帕金森病病因與發(fā)病機制研究現(xiàn)狀及其診治意義

焦倩,姜宏

(青島大學(xué)醫(yī)學(xué)部,山東 青島 266071)

帕金森病(PD)是常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，作為神經(jīng)退行性疾病的一種，其發(fā)病率僅次于阿爾茨海默病。我國65歲以上患病人群有近200萬人，隨著PD發(fā)病呈現(xiàn)年輕化趨勢，到2030年我國PD患病人數(shù)預(yù)計將達494萬，約占全球半數(shù)，成為全球PD病人數(shù)量最多的國家。由于PD病人中腦黑質(zhì)多巴胺(DA)能神經(jīng)元的選擇性丟失，導(dǎo)致紋狀體神經(jīng)末梢釋放的DA耗竭，引起了靜止性震顫、肌僵直和運動遲緩等為主要表現(xiàn)的臨床運動癥狀，并伴有嗅覺減退、胃腸功能障礙、心血管功能障礙、睡眠障礙和神經(jīng)認知障礙等非運動癥狀[1]。目前，PD的確切病因和發(fā)病機制仍不清楚，本文將從PD發(fā)病機制研究現(xiàn)狀及其對該病早期診斷進展和治療策略開發(fā)等方面的作用，論述如何加強我國PD病因和發(fā)病機制的研究工作。

1 PD的病因和發(fā)病機制研究現(xiàn)狀

目前已知PD的病因和發(fā)病機制包括基因遺傳、環(huán)境毒素暴露和腦鐵代謝異常等導(dǎo)致的胞內(nèi)蛋白異常聚集和降解系統(tǒng)紊亂、線粒體功能障礙等，闡明PD發(fā)病機制將對該疾病的診斷和治療具有重要的科學(xué)意義。

1.1 遺傳因素

目前已發(fā)現(xiàn)和PD發(fā)病相關(guān)的基因有30多個，研究較多的包括alpha-突觸核蛋白(α-syn)(SNCA或Park1/4)、Parkin(Park2)、富含亮氨酸重復(fù)序列激酶1(LRRK2或Park8)、三磷酸腺苷酶13A2(ATP13A2或Park9)、DJ-1(Park7)、PTEN誘導(dǎo)激酶1(PINK-1或Park6)、微管相關(guān)蛋白tau(MAPT)等[2-5]。在大多數(shù)家族性PD病人中，遺傳因素在其發(fā)病因素中占有重要地位和作用。研究結(jié)果顯示，α-syn蛋白序列上Ala53Thr和Ala39Pro突變可以直接導(dǎo)致α-syn異常聚集[6]，引起DA能神經(jīng)元發(fā)生損傷，據(jù)此研究者利用該突變制備PD轉(zhuǎn)基因小鼠模型，為PD發(fā)病機制和治療的研究提供整體動物模型。LRRK2蛋白中G2019S突變也可加劇α-syn的聚集[7]。Parkin和PINK-1的突變，則影響線粒體和自噬的功能，導(dǎo)致?lián)p傷線粒體和異常折疊的蛋白不能及時清除，加劇神經(jīng)元損傷[8]。除了單基因突變可增加PD的發(fā)病風(fēng)險，這些相關(guān)基因的多態(tài)性及蛋白的過表達和異常的蛋白翻譯后修飾均增加了散發(fā)性PD的易感性。越來越多的證據(jù)表明，黑質(zhì)DA能神經(jīng)元的退行性病變是多種基因共同作用的結(jié)果，由于基因的改變，使其對PD的易感性增加，加上環(huán)境和年齡等誘導(dǎo)因素，最終導(dǎo)致PD的發(fā)生。利用現(xiàn)有的分析技術(shù)，如基因芯片分析和廣譜基因多態(tài)性分析，對PD高危人群進行已知致病基因的篩查，可提出疾病的預(yù)防策略，進而延緩發(fā)病進程。因此，加強PD相關(guān)基因的鑒定和功能研究對疾病的預(yù)防、治療和延緩發(fā)病進程等具有重要意義。

