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氧化应激和/或兴奋性毒性可能是神经毒性的最终共同通路
氧化应激 兴奋性毒性 神经毒性 日期:2009年06月25日 访问次数:

  神经系统是许多外来化合物的靶器官,如光气和氰化氢等气体;铅、汞、砷等重金属;有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等杀虫剂;软骨藻酸(DA)、昆虫毒和蛇毒等毒素;谷氨酸一钠、色素等食品添加剂;丙烯酰胺、甲异丁烯酸、多氯联苯、二和邻苯二甲酸等工业化学品;甲苯、二硫化碳、正己烷和三氯乙烯等溶剂。它们的毒作用靶都是中枢或外周神经系统[1,2]。研究外来化合物的神经毒作用及其机制,对于制定神经毒物的卫生标准,探讨神经毒作用的预防和危害控制措施有重要意义。近十多年来,神经科学的迅速发展为神经毒理学研究奠定了基础。目前认为,氧化应激和/或兴奋性毒性可能是神经毒性的最终共同通路(final common pathway)[3,4]。本文拟就这方面的研究进展作一综述。
1 氧化应激与神经毒性
1.1 氧化应激 氧化应激学说在神经毒性机制研究中占有重要地位,它能很好解释迟发性和蓄积性神经损害,近年来倍受关注[3,5,6]。氧化应激是指氧自由基(也叫活性氧族,ROS),即超氧阴离子自由基(O-·2)、羟自由基(·OH)和过氧化氢(H2O2)等产生的细胞毒性效应。这些ROS在正常和异常的利用分子氧的代谢过程中作为副产物而生成。正常情况下,和其它组织一样,神经组织内ROS的生成和消除处于动态平衡状态。神经组织内ROS可来源于线粒体呼吸链功能障碍、某些酶反应(如单胺氧化酶、酪氨酸羟酶、L-氨基酸氧化酶、脂氧酶和环氧酶、一氧化氮合酶以及黄嘌呤氧化酶等所催化的反应)以及一些脑内内源性物质(如抗坏血酸和儿茶酚胺)自身氧化等,而消除各种ROS的抗氧化防御系统则包括一些低分子抗氧化物(如维生素C、维生素E、还原型谷胱甘肽等)、抗氧化酶[如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、醌还原酶等][3]。当各种不良因素作用于ROS生成系统,使ROS生成过多,或干扰抗氧化防御系统功能,使ROS消除障碍时,这种动态平衡遭到破坏,ROS过量生成,随后神经系统的结构与功能受到破坏[6]。
1.2 神经组织对ROS的易感性 中枢神经系统必须不断维持较高的代谢率才能进行正常的功能活动,动作电位的传递、突触后电位
的调节、神经递质的释放和灭活等所依赖的跨膜离子梯度的维持需要不断提供ATP。由于神经元具有糖原贮存有限、无氧酵解能力低和不能利用脂肪酸等其它能源物质的特点,因此必须不断提供足够的葡萄糖和氧到线粒体呼吸链进行氧化磷酸化,所以神经组织对缺氧缺血所致的氧化应激十分敏感。另外,神经组织内富含多不饱和脂肪酸(PUFA),它们对ROS攻击特别敏感。这些都决定了神经组织对ROS的易感性。
1.3 ROS的神经毒性 ROS可攻击蛋白质、脱氧核糖核酸和脂质膜,破坏细胞的功能和完整性。脑内含有大量的PUFA,而PUFA对ROS攻击特别敏感,ROS(如·OH)很容易从膜内脂双链中脱去氢原子。随后PUFA中生成的羟自由基经过分子重排生成更稳定的共价二烯,后者可在膜内与脂肪酸形成交联。在有氧条件下,共价二烯与O2结合形成其它的有机过氧自由基,后者再从邻近的脂肪酸链中抽取氢并结合形成脂氢过氧化物,从而使脂质过氧化过程不断进行。在Fe2+存在时,脂氢过氧化物可降解为烷氧自由基和醛类。因此,就象一团火,一个·OH能启动链式反应产生大量的毒性反应产物,通过交联使膜僵硬,破坏膜的完整性并损伤膜蛋白。ROS还可攻击DNA、RNA和蛋白质,引起基因突变、酶活性丧失以及细胞代谢紊乱,最终导致细胞死亡和解体[7]。ROS与细胞凋亡关系密切,通过对DNA的直接损伤,或由膜脂质过氧化介导的继发性DNA损伤,ROS可引起神经细胞凋亡[7,8]。氧化应激在外来化合物引起的神经毒作用中起重要作用,甲基汞、氰化物、3-硝基丙酸、1-甲基-4-苯基-1, 2, 3, 6-四氢吡啶(MPTP)的神经毒性都与之有关。