黃喜劉佩強(qiáng)覃丹雪葉文華林曉宇蘇紀(jì)平*
1廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科(南寧530021)
2武漢市第一醫(yī)院(武漢市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院)耳鼻咽喉頭頸外科(武漢430022)
谷氨酸是哺乳動(dòng)物體內(nèi)最重要的興奮性氨基酸遞質(zhì),主要分布于神經(jīng)系統(tǒng),儲(chǔ)存于突觸前膜囊泡中,釋放后與谷氨酸離子型受體和代謝型受體結(jié)合,其中谷氨酸離子型受體分為NMDAR、AMPA受體(AMPAR)、海人藻酸受體(KA受體、KAR)。其中NMDAR作為重要的興奮性氨基酸遞質(zhì)受體,介導(dǎo)一種緩慢而持久的興奮性反應(yīng),廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng),是突觸可塑性、維持神經(jīng)元生理性突觸傳遞、誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long term potentiation,LTP)相關(guān)功能(學(xué)習(xí)和記憶)的基礎(chǔ)。帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷頓病、癲癇等諸多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展及病理生理過(guò)程中也伴隨著NMDAR表達(dá)的改變。
近年來(lái),NMDAR在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的作用的研究日益增加,已發(fā)現(xiàn)NMDAR在聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)通路的各級(jí)神經(jīng)元均有表達(dá),參與聽(tīng)覺(jué)發(fā)育[1,2]、神經(jīng)保護(hù)[3-5]、聲音定位[6,7]、聽(tīng)覺(jué)信號(hào)的傳遞[8,9]等過(guò)程。另一方面,也發(fā)現(xiàn)NMDAR過(guò)度激活與水楊酸鈉致耳鳴[10-13]、噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷[14-17]、老年性聾[18,19]、藥物性耳聾[20]等聽(tīng)覺(jué)疾病密切相關(guān),是這些難治性耳聾晚期病理的交匯點(diǎn),也成為突破難治性耳聾治療的潛在靶點(diǎn)。因此,明確NMDAR在聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的分布以及在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)疾病中的作用有助于進(jìn)一步探討聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)疾病的病理機(jī)制,尋找新的治療靶點(diǎn),為研發(fā)具有靶向性的藥物提供理論依據(jù)。本文就NMDAR在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的分布及NMDAR相關(guān)的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)疾病的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
NMDAR由NR1,NR2A-D和NR3A-B這七種同源基因編碼的七種亞基組成,在所有的NMDAR亞基中,NR1是構(gòu)成NMDAR復(fù)合物以及實(shí)現(xiàn)其離子通道功能的基本亞基,NR2的四種亞基NR2A-2D是NMDAR功能異質(zhì)性的主要影響因素。興奮性神經(jīng)元突觸上NMDAR主要由NR1∕NR2A組成或NR1∕NR2A∕NR2B組成[21]。
NMDAR-通道是陽(yáng)離子通道,除通透Na+和K+外,對(duì)Ca2+具有較大的通透性。靜息狀態(tài)下,NMDAR被細(xì)胞外的Mg2+阻滯而處于抑制狀態(tài),動(dòng)作電位產(chǎn)生后,神經(jīng)細(xì)胞突觸后膜發(fā)生去極化,Mg2+抑制解除,在配體作用下,NMDAR通道開(kāi)放,Ca2+等陽(yáng)離子內(nèi)流。NMDAR作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中正常的興奮性氨基酸受體的一種,具有誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(因而與學(xué)習(xí)記憶相關(guān))、控制發(fā)育過(guò)程中大腦神經(jīng)元回路的結(jié)構(gòu)及突觸可塑性、維持正常的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)傳遞等重要生理功能[22]。
