488 生 命 的 化 学 2014 年 34 卷 4 期 MPTP) 6- 羟 多 巴 胺 (6-hydroxydopamine, 6-OHDA) 和 鱼 藤 酮 所 引 发 的 神 经 毒 性 ; 通 过 尼 古 丁 激 发 多 巴 胺 的 释 放, 减 轻 黑 质 纹 状 体 损 害, 缓 解
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1 生 命 的 化 学, 2014, 34(4): 蔡 燕 雪, 等. 尼 古 丁 在 帕 金 森 病 中 的 神 经 保 护 作 用 doi: /j.smhx 尼 古 丁 在 帕 金 森 病 中 的 神 经 保 护 作 用 蔡 燕 雪, 李 晔, 白 洁 * ( 昆 明 理 工 大 学 医 学 院, 昆 明 ) 摘 要 : 帕 金 森 病 (Parkinson s disease, PD) 是 常 见 的 中 老 年 神 经 退 行 性 疾 病 研 究 表 明, 尼 古 丁 具 有 抵 抗 黑 质 多 巴 胺 神 经 元 损 伤 的 作 用, 其 通 过 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 (nicotinic acetylcholine receptor, nachr) 途 径 与 非 受 体 途 径 抑 制 帕 金 森 病 的 发 生 与 发 展 本 文 就 尼 古 丁 在 帕 金 森 病 中 的 神 经 保 护 作 用 以 及 保 护 机 制 的 相 关 研 究 进 行 关 键 词 : 尼 古 丁 ; 帕 金 森 病 ; 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 The neuroprotective effect of nicotine in Parkinson's disease CAI Yanxue, LI Ye, BAI Jie* (Medical Faculty of Kunming University of Science and Technology, Kunming , China) Abstract: Parkinson s disease (PD) is a common neurodegenerative disease in the elderly population. Nicotine plays roles in resisting the dopaminergic neuron damage and inhibits the occurrence and development of Parkinson s disease through nicotinic acetylcholine receptor pathway and non-receptor pathway. In this paper we will review the recent studies on the neuroprotective roles and mechanisms of nicotine in Parkinson's disease. Key Words: nicotine; Parkinson s disease; nicotinic acetylcholine receptor 帕 金 森 病 (Parkinson s disease, PD) 是 一 种 常 见 的 中 老 年 神 经 退 行 性 疾 病, 全 球 患 病 率 达 1 ~2 帕 金 森 病 的 病 理 表 现 主 要 为 中 脑 黑 质 多 巴 胺 神 经 元 进 行 性 变 性 坏 死, 同 时 伴 随 残 存 神 经 元 胞 浆 中 路 易 小 体 的 堆 积, 最 终 导 致 多 巴 胺 的 分 泌 减 少 临 床 特 征 包 括 静 止 性 震 颤 面 