1.2 環(huán)境毒素

有毒環(huán)境化合物的暴露是誘導(dǎo)PD的原因之一。農(nóng)藥、金屬元素、雙酚A等環(huán)境化合物通過與職業(yè)、生活接觸等方式和途徑被人體吸收，可誘導(dǎo)包括PD在內(nèi)的多種神經(jīng)退行性疾病。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，殺蟲劑、金屬元素、雙酚A及其他環(huán)境化合物含量與PD發(fā)病風(fēng)險存在關(guān)聯(lián)，多種環(huán)境毒素可誘導(dǎo)動物出現(xiàn)PD癥狀，模擬PD的發(fā)病過程和病理特征，構(gòu)建用于科學(xué)研究的PD動物和細胞模型[9]。①農(nóng)藥和有機物化合物：魚藤酮是一種從豆屬植物毛魚藤提取的有機殺蟲劑。魚藤酮灌胃小鼠可模擬PD類似Braak分級的病理變化[10]。首先引起胃腸誘導(dǎo)α-syn異常聚集，逐漸進展累及低位腦干，再進一步累及黑質(zhì)和其他中腦深部核團等，導(dǎo)致PD運動癥狀。百草枯成分屬于二氫吡啶類，與神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)結(jié)構(gòu)和作用相似。②金屬元素：土壤和水中的金屬元素如鋁、鉛、銅、汞、鋅、鐵和錳等的含量與該地區(qū)的神經(jīng)退行性疾病呈現(xiàn)相關(guān)性[11]。長期處于錳、銅、鐵超標的環(huán)境、食用或飲用含有金屬超標的食物和水，造成金屬元素在腦中沉積，損傷神經(jīng)元的功能。通過對環(huán)境毒素暴露分析，對規(guī)避PD風(fēng)險因素和減低PD發(fā)病風(fēng)險具有重要的指導(dǎo)意義。

1.3 蛋白異常聚集和降解系統(tǒng)紊亂

α-syn蛋白質(zhì)錯誤折疊和異常聚集是導(dǎo)致PD的發(fā)病機制之一，其異常折疊、聚集及降解機制的破壞顯得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，影響α-syn蛋白聚集的因素包括129位絲氨酸的磷酸化(pSer129)、錯義突變(如A53T和A30P)、基因過表達(如三倍體化)、酸堿度(影響α-syn構(gòu)象)、C末端切割(影響α-syn聚集性)、金屬離子(影響α-syn聚集性)、氧化修飾(如硝基化影響α-syn聚集性)等[2,12]。因此，可通過探尋影響α-syn蛋白聚集的機制，利用現(xiàn)有的手段改善細胞內(nèi)外環(huán)境，限制α-syn的表達，穩(wěn)定其蛋白構(gòu)象，降低聚集性，從而達到抑制α-syn異常聚集和錯誤折疊的目的。

蛋白維持胞內(nèi)質(zhì)量平衡是其發(fā)揮功能的前提。在蛋白質(zhì)量控制系統(tǒng)中，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)、自噬溶酶體途徑和分子伴侶都是其重要組成部分，它們均起到調(diào)節(jié)和清除錯誤折疊和異常聚集蛋白質(zhì)的作用。在PD病人和PD模型中，均發(fā)現(xiàn)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬溶酶體途徑功能異常[13-14]，如糜蛋白酶樣和胰蛋白酶樣的蛋白酶體活性顯著降低、自噬相關(guān)分子表達異常等。通過藥物提高泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬溶酶體途徑的活性，利用蛋白質(zhì)降解途徑中的潛在治療靶點，可有望減少PD的發(fā)生或延緩其進展。

1.4 氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙

PD病人黑質(zhì)部位存在嚴重的氧化應(yīng)激反應(yīng)，造成胞內(nèi)氧化與抗氧化作用的失衡。氧化應(yīng)激產(chǎn)生大量活性氧和自由基，攻擊蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等生物大分子物質(zhì)，進而引起DA能神經(jīng)元的損傷。造成黑質(zhì)氧化應(yīng)激反應(yīng)過度的因素多樣，包括鐵超載、抗氧化體系功能降低(如胞內(nèi)還原型谷胱甘肽、超氧化物歧化酶等減少)、線粒體功能障礙、神經(jīng)炎癥、α-syn聚集和DA自身代謝等[15-17]。

