D-丝氨酸调节NMDA受体在偏头痛及其相关疾病中的研究进展*

何孜姿 王晓琳 于生元

（解放军总医院神经内科，北京100853）

氨基酸根据其旋光性的不同可分为D型和L型。最初，人们认为只有L型氨基酸才可构成生物体的多肽和蛋白质，直到几十年前才发现D-丝氨酸也参与生命的构成。20多年前Hashimoto等人在啮齿类动物及人类脑内发现D-丝氨酸。D-丝氨酸由星形胶质细胞内丝氨酸消旋酶 (serine racemase,Srr) 催化生成，由细胞内D型氨基酸氧化酶 (D-amino-acid oxidase, DAAO) 催化降解，生成的D-丝氨酸可作为NMDA受体的协同激动剂参与NMDA受体的激活。

NMDA受体是一种离子通道型谷氨酸受体，由GluN1 (即NR1) 和GluN2 (NR2，包括NR2A-D四种类型) 两种亚单位构成，分别与协同激动剂、激动剂结合，且只有当两种亚单位同时被结合时NMDA受体才可被激活而引起离子通道的开放。NMDA激活在偏头痛的发病机制如三叉神经血管系统激活、皮层扩布性抑制 (cortical spreading depression, CSD) 中扮演重要角色。目前，D-丝氨酸作为NMDA受体的协同激动剂，已成为多种神经系统疾病如神经病理性疼痛、癫痫、抑郁、双相障碍、精神分裂症的重要研究对象，而这些疾病与偏头痛均存在或多或少的联系。

我国的流行病学研究显示，偏头痛的发病率为9.3%，男女比例约为1:3[1]。迄今为止，关于偏头痛的研究大多集中在降钙素基因相关肽(calcitonin gene related peptide, CGRP)、血管活性肠肽 (vasoactive intestinal peptide, VIP)、垂体腺苷酸环化酶激活肽 (pituitary adenylate cyclase activating polypeptide,PACAP)等神经肽和谷氨酸、甘氨酸等神经递质，而有关D-丝氨酸在偏头痛中的作用尚无报道。鉴于以上所述，本文中，我们通过复习D丝氨酸在偏头痛相关疾病中的研究进展发现一定规律，首次将D-丝氨酸引入偏头痛的机制研究，为其进一步的临床和基础研究提供理论基础。一旦将来D-丝氨酸在偏头痛中的作用机制得到证实，我们将获得新的偏头痛治疗靶点，这对于疾病的认识以及治疗将会是一个新的突破口。

一、D-丝氨酸的分布

在成熟的哺乳动物（包括大鼠、小鼠、人类）体内，D-丝氨酸主要选择性分布在脑及视网膜，外周含量极低。在大鼠脑内，前脑的皮质、海马、纹状体D-丝氨酸含量最高，其次为间脑和中脑，而桥脑、延髓、小脑几乎检测不到游离D-丝氨酸的水平。

在细胞水平，内源性D-丝氨酸与Srr分布基本一致，在中枢神经系统内主要表达于激活的星形胶质细胞，也一定程度见于静息或激活的小胶质细胞。此外，除胶质细胞外， D-丝氨酸还可见于皮质神经元以及脑干、嗅球的谷氨酸能神经元，同时Srr亦可在一些皮质神经元表达，且神经元去极化可诱发D-丝氨酸的快速释放[2]。

二、NMDA受体在偏头痛中的研究现状

偏头痛的发病机制尚不明确，目前公认的有三叉神经血管反射学说和CSD。三叉神经血管反射学说认为，三叉神经血管反射通路的激活和敏化是偏头痛发作和慢性化的重要机制，而CSD则主要参与偏头痛先兆的形成。

三叉神经脊束核尾核 (trigeminal nucleus caudalis, TNC) 作为三叉神经血管痛觉传入通路的2级神经元，同时也是下行调节通路的重要组成部分，是偏头痛研究中的重要靶点。硝酸甘油模型研究结果显示，连续刺激7天后三叉神经节NR2B受体表达较对照组明显增加[3]。在炎症汤构建慢性偏头痛模型发现，模型大鼠TNC区酪氨酸磷酸化的NR2B(NR2B-pTyr) 在最后一次炎症汤刺激后12 h逐渐升高，24～48 h达峰，与机械痛阈变化趋势基本一致，应用NR2B-pTyr抑制剂后模型大鼠的痛觉过敏改善、NO释放减少、CGRP表达下调，说明NR2B-pTyr可通过CGRP介导偏头痛的发生。

