五羟色胺能系统与肌萎缩侧索硬化发病机制

何佩 朱瑜， 江建香， 江师师， 徐仁伵

(1南昌大学医学部研究生院，江西 南昌 330006;2江西省人民医院神经内科)

肌萎缩侧索硬化(ALS)是最常见的运动神经元病，目前发病机制不清，从神经化学的角度上看，ALS的发病机制可能与五羟色胺(5-HT)能系统相关，本文主要阐述5-HT能系统对ALS的直接影响及间接影响。

1 ALS可能的发病机制概述

ALS是一系列以上、下运动改变为突出表现的慢性进行性神经系统变性疾病，临床表现为上、下运动神经元神经元损害的不同组合，特征表现为肌无力和萎缩、延髓麻痹及锥体束征。发病后2～5年内导致死亡。ALS的诊断目前主要基于体征、症状及神经生理学检查，主要依靠肌电图。然而并没有ALS的血液检查，是否可以根据脑脊液和(或)血浆的5-HT系统相关物质来帮助诊断ALS，值得研究。有学者认为〔1〕ALS发病与人类免疫缺陷病毒、阮病毒感染相关，ALS患者的血清可能对前脚细胞等神经组织存在毒性作用，值得验证。ALS的发病与某些金属元素中毒或某些金属元素的缺乏相关，已发现患者血液和脑脊液中铅含量增高，某些地区ALS高发病率可能与环境中金属元素含量的差异相关。ALS大多为散发病例，5%～10%的患者有家族史，遗传方式为常染色体显性遗传，最常见的致病基因是铜(锌)超氧化物歧化酶(SOD)-1基因，约20%的家族性ALS与此基因相关〔1〕。近年来发现1号染色体上TAR DNA结合蛋白(TDP)-43基因突变与家族性和散发性ALS均相关。9号染色体开放阅读框72基因(C90RF72)非编码区GGGGCCC六核苷酸重复序列与25%左右的家族性ALS相关〔2〕，这些研究为发现ALS发病机制带来希望。近年来发现兴奋性氨基酸尤其是谷氨酸的神经细胞毒性在ALS发病中起着重要作用〔3〕，谷氨酸通过激活磷酸化神经丝的蛋白激酶来减少神经丝的轴突运输，轴突运输缺陷可能会助长垂死过程〔4〕，而5-HT沿着轴突在大脑广泛分布，因此怀疑这种轴突的损害，5-HT是否起了一种保护作用。近年来学者发现5-HT神经失神经导致其对谷氨酸释放的抑制控制丧失，导致谷氨酸诱导的下运动神经元和上运动神经元中的神经毒性〔5〕。此外还发现ALS患者脑脊液中抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)水平较对照组明显降低，而去甲肾上腺素(NA)较对照组升高，病情越严重，这种变化越明显。而研究发现5-HT是可以影响GABA和NA的释放。