胞內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)和線粒體功能障礙密不可分。線粒體在產(chǎn)生ATP的過程中伴隨大量自由基的產(chǎn)生，隨后經(jīng)抗氧化體系消除，保護細胞免受氧化應(yīng)激損傷。研究發(fā)現(xiàn)，散發(fā)性PD病人黑質(zhì)紋狀體神經(jīng)元內(nèi)線粒體復(fù)合物Ⅰ的活性及相關(guān)蛋白明顯下降[18]。MPTP制備的PD小鼠模型則是利用其被DA能神經(jīng)元選擇性攝取，經(jīng)單胺氧化酶B轉(zhuǎn)換成MPP+后，抑制線粒體復(fù)合體Ⅰ，阻斷胞內(nèi)線粒體呼吸鏈，產(chǎn)生大量活性氧和自由基，造成細胞氧化損傷。線粒體相關(guān)蛋白DJ-1、PINK1、Parkin等基因突變可誘導(dǎo)遺傳性PD的發(fā)生，也提示了線粒體功能障礙與PD發(fā)病密切相關(guān)[8,19]。利用這些原理降低胞內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)、改善線粒體功能，是預(yù)防和延緩PD進展、改善PD運動癥狀的有效靶點。

1.5 免疫和炎癥反應(yīng)

PD病人及PD動物模型中均發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)與紋狀體存在激活型小膠質(zhì)細胞和外周免疫細胞浸潤，伴隨著白細胞介素-1β(IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等大量促炎性因子釋放，引起活性氧和趨化因子的生成，進一步促進黑質(zhì)區(qū)炎性免疫反應(yīng)，影響DA能神經(jīng)元的功能和存活[20-21]。PD動物模型中也有星形膠質(zhì)細胞的激活，表現(xiàn)為細胞增殖、胞體增大和突起增粗等，其是否繼發(fā)于小膠質(zhì)細胞激活仍需進一步探索[22-23]。神經(jīng)炎癥伴隨著PD的發(fā)生和發(fā)展，但神經(jīng)炎癥發(fā)生的具體機制不明，闡明PD中神經(jīng)炎癥發(fā)生的機制和關(guān)鍵調(diào)控分子，對確立治療新靶標具有重要意義。

1.6 腦鐵代謝異常

PD病人早期鐵選擇性聚集在黑質(zhì)，提示鐵可作為反映PD病程進展的一種生物標記物和影像學(xué)指標。鐵代謝調(diào)控異常是導(dǎo)致PD中DA能神經(jīng)元損傷的一個關(guān)鍵因素[24]。胞內(nèi)過量的鐵會通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生大量羥自由基，進而引起神經(jīng)元鐵死亡或者凋亡的發(fā)生[15]。鐵螯合劑(如去鐵酮及衍生物、羥胺-鐵離子螯合劑等)和抑制鐵死亡的小分子(如Ferrostatin-1等)可改善鐵超載引起的DA能神經(jīng)元損傷[25]。但是，PD中黑質(zhì)DA能神經(jīng)元內(nèi)鐵選擇性沉積的來源和機制尚未研究清楚，該問題的解決將為闡明PD發(fā)病機制、尋找新型藥物治療靶點提供重要線索。

1.7 腸道微生物菌群失調(diào)

胃腸功能障礙是PD早期的常見的非運動癥狀，包括胃腸動力減弱、便秘等[26]。除了胃腸激素異常引起胃腸功能障礙，腸道菌群失調(diào)也是重要原因之一[27-29]。部分PD病人表現(xiàn)為小腸細菌過度生長，并與腹脹、脹氣和吸收不良等癥狀有關(guān)[30]。PD病人糞便微生物群的結(jié)構(gòu)和豐富程度與正常人群明顯不同[31]。同時，腸道微生物的代謝物可間接影響腦內(nèi)細胞的功能活動[32-33]。有研究發(fā)現(xiàn)，利用益生菌改善腸道微生物菌群失調(diào)可增加PD便秘病人排便次數(shù)，改善胃腸功能[34]。在魚藤酮制備的PD動物模型中，胃腸最先出現(xiàn)α-syn的異常聚集，并通過迷走神經(jīng)逆向傳播至大腦。因此，胃腸功能和環(huán)境的改變對早期PD的發(fā)生和發(fā)展尤為重要。

