【综述】α-突触核蛋白异常聚集与传播在帕金森病发生发展中的作用及机制
文章来源：中华神经科杂志, 2022,55(3) : 254-259
作者：段青蕊 高玉元 聂坤 王丽娟
摘要
帕金森病是最常见的与年龄相关的神经退行性病，影响患者的生活质量，给社会和家庭带来巨大负担。帕金森病典型的病理学特征为α-突触核蛋白（α-syn）在中脑黑质-纹状体区的异常聚集，造成多巴胺能神经元死亡。然而，随着研究的深入，发现α-syn介导星形胶质细胞功能异常导致血脑屏障破坏和小胶质细胞介导炎性因子的释放与帕金森病的发病机制有关。因此，将神经元、胶质细胞、血管作为一个神经血管单元整体开展研究能够更好地反映疾病的病理生理环境，揭示其发病机制。已有研究发现α-syn可通过朊蛋白样、隧道纳米管、外泌体等方式传播，与帕金森病的发生发展密切相关。随着Braak病理分期的提出和早期帕金森病前瞻性队列研究结果的公布，提示外周α-syn向中枢传播可能是介导帕金森病发生发展的另一重要途径。针对α-syn异常聚集和传播的研究可为帕金森病的发病机制提供新的思路，为帕金森病的疾病修饰治疗提供新的靶点。文中就α-syn的异常聚集与传播在帕金森病发病机制中的作用进行综述。
帕金森病（Parkinson′s disease）是一种年龄相关的神经退行性病，临床症状可以分为运动症状和非运动症状，其中运动症状包括静止性震颤、肌强直、运动迟缓等，非运动症状有睡眠障碍、嗅觉减退、便秘、认知障碍、情绪障碍等。全球疾病负担研究预计帕金森病病例数将从2015年的700万左右增至2040年的1 300万，这意味着“帕金森病大流行”的开始［1］。帕金森病主要的病理学特点是黑质-纹状体区的多巴胺能神经元变性、死亡，以及淀粉样蛋白α-突触核蛋白（alpha-synuclein，α-syn）的异常聚集。α-syn的异常聚集被认为是帕金森病致病的关键因素［2］，它可以通过异常聚集导致多巴胺能神经元的变性死亡、导致血脑屏障的破坏、免疫炎性反应等一系列的病理改变。此外，在实验模型中发现α-syn可以在细胞-细胞间扩散，可以从一个脑区扩散到另一个脑区，甚至从脑通过迷走神经传播至肠道［3, 4］，造成传播区域的病理改变。有研究结果表明，α-syn的传播与帕金森病的发病机制有关，这个过程依赖于α-syn的释放、内化和错误折叠作用［5］。因此，抑制α-syn异常聚集、传播可能成为帕金森病治疗的新思路、新靶点。现就α-syn的异常聚集、传播对帕金森病发病的影响进行综述总结。
图1 α-突触核蛋白异常聚集与传播的作用及机制（本图为作者原创）
Figure 1 The role and mechanism of abnormal accumulation and transmission of alpha-synuclein (This picture is original by the authors)
一、α-syn异常聚集在帕金森病发病中的作用及机制（图1）
α-syn是由140个氨基酸组成的小分子蛋白，N-末端是一种两亲性螺旋结构，可以作为线粒体靶向序列肽，可能与线粒体的功能障碍有关；中心疏水区在α-syn纤维聚集和路易小体（Lewy body）的形成中起着关键作用；C-末端富含酸性氨基酸残基，是α-syn的溶解度和稳定性的关键，可作为与其他蛋白质相互作用的结构域［6］。α-syn的错误折叠和异常聚集是多巴胺能神经元变性的重要原因。在生理状态下，α-syn形成的螺旋折叠四聚体结构，能够抵抗聚集［7］。然而，在病理状态下，α-syn出现错误折叠，导致蛋白结构发生改变形成异常聚集体。尽管尚未完全清楚α-syn错误折叠的原因，但α-syn蛋白翻译后修饰尤其是硝化修饰，可能在错误折叠中起重要作用［8］。除了α-syn蛋白结构改变引起异常聚集外，还有泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system）和自噬-溶酶体系统（autophagy-lysosome pathway）2条胞内蛋白降解系统功能异常导致蛋白质降解功能下降［9］，葡糖脑苷脂酶（glucocerebrosidase，GBA）基因突变造成GBA活性降低以减弱对α-syn的降解［10］。α-syn在脑内异常聚集介导中枢神经系统各组成成分的病理改变导致多巴胺能神经元变性、死亡，引发帕金森病。
