帕金森病与肌萎缩侧索硬化发病机制的共性研究

甘卫明 徐仁伵

(南昌大学第一附属医院神经科，江西 南昌 330006)

帕金森病与肌萎缩侧索硬化发病机制的共性研究

甘卫明 徐仁伵

(南昌大学第一附属医院神经科，江西 南昌 330006)

帕金森病;肌萎缩侧索硬化;兴奋性毒性;免疫/炎症反应;金属毒性;线粒体;细胞自噬;外泌体功能障碍;血管内皮功能障碍

帕金森病(PD) 与肌萎缩侧索硬化(ALS) 同属于神经系统退行性疾病的范畴，目前认为二者发病机制都与基因和环境有关。虽然临床表现不同，但是随着对二者发病机制的深入研究，大量的研究资料表明，二者发病机制上存在许多共性。本文主要围绕共同的兴奋性毒性、免疫/炎症反应、金属毒性、线粒体、细胞自噬、外泌体功能障碍及血管内皮功能障碍等方面分析PD与ALS在发病机制上的共性，以期望对未来PD与ALS的研究提供帮助。

1 概 述

PD是发病率较高的一种因神经元变性而致病的，发病人群以中老年人为主，病理特点为黑质多巴胺(DA) 能神经元变性坏死，并在残留神经元内可见嗜酸性包涵体(即路易小体，主要成分是α-突触核蛋白)，从而导致DA运输障碍，造成DA能神经递质缺乏，乙酰胆碱(ACH)系统功能相对亢进。这种递质失衡导致的临床表现常为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态障碍四大主症。ALS是一种进展和致命性的疾病，选择性的损伤脊髓运动前角细胞和大脑皮质的锥体细胞。 ALS的平均发病年龄是55岁左右，男性发病率高于女性，呈典型的上下运动神经元同时损害的特征，最终发展成完全瘫痪，多数患者5年左右因呼吸机麻痹或肺部感染而死。 根据其发病的遗传特点常分为家族型ALS和散发型ALS(sALS)。 PD与ALS虽然临床表现不尽相同，但二者有着共同的本质，即进行性、选择性、特异性损伤特定神经元细胞,期间可能存在共性的发病机制。但有关PD与ALS发病机制的共性研究尚未阐明。

2 相同发病机制

2.1 金属毒性 流行病学证据发现，汞、铅等重金属过量摄入可直接损害中枢神经系统(CNS)和周围神经系统，与ALS、PD的发病机制有一定关系。目前研究认为，重金属的主要致病机制有：1)汞、铅可与细胞膜和线粒体结合，抑制ACH酯酶的产生，导致在纹状体中ACH分解减少，打破了DA与ACH之间的动态平衡，从而出现PD的临床表现，直接加速细胞的死亡，Johnson等〔1〕发现SOD1 G93A基因突变小鼠模型在长期接触低浓度甲基水银的环境中，可以加速神经元细胞的死亡，加速ALS发病过程。 2)Dusek等〔2〕认为，微量元素铁与PD、ALS 的发病有一定的关系，且Lee等〔3〕在ALS小鼠模型中发现铁的积累可以加速小鼠的发病。在大量ALS病人脑脊液检查中可发现轻度的铁水平升高，考虑微量元素铁可能参与了自由基的产生过程，这些都说明铁在PD、ALS发病机制中起着重要的作用。铁在环境中主要以难溶性的Fe3+存在，不能被机体直接吸收，在人体内通过还原反应转化为可吸收的Fe2+。生理水平的铁参与了能量的产生、DNA合成和修复、磷脂代谢、髓鞘和神经递质合成等重要生理功能。以下几种情况，会增加大脑中铁的沉积：①脑出血；②血液中巨噬细胞的涌入；③铁透过血脑屏障运输能力的失调，同时当细胞内铁稳态失调又会直接导致铁再摄取增多，从而恶性循环并启动多种机制直接导致神经元细胞死亡。铁中毒导致细胞死亡的机制有：①金属蛋白产物的受损；②影响含有调节铁响应元件的蛋白质表达(IRE)；③激活小胶质细胞引起炎症反应；④导致蛋白质错误折叠和聚集；⑤直接导致细胞死亡，这些都与PD、ALS等神经退行性疾病的发病机制有着密不可分的关系。Dusek等〔2〕提出铁螯合剂可能是PD、ALS疾病治疗方面的一个重大突破，在实验室模型中有较好的疗效，但应用于临床仍需要大量的实验研究。

