D-丝氨酸在抑郁症中的作用研究进展

陈珍珍，王 伟，唐震宇

(南昌大学第二附属医院神经内科，南昌 330006)

抑郁症是一种严重的慢性精神疾病，以显著且持久的情感低落、睡眠或食欲紊乱、思维迟缓、注意力不集中、兴趣丧失、言语动作减少以及负罪感或强烈的自杀欲望为典型症状。据估计，世界上有超过3亿人患有抑郁症，它被世界卫生组织列为全球范围内患者致残的主要原因，并且患有严重抑郁障碍的患者自杀的概率比正常人增加了30倍[1]。单胺缺乏被认为是抑郁症的主要致病原因，目前的抗抑郁药物主要是通过作用于血清素和去甲肾上腺素的途径来调节单胺类神经递质，但其抗抑郁的具体作用机制还不清楚。这类抗抑郁药物对大多数抑郁症患者的治疗效果都不理想：患者在用药1个月后才可能起效，耐受性差，症状缓解不全且易复发。因此急需研发见效更快、效果更好的抗抑郁药物。近些年脑内奖赏环路兴奋性谷氨酸递质系统的病理生理学机制正成为抑郁症研究的热点，奖赏环路内的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体参与了抑郁症的发病机制，D-丝氨酸作为NMDA受体的内源性协同激动剂在抑郁症中的作用正在被研究，D-丝氨酸可能是一种治疗抑郁症的潜在重要药物。本文对近年来D-丝氨酸与抑郁症的研究进展进行综述。

1 D-丝氨酸与NMDA受体的关系

NMDA受体的功能失调与一些神经精神障碍有关[2]，现在有大量证据支持抑郁症患者NMDA受体功能低下[3]。D-丝氨酸是NMDA受体的一种高效的协同激动剂，在NMDA受体介导的神经发育、神经传递、神经毒性、细胞迁移、突触可塑性及学习和记忆中起着重要的调节作用[4]，所以D-丝氨酸可能治疗抑郁症[5]。最近的研究[6]表明，NMDA受体甘氨酸位点在许多大脑区域(如海马、丘脑、新皮质、脑干和视网膜)很可能不是完全饱和的，因此，微调D-丝氨酸水平可以作为调节NMDA受体活性的途径。D-丝氨酸存在于胶质细胞(主要是星形胶质细胞)和神经元中，它既是一种胶质递质[7]，也是一种神经递质[8]。胶质细胞是D-丝氨酸最主要的来源，这种细胞在脑富含NMDA受体的区域中包绕神经末梢形成鞘。有研究[9]发现，应用胶质细胞特异性抑制剂氟乙酸钠(FAC)，可显著损害海马CA1区突触可塑性长时程增强(LTP)，但是当给予外源性D-丝氨酸后明显逆转了这种损害。WOLOSKER等[8]提出星形胶质细胞合成L-丝氨酸，L-丝氨酸再穿梭到神经元转化为D-丝氨酸。

NMDA受体是一类在大脑中广泛表达的离子型谷氨酸受体，由2个甘氨酸结合的GluN1亚基和2个谷氨酸结合的GluN2亚基(GluN2A、GluN2B、GluN2C和GluN2D)组成，在成人大脑中，大多数NMDA受体是GluN1与GluN2A和(或)GluN2B的组合。NMDA受体的激活需要谷氨酸盐/天冬氨酸盐与NR2亚单位的结合，及NMDA受体的共激动剂甘氨酸/D-丝氨酸与NR1亚单位的结合。只有当NMDA受体上的谷氨酸结合位点和甘氨酸结合位点二者同时激活时,Ca2+通道才会开放，引起Ca2+内流和突触后膜去极化，从而参与调节中枢神经系统中兴奋性氨基酸信号的传导。有研究[10]证明，通过增加或减少NMDA受体附近的D-丝氨酸浓度可调控谷氨酸能递质传递，进而影响抑郁症状。多年来，人们认为甘氨酸是NMDA受体的共激动剂，它作用于NMDA受体的位点被称为“甘氨酸结合位点”。但是现在有相当多的证据[5]表明：与甘氨酸相比，D-丝氨酸与NMDA受体NR1亚基的结合更为紧密，因为它们的结合位点有3个附加的氢键，其结合效能是甘氨酸的3～4倍；并且与甘氨酸相比，D-丝氨酸与NMDA受体的分布区域更接近。在成人大脑中，NMDA受体含量特别高的区域(比如前脑区和海马)，富含D-丝氨酸。然而其他大脑区域(如后脑区和脑干)，几乎检测不到D-丝氨酸。甘氨酸和D-丝氨酸作用于不同的NMDA受体群体：D-丝氨酸作用于突触受体，甘氨酸作用于突触外受体。突触NMDA受体具有神经保护作用，但是突触外受体可能促进细胞死亡。

