帕金森病神经发生的研究进展

吴 铮,任志伟,张国君,2*

(1.首都医科大学 宣武医院功能神经外科,中国北京 100053;2.国家儿童医学中心首都医科大学 附属北京儿童医院,中国北京 100045)

当前,帕金森病(Parkinson’s disease,PD)的发病率随年龄增长而逐渐增高,已影响全球约1%的60岁以上老人[1]。我国PD发病率正处于急剧上涨的阶段,有PD患者超过250万人,每年新增患病人数约10万[2],这为我国带来巨大的经济负担。传统的PD治疗药物包括左旋多巴、多巴胺拮抗剂和单胺氧化酶抑制剂,这些药物通过诱导神经元合成多巴胺或者阻断多巴胺的降解,弥补多巴胺的丢失[3]。但长期服用上述药物可能会导致一些继发性症状,如失眠、不自主震颤和强直。除了药物治疗,近十年脑深部电刺激在运动障碍疾病的临床治疗中得到广泛的应用,可有效改善PD患者的运动症状波动现象以及相关并发症,尽管其具体作用机制还不明确[4]。这些治疗方法虽可以很大程度提高PD患者的生活质量,但尚不能从根本上解决多巴胺能神经元缺失的问题。

神经发生是成年哺乳动物脑内生成神经元的过程,自首次在大鼠中发现距今已超过40年[5]。近年来,人们通过大量实验研究了神经发生的位置和作用,以及其调节因素,这都为探究神经系统疾病治疗新方法奠定了基础。神经干细胞(neural stem cells,NSCs)是一类多潜能的细胞,一直保持着自我更新、增殖和分化的能力,存在于成年哺乳动物脑中许多区域。侧脑室室管膜下区(subventricular zone,SVZ)的NSCs能够分化成成神经细胞,随后沿着喙侧迁移流向嗅球迁移,并在嗅球部分化成神经元与皮质区整合,参与嗅神经的再生。在不同的脑损伤疾病中,新生的成神经细胞可以不迁移至嗅球,而是到达受损组织周围进行分化和修复[6]。海马齿状回的颗粒下区(subgranular zone,SGZ)的NSCs具有促进成年哺乳动物大脑空间学习和记忆形成的能力。由于SGZ的内源性NSCs定向迁移至颗粒细胞层,所以本综述暂不讨论。有研究发现,在背盖的脑室周围水管中存在着静息状态的NSCs,因其临近黑质致密部,所以推测水管有可能是供给多巴胺的潜力区[7～8]。中脑的NSCs不迁移至远端,并且少部分可以表达多巴胺能神经元的特异性标志物,这为弥补多巴胺丢失提供了可能[9]。尽管在病理状况下,NSCs或神经祖细胞(neural progenitor cells,NPCs)的增殖、分化、存活和成熟化都会受到影响,通过诱导内源性NSCs分化多巴胺能神经元来修补多巴胺缺损还存在很大争议,但是再生研究对推进PD的治疗手段具有重要意义。因此在本综述中,我们主要对PD患者以及动物模型的神经发生进行总结,同时对PD的部分影响因素进行综述,以期为根源性解决多巴胺能神经元丢失的问题提供方案和研究方向。

1 PD中的神经发生

1.1 PD患者脑内的神经发生

中脑中多巴胺能神经元放射的主要区域在纹状体,SVZ区因紧邻纹状体也可以接受到来自多巴胺的影响[10]。因此,SVZ区是观察神经发生的主要位置,成年哺乳动物脑内SVZ区的NSCs(也称为B型细胞)可以产生短暂的增殖祖细胞(C型细胞),再经过几次分裂形成成神经细胞(A型细胞),最终分化成中间神经元直至成熟的神经元[11]。

2004年,Höglinger等[12]最早报道PD患者SVZ区的细胞增殖能力比对照组(非神经精神疾病患者)减弱。2011年,O'Sullivan等[13]在PD患者脑片的Musashi-1染色结果中发现,SVZ区的神经干细胞数量减少,而长期接受左旋多巴治疗的患者其SVZ区的神经干细胞数量较多。2009年,O'Keeffe等[14]的研究也同样发现PD会减弱SVZ区增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)标记的增殖细胞数量,并认为这与SVZ区的表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)表达水平有关。有研究认为,PD患者的α-突触核蛋白(αsynuclein)异常沉积会影响SVZ区的细胞增殖[15]。针对PD患者SVZ区NSCs开展的转录组和蛋白质组学研究发现,与对照组(非神经系统疾病患者)相比,PD患者的NSCs进入到非增殖的静息状态,同时这些细胞的能量代谢(线粒体功能)受损[16]。但是,也有研究观察了10名PD患者脑内SVZ区PCNA标记的增殖细胞,发现与对照组(非帕金森和痴呆患者)相比没有显著差异[17]。而Mundinõano等[18]研究发现,PD患者的嗅球部酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase,TH)阳性多巴胺能神经元增多,提示SVZ区的神经发生可能增强。有研究表明,PD患者SVZ区的NSCs在体外可以分化为神经元和胶质细胞;这些NSCs移植到PD模型大鼠的纹状体中后,可分化成TH阳性细胞,并促进动物运动功能恢复[19～20]。

