神经型尼古丁ACH受体在阿尔茨海默病发病机制中的作用

邓文龙

神经型尼古丁乙酰胆碱（ACH）受体在阿尔茨海默病发病机制中的作用


[ 10-09-13 14:37:00 ]    作者：唐智 单可人 官志忠


【关键词】  阿尔茨海默氏病；胆碱能系统；神经型尼古丁乙酰胆碱受体

阿尔茨海默病(AD)是继心血管疾病、癌症和脑卒中之后人类第4位死因的疾病，严重危害着老年人的身体健康和生活质量，病理学上以细胞外老年斑 (SPs)形成及神经细胞内神经原纤维缠结(NFTs)为主要特征。导致 AD 的原发因素尚不明确，其发病机制十分复杂，一般认为与遗传、环境、年龄、代谢、性别等因素有关。本文就AD发生发展过程中神经型尼古丁乙酰胆碱受体(nAChRs)的作用机制以及两者的关系进行综述和讨论。

　　1  AD的研究现状

    在欧美等发达国家及我国，随着人口老龄化的增加，AD的发病率有逐年增加的趋势，预计到2025年，全世界可能有2 200万AD患者〔1～3〕。AD的发病主要与以下几种因素有关。

　　1.1 胆碱能神经功能降低(胆碱能假说)

　　较早研究发现，AD引起最明显和最严重的是胆碱能系统的改变，皮层和海马胆碱能神经的缺失。乙酰胆碱(ACh)是脑组织中重要的神经递质，其含量减少可造成脑功能紊乱。研究证实〔4〕，AD患者脑脊液和脑组织中胆碱乙酰转移酶(ChAT)和乙酰胆碱酯酶(AChE)活性及ACh的合成、释放、摄取等功能下降。AD时，脑组织中胆碱能神经元数量减少，胆碱能受体(如M和N受体)密度降低，胆碱能活性与SPs数量呈负相关。同时研究还表明〔5〕，胆碱能系统与人的学习和记忆功能有关。临床上用抗脂解酶药物降低胆碱脂酶的活性来提高ACh的水平，可改善AD患者记忆力降低和定向障碍等症状〔6〕。

　　1.2 β淀粉样蛋白(Aβ)的神经毒性作用

　　Aβ是SPs的主要成分，是一种神经毒性物质，可引起神经元的损伤和死亡，其具体机制包括破坏细胞内Ca2+稳态，促进自由基的生成，降低K+通道的功能，增加致炎细胞因子引起的炎症反应，激活补体系统，增加脑内兴奋性氨基酸(主要是谷氨酸)的含量等，在AD的发病中起着重要的作用〔7〕。

　　1.3 遗传因素

　　大约有10%的AD患者有家族性遗传背景，为常染色体显性遗传，多见于早期发作的AD患者。近年研究表明〔2〕,在第1、14、19和第21号染色体上均找到与AD 发生有关的基因。

　　1.4 Tau蛋白的作用

　　AD时，NFTs的主要成分是成对双螺旋细丝(PHF)形成聚集的异常磷酸化的tau蛋白。高度磷酸化的tau蛋白分布于受影响细胞的轴突、树突和胞体中，可抑制微管蛋白质的装配和降低神经元的运输效率，在AD的发生机制中有重要的作用〔8〕。

　　1.5 自由基学说

　　目前认为，自由基损伤是引起AD患者大脑损伤的重要机制之一。研究表明〔9〕AD患者大脑中自由基水平上升,包括超氧化物阴离子自由基、过氧化氢、脂质过氧化物和自由羰基等含量增加，活体体外研究也指出，活性氧促进Aβ的毒性和聚集，而Aβ也使自由基生成增多〔10〕。

　　1.6 生物膜性脂质结构异常及胆固醇代谢改变

　　研究表明AD患者脑组织神经膜中的神经节苷脂含量明显减少，其减少程度与神经元的丧失和神经元面积缩小有关〔4〕。在中性脂中，也发现辅酶Q和膜性胆固醇含量发生改变。因此，生物膜性脂质的异常改变与神经细胞的形态功能变化以及神经细胞的死亡有关，是AD 发生、发展机制中不可忽视的重要因素之一。