2 5-HT系统

大脑中约有300 000个含5-HT的神经元，其具有大量的分支，因此5-HT系统密集地支配几乎所有大脑皮层区域〔6〕。中缝核神经元是大脑5-HT的主要来源，总共分为9个核团，命名为B1-B9，其中大部分核团含有5-HT的神经元，由尾部组(B1-B4)产生的轴突形成向脊髓、小脑、脑桥和中脑结构的下行系统，而从更多的延髓簇(B5-B9)发出的上行纤维与大脑皮层、下丘脑、丘脑、基地神经节、海马等连接。因此这种广泛的神经元网络可以将5-HT视为中枢神经系统的主要调节器之一，在许多生理活动中起着重要的作用，例如，激素的分泌、觉醒周期、运动控制、免疫系统功能、伤害感觉系统、食物摄入、能量代谢、心血管疾病、呼吸功能、体温调节、攻击、意识、学习、记忆、嗅觉和相关病理状态(抑郁、焦虑、躁狂、精神分裂症、自闭症、肥胖、吸毒、偏头痛和高血压)的病因学等起着非常重要的作用〔7～9〕。根据5-HT的化学结构、生物特性及药理作用，5-HT受体分为7个家族(5-HT 1-7)，14种亚型(5-HT1A/1B/1D/1E/1F、5-HT2A/2B/2C、5-HT3、5-HT4、5-HT5A/5B，5-HT6和5-HT7)〔10〕，5-HT1A广泛分布在中枢神经系统，主要分布在海马、扣带回和前额皮质、外侧隔和中脑沟核。细胞体或中缝核神经元树突上的5-HT1A自身受体的激活影响局部5-HT释放而发挥抑制性反馈作用。5-HT1A受体参与啮齿动物的几种生理、行为、认知和发育功能。其中，刺激5-HT1A受体促进大脑中乙酰胆碱(Ach)和NA释放及促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)、促肾上腺皮质激素(ACTH)和皮质醇水平〔11〕，另一方面，这些受体的激活引起5-HT和谷氨酸脑水平的降低及生长激素分泌的下降〔12〕。5-HT1A受体参与运动行为(激活可引起平坦的身体姿势，前爪踩踏、甩尾、下唇缩回和运动激活)、交配行为疼痛知觉(激活引起镇痛)和情绪行为(激活引起焦虑症)。5-HT1A受体激动剂在许多体内神经生成模型中均表现出神经营养活性，并在体外促进神经生长因子对神经突生长的作用。5-HT1B受体在中枢神经系统(特别是黑质、苍白球、腹侧苍白球、上皮肾小管核、尾状壳核和额叶皮层)中最高表达。5-HT1B受体要么是5-HT神经元末端的自体受体(抑制5-HT释放)，要么是GABA、Ach和谷氨酸的末端异源受体。它控制这些神经递质的释放，5-HT1B受体刺激行为效应包括吞咽不足、体温过低、性行为、运动行为(运动过度活跃、旋转、肌阵挛性抽搐)〔13〕。5-HT1D受体在人脑中基底神经节(黑质、苍白球)、中脑(导水管周围的灰色)和脊髓较高表达。啮齿动物对5-HT1F受体的刺激引起神经元超极化，抗偏头痛药物“曲普坦”(例如舒马普坦)对5-HT1F受体具有高亲和力，因此被建议作为控制偏头痛原因的神经源性炎症的大脑靶点〔14〕。5-HT2A受体广泛分布于中枢神经系统，在皮质、屏状核、海马、下丘脑和基底神经节中表达最高，研究表明5-HT2A受体刺激对DA、谷氨酸和GABA的释放具有促进作用，而对NA释放有抑制作用〔15～18〕，5-HT2A受体刺激对啮齿动物的其他生理和行为影响包括促进催生素、肾素、催乳素、促肾上腺皮质激素和皮质醇的血液分泌、诱导体温过高、运动行为。5-HT2B受体在中枢神经系统中的定位仅限于某些大脑区域，包括小脑、外侧隔、下丘脑和杏仁核〔19〕，啮齿动物大脑中的5-HT2B受体刺激会引起运动行为(修饰减少)、情绪行为(焦虑症)、食物摄入(吞咽过多)和疼痛感的变化〔20〕。5-HT2C是脉络丛中存在人类和啮齿动物中最高的5-HT2受体水平，调节脑脊液的产生〔21〕，在大脑的其他部位水平较低，大脑5-HT2C受体的激活在几个大脑区域引起神经元去极化。体内神经化学显示出抑制作用，5-HT2C受体激动剂引起的运动和焦虑作用不敏感〔22〕。5-HT3受体在中枢神经系统中广泛分布，密度最高，位于后区域，孤束核、三叉核、背迷走神经复合体和几个边缘结构〔18〕，5-HT3受体的激活促进了体内5-HT、胆囊收缩素、DA和GABA的释放，降低了谷氨酸的释放并调节了Ach的释放〔23，24〕，5-HT3受体刺激在啮齿动物中的其他功能性作用包括诱发运动行为和控制情绪行为。5-HT4受体刺激啮齿动物中的作用包括促进记忆巩固和减少进食的生理驱动力，而受体拮抗介导抗焦虑〔25，26〕。脑5-HT6受体的激活在几个脑区域引起神经元去极化。体内神经化学发现表明5-HT6受体刺激促进5-HT、DA和GABA的释放，而Ach突触水平下降〔27〕，5-HT6受体在运动行为(出现打哈欠、伸展和咀嚼的特定行为综合征)、食物摄入和体重(减少)及学习和记忆过程(增强保留空间学习)有重要作用〔12，20，28〕。几种抗精神病药(例如氯氮平、奥氮平)和抗抑郁药(例如阿米替林、阿托品和去甲替林)对5-HT6受体具有高亲和力和拮抗作用，并且这些受体被认为是发展用于治疗精神分裂症和抑郁症的重要大脑靶点〔29〕。5-HT7受体的高密度定位在丘脑、海马、大脑皮层、杏仁核和视交叉上核〔30〕，5-HT7受体一直与昼夜节律调节、睡眠结构、情绪、癫痫发作、疼痛知觉，认知和体温调节的病因有关〔30～32〕。