CSD是偏头痛先兆发生的潜在机制，指刺激大脑皮质后，神经元和胶质细胞因去极化产生电活动抑制带，该抑制带以2～6 mm/min的速度缓慢向邻近皮质移动，并在随后的15～30 min内引起皮质活动的抑制。CSD扩布依赖于NMDA受体激活，且其沿皮质的移动过程可被NMDA受体拮抗剂有效阻断。

三、D-丝氨酸在偏头痛相关疾病中的研究现状

1.神经病理性疼痛

根据国际疼痛学会 (International Association For the Study of Pain, IASP) 的定义：神经病理性疼痛是一种由躯体感觉系统损伤或病变导致的疼痛。目前认为，神经病理性疼痛是由躯体感觉神经系统的损伤或疾病直接造成的疼痛，有明确的神经系统器质性损伤，而偏头痛系脑功能紊乱引起，无明确器质性病变。尽管如此，二者在疾病特点和发病机制上的相似性仍不容忽视。其一，同为疼痛疾患，二者的发生发展过程均围绕疼痛的传导及调节通路进行；其二，临床发现神经病理性疼痛及慢性偏头痛的病人均可出现机械痛阈下降，而基础研究也提示二者在发生发展过程中存在中枢及外周敏化现象；其三，二者的发生机制中均有CGRP、PACAP、白介素-1β等物质的参与。鉴于上述共性，我们认为，神经病理性疼痛与偏头痛在发病机制尚可能存在一定程度的交叉，研究D-丝氨酸调节NMDA受体在神经病理性疼痛中的作用对偏头痛的机制研究具有一定提示意义。

在创伤及外周炎症刺激下，星形胶质细胞激活并释放大量D-丝氨酸激活NMDA受体。研究发现神经病理性模型大鼠的脊髓或延髓后角的D-丝氨酸含量、Srr含量、激活的星形胶质细胞较假刺激组均出现显著上调[5,6]，说明D-丝氨酸及其相关物质参与了神经病理性疼痛的发生发展过程，但其产生的效果是镇痛还是促痛却不得而知。为此，多项干预实验结果显示，应用DAAO、Srr抑制剂降低内源性D-丝氨酸水平后，大鼠疼痛行为学表现减弱，且外源性给予D-丝氨酸可削弱镇痛药物的作用效果[5~7]，这说明D-丝氨酸可易化疼痛的产生。然而，炎性疼痛的相关研究却出现了相反的两种的结果。Ito等人发现，脑室内注射D-丝氨酸 (0.5～10 μmol)可在大鼠甲醛试验中表现出剂量依赖的镇痛效应，而这种镇痛作用在应用选择性甘氨酸位点拮抗剂后被有效阻断[8]。有趣的是，同为大鼠甩尾行为学试验，Yoshikawa等人的研究显示脑室内注射D-丝氨酸(1～40 μmol)可产生剂量相关的镇痛作用[9]，而Zhang等人的实验结果却显示鞘内注射D-丝氨酸(0.1 nmol, 10 nmol,1 000 nmol)后大鼠的痛觉反应增强[10]，二者唯一的不同在于给药剂量及给药途径。当NMDA受体过度激活时，机体可通过负反馈调节D-丝氨酸的生成及释放。NMDA受体介导的突触后钙离子内流使一氧化氮合酶激活，一氧化氮生成增加，进而抑制Srr活性，增加DAAO活性。NMDA受体激活还可促进胞浆内的Srr向细胞膜转运，使D-丝氨酸的生成效率降低。因此，我们猜想，当外源给予小剂量D-丝氨酸时，负反馈机制未激活，中枢神经系统内D-丝氨酸水平因外源补充而升高，产生促痛效应；当外源给予大剂量D-丝氨酸时，NMDA受体迅速大量激活，负反馈机制启动，内源性D-丝氨酸生成明显减少，使中枢神经系统内的总体D-丝氨酸水平下降而发挥镇痛效应。

通过上述研究我们发现，内源性D-丝氨酸可易化疼痛产生，但外源性给予D-丝氨酸后可产生截然相反的疼痛行为学改变，其原因可能为作用剂量不同。上述涉及外源性给药的研究均存在一缺陷，即未检测外源性给药后脊髓或延髓后角的D-丝氨酸水平，即无法证实给药后神经系统内的D-丝氨酸整体水平是如何变化，在今后的相关研究中可予以补充。

