钙稳态在神经退行性疾病中的研究进展

郭成玉 罗果

遵义医科大学医学与生物学研究中心（贵州遵义563000）

钙在人体内大部分以结合钙的形式存在于骨骼和牙齿中，极小部分以游离钙的形式存在，即钙离子。钙离子在细胞生理功能中发挥着十分重要的作用[1]，如在神经元中可作为第二信使[2]，调控神经突触的功能。神经退行性疾病的主要特征是中枢神经系统和周围神经系统中神经元的退化与死亡，常见的神经退行性疾病主要包括帕金森病（Parkinson′s disease，PD）、阿尔兹海默病（Alzheimer′s disease，AD）、亨廷顿舞蹈病（Huntington′s disease，HD）、肌萎缩性脊髓侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、不同类型脊髓小脑共济失调、Pick 病等[3]。尽管这些神经退行性疾病有着各自不同的发病机制和特征，但据研究表明钙稳态在疾病的进程中均起到了至关重要的作用，从钙稳态的角度研究神经退行性疾病的发生发展已成为国内外研究的重点和热点。

1 Ca2+ 在细胞内外的分布

钙离子是真核细胞中重要的第二信使[2]，调节广泛的生理功能，包括细胞生长、细胞凋亡、分化、代谢、肌肉收缩、神经元可塑性和基因转录[4]。钙离子的浓度在2.1～2.6 mmol/L 之间变化[5]，在细胞内外及不同细胞器中的分布极不均一。静息状态时细胞质中钙离子的浓度为0.1 μmol/L 左右相对于人体内结合钙的浓度要低约10 000倍[6]，与细胞外相差4个数量级，线粒体和内质网中钙离子浓度比细胞质中高出数倍。当细胞受到刺激，钙离子从细胞外进入或从钙库中释放，以增加细胞质中钙浓度；静息时，钙库聚钙，降低细胞质中钙水平，以适应细胞机能。细胞质中的钙离子虽然只占细胞总钙的极少部分，却调节着细胞的各种功能，若钙离子浓度发生异常，则会导致细胞损伤甚至凋亡的发生。

2 细胞内钙稳态的调节机制

细胞内钙稳态的调节是一个复杂的生理过程，主要依靠细胞膜、内质网、线粒体等对钙离子的转运和浓度进行调节。

2.1 细胞外钙内流在可兴奋细胞（如神经细胞、肌细胞、腺细胞）中，细胞外钙离子主要是通过电压门控钙通道（voltage-gated calcium channels，VGCC）内流[7]。VGCC 有助于许多关键的生理功能，包括细胞兴奋性、肌肉收缩、神经递质释放和基因表达等[8]，VGCC 根据组织和药理特性分为五种：L型、P/Q型、N型、R型和T型。其中主要的VGCC有：L型钙通道（long-lasting calcium channel），该通道广泛存在于各种细胞中，是细胞兴奋过程中钙离子内流的主要途径。T型钙通道（transient calcium channel）主要存在于心肌、神经元及血管平滑肌细胞中，已被证明参与肿瘤抑制基因[9]，同时参与细胞增殖、激素分泌、心脏起搏等。N型钙通道（neuronal calcium channel）仅存在于神经组织中，突触前钙离子内流主要通过N型VGCC 介导并触发神经递质的释放[10]。VGCC的活性受诸如通道磷酸化、通道与G蛋白或化合物（如二氢吡啶类）结合等因素调节，通过增加细胞外钾离子浓度使细胞膜去极化而开放VGCC[11]。

2.2 细胞内贮存钙的释放细胞内钙主要贮存于内质网和线粒体中，对胞质内钙离子浓度的调节有重要作用。内质网释放钙离子主要通过内质网膜上的三磷酸肌醇受体（IP3R）[12]和ryanodine受体（RyR）这两种钙通道进行[13]。线粒体是细胞内最重要的钙库之一，可以通过钠离子依赖的钙离子释放（mNCX）、钠离子非依赖的钙离子释放（NICE）、DAG 激活的阳离子通道（DAG-activated cation-selective channel，DCC）和线粒体通透性转变孔道（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）[14]等途径介导的钙离子释放。

