组胺及其受体在阿尔茨海默病发病中的生物学作用

刘丽媛 王丽红 王浩 (山东第一医科大学药理学研究所,山东 泰安 271016)

组胺是一种分布于全身的内源性生物胺,其作为神经递质在中枢也广泛分布,并与其受体组成了中枢组胺能系统,参与脑稳态的维持和高级脑功能的调控〔1〕。Zlomuzica 等〔2〕研究发现,阿尔茨海默病(AD)患者大脑中组胺释放因子水平下降、额叶皮质和颞叶皮质组胺受体数目减少,结节乳头状核组胺神经元变性,自此人们对AD 和组胺相关性展开研究。AD 是痴呆的最常见类型,其发病机制复杂,目前还没有效的治疗药物〔1〕。近年发现组胺受体拮抗剂对AD 具有明显的改善作用,说明组胺及其受体在神经调控及AD 发生发展中发挥关键作用,可能是治疗AD 的潜在靶点。本文对组胺及其受体在AD 发病中的生物学作用进行综述。

1 组胺受体的脑内分布及功能

组胺通过激动其受体发挥作用。组胺受体为G蛋白耦联受体,包括H1～H4 亚型,4 种亚型在脑内均有分布,发挥多种生物学功能。H1 受体(H1R)几乎分布于包括皮质、海马、纹状体和下丘脑在内的所有部位。目前发现〔3〕,该受体被激动后可参与觉醒的发生,而其拮抗剂具有明显的镇静作用,可用来诱导睡眠。H2 受体(H2R)也几乎分布于全脑,其被激动后可抑制信号传递,降低动物自发活动和探索行为,而H2R 拮抗剂被认为具有抗精神分裂症的潜力〔4〕。H4 受体(H4R)是最近发现的组胺受体,主要分布于中枢的脊髓、背根神经节、海马和大脑皮层等部位,参与疼痛、焦虑和记忆功能〔5〕。研究发现〔6〕,刺激神经元H4R 能够减轻β-淀粉样肽(Aβ)灌注诱导的大鼠AD 病理学损伤,发挥神经保护的作用。研究最广泛的是组胺H3 受体(H3R),其分布于下丘脑、大脑皮质、海马、杏仁核、纹状体和基底神经节等多个部位〔7〕。最初H3R 被认为是调节脑内组胺释放的自身受体,通过对组胺合成的反馈抑制来调控组胺的释放。但研究发现,它也可作为异源受体,参与G 蛋白耦联的细胞信号转导、调控其他神经递质的释放〔2〕。

H3R 与Gi/o 蛋白耦联,抑制腺苷酸环化酶(AC),下调环磷酸腺苷(cAMP)水平,进而抑制cAMP 反应元件结合蛋白(CREB)的磷酸化〔8〕;也可激活刺激蛋白激酶B(AKt)使其磷酸化,进而抑制糖原合成酶激酶3-β(GSK3β)发挥作用〔9〕。此外,H3R 与Gi/o 蛋白的耦联可动员细胞内储存的Ca2+,增强丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)的磷酸化,在激活磷脂酶(PL)A2 和肌醇1,4,5-三磷酸(IP3)发挥作用〔10〕。

H3R 还可作为一种异源受体在邻近的其他胺能神经元上表达,被激活后抑制其他神经递质的释放。大脑皮质、海马、伏隔核、基底核、纹状体等部位的H3R 异源受体,被激活后可抑制乙酰胆碱(Ach)释放,而这可能与其影响学习记忆功能有关〔11〕。而组胺的促觉醒作用,似乎也与其调控胆碱能神经元有关〔12〕。除Ach 外,H3R 的激活还能抑制大脑皮质、海马、下丘脑、蓝斑、室旁核等部位去甲肾上腺素的释放;纹状体多巴胺的释放;大脑皮质、纹状体、黑质、腹侧被盖区中的γ-氨基丁酸(GABA)的释放;大脑皮质、下丘脑、黑质和纹状体中的血清素释放〔11〕。

