李宏源，王昆淼，夭建華，劉志華，朱海洲，王曉輝

（1.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，云南省煙草化學重點實驗室，云南 昆明 650202；2.中國科學院長春應用化學研究所化學生物學實驗室，吉林 長春 130022）

吸煙過程中會產(chǎn)生大量的化學物質(zhì)，其中大部分化學物質(zhì)會對生命健康產(chǎn)生危害。尼古?。?）是造成吸煙成癮的主要物質(zhì)。尼古丁于1828年從煙草中被分離，其結(jié)構(gòu)于1893年被德國化學家Adolf Pinner和Richard Wolffenstein確定，其全合成于1904年由德國化學家Amé Pictet和A. Rotschy首次報道。需要指出的是，尼古丁具有良好的血腦屏障透過能力，吸入后10 ～20 s就能進入大腦；其代謝消除的半衰期為1～2 h[1]。尼古丁的主要活性代謝成癮產(chǎn)物可替寧（2）在體內(nèi)消除的半衰期為18～20 h[2]，因此，尼古丁的某些精神活性作用可能通過其長效代謝產(chǎn)物可替寧介導。

近年來精神活性物質(zhì)的藥物轉(zhuǎn)化研究方興未艾。例如，麥角酸酰二乙胺（lysergic acid diethylamide，LSD）和氯胺酮（俗稱K粉）對抑郁癥治療有非常好的效果[3-4]；二亞甲基雙氧安非他明（3，4-methylenedioxy-N-methylamphetamine，MDMA，“ 搖 頭 丸” 的 主 要成分）被用于治療創(chuàng)傷后綜合征（post-traumatic stress disorder，PTSD）[5]；美國FDA批準了大麻提取物大麻二酚（cannabidiol，CBD，商品名：Epidiolex）治療難治性兒童癲癇，同時Epidiolex也可用于治療結(jié)節(jié)性硬化癥和蘭諾克斯綜合征[6-8]；四氫大麻酚（dronabinol，THC，商品名：Marinol）可緩解艾滋病患者接受化療后產(chǎn)生的極度惡心感和急劇消瘦癥狀[9]。本文將綜述煙草中成癮精神活性物質(zhì)尼古丁的神經(jīng)化學生物學研究及其作為精神活性物質(zhì)在近年的轉(zhuǎn)化應用研究進展。

1 尼古丁成癮的研究

尼古丁是導致吸煙成癮的精神活性物質(zhì)，其令人產(chǎn)生一定的愉悅感，并通過減輕壓力和焦慮的方式使人成癮。吸煙者可以通過尼古丁調(diào)節(jié)自身的興奮程度，戒煙則會引起易怒、煩躁、郁悶及坐立不安等行為[10]。

研究表明：尼古丁在哺乳動物中的作用受體為煙堿樣乙酰膽堿受體（nicotinic acetylcholine receptors，nAChRs），該受體是一類配體門控的離子通道蛋白，每個受體由5個亞基組成跨膜結(jié)構(gòu)域[11]。哺乳動物大腦中 nAChRs存在 9種 α亞基（α2 ～ α10）和 3種 β亞基（β2 ～ β4）；在神經(jīng)細胞中，該受體可以由相同的α7、α8、α9或α10亞基構(gòu)成同源五聚體，也可由不同的 α2 ～ α6、β2 ～ β4 中的單體亞基組合構(gòu)成異源五聚體。表達最多的α4β2亞型nAChRs是尼古丁主要依賴的受體。每個亞基的N端連接親水的胞外配體結(jié)合域。人類α4β2亞型nAChRs于2016年10月由美國德州大學西南醫(yī)學中心的Hibbs課題組解析[12]。該結(jié)構(gòu)由2個α4亞基和 3 個 β2亞基按 α-β-β-α-β的順序組成異源五聚體；與該受體一同解析出的還有分別位于2個α-β亞基界面的尼古丁和位于離子通道內(nèi)的鈉離子（見圖1）。據(jù)此推斷，nAChRs的胞外配體結(jié)合域在識別尼古丁后，被尼古丁激活導致跨膜域的離子通道打開，引起陽離子內(nèi)流，從而將信號由膜外傳遞至膜內(nèi)。