2.3 钙泵与钠钙交换体细胞主要通过钙泵与钠钙交换体降低细胞质中钙离子的浓度。钙泵是一种跨膜转运蛋白，属于钙离子激活的ATP 酶，利用ATP 水解释放的能量将钙离子从细胞质转运到细胞外或泵到肌质网内。钠钙交换体是细胞膜上的逆向转运系统，利用膜两侧的钠离子浓度梯度势能将细胞内的钙离子排出细胞，以维持细胞内低的钙离子浓度。在某些病理条件下反向钠钙交换体会被激活，从而造成细胞内钙超载。

3 钙稳态在神经退行性疾病中的研究

神经元对钙离子水平极其敏感，钙离子参与其多种重要的生理活动，钙稳态失衡会引起神经细胞功能出现异常，甚至导致神经元退化和死亡，因而钙稳态在神经退行性疾病的研究中受到越来越多的关注。

3.1 PD 中的钙稳态研究PD是最常见的与年龄相关的神经退行性疾病之一。PD 主要定义为运动障碍，典型症状为静息震颤、僵硬、运动迟缓和姿势不稳，同时普遍存在认知障碍，在疾病后期常表现为痴呆症[15]。PD的发病机制十分复杂，其主要病理特征是中脑黑质致密部多巴胺（dopamine，DA）能神经元变性缺失和纹状体DA 含量显著减少。

越来越多的证据表明，钙离子浓度升高在多巴胺能神经元变异中起重要作用。黑质致密部的多巴胺能神经元中钙离子通过位于质膜上的钙通道和转运蛋白进入细胞，或从线粒体和内质网释放增加胞内钙离子浓度，升高的钙离子会刺激激钙蛋白酶，从而参与突触核蛋白的加工和多巴胺能神经元变性进而引起帕金森病。多巴胺能神经元中钙离子浓度还可通过Ca2+-ATP 酶、钠钙交换体（NCX）、线粒体-钙离子单向转运体MCU 调节，或经由内质网-线粒体途径释放[16]。这些通路通过对钙离子浓度的调节参与了黑质致密部的多巴胺能神经元变性和PD的疾病进程，内质网通过调控钙离子的释放从而影响多巴胺能神经元的存活状态，而mPTP 则诱导神经元线粒体和内质网应激。另有研究表明溶酶体可通过膜上的Ca2+/H+交换器参与调节细胞内钙离子浓度进一步引起PD。细胞内钙离子浓度经由各个途径升高后不仅引起多巴胺神经元变性推动疾病进程，同时会引起细胞凋亡。细胞凋亡在多巴胺能神经元的损伤过程中同样占有非常重要的地位。

SINGH 等[17]将神经毒素1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）注入小鼠的纹状体后，小鼠出现运动过缓、肌强直、静止性震颤等行为学异常，而用尼莫地平处理后能显著减轻小鼠的行为学异常。研究表明皮下注射伊拉地平可保护PD动物模型中的黑质致密部神经元。BEZPROZVANNY[18]通过回顾性研究发现，用钙离子通道拮抗剂治疗高血压可显著降低PD的发生风险，这也支持了钙通道拮抗剂对PD的保护作用。综上所述细胞钙稳态异常是PD 发生、发展的重要原因之一，有效地调控钙稳态可能成为预防PD 发生和控制疾病进程的新方案。