2 组胺在AD 发生发展中的作用及机制

不同的组胺受体被激动产生不同的生物学作用,因此其在AD 中发挥的作用也不同。H1R 在AD患者的额叶、颞叶、枕叶皮质、丘脑和纹状体中表达逐渐减少;应用H1R 的拮抗剂氯苯那敏,实验动物则出现情绪记忆的损害;H1R 基因敲除小鼠也表现出空间学习能力的下降和海马区成年神经的减少。这说明,H1R 的丢失可促进AD 的发生〔13〕。H2R 在海马体中适度表达,研究发现其可通过激活AC 上调cAMP 进而激活蛋白激酶(PK)A,加强记忆的巩固〔14〕;此外,Breitner 等〔15〕通过对AD 患者研究发现,H2R 阻断可能与AD 症状的延迟发作有关,但仍需要进一步实验证实。目前研究较多的是H3R 及其拮抗剂在AD 中的作用。AD 发病机制复杂,涉及胆碱能、Aβ 沉积、Tau 蛋白磷酸化、线粒体级联、炎症、金属离子等多个假说〔16〕。H3R 可能通过以上多种机制参与AD 的发生。

2.1 胆碱能通路 Ach 广泛分布于中枢神经系统,在调控认知功能中发挥重要作用〔17〕。胆碱能假说认为,AD 患者认知功能下降与胆碱能神经元数量的减少呈正相关,抑制Ach 酯酶(AchE)增加突触间隙中Ach 含量,可减轻AD 症状〔18〕。H3R 作为异源受体被激活后可抑制胆碱能神经元释放Ach〔19〕。这一作用从胆碱能假说的角度会加速AD 发生发展,而多种H3R 拮抗剂对AD 的改善作用也证实了这一点。Bardgett 等〔20〕研究发现,咪唑类H3R 拮抗剂Ciproxifan 能减轻瑞典家系β-淀粉样前体蛋白(APPswe)转基因小鼠(Tg2576)的认知缺陷,而其机制与其抑制AchE 活性而增加突触间隙Ach 含量有关〔21〕。另一个咪唑类H3R 拮抗剂Clobenpropit 也可逆转东莨菪碱引起的被动回避和新物体识别缺陷,而其机制与调节谷氨酸释放和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体有关〔22〕。后续开发的一些新型的咪唑类H3R 拮抗剂也可通过胆碱能通路发挥作用,如ABT-288 和GSK239512〔23〕。ABT-288 属于高选择性的H3R 竞争性拮抗剂。Esbenshade 等〔24〕研究发现,其对东莨菪碱诱导的大鼠认知损害具有明显的改善作用,而其机制与其提高大鼠前额叶皮层乙酰胆碱和多巴胺水平有关。GSK239512 对包括AD 在内的多种神经退行性疾病的认知功能障碍均具有改善作用,可以逆转东莨菪碱诱导的遗忘,从而使实验动物的注意力、记忆力和执行功能得到改善〔25〕。研究认为,GSK239512 也可以增加动物脑内Ach 含量〔26〕。以上发现说明H3R 的激活和抑制对脑内Ach 水平具有重要调控作用,通过此调控作用其可能成为AD 治疗的潜在靶点。

近年来,针对AD 发病机制复杂、单靶点策略难以产生理想效果而开发的多靶点定向配体(MTDLs)策略可能更具有前景。新型双活性H3R 拮抗剂同时与一个或多个靶点组成的MTDLs 显示出了较好的抗AD 效果〔11〕。如Sadek 等〔27〕研究发现,在NMDA 受体拮抗剂地佐环平(DIZ)诱导的大鼠学习记忆障碍中,新型药物UW-MD-72 通过抑制AchE和阻断H3R 从而表现出较优的增强记忆作用。与合用两种药物相比,UW-MD-72 单独给药可有效避免联合治疗时出现的药物-药物相互作用,说明MTDLs 在AD 的治疗中更具发展潜力〔27〕。

