甲基丙二酸血症脑损伤机制研究进展

第 28卷第 1期 2008年2月 国际病理科学与临床杂志 International Journal of Pathology and Clinical Medicine V01．28 No．1 Feb． 20o8 甲基丙二酸血症脑损伤机制研究进展 王斐 综述 韩连 审校 (上海交通大学医学院附属新华医院，上海市儿科医学研究所，内分泌遗传代谢病研究室，上海200092) [摘要] 甲基丙二酸血症是由于甲基丙二酰辅酶 A变位酶或其辅酶腺苷钴胺素缺陷所致的一种遗传性代谢 疾病。患者体内甲基丙二酸及其他代谢产物蓄积，造成脑组织损伤，可现为各种不同程度的智力发育迟缓及严 重的神经功能障碍。甲基丙二酸血症的脑损伤机制至今尚不完全明确，目前研究主要集中在：线粒体功能障碍、神 经元细胞凋亡、细胞骨架磷酸化改变及髓鞘形成障碍等脑神经结构损伤；神经节苷脂和突触可塑性异常等脑神经 发育损伤；以及认知和行为改变等脑功能损伤。 [关键词] 甲基丙二酸血症； 脑损伤； 脑神经结构； 脑功能； 脑发育 [中图分类号] 89．3 [文献标识码] A [文章编号] 1673-2588(2008)O1-0077-04 Progress in mechanisms of brain injury in methylmalonic acidemia WANG Fei，HAN Lian—shu (Department ofPediatricEndocrinology and GeneticMetabolism，ShanghaiInstitute rPediatric Research， XinhuaHospital，Shanghai JiaotongUniversity School ofMedical，Shanghai 200092，China) [Abstract] Methy lmalonic acidemia is an inherited metabolic disorder，which is caused by deft— ciency of methylmalonyl-coenzyme A mutase or its cofactor adenosylcobalamin． The accumulation of methylmalonic acid and other metabolites results in the brain injury．The affected infants may present var— iable degrees of mental retardation and severe neurological dysfunction．At present，the underlying mech— anisms of brain injury in methylmalonic acidemia have not yet fully established．The current researches are mainly related to the following three aspects：firstly，the neuronal structure injury such as mitochondri— al dysfunction，neuronal apoptosis，the alteration of cytoskeleton phosphorylation and hypomyelination； secondly，the brain function injury such as abnormalities of ganglioside and synaptic plasticity；thirdly， the brain development injury such as changes of cognition and behavior in meth~rlmalonic acidemia． [Key words] methylmalonic aCidemia； brain injury； neuronal structure； brain function； brain development [Int J Pathol Clin Med，2008，28(1)：0077-04] 甲基丙二酸血症(methylmalonic acidemia)是一 种常染色体隐性遗传的有机酸血症，根据酶缺陷的 类型分为甲基丙二酰辅酶 A变位酶(methylmalonyl- CoAmutase，MCM)缺陷及其辅酶腺苷钴胺素(维生 素 B，：)代谢障碍两大类。