综述：谷氨酸受体激动剂作为神经毒性的触发因素：五种神经毒素的通路解码及潜在治疗靶点

《ACS Omega》：Glutamate Receptor Agonists as Triggers of Neurotoxicity: Decoding Pathways of Five Neurotoxins and Potential Therapeutic Targets

本文系统综述了五种谷氨酸（l-Glu）受体激动剂（l-BMAA、QUIN、DomA、β-ODAP、l-HCA）的神经毒性机制。这些化合物通过模拟l-Glu结构，过度激活NMDA、AMPA及KA受体，导致Ca2+内流、氧化应激及线粒体功能障碍，最终引发神经元凋亡或坏死。文章深入解析了其与神经退行性疾病（如ALS、神经性山黧豆中毒、失忆性贝类中毒）的关联，并探讨了基于NMDA受体拮抗剂的潜在治疗策略。

　　

引言

谷氨酸（l-Glu）是中枢神经系统（CNS）中最重要的兴奋性神经递质，其作用通过离子型受体（iGluRs）和代谢型受体（mGluRs）介导。iGluRs作为离子通道，包括N-甲基-d-天冬氨酸（NMDA）受体、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体和海人藻酸（KA）受体，对突触可塑性和学习至关重要。

在神经元中，l-Glu储存在突触前末梢的突触囊泡中。当动作电位到达时，l-Glu被释放到突触间隙，与突触后神经元上的受体相互作用，导致离子内流。在正常的生理条件下，突触间隙中的l-Glu会被星形胶质细胞和神经元膜上的兴奋性氨基酸转运体（EAATs）清除。在星形胶质细胞内，l-Glu通过谷氨酰胺合成酶转化为谷氨酰胺，后者通过钠偶联中性氨基酸转运体（SNAT）转运回神经元，并在谷氨酰胺酶的作用下重新转化为l-Glu，作为兴奋性神经递质再利用，这一过程被称为l-Glu循环。

兴奋性毒性是指兴奋性氨基酸在细胞外间隙过度积累，导致神经细胞中离子型受体过度刺激的现象。这种过度刺激会导致细胞内钙离子浓度升高、活性氧（ROS）水平升高，并激活代谢通路和催化酶，从而诱导细胞凋亡。兴奋性毒性是多种神经退行性疾病的核心病理机制之一。

多种内源性或外源性化合物因其结构与l-Glu相似，能够作为l-Glu受体激动剂，引发兴奋性毒性。这些神经毒素包括β-N-甲基氨基-l-丙氨酸（l-BMAA）、喹啉酸（QUIN）、软骨藻酸（DomA）、β-N-草酰基-l-α,β-二氨基丙酸（β-ODAP）以及高半胱氨酸（Hcy）和l-高半胱氨酸（l-HCA）。本综述将重点探讨这五种关键神经毒素的结构特征、神经毒性机制及其在神经退行性疾病中的作用。

β-N-甲基氨基-l-丙氨酸（l-BMAA）

l-BMAA是一种非蛋白源性氨基酸，最初从苏铁科植物种子中分离得到，也被发现由某些蓝藻产生。其神经毒性潜力在关岛查莫罗人的研究中被强调，该地区肌萎缩侧索硬化（ALS）和ALS-帕金森痴呆复合征（ALS/PDC）的发病率异常高，这与当地居民长期食用含有l-BMAA的苏铁种子粉和以苏铁种子为食的蝙蝠有关。

l-BMAA的神经毒性机制主要与其化学结构有关，该结构允许其与神经元NMDA受体和mGluRs竞争性相互作用。其主要机制是过度刺激NMDA受体，激活信号级联反应，打开离子通道并增加Ca²⁺内流。这种过量的钙内流会破坏细胞稳态，最终导致神经元损伤和变性。细胞内Ca²⁺的升高会对线粒体代谢产生负面影响，增加线粒体膜通透性，促进孔的形成，从而释放促凋亡蛋白。这会导致呼吸链受损，ATP合成减少，并促进自由基和ROS的产生，共同导致氧化应激。

l-BMAA毒性的另一个关键机制是破坏真核细胞中的蛋白质合成。l-BMAA结构中的氨基和羧基排列有利于肽键的形成，使其在蛋白质合成过程中被整合到氨基酸链中。这种整合可能导致三级结构错误折叠，并形成抵抗蛋白水解降解的有毒寡聚簇。这些错误折叠的蛋白质会破坏细胞功能，并促进神经退行性过程。研究表明，在受ALS/PDC复合征影响的查莫罗患者额叶皮层组织中，蛋白质结合形式的l-BMAA浓度远高于游离形式，表明蛋白质结合部分充当了内源性储库，随着时间的推移逐渐释放l-BMAA，导致持续的神经毒性效应。