在藥物損傷、噪聲、缺血缺氧等病理狀態(tài)下,細(xì)胞能量代謝障礙,ATP生成下降,導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞對(duì)谷氨酸攝取率下降,胞外谷氨酸大量積聚而使神經(jīng)細(xì)胞處于高濃度的谷氨酸環(huán)境中,致NMDAR過(guò)度激活,Ca2+大量?jī)?nèi)流,胞內(nèi)Ca2+濃度持續(xù)升高引起一系列生理病理反應(yīng),特別是激活磷脂酶C、磷脂酶A2、Ca2+激活神經(jīng)元蛋白酶I和II、PKC、NO合酶、核酸內(nèi)切酶等多種降解酶,破壞神經(jīng)元的脂質(zhì)膜、核酸、細(xì)胞骨架蛋白等重要成分,使神經(jīng)元逐步潰變壞死。此外,Ca2+超載可觸發(fā)自由基連鎖反應(yīng),而大量的自由基又致使胞內(nèi)的Ca2+進(jìn)一步增加,如此惡性循環(huán),最終使神經(jīng)元變性乃至死亡,這便是NMDAR興奮毒性的主要后果[23]。
現(xiàn)有研究表明NMDAR在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中大量分布,其中NR1廣泛分布于各個(gè)腦區(qū)和脊髓。NR2分布具有明顯的區(qū)域差異性,其中NR2A和NR2B主要分布于端腦和間腦,NR2C主要表達(dá)與小腦,NR2D主要表達(dá)于中腦與間腦。NR3A較為廣泛地分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)各區(qū)域,NR3B主要表達(dá)于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和腦干中[24]。
聽(tīng)覺(jué)動(dòng)作電位的興奮性活動(dòng)起始自耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞(inner hair cell,IHC)突觸的前后膜,經(jīng)神經(jīng)末梢傳遞到位于蝸軸的螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元(spiral ganglion neuron,SGN),信號(hào)經(jīng)蝸神經(jīng)至蝸核-上橄欖核復(fù)合體-外側(cè)丘系-下丘-內(nèi)側(cè)膝狀體-聽(tīng)皮層這一通路產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)活動(dòng)。NMDAR作為重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)受體,在該通路的各級(jí)神經(jīng)元均有不同程度表達(dá)。
Nordang等[25]利用免疫組織學(xué)方法檢測(cè)到谷氨酸與NR2B在人類(lèi)耳蝸IHC與OHC(outer hair cell,外毛細(xì)胞)及SGN突起上均有分布。Niedzielski等[26]通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),大鼠SGN上除有NR1外,NR2A-2D亦有大量表達(dá)。我們的研究也證實(shí),大鼠SGN胞體與突起上有NR1、NR2A-D、NR3A-B等亞基的mRNA均有不同程度的表達(dá),且表達(dá)除NR1外由高到低依次為:NR2B、NR3A、NR2D、NR3B、NR2A、NR2C[27]。在哺乳動(dòng)物的IHC-SGN突觸上,NMDAR的亞單位表達(dá)在個(gè)體的不同生長(zhǎng)階段各有不同。早期聽(tīng)覺(jué)發(fā)育階段,主要是NR1與NR2A的表達(dá);聽(tīng)覺(jué)發(fā)育成熟階段,除NR1的表達(dá)顯著下降外,NR2A幾乎不再表達(dá),而NR2B、NR2C、NR2D等亞基的表達(dá)水平相對(duì)升高,這與哺乳動(dòng)物其他聽(tīng)覺(jué)核團(tuán)的發(fā)育過(guò)程中NR2B表達(dá)下降、NR2A表達(dá)升高相反[19]。