　　1.7 炎症和免疫的作用

　　近年大量报道表明〔11〕，在AD的发病过程中，炎症反应是神经元丢失的重要原因。AD患者白细胞介素活性增强，可刺激补体、α1抗胰凝乳蛋白酶和α2微球蛋白的产生，这些物质参与SPs的形成。已证明补体复合物存在于AD患者大脑组织中轴突萎缩和NFT形成的区域，由于过量的Aβ聚集和纤维化，激活补体，活化神经胶质细胞 (NG)，异常活化的NG又分泌细胞因子、补体、氧自由基，启动炎症反应，从而提出了由Aβ、NG以及异常上调表达的补体和细胞因子等共同构成的一个复杂的炎性损伤网络〔12〕。

    但是，由于AD的发病机制复杂，迄今对AD的病因和发病机制仍然不十分清楚，目前尚不能用任何一种假说或理论来完整解释其病因和发病机制。

　　2 nAChRs

　　2.1 nAChRs的结构

　　胆碱能神经递质性受体，根据其药理学反应特性不同分为毒蕈碱型乙酰胆碱能受体(mAChRs)和nAChRs。mAChR属于G蛋白偶联乙酰胆碱能受体，nAChR属于配体门控离子通道受体。nAChR 蛋白是五聚体，横截面观呈五角形状，中央形成一个离子通道，主要调控细胞内外Na+，K+和Ca2+的流动〔5〕。 尼古丁受体含有多种亚单位，其中nAChRs有 α2～10 和β2～4等12种亚单位〔13〕。nAChRs的结合部位主要在胞外亲水氨基端α亚基氨基端含相邻半胱氨酸，能形成双硫键，配体与此结合后，受体通过变构打开内孔，阳离子内流，β亚基无此结合部位。一般认为中枢型nAChR是由2个α亚单位和3个β亚单位以不同形式组成多种亚型。研究发现α7、8或α9亚单位可形成一个同源5聚体的nAChR亚型，并有功能的表达〔14〕。

　　2.2 nAChRs在脑内的分布与功能

　　nAChRs广泛地分布于体内，调节中枢神经系统、外周神经系统、心血管系统和免疫系统的功能，但与mAChRs相比，nAChRs在脑内的表达量相对较低。nAChRs分布的研究主要有两种方法，一是通过〔3H〕尼古丁,〔3H〕受体激动剂阿托品和〔125I 〕αBTX等配体的结合实验来观察几种基本亚型的分布(含α3，4，β2亚基的nAChR亚型与尼古丁和受体激动剂阿托品高度亲和，其中受体激动剂阿托品对α3更具选择性，含α7亚基的α7亚型与αBTX高度亲和) 〔15〕；另外是通过原位杂交技术检测各亚基的mRNA在各部位的表达情况〔16〕。在解剖学上，与〔3H〕标记配体结合的部位主要分布在丘脑、海马、黑质、大脑皮层和小脑等区域；而与125I标记的αBTX结合的部位主要分布在海马、黑质、丘脑、外侧和内侧膝状体、桥脑基底核、Broca区、Meynert核和下橄榄核。对各种nAChR亚单位的mRNA在大脑皮层中的分布研究发现〔17〕：除了额部皮层的Ⅰ、Ⅳ片层外，α4亚单位的mRNA似乎在整个皮层中的含量都很丰富。α3亚单位的mRNA在皮质锥体神经元的表达以Ⅲ～Ⅵ片层中最为显著，Ⅱ片层中为中等，而在Ⅳ片层中最少。α7亚单位的mRNA在人类的大脑皮层中的Ⅱ、Ⅲ片层中高水平表达，Ⅴ、Ⅵ片层中中等水平表达，而在Ⅰ、Ⅳ片层中的表达水平较低。α4、7亚单位的mRNA的表达水平会随着衰老而显著降低，而α3亚单位的mRNA的表达水平基本不变〔18〕。但上述实验结果中nAChR亚单位mRNA的表达区域模式与用配体结合实验测定的nAChR亚单位分布模式并不完全的吻合。