由此可见,PD患者神经发生的观察仅限于少量的尸检分析,并且结论仍有争议。因此,对PD神经发生的变化还需要更多的实验研究。此外,既往研究结果的不同也可能是由于尸体的组织取材以及保存等问题影响了抗原表达效果,调整取材方案以及改善临床试验计划可能会使我们更好地了解患者脑内的神经发生。

1.2 PD动物模型脑内的神经发生

目前,PD神经发生的研究主要集中在动物模型上。常用的PD动物模型为6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)或者1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)注射模型,两者均是通过线粒体呼吸抑制来增强氧化应激反应,从而使得多巴胺耗竭,进而模拟PD病理变化[21]。

2011年,van den Berge等[17]在MPTP诱导的PD模型小鼠中发现,SVZ区PH3阳性细胞数明显多于对照小鼠,说明在多巴胺丢失之后SVZ区还保持着较好的增殖能力。但Freundlieb等[22]在MPTP诱导的猕猴PD模型中发现,多巴胺的缺失可以造成SVZ区增殖的细胞减少。Aponso等[23]利用BrdU标记增殖细胞,发现在大鼠纹状体内注射6-OHDA后,3～21 d可以观察到SVZ区的增殖细胞增多,28 d时中脑导水管、黑质的增殖细胞与对照鼠相比也有所增多,同时在所有时间点纹状体的增殖细胞均增多。Fricke等[24]在SVZ区转染带有荧光素的慢病毒观察6-OHDA诱导PD模型的大鼠NSCs增殖,发现多巴胺能神经元的退化导致纹状体的传入阻滞,对SVZ区成神经细胞生成没有影响,但能促使黑质中星形胶质细胞的生成。Farzanehfar等[7]利用Nestin-CreERT ROSA和YFP转基因鼠标记到,中脑水管和水管中线腹侧以及黑质和腹侧被盖区有Nestin阳性细胞聚集,且这些细胞具有增殖分化能力;但在6-OHDA诱导PD损伤后,只有黑质的β-gal阳性细胞明显增多,其他区域未见明显变化,而且黑质区β-gal+/NeuN+细胞数也没有显著差异。Worlitzer等[25]也发现,6-OHDA诱导PD模型大鼠的黑质中可以产生新生细胞,但仅能低表达DCX(doublecortin),不能表达神经元的标志物如TuJ1和NeuN;与Fricke等[24]的结果相似,该研究发现黑质当中有更多的胶质发生。Shan等[26]也发现,在LacZ(β-galactosidase)标记Nestin的小鼠MPTP损伤模型中,黑质部和黑质部旁中线处的多巴胺神经发生明显强于对照组,研究人员认为NSCs增殖分化可以作为多巴胺的功能替补。另外,PD动物模型的NSCs经体外培养可以分化成成熟的神经元[27],这为细胞移植疗法以及干细胞调控机制研究奠定了基础。

综上可知,针对PD模型NSCs增殖分化等的研究逐渐增多,研究者们已经认识到利用内源性神经发生修复多巴胺神经元的丢失的潜在可能。但疾病导致干细胞增殖变化有很大的局限性,仅凭借自身调控无法达成修复的目的,需要借助外源性手段增强NSCs增殖能力或调节其分化的方向。

2 PD神经发生的调节方法

2.1 外源性因素对PD神经发生的影响

神经发生的生物学过程受到各种细胞因子、神经营养因子和生长因子等的调节,研究发现给予外源性因子可以促进PD后内源性的神经发生,甚至诱导多巴胺能神经元增加。白血病抑制因子是一种维持胚胎干细胞未分化状态的细胞因子,在神经退行性疾病中可以起到神经保护的作用。研究发现,在白血病抑制因子腹腔注射PD模型小鼠中,脑桥NPCs的数量和密度上调[28]。神经营养因子在发育过程中促进神经元的生存、分化和成熟,促进神经系统疾病的神经发生[6]。其中,大脑多巴胺神经营养因子有着抗氧化、抗凋亡和抗炎的神经保护作用。研究发现,该因子能促进PD模型神经干细胞的增殖并向受损纹状体的迁移,从而改善运动功能[29]。一些生长因子,包括转化生长因子、表皮生长因子和成纤维生长因子等,也均被证实可调节帕金森发病后的神经发生[30～31]。例如,转化生长因子注射到大鼠PD模型纹状体中后可以促进SVZ区Nestin阳性细胞增殖,使成神经细胞增多并向受损纹状体迁移[32～33]。

