犬尿氨酸通路在儿童神经发育障碍性疾病中的研究进展

荆晓琦，方成志，张丙宏

作者单位：武汉大学人民医院新生儿科，湖北 武汉 430060

神经发育障碍（neurodevelopmental disorders，NDD）是由于遗传和环境因素综合作用而导致的中枢神经系统发育缺陷［1］，以儿童期发育运动延迟，社会和情感行为改变以及认知障碍为特征［2-4］。在涉及的脑区达到功能成熟的特定发展阶段之前，儿童NDD 相关病理表现可被识别，表现为神经软体征、认知缺陷、脑形态学改变等，并出现相关临床症状，最终可能导致终身疾病［5］。作为一组与遗传异质性和后天疾病高度相关的神经精神类疾病，神经发育障碍全球儿童患病率为2%～5%，给社会和家庭带来极大的负担［6］。常见的儿童神经发育障碍性疾病包括孤独症谱系障碍（autism spectrum disorders，ASD）、注意力缺陷多动障碍（attention deficit hyperactivity disorder，ADHD）、癫痫、精神分裂症（schizophrenia，SCZ）等［6-8］。儿童NDD 的发病机制复杂，长久以来人们普遍认为突触形成和修剪、神经细胞分化迁移、髓鞘形成等相关基因异常与环境因素共同作用导致了病人的复杂症状［1，9-11］。但越来越多的研究揭示了神经炎症和免疫失调是神经发育障碍性疾病共同机制的重要环节［12-13］。直接证据包括病人细胞因子表达谱的变化，当机体处于细胞因子激活状态时，循环促炎化合物水平的升高与神经发育障碍性疾病症状加重、神经病理学表现突出和认知缺陷加剧相关［14］；Purves-Tyson等［15］发现早发SCZ病人脑中补体C1qA、C3 和C4 的基因表达增加；而肠道菌群紊乱引起炎症因子的累积以及抗体产生的失衡，影响了病人的脑发育及神经元可塑性［16］。犬尿氨酸通路（the kynurenine pathway，KP）的神经活性代谢产物在神经系统发育过程中发挥重要作用。有学者发现，犬尿氨酸（kynurenine，KYN）、犬尿喹啉酸（kynurenic acid，KYNA）和3-羟基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）在大鼠胎儿脑中水平较高，出生后快速下降，并在成年期保持较低水平［17］。研究表明，围生期母体感染和缺氧均会影响胎儿大脑中KP 代谢产物水平和大脑发育，增加出现精神神经症状的风险［18-21］。早期神经发育中，α-7烟碱性乙酰胆碱受体（α-7nAchRs）、N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体等KP 代谢产物相关受体的功能障碍与ADHD、ASD 和SCZ 病儿的中枢神经发育异常关系密切［22-24］。本研究就KP 在儿童NDD 中的研究进展综述如下。

1 KP的组成及相关代谢产物

1.1 KP 的组成色氨酸是人体的必需芳香族氨基酸。生理状况下小部分色氨酸代谢成血清素，超过95%的色氨酸在吲哚胺-2，3-双加氧酶（indoleamine-2，3-dioxygenase，IDO）和色氨酸-2，3-双加氧酶（tryptophan-2，3-dioxygenase，TDO）的作用下首先代谢为中间产物KYN 并进一步产生喹啉酸、KYNA 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）等神经活性代谢产物［25］。KP是免疫系统的重要调节通路，其关键酶可被皮质醇和炎症细胞因子激活［26］。KP 的特殊性在于它能够同时产生具有神经保护作用和神经毒性的代谢产物。生理条件下，“喹啉酸分支”处于休眠状态，KYN 优先通过犬尿氨酸氨基转移酶（kynurenine aminotransferases，KAT）在星形胶质细胞中合成具有神经保护作用的KYNA；KYN 也可生成3-羟基犬尿氨酸后转化为喹啉酸并最终分解为NAD+［27-28］。近年来的研究发现KP与炎症-免疫失调过程的紧密关联。干扰素-γ （INF-γ）、白细胞介素-1β （IL-1β）和肿瘤坏死因子α （TNF-α）等促炎细胞因子可诱导IDO 的表达上调［29-30］；生理条件下喹啉酸/KYNA 的比例受到严格控制，其比值的微小波动可能导致严重的神经病理学改变［31］。越来越多的研究揭示了KP在神经发育过程中的作用，关注它在疾病状态下的改变能够为调控KP 治疗儿童NDD 提供理论依据。