2 PD發(fā)病機制研究與其早期診斷的關(guān)系

依據(jù)《中國帕金森病的診斷標準(2016版)》，PD確診病人已出現(xiàn)明顯的運動癥狀，此時DA能神經(jīng)元已出現(xiàn)不可逆的損傷，即使藥物和手術(shù)治療能改善部分運動癥狀，但DA能神經(jīng)元損傷已無法修復(fù)。因此，如何對PD進行早期診斷并針對性干預(yù)成為目前研究的熱點。近年來，與上述發(fā)病機制相關(guān)的細胞和分子成為早期診斷的新靶點，血液、唾液和腦脊液等生物樣本檢測、影像學(xué)檢查等研究方法，為PD早期診斷提供了一些可能的生物標記物[35]。①血液標志物：在外周血液研究中發(fā)現(xiàn)一些與PD發(fā)病機制密切相關(guān)的蛋白、激素或小分子物質(zhì)，可用于潛在生物標志物的開發(fā)和利用。如血清中α-syn、DJ-1蛋白、胃腸激素ghrelin和小分子microRNA等。②腦脊液標志物：存在于腦脊液潛在生物標志物中，目前采用最廣泛的是α-syn和pSer129 α-syn、Aβ1-42、tau蛋白和pThr181 tau 蛋白等，并且通常用于PD病程發(fā)展相關(guān)研究[36]。③唾液標記物：以α-syn為主的蛋白分泌物檢測[37]。④影像標志物：利用磁共振成像、單光子發(fā)射計算機斷層掃描和正電子發(fā)射斷層掃描等神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)[36]，對相關(guān)腦區(qū)的DA轉(zhuǎn)運體、5-HT轉(zhuǎn)運體、鐵沉積等進行神經(jīng)成像，評估臨床PD病人的神經(jīng)影像學(xué)改變，以反映PD病程的進展。⑤基因篩查：利用基因芯片分析和廣譜基因多態(tài)性分析等基因檢測技術(shù)，對PD高危人群進行已知相關(guān)致病基因如SNCA、Parkin、LRRK2、PINK-1、DJ-1和ATP13A2等基因多態(tài)性和基因單突變的篩查[36]。⑥腸道菌群：在高危人群糞便中檢測如厭氧菌、水桿菌屬、梭菌屬等多種致病菌屬的含量。隨著對PD的發(fā)病機制研究，將有可能提供更多可靠有效的PD早期診斷生物標記物。

3 PD發(fā)病機制研究對其治療策略的影響

目前，PD的臨床治療包括藥物和手術(shù)兩類，其策略主要是解決DA能神經(jīng)元丟失引起的DA減少及相應(yīng)功能喪失的問題。藥物治療包括：①補充外源性DA，如含有左旋多巴制劑的美多芭、多巴絲肼等；②DA受體激動劑，如呲貝地爾等藥物；③DA遞質(zhì)酶代謝的抑制劑，如司來吉蘭、雷沙吉蘭等；④促進內(nèi)源性DA釋放，如金剛烷胺等；⑤抗膽堿能藥物，如苯海索等。手術(shù)方法主要有兩種，神經(jīng)核毀損術(shù)和腦深部電刺激術(shù)(DBS)。到目前為止，全球已經(jīng)有超過10萬例PD病人接受DBS手術(shù)，手術(shù)后PD癥狀得到了有效緩解。臨床也使用一些藥物用于改善PD病人非運動癥狀，如氯氮平可有效治療其精神病性癥狀，聚乙二醇改善其便秘癥狀，普拉克索、三環(huán)類抗抑郁藥等可以用于治療其抑郁癥狀等。顯然，PD的發(fā)病機制研究將有可能為其治療提供新的靶點和治療策略。新的藥物研發(fā)可解決不同原因造成的PD黑質(zhì)DA能神經(jīng)元損傷。例如，針對氧化應(yīng)激的機制研究，推動了谷胱甘肽替代治療[38]；鐵代謝異常的機制研究推動了鐵螯合劑和抑制鐵死亡的小分子用于緩解黑質(zhì)鐵超載引起的神經(jīng)元損傷[39]；α-syn模擬肽疫苗可有效降低神經(jīng)元軸突和突觸中的α-syn寡聚體水平[40]；誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細胞定向轉(zhuǎn)化和干細胞移植替代治療可應(yīng)對黑質(zhì)DA能神經(jīng)元數(shù)量減少[41]。通過對PD發(fā)病機制的研究，可針對不同病因引起的疾病及在病程的不同階段采取有效的措施，為病人實施個體化精準治療提供有效保障。

4 小結(jié)

隨著我國人口老齡化加劇，PD作為老年性疾病隨著年齡增大其發(fā)病率逐漸上升，病人身心健康受損嚴重，社會和家庭經(jīng)濟負擔(dān)顯著增大。預(yù)防PD的發(fā)生，延緩疾病進程，制定有效的治療策略是減輕各項負擔(dān)的最有效措施。而PD的早期診斷、藥物研發(fā)和治療策略的制定均依據(jù)PD病因和發(fā)病機制的研究，因此，加大PD病因和發(fā)病機制的研究，是解決該疾病發(fā)生和治療問題的根本，對提升國民生活質(zhì)量和減少社會醫(yī)療資源的消耗有重要的意義。