帕金森病多巴胺神经元死亡的危险因素

赵晋英，李艳，李金成，李艳伟

(邵阳学院 1.分子生物学诊断重点实验室; 2.基础医学院，湖南 邵阳，422000)

帕金森病(parkinson’s disease，PD)是常见的第二大中枢神经系统退行性疾病，其典型的临床症状包括渐进性运动迟缓、僵直、静止性震颤和步态异常等运动症状，还会出现自主神经紊乱和认知功能障碍等非运动症状。PD的症状与黑质致密部(substantia nigra pars compacta，SNc)多巴胺(dopamine，DA)神经元缺失有关，但DA神经元为何在PD易受损的原因一直不清楚。近来的研究进展对此问题有了一些全新的认识[1]，本文将对此进行综述。

1 PD泛细胞危险因素

泛细胞危险因素是指对神经细胞和非神经细胞都具有广泛损害作用的因素。现已证实多种危险因素可促进PD的发病，其中绝大部分属于泛细胞危险因素，包括年龄、基因突变、环境毒素和炎症反应等。另外，阮病毒样感染最近也受到很大关注[2]。

1.1 老龄

老龄是PD头号危险因素。调查表明在大于65岁的老龄人群中，PD发病率呈指数增加[3]。随着医疗健康水平的提高，人类的预期寿命也大幅增加，预计PD 患者的数量将会显著增长。据估计，到2030年美国PD患者将会超过200万人，中国则会达到500万人。至今尚不清楚为什么老龄是PD发病的最大危险因素，推测最大的可能与老龄后线粒体功能下降有关[4]。

1.2 基因突变

在过去几年中，PD研究领域取得的最大进展就是发现了与PD有关的特定基因。尽管家族性PD仅占PD患者的10%，但绝大多数都是基因突变引起的。目前，已确定有多种基因与家族性PD的发病有关联，但它们的具体功能尚不清楚。

其中一个共性的认识就是线粒体功能障碍。引起隐性遗传早发性PD发病的3个基因DJ-1，Pink1和Parkin均与线粒体功能直接相关，且老龄也可引起相应改变[5]。DJ-1是线粒体中的一种对氧化还原反应敏感的蛋白质，它可感受氧化应激反应信号，并协调多种抗氧化防御机制。Parkin和Pink1也有调节线粒体的作用，Parkin基因缺失的果蝇会出现碎片化和凋亡样线粒体，Parkin基因敲除的小鼠也会出现一种异常的线粒体表型，表现出线粒体呼吸功能衰退、代谢减退、脂质和蛋白质磷酸化增加等。Pink1基因缺失果蝇也有类似的结果，但在Pink1基因缺失果蝇过表达Parkin，该现象又会被弥补，提示这两个基因可能参与了共同的生化代谢过程。且Pink1有1个N末端线粒体靶向序列，提示其可能主要在线粒体发挥作用[6]。

此外，与 PD发病相关的其他基因如SNCA和LRRK2的具体功能尚不清楚，但均与蛋白酶解系统有关，而PD的关键病理过程就是蛋白酶解功能障碍引起路易小体(lewy body，LB)的形成[7]。

1.3 环境毒素

第三个被广泛认可的泛细胞因素是环境毒素，尤其是针对线粒体的毒素可能是PD发病的危险因素[8]，并且1-甲基-4-苯-1，2,3,6-四氢吡啶(MPTP)、鱼藤酮、百草枯等毒素也常常被用来制作PD疾病模型。近期通过流行病学调查已证实农药接触与PD发病之间存在密切联系[9]。

1.4 炎症反应

第四个泛细胞因素是炎症反应。在 PD毒素模型中，炎症反应和随之而来的氧化应激反应是细胞死亡的重要因素。在PD患者疾病后期，有明显的迹象表明神经胶质细胞的激活和炎症亦会促进PD病情进展[10]。炎症引起的外部氧化应激可使含有高浓度钙离子的神经元死亡。细胞内氧化应激反应可激活蛋白激酶Cβ，诱导p66Shc磷酸化和在线粒体内积累，p66Shc又可介导活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，改变钙离子反应，进而促进细胞凋亡[11]。