此外,一些外源性化合物也可以促进多巴胺神经发生过程。在MPTP模型小鼠中,给予鸟嘌呤核苷干预可以减少细胞凋亡,促进黑质TH+多巴胺能神经元增多以及SVZ区的Nestin+细胞增殖[34]。另有研究报道,神经氨酸苷酶可以促进体外培养的NSCs分化为神经元,将其注射到脑室中能阻断SVZ区的NSCs沿迁移流迁移,同时促进其往纹状体迁移并新生成神经细胞和神经元[35];氯化锂可以促进NSCs体外培养时向多巴胺能神经元的分化,改善PD模型大鼠的运动功能和记忆功能[36];藏花醛可以体外促进NSCs向功能性多巴胺能神经元分化,藏花醛处理后的NSCs移植脑内能增加多巴胺的表达水平[37];承载miR-124的纳米粒子可以改善PD模型小鼠的运动功能[38]。

2.2 干细胞移植对PD神经发生的影响

干细胞移植对PD模型动物内源性NSCs的命运会产生影响。将含有人胎盘碱性磷酸酶标记的神经干细胞移植大鼠纹状体和黑质后,再进行同侧6-OHDA注射诱导PD模型,结果发现:两周后SVZ区的细胞增殖明显,且更多的新生成神经细胞迁移至移植部位,这种内源性祖细胞的变化可能与GDNF、Shh和SDF1alpha表达上调有关[39]。体外嗅鞘细胞和NSCs共培养可以促进NSCs存活、突触生长以及分化成多巴胺能神经元后多巴胺的释放。研究显示,将嗅鞘细胞和NSCs共同移植到受损纹状体可以促进NSCs存活、突触生长以及多巴胺释放[40]。间充质干细胞移植到纹状体后会释放特异性细胞因子NT-3、脑源性营养因子和表皮生长因子,从而促进SVZ区的细胞增殖和成神经细胞的迁移,并向神经元方向分化[41～43]。针对6-OHDA注射左侧纹状体模型小鼠进行的蛋白质组学检测显示,与SVZ区细胞肌浆网和突触结构相关的蛋白质受损,说明6-OHDA会抑制SVZ区NSCs分化为功能性神经元,而移植人胚胎神经干细胞可以修复SVZ区的蛋白质受损情况,但对纹状体多巴胺能神经元丢失的补偿作用还需深入验证[44]。

干细胞移植可以影响内源性神经发生过程,而内源性神经发生也可影响移植细胞对PD的神经保护作用。Madhavan等[45]的研究发现,利用抗有丝分裂剂提前抑制内源性祖细胞的增殖可以使PD模型大鼠的干细胞移植疗法效果更好,说明内源性干细胞和移植的干细胞共同创建神经保护的稳定环境。

以上研究表明,干细胞移植到PD模型动物脑内后通过自分泌和旁分泌引起脑内微环境的改变,影响内源性神经发生过程,改善动物运动功能。但干细胞移植的位置、注射时间以及注射剂量都需要更深入探讨。

2.3 电刺激治疗对PD神经发生的影响

电刺激治疗是将一个或者多个电极植入大脑的特定区域,给予电信号刺激的一种治疗手段。当前临床上对PD患者电刺激可以有效改善PD的“开关”现象、运动障碍和药物耐受性震颤部位,主要刺激部位在丘脑底核和苍白球。目前一些证据表明,神经发生也可能是电刺激起到治疗效果的原因之一。一项PD患者尸检研究报道了接受丘脑底核电刺激的PD患者SVZ区NSCs的增加[46]。给予6-OHDA诱导PD模型大鼠高频丘脑底核电刺激,可促进SVZ区BrdU阳性细胞和纹状体中TH阳性细胞显著增多[47]。此外,在体外细胞培养系统中,电刺激也可以增强NSCs的增殖、分化、迁移和整合[48]。

3 展望

目前,对于PD神经发生的研究尤其是临床证据还非常有限,尚且没有定论。而成人神经发生是关键的内源性神经替代机制,因此阐明PD的神经发生过程,寻找多巴胺能神经元补偿办法,对促进PD患者神经功能的恢复有重大的意义。PD后SVZ区以及非神经源性区域如黑质区、纹状体、皮层等可以检测到NSCs的一系列反应[49]。药物治疗包括中国传统中草药,以及电刺激治疗等手段,可能通过促进脑内的神经发生,对PD患者运动功能恢复起到作用[46,13]。这些都为利用内源性NSCs解决PD患者多巴胺能神经元丢失带来了希望,给再生修复治疗PD开辟了新的途径。