    就单个神经细胞而言，nAChRs不仅存在于细胞的胞体，也存在于细胞的树突和轴突，部分nAChRs存在于皮层、海马、小脑等区域的神经突触前膜，烟碱与突触前膜nAChRs结合即能兴奋nAChRs，增加很多神经递质包括ACh、多巴胺(DA)、去甲肾上腺素(NA)、5羟色胺(5HT)、γ氨基丁酸(GABA)和谷氨酰胺的释放，而这些神经递质均与介导和调节各种行为有关，因而人们认为nAChRs在脑内的作用主要是调节神经元的兴奋性，进而调节一系列行为反应，特别是学习、记忆、注意力的保持等认知过程〔5〕。大脑的海马中分布有丰富的nAChRs，而海马是大脑在学习、记忆过程中的一个重要结构，对小鼠海马薄片的研究显示特定区域和时相的nAChRs活动能够加强或减弱神经突触的可塑性和调制形式〔17〕。近年研究表明nAChRs与大脑学习记忆、智力发育和识别能力等脑功能有关，还调节多种其他受体的功能，并具有对抗细胞毒性神经保护作用〔19〕。另外，大量实验证明中枢神经系统的神经生长因子(NGF)由海马和额叶皮层为主的胆碱能神经支配的靶区脑组织产生，由胆碱能神经元的轴突终末摄入胞浆，运输至胞体发挥营养作用〔17，18〕。

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　　3 nAChRs与AD的关系

    与同龄健康人相比较，AD患者的大脑皮层有nAChRs持续的和严重的丢失〔5，13〕。在近期的一些研究中发现nAChRs缺失在AD患者的病程中可能是最早出现的征象，并认为大脑皮层nAChRs的缺失与AD患者的认知障碍有显著相关性〔5，17〕。通过对 AD 病人正电子发射图谱(PET)的研究发现〔13，20〕，在疾病发生的早期即出现特异性尼古丁受体减少，这与AD 病人认知功能关系的改变有密切关系。携带瑞典家族性遗传性淀粉样前体蛋白(APP)突变基因(APP670/671，APPSWE)的AD患者出现大脑皮层萎缩和尼古丁受体数量明显减少〔21，22〕。水迷宫实验表明，一次性或长期给大鼠尼古丁或尼古丁激动剂刺激能明显提高大鼠的记忆能力，相反，放射性水迷宫实验表明尼古丁抑制剂四甲双环庚胺能明显加重大鼠记忆损伤〔23〕。当前对神经型nAChR在AD发病学上的重要性也受到越来越多的注意，通过对AD病人尸解的脑组织进行检查，发现在AD患者脑组织多个区域中尼古丁受体水平降低，但其降低的原因还未完全阐明。有研究表明 Aβ 能使原代培养的大鼠大脑皮层神经元死亡，而用尼古丁受体激动剂如尼古丁或者受体激动剂阿托品处理后能对抗 Aβ引起的神经元死亡〔24〕。其他与 Aβ 诱导的尼古丁受体损伤有关的机制认为通过抑制星形胶质细胞谷氨酸的重吸收，Aβ可引起谷氨酸的过度激活〔19，25〕。谷氨酸会通过N甲基D天门冬氨酸(NMDA)受体增加细胞内钙离子浓度。钙的内流增加诱导NO合成增加从而导致活性氧自由基的产生和细胞死亡。Kihara 等的研究表明 a4β2 尼古丁受体激动剂可能通过增加谷氨酸的吸收从而调节谷氨酸细胞内水平对抗 Aβ 的毒性作用〔26〕。从蛋白质水平对AD患者大脑中的nAChRs测定发现，与同龄的对照组相比，AD患者颞叶的α3、α4亚单位减少；海马的α3、α4、α7亚单位也有所减少〔22〕。然而，对AD患者尸解的脑组织进行mRNA检测发现，在有nAChRs的mRNA表达的各脑区，α3的表达水平并没有差异，但是海马中α7的mRNA表达水平却显著的增高，这些研究提示AD患者脑中nAChRs的缺陷主要体现在转录后水平〔16，22〕，并且研究表明〔27〕尼古丁受体与诱导MAPK信号通路的核心分子ERK的活化有关，ERK与其上游激活分子和下游效应分子组成一个准确高效的信号转导体系。在接受细胞外的多种刺激因子如生长因子、细胞因子、病毒、神经营养因子、神经递质等刺激后，通过Raf/MEK/ERK级联通路，ERK1/2被磷酸化形成pERK1/2，并向细胞核内转移，具有调控转录活性的能力，调节损伤后相关的即早反应基因和晚反应基因的表达〔27，28〕。同时ERK通过调控Cyclin D1，CDK4，Cyclin E表达而促进G1/S期转换，促使细胞周期运行，但 ERK 过度活化会使细胞周期停滞，从而抑制增殖。研究发现ERK是多种属动物多种学习记忆形式的主要分子，ERK 1/2的激活是哺乳动物学习与记忆的保守的核心信号转导过程〔25〕。另外，目前针对AD患者胆碱能神经系统的治疗及一系列的研究也表明了nAChRs在AD中的重要作用。用刺激ACh产生的药物来增加ACh量、或用胆碱能受体激动剂直接激活突触后膜受体、或用乙酰胆碱酯酶抑制剂以减少ACh的分解等均增加胆碱能神经递质的作用，对治疗AD患者有较大的帮助，迄今仍然是临床上对AD较有效的治疗手段〔29，30〕。

