運動神經元病發病的幾種發病原因

顧建文教授，解放軍306醫院，整理

運動神經元病the mechanisms of motor neuron diseases是一組病因未明確的選擇性侵犯脊髓前角細胞，腦幹運動神經核，皮質錐體束的慢性進行性變性疾病，臨床上上下運動神經元受損癥狀體征並存，表現為肌無力、肌萎縮、肌跳與錐體束征不同的組合。該病呈全球性分布，發病率為2/10 萬，臨床患病率4～6/10 萬，90%以上為散發病例，成人通常在30～60 歲發病，男性多見。由於本病病因複雜，表現多樣，目前臨床治療方面也缺乏特效的藥物和方法。但是，神經科學的發展大大推動了臨床神經病學的發展，特別是20 世紀90 年代以後，對運動神經元病的病因和發病機制的認識也有了重大的突破，誕生了許多有重要價值的發病機制學說，並指導著臨床治療方面的有效開展。

1 自由基氧化學說

自由基是獨立存在的、具有一個或多個不成對電子的分子、原子、離子或基團,它包括超氧陰離子(O2- )、羥自由基(OH- )、一氧化氮、過氧硝基(ONOO- )等。正常情況下自由基的產生與清除平衡, 當自由基產生過多或機體抗氧化功能下降, 則會造成自由基在體內大量堆積,對生物體具有高度毒性。神經細胞代謝高度需氧,抗氧化系統成分少, 因此它最容易受到自由基攻擊,發生變性壞死。

ONOO-介導的蛋白質酪氨酸殘基硝化ONOO-由一氧化氮與H2O2 或O2-反應生成, 它是一種比一氧化氮性質更為活潑的強氧化劑。它通過過氧化物和Fe3+乙二胺四乙酸兩個確切的機制使蛋白質酪氨酸殘基硝化,生成3 硝基酪氨酸。因此3 硝基酪氨酸是體內由ONOO-介導的氧化損傷的標誌物。運動神經元病患者變性運動神經元內的包涵體對3 硝基酪氨酸抗體具有很強的免疫源性, 說明異常聚集的神經微絲內含有大量的3 硝基酪氨酸,3 硝基酪氨酸的形成是導致神經微絲異常聚集的原因。1999 年首次在運動神經元病活體患者中發現3 硝基酪氨酸增高的證據, 從而肯定了酪氨酸硝基化在運動神經元病發病過程中的作用。超氧化物歧化酶1（superoxidedismulase，SOD1）是線粒體內的主要抗氧化劑,近年來,通過免疫沉澱反應和氨基酸排序反應, 確定它也是ONOO-介導的酪氨酸硝化的靶目標。SOD1 中的酪氨酸硝化後,酶的活性喪失,線粒體內的氧自由基水平升高,導致氧化損傷。Aoyama 等[4]研究發現運動神經元病患者的腦脊液中,硝化的SOD1 水平顯著升高。進一步提示ONOO-介導的酪氨酸硝化與運動神經元病發病密切相關。

SOD1基因突變約20%家族性運動神經元病患者和1%～4%散發性運動神經元病患者可檢測到SOD1基因的點突變和小段缺失。突變SOD1 轉基因鼠可出現類似運動神經元病的癥狀, 而野生型SOD1 轉基因鼠未見異常, 證實SOD1 基因突變確實是導致這部分運動神經元病的原因[5]。SOD1 的作用是清除O2-自由基,正常的SOD1 由兩個結構相同、方向相反的亞基組成, 每個亞基各含一個原子的Cu 和一個原子的Zn。SOD1 有許多β摺疊,正常情況下,肽鏈摺疊成袋形,含Cu 的活性部位位於袋底,Zn 位於袋口,Zn 對於維持袋形並維持Cu 的穩定具有重要作用。SOD1 結構改變後,其與Zn 的親和力下降,無法維持袋形, Cu 暴露可催化ONOO-對酪氨酸的硝化反應, 生成3 硝基酪氨酸。對於無SOD1 基因突變,為什麼也會造成損傷,具體的機制尚未清楚。故推測導致氧化損傷過程的關鍵是SOD1 結構的改變, 而不是SOD1 基因的突變。SOD1 基因突變只是造成SOD1 結構改變的原因之一,任何其他可能導致SOD1 結構改變的因素, 都可能通過氧化途徑損傷運動神經元。