正常情况下甲基丙二酸 (methylmalonic acid，MMA)在甲基丙二酰辅酶 A变 位酶及腺苷维生素 B，：的作用下转化生成琥珀酰辅 酶 A，参与三羧酸循环。甲基丙二酰辅酶 A变位酶 缺陷或维生素 B，：代谢障碍导致甲基丙二酸、丙酸、 丙二酸、甲基枸橼酸、B-羟基丁酸等代谢物异常蓄 积，引起神经、肝脏、肾脏等多系统损伤。神经系统 损伤以脑损伤最为显著，其机制尚不完全明确，主 收稿日期：2007-06-02 修回日期：2007-07-02 作者简介：王斐(1983．)，女，山东临沂人 ，硕士研究生，主要从事儿科内分泌、遗传代谢疾病方面的研究。 基金项目：上海市科委科研计划项目(05JC14041)；上海市重点学科建设项目(T0204) 111is work was supported by the Research Foundation of Shanghai Science and Technology Burea(05JC14041)and the Foundation of Shanghai leading Academic Discipline Project(To2o4) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 国际病理科学与临床杂志 第28卷 要体现在脑神经结构 、脑神经发育及脑功能损伤 等方面。 ‘ 1 脑神经结构损伤 1．1 线粒体损伤 线粒体损伤主要由于线粒体 功能障碍所致，是甲基丙二酸血症的重要脑损伤机 制之一。MMA及其代谢产物主要抑制大脑能量代 谢中关键酶的活性，如琥珀酸脱氢酶、B一羟基丁酸脱 氢酶以及乳酸脱氢酶等，导致葡萄糖氧化以及酮体 生成利用障碍，CO 生成减少，乳酸释放增加；同时抑 制氧化磷酸化中呼吸链复合体的活性以及肌酸激酶 系统，引起 ATP生成降低 ，磷酸肌酸减少，线粒体功 能障碍 ¨。 Dutra等早在 1993年研究证实 MMA竞争性抑 制小鼠大脑和肝脏中琥珀酸脱氢酶以及 B一羟基丁 酸脱氢酶的活性。三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶活性 抑制引起琥珀酸积聚，琥珀酸通过激发兴奋性突触 后膜电位，可引发兴奋性毒性 ；13-羟基丁酸脱氢酶 活性抑制，使得 B-羟基丁酸不能转化为乙酰乙酸， 造成酮体生成利用障碍 J¨。近来 Saad等 首次发 现 MMA竞争性广泛抑制乳酸脱氢酶催化乳酸转化 为丙酮酸，导致血中乳酸蓄积，代谢性酸中毒以及糖 异生抑制。中枢神经系统中乳酸脱氢酶活性的抑制 可能阻碍乳酸在胶质细胞和神经细胞之间穿梭，导 致神经能量代谢障碍。Pettenuzzo等 首次提出 MMA对线粒体呼吸链复合体活性的组织特异性抑 制作用。其实验模拟甲基丙二酸血症的体内环境， 发现在低浓度琥珀酸中(0．5 mmol／L及 1 mmolZL)， 2．5 mmol／L的甲基丙二酸显著抑制纹状体和海马 线粒体呼吸链复合体 II的活性，却没有改变外周组 织中复合体Ⅱ的活性 ；MMA同时显著抑制体内复合 体 II～III及 I～III的活性，但没有抑制复合体 IV的 活性。也有报道 MMA可抑制大脑皮层线粒体内复 合体I的活性 ]。此外，Schuck等 研究证实，低浓 度的 MMA(1 mmol／L)显著抑制小鼠大脑皮层线粒 体肌酸激酶活性 ，而对细胞质肌酸激酶活性没有影 响。与还原型谷胱甘肽共同培养可完全预防 MMA 诱发的肌酸激酶抑制作用，表明MMA可能通过肌酸 激酶中必需巯基或基团的氧化作用，使大脑皮层中 线粒体肌酸激酶八聚体结构失去稳定性 ，活性受到 抑制。MMA还可引起磷酸肌酸和肌酸水平下降，影 响 ATP能量缓冲和转运系统-肌酸／磷酸肌酸／肌酸 激酶系统，导致能量稳态失衡，线粒体功能障碍。 由于基底节对琥珀酸脱氢酶活性降低尤为敏 78 感，且苍白球是高能需要代谢旺盛的部位，故 MMA 血症时能量代谢障碍以及毒性有机酸代谢物蓄积可 导致基底节尤其是苍白球损害，影像学典型表现为 对称性基底节异常，以苍白球损伤为主。部分患者 脑组织病理分析可见脑萎缩、弥漫性神经胶质细胞 增生、脑出血、苍白球坏死、丘脑及内囊细胞水肿等， 均与线粒体功能障碍有关 。 1．2 脑神经元细胞死亡 McLaughlin等 将胚 鼠大脑纹状体和皮层在 MMA中培养24 h，出现剂量 依赖性细胞死亡，神经元死亡率超过 90％。形态学 研究发现细胞坏死和凋亡同时发生，但凋亡更为普 遍。近来也有报道在 MMA血症患者大脑中见到核 破裂片断或各种大小和形状的凝缩染色质，表明凋 亡参与了甲基丙二酸血症时的脑损伤 J。实验中加 入抗氧化剂和自由基清除剂，可减少 MMA引发的神 经细胞死亡，提示氧化应激可能是甲基丙二酸血症 神经元细胞死亡常见的机制 。