圖 1 尼古丁結(jié)合的人類α4β2煙堿樣乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)（PDB: 5KXI）Figure 1 The structure of nicotine bound human α4β2 nicotinic acetylcholine receptor (PDB: 5KXI)

在吸煙過程中，尼古丁首先會隨著煙霧進入到肺部，隨后快速通過肺靜脈的血液循環(huán)進入心臟，然后通過動脈血液循環(huán)直達大腦，結(jié)合和激活nAChRs，從而在中腦邊緣區(qū)、紋狀體及前額皮層處促進多巴胺的釋放。這是尼古丁成癮的神經(jīng)生物學環(huán)路機制。

在長期吸煙的過程中，尼古丁會結(jié)合α4β2受體并導致受體的脫敏化，從而使人感到焦慮和不安，這種生理的波動促使人們通過吸煙攝取更多的尼古丁激活獎賞機制以擺脫這種不利的狀態(tài)[13]。進一步研究表明：這種負面狀態(tài)的產(chǎn)生是由于尼古丁受體的脫敏化導致促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子（corticotropin-releasing factor，CRF）的釋放所致。CRF增加促使自身與受體CRF1結(jié)合，從而激活CRF-CRF1受體系統(tǒng)并產(chǎn)生焦慮不安的生理狀態(tài)[14]。

綜上，在尼古丁成癮的過程中，尼古丁激活nAChRs，釋放多巴胺，導致獎賞和成癮；另一方面尼古丁的長時間結(jié)合和激活導致nAChRs的脫敏化及CRF-CRF1受體系統(tǒng)的形成，從而進一步增強機體對尼古丁的依賴（見圖2）。

2 尼古丁轉(zhuǎn)化研究

隨著對尼古丁的神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控作用研究的不斷深入，近年來研究發(fā)現(xiàn)尼古丁雖然對健康不利，但其具有巨大的藥物轉(zhuǎn)化應用潛力。例如針對炎癥、疼痛及神經(jīng)退行性疾病等的流行病學數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，吸煙者的患病率明顯低于非吸煙者[15-16]。

2.1 尼古丁與炎癥

炎癥是一種重要的基礎(chǔ)生理過程，除了具有保護生命個體作用外，還是許多疾病的主要誘因。引起炎癥的因素有很多，如細菌、病毒等生物性因子；高溫、低溫等物理性因子及多種化學性因子等。某些因子如細菌可以引起敗血癥或膿血癥等危及生命的急性炎癥反應。此外，慢性炎癥反應也會給生命健康帶來嚴重危害。

在炎癥進程中存在多種調(diào)控機制，其中調(diào)節(jié)外周系統(tǒng)炎癥反應的副交感神經(jīng)系統(tǒng)被稱為“膽堿能抗炎通路”，是機體調(diào)節(jié)自身先天免疫反應抑制系統(tǒng)炎癥的主要機制之一。該通路的作用機制如下：當炎癥產(chǎn)生時，下丘腦收集的炎癥信號通過迷走神經(jīng)傳出外周系統(tǒng)，通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿作用于細胞表面的α7受體進而抑制炎癥反應[17]。

圖 2 尼古丁成癮的分子機制Figure 2 The molecular mechanism of nicotine addiction

尼古丁作為乙酰膽堿類似物，能夠抑制多種外源刺激誘發(fā)的炎癥。在炎癥過程中，尼古丁可通過結(jié)合α7受體對炎癥反應進行干預[18]。它與免疫細胞的α7受體結(jié)合后通過激活下游信號級聯(lián)反應，可以抑制 Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）誘導的核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性，從而抑制炎性因子的表達[17]。研究表明：通過加入外源的尼古丁釋放乙酰膽堿的方式刺激α7受體時，脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）誘導的巨噬細胞釋放腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的量將顯著降低[17]。同時，在小膠質(zhì)細胞中，α7受體通路可以通過抑制p38-促分裂素原活化蛋白激酶（p38-mitogen activated protein kinases, p38-MAPK）和P44的磷酸化進而降低TNF-α的水平[18]。這些結(jié)果都表明α7受體是尼古丁發(fā)揮抗炎作用的重要蛋白受體分子（見圖3）。

潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）是一種病因尚不明確的結(jié)腸和直腸慢性非特異性炎癥性疾病，嚴重影響了人們的身體健康。然而，研究發(fā)現(xiàn)UC患者中，吸煙者的患病比例卻非常低[19]。研究顯示：UC發(fā)病機制中伴隨著α7受體等膽堿能抗炎通路的激活，而尼古丁恰好可以通過激活α7受體的抗炎作用對該疾病具有一定的治療及預防作用[20]。此外，尼古丁治療UC的作用還體現(xiàn)在其可以通過增加結(jié)腸黏液屏障的生成及減少結(jié)腸血流量發(fā)揮作用[21]。骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是另一種病因機制尚不清楚的炎癥性疾病。炎性細胞因子在OA的發(fā)生、發(fā)展中具有重要的作用，吸煙人群中OA發(fā)生率較低的原因同樣是基于尼古丁的抗炎作用[22-23]；此外，在細菌引起的敗血癥或膿血癥急性炎癥中，由于細菌入侵了血液循環(huán)導致巨噬細胞等免疫細胞的過度激活，產(chǎn)生了大量的炎性細胞因子并造成了自身組織及器官的損傷，在這一過程中，尼古丁通過抑制巨噬細胞的活性進而能減輕敗血癥的不良作用[24-25]。

綜上，尼古丁的抗炎作用對于治療炎癥性相關(guān)疾病具有潛在的臨床意義，為開發(fā)尼古丁類似物的抗炎藥物奠定了基礎(chǔ)。

圖 3 尼古丁抑制炎癥的分子機制Figure 3 The molecular mechanism of anti-inflammatory effects of nicotine

2.2 尼古丁與疼痛

疼痛是機體內(nèi)部的一種傷害性感受，也是人體的防御性保護機制。長期劇烈的疼痛會給人們帶來身體和心理上的折磨，也會引發(fā)各種臨床疾病。

疼痛的發(fā)生與炎性反應之間存在密切的關(guān)聯(lián)。神經(jīng)病理性疼痛由軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或疾病直接導致，屬于一種慢性疼痛。病理條件下，如炎性反應、病毒或細菌感染時，小膠質(zhì)細胞會被快速激活，細胞內(nèi)的鈣離子濃度升高，激活p38-MAPK和NF-κB，從而調(diào)節(jié)多種炎性因子的合成和釋放[26-27]，并參與炎癥及持續(xù)疼痛狀態(tài)的發(fā)生。在上述過程中，乙酰膽堿受體發(fā)揮了重要的作用。研究表明有多種乙酰膽堿受體亞型參與了疼痛的發(fā)生，其中包括α4β2、α7及α5受體[28-29]。目前，存在大量關(guān)于乙酰膽堿受體激動劑對于鎮(zhèn)痛作用的研究[28]。例如，地棘蛙素（3）是一種非選擇性乙酰膽堿受體激動劑，其可以激活多種乙酰膽堿受體亞型和神經(jīng)肌肉受體。在小鼠的疼痛模型中，地棘蛙素的鎮(zhèn)痛作用與作用于阿片受體的傳統(tǒng)鎮(zhèn)痛劑嗎啡相當[30-31]。但是，該激動劑的受體非選擇性不可避免地造成了多種副作用，故而限制了其臨床應用[32]。盡管如此，這些受體依然是目前研發(fā)治療疼痛的藥物靶點，如地棘蛙素類似物ABT-594（4）也是α4β2受體的完全激動劑，其可以參與nAChRs介導的多種神經(jīng)遞質(zhì)的釋放發(fā)揮較強的鎮(zhèn)痛作用[33-34]。此外，膽堿作為α7受體的激動劑，在嚙齒目動物疼痛模型中具有良好的鎮(zhèn)痛作用[35]。以上證據(jù)證實了乙酰膽堿類受體在疼痛的發(fā)生和治療過程中發(fā)揮了十分重要的作用。尼古丁可以通過結(jié)合乙酰膽堿類受體發(fā)揮抗炎作用，其可以通過作用于小膠質(zhì)細胞上的α7受體抑制p38-MAPK信號通路進而對炎癥反應進行干預[18]。早期研究中，人們發(fā)現(xiàn)利用顯微注射的方式將尼古丁注入腦干的不同區(qū)域可以產(chǎn)生鎮(zhèn)痛作用[36]。最新研究表明，尼古丁主要通過作用于α4β2和α5受體發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用[29,37]。此外，尼古丁還可以通過α7受體抑制mTORC1信號通路進而減輕對疼痛敏感作用[14]。綜上，尼古丁可以通過結(jié)合乙酰膽堿受體進而減緩疼痛。因此，利用尼古丁開發(fā)新的治療疼痛藥物具有可行性，難點在于需實現(xiàn)尼古丁的可控精準給藥，從而避免其成癮的副作用。

