色氨酸-犬尿氨酸代謝通路與神經(jīng)退行性疾病及中醫(yī)藥干預(yù)作用的研究進(jìn)展*

秦袖平，安雅婷

（天津市中醫(yī)藥研究院附屬醫(yī)院，天津 300120）

色氨酸是人體只能通過食物攝取的8種必須氨基酸之一，通過參與蛋白質(zhì)合成對機(jī)體的生長發(fā)育和新陳代謝起著重要作用[1]。色氨酸代謝生成了多種生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)能發(fā)揮不同的生物學(xué)效應(yīng)。如犬尿氨酸、犬尿酸、喹啉酸和吲哚胺-2，3-雙加氧酶等[2]。大量的研究[3-4]表明，色氨酸-犬尿氨酸代謝過程中的多種酶或產(chǎn)物與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病特別是神經(jīng)退行性疾病有著極其密切的關(guān)系。筆者針對這一代謝通路及其重要的生物活性物質(zhì)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)聯(lián)及近年以此為靶點(diǎn)的中醫(yī)藥干預(yù)做一綜述。

1 色氨酸-犬尿氨酸代謝通路（Tryptophankynurenine pathway）

色氨酸在機(jī)體代謝的部位主要是肝臟，其次是腦、腎、脾、骨骼肌等組織器官，生成了多種生物活性物質(zhì)。色氨酸在體內(nèi)有兩條分解代謝途徑（見圖1），其中只有少部分沿5-羥色胺（5-HT）代謝，而犬尿氨酸通路（KP）是色氨酸代謝的主要途徑（大于95%）。犬尿氨酸及其代謝中間體的堆積表現(xiàn)出不同的生物學(xué)作用，包括神經(jīng)活性和神經(jīng)毒性。早于1981年研究者便注意到這一通路的代謝產(chǎn)物喹啉酸對中樞神經(jīng)系統(tǒng)N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）的激動作用，隨后發(fā)現(xiàn)犬尿酸可對抗性作用于谷氨酰胺受體[2-3]。犬尿氨酸通路最終生成煙堿胺和重要的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸酶輔助因子（NAD+），NAD+在很多基礎(chǔ)生物學(xué)過程中起到重要作用。不過也有研究認(rèn)為犬尿氨酸通路是神經(jīng)退行性疾病和嚴(yán)重大腦損傷中神經(jīng)元受損的重要途徑[5]。

犬尿氨酸通路的起始步驟是由兩種酶將色氨酸轉(zhuǎn)化為N-甲?；?犬尿氨酸，這兩種酶分別是吲哚胺-2，3-雙加氧酶（IDO-1，IDO-2） 和色氨酸-2，3-雙加氧酶（TDO）[6]；N-甲酰基-犬尿氨酸不穩(wěn)定，隨即由犬尿氨酸甲酰胺酶轉(zhuǎn)化為犬尿氨酸。犬尿氨酸是這一通路的中心。首先，犬尿氨酸在犬尿氨酸-3-單氧化酶（KMO）作用下完成羥基化生成3-羥基-犬尿氨酸（3-HK）[7]；在犬尿氨酸酶的催化下生成鄰氨苯甲酸（ANA）；在犬尿氨酸轉(zhuǎn)氨酶家族的催化下生成終產(chǎn)物犬尿喹啉酸，也稱犬尿酸[8]。隨后，無論是3-HK還是ANA都轉(zhuǎn)化生成3-羥鄰氨苯甲酸（3-HAA），繼而轉(zhuǎn)化為2-氨基-3-羰基粘康酸半醛（ACMS），進(jìn)一步代謝成喹啉酸（QUIN），而由喹啉酸生成的煙堿胺經(jīng)了轉(zhuǎn)氨基作用最終生成NAD+/NADP+。在這里，所有的代謝產(chǎn)物又被統(tǒng)稱為犬尿氨酸能物質(zhì)。