1.2 喹啉酸喹啉酸主要由活化的小胶质细胞和巨噬细胞产生。作为一种内源性NMDA 受体激动剂，喹啉酸主要通过抑制谷氨酰胺合成酶和星形胶质细胞重摄取谷氨酸具有兴奋毒性作用［32］。过量的喹啉酸通过增强钙离子的内流和蛋白激酶、磷脂酶、一氧化氮合酶等细胞损伤相关酶的活化，进而激活相关凋亡途径［33-34］。有研究证实，喹啉酸也能够参与活性氧形成，介导脂质过氧化，介导神经细胞损伤［35-38］。Rahman 等［39］在培养人原代胚胎神经元时发现，病理浓度（＞100 nmol/L ）的喹啉酸能够调控蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PP）1、PP2A、PP2B等PP上丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化，激活τ蛋白（tau蛋白），诱发神经毒性。

1.3 KMOKMO 是KP 途径的关键酶，在脑中主要表达于小胶质细胞［40］，也存在于外周组织（肝脏、肾脏和胎盘）的巨噬细胞中［41］。口服KMO 抑制剂Ro 61-8048 可以增加沙鼠海马细胞外液中KYNA 浓度，并且应用该化合物在神经系统疾病的灵长类动物模型中能够发挥神经保护作用［42-43］。Giorgini等［44］在KMO 基因敲除小鼠中观察到，KYN 和KYNA水平明显升高，3-HK和喹啉酸水平有所降低。以上表明，靶向KMO 在一定程度上可恢复KP 代谢产物的失衡。

1.4 KYNAKYNA 在脑内星形胶质细胞中由KYN 经KAT 催化产生，在神经系统疾病的体内外模型中发挥抗炎抗氧化的作用［31，45-47］。生理浓度的KYNA 通过拮抗α7nAchRs，抑制突触前膜释放谷氨酸；病理状态下，KYNA 作用于NMDA 受体上的甘氨酸位点［半抑制浓度（IC50）10～30 μmol/L］和谷氨酸位点（IC50500 μmol/L），通过阻断兴奋性神经递质传递，从而保护神经功能。GP35作为KYNA 的内源性配体，二者结合可参与调节胶质细胞中谷氨酸释放、单核细胞外渗、炎症反应以及细胞因子释放等多种病理生理过程［48-49］。

1.5 KAT在人类、小鼠和大鼠的中枢神经系统中，目前已经分离出4种KAT的亚型，分别为KAT Ⅰ、KAT Ⅱ、KAT Ⅲ和KAT Ⅳ。其中，KAT Ⅱ高表达于星形胶质细胞，是大脑合成KYNA 的主要催化亚基［50］。Bortz等［51］发现，抑制大鼠的KAT Ⅱ能够降低脑内KYNA 水平，提高认知能力。在啮齿动物和灵长类动物中使用KAT Ⅱ抑制剂PF-04859989 可减少中脑多巴胺放电，改善认知功能，对苯丙胺和氯胺酮引起的感觉障碍也有缓解作用［52］。

2 KP在儿童神经发育障碍性疾病中的作用

2.1 KP异常与ASDASD是具有高度异质性的神经发育性疾病，特点是社交和沟通障碍、刻板和僵化的行为模式、兴趣范围狭窄等［53］。KP 的脑-肠轴受损进而诱发免疫炎症被认为是ASD 的潜在发病机制［54］。ASD 病儿血浆和尿液中KP 改变以色氨酸水平降低、高 IDO1 活性为特征［55］。与正常儿童相比，ASD 病儿的 KYNA 血浆水平显著降低，KYN/KYNA 比值显著升高，喹啉酸过量蓄积，表明ASD病儿中色氨酸消耗较大，KAT 活性降低［54］。有研究者发现，ASD 病儿的临床特征可能与小脑、脑干等多个大脑区域的小胶质细胞过度激活所导致的突触功能受损相关［53］。作为ASD 的潜在致病因素，小胶质细胞过度激活的关键时期可能从胎儿期持续至早期发育阶段［53］。流行病学相关研究表明，母体孕期免疫激活会增加后代患ASD的风险［56］。