5-HT系统对靶神经元产生广泛影响，如运动神经元兴奋性阈值控制，并与许多其他神经递质相互作用，包括DA、NA、谷氨酸、GABA和各种肽。5-HT对胚胎神经系统的发育也起着重要作用，胚胎神经系统涉及神经突向外生长和神经元分化，包括突触生长、5-HT在大脑广泛分布，被视为中枢神经系统的主要协调者之一，在运动活动中具有非常重要的作用。在ALS患者中，运动和非运动症状归因于这种监督神经递质系统的功能障碍〔5〕。

3 5-HT对ALS的影响

3.15-HT对神经的保护作用 谷氨酸兴奋性中毒也是ALS的一个原因。同步释放的L-谷氨酸是中枢神经系统中最重要的兴奋性神经递质，通过快速有效的转运〔如星形细胞谷氨酸转运体(GLT)1〕将其从细胞外空间清除。对这些转运蛋白的破坏会导致体重减轻，缩短ALS患者的生存时间。5-HT能神经失神经导致其对谷氨酸释放的抑制控制丧失，导致谷氨酸诱导的下和(或)上运动神经元中的神经毒性〔33〕。5-HT系统具有神经保护和抗炎作用。

3.25-HT调节ALS的发作和生存 由于5-HT神经元和血小板表达的5-HT相关酶和受体相似，因此中央5-HT的变化很可能反映在血小板5-HT水平。已有研究证实〔34〕ALS患者的血小板5-HT水平显著降低，血小板5-HT水平与疾病持续时间无关，但与患者生存率呈正相关。5-HT水平处于正常范围的患者死亡风险降低了57%，血小板5-HT水平与生存之间的正相关性强烈表明，5-HT会影响ALS疾病的进程。5-HT的降低可能是疾病的先发发作，并与5-HT代谢的内在变化有关，也可能是疾病过程本身的结果。

3.35-HT调节能量代谢 一个更有吸引力的假设是血清素与能量代谢之间的关系。血清素参与ALS改变的一系列功能，包括运动神经元兴奋性和能量代谢，已知在ALS患者中显示出能量代谢异常，血清素调节能量〔35〕，大量的ALS患者及转基因ALS小鼠显示出能量消耗的增加〔35～37〕，这种表型与脑源5-HT的慢性耗竭作用相似〔38〕。未来的研究应集中于5-HT和ALS中能量代谢之间的潜在关系。有研究表明黑皮质素系统能够恢复SOD1小鼠的部分体重减轻和增加能量消耗，5-HT神经支配的丧失是导致SOD1小鼠黑皮质素缺陷的原因〔39〕。