2 KP代謝產(chǎn)物及相關(guān)酶在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的生物學(xué)作用

圖1 色氨酸-犬尿氨酸代謝通路Fig.1 Tryptophan-kynurenine metabolic pathways

2.1 犬尿氨酸（KYN） 犬尿氨酸通路是色氨酸代謝的主要途徑，由這一通路生成的一系列生物活性物質(zhì)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮重要功能。犬尿氨酸因它在KP的核心地位而受到研究者越來越多的關(guān)注。事實(shí)上，犬尿氨酸水平以及犬尿氨酸與色氨酸的比值通常作為神經(jīng)中樞疾病病理改變的一個重要指標(biāo)[9]。正常生理狀態(tài)下，肝內(nèi)TDO作為KYN代謝的首個限速酶，決定著機(jī)體色氨酸和KYN的水平，但是在炎癥或應(yīng)激狀態(tài)下（如IFN-γ或其他免疫刺激），IDO則成為KYN代謝的限速酶[10]。哺乳動物腦內(nèi)KYN來源由兩部分構(gòu)成，其中約40%KYN通過腦內(nèi)KP代謝途徑自行合成，另外約60%的KYN則來自外周，借助神經(jīng)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體攜入腦內(nèi)[10]。有研究表明犬尿氨酸可以作為潛在的內(nèi)源性抗氧化劑，保護(hù)大分子物質(zhì)避免氧化修飾。不過也有報道稱犬尿氨酸可表現(xiàn)出誘導(dǎo)氧化的作用。

2.2 犬尿酸（KA） 犬尿酸（KA）在哺乳動物中以納摩濃度級別存在，是3種內(nèi)源性谷氨酸鹽受體的拮抗劑，即AMDA、NMDA和紅藻氨酸受體，而犬尿酸最強(qiáng)的抑制效應(yīng)源于它對NMDA受體上甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)的作用[11]。有研究認(rèn)為犬尿酸具有神經(jīng)保護(hù)作用，可對抗喹啉酸過度興奮NMDA受體引發(fā)的神經(jīng)毒性[12]。除了對NMDA受體有拮抗作用外，犬尿酸還能夠非競爭性拮抗α7-煙堿乙酰膽堿受體（α7-nAChR），降低神經(jīng)細(xì)胞外谷氨酸（Glu）和多巴胺（DA）的水平[13]。

2.3 喹啉酸（QUIN） 喹啉酸（QUIN）是NMDA受體的競爭性激動劑，特別是對包含NR2A和NR2B的NMDA受體亞型，因此喹啉酸對于有這些亞型的受體表現(xiàn)出較強(qiáng)的損傷。一方面，QUIN促進(jìn)神經(jīng)元對谷氨酸的釋放；另一方面抑制膠質(zhì)細(xì)胞對谷氨酸的攝取，增強(qiáng)突觸的利用，從而過度激活NMDA受體，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞鈣離子內(nèi)流增加過氧硝酸鹽水平損傷神經(jīng)細(xì)胞[14]。另外，喹啉酸或喹啉酸激活的NMDA受體可產(chǎn)生活性氧或代謝損傷而影響神經(jīng)元功能。QUIN/KA值常作為谷氨酸受體激活程度和神經(jīng)毒性的指標(biāo)[15]。此外，喹啉酸也可以作為神經(jīng)系統(tǒng)局部炎癥的促發(fā)者，增加例如單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）和RANTES類的化學(xué)趨化因子的表達(dá)和釋放，促使神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡，破壞血腦屏障（BBB）[16]。

2.4 3-羥基犬尿氨酸（3-HK） 3-HK是具有神經(jīng)毒性的犬尿氨酸通路代謝產(chǎn)物之一，較強(qiáng)的親脂性使其很容易透過血腦屏障，最終在大腦中樞積聚。大量的研究表明3-HK和3-羥鄰氨苯甲酸（3-HAA）會產(chǎn)生大量自由基引起氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化，這可能與抑制電子傳遞鏈復(fù)合物損傷線粒體功能有關(guān)。而氧化應(yīng)激和線粒體損傷參與一系列中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理過程[17]。另外，在組織損傷或炎癥環(huán)境下，犬尿氨酸單氧化酶（KMO）和3-HK的水平急劇升高，由KYN-KMO代謝分支生成的喹啉酸也將增多，從而進(jìn)一步加重了神經(jīng)毒性反應(yīng)。