喹啉酸（QUIN）

喹啉酸（QUIN）是一种内源性NMDA受体激动剂，是l-色氨酸（l-Trp）通过犬尿氨酸途径（KP）在巨噬细胞和小胶质细胞中酶促氧化的产物。KP在调节睡眠、行为和认知方面起着至关重要的作用，同时产生具有神经毒性和神经保护特性的中间体。其中，QUIN是CNS中生物活性特别重要的代谢物。

在生理条件下，大脑和脑脊液中的犬尿氨酸浓度通常为50至100 nM，作为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）合成的底物。然而，超过150 nM的浓度与病理和炎症过程相关，通常与吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）表达增加和神经毒性有关。在神经炎症过程中，约95%的脑l-Trp通过KP在小胶质细胞中分解代谢，产生神经活性代谢物。这种分解代谢是由IDO的上调和活性增加驱动的，而IDO又受到促炎细胞因子（如干扰素-γ和肿瘤坏死因子-α）以及细菌脂多糖的刺激。

QUIN的神经毒性机制之一是细胞内Ca²⁺浓度升高。与l-BMAA类似，QUIN过度刺激NMDA受体会导致该阳离子内流增加，从而诱导线粒体功能障碍和细胞骨架不稳定。线粒体膜中过量的钙会触发孔的形成，损害呼吸链并增加膜通透性。这种破坏导致自由基（如羟基自由基和超氧阴离子）以及ROS（如过氧化氢）的产生。此外，升高的钙水平在释放线粒体内容物（如细胞色素C）中起着关键作用，从而激活半胱天冬酶，导致细胞凋亡。

第二个机制是由芬顿反应引发的，当线粒体损伤产生的H₂O₂与细胞内Fe²⁺相互作用时，会产生羟基自由基，对细胞DNA造成严重损害并导致膜脂质过氧化，最终增加细胞通透性。此外，这些自由基也可以通过QUIN和Fe²⁺之间的配位络合物形成，进一步加剧脂质过氧化和氧化应激。细胞内ROS水平升高可以增强神经末梢谷氨酸的释放，从而放大其主要的兴奋性毒性机制。

软骨藻酸（DomA）

软骨藻酸（DomA）是一种天然化合物，由某些微藻物种作为次级代谢产物产生，是公共卫生方面最重要的海洋毒素之一。人类主要通过食用受污染的双壳贝类接触这种化合物。其结构与KA和l-Glu相似，使其能够与AMPA、KA和NMDA受体相互作用。

1987年，加拿大发生了有记录以来最大规模的这种海洋毒素中毒事件，导致153例病例和4例死亡，原因是食用了受污染的蓝贻贝。受影响最严重的个体是老年患者或患有糖尿病、肾衰竭和高血压等既往疾病的患者。报告显示，胃肠道症状在接触后4-5小时开始，并迅速发展为头痛、记忆丧失、精神错乱和定向障碍。此后，DomA中毒被称为失忆性贝类中毒（ASP）。

与这种毒素急性暴露相关的毒性机制主要是由于其与iGluRs（特别是AMPA和KA类型）的高亲和力。当这些受体在神经元和星形胶质细胞中被激活时，Ca²⁺内流增加，导致ROS产生、脂质过氧化，并最终导致坏死。这种化合物的浓度升高会导致这些受体过度刺激，从而诱导突触间隙中囊泡谷氨酸的释放。这种过量的谷氨酸然后与突触后神经元上的NMDA受体结合，进一步放大了最初的神经毒性机制。