3.45-HT缓解或延缓吞咽困难 ALS患者有一部分表现出吞咽困难，支配吞咽的相关神经脑干运动核(即三叉神经、面神经核、迷走神经核和舌下核)从脑干和大脑的许多其他区域接受密集的5-HT神经支配。5-HT替代或选择性5-HT再摄取抑制剂，例如帕罗西汀或氟西汀，可能对大量有吞咽困难的患者具有广泛的应用，因此，早期补充5-HT可以缓解或延缓神经系统疾病的吞咽困难症状，为患者提供更好的生活质量并降低患者的死亡风险〔40〕。

3.55-HT增加运动元兴奋性 5-HT和NA增加了运动神经元的兴奋性。 5-HT可通过降低动作电位阈值、增加超极化激活的内向电流(IH)、降低超极化后电位(AHP)和增加输入电阻来增加兴奋性〔41〕。单胺能(即DA、5-HT和NA)的途径已被证明可以启动并促进脊髓运动输出的表达，从而控制节段反射并发挥主要作用〔42〕。

3.65-HT激活呼吸频率和幅度 5-HT对运动活动和呼吸有促进作用，5-HT神经元与许多呼吸节律必不可少的初级呼吸核之间存在相互联系，体外研究表明，中缝核的5-HT神经元自发地起呼吸节律作用，并且在吸气时其发动频率增加，这是呼吸活动的关键起搏器〔43〕，中缝核血清素能神经元激活呼吸频率和幅度并增强中枢呼吸化学反射，除了在呼吸化学敏感性和呼吸节律中发挥作用外，5-HT神经元还可能调节上呼吸道阻力和对缺氧的心血管反应，5-HT神经元与脑干呼吸网络的相互作用可能在呼吸节律和化学敏感性中起主要作用〔44，45〕。这些发现表明5-HT系统是治疗ALS患者呼吸衰竭潜在的治疗靶标，5-HT对运动活动和呼吸有促进作用。

在ALS中优先受影响的神经元，包括三叉神经、面神经、舌下和腹角运动神经元，均接受密集的5-HT神经支配。而对ALS的神经变性过程更具抵抗力的运动神经元组(例如动眼运动核)接受稀疏的5-HT输入。ALS会影响脑脊髓5-HT神经元，而5-HT神经元可能会导致ALS患者痉挛性痉挛〔46〕。

4 5-HT相关受体物质对ALS的影响

4.1小胶质细胞上的5-HT2B受体延缓ALS疾病进展 ALS早期，5-HT不断耗竭，有实验〔47〕在大鼠中观察到5-HT2B受体表达的增加是对5-HT神经支配丧失的补偿反应，并且通过它们变得过度兴奋而有助于存活的运动神经元的可塑性。5-HT和三磷酸腺苷(ATP)促进了小胶质细胞的迁移。研究发现小胶质细胞是中枢神经系统的常驻单核吞噬细胞，与神经退行性疾病如ALS的发病机制有关，在SOD1G93A小鼠中，发现小胶质细胞5-HT2B受体的表达在腰(L3-5)脊髓组织中被上调，而阻断小胶质细胞上的5-HT2B受体可促进疾病进展〔47〕，5-HT2B受体的增加可能是由于组成活性5-HT2B受体的代偿性产生。尽管这些受体可能通过增加运动神经元兴奋性来促进膈肌运动和维持呼吸，但也可能会发生痉挛〔47〕，5-HT2B是在小胶质细胞中表达的5-HT受体，在3种不同的ALS转基因小鼠模型的脊髓中均被上调。5-HT2B在神经退行性病变期间可积极促进小胶质细胞的存活，调节单核吞噬细胞的存活和功能，5-HT2B受体刺激可提高原发性小胶质细胞的存活率，而5-HT2B受体的抑制作用可降低原发性小胶质细胞的存活率〔48〕，5-HT2B受体消融对单核吞噬细胞产生巨大影响与加速疾病进展有关。5-HT2B受体限制了脊髓单核吞噬细胞(最可能是小胶质细胞)的变性，并减慢了ALS中的疾病进展。由此可看出5-HT2B受体的代偿性产生可能延缓疾病进展，靶向该受体可能在治疗上提供帮助。