2.3 尼古丁與神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病是一類蛋白錯誤折疊的腦部疾病。蛋白錯誤折疊聚集體[如β-淀粉樣蛋白（β-amyloid peptide，Aβ）聚集體、α-突觸核蛋白（α-synuclein）聚集體]作為危險相關(guān)分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs），被中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細胞（如小膠質(zhì)細胞）的天然免疫模式識別受體（如TLRs）識別，導致天然免疫通路活化，產(chǎn)生炎癥因子。神經(jīng)炎癥環(huán)境會誘導神經(jīng)元死亡，死亡的神經(jīng)元會釋放細胞內(nèi)容物，其中的DAMPs進一步活化中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細胞，產(chǎn)生更多的炎癥因子，從而形成一種惡性循環(huán)，促進神經(jīng)元的死亡和神經(jīng)退行性疾病的進展。因此，阻斷神經(jīng)炎癥是治療神經(jīng)退行性疾病的可行策略。同時，神經(jīng)退行性疾病的一個重要特征是神經(jīng)遞質(zhì)缺乏及神經(jīng)信號傳遞失常。尼古丁的結(jié)構(gòu)與神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿非常相似，能在神經(jīng)免疫調(diào)節(jié)中模仿乙酰膽堿的作用，具有抑制炎癥的作用[38]。同時由于尼古丁具有良好的血腦屏障透過能力，因此其很可能對神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展有抑制作用。這與流行病學調(diào)查發(fā)現(xiàn)吻合：吸煙人群中神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生比例遠低于不吸煙的人群[39-40]。

2.3.1 尼古丁與阿爾茨海默病阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種以記憶力和認知能力下降為主要特征的神經(jīng)退行性疾病。AD主要的病理特征表現(xiàn)為細胞內(nèi)Tau蛋白的積累及細胞外淀粉樣肽的聚集[41]。普遍認為Aβ的積累在加速AD進展中具有重要的作用。在AD患者的大腦中發(fā)現(xiàn)了Aβ的積累及小膠質(zhì)細胞的活化，這是造成神經(jīng)元的死亡原因[42]。

nAChRs與AD的發(fā)展進程有著重要的聯(lián)系。在疾病的早期階段會存在nAChRs減少的現(xiàn)象，主要是α4β2和α7受體減少，最終導致神經(jīng)元的死亡[43]。在AD患者的大腦中，nAChRs的數(shù)目明顯變少，丁酰膽堿酯酶（BuChE）活性升高，乙酰膽堿也減少[44]。BuChE和乙酰膽堿酯酶（AChE）可以通過抑制神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞終止乙酰膽堿的信號通路，進而使乙酰膽堿失活，這些發(fā)現(xiàn)是BuChE和AChE成為治療AD的藥物靶點的重要依據(jù)[45]。目前治療AD的藥物主要是針對AChE的抑制劑，如rivastigmine（5）、galantamine（6）和donepezil（7）[46-47]，但這類藥物對AD癥狀改善效果有限。與AChE抑制劑不同的是，尼古丁結(jié)合和活化nAChRs，通過抑制神經(jīng)炎癥，從而對抗AD進程，保護神經(jīng)元[48]和改善AD患者的認知水平[49]。研究發(fā)現(xiàn)，nAChRs拮抗劑可阻遏尼古丁對Aβ誘導的神經(jīng)損害的保護作用[50]，這進一步表明nAChRs參與AD的發(fā)展。

此外，研究發(fā)現(xiàn)尼古丁能促使nAChRs在大腦中和人工培養(yǎng)的細胞中的表達增高[51]，并且這種作用具有時間依賴性。通過尼古丁刺激人神經(jīng)母細胞瘤細胞系SH-SY5Y或小鼠的BC3H-1細胞系，可以觀察到nAChRs表達上調(diào)[52]，該過程由環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophophate，cAMP）和蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）所介導[53]。尼古丁長期的刺激會增加α4β2受體的表達，α4β2受體拮抗劑可消除尼古丁的神經(jīng)元保護作用[48]。因此，尼古丁可能通過上調(diào)AD患者中nAChRs表達和激活nAChRs進而緩解Aβ造成的神經(jīng)炎癥毒性從而達到預防和治療AD的作用。

