生，同时又促进了SP的形成〔21〕。

5Ca2+失衡

在正常生理条件下，神经细胞内、外的Ca2+浓度受到的Ca2+通道、Ca2+泵等机制的严格调控。但是在病理条件下，这种调控失去了作用，使Ca2+通道异常开放，增加了Ca2+内流，造成了细胞内的Ca2+超载〔22～24〕。Ca2+超载引发了一系列的有害损伤：胞内过高的Ca2+浓度能活化钙调蛋白(CaM)，使胞内神经递质增加，引发过度兴奋，影响血管舒张功能，加大了ATP和氧气的消耗，导致脑内缺血、缺氧并产生兴奋性中毒。此外，Ca2+超载可能还激活了某些酶，使大量的ATP、蛋白、磷脂被降解，破坏了胞膜完整性和pH平衡，使胞外物质进入胞内，导致神经元功能失常或死亡。Ca2+失衡还可能导致某些细胞信号通道受到干扰，影响了正常的细胞功能和相关基因的表达〔25〕。总之，神经细胞内的Ca2+自体失衡和各种因素导致的神经细胞内Ca2+超载及其所诱发的一系列链式反应，最终会导致神经元退行性变。

6其他机制

6.1Aβ学说Aβ来源于APP，P经一系列的蛋白水解过程产生Aβ。可溶性的α-APPs能够充当自分泌因子能起神经保护和神经营养作用〔26〕。有研究表明，在转基因小鼠中过度表达APP而不会产生AD症状〔27〕。

大多数进行分泌APP分子首先被α-分泌酶剪切，其酶切位置距离细胞膜12 个氨基酸，过程产生可溶性片段(α-APPs)，α-APPs释放到囊泡腔和细胞外空间，在膜上残留一个含有83个氨基酸残基的羧基端片段(C83)。C83在γ-分泌酶作用下，降解为P3。α-与γ-分泌酶剪切APP是不产生Aβ的代谢途径。而另外一些APP分子是被β-分泌酶所剪切，酶切位点距离α-分泌酶酶切位点16个氨基酸，产生一个小的产物(β-APPs)及残留在膜上的含有99个氨基酸残基的羧基端片段(C99)，该片段的起始残基是Aβ区域的第1个残基。γ-分泌酶水解C99，酶切丙氨酸713和苏氨酸714之间位点产生Aβ42，酶切缬氨酸711和异亮氨酸712之间位点产生的则是Aβ40及剩下的P6。β-与γ-分泌酶剪切APP产生Aβ40和Aβ42〔28〕。

传统的学说认为Aβ形成多聚物后沉积在大脑组织，Aβ42形成SP的核心部分，Aβ40形成伸延的部分。SP把神经元包裹起来，产生神经毒性，神经元缺营养，导致神经元损伤和死亡。这个过程被认为是AD形成的关键。Aβ的神经毒性机制被认为与Ca2+失衡、自由基增多、炎症因子被激活等一系列因素有关〔29〕。Laurén等〔30〕和Chakrabarti等〔31〕研究小组曾试图找到Aβ在AD的患者大脑中形成老年斑并引起大脑损伤的机制。他们发现曾被证实与克雅氏病相关的细胞朊蛋白(PrPSC)，能够迅速地与Aβ结合，导致AD发生。推测存在神经元的表面的PrPSC被Aβ结合并激活时，可能启动了细胞损害信号途径。为了验证这个想法，将Aβ注入小鼠，检测了在记忆过程中大脑电变化。缺乏PrPSC的小鼠的电标记物不受影响，表明PrPSC介导Aβ引起的损害〔30〕。

AD研究中经常发现有争议的实验结果。对于动物模型尤其具有争议性，由于AD的病发原因很可能不是单一原因引起的，所以不是一个简单的模型。它应该是受到普遍认可的研究该疾病的最好的模型。因为每个实验室的研究结果都与他特异的模型系统密不可分，所以争论一直存在的〔31〕。