部 表 情 减 少 运 动 缓 慢 和 体 位 不 稳 等 20 世 纪 50 年 代 就 有 学 者 报 道 了 尼 古 丁 与 帕 金 森 病 发 病 率 呈 负 相 关, 使 用 尼 古 丁 可 以 改 善 帕 金 森 病 的 临 床 症 状 [1] 此 外, 烟 草 中 的 尼 古 丁 可 以 有 效 缓 解 帕 金 森 病 的 发 生 与 发 展 [2,3] 然 而, 由 于 帕 金 森 病 的 发 病 机 理 复 杂, 与 多 种 因 素 有 关, 所 以, 尼 古 丁 对 多 巴 胺 神 经 元 的 保 护 作 用 机 制 也 较 为 复 杂, 目 前 还 不 十 分 清 楚, 因 此, 进 一 步 明 确 该 保 护 机 制 对 于 帕 金 森 病 的 预 防 与 治 疗 都 具 有 重 要 的 意 义 本 文 就 尼 古 丁 对 帕 金 森 病 的 神 经 保 护 作 用 以 及 主 要 神 经 保 护 机 制 进 行 1 尼 古 丁 在 帕 金 森 病 中 的 神 经 保 护 作 用 临 床 实 验 显 示 对 帕 金 森 病 患 者 通 过 皮 肤 给 予 尼 古 丁 可 缓 解 病 人 症 状 研 究 发 现, 经 皮 给 予 帕 金 森 病 患 者 尼 古 丁 不 仅 有 效 改 善 病 人 的 症 状, 而 且 还 减 少 患 者 多 巴 胺 使 用 量 [4] 同 时, 也 有 相 关 报 道 : 尼 古 丁 可 以 改 善 帕 金 森 病 患 者 的 认 知 障 碍 [5] 患 者 的 纹 状 体 多 巴 胺 转 运 体 显 象 研 究 揭 示, 尼 古 丁 可 能 是 通 过 降 低 神 经 元 的 减 少, 而 起 神 经 保 护 作 用 的 [6] 在 帕 金 森 病 动 物 模 型 和 细 胞 模 型 中, 尼 古 丁 可 以 抵 抗 由 1- 甲 基 -4- 苯 基 -1,2,3,6- 四 氢 吡 啶 (1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, 收 稿 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( ;U ); 昆 明 理 工 大 学 医 学 神 经 生 物 学 重 点 实 验 室 项 目 ( ) * 通 信 作 者 : jiebai662001@126.com
2 488 生 命 的 化 学 2014 年 34 卷 4 期 MPTP) 6- 羟 多 巴 胺 (6-hydroxydopamine, 6-OHDA) 和 鱼 藤 酮 所 引 发 的 神 经 毒 性 ; 通 过 尼 古 丁 激 发 多 巴 胺 的 释 放, 减 轻 黑 质 纹 状 体 损 害, 缓 解 帕 金 森 病 症 状 在 大 鼠 和 小 鼠 MPTP 的 帕 金 森 病 动 物 模 型 中, 尼 古 丁 具 有 抵 抗 由 MPTP 引 起 多 巴 胺 神 经 元 毒 性 的 作 用 [7], 在 非 人 灵 长 类 帕 金 森 病 模 型 中, 尼 古 丁 降 低 由 MPTP 引 起 的 纹 状 体 损 伤 作 用 也 比 较 明 显 [8] MPTP 能 够 穿 越 血 脑 屏 障, 在 单 胺 氧 化 酶 B(monoamine oxidase B, MAOB) 的 作 用 下 转 变 为 有 毒 性 的 1- 甲 基 -4- 苯 基 吡 啶 离 子 (1-methyl-4-phenylpyridinium ion, MPP + ), 进 而 在 神 经 突 触 末 梢 和 胞 体 中 干 扰 线 粒 体 功 能, 选 择 性 地 破 坏 黑 质 多 巴 胺 能 神 经 元, 导 致 黑 质 细 胞 体 纹 状 体 神 经 末 梢 多 巴 胺 递 质 的 大 量 减 少 在 尼 古 丁 进 入 神 经 突 触 末 梢 过 程 中, 通 过 与 MPP + 竞 争, 降 低 黑 质 纹 状 体 的 损 伤, 从 而 刺 激 多 巴 胺 的 释 放 多 巴 胺 转 运 体 特 异 性 抑 制 剂 可 以 有 效 抵 抗 MPP + 的 毒 性, 有 研 究 显 示 尼 古 丁 对 多 巴 胺 转 运 体 具 有 调 节 作 用 [9], 因 此, 尼 古 丁 可 能 通 过 多 巴 胺 转 运 体 的 调 节 作 用 抵 抗 MPP + 的 毒 性 尼 古 丁 可 以 抵 抗 由 6-OHDA 诱 导 的 纹 状 体 神 经 元 变 性 6-OHDA 是 一 种 有 效 导 致 多 巴 胺 神 经 元 变 性 的 神 经 毒 剂, 通 过 与 多 巴 胺 竞 争, 能 够 与 高 亲 和 力 的 多 巴 胺 转 运 体 结 合 进 入 黑 质 纹 状 体 多 巴 胺 能 神 经 元, 并 迅 速 被 氧 化 形 成 过 氧 化 氢 超 氧 化 物 和 相 应 的 醌 生 成 的 大 量 活 性 氧 超 出 多 巴 胺 能 神 经 元 自 身 抗 氧 化 清 除 的 能 力, 产 生 神 经 毒 性 尼 古 丁 与 6-OHDA 竞 争 多 巴 胺 转 运 体 进 入 神 经 元, 从 而 降 低 神 经 毒 性, 刺 激 多 巴 胺 释 放 尼 古 丁 也 可 通 过 降 低 6-OHDA 导 致 的 纹 状 体 多 巴 胺 能 神 经 末 梢 的 丢 失 起 到 神 经 保 护 作 用 鱼 藤 酮 对 脑 组 织 线 粒 体 呼 吸 链 复 合 体 I 的 活 性 具 有 抑 制 作 用, 致 黑 质 多 巴 胺 神 经 元 部 分 线 粒 体 复 合 体 I 被 抑 制, 从 而 细 胞 的 氧 化 应 激 增 加,ATP 产 生 减 少, 折 叠 蛋 白 聚 集 增 加, 激 活 细 胞 凋 亡 途 径 最 终 导 致 细 胞 死 亡 对 鱼 藤 酮 处 理 小 鼠 进 行 皮 下 注 射 尼 古 丁, 可 以 降 低 小 鼠 的 运 动 障 碍, 减 少 黑 质 多 巴 胺 神 经 元 细 胞 损 失 [10] 尼 古 丁 通 过 激 活 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 (nicotinic acetylcholine receptor, nachr) 抑 制 鱼 藤 酮 导 致 的 小 鼠 多 巴 胺 神 经 元 毒 性 [11] 2 尼 古 丁 在 帕 金 森 病 中 的 神 经 保 护 机 制 尼 古 丁 的 神 经 保 护 作 用 机 制 比 较 复 杂, 涉 及 多 种 信 号 通 路 根 据 尼 古 丁 神 经 保 护 作 用 的 方 式 可 以 分 为 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 途 径 与 非 受 体 途 径 两 种 类 型 2.1 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 介 导 的 保 护 作 用 机 制 nachr 属 于 配 体 门 控 离 子 通 道 超 家 族 中 的 一 员, 能 够 被 乙 酰 胆 碱 胆 碱 或 尼 古 丁 激 活, 是 由 α1~α10 β1~β4 的 不 同 亚 单 位 组 成 的 同 源 或 异 源 性 五 聚 体 构 成 目 前, 在 哺 乳 动 物 的 中 枢 神 经 系 统 神 经 元 中 已 经 发 现 9 种 神 经 型 nachr 亚 单 位 (α2~α7 β2~β4), 其 中 β2 α4 和 α7 分 布 最 广 泛, α6 和 β3 局 限 于 儿 茶 酚 胺 能 神 经 元,α8 只 存 在 于 鸟 类,α9 和 α10 分 布 于 耳 蜗 毛 细 胞 感 觉 神 经 元 和 一 些 非 神 经 元 细 胞 中 在 纹 状 体 多 巴 胺 能 