　　4 结论

    nAChRs属于包括尼古丁、GABA、氨基乙酸及谷氨酸等递质性受体超基因家族的一员，不同的 a 和 b 亚单位在不同脑区的组合表达而产生具有特殊功能的神经型尼古丁受体亚型。尼古丁受体与很多大脑功能有关，如认知功能、记忆功能、对其他神经递质释放的调节及神经保护功能，而AD发生时有上述功能的损害并有nAChRs数量的减少和表达的低下，因此可以说在AD的发生和发展中nAChRs起着重要的作用。虽然目前仍没有完全弄清尼古丁受体是如何参与AD的发生和发展，但从以上综述可以看出，随着对nAChRs各种亚单位在大脑内的具体分布和各种亚单位的具体功能的进一步了解，以及AD时脑内各nAChRs亚型数量、表达水平与功能的进一步阐明，不仅将为阐明AD的发病机制和有效治疗提供理论依据，还为在如何有效地激活nAChR方面指明了一条新的临床治疗途径。

【参考文献】
  1 Russo C，Venezia V，Salis S，et al.Molecular aspects of neurodegeneration in Alzheimer′s disease〔J〕.Funct Neurol，2002;17(1):6570.

　　2 官志忠.阿尔茨海默病的分子发病机制及其治疗研究及进展〔J〕.中华病理学杂志,2008；37(1):115.

　　3 Sleegers K，Van Duijn CM.Alzheimer′s disease：genes，pathogenesis and risk prediction〔J〕.Community Genet，2001；4(2):197203.

　　4 Tohgi H.Remarkable reduction in acetylcholine concentration in the cerebrospinal fluid from patients with Alzheimer type dementia〔J〕.Neurosci Lett，1994；177(1):13942.

　　5 Jones S，Sudweeks S，Yakel JL.Nicotinic receptors in the brain：correlating physiology with function〔J〕.Trends Neurosci，1999；22(12)：55561.

　　6 Frolich L.The cholinergic pathology in Alzheimer′s diseasediscrepancies between clinical experience and pathophysiological findings〔J〕.Neural Transm,2002;109(78):100313.

　　7 Colom LV，Diaz ME，Beers DR,et al.Role of potassium channels in amyloidinduced cell death〔J〕.Neurochem，1998；70(5):192534.

　　8 Trojanowski JQ，Lee VM.The role of tau in Alzheimer′s disease〔J〕.Med Clin North Am，2002；86(2):61527.

　　9 Sayre LM，George P，Smith MA.Oxidative stress and neurotoxicity〔J〕. Chem Res Toxicol，2008；21(1):17288.

　　10 Smith MA，Hirai K，Hsiao K，et al.Amyloidbeta deposition in Alzheimer transgenic mice is associated with oxidative stress〔J〕.Neuro Chem，1998；70(5):22125.

　　11 Fillit H，Ding WH，Buee L,et al.Elevated circulating tumor necrosis factor levels in alzheimer′s disease〔J〕.Neurosci Lett，1998；129(2)：31820.