例如,甲基汞可使体外染毒的小脑颗粒细胞、GT1-7神经细胞系以及体内染毒的大鼠脑组织中ROS生成增加,脂质过氧化物(LPO)水平增加,SOD活性和GSH-Px活性降低,GSH含量下降[9]。甲基汞还可抑制线粒体呼吸链复合体Ⅱ,导致不完全氧化产物和ROS生成。抗氧化剂维生素E、硒(Se)、离子螯合剂去铁胺可在一定程度上防止甲基汞诱导的脑组织内ROS增加,并降低其神经毒性[9]。此外,甲基汞可抑制谷胱甘肽硫转移酶(GST)和GSH-Px[10,11]。以上证据说明氧化应激在甲基汞引起的神经毒作用中起重要作用;氰化物的神经毒作用也与氧化应激密切相关[12]:氰化物中毒动物脑组织中(主要为纹状体)脂质过氧化增强,氰化物体外染毒引起钙依赖性细胞内氢过氧化物生成增加而导致脂质过氧化,同时可抑制脑CAT、SOD、GSH-Px的活性,使脑抗氧化防御功能下降;3-硝基丙酸可抑制琥珀酸脱氢酶进而抑制三羧酸循环线粒体电子传递链复合物Ⅱ[12],而线粒体功能障碍可使ROS生成增加[7];MPTP在体内被单胺氧化酶B(MAO B)氧化形成具有神经毒性的终效应分子1-甲基-4-苯吡(MPP+),MPP+可在线粒体蓄积并抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ[12],进而导致ROS过量生成。
2 兴奋性毒性与神经毒性
2.1 兴奋性毒性 自70年代Olney[13]提出用“兴奋性毒性”(excitotoxicity)一词描述酸性氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸)及其类似物的神经毒性以来,兴奋性氨基酸(EAAs)的药理学、神经化学和神经毒理学研究一直是神经科学中最活跃的研究领域之一,许多神经精神疾患和外来化合物引起的神经毒性都与谷氨酸的兴奋性毒性密切相关[4,14]。谷氨酸(Glu)是一种最主要的EAA,它在脑组织中含量最高,并为30%左右的突触释放。Glu负责哺乳动物的大多数兴奋性突触活动,广泛地参与学习和记忆、感觉、心血管和神经内分泌控制及运动和其他生命功能活动[15,16]。正常情况下,神经细胞内Glu浓度为10mmol/L,而胞外间隙中Glu浓度约为1μmol/L,二者相差10,000倍。作为神经递质的Glu贮存在突触前末梢内的囊泡中,当神经冲动刺激末梢产生去极化时,电压依赖性Ca2+通道被激活,胞外Ca2+流入突触前末梢以Ca2+依赖方式促进Glu释放到突触间隙,Glu作用于突触后膜的Glu受体,产生神经兴奋作用。为避免过度刺激突触后受体,需要及时清除或灭活突触间隙中的Glu,Glu的灭活主要依赖重摄取而实现。神经末梢、突触后神经元及神经胶质细胞都存在Na+依赖性的高亲和力和低亲和力摄取系统,前者主要在终止递质作用时起作用,后者则防止释放出的Glu弥散到其它神经元[17]。一般情况下,胞外Glu浓度很低,当神经系统受到各种不良刺激和毒物损害时,Glu重摄取抑制,Glu释放或非特异流出增加,均可使突触间隙Glu浓度持续增加,过度刺激突触后Glu受体(包括离子型Glu受体和代谢型Glu受体),导致突触后神经元过度兴奋,并产生一系列继发性损害。兴奋性毒性就是指EAAs及其类似物过度刺激突触后受体,其中主要是Glu过度刺激N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)型受体,所引起的神经细胞变性和坏死。凡影响Glu合成、释放、重摄取,或引起Glu从神经元或胶质细胞内“漏出”的神经毒物,以及具有拟Glu作用的神经毒物都可产生兴奋性毒性。
2.2 Glu兴奋性毒性的时间和离子依赖性
 Glu介导的兴奋性神经毒性分成二种:急性毒性和迟发性毒性。急性毒性在接触Glu后数分钟内产生,表现为神经元肿胀。急性毒
性产生的原因是去极化引起的Na+、Cl-大量内流,同时伴有大量水分进入细胞,造成神经元细胞水肿,甚至发生神经元渗透性裂