神 经 末 梢 中, 通 过 基 因 敲 除 小 鼠 和 药 理 学 方 法 发 现 了 α7 nachr 和 至 少 存 在 5 种 β2- 异 源 nachr 参 与 了 尼 古 丁 诱 导 多 巴 胺 释 放, 分 别 为 α6α4β2β3 α6β2β3 α6β2 α4β2 和 α4α5β2 型 [12] ( 图 1) 中 枢 神 经 系 统 中 分 布 最 多 的 是 α7 nachr 和 α4β2 nachr 两 种 受 体 亚 型, α7 nachr 对 钙 离 子 有 相 当 高 的 通 透 性, 能 调 节 钙 的 活 化 及 递 质 乙 酰 胆 碱 的 释 放 ;α4β2 nachr 占 脑 内 与 烟 碱 有 高 亲 和 力 的 nachr 的 90%, 可 促 进 多 巴 胺 能 神 经 末 梢 释 放 多 巴 胺, 对 中 脑 多 巴 能 神 经 元 具 有 十 分 重 要 作 用 研 究 显 示 α7 nachr 和 α4β2 nachr 在 尼 古 丁 抵 抗 帕 金 森 病 中 起 到 关 键 的 作 用 PI3K-Akt 信 号 通 路 在 鱼 藤 酮 或 6-OHDA 诱 导 的 帕 金 森 病 小 鼠 模 型 中 [13], 尼 古 丁 通 过 α7 nachr, 刺 激 Src 家 族, 激 活 磷 脂 酰 肌 醇 3 激 酶 - 蛋 白 激 酶 B(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B, PI3K-Akt) 通 路 相 关 的 蛋 白 激 酶, 增 加 凋 亡 调 控 基 因 B 淋 巴 细 胞 瘤 -2 蛋 白 (B-cell lymphoma 2, Bcl-2) 和 Bcl-x 表 达,Bcl-2 等 细 胞 凋 亡 负 调 因 子 在 细 胞 受 到 外 界 刺 激 时 能 保 护 细 胞 免 于 凋 亡 [14], 继 而 抑 制 由 鱼 藤 酮 导 致 的 细 胞 凋 亡, 达 到 神 经 保 护 的 效 果 Ca 2+ -CaM 信 号 通 路 钙 调 素 (calmodulin, CaM) 广 泛 存 在 于 真 核 细 胞 中, 具 有 多 种 调 节 功 能 尼 古 丁 模 仿 生 理 性 配 体 ( 乙 酰 胆 碱 或 胆 碱 ) 的 作 用, 引 起 nachr 通 道 的 开
3 蔡 燕 雪, 等. 尼 古 丁 在 帕 金 森 病 中 的 神 经 保 护 作 用 489 图 1 nachr 的 结 构 图 放, 导 致 细 胞 Ca 2+ 内 流, 电 压 依 赖 性 钙 通 道 开 放 而 导 致 细 胞 内 Ca 2+ 的 增 加 和 聚 集, 从 而 调 节 细 胞 增 殖 生 存 运 动 和 迁 移 [15] 在 中 脑 神 经 元 中,K + 离 子 通 道 抑 制 剂 四 乙 基 铵 使 细 胞 内 Ca 2+ 浓 度 增 加, 尼 古 丁 增 强 了 此 反 应, 激 活 Ca 2+ -CaM 信 号 通 路, 促 进 中 脑 多 巴 胺 神 经 元 的 存 活 [16] 在 α7 nachr 缺 失 突 变 小 鼠 中, 尼 古 丁 通 过 Ca 2+ -CaM-PI3K 信 号 通 路 的 神 经 元 保 护 作 用 被 抑 制 [17] ERK1/2 和 p38 MAPK 信 号 通 路 但 也 有 学 者 通 过 MPTP 诱 导 的 小 鼠 模 型 研 究, 在 星 形 胶 质 细 胞 检 测 到 α7 nachr mrna 和 蛋 白 质 的 表 达, 发 现 尼 古 丁 通 过 α7 nachr 抑 制 星 形 胶 质 细 胞 的 激 活, 从 而 起 神 经 保 护 作 用 [18] 星 形 胶 质 细 胞 的 激 活 可 以 引 起 一 系 列 炎 症 反 应, 因 为 炎 症 反 应 的 激 活 在 帕 金 森 病 的 发 展 