一氧化氮的神經(jīng)毒性

一氧化氮的神經(jīng)毒性

1987年，發(fā)現(xiàn)仔豬細(xì)胞中含有內(nèi)源性氮的內(nèi)源性氮（niticoxyde，no）。此后,人們對(duì)NO在全身各系統(tǒng)的病理生理作用進(jìn)行了深入的研究。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中,NO是一種高擴(kuò)散、短壽命的生物信使分子,參與腦內(nèi)許多生理過程,如:腦組織發(fā)育過程中突觸的發(fā)生,與學(xué)習(xí)、記憶有關(guān)的突觸可塑性及腦血流量的調(diào)節(jié)。但過量的NO還表現(xiàn)出細(xì)胞毒性,可引起神經(jīng)損傷,介導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)變性的病理過程。本文就NO在帕金森病(PD)發(fā)病機(jī)理中的作用作一綜述。1nos,no就其合成在CNS中存在著左旋-精氨酸(L-Arg)-NO途徑。L-Arg與O2在一氧化氮合酶(NOS)作用下生成NO和瓜氨酸,瓜氨酸合并一個(gè)NH3后又轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-Arg。這一系列變化構(gòu)成了L-Arg及瓜氨酸循環(huán)。此過程中,由輔助因子還原型輔酶Ⅱ(NADPH)提供電子,黃素核苷(FMN)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、四氫生物喋呤(BH4)和鐵原子傳遞電子。NO并不象經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì)儲(chǔ)存在突觸的囊泡中并通過膜去極化的出胞作用釋放,NO的合成取決于神經(jīng)元性NOS(nNOS)的量。NO能從一個(gè)神經(jīng)元彌散到另一個(gè)神經(jīng)元,對(duì)細(xì)胞間成分直接發(fā)揮作用。NO與某一底物作用后就失效了。因NO含有一個(gè)未成對(duì)的電子,表現(xiàn)出極其活躍的生物化學(xué)性質(zhì),能與各種能接納或提供單電子的物質(zhì)共軛結(jié)合。目前已有三種特異的NOS被純化、克隆:神經(jīng)元性NOS(nNOS),內(nèi)皮細(xì)胞性NOS(eNOS),巨噬細(xì)胞性NOS(mNOS)。nNOS和eNOS均屬于結(jié)構(gòu)型NOS(cNOS),它在生理情況下即有活性,在細(xì)胞內(nèi)鈣增加時(shí)可進(jìn)一步活化,可以脈沖式少量釋放出NO。mNOS為非Ca2+依賴性的和誘導(dǎo)型的NOS(iNOS),在某些病理情況下可經(jīng)誘導(dǎo)而大量產(chǎn)生,與NO的持續(xù)大量釋放有關(guān)。2no在pd發(fā)病機(jī)制中的作用2.1mptp為動(dòng)物免疫藥物的應(yīng)用PD是一種常見的神經(jīng)退行性疾病,常見的臨床癥狀有運(yùn)動(dòng)障礙,肌僵直,靜止性震顫,其典型病理特征為患者中腦黑質(zhì)的多巴胺(DA)神經(jīng)元大量死亡。1-甲基-4苯基-1,2,3,6四氫吡啶(MPTP)可導(dǎo)致酪氨酸羥化酶硝基化,使該酶失活,從而導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞中DA水平下降,神經(jīng)元死亡,因此,學(xué)者們常用MPTP制備PD動(dòng)物模型。Schulz等把MPTP注入小鼠,同時(shí)注入nNOS選擇性抑制劑7-硝基吲哚(7-nitroindazole,7-NI),發(fā)現(xiàn)7-NI以劑量依賴方式抑制MPTP神經(jīng)毒性作用。另有研究表明7-NI對(duì)狒狒的MPTP神經(jīng)毒性有完全拮抗作用。Przedborski等把MPTP注入nNOS基因敲除的變異鼠,并與野生鼠比較,發(fā)現(xiàn)敲除nNOS基因的小鼠對(duì)MPTP的毒性有抵抗力。以上證據(jù)支持大量的NO產(chǎn)生使DA能神經(jīng)元易損性增加的假說,也提示NO至少部分參與了MPTP的神經(jīng)毒性,在PD的病因?qū)W中發(fā)揮重要作用。2.2glu、環(huán)磷酸鳥苷內(nèi)鏡興奮性神經(jīng)毒性作用可能參與PD的發(fā)病過程,如果興奮性氨基酸釋放過多或滅活機(jī)制受損將對(duì)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。興奮性氨基酸有Glu和天冬氨酸。Glu產(chǎn)生興奮性毒性損害是由于NO生成增多,對(duì)神經(jīng)細(xì)胞有直接的殺傷作用。NO在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中介導(dǎo)Glu從突觸前膜釋放,Glu與突觸后膜的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體結(jié)合后,鈣通道開放,鈣離子內(nèi)流,胞內(nèi)鈣濃度超載并與鈣調(diào)蛋白結(jié)合,從而激活cNOS,引起NO合成增加,NO迅速擴(kuò)散到相鄰的細(xì)胞,引起環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)水平升高而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。升高的cGMP在CNS主要有3個(gè)作用途徑:①影響膜離子通道;②激活或抑制磷酸二酯酶;③作用于cGMP依賴性蛋白激酶,導(dǎo)致許多蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化。由此可見,當(dāng)NO大量生成時(shí),通過作用于NMDA受體介導(dǎo)Glu的神經(jīng)毒性作用。