4.2星形胶质细胞上的5-HT1A受体在ALS中起神经保护作用 星形胶质细胞是中枢神经系统中最丰富的支持神经元的神经胶质细胞。其神经保护作用已在各种神经系统疾病如ALS、脊髓损伤、脑卒中和帕金森病(PD)中得到证实〔49～51〕，星形胶质细胞通过产生抗氧化剂、释放神经营养因子和摄取潜在的神经毒性分子(例如突触间中的谷氨酸过量和细胞外α-突触核蛋白聚集体)刺激星形胶质细胞上的5-HT1A受体，促进星形胶质细胞增殖并上调抗氧化分子〔50〕，从而在ALS中起神经保护作用。5-HT1A受体是中枢神经系统中5-HT信号传导的关键介质。研究已证明了纹状体星形胶质细胞中5-HT1A受体的表达，并且该受体的刺激对DA神经毒性具有神经保护作用，星形胶质细胞中对神经吞噬的线粒体的降解是作为神经保护靶标的显著现象，可对ALS产生神经元修复。

4.35-HT的前体物质5-HT酸(5-HTP)可改善ALS的运动功能和存活率 实验发现〔52〕，将转基因SOD1 G93A小鼠和野生型同窝小鼠每周3次(0、5或50 mg/kg)全身性注射5-HTP，每周记录动物体重、运动功能和存活率。经5-HTP处理的小鼠以剂量依赖性方式显著延迟了SOD1 G93A小鼠的后肢无力和死亡率。全身注射5-HTP可延缓ALS小鼠的后肢肌肉无力并降低肌张力。此外，5-HTP的高剂量给药显著延长了小鼠的寿命。SOD1 G93A小鼠中施用5-HTP可改善运动功能和存活率。这些研究提示，5-HT代谢在SOD1表达升高和运动神经元疾病的小鼠中具有重要作用〔52〕。

4.45-HT2B/C受体引起ALS痉挛反射和运动维持 痉挛发生在多种神经系统疾病中，包括神经退行性疾病(例如ALS或多发性硬化)，痉挛通常被定义为肌肉过度拉伸反射，可能严重限制日常生活，也可能导致严重受损患者低水平运动功能〔53〕。痉挛由5-HT神经轴突的丧失引起。通常，5-HT通过持续钙电流的增加来介导运动神经元的兴奋性，但是随5-HT神经支配的丧失而降低，失去了5-HT的传递，并且运动神经元变得兴奋过度〔54〕。为了补偿脊髓损伤后脑干5-HT输入的这种损失，运动神经元产生了具有组成型活性的5-HT2B和5-HT2C受体，5-HT神经元的变性对于通过5-HT2B/C受体引起痉挛是必要的。5-HT神经元的变性通常与营养不良5-HT纤维的出现有关，营养不良5-HT纤维在远端投射区域处特别扩大、肿胀和聚集〔55，56〕。靶向5-HT系统的多种药物可用于治疗神经系统疾病的痉挛。5-HT神经元变性触发ALS痉挛，痉挛是ALS的主要症状，证据表明，与ALS相关的痉挛由5-HT2B/5-HT2C受体的组成性活动引起，5-HT2B/C受体非依赖性活性的配体确实可以导致部分持久性痉挛反射的发展及维持运动〔57，58〕，痉挛被认为是由运动神经元激活的一种补偿机制，这些发现对ALS病理生理的理解有重要的意义〔59〕。

综上，脑脊液或血液里没有可用于诊断ALS的生物标记物。因此，未来的研究应该关注ALS的5-HT系统功能障碍，并使5-HT系统相关标志物用于临床患者的常规检查，此外，目前研究已经发现5-HT可以延缓ALS疾病的发展，所以5-HT用于治疗ALS具有巨大的发展潜力。