6.2Tau蛋白异常磷酸化脑中Tau蛋白质的过度磷酸化是导致AD和其他一些AD的主要原因〔32〕。在AD患者脑中，已经发生变异的蛋白质Tau会吸附大量磷酸盐，然后聚集在神经细胞里，最终导致神经纤维缠结(NTF)，从而引发早老性痴呆症〔33〕。NFT特征是胞内原纤维增粗扭曲成不规则形状，占据了胞质的空间，挤压了细胞器和细胞核，破坏了神经元的正常物质输送，阻断神经元间突触传递，导致神经元损伤或死亡。文献〔34〕报道，如果Tau蛋白一直处于正常状态，没有吸附过量的磷酸盐，那么它就会进入神经细胞的细胞核，对其中的DNA形成保护。利用实验鼠进行测试，结果证实，在缺乏正常Tau蛋白质的情况下，老鼠脑细胞中的DNA更易受到损害。对过度表达一种人类Tau基因的转基因小鼠中的这些NTF所做的活体多光子成像研究，显示了一个大相径庭的情形。半胱天冬酶激发是所观察到的第一个异常，发生在缠结形成之前数小时至数天。有缠结的神经细胞不是很快死亡，而是好像寿命还很长，同时半胱天冬酶活性降低。因此真实情况可能是这样的：引起神经退化的是可溶性Tau，而不是纤维性Tau〔35〕。

7展望

近年来对ND研究的治疗方法和药物包括：通过清除影响因素，阻止或减缓神经元丢失的进程；抑制兴奋性氨基酸的生成、释放，清除自由基的过量生成；消除胞内钙超载，维持其稳态；保护线粒体，提高能量代谢；抑制神经细胞的凋亡；减少与炎症相关的细胞因子等的产生和表达；营养或保护神经，诱导残存的功能紊乱的神经元恢复正常，从而促进神经发生，神经突起的再生，神经网络的重塑；通过移植或诱导干细胞定向分化为神经元代替丢失的神经元。

对ND的治疗主要是延缓病情的发展，疗效十分有限。鉴于ND病因的多样性，阻断一个或两个途径不能明显地减少神经元全面的功能障碍和损失。利用多途径、多靶点的优势治疗，对改善ND患者的症状，调理脑功能，能起到很好的治疗作用。ND发病所伴随的病理变化是不可逆的，在患者出现认知障碍时，病程往往已到中晚期，此时治疗只能减缓疾病的发展，不能从根本上逆转神经网络的损伤。因此，对于ND应该做到早诊断、早治疗。

8参考文献

1Appel SH，Smith RG，Le WD.Immune-mediated cell death in neurodegenerative disease〔J〕.Adv Neurol，1996；69：153-9.

2Hardy J.Pathways to primary neurodegenerative disease〔J〕.Neurologia，2002；17(8)：399-401.

3Wenk GL.Neuropathologic changes in Alzheimer′s disease〔J〕.J Clin Psych，2003；64(Suppl 9)：7-10.

4Gems D，Partridge L.Stress-response hormesis and aging：“that which does not kill us makes us stronger”〔J〕.Cell Metab，2008；7(3)：200-3.

5Seaver LC，Imlay JA.Are respiratory enzymes the primary sources of intracellular hydrogen peroxide〔J〕?J Biol Chem，2004；279(47)：48742-5.

6Devasagayam TPA，Tilac JC，Boloor KK，etal.Free radicals and antioxidants in human health：current status and future prospects〔J〕.J Assoc Phys Ind，2004；52：794-804.

7Diego-Otero Y，Romero-Zerbo Y.Alpha-tocopherol protects against oxidative stress in the fragile X knockout mouse：an experimental therapeutic approach for the Fmr1 deficiency〔J〕.Neuropsychopharmacology，2009；34(4)：1011-26.

8Zeviani M，Di Donato S.Mitochondrial disorders〔J〕.Brain，2004；127(10)：2153-72.

9张颖，胡国华.线粒体呼吸链功能异常在帕金森病中作用的研究进展〔J〕.中风与神经疾病杂志，2010；27(1)：89-91.

10Bender A，Krishnan KJ.High levels of mitochondrial DNA deletions in substantia nigra neurons in aging and Parkinson disease〔J〕.Nature Gene，2006；38(5)：515-7.

11Di Mauro S，Schon EA.Mitochondrial disorders in the nervous system〔J〕.Ann Rev Neurosc，2008；31：91-123.

12Lin MT，Beal MF.Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases〔J〕.Nature，2006；443(7113)：787-95.

13Green DR，Kroemer G.The pathophysiology of mitochondrial cell death〔J〕.Science，2004；305(5684)：626-9.