总而言之，MMA通 过抑制三羧酸循环途径以及氧化磷酸化，导致线粒 体功能障碍，诱发氧化应激以及兴奋性毒性，最终诱 导神经元细胞发生凋亡。 1．2．1 氧化应激与细胞凋亡 MMA引起氧化应 激的机制可能主要是：MMA通过抑制琥珀酸脱氢酶 活性产生自由基，造成脑细胞能量衰竭，同时电压依 赖性钙通道和 N一甲基一D一天冬氨酸(N—methyl—D—as— partate，NMDA)受体操纵的钙通道开放，钙离子大量 内流，激活蛋白激酶，产生超氧阴离子；MMA抑制线 粒体呼吸链复合体的活性，氧接收漏出的电子还原 生成自由基；纹状体内迅速注入 MMA，通过 NMDA 受体介导机制使 NO生成增加，NO与超氧阴离子作 用产生 ONOO。。MMA诱发的氧化应激对脑内大分 子物质造成氧化损伤。Wyse等 ¨分别给小鼠喂养 及注射 MMA，观察发现大脑皮层突触质膜中 Na ， K 一ATP酶活性降低。MMA诱发的氧化应激易于损 伤细胞表面的蛋白巯基，故通过 自由基介导机制可 抑制 Na ，K 一ATP酶(富含巯基)，加入抗氧化剂谷 胱甘肽 可保护巯基预防其活性减少；还可造成实验 动物纹状体中基团捕获抗氧化电位和抗氧化反应性 减少，丙二酰硫脲反应物增加，结果表明 MMA增加 了大脑皮层中的脂质过氧化反应⋯ ；氧化应激产生 的自由基可引起蛋白质羰基化，其产物含量可反映 蛋白质氧化损伤水平 引。MMA引发线粒体膜氧化 损伤，并造成细胞质和线粒体内的ca 浓度增加， 导致线粒体通透转换孔不可逆地过度开放，继而进 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 王斐，等：甲基丙二酸血症脑损伤机制研究进展 第 28卷 一 步诱导细胞凋亡。线粒体通透性转换抑制剂如环 胞菌素 A以及米酵菌酸，可预防 MMA引发的神经 细胞死亡。 1．2．2 兴奋性毒性与细胞死亡 MMA可引起 NMDA受体过度兴奋 ，导致细胞内 ca 超载，激活 蛋白酶、蛋白激酶 c、磷酸酯酶、钙依赖性核酸酶内 切酶等并损伤线粒体 ¨；自由基生成增加，损伤蛋 白、DNA和脂质；纹状体内一氧化氮合酶活性增加， NO生成增加诱发或加剧兴奋性毒性_】 ，这些因素 共同引发了神经细胞毒性。继发于 Na ，K ．ATP 酶抑制的神经毒性与兴奋性毒性和细胞死亡亦有 关。Na ，K 一ATP酶活性抑制，导致非 NMDA受体 激活时突触后神经元去极化，Na 与水分子内流，使 神经元细胞严重水肿，从而引发急性细胞死亡。已 有报道甲基丙二酸血症患者尸解发现大脑皮层、大 脑和小脑半球白质弥漫性棘细胞水肿，类似于大脑 兴奋性毒性损伤的特征表现 ¨。 1．3 神经细胞骨架磷酸化的改变 神经细胞骨 架是一种主要由微丝、微管和中间纤维构成的蛋白 网络结构。细胞骨架蛋白通过磷酸化对细胞周期结 构和动力学，尤其对神经元功能进行调节。甲基丙 二酸血症中神经细胞骨架蛋白磷酸 脱磷酸化破 坏，可能对神经细胞结构和功能造成严重损伤 ¨。 已有研究表明 MMA通过激活 NMDA谷氨酸受体， 增加了小鼠大脑皮层内细胞骨架蛋白的磷酸化，这 种作用通过 cAMP和 Ca“／钙调蛋白依赖蛋白激酶 介导。近来 Loureiro等 叫将小 鼠大脑皮层置 于 MMA中培养，发现通过 cAMP依赖性蛋白激酶和谷 氨酸系统介导，细胞骨架蛋白的磷酸化水平增加。 然而，先前另有报道 3¨ MMA抑制了与细胞骨架有 关的内源性磷酸系统，即 MMA通过 cAMP和 Ca“／ 钙调蛋白依赖蛋白激酶介导，抑制蛋白激酶的磷酸 化作用，从而抑制细胞骨架蛋白合成；通过蛋白磷酸 酶 1介导可以抑制磷酸酶活性，防止神经纤丝蛋白 亚单位和微管蛋白脱磷酸化。Almeida等 ¨给小鼠 体内注射 MMA，显著减少了神经纤丝蛋白L型亚单 位、波形纤维蛋 白以及神经胶原纤维酸性蛋白的磷 酸化，神经纤丝蛋白M型亚单位的磷酸化则不受影 响；体外用 MMA培养大脑皮层，并不影响细胞骨架 蛋白磷酸化水平。由上述几种研究表明：(1)MMA 对细胞骨架蛋白磷酸化作用仍存在争议；(2)MMA 对体内与体外磷酸化系统作用可能存在差异性。 1．4 髓鞘形成障碍 甲基丙二酸血症中 CblC， 79 CblD，Cbl F型患者由于腺苷钴胺素和甲基钴胺素合 成障碍，故表现为甲基丙二酸血症合并同型半胱氨 酸血症。影像学典型特征包括髓鞘化不 良以及白质 损害，可能是由于甲基化功能不良和异常脂肪酸代 谢产物毒性作用所致。病理学上还表现为神经胶质 细胞增生，与高半胱氨酸对内皮组织的毒性有关。 s一腺苷甲硫氨酸是大脑中重要的甲基供体，其含量 缺乏与白质脱髓鞘密切相关。此类患者甲硫氨酸合 成酶活性减低，甲硫氨酸向 s．腺苷甲硫氨酸转化减 少，可导致严重的髓鞘质病并继发白质减少_】 。