D-丝氨酸可以逆转NMDA受体拮抗剂苯环利定(PCP)导致的不同发育阶段的SD大鼠的空间和记忆缺陷。FUJITA等[11]报告说，啮齿类动物产前接触母体免疫缺陷，其海马NMDA受体亚单位的表达减少，成年后出现认知障碍，通过口服D-丝氨酸可以改善认知障碍。据报道[12]，D-丝氨酸在啮齿动物抑郁模型中具有抗抑郁样作用。WEI等[13]研究了D-丝氨酸和氯胺酮对大鼠强迫游泳实验的影响，提出D-丝氨酸产生抗抑郁症作用的机制与氯胺酮相同。WANG等[14]发现，慢性社会挫败应激(CSDS)小鼠通过表观遗传激活诱导D-丝氨酸转运体的表达，从而降低海马中D-丝氨酸的水平，导致小鼠出现抑郁样行为。

2 D-丝氨酸的合成和分解及其与抑郁症的关系

D-丝氨酸由L-丝氨酸经丝氨酸消旋酶(SR)催化生成，被D-丝氨酸氧化酶(DAAO)催化降解[15]。在大脑中，SR和D-丝氨酸的分布区域相同，主要分布在前脑区域。比如在皮层和海马中，SR和D-丝氨酸的含量较高，而在小脑和脑干中，SR和D-丝氨酸的含量要低得多。一项对SR细胞型特异性敲除小鼠SR和D-丝氨酸水平进行比较的研究[16]发现，SR星形胶质细胞特异性敲除小鼠的D-丝氨酸水平低于SR神经元特异性敲除小鼠，说明星形胶质细胞对SR的含量影响更大。SR以非共价的二聚体形式存在，对L-丝氨酸具有高度选择性，在二价阳离子(如Mg2+、Ca2+)、ATP、代谢性mGluR2/3/5受体、AMPA受体和合适的pH值条件下，被5-磷酸吡哆醛(PLP)激活，将4分子的L-丝氨酸催化成为1分子D-丝氨酸和3分子的丙酮酸盐[17]，这些调节SR活性的途径可能是提高D-丝氨酸浓度的潜在靶点。AMPA诱导的突触后膜去极化建立细胞内钙浓度梯度差，并通过可溶性Nethylmaleimide敏感因子附着蛋白受体(SNARE)激活SR。谷氨酸受体相互作用蛋白(GRIP)与mGluR2/3受体形成的复合物，可改变SR的构象和功能，并能减少D-丝氨酸的产生。甘氨酸是主要的抑制性神经递质，可抑制SR的生成，从而确保脑干和脊髓中维持微量的D-丝氨酸环境[18]，有助于防止突触D-丝氨酸过量引起的NMDA受体过度激活和兴奋性毒性[19]。

据报道[20]，蛋白激酶C(PKC)直接与PICK1相互作用，能够磷酸化SR，导致体内外D-丝氨酸水平相应降低。Colga 3(Colgin亚家族A的成员)可减少SR的泛素化，从而保护SR不被泛素-蛋白酶体系统降解。啮齿动物的临床前研究[14]表明，通过降低丝氨酸消旋酶(SR)的活性来降低大脑中D-丝氨酸的水平，可以产生与抑郁症临床症状相似的症状。据报道[21]，SR基因敲除的小鼠表现出基础NMDA受体活性降低，树突和棘突密度降低，补充D-丝氨酸逆转了活性相关细胞骨架蛋白(Arc)的表达，并逆转了树突和棘突密度的异常。MATVEEVA等[22]实验证实，SR基因敲除小鼠表现出明显的抑郁行为，SR激动剂可明显改善小鼠的抑郁症状。