線粒體功能障礙線粒體RNA 缺陷是導致生物能量障礙的重要原因。已報道在運動神經元病中,有線粒體RNA 編碼的細胞色素氧化酶亞單位1 的讀碼框架外突變。由於線粒體RNA 主要附著於線粒體內膜上,這正好是產生氧自由基、發生脂質過氧化的主要部位,故最易受自由基攻擊而損傷。除了線粒體RNA 突變或損傷外, 氧自由基或興奮性氨基酸興奮毒性引起的Ca2+內流,也可導致線粒體破壞。在散發性運動神經元病患者的肝臟和前角細胞活檢中,均發現線粒體異常。對散發性運動神經元病患者骨骼肌活檢發現線粒體功能受損。與同齡對照組相比, 散發性運動神經元病患者的複合酶I 的特異功能下降50%。說明線粒體功能受損和氧化損傷在散發性運動神經元病發病中起作用。研究發現, 在運動神經元病患者腦脊液和大腦皮質中,DNA 氧化損傷的標記物:8 羥基2 脫氧鳥苷酸濃度升高,脂質過氧化產物丙二醛含量增多。提示線粒體氧化應激損傷在神經變性中起重要作用。

2 興奮性氨基酸的毒性作用

谷氨酸是中樞神經系統中一種重要的興奮性神經遞質。病理情況下,細胞外谷氨酸濃度增高,會過度刺激其受體,對中樞神經系統產生明顯的毒性作用,即為興奮毒性。研究表明運動神經元病患者腦脊液中的谷氨酸水平比80%對照組高3 倍, 谷氨酸的轉運蛋白已被克隆, 分別是GLT- 1(EAAT2),GLAST,EAAC1,EAAT4,EAAT5。而主要在星形膠質細胞中表達谷氨酸膠質性轉運蛋白是EAAT2 和GLAST,其作用是清除細胞外增加中的谷氨酸所致的興奮毒性。但發現EAAT2 在運動神經元病患者的皮質和脊髓中的水平比對照組低。研究發現,在轉基因G93A 小鼠,其EAAT2 過度表達可使疾病發作明顯延遲,該結果為EAAT2 的基因治療,各種誘導EAAT2 蛋白和功能的藥物, 增加EAAT2 表達的脊髓神經細胞和星型膠質幹細胞的移植提供了理論依據。運動神經元病患者43%存在谷氨酸轉運蛋白的功能喪失, 提示運動神經元病的興奮性氨基酸轉運系統有損害。在A4V 和I113T 突變型轉基因鼠中,由於興奮性氨基酸T2 處於活性較低狀態,使過氧化物的酶促反應速度提高3 倍,導致了神經元的死亡,而野生型SOD1 則無此反應，提示SOD1 突變型介導的興奮毒性是由於過度興奮毒性機制引起。過量的Ca2+也可激活核酸內切酶,使DNA 裂解及核崩解。G93A 轉基因鼠的Ca2+對谷氨酸興奮毒性的敏感性是增強的,其脊髓運動神經元更易受到谷氨酸興奮毒性的損害, 則進一步證實了這一機制。目前還認為線粒體內Ca2+超載也是由於谷氨酸的興奮毒性作用引起,且Ca2+超載可能是運動神經元死亡的重要原因。最近一系列大規模臨床實驗證實: 谷氨酸受體拮抗劑riluzole 可降低運動神經元病患者血漿中氧化應激產物,延長散發性運動神經元病患者的生存期。給G93A 轉基因小鼠補充肌酸可減輕興奮性氨基酸的損害, 其可能是提高了谷氨酸受體功能而起作用。這進一步證實了興奮毒性與運動神經元病的發病密切相關。

3 遺傳因素

約3%～4%散發性運動神經元病和20%家族性運動神經元病都與Cu/Zn 過氧化物歧化酶即SOD1 基因突變有關。SOD1 定位於21q21.2～22.2 號染色體上,目前證實有97 種以上的突變發生在該基因的5 個外顯子上[15],87 種為錯義突變,10 種為非錯義突變,11 個部位23 處為內含子變異,說明運動神經元病的基因多態性。近年隨著熒光探針新技術的應用,運動神經元病一些新的連鎖位點亦逐漸闡明。發現一種致命性的先天性攣縮綜合征亦是9q34 相連鎖,它的特點則是脊髓運動神經元的變性,這似乎提示9 號染色體區域缺少一種與運動神經元之存活有關的基因。最近發現上運動神經元的變性與q15～22 位點相連鎖。但適合連鎖分析的運動神經元病家族較少, 故候補基因的研究具有廣闊的發展前景。