曾 有研究认为髓鞘形成障碍可能与神经纤丝磷酸化减 少及轴突半径生长抑制有关 ¨。 2 脑神经发育损伤 2．1 神经节苷脂的变化 神经节苷脂是含有唾 液酸(N一乙酰神经氨酸)的酸性鞘糖脂类，是神经膜 重要的构成部分，主要组分为 GM ，GM ，GD，，GD。。， GD 以及 GT 。神经节苷脂的含量、成分以及分布 与大脑发育各种重要环节有关，对细胞代谢和生长 起调节作用。Trindade等 ¨首 次发现长期 注射 MMA并没有改变小鼠体质量以及小脑或大脑皮质 ．的质量(故小脑神经节苷脂的减少不是营养不良或 食欲降低引起的)，也没有改变大脑皮层中神经节苷 脂的浓度；而小脑中神经节苷脂总量减少，分布也发 生变化，GM1和 GD3显著减少，其中 GM1与突触形 成密切有关，GD3则与细胞增殖有关。因为 MMA 抑制大脑能量生成以及利用，神经节苷脂总浓度的 降低可能与糖基化反应能量不足或神经酰胺合成缺 陷有关。 2．2 突触可塑性的改变 突触可塑性是大脑重 塑的基础，涉及神经系统的发育、突触形成、突触传 递效能变化等。谷氨酸受体介导中枢神经系统中大 多兴奋性神经递质，参与突触的可塑性变化 ¨。近 年来研究证实 MMA呈剂量依赖性地抑制突触泡摄 取谷氨酸，而突触小体对谷氨酸摄取则没有变化， 但兴奋性神经递质释放增加，导致突触间隙谷氨 酸大量蓄积 。。。继而过度激活 NMDA受体，使 其通道开放 ，Na ，K 和 Ca 通透性随之增加，此 外 MMA引发能量代谢障碍，抑制 Na ／K 泵活 性 ，造成细胞内 Ca 和 Na 蓄积，最终影响了兴奋 性递质的突触传递，改变了突触可塑性以及正常的 神经发育。 3 脑功能损伤 甲基丙二酸血症患者临床表现为嗜睡、昏迷、呕 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 国际病理科学与临床杂志 第 28卷 吐、智力低下以及精神运动发育迟缓，偶发严重惊 厥，常被误诊为急慢性脑病或脑变性病等。研究发 现甲基丙二酸血症诱发的惊厥与 NMDA受体过度 激活有关 。 一氨基丁酸能神经元功能减退，体外 大脑皮层中的谷氨酸脱羧酶活性降低，参与了 MMA 诱发的惊厥 ¨ 。目前认为突触可塑性的改变影响 大脑学习和记忆功能，认知及行为异常可能与线粒 体功能障碍及氧化损伤有关。通过小鼠在 Morris迷 宫实验中的行为改变，评估对学习及记忆的影响，发 现小鼠长期注入MMA后在获得阶段行为正常，在反 相学习阶段出现与持续动作有关的行为障碍 ]。 Vasques等 给小鼠海马内注入 MMA后，高浓度代 谢物蓄积可导致脑功能障碍，小鼠在户外活动中出 现习惯化行为缺陷。以上这些行为改变可能与能量 缺乏及突触可塑性改变有关。另外，MMA诱发长期 持续的认知损伤，可能与脑部氧化损伤有关，抗氧化 剂可作为一种辅助治疗方法以预防神经损伤和学习 障碍 “ 。 甲基丙二酸血症脑损伤机制是一个复杂的过 程，主要表现在脑神经结构、脑功能及发育损伤。研 究表明除甲基丙二酸外，其他代谢产物如丙酸、丙二 酸、甲基枸橼酸以及甲基丙二酰辅酶 A、丙酰辅酶 A 等蓄积对脑损伤也起到重要作用 。由此可见甲 基丙二酸血症的脑损伤机制值得进一步研究 ，以便 为甲基丙二酸血症的治疗提供坚实的理论基础。 参 考 文 献 [1] Wajner M，Coelho JC。Neurological dysfunction in methylmalonic acidaemia is probably related to the inhibitory effect of methylma- lonate on brain energy production[J]．J Inher Metab Dis，1997， 20(6)：761-768。 [2] Roehm c，Garrido·sanabria ER，Siliva AC，et al。Succinate in- c neuronal post—synaptic excitatory potentials in vitro and in· duces convulsive behavior through N—methyl·D·aspartate·mediated mechanism[J]．Neuroscience，2004，125(4)：965-971． [3] Saad LO，Mirandola sR，Maciel EN，etal。Lactate dehydrogenase activity is inhibited by methylmalonate in vitro[J]．Neurochem Res，2006，31(4)：541-548． [4] Pettenuzzo LF，Ferre GC，Schmidt AL，et al。