与SR和D-丝氨酸在脑内的分布相反，DAAO在后脑区的小脑和脑干中含量最丰富，在前额叶皮质、海马和黑质中的浓度要低得多。一氧化氮(NO)可抑制SR的活性并同时增强DAAO的活性，从而加快D-丝氨酸的代谢，提示NO加重抑郁症的可能性。DAAO的抑制剂是苯甲酸盐(benzoate)，其主要的存在形式是苯甲酸钠(NaB)，它也是一种常用的食品防腐剂，其主要来源是肠道菌群，苯甲酸盐与DAAO结合后使D-丝氨酸与DAAO的结合减少，减慢D-丝氨酸的分解速率，说明DAAO抑制剂苯甲酸钠对抑郁症患者有治疗效果。据报道[14]，抑郁症患者死后脑组织中DAAO活性较正常对照组增高。DAAO由基因G72[23]的蛋白产物调节，G72的变异与抑郁症[24]有关。HASHIMOTO等[25]发现给予小鼠地佐西平(一种非竞争性NMDA受体拮抗剂)后会导致抑郁行为，当同时给予D-丝氨酸和DAAO抑制剂后可以明显地改善这种抑郁行为。其他研究人员[26]也在临床前研究中将DAAO抑制剂与D-丝氨酸联合使用，结果表明DAAO抑制剂可通过减少D-丝氨酸的所需剂量而减轻其药物副作用。

3 D-丝氨酸的摄取和释放及其与抑郁症的关系

摄取D-丝氨酸需要特殊的转运体，神经元的ASC-1转运体和星形胶质细胞的ASCT转运体是对D-丝氨酸显示高亲和力的转运蛋白[19]。ASC-1是一种Na+非依赖性的小分子中性氨基酸转运蛋白，Na+依赖性转运系统包括ASCT1与ASCT2。甘氨酸是ASC-1的竞争性抑制剂，通过与ASC-1结合，减少ASC-1对D-丝氨酸的摄取，从而促进D-丝氨酸的释放[19]。ASCT转运系统的一个重要特点是双向转运，即该转运系统除有摄取D-丝氨酸的功能外，还参与D-丝氨酸的释放。体外实验[14]表明，ASCT2过表达增加了D-丝氨酸在细胞培养基中的摄取，而ASCT2的下调降低了D-丝氨酸的摄取。体内与体外实验[27]都证明，ASCT2表达的上调是通过其启动子区组蛋白高乙酰化所导致的。SINGH等[28]研究了氯胺酮对ASCT2介导的D-丝氨酸转运的影响，发现氯胺酮通过选择性抑制ASCT2的表达从而减少D-丝氨酸的摄取；作者认为这可能是氯胺酮治疗抑郁症的一个原因。LAKATOS等[29]研究证实，绿茶的主要成分L-茶氨酸(一种小的中性L-氨基酸，结构与ASCT2底物L-谷氨酰胺相似)是ASCT2的竞争性抑制剂，可减少ASCT2对D-丝氨酸的摄取，从而改善抑郁症。

D-丝氨酸通过囊泡分泌的方式释放，星形胶质细胞可像所有真核细胞一样利用分泌型溶酶体转运新的蛋白，称为组成型胞吐。此外还有一种调节型胞吐：当细胞膜因去极化而引起胞内Ca2+浓度升高时，分泌囊泡与质膜融合释放内含的D-丝氨酸。无论是组成型分泌还是调节型分泌，均需要SNARE蛋白介导囊泡与质膜的融合。由此可见调节SNARE蛋白可间接影响D-丝氨酸的浓度，从而改善抑郁症。血液中的D-丝氨酸在肾小球中滤过后，部分在近端小管中重吸收，其余的从尿液中排出[30]。谷氨酰胺通过与D-丝氨酸竞争转运系统，抑制突触小体对D-丝氨酸的摄取，从而增加细胞外D-丝氨酸的浓度，增强突触NMDA受体的激活，进而改善抑郁症[31]。组胺受体H1受体的激活可促进D-丝氨酸的释放，从而增强NMDA受体介导的突触可塑性，改善抑郁症[32]。