解[18]。但是急性毒性并不必然引起细胞死亡。除去细胞外液中的Na+或Cl-可防止急性毒性,但不能防止Glu引起的迟发性毒性。迟发性毒性在短暂接触高浓度或长时间接触低浓度的NMDA、海人藻酸(KA)、Glu等后经历数小时发生,它与体内Glu受体介导的神经变性更为接近[19]。迟发性神经毒性是Ca2+依赖性的,根据神经元种类不同,胞内Ca2+增加主要由NMDA受体门控Ca2+通道激活和电压依赖性Ca+通道激活所引起。非NMDA受体介导的Ca2+内流、代谢型Glu受体介导的胞内钙库的释放和Na+-Ca2+交换系统功能下降也可引起胞内Ca2+浓度的增加。胞内Ca2+增加可引起一系列的胞膜、胞质和胞核损伤事件而产生神经毒性。胞内Ca2+增加,一方面可激活DNA酶、蛋白质酶和磷脂酶,引起DNA、蛋白质和磷脂的降解,导致神经细胞核酸、脂质和蛋白质代谢紊乱。另一方面,可导致生成大量ROS引发氧化应激。Ca2+激活磷脂酶A2(PLA2)可产生花生四烯酸(AA),后者被脂氧酶和环氧酶代谢可产生O2-·。Ca2+激活肽酶钙蛋白Ⅰ(CalpainⅠ),CalpainⅠ可催化黄嘌呤脱氢酶转变成黄嘌呤氧化酶,后者把次黄嘌呤和黄嘌呤代谢成尿酸同时生成O2-·;Ca2+经NMDA受体进入胞内后,与钙调蛋白(CaM)一起激活一氧化氮合酶可产生自由基NO,NO可与其它自由基反应,使其毒性增高或降低。NO本身也可直接杀伤神经元产生神经毒性。NO可激活鸟苷酸环化酶(GC),使环鸟苷酸(cGMP)生成增多,并激活依赖cGMP的蛋白激酶G(PKG),改变神经元蛋白质磷酸化水平,进而诱导即刻早期基因(immediate early gene)c-fos、c-jun表达,产生一系列后续变化。Ca2+还可激活PLA2,产生血小板活化因子(PAF),PAF可促进Glu释放,进而增加胞内Ca2+水平。花生四烯酸也可增强NMDA激发的电流,抑制神经元和胶质细胞的重摄取功能,进一步增加胞内Ca2+。在花生四烯酸代谢过程中生成的ROS可进一步激活PLA2,形成正反馈。此外,Ca2+蓄积还可以改变蛋白激酶C(PKC)的活性,修饰包括NMDA受体在内的膜蛋白,增强细胞对Glu激动剂的敏感性以及电压门控Ca2+通道的活性。胞内Ca2+增加对迟发性毒性固然重要,但Ca2+单独并不足以引发上述一切反应。用代谢抑制剂氰化物或用高钾去极化获得与Gl引起的相同的胞内Ca2+水平,这样产生的永久性神经元损伤比Glu引发的要弱。也许Ca2+内流的部位或途径很重要[20],也许还存在一种尚未明确的信使物质,它与胞内Ca2+增加共同引起神经毒性。有许多具有神经毒性的外来化合物可影响Glu(见表1)[12]。它们可干扰Glu合成、释放、灭活或与受体结合,从而作为一种间接的兴奋性毒素产生兴奋性毒性。例如,甲基汞可增加Glu释放,抑制Glu摄取[12],NMDA受体拮抗剂MK801可部分防止甲基汞引起的培养大脑神经元死亡[21];三甲基锡可增加脑谷氨酸释放[12];3-硝基丙酸(3-NP)可抑制三羧酸循环和线粒体呼吸链复合物Ⅱ[12],使能量生成障碍,继发兴奋性毒性。全身给予Glu
释放抑制剂lamotrogins可减轻3-NP的毒性,但同时微析研究表明胞外Glu浓度在中毒时无明显增加,说明了3-NP可能是通过使神经元对内源性水平Glu的易感性增加而产生兴奋性毒性。此外,体内3H-MK801受体放射自显影研究说明全身给予3-NP可活
化NMDA受体[12];氰化物可耗竭脑内γ-氨基丁酸(GABA),增加Glu水平,促进Glu释放,激活Glu/NMDA受体门控Ca2+通道,电压门控Ca2+通道和Glu代谢型受体,分别引起胞外Ca2+内流和胞内储Ca2+释放,升高胞内Ca2+水平,引发兴奋性毒性导致细胞死
亡,NMDA受体拮抗剂MK801可对抗其作用[12];多次给予大鼠甲基苯基丙胺(metham-phetamine)可使纹状体Glu释放增加,MK801可阻断甲基苯基丙胺引起的小鼠纹状体多巴胺耗竭和酪氨酸羟化酶活性下降[12];MPTP
代谢物MPP+可蓄积在线粒体抑制氧化磷酸化,进而抑制EAAs重摄取和增加EAAs的释放,MK801可对抗MPTP毒性,提示兴奋性
毒性参与MPTP的神经毒作用[12]。

表1 一些环境神经毒物对Glu的作用
毒性对Glu的作用
三甲基锡增加Glu释放,阻断Clu摄取
乙醇减少谷氨酸释放,阻断MMDA受体功能