Bilak等[28]運(yùn)用免疫細(xì)胞化學(xué)、原位雜交技術(shù)檢測(cè)大鼠DCN(背側(cè)蝸核)發(fā)現(xiàn)NR1高度表達(dá)于除顆粒細(xì)胞以外的CN神經(jīng)元上。光學(xué)記錄膜電位方法觀察CN的神經(jīng)電活動(dòng)發(fā)現(xiàn),谷氨酸受體NMDAR參與介導(dǎo)了CN神經(jīng)元興奮性突觸后電位(excitato-ry postsynaptic currents,EPSCs)。且相比較于DCN中的EPSCs,NMDAR在VCN(腹側(cè)蝸核)中介導(dǎo)的EPSCs更大[29]。
Shim等[30]運(yùn)用免疫組化法檢測(cè)到,在SD大鼠IC上,NMDAR隨著年齡的增長(zhǎng)表達(dá)顯著降低。RT-PCR法檢測(cè)到水楊酸鈉鈉致耳鳴大鼠的IC中NR2B的mRNA明顯升高[13]。大鼠IC中央核上可記錄到NMDAR介導(dǎo)的遲發(fā)性EPSCs,且可被NMDAR特異性阻斷劑APV(DL-2-Amino-5-phosphonopentanoic acid,DL-2-氨基-5-膦?;i草酸)或CPP((RS)-3-(2-carboxypiperazin-4-yl)-propyl-1-phosphonic acid,(RS)-3(2-羧基哌嗪-4-基)丙基-1-膦酸)阻斷[31]。Cong等[32]也證實(shí)了體外培養(yǎng)的大鼠IC神經(jīng)元上有NMDAR電流存在。
MGB分為背側(cè)部分(MGBd)、腹側(cè)部分(MGBv)和內(nèi)側(cè)部分(MGBm)。已知NMDAR在大鼠MGB上高度表達(dá),且表達(dá)隨著年齡的增長(zhǎng)而升高。NMDAR在老年大鼠(出生后24月)的表達(dá)量顯著高于幼年大鼠(出生后2周)[30]。同時(shí),原位雜交法檢測(cè)到:出生早期的大鼠MGB上,NR2A表達(dá)極低,而NR2B呈中度表達(dá),但在兩周后,二者表達(dá)均迅速升高,NR2A主要分布在MGBm,NR2B則在MGBv高度表達(dá)[33]。全細(xì)胞膜片鉗記錄法顯示,NMDAR拮抗劑APV可顯著抑制皮層中MGBd和MGBv神經(jīng)元的EPSCs的持續(xù)時(shí)間及峰值,推測(cè)MGB中NMDAR誘發(fā)的EPSCs可能是MGB接受下丘的聽(tīng)覺(jué)纖維繼而投射到聽(tīng)覺(jué)中樞這一過(guò)程的生理基礎(chǔ)[34]。
NR1、NR2A、NR2B在AC上均有表達(dá),且具有時(shí)間差異性。出生后35天以?xún)?nèi)的大鼠的AC中,NR1的表達(dá)量逐漸升高,且在出生后7、14天尤為顯著,在聽(tīng)覺(jué)發(fā)育的關(guān)鍵期(出生后7-21天)予以單側(cè)聽(tīng)覺(jué)剝奪時(shí),NR1表達(dá)量明顯降低[35]。原位雜交法也證實(shí)在大鼠AC中,NR2A在出生后早期的表達(dá)很低,在出生兩周后急劇增加,但NR2B在出生后一直保持高水平[33]。此外,亦有發(fā)現(xiàn)NR2A主要存在于大鼠AC神經(jīng)元的胞膜與胞漿內(nèi)[36]。
研究已證實(shí),上橄欖核復(fù)合體(SOC)和外側(cè)丘系(LL)上亦檢測(cè)到NR1、NR2A-D的表達(dá),且NR1的表達(dá)明顯高于NR2[37]。其中NR1在大鼠LL上的分布隨著發(fā)育階段而變化,于出生后前兩周高表達(dá),隨后逐漸下降[38]。
NMDAR被谷氨酸等興奮性氨基酸激活后,介導(dǎo)一種緩慢而持久的興奮性反應(yīng)。NMDAR獨(dú)特的亞基組成及發(fā)育規(guī)律有助于聽(tīng)覺(jué)信號(hào)的興奮性傳導(dǎo),在聽(tīng)覺(jué)發(fā)育的關(guān)鍵期的突觸可塑性過(guò)程中發(fā)揮重要作用。然而,NMDAR過(guò)度激活導(dǎo)致的興奮毒性與水楊酸鈉致耳鳴、噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷、老年性聾、藥物性耳聾等多種聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。
水楊酸鈉致耳鳴的機(jī)制復(fù)雜,假設(shè)眾多,研究證實(shí)水楊酸鈉可導(dǎo)致聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)通路中谷氨酸及NMDAR各亞基表達(dá)發(fā)生改變。