14Estrada Sánchez AM，Mejía-Toiber J，Massieu L.Excitotoxic neuronal death and the pathogenesis of Huntington′s disease〔J〕.Arch Med Res，2008；39(3)：265-76.

15Camacho A，Massieu L.Role of glutamate transporters in the clearance and release of glutamate during ischemia and its relation to neuronal death〔J〕.Arch Med Res，2006；37(1)：11-8.

16Fujikawa DG.Prolonged seizures and cellular injury：understanding the connection〔J〕.Epilepsy Behav，2005；7(Suppl 3)：S3-11.

17Lee H，Villacreses NE，Rapoport SI.In vivo imaging detects a transient increase in brain ar achidonic acid metabolism：a potential marker of neuroinflammation〔J〕.J Neurochem，2004；91(4)：936-45.

18Rosi S，Ramirez-Amaya V，Hauss-Wegrzyniak B，etal.Chronic brain inflammation leads to a decline in hippocampal NMDA-R1 receptors〔J〕.J Neuroinflamm，2004；1(1)：12.

19Rosi S，Ramirez-Amaya V，Vazdarjanova A，etal.Neuroinflammation alters the hippocampal pattern of behaviorally induced Arc expression〔J〕.Neuroscience，2005；25(3)：723-31.

20Rosi S，McGann K，Hauss-Wegrzyniak B.The influence of brain inflammation upon neuronal adenosine A2B receptors〔J〕.J Neurochem，2003；86(1) 220-7.

21Brody DL，Holtzman DM.Active and passive immunotherapy for neurodegenerative disorders〔J〕.Ann Rev Neurosci,2008；31：175-93.

22Manev H，Favaron M.Delayed increase of Ca2+influx elicited by glutamate：role in neuronal death〔J〕.Molecul Pharmacol，1989；36(1)：106-12.

23杨明鄄.对钙离子几种生理学效应的归纳与探讨〔J〕.生物学通报，2006；41(8)：26-7.

24郭静，蒲咏梅，张东才.钙离子信号与细胞凋亡〔J〕.生物物理学报，2005；21(1)：1-17.

25Striggow F，Ehrlich BE.Ligand-gated calcium channels inside and out〔J〕.Current Opin In Cell Biol，1996；8(4)：490-5.

26Hunt WT,Salins PB,Anderson CM,etal.Neuroprotective role of statins in Alzheimer′s Disease：anti-apoptotic signaling〔J〕.Open Neurosci J，2010；4：13-22.

27Louren FC，Galvan V，Fombonne J，etal.Netrin-1 interacts with amyloid precursor protein and regulates amyloid-β production〔J〕.Cell Death Different，2009；16(5)：655-63.

28Xie CW，Sayah D，Chen QS.Deficient long-term memory and long-lasting long-term potentiation in mice with a targeted deletion of neurotrophin-4 gene〔J〕.PNAS USA，2000；97(14)：8116-21.

29Abramov E，Dolev I，Fogel H，etal.Amyloid-β as a positive endogenous regulator of release probability at hippocampal synapses〔J〕.Nature Neurosci，2009；12(12)：1567-76.

30Laurén J，Gimbel DA,Nygaard HB,etal.Cellular prion protein mediates impairment of synaptic plasticity by amyloid-β oligomers〔J〕.Nature，2009；457(7233)：1128-32.

31Chakrabarti O，Hegde RS.Functional depletion of mahoguninby cytosolically exposed prion protein contributes to neurodegeneration〔J〕.Cell,2009；137(6)：1136-47.

32Heidi L.Key Alzheimer′s finding questioned〔J〕.Nature，2010；466(7310)：1031.

33Xu YH，Chen Y，Zhang P，etal.Structure of a protein phosphatase 2A holoenzyme：insights into B55-mediated tau dephosphorylation〔J〕. Molecular Cell，2008；31(6)：873-85.

34Sultan A，Nesslany F，Violet M，etal.Nuclear tau：a key player in neuronal DNA protection〔J〕.JBC，2011；286(6)：4566-75.

35Calignon A，Fox LM，Pitstick R，etal.Caspase activation precedes and leads to tangles〔J〕.Nature，2010；464(7292)：1201-4.

〔2013-07-13修回〕

(编辑安冉冉/张慧)