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干貨分享丨神經(jīng)遞質(zhì)與疾病
當(dāng)我們處于快樂、緊張、沮喪、憤怒各種情緒中時，大部分人覺得這是心理變化，其實(shí)這一切都有物質(zhì)基礎(chǔ)，終究是大腦和它的小幫手操縱著一切。
大腦由神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞/神經(jīng)元組成，成年人的大腦擁有1000億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元可以長出2000至數(shù)萬個樹突與其他神經(jīng)元連接，可以接受刺激并進(jìn)一步傳導(dǎo)信號，這些互相連接的神經(jīng)元形成巨大而復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而我們的情感、意識、記憶等所有精神活動都發(fā)生在這個網(wǎng)絡(luò)中。
圖1：大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖
在神經(jīng)元之間傳遞信號的化學(xué)物質(zhì)，就叫神經(jīng)遞質(zhì)。它們的作用過程是這樣的：神經(jīng)元合成神經(jīng)遞質(zhì)后將其包裹在突觸囊泡內(nèi)，在神經(jīng)元受到來自環(huán)境或其他神經(jīng)元的信號刺激時，突觸囊泡通過胞吐作用將神經(jīng)遞質(zhì)釋放到突觸間隙中。神經(jīng)遞質(zhì)分子借由擴(kuò)散作用抵達(dá)突觸后細(xì)胞膜，能特異性地結(jié)合且作用于突觸后神經(jīng)元或效應(yīng)器細(xì)胞上的受體，起到改變通道蛋白構(gòu)相、激活第二信使系統(tǒng)等作用，進(jìn)而導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元的電位或代謝、誘發(fā)其產(chǎn)生一定效應(yīng)。
圖2：神經(jīng)遞質(zhì)的作用過程
神經(jīng)遞質(zhì)的分類和生理功能
神經(jīng)遞質(zhì)根據(jù)不同的化學(xué)組成特點(diǎn)，可分為單胺/生物胺類、氨基酸類（甘氨酸、谷氨酸、γ-氨基丁酸）、神經(jīng)肽類和其他類等。
其中大家最常見的7種神經(jīng)遞質(zhì)的概括性的功能如下，乙酰膽堿（Acetylcholine, Ach）：注意力、記憶、控制肌肉收縮等；去甲腎上腺素（Norepinephrine, NE）：注意力、應(yīng)激反應(yīng)、運(yùn)動能力；多巴胺（Dopamine, DA）：愉悅、運(yùn)動控制；血清素（Serotonin, 5-HT）：睡眠、情緒、食欲、焦慮；γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric Acid, GABA）：抑制興奮、令人平靜；谷氨酸（Glutamate）：激發(fā)興奮、記憶形成、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育；內(nèi)啡肽（Endorphins）：痛覺抑制。
圖3：幾種主要的神經(jīng)遞質(zhì)和功能概述
其中單胺類神經(jīng)遞質(zhì)是最先被發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)遞質(zhì)，它屬于中樞神經(jīng)遞質(zhì)，包括兒茶酚胺、吲哚胺和咪唑胺。兒茶酚胺包括多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素等，吲哚胺主要是5-羥色胺，均是從芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）和甲狀腺激素衍生而來，咪唑胺代表物質(zhì)是組胺，來源于組氨酸的脫羧反應(yīng)。痕量胺是在結(jié)構(gòu)和功能上與單胺類神經(jīng)遞質(zhì)類似的內(nèi)源性物質(zhì)，包括酪胺、苯乙胺、甲氧酪胺和章魚胺等，由氨基酸脫羧酶（AADC）等介導(dǎo)的脫羧反應(yīng)形成。他們在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中的水平比經(jīng)典生物胺的更低，對其獨(dú)立發(fā)揮作用的研究報告也較少，但其水平的異常與多種精神疾病相關(guān)，如帕金森、抑郁癥、精神分裂、注意缺陷多動障礙（Khan et al, 2016）、偏頭痛、精神藥物濫用、進(jìn)食障礙和肝性腦病等（Zucchi et al, 2006）。
圖4：腦中兒茶酚胺和痕量胺的生物合成途徑
正因為神經(jīng)遞質(zhì)的功能如此重要，它們與多種疾病息息相關(guān)，比如多巴胺與心情愉悅和調(diào)節(jié)運(yùn)動相關(guān)，因此它的水平失調(diào)是精神分裂癥和帕金森癥的重要原因。5-羥色胺由色氨酸經(jīng)過色氨酸羥化酶再經(jīng)過氨基酸脫羧酶形成，參與體溫調(diào)節(jié)、情感情緒、食欲睡眠等多個行為活動。吲哚胺在體內(nèi)的水平與阿爾茨海默癥、抑郁癥、帕金森癥等密切相關(guān)（Roy et al, 2021; O'Connor et al, 2009）。組胺系統(tǒng)影響認(rèn)知功能（Passani M B et al, 2004）。通過準(zhǔn)確定量多種化合物如與神經(jīng)疾病相關(guān)的代謝物、氨基酸類、痕量胺等，對神經(jīng)遞質(zhì)合成代謝的變化及生理、病理研究分析具有非常重要的意義。
神經(jīng)遞質(zhì)（NT）的應(yīng)用