4 神經微絲

神經微絲在運動神經元胞體和核周體上聚集是運動神經元病的病理特徵。Figewicz 等研究發現,位於22q12.1～22q13.1 神經微絲重鏈基因(神經微絲H)DNA有兩種不同的病變。Lee 等動物實驗表明神經微絲輕鏈基因(神經微絲L)點突變時,可複製出人類運動神經元病的臨床病理特徵。轉基因小鼠研究表明,神經微絲H 相互作用形成無序化神經微絲聚集在運動神經末梢發生率較高, 而神經微絲L 發生神經微絲聚集多是在神經損傷之後,或是對炎症性細胞溶解毒素的反應。目前認為蛋白酪氨酸硝基化與運動神經元選擇性死亡關係密切, 因為運動神經元是含神經微絲L 最豐富的神經元,神經微絲L 與Zn2+有高親和力,可使突變的SOD1與Zn2+的親和力進一步降低, 加重ONOO-對酪氨酸的硝化,從而選擇性地使運動神經元變性死亡,這些發現表明神經微絲在運動神經元病過程中起著重要作用。

5 神經營養因子

已研究過神經營養因子與運動神經元病的關係。睫狀神經營養因子基因受到破壞的轉基因鼠表現出進行性肌萎縮、運動神經元缺失、肌力輕度下降。這些缺陷僅在動物成年後才變得明顯。敲除腦源性神經營養因子基因的動物僅能生存很短時間, 並表現感覺及運動異常,但運動神經元正常。這說明神經營養因子對運動神經元的生存很重要, 因此一種或幾種神經營養因子缺乏可能是運動神經元病的潛在病因。不過,尚未在人類運動神經元疾病中發現神經營養因子缺陷, 在自發性運動神經元缺失的動物模型中也未發現神經營養因子缺乏, 但在這些動物模型中神經營養因子具有治療效果。在正常或非運動神經元病人群中調查睫狀神經營養因子基因完全突變情況, 發現了鼠與人類有更多的不同。在運動神經元病患者中尚未發現睫狀神經營養因子基因異常。

6 自身免疫

從10%～75%運動神經元病患者血清中分離出了抗神經節苷GM1 的抗體和抗電壓依賴型Ca2+通道蛋白的抗體。但是這些抗血清對培養的運動神經元並沒有毒性,使用免疫抑制劑治療運動神經元病並不理想。故大多數研究者和臨床醫生認為這些抗體與運動神經元病的關係不大。但是，運動神經元病患者與正常人群相比，患甲狀腺疾病的概率增高，患者親屬中患免疫性疾病的患者數量也明顯增多。此外運動神經元病患者的T 淋巴細胞上Ia 抗原表達增加,這提示運動神經元病患者的免疫系統受到激活。由此看來，運動神經元病可能是一種非傳統的自身免疫性疾病。

7 其他

環境因素和運動神經元病有一定的關係，相當數量的流行病學調查顯示職業性或意外的、急慢性接觸鉛、汞和其他一些重金屬可引起腦病和運動神經元病。工業化過程及廣泛使用含有機鉛的汽油使鉛的污染越來越嚴重，增加了普通人群神經系統受損的機會。此外，病毒感染，運動神經元的凋亡和代謝異常也可能是引起發病的重要原因，其具體機制還有待於大規模的更深入的研究。

綜上所述,運動神經元病的發病機制的相關學說主要包括自由基氧化、興奮性毒性、遺傳、免疫因素，神經營養因子的缺乏和神經微絲的損傷等，不同的發病機制假說都有各自的證據和研究進展。結論：把不同的機制假說孤立起來單獨研究，不利於從整體上把握疾病的本質，而應該努力尋找不同機制之間是否有著內在的聯繫，綜合探討運動神經元病的發病機制，從而為臨床治療上提供可靠的依據。

運動神經元病的發病肌理是多因素的，目前取得的成果主要來自轉基因動物模型，體外細胞培養及家族性運動神經元病患者的研究，但仍有許多局限性和不足之處。作者認為運動神經元病可能是遺傳背景的基礎上，環境因素誘導的氧化損傷和或興奮性毒性作用下，隨著年齡增長免疫功能減退而逐漸發展而致的一種難治性疾病。所以把不同的機制假說孤立起來單獨研究，不利於從整體上把握疾病的本質，而應該努力尋找不同機制之間是否有著內在的聯繫，綜合探討運動神經元病的發病機制，從而為臨床治療上提供可靠的依據。

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