2.3.2 尼古丁與帕金森病帕金森（Parkinson's disease，PD）是一種與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病。其特點是神經(jīng)細胞內(nèi)出現(xiàn)路易小體（Lewy bodies）蛋白聚集體；α-突觸核蛋白是路易小體的主要聚集蛋白。PD發(fā)病過程中，中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡，由此而引起紋狀體多巴胺含量顯著性減少而致病，導致震顫、強直、運動遲緩，甚至癡呆[54]。需要指出的是，目前尚無治愈這種疾病的方法，只能通過相應的藥物緩解疾病的癥狀。

遺傳相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，PD發(fā)病年齡與尼古丁依賴的易感性基因CHRNA5的多態(tài)性存在顯著的交互作用[55]。流行病學研究發(fā)現(xiàn)，吸煙人群的PD發(fā)生率低于不吸煙的人群，吸煙使PD的患病風險降低了40% ～ 50%[56]。同時，在煙霧暴露環(huán)境下的從未吸煙的人群中，患PD的概率也顯著降低[57-59]。此外，吸煙和患PD的概率不僅呈現(xiàn)劑量依賴關(guān)系，還存在一定的時間依賴關(guān)系[59]。煙齡越長且戒煙時年齡越大的個體，患PD的風險越低；在吸煙與PD患病風險指數(shù)中，與吸煙量的多少相比，吸煙時間的長短對降低患PD的風險更加重要[60]。同時，嚼煙和鼻煙等無煙煙草的使用也會降低患PD的風險[61]。這些研究都說明了尼古丁具有預防及治療PD的轉(zhuǎn)化應用潛力。

紋狀體中煙堿或膽堿系統(tǒng)與多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)能系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)，這是尼古丁治療PD的生物基礎(chǔ)[62]。尼古丁通過nAChRs，調(diào)節(jié)多巴胺能系統(tǒng)介導的紋狀體活動[63]。尼古丁可以有效地保護由四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）引起的紋狀體損傷，并改善PD模型動物的運動功能[64]。左旋多巴可以減輕PD輕度患者的癥狀，給接受左旋多巴注射后的PD模型大鼠使用尼古丁依然可以減少大鼠的50%以上的運動障礙[65]。這些結(jié)果支持尼古丁具有改善PD癥狀的潛力。除了模擬乙酰膽堿的神經(jīng)免疫調(diào)節(jié)作用，尼古丁也可能通過改變腸道微生物組成，降低腸道炎癥反應，減少腸神經(jīng)的α-突觸核蛋白的錯誤折疊聚集體，降低其向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的擴散，從而減少罹患PD的風險[66]。

3 結(jié)語

盡管尼古丁是煙草成癮的罪魁禍首，但是尼古丁對中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有廣泛的作用，如增強記憶力，調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)營養(yǎng)因子的釋放進而抑制神經(jīng)細胞凋亡。此外，尼古丁還可以通過調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周系統(tǒng)中的炎癥通路來影響許多病理過程，而且尼古丁對細菌和病毒引起的炎癥有顯著的抑制作用。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，尼古丁能夠干擾AD和PD的發(fā)生和發(fā)展。盡管流行病學研究及大量的研究表明，尼古丁對于神經(jīng)退行性疾病具有良好的治療或預防作用，但是尼古丁究竟如何調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥通路和干擾神經(jīng)退行性疾病的進展并不完全清楚。除了傳統(tǒng)的尼古丁乙酰膽堿受體，筆者推測尼古丁作為異源物很可能被天然免疫模式識別受體直接識別從而直接參與調(diào)控炎癥。深入了解尼古丁的免疫調(diào)節(jié)機制有利于發(fā)揮其有益的治療或預防作用，同時避免其局限性，如成癮及心血管疾病等副作用，這將為其潛在的臨床轉(zhuǎn)化應用提供重要的理論依據(jù)，因而具有重要意義。