1.5 阮病毒样感染

除上述4个被公认的因素外，近年来病毒或阮病毒样感染越来越受到重视。BRUNDIN等[12]认为PD病理过程似乎与某种感染有关。第一条证据是PD典型路易小体(LB)病变呈明显阶段性进程。BRAAK学说认为，LB病变进展是从外周肠道的自主神经节到延髓尾侧自主神经细胞群，然后再经延髓进入大脑，这一病理进展就像感染传播一样[13-14]。但该假说是基于“如果延髓和神经节病变的患者活得更久，病情将发展成PD”这样的假设。在PD患者中是否存在这种病理进展尚不清楚。此外，LB病变区域存在相当大的变数，LB病变本身与PD的某些临床症状也并非一一对应。第二条证据来源于将胚胎DA神经元移植到 PD 患者中的实验研究。研究发现新移植的幼稚DA 神经元中就出现了LB，因此BRUNDIN等[12]认为这与病毒或阮病毒样物质在宿主间扩散相似。但是，这些表现似乎也可以通过其他来解释。如幼稚DA 神经元可能更易受移植操作的压力，而过早地出现蛋白酶功能障碍和 LB。患者脑内的LB可能诱导新移植的DA神经元也形成LB病变，而并非感染。更重要的是，目前尚无确凿的证据表明PD 神经元病理模式符合感染模型。PD的LB病变并不遵循最邻近规则，如孤束核在最易受损的神经核——迷走神经背核(dorsal nucleus of vagus nerve，DMV)的旁边，但它并没有LB出现。也并无证据支持DA神经元易损性与突触连接有相关性，事实上，与PD病变部位神经元有连接的其他神经元群并无明显的病理学特征。总之，PD 感染学说仍有待进一步研究[15]。

目前，公认的PD潜在病理过程最引人注目的是线粒体受损和蛋白酶功能障碍。但这些泛细胞危险因素均无法完全阐明PD神经元功能障碍和丢失的模式[16]。

2 PD细胞特异性危险因素

虽然PD 表现为分散式的LB病理特征，但患者运动迟缓、僵直和静止性震颤等运动症状显然与SNc的DA神经元变性死亡有关。临床上特效药物——左旋多巴(L-DOPA)可减轻PD患者运动症状，也证明了DA神经元在PD发病中的中心地位。脑内DA神经元极少，占全部脑细胞的比例小于0.000 1%。目前大量文献表明DA神经元肯定存在某种细胞特异性危险因素导致其在PD中的易损性，如其特殊的DA神经递质、解剖形态、电生理表型和谷氨酸能突触传入等[16]。

2.1 特有的DA神经递质

细胞质中的DA 及其代谢物的氧化会损伤细胞，因此，HASTINGS等[17]认为该类神经元所含的DA神经递质本身就是疾病元凶。但值得注意的是，PD中DA神经元易损性有明显的区域性，中脑腹侧被盖区(the ventral tegmental area，VTA)和红核后区(the retrorubral field，RRF)也含有DA神经元，但这2个区域的DA神经元并不易受损[18]。其次，L-DOPA可通过提高PD患者DA水平来缓解症状，表明至少在短期内DA并非细胞氧化应激反应的主要来源[19]。最近有研究报道通过L型通道进入SNc DA 神经元胞质中的Ca2+可刺激DA代谢，使细胞质中DA浓度达到了L-DOPA 负荷的毒性范围[20]。为了使这一机制与DA神经元有选择性的易损性相关联,就必须假设：胞质内DA浓度随时间持续积累，最终引发细胞死亡。那么，在疾病早期给患者使用DA受体激动剂，而非L-DOPA替代治疗，理应减缓病情进展，但事实并非如此。此外，PD患者其他多种非多巴胺能神经元的死亡和功能衰退也提示DA 本身不太可能是该病最主要的细胞特异性危险因素。

2.2 DA神经元特殊的的解剖形态

PD患者DA神经元与其他受累的非DA神经元(例如蓝斑神经元)的一个共同形态特征，就是含众多轴突终端。据估算，1个典型的SNc DA 神经元的轴突长达470 000 μm，每个轴突支持约370 000个突触，这比皮质锥体神经元高出几个数量级[21]。维持如此庞大的突触终端必然要求细胞有高水平的轴突蛋白运转功能和蛋白酶解功能。α-突触核蛋白(α-synuclein)是主要的突触蛋白，它在SNc DA 神经元内的运转水平必定很高，这可能就是PD 患者DA轴突出现LB的原因[22]。此外，由于突触末梢高物质代谢必然要求大量线粒体供能，可能降低了胞体和树突区线粒体密度，从而降低了对抗氧化应激的能力，出现了能量危机[18]。事实上，的确在SNc DA神经元胞体-树突区的线粒体密度显得异常低，并随着年龄增加降低更加明显，对抗氧化应激的储备能力降低可增加线粒体内破坏性超氧自由基的生成。但也有特例，如在具有类似形态学特征的纹状体胆碱能中间，神经元并无易损性特点[23]，提示DA神经元易损性还可能与其他因素有关。