2.抑郁

抑郁是公认的偏头痛共患疾病[11]。数据显示，重症抑郁 (major depression disorder, MDD) 病人伴发偏头痛的风险较非MDD人群高2～3倍。抑郁是偏头痛慢性化过程中的重要危险因素，偏头痛病人的痛阈下降及发作频率增多都与抑郁有关。5-HT水平下降是抑郁发生的机制之一，而舒马曲坦等曲普坦类药物作为5-HT受体激动剂已广泛用于偏头痛治疗。曲普坦类药物可通过激活颅内血管及初级传入神经末梢上的5HT1B/1D受体抑制三叉神经脊束核的神经元激活及痛觉传入，进而发挥镇痛作用。

长期以来，抑郁常常被认为是单胺能系统障碍的结果，然而，随着研究深入，人们发现谷氨酸能系统也参与了抑郁的发生。D-丝氨酸作为谷氨酸能系统重要受体—NMDA受体的协同激动剂，已被报道其在重症抑郁病人血浆中的水平明显高于正常人群，且氯胺酮治疗有效的病人血浆中D-丝氨酸水平较氯胺酮抵抗病人明显下降[12,13]。此外，健康受试者临时口服D-丝氨酸后可有效减少焦虑、沮丧情绪，同时，啮齿类动物急性应用D-丝氨酸后可明显降低强迫游泳、习得性无助等绝望行为的指标[14]，说明D-丝氨酸可能具有潜在的抗抑郁作用。但是，目前D-丝氨酸相关的抑郁研究仅局限在行为学的观察上，具体的分子机制尚不明确。

3.双相障碍

双相障碍是一种精神疾病，临床发作类型分为抑郁发作、躁狂发作、混合发作。据大量临床及流行病学研究报道，偏头痛与双相障碍是共患疾病，双相障碍病人发生偏头痛的风险较常人高2～3倍。在分子水平，双相障碍和偏头痛的发生均与5-HT、多巴胺、谷氨酸系统紊乱有关。由此可见，双相障碍与偏头痛在发病机制上可能存在某种共性。

双相障碍病人尸检结果表明，脑内D-丝氨酸、L-丝氨酸水平较对照组变化不明显[15]。然而，据瑞典的一项临床研究显示，虽然脑脊液中L-丝氨酸和D-丝氨酸水平较对照组无显著差异，但双相障碍病人血浆中D-丝氨酸浓度明显升高、L-丝氨酸浓度明显下降[16]，说明双相障碍病人存在丝氨酸代谢异常。此外，根据遗传学研究结果，G72基因是双相障碍的易感基因，而G72基因所编码的G72蛋白是DAAO激活物[17]，而DAAO是D-丝氨酸的降解酶，即说明D-丝氨酸水平下降可能是双相障碍的促发因素。

4.癫痫

癫痫和偏头痛均为常见的发作性疾病。西方的流行病学显示，癫痫病人的偏头痛发病率大约增加2倍，此外，偏头痛患儿发生癫痫的概率会增加3～4倍，且有先兆偏头痛病人较无先兆者更易伴发癫痫。癫痫与偏头痛在临床表现上有许多类似之处，如枕叶癫痫发作时的幻视与偏头痛的视觉先兆，癫痫发作后的Todd麻痹与偏瘫性偏头痛发作时的肢体无力。脑电图是癫痫诊断的重要依据，但有先兆偏头痛病人在先兆发作时亦可检测到脑电的异常，二者本质的区别在于偏头痛是异常电活动引起神经元的抑制，而癫痫则是发作间期小簇低频异常脑电互相聚集进而形成高频的异常放电。基因水平已经证实，SCN1A基因，不仅是家族性偏瘫性偏头痛3型的突变基因，其位点的很多突变与婴儿期、成人期的癫痫关系密切。另外，很多抗癫痫药物如托吡酯、丙戊酸钠、普瑞巴林、加巴喷丁均已批准用于偏头痛的预防治疗。