（一）α-syn异常聚集对神经元的影响
α-syn蛋白错误折叠、异常聚集进一步形成不可溶性淀粉样蛋白，即路易小体。这种 α-syn异常聚集体在神经元内沉积后难以被降解，进一步介导蛋白降解系统功能障碍、物质运输障碍及线粒体功能障碍等细胞毒性作用，导致神经元死亡。此外，α-syn异常聚集可通过介导星形胶质细胞功能障碍导致神经元死亡。有研究结果表明，α-syn异常聚集并不影响帕金森病星形胶质细胞的存活，但在体外共培养中发现，这些星形胶质细胞会影响健康的多巴胺能神经元功能［11］。α-syn病理性沉积可以造成星形胶质细胞功能失调，如谷氨酸摄取减少。受影响的星形胶质细胞谷氨酸转运体Glast1和Glt1的表达降低，进而减少谷氨酸摄取造成细胞外谷氨酸的堆积产生神经元毒性作用。α-syn介导的神经毒性可以由α-syn异常聚集的星形胶质细胞传递到神经元触发［12］。
（二）α-syn异常聚集对血脑屏障的影响
血脑屏障（blood-brain barrier）是由脑毛细血管内皮细胞与包裹毛细血管的星形胶质细胞终足和嵌入毛细血管基底膜的周细胞形成，能够将血液与中枢神经系统分开，保持中枢神经系统相对稳定状态。有研究结果表明，α-syn可以通过血脑屏障途径进行双向运输［13］。由于星形胶质细胞终足是构成血脑屏障的一部分，其损伤将导致血脑屏障的完整性被破坏。有研究证实，α-syn聚集体可以被神经元或胶质细胞释放到细胞间质中，被星形胶质细胞摄取，导致其终足水通道蛋白-4（aquaporin-4）比例减少和错误定位，影响血脑屏障的功能和屏障间水的转运［14］。此外，α-syn可以损伤脑毛细血管内皮细胞导致血脑屏障结构的破坏。而血脑屏障功能异常将使得清除α-syn的能力进一步下降，α-syn继续在细胞间沉积被正常的细胞摄取，形成一个恶性循环。
（三）α-syn异常聚集介导免疫炎性反应
小胶质细胞是中枢神经系统主要发挥免疫反应的细胞，当受到病原体、毒性物质、毒性蛋白等因素的刺激后激活释放免疫因子产生免疫应答。有研究发现，α-syn聚集体可以激活小胶质细胞，被激活的细胞可以释放促炎性因子，如TNF-α、IL-1β，后者可以造成神经元的损伤［15］。活化的小胶质细胞可引起多巴胺能神经元氧化应激反应，导致α-syn硝化，引起神经元死亡［16］。此外，活化的星形胶质细胞可以对炎性反应起启动和调节作用，高浓度的外源性α-syn可以通过刺激Toll 样受体4（toll-like receptor 4）信号启动炎症级联反应，释放炎性因子［17］，而炎性反应又可以导致星形胶质细胞功能的障碍［18］。近期有研究发现星形胶质细胞在帕金森病发病机制中能够作为抗原呈递细胞介导免疫炎性反应，并发现血管周围和浸润的CD4+T细胞被表达主要组织相容性复合体-Ⅱ（major histocompatibility complex-Ⅱ，MHC-Ⅱ）的星形胶质细胞包围，进一步证实帕金森病脑中存在星形胶质细胞与T细胞的交互作用，α-syn/MHC-Ⅱ可以在星形胶质细胞之间传播［19］。
二、α-syn的传播特点及其在帕金森病发生发展中的作用（图1）
目前越来越多的证据支持α-syn传播与帕金森病发病有关。Braak等［20］按照脑内路易小体出现的先后顺序将帕金森病病理进展过程分为6期：第Ⅰ期：累及延髓、舌咽、迷走运动神经背核、嗅球；第Ⅱ期：在Ⅰ期基础上进展至脑桥被盖部，涉及中缝核、巨细胞网状核、蓝斑-蓝斑下复合体；第Ⅲ期：病变进展累及中脑，尤其是黑质致密部；第Ⅳ期：病变累及至基底前脑和中间皮质，颞叶中间皮质（横内嗅皮质）和古皮质（海马CA2区）；第Ⅴ期：病变进展至新皮质高级感觉区和前额叶；第Ⅵ期：累及新皮质初级感觉联合区、运动前区。根据Braak的病理分期，帕金森病患者在发病前数年、数十年就已经有神经变性现象存在，而这些与α-syn的异常聚集和传播有关。因此，有许多研究者通过构建细胞与动物模型来寻找α-syn聚集体传播的方式及机制。
（一）朊蛋白样传播