　　12 McGeer PL，Akiyama H，Itagaki S,et al.Activation of the classical complement pathway in brain tissue of Alzheimer patients〔J〕.Neurosci Lett，1998；107(13)：3416.

　　13 Paterson D，Nordberg A.Neuronal nicotinic receptors in the human brain〔J〕.Prog Neurobiol，2000；61(1):75111.

　　14 Gotti C，Fornasari D，Clementi F.Human neuronal nicotinicreceptors〔J〕. Prog Neurobio，1997;53(2):199237.

　　15 Mousavi M，HellstrmLindahl E，Guan ZZ,et al.Expression of nicotinic acetylcholine receptors in human and rat adrenal medulla〔J〕.Life Sci,2001；70(5)：57790.

　　16 Wever A，Jeske A，Lobron C,et al.Cellular distribution of nicotinic acetylcholine receptor subunits mRNAs in the human cerebral cortex as revealed by nonisotopic in situ hybrization〔J〕.Mol Brain Res，1994；25(12):1228.

　　17 Ji D，Lape R，Dani JA.Timing and location of nicotinic activity enhances or depresses hippocampal synaptic plasticity〔J〕.Neuronology，2001；31(1):13141.

　　18 HellstrmLindahl E，Gorbounova O，Seiger ,et al.Regional distribution of nicotinic receptors during prenatal development of human brain and spinal cord〔J〕.Dev Brain Res，1998；108(1):14760.

　　19 Kihara T，Shiohama S，Sawasa H,et al.Nicotinic receptor stimulation protects neurons against βamyloid toxity〔J〕.Ann Neurol，1997；42(1):15963.

　　20 Nordberg A.PET studies and cholinergic therapy in Alzherimer′s disease〔J〕. Rev Neurol(Paris)，1999；155(S1):55363.

　　21 Guan ZZ，Yu WF，Shan KR,et al.Lipid peroxidation induced by betaamyloid peptides is a mechanism involving the losses of nicotinic acetylcholine receptors in PC12 cells〔J〕.J Neurosci Res，2003;71(3):397406.

　　22 Guan ZZ，Zhang X，Ravid R,et al.Decreased protein levels of nicotinic receptor subunits in the hippocampus and temporal cortex of patients with Alzheimer′s disease〔J〕.J Neurochem，2000；74(2):23743.

　　23 Levin ED，Rose JE，McGurk SR,et al.Characterization of the cognitive effects of combined muscarinic and nicotinic blockade〔J〕.Behav Neural Biol，1990；53(1):10312.

　　24 Wang HY，Lee DH，Andrea MR,et al.BetaAmyloid (1042) binds to alpha nicotinic acetylcholine receptor with high affinity.Implications for Alzheimer′s disease pathology〔J〕.J Biol Chem，2000;275(12)：562632.

　　25 Banko JL，Hou L，Klann E.NMDA receptor activation result s in PKA 2 and ERK2 dependent Mnk1 activation and increased eIF4E phosphorylation in hippocampal area CA1〔J〕.J Neurochem，2004;91 (2)：46270.

　　26 Kihara T，Shimohama S，Urushitani M,et al.Stimulation of alpha4 beta2 nicotinic acetylcholine receptors inhibits betaamyloid toxicity〔J〕.Brain Res，1998；792(3):3314.

　　27 Mueller H，Flury N，EppenbergerCastmi S,et al.Potential prognostic value of mitogenactivated protein kinase activity for diseasefree survival of primary breast cancer patients〔J〕.Int J Cancer，2000；89(3)：3848.

　　28 Kyriakis JM，Avruch J.Mammalian mitogenactivated protein kinase signal transduction pathway activated by stress and inflammation〔J〕. Physiol Rev，2001;81(8)：80769.

　　29 DarrehShori T，Almkvist O，Guan ZZ，et al.Sustained cholinesterase inhibition in AD patients receiving rivastigmine for 12 months〔J〕. Neurology，2002；59(5)：56372.

　　30 Levin ED，Rezvani AH.Development of nicotinic drug therapy for cognitive disorders〔J〕.Eur J Pharmacol，2000；393(1):1416.