2.2 免疫/炎症反应 在免疫/炎症反应中，研究最多的是小胶质细胞，它是神经系统的“巨噬细胞”，是CNS中一道至关重要的免疫防线，对神经元发育过程中的正常死亡起着重要作用。小胶质细胞是参与免疫/炎症反应中的主要细胞类型，通过“吞噬”细胞残骸来保护神经元。非炎症期，在神经元和小胶质细胞协同作用下，使CNS内的大部分小胶质细胞仅表达少量的环氧酶(COX)-2，而当PD、ALS发生时神经元的完整性遭到破坏时，神经元直接激活的信号(如促炎分子等)产生或抑制性信号缺失，迅速激活小胶质细胞，导致小胶质细胞中的COX-2 mRNA与蛋白水平迅速升高，同时小胶质细胞被激活并发生形态变化并释放谷氨酸及致炎因子，如肿瘤坏死因子等神经毒性物质损伤神经元，从而使神经元变性。故小胶质细胞的作用主要在ALS、PD的晚期，其激活可以明显加重神经元细胞的死亡，加速疾病的进展〔4〕。 Brochard等〔5〕研究表明，CD4+细胞在神经损害机制中发挥主要的毒性调节作用。有些常见的微生物也可诱导机体的神经系统免疫反应，对PD和ALS等疾病有着重要的影响，研究最多的如单纯疱疹病毒、人类免疫缺陷病毒、胃肠道菌群等〔6〕。

2.3 兴奋性毒性 Lewerenz等〔7〕认为慢性兴奋毒性是神经变性疾病的发病机制之一，包括ALS、PD等。谷氨酸和天冬氨酸是人体中主要的两种兴奋性氨基酸，在PD和ALS发病机制中研究最多的是谷氨酸，本文也主要阐述谷氨酸与二者之间的联系。谷氨酸是CNS中主要的兴奋性递质，主要与离子型谷氨酸受体结合并激活而起作用。常见的离子型谷氨酸受体包括N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶、唑丙酸AMPA受体和红藻氨酸盐受体，AMPA和红藻氨酸盐受体主要调控Na+内流而NMDA受体主要调控Ca2+内流。Lewerenz等〔7〕发现在ALS和PD病变处存在大量的谷氨酸摄取系统受损，导致谷氨酸转运受到抑制，造成细胞外谷氨酸大量蓄积。细胞外蓄积的大量谷氨酸通过由离子型谷氨酸受体的过度活化导致Na+内流神经元去极化，且钙离子过度内流，破坏了细胞内钙离子稳态从而在神经系统内造成急性损伤。但Cetin〔8〕等的研究发现，ALS的治疗药物利鲁唑(主要作用是抑制谷氨酸的释放)似乎仅在前6个月的治疗产生一定延缓作用,对患者的肌力和生活质量没有显著的改善，说明谷氨酸在ALS发病机制中可能并不是决定因素。因为临床上PD患者的黒质DA能神经元死亡达50%以上，纹状体DA递质水平降低50%以上才出现症状，所以治疗上主要还是针对DA缺失的对症治疗，尚未涉及保护黒质DA能神经元的相关治疗，以后是否可以使用药物抑制谷氨酸释放或谷氨酸受体拮抗剂来保护黒质DA能神经元需要我们对其深入研究。

2.4 氧化应激 Soraru等〔9〕在ALS患者的脊髓内发现了大量的神经元一氧化氮合酶(nNOS)，可生成一定量的自由基NO·，造成氧化应激损伤。正常生理情况下，人体内有足够清除类似NO·样的自由基损伤的酶，如谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)等，故一般情况下自由基不会产生病理损害。这些酶的作用主要是阻断自由基的氧化损伤或将其变成低活性物质，使其产生和清除处于一个相对平衡状态。当这种平衡状态被打破时，也就是机体不能完全清除自由基，机体就会出现氧化应激损伤。由nNOS生成的NO·在神经细胞中主要作用机制是一方面诱导活化NMDA谷氨酸受体，导致细胞内钙离子溶度上升；另一方面大量的NO·与细胞的超氧化物阴离子(O2-)产生过氧亚硝酸盐(ONOO-)，它不可逆的影响线粒体呼吸，从而导致神经元的坏死。Bhat等〔10〕认为，氧化应激损伤是PD患者黒质DA能神经元变性的主要原因。但Kamat等〔11〕试验证明抗氧化剂在减缓神经系统退行性疾病进展上基本无效。

2.5 线粒体功能障碍 目前研究发现，在sALS患者组织中线粒体的损伤和线粒体DNA(mtDNA)的异常。同时Shephard等〔12〕认为，在神经退行性疾病的发病早期线粒体即有参与。 线粒体是细胞的能量“工厂”，为细胞的各种生命活动提供能量。神经元细胞是一种具有高代谢活性细胞，需要大量的能量，Kamat等〔11〕研究发现，ALS和PD等疾病与线粒体功能障碍有关。 另外Van Westerlaak等〔13〕以一周两次的频率给予给鼠脑培养组织低剂量丙二酸盐，诱导抑制线粒体功能，可引起剂量依赖性的皮层运动神经元死亡，他们认为，慢性线粒体功能抑制是通过两个非NMDA和NMDA受体介导的谷氨酸兴奋性毒性所导致的。 这也说明由谷氨酸介导的兴奋性毒性与线粒体功能障碍有着密不可分的联系。Kamat等〔11〕认为线粒体的抗氧化剂如超氧化物歧化酶、GPX可以调控活性氧的浓度，产生氧化应激效应，除了产生活性氧，同时线粒体也参与了钙稳态，细胞凋亡和脂质过氧化等，直接导致了神经元细胞的变性。新的治疗方法现在已经开始瞄准线粒体作为一个潜在的药物靶点。