2.5 吲哚胺-2，3-雙加氧酶（IDO） 犬尿氨酸代謝的主要限速酶是IDO和TDO，其中IDO有兩種亞型，分別是IDO-1和IDO-2。TDO主要是在肝臟中表達(dá)，底物水平和皮質(zhì)醇含量會使TDO的表達(dá)升高，而炎癥因子的刺激則會增加IDO表達(dá)[18]。IDO在其他器官如肝、腎、腦等均有一定分布，另外IDO主要在單核細(xì)胞和樹枝狀細(xì)胞等免疫細(xì)胞中表達(dá)[19]。事實(shí)上，IDO被認(rèn)為是炎癥或應(yīng)激狀態(tài)下犬尿氨酸類物質(zhì)生成的主要催化酶，IDO的表達(dá)最先由干擾素（IFNs）介導(dǎo)，特別是 IFN-γ[20]。此外，IDO 表達(dá)也可以被其他幾種促炎因子激活。總之，炎癥介質(zhì)或應(yīng)激過程能夠極大地促進(jìn)IDO的表達(dá)，加速犬尿氨酸通路的代謝。

2.6 犬尿氨酸-3-單氧化酶（KMO） KMO是犬尿氨酸通路中的另一個關(guān)鍵代謝酶，作用于犬尿氨酸通路下游分支。KMO位于線粒體外膜且在多種外周組織中表達(dá)，包括肝臟、腎臟以及吞噬細(xì)胞如巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞等。在神經(jīng)系統(tǒng)中，KMO主要分布在小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞[21]。與IDO類似的是，KMO也可由炎癥介質(zhì)誘導(dǎo)表達(dá)。LPS、IL-1β可上調(diào)KMO表達(dá)，而KMO抑制劑Ro 61-8048共處理可以使IL-1β的不利作用反轉(zhuǎn)[22]。在炎癥介質(zhì)刺激下，KMO可能會通過升高神經(jīng)系統(tǒng)3-HK和QUIN濃度產(chǎn)生神經(jīng)毒性。Zwilling等[23]給予小鼠KMO抑制劑后，KA水平明顯升高，相應(yīng)地，QUIN和3-HK的含量降低，同時很大程度地改善了阿爾茨海默癥（AD）和亨廷頓?。℉D）引起的認(rèn)知損傷，而Campesan等[24]在果蠅HD模型上也證實(shí)了這一點(diǎn)，甚至認(rèn)為可以通過給藥一定劑量的KA實(shí)現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)作用。

3 犬尿氨酸能物質(zhì)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的意義

KP與神經(jīng)、免疫及內(nèi)分泌系統(tǒng)關(guān)系密切，該途徑中的代謝產(chǎn)物（或酶系）在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮不同的生物學(xué)作用。

3.1 帕金森氏病 帕金森氏病（PD）是繼AD之后全球第二大神經(jīng)退行性疾病，其主要病理學(xué)改變是中腦黑質(zhì)致密部DA能神經(jīng)元變性死亡以及殘存神經(jīng)元胞質(zhì)中出現(xiàn)路易小體。內(nèi)源性興奮毒性介質(zhì)與帕金森氏病黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的退化密切相關(guān)。帕金森氏癥患者的額葉皮質(zhì)、殼核和黑質(zhì)致密部位3-羥基犬尿氨酸明顯增多，而KA濃度是降低的[25]。有研究發(fā)現(xiàn)，給于帕金森病動物模型MPTP后，KATⅠ的表達(dá)水平下降[26]。類似的，在用MPP+（MPTP的有毒代謝物）處理的皮質(zhì)切片中也出現(xiàn)了KATⅡ活性降低的現(xiàn)象[27]。因此，有學(xué)者認(rèn)為調(diào)節(jié)KP通路轉(zhuǎn)向生成KA是一個潛在治療帕金森病的有效方案[28]。同時多項(xiàng)研究表明NMDA受體拮抗劑在帕金森病動物及體外模型中表現(xiàn)出神經(jīng)保護(hù)功能。