2.3 DA神经元独特的电生理表型

SURMEIER等[16]主要研究DA神经元电生理表型。他们发现，与多数神经元不同，在无任何传入冲动情况下，成人SNc DA神经元具有自主节律性电活动，是一种规则的宽波幅动作电位(2～4 Hz)[24]。而这对受该神经元支配区域(比如纹状体)的DA水平非常重要。大多数神经元均依赖一价阳离子通道驱动动作电位，但在SNc DA神经元还有L型Ca2+通道参与，它允许Ca2+进入细胞质引起钙震荡。该通道含有1个由Cacna1d 编码的独特的Cav1.3孔道。Cav1.3钙通道较少见，仅占脑内L型钙通道的10%[25]。与其他L型钙通道不同，Cav1.3钙通道只在超极化时开放，允许Ca2+内流使膜电位达到阈电位从而诱发动作电位，继而产生自主节律电活动。而SNc DA神经元自主电节律中Cav1.3钙通道的持续活动将会增加神经元的代谢成本。另外，细胞内Ca2+作用丰富多样，如调节酶活性和程序性细胞死亡等，因此，胞内Ca2+浓度(10 nmol/L水平，低于胞外的1/万)受到精密调控，进入胞内的Ca2+迅速被隔离起来或者泵出胞外，这些也需要消耗大量ATP。在大多数神经元钙通道的开放主要发生在非常简短的动作电位时，这是细胞较经济的管理方式。但在SNc DA神经元，Cav1.3钙通道开放的时间、幅度和Ca2+内流的空间范围更大。经研究发现，L型钙通道开放时，SNc DA神经元线粒体中具有较高水平的基础氧化应激，而且Ca2+进入细胞内也增加了SNc DA神经元对神经毒素MPTP、6-OHDA和鱼藤酮的敏感性[26]。此外，在PD患者和模型动物上发现游离钙缓冲蛋白-钙结合蛋白的表达量均与疾病易感性成负相关，但在中脑VTA和SNc背层神经元的钙结合蛋白表达水平较高，这也可能与它们的抗性有关系。

2.4 DA神经元的谷氨酸能突触传入

兴奋性毒性一直被认为是PD发病的一个因素[27]，SNc DA神经元谷氨酸能突触传入加剧了其易损性。在体内，SNc DA神经元发生的尖峰电位是通过在基础起搏活动上叠加突触输入而产生的，近期大量实验研究证实N-甲基天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受体是关键环节[28]。基础起搏使SNc DA神经元的膜电位保持在NMDA受体受镁离子阻滞无效的电压范围内，即使适度的谷氨酸能神经突触输入也能够产生大量的NMDA受体电流。而通过NMDA受体进入的钙与自主起搏过程中通过Cav1.3通道进入的钙协同作用，是否导致线粒体出现代谢临界点尚有待进一步研究。驱动NMDA受体以及由此导致的细胞质钙浓度的升高被认为是发生相对较晚的阶段事件，仅在细胞发生超极化膜电位时才会发生。而SNc DA神经元能自主起搏，健康状态下不会有稳定的超极化膜电位，这意味着NMDA受体应该更易被募集。此时，另一个因素即细胞内钙储存也参与进来。代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptors，mGluR)的激活动员了细胞的钙储存[29]，随后会迫使神经元清除细胞内的游离Ca2+，重新恢复钙储存，此过程非常消耗ATP。而在起搏过程中，持续进入SNc DA神经元的钙再次增加了mGluR激活后的能量负担。在这种方式中，自主起搏及NMDA和mGluR受体激活会使SNcDA神经元创造持续的“钙风暴”。即使线粒体在短期内能够经受住这场风暴，但长期ATP供能的负担及氧化应激升高，势必会增加线粒体DNA损伤并加速其老化。