4 D-丝氨酸治疗抑郁症的临床研究

据报道[33]，抑郁症患者脑脊液(CSF)和血液中D-丝氨酸水平降低。临床试验研究[34]表明，D-丝氨酸可改善抑郁情绪。一项对服用D-丝氨酸4周患者的临床随访研究[35]报道，高剂量(60 mg·kg-1·d-1)的D-丝氨酸可以改善神经认知功能，在这项研究中，他们对受试者进行了随机、双盲、对照临床试验，D-丝氨酸剂量为60 mg·kg-1·d-1，每日分2次服用，持续16周，结论是D-丝氨酸对治疗抑郁症状有效。据报道[36]，每天服用高达4 g的D-丝氨酸没有引起不良反应，服用D-丝氨酸30 mg·kg-1·d-1用于改善抑郁症状的疗效尚存在争议，但所有研究结果均显示60 mg·kg-1·d-1或更高剂量的D-丝氨酸能显著改善抑郁症状，原因可能是需要更高剂量的D-丝氨酸来充分激活NMDA受体，同时也要达到足够的D-丝氨酸血清水平和脑内浓度才能发挥治疗效果。

有研究[37]证实，D-丝氨酸能够改善抑郁症状。ISHIWATA等[38]报道重度抑郁症患者脑脊液中D-丝氨酸水平与抑郁症严重程度呈负相关；然而，HASHIMOTO等[39]发现重度抑郁症患者血清中D-丝氨酸和L-丝氨酸水平均升高，患者抑郁严重程度的差异可能是造成这种矛盾现象的原因，重度抑郁症患者的血清D-丝氨酸和L-丝氨酸水平升高，并且L-丝氨酸的水平更高。此外HASHIMOTO等[39]研究还提示重度抑郁症患者体内丝氨酸对应体的合成和分解代谢异常。

D-丝氨酸治疗抑郁症的问题之一是其会被DAAO快速代谢，降低其生物利用度并需要大剂量给药，这可能导致周围神经病。此外还存在安全方面的担忧，据报道[40]，高浓度的D-丝氨酸会引起与DAAO代谢相关的潜在肾毒性。但是，在临床研究[41]中以最高120 mg·kg-1·d-1的剂量给予D-丝氨酸(持续4周)，未见明显的副作用(包括肾毒性)，在这项研究中，一位接受120 mg·kg-1·d-1D-丝氨酸的患者在治疗的最后1周确实显示蛋白尿而无糖尿，肌酐无变化，但D-丝氨酸停药后症状完全消失。同时有研究[42]使用D-丝氨酸60 mg·kg-1·d-1，持续16周，结果有2例患者因出现与治疗相关的肾脏异常检验值而停药，经过治疗后得到痊愈。目前尚不清楚D-丝氨酸在16周治疗期后的长期副作用，应在这一方面进行深入研究，包括更长的服药时间间隔，以确保患者安全。

现在已经公认，静脉注射NMDA受体拮抗剂氯胺酮可以迅速改善抑郁症状[43]。如上所述，NMDA受体激动剂D-丝氨酸也可产生抗抑郁作用。MALKESMAN等[44]指出，这两种药物可能激活共同的、汇聚的下游靶点BDNF/mTOR信号，产生对蛋白质表达的类似作用，并在突触可塑性方面产生类似的变化。据报道[45]，D-丝氨酸和氯胺酮之间存在某些相互作用：D-丝氨酸可能是氯胺酮抗抑郁反应的预测生物标志物，血浆D-丝氨酸水平低预示着氯胺酮对抑郁症患者有疗效。这种矛盾现象背后的潜在作用机制有待进一步深入研究。

5 总结与展望

综上所述，D-丝氨酸在抑郁症中扮演着重要的角色。D-丝氨酸主要由丝氨酸消旋酶(SR)将L-丝氨酸直接催化而来，最终被D-丝氨基酸氧化酶(DAAO)降解，这些酶受各种因素的调节是相当复杂的。NMDA受体是介导抑郁易感性的关键因素，D-丝氨酸作为NMDA受体上甘氨酸位点的主要内源性配体，对经典神经递质的传统概念提出了新的补充。面对现存抑郁症治疗方法的一些不足，通过监测、调控D-丝氨酸合成酶和降解酶的活性来调节D-丝氨酸的合成和降解，进而干预其相应的受体可能为抑郁症的治疗提供一个新的思路和治疗靶点。从而缩短典型抗抑郁药的起效时间，增加其治疗有效率，提高患者生活质量，降低抑郁症自杀率及减轻社会的经济负担。近年来对D-丝氨酸的研究尽管取得了很大进展，但其具体作用机制和临床用法用量仍需进一步的探索与发现，仍有很多问题有待解决，具体相关验证还需进一步深入研究。希望随着研究的深入，在不久的将来能够有D-丝氨酸类抗抑郁症药物的问世。