研發(fā)透過血腦屏障的KMO抑制劑是一種新的策略用來減輕犬尿氨酸通路激活引發(fā)的神經(jīng)毒性。此外，側(cè)腦室注射煙堿丙氨酸伴隨全身給藥犬尿氨酸和丙磺舒提高了腦內(nèi)KYNA水平，同時降低由喹啉酸導(dǎo)致的小鼠黑質(zhì)體毒性[29]。聯(lián)合給藥犬尿氨酸和丙磺舒可以阻止紋狀體內(nèi)多巴胺水平下降和神經(jīng)性退行性變[30]。

3.2 阿爾茨海默癥 阿爾茨海默?。ˋD）也稱老年性癡呆，是一種起病隱匿、呈漸進(jìn)發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，腦實(shí)質(zhì)中老年斑及小動脈血管內(nèi)β淀粉樣蛋白（Aβ）大量沉積是AD致病的關(guān)鍵因素[31]。近年來越來越多的研究顯示，阿爾茨海默癥動物模型血清KYN、3-HK濃度明顯上升，同時Trp、KA濃度呈現(xiàn)下降趨勢，而這種變化與認(rèn)知功能的損傷密切相關(guān)[32]。在人的巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，Aβ和KA共同促進(jìn)喹啉酸的生成，這可能是導(dǎo)致阿爾茨海默癥氧化過程的原因。相似地，Aβ1-42可誘導(dǎo)IDO mRNA的表達(dá)增加，進(jìn)而通過3-HK和3-HAA引發(fā)的氧化應(yīng)激參與神經(jīng)退行性疾病過程。最近的研究表明TDO介導(dǎo)的犬尿氨酸通路激活導(dǎo)致神經(jīng)元纖維纏結(jié)，與老年斑的形成有關(guān)。另外，尸檢發(fā)現(xiàn)TDO、喹啉酸與神經(jīng)元纖維纏結(jié)以及淀粉樣蛋白在阿爾茨海默病患者的海馬區(qū)同時出現(xiàn)。作為潛在的治療靶點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)大鼠長期給予一種KMO小分子抑制劑JM6會降低細(xì)胞外谷氨酸濃度，升高大腦和血清中KA的水平，在阿爾茨海默癥模型中可以改善小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力、焦慮樣表現(xiàn)和突觸缺失，不過對于β淀粉樣蛋白的蓄積并沒有影響[33]。

3.3 亨廷頓病 KP代謝產(chǎn)物被認(rèn)為與亨廷頓病的病理進(jìn)程有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)[34]，不論亨廷頓患者還是轉(zhuǎn)基因鼠新紋狀體和皮質(zhì)均出現(xiàn)QUIN、3-HK濃度升高的趨勢。在果蠅模型中，抑制TDO或KMO基因會導(dǎo)致3-HK水平降低以及使KP向合成KA方向進(jìn)行，這表現(xiàn)出一定的神經(jīng)保護(hù)作用。有文獻(xiàn)報道[35]多種KMO抑制劑包括JM6和Ro61-8048可以延緩神經(jīng)元退化，JM6可減少亨廷頓病鼠模型突觸的缺失，維持突觸活性和降低神經(jīng)炎癥反應(yīng)。

4 以色氨酸-犬尿氨酸代謝通路為靶點(diǎn)的中醫(yī)藥干預(yù)

傳統(tǒng)中藥在中國預(yù)防和治療疾病已經(jīng)有幾千年歷史，而今越來越多的研究報道表明，以色氨酸-犬尿氨酸代謝通路為靶點(diǎn)的中醫(yī)藥干預(yù)療效顯著。