多项研究结果表明α-syn聚集体可以通过类似“朊病毒”样方式进行传播［21］，即α-syn聚集体能够在细胞间播散。正常细胞存在的朊蛋白（prion protein）为由朊蛋白基因（prion protein gene）编码的朊蛋白，在发生错误折叠后可以形成病理态的朊蛋白PrPsc，后者具有从受感染细胞繁殖传播至健康细胞的能力。而α-syn病理结构与PrPsc相似，即α螺旋结构被β折叠结构取代，该结构容易形成蛋白聚集。在关于α-syn传播的研究中，发现聚集的α-syn蛋白可以传播到健康的细胞中，即一个神经元释放错误折叠的α-syn，可以被健康的神经元吸收并将其作为模板进行错误折叠的α-syn复制与传播［22］。但是与朊病毒传播不同的是，α-syn传播不具有传染性［23］。
（二）隧道纳米管（tunneling nanotubes，TNTs）样传播
TNTs是一种细胞间连接的纳米管状结构，直径为50~200 nm，长度可达几个细胞直径，建立远隔细胞间质膜的直接物理连接，可以选择性迁移多种细胞成分，如细胞器、膜小泡、小分子等；此外，在病理状态下可以促进病毒和致病蛋白的传播［24, 25］。TNTs在多种细胞类型中存在，如神经元、星形胶质细胞、血管内皮细胞等［26, 27, 28］。TNTs是α-syn细胞间传播的重要途径，α-syn细胞内积累可以介导TNTs的形成，而TNTs形成可导致α-syn的传播。有研究结果表明，α-syn纤维可以通过TNTs在神经元间、神经元-星形胶质细胞间传播［26, 27］。
（三）α-syn外泌体传播
外泌体是直径为50~100 nm的囊泡，其形成主要通过细胞膜的一部分直接脱落和囊泡胞吐两种方式转运特定蛋白或RNA以实现细胞间的联系。有动物实验证明α-syn传播可以通过外泌体方式进行［29］。释放到细胞间质的α-syn聚集体又如何被其他细胞摄取进而传递到下一个细胞目前尚不清楚。有学者认为可能与受体细胞表面表达α-syn聚集体受体［如朊蛋白、淋巴细胞活化基因3（lymphocyte-activation gene 3，LAG3）、Toll样受体］有关［30］。比如，LAG3作为免疫球蛋白超家族分子成员可以通过网格蛋白依赖的内吞作用摄取α-syn聚集体进入细胞［31］。
（四）α-syn外周向中枢传播
帕金森病的病理特征是神经元内存在α-syn异常聚集体，其可能以朊病毒样的方式在细胞间传播。然而，关于α-syn异常聚集体起源于何处尚不明确。近年有临床研究发现，在帕金森病患者的多种组织（皮肤、结肠、颌下腺）和体液（血液、脑脊液和唾液）中均可检测到α-syn，被认为是帕金森病早期诊断的生物学标志物［32, 33］。在2020年一项发表在Brain杂志上的临床研究中，研究者根据α-syn的起源提出存在“身体优先型”和“脑优先型”2种帕金森病亚型，即α-syn起源于大脑，然后传播到周围自主神经系统，为“脑优先型”；α-syn起源于肠或周围自主神经系统，然后传播到大脑，为“身体优先型”［34］。该研究通过多模式影像病例对照发现特发性快速眼球运动睡眠行为障碍（isolated rapid eyes movement sleep behaviour disorder，iRBD）和帕金森病伴iRBD可能是“身体优先型”，而帕金森病不伴iRBD则是“脑优先型”。此外，有研究发现帕金森病患者对比健康人群具有不同的肠道微生物组特征，并通过功能预测其与短链脂肪酸的代谢途径有关［35］。但是“身体优先型”造成帕金森病发病机制尚不明确，需要进一步研究。
除了肠或周围自主神经来源以外，帕金森病患者的血液中亦可检测到α-syn。已有研究证明外周血α-syn可以通过血脑屏障双向传播［36, 37］。有研究发现，向大鼠尾静脉注射α-syn纤维4个月后可在大鼠大脑皮质神经元中检测到外源性注射的α-syn［37］。向TgM83+/-小鼠尾静脉注射α-syn纤维4个月后可在中枢神经系统（central nervous system，CNS）观察到神经元损伤［38］。但是外周血α-syn向中枢传播的具体途径和机制尚未完全明确，有学者认为可能通过外泌体的形式向CNS传播［36］。
三、干预α-syn异常聚集与传播对帕金森病治疗的作用