3.2 AD 中的钙稳态研究AD是一种神经退行性脑病，疾病的早期可出现轻微的记忆困难，逐渐演变为认知障碍[19]和痴呆症，并出现适应行为受损等临床表现的中枢神经系统疾病[20]，其主要病理特征为脑区出现神经元死亡和病理性损害。

近年的研究表明，细胞钙稳态异常引起AD神经元死亡是发生发展的重要原因之一。曾经“淀粉样蛋白级联假说”[21]被认为是AD 发病的主要机制，但大量针对性研究和临床药物试验并未取得良好的治疗效果。ALZHEIMER'S ASSOCIATION CALCIUM HYPOTHESIS WORKGROUP[22]推测细胞内钙稳态失调是AD 神经变性的主要原因之一。随后大量证据表明，钙离子在AD 神经元变性死亡中起重要作用。在AD 神经元内质网中钙离子浓度升高，引起钙信号传导代偿性改变，进而影响钙依赖性钙调神经磷酸酶（CaN）、钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）[23]与钙离子之间的平衡。这些钙离子信号异常最终导致神经突触功能丧失和神经元变性。而异常的钙离子信号使长效增强（LTP）和长效抑制（LTD）突触机制之间保持平衡被打破，突触功能被LTD 机制削弱，导致记忆丧失[24]。因此，针对突触钙信号通路的研究为AD 药物治疗的开发提供了机会。N-甲基-D-天冬氨酸受体NMDAR（该蛋白在突触后膜去极化时被去除，从而允许钙离子流入神经元）在兴奋性突触神经传递中发挥重要作用，NMDAR的持续激活可导致钙超载从而导致线粒体膜去极化、自由基产生和细胞的死亡[25]。在疾病的早期，NMDAR 被过度激活从而对神经细胞产生损伤，而在疾病晚期，NMDAR 过度激活与认知缺陷有关。另外β-淀粉样蛋白（Aβ）也可引起NMDAR表达和活性失调，破坏的NMDAR信号传导途径进一步导致突触功能受损[26]。SIMONA 等[27]研究发现AD 患者的海马和前额中红藻氨酸类谷氨酸受体上调，这种上调伴随着NMDAR和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑-丙酸酯（AMPA）受体的下调。NMDAR和AMPA受体已被证明是介导学习、记忆和认知的基本分子机制，其受损可能是AD 患者发生认知功能障碍的主要原因。

大量实验证明恢复钙稳态可能成为治疗AD的新途径。目前非竞争性NMDAR 抑制剂Memantine和NR2B 特异性拮抗剂EVT-101 已被美国FDA 批准用于AD 治疗，L型VGCC 抑制剂MEM-1003 已经进入AD 临床Ⅱ期试验中。因此细胞内钙稳态的恢复是治疗AD的新手段之一，细胞内的钙通道、钙泵和线粒体钙系统等也很有可能成为治疗AD的新靶点[18]。

3.3 HD 中的钙稳态研究HD是由亨廷顿蛋白（HTT）氨基末端的多聚谷氨酰胺扩增引起的常染色体显性遗传性神经变性疾病，其主要症状为进行性运动功能障碍、认知能力下降和精神障碍[28]。

HD 中纹状体的中型多刺神经元（MSN）和皮质中的锥体神经元选择性死亡可能与突触传递改变[29]、脑源性神经营养因子减少[30]、线粒体功能障碍[31]和钙稳态失衡等因素有关。SILVA 等[32]研究表明突变的HTT蛋白通过与N型钙通道及其结合蛋白相互作用调节该钙通道，而N型钙通道在HD小鼠皮层神经元突触前膜钙离子内流和突触小泡释放增多中起重要作用。突变的HTT通过调节N型电压门控的钙通道使谷氨酸释放增加，谷氨酸能过度激活与认知缺陷有关。而阻断N型钙通道消除了HD 转基因小鼠模型BACHD 小鼠中的谷氨酸的释放使其降低到野生型小鼠的水平。该实验证明阻断钙通道可以更好的改善由突变HTT 引起的认知障碍。CHEN 等[33]从HD 小鼠模型zQ175 获得原代皮层神经元，发现与野生型相比，zQ175 皮层神经元突触小泡的释放和突触前膜钙离子内流增加，加入BAPTA（钙离子螯合剂）处理后可明显降低神经递和钙离子内流。MIRANDA 等[34]用钙通道拮抗剂处理神经元后，发现神经细胞的病死率明显降低，证明了钙通道拮抗剂具有神经保护作用。同时MIRANDA 等在BACHD 小鼠模型的研究中发现，BACHD 小鼠的纹状体神经元与野生型相比对谷氨酸损伤更敏感，表现出更高的细胞死亡水平。伊拉地平可以阻断谷氨酸的兴奋毒性，使细胞病死率降低至正常水平，该实验表明钙通道阻断剂也可有效地保护表达突变HTT的神经元。丁苯那嗪（TBZ）是一种有效的囊泡单胺转运蛋白抑制剂，临床用于亨廷顿舞蹈病治疗。研究表明TBZ可减少HD 患者的舞蹈病症状并保护纹状体神经元免于变异，其神经保护作用可能是通过降低细胞内钙离子浓度来实现[18]。

