帕金森病病因与发病机制研究现状及其诊治意义

焦倩,姜宏

(青岛大学医学部,山东 青岛 266071)

帕金森病(PD)是常见的中枢神经系统疾病，作为神经退行性疾病的一种，其发病率仅次于阿尔茨海默病。我国65岁以上患病人群有近200万人，随着PD发病呈现年轻化趋势，到2030年我国PD患病人数预计将达494万，约占全球半数，成为全球PD病人数量最多的国家。由于PD病人中脑黑质多巴胺(DA)能神经元的选择性丢失，导致纹状体神经末梢释放的DA耗竭，引起了静止性震颤、肌僵直和运动迟缓等为主要表现的临床运动症状，并伴有嗅觉减退、胃肠功能障碍、心血管功能障碍、睡眠障碍和神经认知障碍等非运动症状[1]。目前，PD的确切病因和发病机制仍不清楚，本文将从PD发病机制研究现状及其对该病早期诊断进展和治疗策略开发等方面的作用，论述如何加强我国PD病因和发病机制的研究工作。

1 PD的病因和发病机制研究现状

目前已知PD的病因和发病机制包括基因遗传、环境毒素暴露和脑铁代谢异常等导致的胞内蛋白异常聚集和降解系统紊乱、线粒体功能障碍等，阐明PD发病机制将对该疾病的诊断和治疗具有重要的科学意义。

1.1 遗传因素

目前已发现和PD发病相关的基因有30多个，研究较多的包括alpha-突触核蛋白(α-syn)(SNCA或Park1/4)、Parkin(Park2)、富含亮氨酸重复序列激酶1(LRRK2或Park8)、三磷酸腺苷酶13A2(ATP13A2或Park9)、DJ-1(Park7)、PTEN诱导激酶1(PINK-1或Park6)、微管相关蛋白tau(MAPT)等[2-5]。在大多数家族性PD病人中，遗传因素在其发病因素中占有重要地位和作用。研究结果显示，α-syn蛋白序列上Ala53Thr和Ala39Pro突变可以直接导致α-syn异常聚集[6]，引起DA能神经元发生损伤，据此研究者利用该突变制备PD转基因小鼠模型，为PD发病机制和治疗的研究提供整体动物模型。LRRK2蛋白中G2019S突变也可加剧α-syn的聚集[7]。Parkin和PINK-1的突变，则影响线粒体和自噬的功能，导致损伤线粒体和异常折叠的蛋白不能及时清除，加剧神经元损伤[8]。除了单基因突变可增加PD的发病风险，这些相关基因的多态性及蛋白的过表达和异常的蛋白翻译后修饰均增加了散发性PD的易感性。越来越多的证据表明，黑质DA能神经元的退行性病变是多种基因共同作用的结果，由于基因的改变，使其对PD的易感性增加，加上环境和年龄等诱导因素，最终导致PD的发生。利用现有的分析技术，如基因芯片分析和广谱基因多态性分析，对PD高危人群进行已知致病基因的筛查，可提出疾病的预防策略，进而延缓发病进程。因此，加强PD相关基因的鉴定和功能研究对疾病的预防、治疗和延缓发病进程等具有重要意义。

1.2 环境毒素

有毒环境化合物的暴露是诱导PD的原因之一。农药、金属元素、双酚A等环境化合物通过与职业、生活接触等方式和途径被人体吸收，可诱导包括PD在内的多种神经退行性疾病。流行病学调查发现，杀虫剂、金属元素、双酚A及其他环境化合物含量与PD发病风险存在关联，多种环境毒素可诱导动物出现PD症状，模拟PD的发病过程和病理特征，构建用于科学研究的PD动物和细胞模型[9]。①农药和有机物化合物：鱼藤酮是一种从豆属植物毛鱼藤提取的有机杀虫剂。鱼藤酮灌胃小鼠可模拟PD类似Braak分级的病理变化[10]。首先引起胃肠诱导α-syn异常聚集，逐渐进展累及低位脑干，再进一步累及黑质和其他中脑深部核团等，导致PD运动症状。百草枯成分属于二氢吡啶类，与神经毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)结构和作用相似。②金属元素：土壤和水中的金属元素如铝、铅、铜、汞、锌、铁和锰等的含量与该地区的神经退行性疾病呈现相关性[11]。长期处于锰、铜、铁超标的环境、食用或饮用含有金属超标的食物和水，造成金属元素在脑中沉积，损伤神经元的功能。通过对环境毒素暴露分析，对规避PD风险因素和减低PD发病风险具有重要的指导意义。