水楊酸鈉作用于大鼠后,其耳鳴評(píng)分逐日增高,耳蝸、DCN、IC、AC和中腦上檢測(cè)到NR2B的mRNA表達(dá)呈中度升高,AC上NR2A的mRNA亦明顯增高,在停藥后的14天,NR2B表達(dá)恢復(fù)正常,且耳鳴評(píng)分與耳蝸、IC中TNF-a,IL-1b和NR2B的表達(dá)水平呈正相關(guān)[13,39-42]。推測(cè)這些促炎因子表達(dá)的升高導(dǎo)致耳鳴可能是影響NMDAR功能所實(shí)現(xiàn)的。劉等[43]利用活體微透析技術(shù)發(fā)現(xiàn),水楊酸鈉致耳鳴大鼠模型的下丘中,谷氨酸水平明顯升高。全細(xì)胞膜片鉗記錄顯示,阿司匹林能顯著增強(qiáng)大鼠SGN上NMDAR誘導(dǎo)的電流,且該電流可被NMDAR拮抗劑APV或Mg2+所阻斷[44]。當(dāng)單獨(dú)使用環(huán)氧合酶(cyclooxygenase,COX)抑制劑Mefenamate時(shí),亦可引起水楊酸鈉致耳鳴類(lèi)似的效應(yīng),推測(cè)水楊酸鈉致耳鳴可能是通過(guò)抑制COX,進(jìn)而阻礙花生四烯酸的代謝,花生四烯酸的積累又反過(guò)來(lái)增強(qiáng)NMDAR誘導(dǎo)的電流引起的[11]。表明NMDAR活性在水楊酸鈉致耳鳴中具有重要作用。
水楊酸鈉是誘導(dǎo)動(dòng)物耳鳴模型的經(jīng)典藥物,水楊酸鈉致耳鳴的機(jī)制涉及形態(tài)學(xué)、藥理學(xué)、分子生物學(xué)、電生理等多個(gè)層面,但其確切機(jī)制尚無(wú)法闡釋清楚。NMDAR相關(guān)的受體機(jī)制的研究是對(duì)水楊酸鈉致耳鳴機(jī)制的重要補(bǔ)充,因此NMDAR在水楊酸鈉致耳鳴中的研究具有十分重要的意義且亟待更進(jìn)一步的研究。
噪聲按時(shí)間變化的屬性分為脈沖噪聲與穩(wěn)態(tài)噪聲,二者引起聽(tīng)覺(jué)損傷的機(jī)制不同。脈沖噪聲損傷對(duì)聽(tīng)器主要是機(jī)械性損傷,如毛細(xì)胞損傷、前庭膜破裂、網(wǎng)狀膜破裂、corti器從基底膜上剝離。而穩(wěn)態(tài)噪聲損傷對(duì)聽(tīng)器主要是代謝性損傷。如內(nèi)耳過(guò)量自由基產(chǎn)生、內(nèi)耳局部缺血、谷氨酸興奮毒性、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子缺乏等。脈沖噪聲一般在機(jī)械性損傷之后亦繼發(fā)代謝性損傷。耳蝸微循環(huán)障礙為兩種不同類(lèi)型噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷后期的共同通路。在代謝性損傷中,谷氨酸興奮毒性正受到越來(lái)越多的關(guān)注。噪聲刺激下,IHC上谷氨酸大量釋放除了過(guò)度激活A(yù)MPAR或KAR,導(dǎo)致與IHC相連的I型SGN傳入樹(shù)突急性破壞,還會(huì)過(guò)度激活NMDAR,引起Ca2+大量?jī)?nèi)流,觸發(fā)自由基產(chǎn)生、蛋白酶、核酸內(nèi)切酶的激活等級(jí)聯(lián)代謝性事件,最終致SGN的死亡[45]。
Dong等[46]研究發(fā)現(xiàn)在大鼠噪聲暴露的急性損傷期,同側(cè)及對(duì)側(cè)CN、IC的NR1的mRNA表達(dá)均降低,但2周和4周時(shí)其N(xiāo)R1的mRNA表達(dá)均升高,提示CN和IC的NMDAR參與了噪聲性耳聾的后期發(fā)生發(fā)展過(guò)程。Wang等[47]觀察到,噪聲暴露2小時(shí)后的大鼠AC的NR2A蛋白表達(dá)量明顯升高,但噪聲暴露3小時(shí)后的72小時(shí),NR2A蛋白表達(dá)量不再改變,而NR1、NR2B蛋白表達(dá)量始終無(wú)明顯變化。此外,大鼠噪聲下分別暴露24小時(shí)、3天、10天后,聽(tīng)性腦干反應(yīng)的反應(yīng)域上移,SGN上NR1的mRNA表達(dá)量逐漸升高,而AC和IC上NR1的mRNA表達(dá)量則逐漸降低[48]。Brozoski等[49]報(bào)道,噪聲誘導(dǎo)的耳鳴大鼠的CN的電活動(dòng)明顯增強(qiáng),NMDAR拮抗劑D-APV能抑制這種效應(yīng),推測(cè)NMDA介導(dǎo)的谷氨酸能的遞質(zhì)傳遞及CN電活動(dòng)的增強(qiáng)與噪聲誘導(dǎo)的耳鳴相關(guān)。
噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷是機(jī)械性損傷與代謝型損傷綜合作用的結(jié)果,其中代謝型損傷中的谷氨酸興奮毒性在噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用至關(guān)重要。因此,谷氨酸受體NMDAR的相關(guān)研究不僅在噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷中的發(fā)病機(jī)制中具有重大意義,而且對(duì)于開(kāi)發(fā)預(yù)防噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷的藥物上具有極大的研究?jī)r(jià)值。