人參藥材作為一種有效的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病傳統(tǒng)治療藥物已經(jīng)被越來越多的研究所證實(shí)，人參皂苷是其主要有效成分。Kang[36]以200 mg/kg劑量的人參總皂苷干預(yù)LPS誘導(dǎo)的抑郁癥動物模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人參總皂苷可以明顯減輕抑郁行為，使其在蔗糖水偏好實(shí)驗(yàn)、懸尾實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)迫游泳實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)更好。進(jìn)一步研究顯示，人參總皂苷能顯著降低LPS介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥因子IL-1β、IL-6水平和IDO酶的表達(dá)，從而使犬尿氨酸/色氨酸（KYN/Trp）轉(zhuǎn)化率下降，減少毒代謝產(chǎn)物喹啉酸的含量[37]。紅花是常用的活血化瘀中藥，具有活血通經(jīng)，散瘀止痛的功效。有研究顯示[38]其在抑郁癥的治療中療效突出。Kuehnl[39]利用體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)考察了紅花中木質(zhì)素類成分對色氨酸轉(zhuǎn)化程度的影響。結(jié)果表明木質(zhì)素能夠顯著抑制IDO酶活性，并且在一定范圍內(nèi)呈劑量依賴性。這大大減少了Trp沿著KP方向的轉(zhuǎn)化。

由黃連、黃芩、黃柏和梔子組成的黃連解毒湯能夠改善阿爾茨海默癥模型動物的學(xué)習(xí)記憶能力[40]，體外實(shí)驗(yàn)證明，黃連解毒湯的君藥黃連有很強(qiáng)的IDO-1酶抑制活性，是IDO的非競爭性抑制劑。這種酶抑制作用在很大程度上能夠減少淀粉樣斑塊形成和神經(jīng)元缺失，最終可緩解由阿爾茨海默病引起的認(rèn)知功能損傷，并將很可能成為良好的退行性疾病候選藥物[41]。逍遙散由柴胡、當(dāng)歸、白芍、茯苓、白術(shù)、甘草組成，是臨床常用經(jīng)典方劑，具有疏肝解郁、健脾和營、養(yǎng)血調(diào)經(jīng)的功效。彭希、徐志偉[42-43]等觀察到逍遙散水煎液對抑郁模型動物有較好的緩解作用，認(rèn)為是通過增加腦內(nèi)5-HT含量達(dá)到抗抑郁療效的。這與Jiao等[44]的研究結(jié)果相一致。Jiao等認(rèn)為慢性束縛應(yīng)激抑郁癥與大腦海馬區(qū)色氨酸的代謝紊亂密切相關(guān)，其中色氨酸羥化酶（TPH2）和IDO1活性強(qiáng)弱是色氨酸代謝平衡的關(guān)鍵。持續(xù)慢性束縛應(yīng)激不僅通過抑制TPH2酶活性減少5-HT的合成，還可以增加KP中IDO1的表達(dá)使神經(jīng)毒性物質(zhì)犬尿氨酸和喹啉酸的含量增加，二者共同作用下出現(xiàn)了精神抑郁的病癥。而逍遙散則能夠通過調(diào)節(jié)色氨酸代謝的關(guān)鍵酶和活性物質(zhì)含量使抑郁狀態(tài)得到很好的緩解，認(rèn)為經(jīng)典方劑逍遙散在治療神經(jīng)精神疾患方面有著廣闊的臨床應(yīng)用前景。

此外，文獻(xiàn)報道經(jīng)典方藥四逆散[45]和天絲飲[46]也可以阻斷炎癥因子誘導(dǎo)的IDO活化，抑制IDO的活性和表達(dá)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)色氨酸-犬尿氨酸代謝環(huán)節(jié)發(fā)揮抗抑郁的作用。

5 結(jié)語

綜上，犬尿氨酸代謝產(chǎn)物和酶參與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的生理病理過程，與其發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。由于各自生理特點(diǎn)不同，如QUIN具有興奮性毒性，KA具有神經(jīng)保護(hù)作用等，單獨(dú)或共同參與諸如興奮性毒性、神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激、線粒體損傷等病理過程，盡管其具體作用機(jī)制目前尚未完全清楚。不過調(diào)控KP代謝平衡的關(guān)鍵酶如IDO，KMO應(yīng)該引起相應(yīng)的重視，選用這些酶的激動劑或拮抗劑改變酶活性以干預(yù)其酶促反應(yīng)過程，這或許有可能為相應(yīng)的神經(jīng)疾病提供有效的治療策略，也為中醫(yī)藥新藥研發(fā)提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。