目前临床应用的帕金森病治疗手段只能改善症状，不能阻止疾病的进展，也无法治愈疾病［39］。而针对α-syn异常聚集体的干预措施被认为是一种具有前景的帕金森病疾病修饰治疗方法［40］。现有研究发现多种α-syn抑制剂能够在减少聚集和毒性方面发挥功效。NPT200-11是一种小分子化合物，能够靶向作用于α-syn并稳定其生理结构，使其无法组装成毒性聚集体，改善α-syn转基因小鼠模型的神经病理学和生化结果［41］。随后，有研究者将NPT200-11纳入临床试验（NCT02606682），并在Ⅰ期临床试验中通过人体安全性测试。另一种称为 ANLE138b 的小分子化合物已被证实可以通过血脑屏障减少α-syn的聚集，尤其能够阻止朊蛋白样的结构形式聚集［42］。
α-syn靶向免疫治疗是通过主动免疫刺激人体自身的免疫系统产生毒性蛋白质特异性抗体。虽然免疫治疗可能会出现非特异性免疫反应等不良反应，但因其疗效确切，许多疗法已进入临床试验阶段，具有一定的应用前景。钙蛋白酶对α-syn蛋白C末端切割有助于形成毒性寡聚体，因此，多种免疫疗法主要是直接靶向该蛋白结构域设定。目前，通过Ⅰ期临床试验检测模拟α-syn的C末端短免疫原性肽PD01A，发现长期重复使用PD01A是安全且耐受性良好的，但仍需Ⅱ期研究进一步评估PD01A治疗帕金森病的安全性和有效性［43］。目前针对帕金森病疫苗的研究主要是通过刺激免疫系统产生α-syn抗体，并且能够存在于血清和脑脊液中产生特异性免疫反应［44］。
四、小结与展望
α-syn在黑质-纹状体区的异常聚集是帕金森病的典型病理改变，但是随着研究的深入，发现α-syn不仅存在于黑质-纹状体区，在患者的多种组织和体液中均可以检测到α-syn。α-syn的病理性沉积是如何导致帕金森病病理生理的改变目前尚未完全明确，主流观点认为α-syn聚集体可以介导多巴胺能神经元的变性、死亡，但是现有越来越多的研究发现星形胶质细胞功能异常导致的血脑屏障破坏和小胶质细胞介导的炎性因子释放与帕金森病的发病机制有关。因此，有学者提出神经血管单元（neurovascular unit，NVU）的概念。NVU是由脑实质细胞组成，包括兴奋性神经元、抑制性中间神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、血管周细胞、血管平滑肌细胞和内皮细胞［45］。NVU在维持大脑功能，特别是对脑血流调节和维持血脑屏障完整性有重要作用。后续的研究不妨将NVU作为研究对象，研究在帕金森病病理环境下α-syn聚集体对NVU的作用，即把神经元、胶质细胞、血管等作为一个整体来研究α-syn聚集体对这一整体造成的病理损伤，寻求联系和共同点，为下一步的治疗靶点寻求新的途径。
根据 Braak等［20］提出的帕金森病病理分期，帕金森病患者在出现运动症状之前数年至数十年已有神经系统的病理改变。因此，国际帕金森和运动障碍协会依据帕金森病的病理改变及临床表现，将其分为临床前期、前驱期和临床期3个阶段［46］。临床前期患者仅存在神经系统病理改变，无任何症状；前驱期患者可出现轻微运动和非运动症状，非运动症状在运动症状之前出现，可作为前驱期诊断的标志物；临床期患者出现典型的运动、非运动症状［47］。Braak等［48］发现帕金森病病理改变最初发生在舌咽神经和迷走神经背侧运动核和前嗅核，脑干核团和皮质区逐渐受到影响，是一个上升的过程，个体差异小。肠道和中枢神经系统通过迷走神经连接，来自迷走神经背侧核的无髓鞘节前纤维与肌间神经丛的神经节细胞接触，这种纤维通路容易受帕金森病相关病变的影响。由此推测α-syn以某种固定的方式从胃肠道通过迷走神经传播到腹侧中脑，选择性聚集于黑质致密部的多巴胺神经元。此观点被Kim等［49］通过构建肠-脑传播模型小鼠证实。随着Braak病理分期的提出和早期帕金森病前瞻性队列的研究结果的公布，越来越多的研究证据支持外周α-syn向CNS传播在帕金森病发生发展中起重要作用。关于α-syn的传播方式主要有朊蛋白样传播、TNTs传播及细胞外泌体传播等，但α-syn在不同细胞间以哪种传播方式为主并通过何种机制介导，仍需进一步研究探讨。
目前针对α-syn异常聚集及传播干预的方式主要是利用α-syn小分子化合物抑制剂来减少聚集，通过主动免疫反应产生抗体抑制聚集与传播。根据外周α-syn能够向CNS传播造成神经元损伤这一观点，后续可以开展干预外周α-syn传播的相关研究，为干预帕金森病的疾病进展提供新的方法。
参考文献略