1.3 蛋白异常聚集和降解系统紊乱

α-syn蛋白质错误折叠和异常聚集是导致PD的发病机制之一，其异常折叠、聚集及降解机制的破坏显得尤为重要。研究发现，影响α-syn蛋白聚集的因素包括129位丝氨酸的磷酸化(pSer129)、错义突变(如A53T和A30P)、基因过表达(如三倍体化)、酸碱度(影响α-syn构象)、C末端切割(影响α-syn聚集性)、金属离子(影响α-syn聚集性)、氧化修饰(如硝基化影响α-syn聚集性)等[2,12]。因此，可通过探寻影响α-syn蛋白聚集的机制，利用现有的手段改善细胞内外环境，限制α-syn的表达，稳定其蛋白构象，降低聚集性，从而达到抑制α-syn异常聚集和错误折叠的目的。

蛋白维持胞内质量平衡是其发挥功能的前提。在蛋白质量控制系统中，泛素-蛋白酶体系统、自噬溶酶体途径和分子伴侣都是其重要组成部分，它们均起到调节和清除错误折叠和异常聚集蛋白质的作用。在PD病人和PD模型中，均发现泛素-蛋白酶体系统和自噬溶酶体途径功能异常[13-14]，如糜蛋白酶样和胰蛋白酶样的蛋白酶体活性显著降低、自噬相关分子表达异常等。通过药物提高泛素-蛋白酶体系统和自噬溶酶体途径的活性，利用蛋白质降解途径中的潜在治疗靶点，可有望减少PD的发生或延缓其进展。

1.4 氧化应激和线粒体功能障碍

PD病人黑质部位存在严重的氧化应激反应，造成胞内氧化与抗氧化作用的失衡。氧化应激产生大量活性氧和自由基，攻击蛋白质、脂质和核酸等生物大分子物质，进而引起DA能神经元的损伤。造成黑质氧化应激反应过度的因素多样，包括铁超载、抗氧化体系功能降低(如胞内还原型谷胱甘肽、超氧化物歧化酶等减少)、线粒体功能障碍、神经炎症、α-syn聚集和DA自身代谢等[15-17]。

胞内氧化应激反应和线粒体功能障碍密不可分。线粒体在产生ATP的过程中伴随大量自由基的产生，随后经抗氧化体系消除，保护细胞免受氧化应激损伤。研究发现，散发性PD病人黑质纹状体神经元内线粒体复合物Ⅰ的活性及相关蛋白明显下降[18]。MPTP制备的PD小鼠模型则是利用其被DA能神经元选择性摄取，经单胺氧化酶B转换成MPP+后，抑制线粒体复合体Ⅰ，阻断胞内线粒体呼吸链，产生大量活性氧和自由基，造成细胞氧化损伤。线粒体相关蛋白DJ-1、PINK1、Parkin等基因突变可诱导遗传性PD的发生，也提示了线粒体功能障碍与PD发病密切相关[8,19]。利用这些原理降低胞内氧化应激反应、改善线粒体功能，是预防和延缓PD进展、改善PD运动症状的有效靶点。

1.5 免疫和炎症反应

PD病人及PD动物模型中均发现黑质与纹状体存在激活型小胶质细胞和外周免疫细胞浸润，伴随着白细胞介素-1β(IL-1β)、IL-6、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等大量促炎性因子释放，引起活性氧和趋化因子的生成，进一步促进黑质区炎性免疫反应，影响DA能神经元的功能和存活[20-21]。PD动物模型中也有星形胶质细胞的激活，表现为细胞增殖、胞体增大和突起增粗等，其是否继发于小胶质细胞激活仍需进一步探索[22-23]。神经炎症伴随着PD的发生和发展，但神经炎症发生的具体机制不明，阐明PD中神经炎症发生的机制和关键调控分子，对确立治疗新靶标具有重要意义。

1.6 脑铁代谢异常

PD病人早期铁选择性聚集在黑质，提示铁可作为反映PD病程进展的一种生物标记物和影像学指标。铁代谢调控异常是导致PD中DA能神经元损伤的一个关键因素[24]。胞内过量的铁会通过Fenton反应产生大量羟自由基，进而引起神经元铁死亡或者凋亡的发生[15]。铁螯合剂(如去铁酮及衍生物、羟胺-铁离子螯合剂等)和抑制铁死亡的小分子(如Ferrostatin-1等)可改善铁超载引起的DA能神经元损伤[25]。但是，PD中黑质DA能神经元内铁选择性沉积的来源和机制尚未研究清楚，该问题的解决将为阐明PD发病机制、寻找新型药物治疗靶点提供重要线索。