中 起 有 重 要 作 用, 所 以 尼 古 丁 还 可 以 通 过 调 节 炎 症 反 应 对 帕 金 森 病 起 到 神 经 保 护 [19] 细 胞 外 调 节 蛋 白 激 酶 1/2(extracellular regulated kinase1/2, Erk1/2) 和 p38 丝 裂 原 活 化 蛋 白 激 酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK) 是 可 被 促 炎 性 刺 激 物 和 细 胞 应 激 激 活 的 信 号 通 路, 在 促 炎 细 胞 因 子 的 合 成 转 录 调 控 中 发 挥 着 关 键 作 用 尼 古 丁 可 通 过 α7 nachr 抑 制 由 MPTP 诱 导 的 星 形 胶 质 细 胞 和 小 胶 质 细 胞 的 激 活, 降 低 或 消 除 由 MPTP 引 起 的 神 经 细 胞 炎 症 反 应 同 时 可 以 通 过 下 调 ERK1/2 和 p38 MAPK 的 磷 酸 化 抑 制 由 MPP + 或 脂 多 糖 诱 导 的 星 形 胶 质 细 胞 产 生 的 促 炎 因 子 TNF-α, 从 而 促 进 黑 质 多 巴 胺 神 经 元 的 存 活 [18] 其 它 尼 古 丁 通 过 α4β2 nachr 和 多 巴 胺 D3 受 体 磷 酸 化 丝 裂 原 活 化 蛋 白 激 酶 细 胞 外 调 节 蛋 白 激 酶 (MAP- ERK kinase, MEK), 激 活 细 胞 外 调 节 蛋 白 激 酶 (extracellular signal-regulated kinases, ERK) 途 径, 同 时 激 活 PI3K-Akt- 雷 帕 霉 素 靶 蛋 白 (marnmalian target of rapamycin, mtor) 信 号 通 路, 从 而 增 加 mrna 转 录 和 翻 译, 促 进 蛋 白 合 成 与 细 胞 生 长 [20] 还 可 通 过 诱 导 大 脑 黑 质 纹 状 体 中 成 纤 维 细 胞 生 长 因 子 -2(fibroblast growth factor-2, FGF-2) 脑 源 性 神 经 营 养 因 子 (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 神 经 生 长 因 子 (nerve growth factor, NGF) 的 分 泌, 起 到 神 经 保 护 作 用 [21] 其 中 尼 古 丁 通 过 激 活 nachr 诱 导 FGF-2 分 泌, 激 活 Ras-MAPK 通 路, 促 进 环 腺 苷 酸 反 应 元 件 结 合 蛋 白 (cyclic AMP responsive element-binding protein, CREB) 的 磷 酸 化 CREB 通 过 增 加 FGF-2 基 因 及 抗 凋 亡 蛋 白 基 因 Bcl-2 的 表 达, 促 进 神 经 细 胞 生 存, 增 加 多 巴 胺 能 神 经 元 存 活 除 此 之 外, 尼 古 丁 可 以 抑 制 α- 共 核 蛋 白 (α-synuclein) 的 聚 合 [22], 而 有 研 究 发 现 α4β2 nachr 的 激 活 可 以 抑 制 α-synuclein 聚 合 所 导 致 的 神 经 元 损 伤 [23] 由 此 可 见, 尼 古 丁 通 过 激 活 受 体, 调 控 包 括 Ca 2+ -CaM PI3K-Akt ERK1/2 和 p38 MAPK 等 多