这种化合物在胃肠道中的吸收率很低。由于其高度极性的化学结构，约75%通过尿液排出，无需代谢转化，半衰期约为20分钟。有三类人群特别容易受到其毒性的影响：老年人（其神经水平的抗氧化防御能力减弱）、慢性肾病患者（肾脏清除率降低会延长毒素暴露时间）以及血脑屏障（BBB）完整性受损的患者。

β-N-草酰基-l-α,β-二氨基丙酸（β-ODAP）

神经毒素β-ODAP，也称为田菁氨酸，是一种非蛋白源性兴奋性氨基酸，存在于山黧豆（Lathyrus sativus）的种子中。1996年，埃塞俄比亚一个部落的约2000名成员因长期过量食用山黧豆而患上神经性山黧豆中毒。这种神经退行性疾病的特点是腰髓轴突丧失，可进展为需要支撑的移动障碍，在严重情况下导致下肢不可逆性瘫痪。

其与AMPA受体结合的能力导致Ca²⁺内流增加，随后增强细胞表面β-1整合素的表达。这种表达增加导致肌动蛋白单位磷酸化增加，最终破坏微丝结构并影响细胞骨架动力学。兴奋性毒性本身并不能解释与长期接触这种化合物相关的神经元损伤和病理学。与l-Glu不同，非蛋白源性氨基酸如β-ODAP和l-BMAA不会经历相同的再摄取机制。因此，它们可以在突触间隙中持续存在，导致Ca²⁺内流延长，这可能加剧神经元损伤和病理学。

氧化应激在神经性山黧豆中毒的病因学中起着重要作用，并涉及多种机制。值得注意的是，这种应激与线粒体复合物I的相互作用有关，导致ROS的产生。此外，氧化应激会抑制关键还原酶（如过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶）的活性，这些酶对于维持细胞氧化还原平衡至关重要。当细胞裂解发生时，胞质l-Glu被释放，导致邻近细胞的兴奋性毒性。这一过程启动了一个称为谷氨酸能循环的反馈回路，其中谷氨酸水平升高进一步刺激兴奋性毒性效应。

高半胱氨酸（Hcy）和l-高半胱氨酸（l-HCA）

l-高半胱氨酸（l-HCA）是一种存在于CNS中的内源性非蛋白源性氨基酸，通过高半胱氨酸（Hcy）的氧化形成。初步研究表明，l-HCA与l-Glu的结构相似性可能使其能够破坏突触传递并改变神经递质功能，特别是在谷氨酸能系统内。值得注意的是，这种化合物对NMDA受体表现出高亲和力，并且在与l-Glu相当的水平上具有诱导兴奋性毒性的潜力。

最近的研究也调查了Hcy的潜在兴奋性毒性作用。高半胱氨酸可以与NMDA受体相互作用，导致几种有害的细胞结果，包括DNA损伤、半胱天冬酶激活和线粒体自由基水平增加。这些事件最终导致体外大鼠海马神经元核解体和凋亡，有助于神经退行性疾病和中风的发病机制。值得注意的是，血浆高半胱氨酸水平往往随着年龄的增长而升高，浓度超过15 μmol/L与认知能力下降、痴呆和阿尔茨海默病有关。

此外，与其他l-Glu受体激动剂类似，浓度高于100 μM的高半胱氨酸可以增强钙内流，特别是在甘氨酸等辅助因子存在的情况下。Ca²⁺的增加导致一系列事件，包括产生促进神经和内皮细胞脂质过氧化的自由基——这是神经退行性过程的标志。

结论

总之，由l-谷氨酸和其他激动剂引起的兴奋性毒性是开发神经退行性疾病新疗法的主要焦点。这项研究特别针对NMDA受体，因为它们在兴奋性毒性过程中起着关键作用。竞争性和非竞争性NMDA受体拮抗剂，如美金刚、氯胺酮和艾芬地尔，已成为治疗策略，尽管它们有潜在的不良反应。此外，血脑屏障渗透、NMDA受体多样性、生物利用度、临床前和临床试验之间的差异，以及在不影响CNS中生理功能的情况下平衡受体抑制的需要等重大挑战，阻碍了有效治疗的开发。