Differential inhib· itory effects of methylmalonic acid on respiratory chain complex ac· tivities in rattissue[J]。Int JDevNeurosei，2006，24(1)：45-52。 [5] Brusque AM，Rosa RB，Schuck PF，et al。Inhibition of the mito- chondrial respiratory chain complex activities in rat cerebral cortex by methylmalonic acid[J]。Neurochem Int，2002，40∈7)：593— 601。 [6] Schuck PF，Rosa RB，Pettenuzzo LF，et al。Inhibition of mito- chondrial creatine kinase activity from rat cerebral cortex by meth· ylmalonie acid[J]。Neurochem Int，2004，45(5)：661-667． [7] Michel SJ，GivenII CA，Robertson WC。Imaging of the brain，in- eluding diffusion·weighted imaging in methylmalonic acidemia[J]． Pediatr Radiol，2004，34(7)：580-582． 『8] McLaughlin BA，Nelson D，Sliver I A，et a1．Methylmalonate tox一 80 icity in primary neuronal cultures[J]．Neuroscience，1998，86 (1)：279-290。 [9] Kanaumi T，Tak~hima S，Hirose S，et a1．Neuropathology of meth· ylmalonic aeidemia in a child[J]．Pediatr Neuro，2006，34(2)： 156—159． [1O]Wyse AT，Streck EL，Barros SV，et al。Methylmalonate edminis- tration decreases Na ，K 一ATPase activity in cerebral cortex of rats[J]．J Neurochem，2000，l1(10)：2331-2334． 1l1j Pettenuzzo LF，Schuck PF，Wyse AT，et a1．Ascorbic acid pre- vents water maze behavioral deficits caused by early po stnatal metylmalonic acid administration in the rat[J]。Brain Res，2003， 976(2)：234-242． [12]RoyesLF，FighemMR，FurianAF，eta1．Effectiveness of creatine monohydrate on seizures an d oxidative damage induced by methyl— malonate[J]．Pharmacol Biochem Behav，2006，83(1)：136— 144． [13]Mattos—Durra A，Freitas MS，Schr der N，et a1．Methylmalonic acid reduces the in vitro phosphorylation of cytoskeletal protein in the cerebral cortex of rats[J]．Brain Res，1997，763(2)：221— 231． [14]Royes LFF，Fighere MR，Farian AF，et a1．Involvement of NO in the convulsive behavior and oxidative damage induced by the in— trastriatal injection of methylmalonate[J]。Neurosei Lett，2005， 376(2)：116—120． [15]Almeida LM，Funchalc，Pelaez PL，eta1．