4 490 生 命 的 化 学 2014 年 34 卷 4 期 种 信 号 途 径 达 到 抑 制 多 巴 胺 能 神 经 元 损 伤 和 细 胞 凋 亡 的 作 用, 主 要 调 控 通 路 总 结 如 图 2 所 示 2.2 非 受 体 途 径 介 导 的 保 护 作 用 机 制 尼 古 丁 除 了 作 为 nachr 的 激 动 剂, 还 具 有 其 他 潜 在 的 神 经 保 护 作 用 由 于 尼 古 丁 是 一 个 小 的 两 性 分 子, 它 可 以 自 由 通 过 脑 血 屏 障, 尼 古 丁 在 与 受 体 作 用 以 外, 还 可 能 穿 过 细 胞 膜 进 入 胞 质, 通 过 与 线 粒 体 或 者 胞 质 内 其 他 组 分 直 接 作 用 而 发 挥 其 神 经 保 护 作 用 [24] 尼 古 丁 能 够 竞 争 大 脑 线 粒 体 呼 吸 链 复 合 物 I 上 NADH 的 结 合 位 点, 从 而 抑 制 NADH- 辅 酶 Q 还 原 酶 的 活 性, 并 且 显 著 抑 制 线 粒 体 的 呼 吸 控 制 率, 同 时 降 低 活 性 氧 的 产 生 [25] 帕 金 森 病 病 人 尸 检 当 中 发 现 了 复 合 物 I 被 抑 制 或 者 活 力 下 降 的 现 象 [26] 帕 金 森 症 模 型 的 神 经 毒 剂,MPP + 鱼 藤 酮 和 6-OHDA, 也 都 是 复 合 物 I 的 抑 制 剂 神 经 毒 素 对 复 合 物 I 的 这 种 抑 制 通 常 都 导 致 线 粒 体 膨 胀 和 细 胞 色 素 C 从 线 粒 体 当 中 游 离 出 来, 诱 导 细 胞 凋 亡 的 级 联 反 应 有 研 究 发 现 尼 古 丁 抑 制 了 MPP + 和 6-OHDA 诱 导 的 线 粒 体 膨 胀 和 细 胞 色 素 C 释 放, 从 而 起 到 神 经 保 护 作 用 [27] 在 有 游 离 铁 离 子 存 在 的 情 况 下,6-OHDA 通 过 Fenton 自 氧 化 所 造 成 的 氧 化 损 伤 可 能 是 其 神 经 毒 性 作 用 的 重 要 机 制, 而 尼 古 丁 能 够 显 著 抑 制 这 一 过 程 [28] 在 MPTP 构 建 的 大 鼠 帕 金 森 病 模 型 中, 尼 古 丁 通 过 干 扰 羟 基 自 由 基 的 生 成 抑 制 由 于 羟 基 自 由 基 引 起 的 多 巴 胺 神 经 元 毒 性 [29] 也 有 学 者 通 过 全 基 因 组 学 发 现, 尼 古 丁 可 能 是 通 过 调 控 突 触 囊 泡 蛋 白 2C(synaptic-vesicle, SV2C), 增 加 多 巴 胺 的 释 放, 从 而 起 神 经 保 护 作 用 [30] 图 2 在 帕 金 森 病 中 尼 古 丁 通 过 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 作 用 的 信 号 通 路 3 结 语 在 帕 金 森 病 模 型 中, 尼 古 丁 具 有 明 显 抵 抗 黑 质 多 巴 胺 神 经 元 损 伤 的 作 用, 这 一 作 用 主 要 通 过 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体 途 径 与 非 受 体 途 径 两 种 方 式 体 现 尼 古 丁 通 过 激 活 烟 碱 型 乙 酰 胆 碱 受 体, 从 而 调 控 Ca 2+ -CaM PI3K-Akt ERK1/2 和 p38 MAPK 等 信 号 途 径 ; 另 一 方 面, 通 过 直 接 作 用 抑 制 复 合 物 I 以 及 抗 氧 化 作 用 等 非 受 体 途 径, 从 而 抑 制 神 经 元 的 损 伤 和 细 胞 凋 亡 因 此, 进 一 步 明 确 尼 古 丁 对 帕 金 森 病 的 神 经 保 护 作 用 与 保 护 机 制, 有 助 于 全 面 系 统 地 分 析 帕 金 森 病 的 发 生 与 发 展, 为 该 疾 病 的 预 防 与 治 疗 提 供 新 的 思 路
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