铝减少Glu释放
甲基汞增加Glu释放,抑制Glu摄取
氰化物增加Glu释放
锰抑制以Glu为底物的末偶联的线粒体呼吸作用
甲苯增加Glu受体结合
铅降低皮层运动区Glu含量
二氯苯醚菊酯增加脑干Glu含量
二嗪农降低皮层Asp和Glu含量
   有些外来化合物本身是Glu类似物或Glu受体激动剂,具有直接的兴奋性毒性[1]。如软骨藻酸是KA受体激动剂,人们食用了被软骨藻酸污染的贝类后可引起中毒,产生头痛、癫痫发作、半球性瘫痪、眼肌麻痹等症状。又如草香豌豆富含的β-草酰氨基丙氨酸
(BOAA)是一种α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑-4-丙酸(AMPA)受体激动剂。人们食用草香豌豆,尤其在饥荒时,可产生神经退行性疾病(如neurolathyrism)。另一种相关化合物β-N-甲基氨基-L-丙氨酸(BMAA),存在于关岛的假西谷椰子中,假西谷椰子的种子常用于制粉,也用作食品添加剂。食用BMAA可产生神经退行性疾病,特征是肌萎缩性侧索硬化症加帕金森氏病。NMDA受体拮抗剂可减轻BMAA的神经毒性。
3 氧化应激和兴奋性毒性的相互关系许多研究表明,氧化应激和兴奋性毒性是相互联系,甚至相互加强的,两者可能是导致神经损伤的两个相互交叉的最终共同通路[4,8,12,22]。氧化应激和兴奋性毒性相互关联的证据很多[22]。Ca2+水平升高可加重自由基诱导的脑损害,而抗氧化剂可对抗高水平胞内Ca2+诱发的细胞毒性。降低胞浆Ca2+水平可防止氰化物诱导的脂质过氧化和细胞死亡,NM-DA受体活化和缺血后海马LPO水平增加有关,在培养的皮质神经元中GSH缺乏可增加NMDA的毒性。兴奋性毒性可引起ROS生成增加,导致氧化应激发生;氧化应激也可促进兴奋性毒性或增加神经元细胞对兴奋性毒性的易感性。在神经损伤过程中,氧化应激和兴奋性毒性可同时或相继发生,也可相互加强,但两者有时又是彼此独立的。胞浆Ca2+水平是氧化应激和兴奋性毒性之间相互联系的纽带,神经细胞过度兴奋引起胞内Ca2+持续增高,可通过下列途径增加ROS生成导致氧化应激[22]:①激活花生四烯酸代谢级联反应;②增加脂质水解,继而促进脂质过氧化;③抑制氧化磷酸化,干扰线粒体功能;④把黄嘌呤脱氢酶水解转变成黄嘌呤氧化酶[6];反过来,ROS促进兴奋性毒性的途径有:①动员线粒体贮库内Ca2+释放;②抑制钙调蛋白依赖的过程,增加胞浆游离Ca2+水平;③引发EAAs胞外释放;④抑制GABA功能间接促进兴奋性功能活动,抑制谷氨酰胺合成酶,增加脑内Glu含量。前面讨论过的许多神经毒物,如甲基汞、氰化物、3-硝基丙酸、MPTP,
图1兴奋性毒性
神经
胞外神经元过度兴奋
线粒
胞浆脂质Ca2+↑Na+梯度↓
ATP↓
能量供需不平衡
代谢紊乱
4 结语
正常情况下,脑内的抗氧化防御系统可使ROS的生成量处于无害水平,神经元和胶质细胞中的Na+依赖性高亲和力Glu转运体把胞外Glu水平限制在正常的生理浓度1μmol/L左右。当外来化合物作用于神经系统,干扰能量代谢,使能量供应不能满足需要时,可破坏脑内抗氧化防御功能和Glu转运体功能,或外来化合物直接促进脑内ROS生成,破坏抗氧化防御功能,使ROS净产量过高,或直接抑制Glu高亲和力转运体,促进Glu的囊泡释放或非特异流出,使胞外Glu浓度过高,过度刺激突触后的Glu受体,或促进Glu受体结合,增加Glu受体的敏感性,这均可导致氧化应激和/或兴奋性毒性。氧化应激和兴奋性毒性既平行和彼此独立,又相互关联和相互依赖它们可各自分别或共同引起神经损害,二者可能是产生神经毒性的最终共同通路。今后在神经细胞和分子都既可干扰谷氨酸的正常功能,又可引起ROS大量生成,产生氧化应激,进而产生神经毒性作用。氧化应激和兴奋性毒性的相互
关系可以下图概括之[22]:
水平深入研究氧化应激和兴奋性毒性产生的机制,将有助于进一步了解氧化应激和兴奋性毒性及其相互关系,这也势必会推进神经毒作用机制的研究以及神经毒物的预防和危害控制的研究。
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