3 其他类型神经元共有的特异性细胞危险因素

研究显示在PD时，除了SNc DA神经元外，许多其他脑区的细胞也有受损[30]。DMV区的胆碱能神经元也是PD患者LB病变出现最早的神经元之一，它们也具有自发电活动[31]，并且依赖于L型钙通道。蓝斑(Locus coeruleus，LC)区去甲肾上腺素能神经元与SNc DA神经元类似，具有较大的轴突终端，也具有L型钙通道诱导的自主起搏电活动和宽尖峰动作电位[32]。中缝核(raphe nucleus，RN)中的5-羟色胺能神经元也具有宽尖峰电位，并且也是钙依赖性自主起搏电位[33]。脚脑桥核(pedunculopontine nucleus，PPN)中的胆碱能神经元也是如此[34]。结节乳头状和下丘脑外侧核神经元也具有自发电活动，在此过程中也利用 L型钙通道[35]。基底前脑(basal forebrain，BF)中的胆碱能神经元在PD中也缺失，同样具有较大的轴突终端，也具有自发电活动和明显的钙通道电流，随着年龄的增长，这些神经元的钙稳态亦发生了明显的有害变化[36]。嗅球的DA神经元具有钙依赖性自主起搏电位[37]，然而，尽管嗅觉缺陷是PD症状的先兆，但是嗅球中并无细胞丢失的迹象[38]。上述非DA神经元尽管具有不同的神经递质和轴突投射区域，但它们共同的生理特征可能就是PD共同的危险因素。

4 PD泛细胞危险因素与特异性危险因素间的交互作用

在PD神经变性过程中，是否存在泛细胞因素和细胞特异性因素间的相互作用呢？老龄是最主要的泛细胞危险因素，最主流的老化理论就认为氧化磷酸化过程中电子传递链产生的ROS和相应的活性分子，会对线粒体DNA和细胞器产生破坏最终导致老化[39]。这个理论的推论是衰老与代谢率直接相关，SNc DA神经元产生自主电活动必将过度消耗线粒体的功能，这意味着它会比其他类型的神经元衰老更快，这提示PD时细胞特异性和泛细胞危险因素之间有交互作用。人体正常老化细胞死亡的体视学发现，SNc DA神经元比其他类型的神经元具有更高的风险[40]；对寿命较短的哺乳动物研究，虽未发现确切的SNc DA神经元丢失，但是，随着老化也会出现与PD患者类似的表现，且对神经毒素更易感[41-42]；SNc的线粒体随着老龄化会出现功能下降，衰老也更易引起mtDNA的突变[43]。

同样，细胞特异性线粒体应激与其他泛细胞危险因素间亦可能存在正交互作用[2]。随着人体衰老，这种交互作用使PD发病达某个临界点，出现选择性的神经变性的发生，就像DJ-1功能的丧失会危及线粒体氧化防御功能一样。在多数神经元中，氧化应激反应是间歇性的，也较温和，防御的成本也较低。但像SNc DA类神经元，其氧化应激反应是长期持续的，长期的防御必将带来更高的代谢成本[16]。降低蛋白质稳态的某些基因突变(如α-synuclein过表达)也可通过增加ATP利用率，对细胞活力产生不良影响；此外，被滥用的损害线粒体功能的环境毒素应该对具有高线粒体需求的细胞类型有更大的影响；疾病晚期的炎症会显著增加炎症范围内及其周边幸存神经元中的破坏性ROS的产生，若这些神经元由于自身细胞特异性因素已经产生过量ROS，那么，它们的氧化防御系统就会被破坏，从而加速细胞死亡。

5 总结和展望

尽管有很多令人信服的证据都支持PD发病与泛细胞因素间存在着重要联系，但如果仅用泛细胞损伤因素很难解释PD所有的神经病理过程和细胞丢失的病理机制，同样，据此提出的治疗策略和开发的治疗药物有可能存在某些缺陷。当前PD的治疗主要是弥补DA神经递质的缺乏，但对如何阻断甚至延缓病情进展仍未获得重大突破。目前尝试的抗炎药物、特异性靶向抗氧化剂、可提高神经元能量供给的药物、线粒体功能保护药物、NMDA受体阻断剂等均表现出对PD病情延缓有作用。值得一提的是，针对介导SNc DA神经元自主起搏电活动的L型钙通道，已有研究表明采用二氢吡啶类药物(钙通道阻滞剂)抑制SNc DA神经元的钙通道，能降低胞浆钙水平，降低线粒体氧化应激及对毒素的敏感性[44]；流行病学调查也发现长期服用二氢吡啶可降低PD的患病风险[45]。目前，美国国立卫生研究院(NIH)在早期PD患者中应用二氢吡啶类药物——伊地拉平进行为期5年的Ⅲ期临床试验也即将完成[16]。相信深入认识SNc DA 神经元细胞特异性危险因素，分析其与PD泛细胞危险因素的交互作用，必将为进一步理解PD发病机制提供全新思路，据此设计的治疗策略可能更为全面。