大量的临床和动物研究表明，癫痫发作可能与NMDA受体的活性表达量改变有关，且NMDA受体拮抗剂可产生抗癫痫作用[18]。在癫痫持续状态模型小鼠中，颞叶星形胶质细胞内的D-丝氨酸、Srr含量、NR1亚单位磷酸化水平较对照组明显升高，且D-丝氨酸含量与磷酸化的NR1水平相关，说明D-丝氨酸、Srr可能通过激活NMDA受体产生癫痫效应[19]。相反地，Klatte等人的实验结果却显示癫痫大鼠海马中D-丝氨酸水平较对照组下降，使海马的长时程增强作用 (long term potentiation, LTP) 出现异常，且这种异常可通过外源性给予D-丝氨酸予以改善[20]。之所以产生不同的实验效果的原因可能在于诱发癫痫所使用的药物不同，药物本身对D-丝氨酸的水平可能会产生一定影响。

5.精神分裂症

精神分裂症是一种严重的精神疾病，其临床表现分为三种：阳性症状 （幻觉、妄想、思维障碍），阴性症状 （不合群、感情迟钝）；认知障碍（注意力障碍、学习障碍、记忆力障碍）。多巴胺是第一个发现的参与精神分裂症的神经递质，刺激多巴胺的释放可诱发精神病症状，而NMDA受体功能下调可促使精神分裂症的发生。NMDA受体拮抗剂的使用可使正常受试者出现短暂的精神症状，在精神分裂症病人则会加重其本身症状，而这种作用是通过降低胞外多巴胺水平，增加前脑皮质多巴胺受体结合介导的。

临床研究表明，精神分裂症病人血浆中D-丝氨酸水平是下降的[21]，且随着症状缓解，病人血浆中D-丝氨酸水平逐渐升高[22]。结合NMDA受体拮抗剂的精神效应，我们可以推断，NMDA受体活性的下调是精神分裂症的一个促进机制，而D-丝氨酸可能通过逆转这种下调而产生抗精神分裂症效应。而且，一项随机、双盲、安慰剂对照的临床试验表明，精神分裂症病人每日口服D-丝氨酸60 mg/kg治疗6周可明显改善临床症状[23]。

尸检结果显示精神分裂症病人小脑中DAAO表达上调、活性升高，但其与精神分裂症的关系尚未明确。另外，Ono等人发现，精神分裂症病人脉络丛上皮细胞DAAO表达量明显升高，而脉络丛上皮细胞是产生脑脊液的重要细胞，这提示DAAO可能通过脑脊液降低D-丝氨酸水平进而促进精神分裂症的发生[24]。在部分精神分裂症病人其他脑区如海马、皮层也可检测到更高的DAAO mRNA水平或蛋白水平，但并非见于所有病人[25~27]。 至于Srr，其在精神分裂症病人海马及皮层的水平变化尚不一致，因此，在这一方面需要更大样本、更加系统的研究以明确D-丝氨酸生成过程的异常是否参与精神分裂症的发生。

精神分裂症病人头痛的发生率较正常人群明显下降。近期的一项基因研究发现，精神分裂症与偏头痛在基因水平上存在负相关，而这种负相关体现在Srr基因的rs4523957突变位点上[28]。Srr是D-丝氨酸的合成酶，因此，我们认为，精神分裂症与偏头痛的这种潜在联系是通过D-丝氨酸介导的，既然D-丝氨酸水平的下调可促使精神分裂症的发生，那么D-丝氨酸水平的升高则可能参与偏头痛的发生。

四、展望

综上所述，D-丝氨酸在偏头痛不同相关疾病中扮演着不同的角色。在神经病理性疼痛中，D-丝氨酸表现为水平升高， NMDA受体过度激活；抑郁及双相障碍病人血浆中D-丝氨酸水平高于对照组；癫痫的基础研究结果虽然不尽相同，但大多数研究认为D-丝氨酸水平升高、激活NMDA受体是癫痫发作的一大原因；精神分裂症病人表现为NMDA受体功能下调、D-丝氨酸水平下降。神经病理性疼痛与偏头痛均为疼痛疾患，抑郁、双相障碍、癫痫是公认的偏头痛共患疾病，这四种疾病所表现的均为D-丝氨酸升高、NMDA受体激活，而与偏头痛发病呈负相关的精神分裂症却恰恰相反。因而，我们猜想，D-丝氨酸水平升高可能是偏头痛发作乃至慢性化的重要推动因素，但是外源性给予D-丝氨酸是否会因给药剂量或给药途径不同而产生截然相反的疼痛效应不得而知，具体相关验证还需深入研究。

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