2.6 细胞自噬 细胞自噬(Autophagy)是在细胞内依赖溶酶体降解异常蛋白及损坏的细胞器的过程，步骤包括自噬小泡包裹、运输到溶酶体、降解和降解产物的再利用。在神经退行性疾病中，细胞自噬被认为是决定神经元生存和死亡的仲裁器。Kamat等〔11〕在ALS、PD等疾病患者大脑内发现了细胞自噬现象较活跃，认为细胞自噬与ALS、PD等的发病机制有关。细胞自噬主要有三种形式：微自噬(Microautophagy)、巨自噬(Macroautophagy)和分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated autophagy)。自噬在人体内可以促进清除毒物和细胞内聚集的致病蛋白，增强细胞的存活，并可以调节炎症。 Nixon〔14〕认为，PD和ALS分别和α-突出核蛋白、TDP-43蛋白在神经元细胞中异常积聚有关。细胞自噬的神经保护作用就是依赖溶酶体在细胞内降解这些突变的蛋白。 在运动神经元中，在神经轴突末端形成自噬小泡，依靠动力蛋白将三磷酸腺苷(ATP，细胞的主要能源) 转化为机械力，使自噬小泡从微管向溶酶体运输，自噬小泡靠近溶酶体并与之融合。 动力蛋白功能障碍减少了自噬小泡的逆行运输，导致细胞内自噬小泡数量增多，从而影响细胞自噬功能，导致神经元死亡。在ALS中，错误折叠的蛋白质，例如TDP-43等，大量的聚集在细胞质、细胞核或细胞外基质中，从而破坏细胞器，导致神经元功能障碍。另外加强细胞自噬可能是以后治疗ALS的重要方法。同样在PD中，发现错误折叠的PINK1蛋白，正常的PINK1蛋白与Beclin1(自噬效应蛋白)相互作用，促进细胞自噬现象，反之错误折叠的PINK1蛋白明显降低了细胞自噬的能力〔15〕。 从而导致在PD能神经元中α-突出核蛋白等的聚集体，导致神经元的变性死亡。

2.7 外泌体功能障碍 人类神经系统的功能关键取决于神经细胞间信息的交换，Janas等〔16〕认为神经退行性疾病发病机制可能与神经元间或神经元和神经胶质细胞通信功能失调密切相关，同时也认为外泌体与细胞间通讯、生物分子废物的细胞清除等密切相关。多囊体内的腔内囊泡在神经细胞中顺行或逆行运输，然后作为一种外泌体释放到细胞外。 研究提供的证据表明，外泌体含有大量与神经元功能有密切关系的蛋白，包括淀粉样前体蛋白(APP)，APP C-末端片段(APP-CTFS)，淀粉样蛋白和胞内结构域(AICD)，衔接蛋白NEDD4家族相互作用蛋白1(Ndfip1)。除了在上述与神经元功能密切相关的蛋白外，外泌体还被证明含有功能活跃的miRNA。所以认为，外泌体在神经保护和神经毒性方面有重要作用。神经保护作用主要包括传输神经保护外泌体miRNA到受体神经细胞并清除神经细胞中有毒蛋白质。 神经毒性作用主要包括把潜在的有毒外泌体miRNA或脂质转移到神经细胞受体并且把外泌体内的有毒蛋白扩散到邻近的神经细胞。Janas等〔16〕发现在培养细胞模型中，外泌体的转移显著增加了GLT1蛋白表达，GLT1被认为调节细胞外谷氨酸水平和突触活化，这些都与ALS、PD等神经退行性疾病发病相关。

2.8 血管内皮功能障碍 血管内皮功能障碍常与高龄、高水平低密度脂蛋白、高血压、糖尿病、吸烟者等有关。大量的数据表明，PD、sALS常好发于高龄人，Fukui等〔17〕研究认为血管内皮功能障碍除了在动脉粥样硬化早期阶段的作用外，在神经变性疾病如ALS、PD的进展中也起重要作用。主要致病机制可能与导致神经元内氧化应激作用的累积有关，最终通过自由基物质损害，导致神经元死亡。

3 结 语

目前，PD、 ALS在临床治疗上尚未有效治疗药物，尤其是ALS。因此，希望在发病机制的研究上，找到治疗PD和ALS疾病的靶点。在本文中，我们发现PD和ALS的发病机制之间具有共同性，如金属毒性、免疫/炎症反应、兴奋性毒性、线粒体功能障碍、氧化应激、细胞自噬、内皮功能障碍、外泌体功能障碍，这些共性为我们研究PD，ALS的发病机制提供了新的思路。

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〔2015-12-19修回〕

(编辑 李相军)

国家自然科学基金资助项目(30560042,81160161,81360198)

徐仁伵(1969-),男,教授,主任医师,博士生导师,主要从事肌萎缩侧索硬化和帕金森病的发病机制和防治研究。

甘卫明(1991-),男,硕士,主要从事肌萎缩侧索硬化的防治研究。

R746.4

A

1005-9202(2017)07-1818-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.07.106