3.4 ALS 中的钙稳态研究ALS是由于运动神经元死亡引起的致命性神经退行性疾病，累及神经、肌肉、骨骼、肠道等多系统。临床表现为肌无力和萎缩、延髓麻痹及锥体束征，最终会因呼吸衰竭而导致死亡，通常是在出现症状后3～5年[35]。ALS 绝大多数为散发，约5%～10%的病例表现为常染色体显性遗传，称为家族性ALS，其中20%的患者为超氧化物歧化酶1（SOD1）基因变异。以SOD1G93A突变基因研究最为广泛[36]。

ALS 主要表现为运动神经元丢失和骨骼肌萎缩，钙离子不仅参与神经信号的传递和肌肉的收缩，而且参与细胞内线粒体功能的调节和ROS的生成，线粒体钙信号失调与过量ROS 产生之间形成恶性循环可能会加剧ALS 疾病进程中的肌肉萎缩[37]。JAISWAL[38]研究发现舌下运动神经元（HMNs）中的钙离子浓度随Na-叠氮化物/氰化物的刺激而增加，并且在WT和SOD1G93A小鼠以及SOD1的细胞培养模型中存在差异。利鲁唑可以适度抑制兴奋毒性诱导的线粒体内钙信号传导，从而保护ALS 疾病小鼠模型中神经元细胞，Jaiswal 评估了利鲁唑和褪黑激素调节的钙离子内流和钙离子释放的影响。同时还发现与单用Na+-叠氮化物相比，当合用Na+-叠氮化物与利鲁唑时，SOD1G93A和WT 小鼠中钙离子的峰值幅度抑制非常显著，这种现象可能是由于线粒体复合物IV 受到抑制和通过VDCC 进入胞内的钙离子减少导致的。该研究结果进一步支持了利鲁唑改善兴奋性毒性和钙信号传导的假设，并且可能在ALS 中线粒体介导的细胞代谢等多种功能中起作用[39]。

近年来在ALS的疾病研究中，非神经细胞的缺陷逐渐成为研究的热点。CHEN 等[40]评估了ALS 转基因小鼠模型SOD1G93A中骨骼肌兴奋-收缩（EC）偶联和细胞内钙离子浓度的变化。结果发现在发病前静息肌细胞内钙离子浓度即开始增加，这种增加与钙离子清除/缓冲蛋白的减少有关，表明ALS 小鼠在疾病进程中细胞的钙稳态发生改变，并且钙离子升高可能导致ALS 小鼠的肌肉无力。另有研究表明ALS 模型小鼠肌细胞的线粒体病变区域总是与失控的钙离子释放相关联，原因可能是去极化的线粒体减少对钙离子的摄取，从而导致钙浓度升高，失控的钙释放可能加剧了肌肉的萎缩[41]。KARAM 等[42]等研究发现在失神经的骨骼肌细胞内，是由于线粒体对钙离子摄取功能的丧失导致了细胞无法产生生理性的钙离子瞬变，这可能是失神经骨骼肌细胞产生ROS 从而导致肌肉萎缩的初始原因。以上研究表明，钙稳态的异常可能直接导致运动神经元的退化和骨骼肌的萎缩，从恢复细胞钙稳态的角度来研究ALS可能是预防和治疗该疾病新的有效途径。

4 总结与展望

细胞内钙稳态的调节是一个复杂的生理过程，主要依靠细胞膜、内质网、线粒体等对钙离子的转运和浓度进行调节。内质网和线粒体是细胞内最重要的储钙细胞器，通过释放钙离子维持细胞内钙浓度。钙离子的平衡在神经元细胞中起着特别重要的作用，它介导多个重要的生理过程，并在控制突触可塑性中起核心作用，钙离子异常增多会造成线粒体损伤、神经元变性并导致疾病的发生发展。大量研究表明，PD、AD、HD和ALS 等神经退行性疾病的主要病理特征是神经元的退化和死亡，细胞内钙稳态异常会导致线粒体功能障碍和突触功能丧失，破坏细胞内稳态，是引起神经元退化的重要原因之一。综上所述，在神经退行性疾病中深入研究钙离子的调控机制及相关钙通道在疾病进程中的作用，将为治疗该类疾病提供新的靶点，探索如何恢复钙稳态将是预防和治疗神经退行性疾病的潜在策略。