Effect ofpropionicand methylmalonic acids on the in vitro phosphorylatiou of intermed iate filaments from cerebral cortex of rats during development[J]。 Metab Brain Dis，2003，18(3)：207-219。 [16]Loureiro SO，Pelaez PL，Heimfarth L，et a1．Prepionic and meth— ylmalonic acids increase cAMP levels in slices of cerebral cortex of young rats via adrenergic and glutamatergic mechanisms[J]。Bio． chim Biophy Acta，2005，1740(3)：460-466。 [17]Rossi A，Cerone R，Biancheri R，et al。Early·onset combined methylmalonic acidaria and homocystinuria：Neuroradiologic Find— ings[J]。AJNR Am J Neuroradiol，2001，22(3)：554363。 [18]TrindadeVM，BrusqueAM，Raasch JR，eta1．Gangiiosidealtere- tions in the central nervous system of rats chronically injected with methylmalonic and propionic acids[J]。Metab Brain Dis，2002， 17(2)：93—102。 [19]姜西，王静敏，姜玉武。发育中突触可塑性相关分子的研究进 展[J]．国际病理科学与临床杂志，2006，26(6)：515-518。 JIANG Xi，WANG Jin·min，JIANG Yu—wu。Synaptic plasticity as· sociated molec~es[J]。Int J Pathol Clin Med，2006，26(6)：515— 518。 [2O]BrusqueAM，Rottam LN，TavaresRG，etal。Effects ofmethylma- lonic and propionic acids on glutamate uptake by ynaptosomes and synaptic vesicles and on glutamate release by synaptosomes from cerebral cortex of rats[J]。BrainRes，2001，920(1-2)：194-201． [21]Malfatti CR，Perry ML，Schweigert ID，et al。Convulsions induced by methylmalonic acid are associated with glutamic acid decarboxy· lase inhibition in rats：A role for GABA in the seizures presented by methylmalonic acidemic patients?[J]。Neuroseience，2007， 146(4)：1879·1887。 [22]Pettnuzzo LF，Wyse AT，Wannmacher CM，et al。Evaluation of the effect of chronic administration of drugs on rat behavior in the water maze task[J]。Brain Res Pretoc，2003，12(2)：109·l15． [23]Vasques V，Brinco F，Viegas CM．Creatine prevents behavioral al· teretions caused by methylmalonic acid administration into the hip— pocampus of rats in the open field task[J]。J Neurol Sci，2006， 244(1-2)：23-29。 [24] Klker S，Okun JG．Methylmalonic acid—an endogenous toxin? [J]．Cell Mol Life Sci，2005，62(6)：621_624． 维普资讯 http://www.cqvip.com