免疫組化法顯示老年大鼠聽(tīng)皮層的谷氨酸含量明顯升高,推測(cè)過(guò)量谷氨酸聚集在突觸后膜與谷氨酸受體相結(jié)合,導(dǎo)致膜內(nèi)外某些離子(如Cl-和Ca2+)失衡,線粒體不可逆損傷,氧自由基大量產(chǎn)生,繼而引起聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)元受損乃至死亡[50]。
通過(guò)對(duì)比老年大鼠(出生后24月)與年幼大鼠(出生后2周)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中NMDAR中的表達(dá)變化,發(fā)現(xiàn)相比較于年幼大鼠,老年大鼠的CN、MGB、AC上的NMDAR表達(dá)量明顯升高,而在SOC和IC上表達(dá)降低[30],SOC和IC上NMDAR表達(dá)量下降可能的原因是為緩解NMDAR興奮毒性導(dǎo)致的保護(hù)性受體表達(dá)量下降,是機(jī)體避免興奮毒性進(jìn)一步發(fā)生的保護(hù)性反射。我們研究也發(fā)現(xiàn)大鼠SGN上NR1的mRNA和蛋白的表達(dá)隨著大鼠年齡的增長(zhǎng)而升高,推測(cè)SGN上NR1表達(dá)升高改變了耳蝸的突觸傳遞,是外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)在耳蝸神經(jīng)細(xì)胞老化功能衰退后維持聲信號(hào)傳入興奮性的一種代償機(jī)制[18]。而Peng等[51]認(rèn)為,老年性聾大鼠SGN上NR1的表達(dá)上調(diào)可能是通過(guò)恢復(fù)相關(guān)突觸連接代償老年大鼠SGN的變性死亡。
老年性聾的發(fā)生發(fā)展可能是個(gè)體因素與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。隨著年齡增長(zhǎng),不同聽(tīng)覺(jué)核團(tuán)NMDAR的表達(dá)發(fā)生顯著改變,且變化趨勢(shì)不完全一致,這可能與NMDAR在不同部位所起作用不同有關(guān),具體的機(jī)制仍需大樣本不同年齡段動(dòng)物的不同聽(tīng)覺(jué)核團(tuán)重NMDAR表達(dá)的進(jìn)一步研究。
目前已知的耳毒性藥物有近百余種,常見(jiàn)的有氨基糖苷類(lèi)抗生素、抗瘧藥、抗腫瘤制劑、水楊酸鹽類(lèi)止痛藥、利尿劑等。不同藥物的損傷靶點(diǎn)及機(jī)制不同,如直接損傷毛細(xì)胞的膜性結(jié)構(gòu),破壞膜通透性,破壞線粒體結(jié)構(gòu),破壞內(nèi)耳血管紋造成內(nèi)外淋巴液生化成分改變等,但是并沒(méi)有深入到分子和受體水平的研究。Bieńkowski[52]發(fā)現(xiàn),氨基糖苷類(lèi)抗生素可通過(guò)與NMDAR多胺調(diào)節(jié)位點(diǎn)相互作用增強(qiáng)NMDAR的功能引起大鼠耳聾,且NMDAR拮抗劑艾芬地爾(ifenprodil)及MK-801可減弱氨基糖苷類(lèi)抗生素的致聾作用。推測(cè)大劑量的氨基糖苷類(lèi)抗生素可通過(guò)NMDAR離子通道介導(dǎo)Ca2+大量?jī)?nèi)流,促進(jìn)毛細(xì)胞與耳蝸神經(jīng)纖維的變性死亡,繼而引起耳聾[52]。
藥物性耳聾的致病機(jī)制因藥物不同而異,目前的研究顯示,只有氨基糖苷類(lèi)藥物致耳聾的致病機(jī)制的研究深入到受體水平,更多與NMDAR相關(guān)的藥物性耳聾的研究仍是有必要的。
NMDAR廣泛分布于聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng),具有重要的生理作用,也與水楊酸鈉致耳鳴、噪聲性聽(tīng)覺(jué)損傷、老年性聾、藥物性耳聾等聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)疾病密切相關(guān),拮抗NMDAR的藥物研究具有重要意義,但大部分藥物因難以克服的副反應(yīng)限制了其在臨床上的應(yīng)用。NMDAR結(jié)構(gòu)復(fù)雜,作用位點(diǎn)眾多,決定了NMDAR功能受多種因素的影響,既能減輕NMDAR介導(dǎo)的興奮毒性,又不干擾NMDAR的正常生理功能的藥物的研制將是今后的主要研究方向。