2.2 KP 异常与癫痫癫痫是儿童期较为常见的神经系统疾病，以大脑神经元异常放电引起短暂中枢神经系统功能失常为特征，常伴有其他心理、认知和躯体合并症［57-58］。既往研究证实，原发性癫痫病人和继发于自身免疫性脑炎的癫痫病人的血清和脑脊液中IDO1 和KYN/色氨酸比值均升高；Deng等［59］在继发性癫痫动物模型中观察到，IDO1主要定位于小胶质细胞，下调IDO1 表达，血清和海马的KYN 水平和KYN/色氨酸比值显著降低。这些结果表明，IDO1 可能与继发性癫痫的密切相关。同时Dey 等［60］在继发性癫痫病人中发现，随着癫痫持续时间、发作频率的增加，KAT Ⅱ活性降低，内源性KYNA 合成减少，喹啉酸的从头合成显著增加，最终导致海马细胞谷氨酸过度释放。此外，难治性儿童癫痫发作频率与KYNA 浓度有关，而生酮饮食可能通过诱导KAT活性从而增加KYNA的血浆水平［61］。

2.3 KP 异常与SCZSCZ 病因假说主要涉及神经递质异常、神经发育障碍和免疫系统紊乱，但这些假说都不能完全解释SCZ 病人的复杂症状和异质性。现有证据表明，在没有身体伤害的情况下，心理压力可以引起炎症活动的显著增加，而事实上近一半的SCZ 可被定义为“高炎症/免疫生物型”［15］。SCZ 的KYN 假说基于脑内过量的KYNA 可以通过干扰谷氨酸能和胆碱能传递，间接影响多巴胺能信号传导，从而导致SCZ 症状［31］。此外，SCZ 的认知障碍程度与大脑中KYNA 水平有关［62］。SCZ 伴随的炎症和氧化应激，通过诱导IDO而激活KP相关神经毒性级联反应［63］。Zhang 等［64］发现，首发且未用药精的神分裂症病人外周血中IDO 水平升高，且IDO 水平与TNF-α、IFN-γ等促炎细胞因子水平和阴性症状呈显著正相关。IDO 在大脑中的神经元、胶质细胞和巨噬细胞中广泛表达，IDOrs9657182 等位基因的多态性与SCZ发病机制有关［63］。在SCZ病人的尸检中发现，前额叶皮层中TDO2 的mRNA 表达量显著增加［65］。在动物模型中使用TDO 抑制剂后，纹状体中脂质损伤和羧基蛋白水平下降、超氧化物歧化酶活性升高，海马中羧基蛋白水平降低、过氧化氢酶活性升高。

3 总结与展望

作为连接内分泌、代谢、免疫等多种生理过程的纽带，KP 失调通过诱导神经炎症、兴奋性氨基酸毒性、氧化应激等诸多病理生理机制，参与了多系统疾病的发生与发展。鉴于KP 的功能多样性和在中枢神经系统中的重要地位，学者们进行了大量研究探索KP的激活途径以及KP的重要酶和代谢产物所介导的神经损伤机制。最新的药理学和遗传学研究补充了代谢实验的部分不足，提示通过靶向KP以恢复其代谢产物失衡，在未来预防和治疗神经系统疾病中有巨大潜力。目前靶向KP 重要酶及产物的治疗策略在神经系统疾病的体内外实验中得到了验证，例如，Murakami 等［66］发现托莫西汀可通过调节ASD 动物模型大脑额叶皮质中KYNA 水平，改善社会行为和（或）社会识别记忆受损；研究者在癫痫小鼠模型中观察到，敲除IDO1基因能够减轻神经元损伤、癫痫持续状态后的炎症反应和癫痫发作［59］。未来我们将进一步研究KP 在儿童神经发育障碍性疾病病理生理过程中的重要作用，争取为临床决策提供新的理论指导和实验依据。