2.3氧化ndv后細(xì)胞內(nèi)no-研究認(rèn)為,NO本身無毒,它所產(chǎn)生的神經(jīng)毒性多是過氧化亞硝基陰離子(ONOO-)作用的結(jié)果。ONOO-等活性氧引發(fā)的氧化損傷是NO引起神經(jīng)損傷的重要途徑。NO與超氧陰離子(O2-)相互作用形成ONOO-,后者是一種極其活躍的強(qiáng)氧化劑,它不僅自身有細(xì)胞損傷作用,還可與H+形成ONOOH,繼而迅速分解成許多毒性代謝產(chǎn)物如羥自由基(OH-)、NO2-和NO3-等。OH-能快速與活細(xì)胞內(nèi)所有分子反應(yīng),并有很強(qiáng)的親和力,導(dǎo)致DNA單鏈或雙鏈的斷裂及脫氧核糖中嘌呤堿基、嘧啶堿基、膜脂質(zhì)層碳水化合物、蛋白質(zhì)的化學(xué)改變,進(jìn)一步引起損傷線粒體電子傳遞系統(tǒng)的一系列反應(yīng),對(duì)特定的組織器官造成損傷。ONOO-主要通過以下途徑在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮作用:①膠質(zhì)細(xì)胞通過激活細(xì)胞因子等誘導(dǎo)產(chǎn)生ONOO-。②神經(jīng)元細(xì)胞可通過以下3種途徑產(chǎn)生ONOO-:a.谷氨酸興奮性遞質(zhì)的釋放增加;b.線粒體機(jī)能障礙;c.L-精氨酸的耗竭。其中線粒體是細(xì)胞內(nèi)ONOO-的主要來源。ONOO-不僅具有抑制細(xì)胞線粒體氧化呼吸鏈的作用,還可抑制線粒體呼吸鏈酶的活性,并抑制順烏頭酸酶、肌酸激酶,損傷線粒體膜及線粒體DNA。a、b兩種途徑生成的ONOO-可直接引起神經(jīng)元損傷及炎癥性反應(yīng)過程的加劇,而c途徑可直接啟動(dòng)PD等神經(jīng)退行性疾病的病理過程。2.4慢性毒性作用NO抑制多種與線粒體電荷傳遞系統(tǒng)及檸檬酸循環(huán)有關(guān)的酶,作用于這些酶共有的催化活動(dòng)中心,阻止線粒體呼吸鏈中復(fù)合物I的活性,使線粒體呼吸鏈功能受損,細(xì)胞能量衰竭,細(xì)胞發(fā)生“緩慢去極化”,ATP生成缺乏,導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)毒作用的敏感性增高,細(xì)胞發(fā)生變性死亡。這一“緩慢興奮性毒性作用”被認(rèn)為是PD等神經(jīng)變性疾病細(xì)胞死亡的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),PD病人黑質(zhì)線粒體呼吸鏈中復(fù)合物I活性率降低30%~40%,而其他腦區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)復(fù)合物I功能損害,表明復(fù)合物I活性率降低具有高度的組織選擇性。2.5神經(jīng)元內(nèi)聚集PD患者腦內(nèi)黑質(zhì)中鐵含量增高,而且主要分布在黑質(zhì)的致密部,即神經(jīng)元變性壞死的部位。鐵在黑質(zhì)DA神經(jīng)元中聚集,可直接影響DA神經(jīng)元對(duì)變性的敏感性。NO使鐵離子從鐵蛋白上游離下來,從而與H2O2反應(yīng)生成毒性更強(qiáng)的羥自由基。然而,其他一些神經(jīng)變性疾病,如進(jìn)行性核上性麻痹(PSP)和多系統(tǒng)萎縮(MAS)的黑質(zhì)含鐵量也相應(yīng)地增多,提示鐵含量增高不是PD黑質(zhì)神經(jīng)元變性的原因,而是變性的結(jié)果。2.6pars抑制劑研究發(fā)現(xiàn)硝普鈉和Sin-1兩種NO供體可激活大鼠腦中多聚ADP-核糖合成酶(PARS)。應(yīng)用PARS抑制劑可消除NMDA和NO介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。研究認(rèn)為NO在導(dǎo)致DNA鏈斷裂時(shí),激活PARS,活化后的PARS以NAD+為底物,對(duì)受體蛋白進(jìn)行修飾,最后導(dǎo)致ATP耗竭。因此,NO通過激活PARS,使ATP耗竭,導(dǎo)致細(xì)胞損傷甚至死亡。2.7小膠質(zhì)細(xì)胞參與了mptp的活性成分小膠質(zhì)細(xì)胞以及相關(guān)的炎癥反應(yīng)在PD等神經(jīng)退行性疾病形成過程中起重要作用。膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)元起支持、營(yíng)養(yǎng)作用,對(duì)維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能具有非常重要的作用。膠質(zhì)細(xì)胞也是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細(xì)胞,在致炎因子的作用下,反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞可被激活而分泌炎性細(xì)胞因子,對(duì)神經(jīng)元有毒性作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),細(xì)胞因子和內(nèi)毒素作用于星形細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞后,使其表達(dá)iNOS產(chǎn)生NO。Dehner等發(fā)現(xiàn)在iNOS缺陷的小鼠,MPTP誘導(dǎo)黑質(zhì)DA能神經(jīng)元的死亡的作用被抑制,推測(cè)由小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的NO也參與了MPTP神經(jīng)毒性作用。Liberatore等也發(fā)現(xiàn),注射MPTP后的小鼠黑質(zhì)紋狀體中iNOS上調(diào)。大量生成的NO損傷神經(jīng)細(xì)胞線粒體,引發(fā)氧化損傷,并誘導(dǎo)細(xì)