2.2 Aβ 损伤 老年斑是AD 特征性病理学改变,由Aβ 聚积而成。Aβ 具有神经毒性,可通过炎症、氧化应激、凋亡等多种途径诱导神经损伤,进而引发认知功能损害〔28〕。研究发现,H3R 拮抗剂对Aβ 诱导神经损伤具有明显保护作用。前述的H3R 拮抗剂Clobenpropit,可改善APP/PS1 小鼠认知功能,改善Aβ1-42 诱导大鼠PC12 细胞和人神经母细胞瘤细胞(SK-N-SH)神经毒性等。Wang 等〔8〕研究发现,新型H3R 拮抗剂7-吡咯烷乙氧基-4′-甲氧基异黄酮(LC1405)能改善APP/PS1 双转基因小鼠的认知功能、延缓其神经性退变过程;在细胞实验中,LC1405能翻转Aβ 毒性,提高细胞活力、减少细胞凋亡,其机制与调控cAMP/CREB 和AKt/GSK3β 信号通路有关。

另外,H3R 拮抗剂除直接改善Aβ 诱导的损伤外,也可调控Aβ 转运。Aβ 可通过血脑屏障(BBB)转运进入循环系统和淋巴系统从而清除出脑,维持脑内Aβ 正常水平〔29〕。而AD 患者脑中Aβ 的沉积可能与BBB 的屏障功能下降、Aβ 从外周(如血浆)转运到大脑的各个区域有关。而外源性Aβ 还能作用于脑微血管,进一步破坏BBB 而加重Aβ 沉积。而H3R 拮抗剂可阻止过程。Patnaik 等〔6〕研究发现,H3R 拮抗剂BF-2649 和氯苯丙酯可显著改善侧脑室注射Aβ 而引发的BBB 分解、水肿形成、Aβ 沉积和神经元损伤,这证明H3R 可能通过影响BBB屏障功能而调控Aβ 的转运。

2.3 Tau 蛋白通路 Tau 为神经元微管相关蛋白,主要存在于轴突中。生理条件下,Tau 与微管蛋白相互作用促进其形成微管。在AD 中,Tau 蛋白磷酸化水平升高,与微管蛋白亲和力降低,并聚集形成神经纤维缠结(NFT)诱导神经细胞损伤〔22〕。动物实验发现,H3R 受体拮抗剂ABT-239 可逆转TAPP(Tau×APP)AD 转基因小鼠脊髓和海马Tau 蛋白高磷酸化〔30〕。而Delay-Goyet 等〔31〕应用THY-Tau22转基因小鼠,对H3R 拮抗剂SAR110894 的研究中也发现了此作用。THY-Tau22 转基因小鼠表现为在几个AD 相关的Tau 表位上出现过度磷酸化,具有罕见的缠结NFT 样内含物及成对的螺旋样细丝改变。此转基因小鼠给予SAR110894 长期治疗后,认知功能得到改善,Tau 蛋白过度磷酸化显著降低,NFT 数量减少,小胶质细胞增生的标志物MIP-1α的表达减少,表明了潜在抗AD 作用。

2.4 海马神经发生 海马是与学习和记忆密切相关大脑区域,在AD 早期容易受损。成年神经发生是指成年哺乳动物脑海马齿状回颗粒下区的新神经元持续生成的过程〔32〕。AD 相关疾病因子的表达影响海马的神经发生,而神经发生的失调又能进一步促进AD 的发展。因此,增加海马神经元发生被认为是延缓或阻止认知功能衰退的潜在治疗策略〔33〕。研究发现,组胺参与海马神经发生。Guilloux 等〔32〕研究发现,H3R 拮抗剂S38093 能够促进小鼠成年海马神经中未成熟神经元的增殖和存活及刺激未成熟颗粒细胞的成熟化,进而逆转了APPSWE 转基因小鼠认知障碍。而进一步的研究认为,S38093 这种对新生神经元加速成熟过程主要与促进血管内皮生长因子(VEGF)和脑源性神经营养因子(BDNF)等细胞因子的释放有关〔32〕。

综上,AD 的发病机制错综复杂,目前尚未完全阐明。组胺与其受体组成的组胺能系统广泛分布于中枢神经系统,与AD 发生密切相关。其中组胺H3R 拮抗剂研究广泛,可通过多种机制改善AD,可成为AD 的治疗的潜在靶点,但对于更为有效、安全、可用于临床的H3R 拮抗剂有待于进一步研发。