1.7 肠道微生物菌群失调

胃肠功能障碍是PD早期的常见的非运动症状，包括胃肠动力减弱、便秘等[26]。除了胃肠激素异常引起胃肠功能障碍，肠道菌群失调也是重要原因之一[27-29]。部分PD病人表现为小肠细菌过度生长，并与腹胀、胀气和吸收不良等症状有关[30]。PD病人粪便微生物群的结构和丰富程度与正常人群明显不同[31]。同时，肠道微生物的代谢物可间接影响脑内细胞的功能活动[32-33]。有研究发现，利用益生菌改善肠道微生物菌群失调可增加PD便秘病人排便次数，改善胃肠功能[34]。在鱼藤酮制备的PD动物模型中，胃肠最先出现α-syn的异常聚集，并通过迷走神经逆向传播至大脑。因此，胃肠功能和环境的改变对早期PD的发生和发展尤为重要。

2 PD发病机制研究与其早期诊断的关系

依据《中国帕金森病的诊断标准(2016版)》，PD确诊病人已出现明显的运动症状，此时DA能神经元已出现不可逆的损伤，即使药物和手术治疗能改善部分运动症状，但DA能神经元损伤已无法修复。因此，如何对PD进行早期诊断并针对性干预成为目前研究的热点。近年来，与上述发病机制相关的细胞和分子成为早期诊断的新靶点，血液、唾液和脑脊液等生物样本检测、影像学检查等研究方法，为PD早期诊断提供了一些可能的生物标记物[35]。①血液标志物：在外周血液研究中发现一些与PD发病机制密切相关的蛋白、激素或小分子物质，可用于潜在生物标志物的开发和利用。如血清中α-syn、DJ-1蛋白、胃肠激素ghrelin和小分子microRNA等。②脑脊液标志物：存在于脑脊液潜在生物标志物中，目前采用最广泛的是α-syn和pSer129 α-syn、Aβ1-42、tau蛋白和pThr181 tau 蛋白等，并且通常用于PD病程发展相关研究[36]。③唾液标记物：以α-syn为主的蛋白分泌物检测[37]。④影像标志物：利用磁共振成像、单光子发射计算机断层扫描和正电子发射断层扫描等神经影像学技术[36]，对相关脑区的DA转运体、5-HT转运体、铁沉积等进行神经成像，评估临床PD病人的神经影像学改变，以反映PD病程的进展。⑤基因筛查：利用基因芯片分析和广谱基因多态性分析等基因检测技术，对PD高危人群进行已知相关致病基因如SNCA、Parkin、LRRK2、PINK-1、DJ-1和ATP13A2等基因多态性和基因单突变的筛查[36]。⑥肠道菌群：在高危人群粪便中检测如厌氧菌、水杆菌属、梭菌属等多种致病菌属的含量。随着对PD的发病机制研究，将有可能提供更多可靠有效的PD早期诊断生物标记物。

3 PD发病机制研究对其治疗策略的影响

目前，PD的临床治疗包括药物和手术两类，其策略主要是解决DA能神经元丢失引起的DA减少及相应功能丧失的问题。药物治疗包括：①补充外源性DA，如含有左旋多巴制剂的美多芭、多巴丝肼等；②DA受体激动剂，如呲贝地尔等药物；③DA递质酶代谢的抑制剂，如司来吉兰、雷沙吉兰等；④促进内源性DA释放，如金刚烷胺等；⑤抗胆碱能药物，如苯海索等。手术方法主要有两种，神经核毁损术和脑深部电刺激术(DBS)。到目前为止，全球已经有超过10万例PD病人接受DBS手术，手术后PD症状得到了有效缓解。临床也使用一些药物用于改善PD病人非运动症状，如氯氮平可有效治疗其精神病性症状，聚乙二醇改善其便秘症状，普拉克索、三环类抗抑郁药等可以用于治疗其抑郁症状等。显然，PD的发病机制研究将有可能为其治疗提供新的靶点和治疗策略。新的药物研发可解决不同原因造成的PD黑质DA能神经元损伤。例如，针对氧化应激的机制研究，推动了谷胱甘肽替代治疗[38]；铁代谢异常的机制研究推动了铁螯合剂和抑制铁死亡的小分子用于缓解黑质铁超载引起的神经元损伤[39]；α-syn模拟肽疫苗可有效降低神经元轴突和突触中的α-syn寡聚体水平[40]；诱导星形胶质细胞定向转化和干细胞移植替代治疗可应对黑质DA能神经元数量减少[41]。通过对PD发病机制的研究，可针对不同病因引起的疾病及在病程的不同阶段采取有效的措施，为病人实施个体化精准治疗提供有效保障。

4 小结

随着我国人口老龄化加剧，PD作为老年性疾病随着年龄增大其发病率逐渐上升，病人身心健康受损严重，社会和家庭经济负担显著增大。预防PD的发生，延缓疾病进程，制定有效的治疗策略是减轻各项负担的最有效措施。而PD的早期诊断、药物研发和治疗策略的制定均依据PD病因和发病机制的研究，因此，加大PD病因和发病机制的研究，是解决该疾病发生和治疗问题的根本，对提升国民生活质量和减少社会医疗资源的消耗有重要的意义。