神經(jīng)系統(tǒng)損傷及相關(guān)遞質(zhì)水平的變化與多種神經(jīng)性精神疾病的發(fā)生密切相關(guān)，也是臨床診斷及后期治療的重點(diǎn)觀測指標(biāo)。例如單胺類神經(jīng)遞質(zhì)合成和代謝途徑的遺傳性缺陷是罕見的遺傳代謝病。單胺類神經(jīng)遞質(zhì)障礙其特征是多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素和血清素的生物合成、降解或運(yùn)輸途徑存在原發(fā)性和繼發(fā)性缺陷。由單胺類神經(jīng)遞質(zhì)疾病引起的神經(jīng)綜合癥的許多臨床癥狀與其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的表型（如腦癱和缺氧缺血性腦�。╊愃�，常常會導(dǎo)致誤診及治療上的延誤（Kurian et al et al, 2011; Jung-Klawitter et al, 2019），因此通過早期對神經(jīng)遞質(zhì)準(zhǔn)確且可重復(fù)的生化檢測有助于正確的臨床診斷。另外神經(jīng)遞質(zhì)含量變化的測量，還能對如抑郁癥、帕金森、阿爾茨海默癥、唐氏綜合癥等疾病進(jìn)行輔助診斷。
圖5：單胺類神經(jīng)遞質(zhì)生物合成途徑（三磷酸鳥苷（GTP）經(jīng)四步酶法合成四氫生物嘌呤（BH4），BH4是單胺合成中2個限速酶酸羥化酶（TrpH）和酪氨酸羥化酶（TH）的必要輔助因子。色氨酸被TrpH轉(zhuǎn)化為5-羥基色胺酸（5-HTP），酪氨酸被TH轉(zhuǎn)化為左旋多巴（L-dopa），5-HTP和L-dopa在氨基酸脫羧酶（AADC）及其輔助因子磷酸吡哆醛（PLP）的催化下轉(zhuǎn)化為5-羥色胺和多巴胺。圖中單胺合成途徑為淺綠色，單胺分解代謝為深藍(lán)色。）
神經(jīng)遞質(zhì)與抑郁癥
抑郁癥是一種較常見的精神疾病，致病原因復(fù)雜。然而目前尚無基于實(shí)驗室的客觀診斷檢測方法，易被誤診。研究表明，在血漿神經(jīng)遞質(zhì)代謝物中，經(jīng)分析有9種代謝物在抑郁癥患者中發(fā)生了顯著變化，它們主要參與GABA能系統(tǒng)、兒茶酚胺能系統(tǒng)和5 -羥色胺能系統(tǒng)。GABA、多巴胺、酪胺、犬尿氨酸可作為抑郁癥可靠的生物標(biāo)志物。（Pan et al, 2018）
圖6：抑郁癥與健康對照間代謝物差異分析（GABA能、兒茶酚胺能和色氨酸能通路）
神經(jīng)遞質(zhì)與精神分裂
精神分裂癥是一種比較難診斷的心理障礙疾病。GABA能中間神經(jīng)元的缺陷或功能障礙是精神分裂癥患者大腦病理學(xué)的一個關(guān)鍵特征，且與左杏仁核內(nèi)多巴胺的變化呈負(fù)相關(guān)（Benes and Berretta, 2001）。但由于大腦功能的復(fù)雜性，單一神經(jīng)遞質(zhì)間的相互作用不是神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)在精神分裂病理中的唯一參與過程，多巴胺、谷氨酸、GABA、血清素和催產(chǎn)素等神經(jīng)遞質(zhì)是精神分裂癥的主要原因，其中多巴胺的作用最大。（Bansal et al, 2021）
圖7：精神分裂癥中的神經(jīng)遞質(zhì)過程
痕量胺與帕金森
帕金森病是一種神經(jīng)退行性疾病，其特征是腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失，并導(dǎo)致一系列運(yùn)動和非運(yùn)動障礙。當(dāng)大約60%的多巴胺能神經(jīng)元已丟失且疾病已經(jīng)處于中晚期時，運(yùn)動缺陷是診斷帕金森病最重要的臨床體征。但帕金森病的神經(jīng)病理學(xué)往往在運(yùn)動癥狀出現(xiàn)前數(shù)年就開始出現(xiàn)異常的變化了。在以往，主要通過測量腦脊液中的多巴胺代謝物或α-突觸核蛋白作為帕金森的生物標(biāo)志物。然而，這些標(biāo)志物無法用于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測疾病進(jìn)展（Havelund et al, 2017）。
臨床上對于前驅(qū)期（出現(xiàn)了臨床癥狀，但尚未達(dá)到帕金森的診斷標(biāo)準(zhǔn)）或臨床前期（出現(xiàn)了神經(jīng)退行性病變，但沒有臨床癥狀）的生物標(biāo)志物的確定可以對帕金森更好的預(yù)后和治療創(chuàng)造條件。帕金森病患者雖存在氨基和吲哚神經(jīng)遞質(zhì)的生化異常，痕量胺中的化合物更可能是帕金森早期診斷和疾病進(jìn)展的潛在標(biāo)志物。已有研究經(jīng)過代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)酪胺的循環(huán)水平可能是有高度敏感性和特異性的早期檢測標(biāo)志物（power > 0.80），可用于帕金森的早期監(jiān)測，而酪胺、去甲腎上腺素和酪氨酸可作為疾病進(jìn)展的標(biāo)志物（power > 0.80）（D’Andrea et al, 2019）。
神經(jīng)遞質(zhì)的分析檢測
對神經(jīng)遞質(zhì)的現(xiàn)有檢測技術(shù)有生物檢測技術(shù)、電化學(xué)檢測技術(shù)等，但傳統(tǒng)的生物檢測技術(shù)需要特定的抗體或熒光探針，檢測種類非常有限，電化學(xué)檢測技術(shù)也僅適用于少數(shù)容易離子化的化合物，并且這些技術(shù)統(tǒng)一的缺點(diǎn)是靈敏度較低，液相色譜和串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)合可對一次實(shí)現(xiàn)多個化合物的準(zhǔn)確定性定量分析，具有靈敏度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。神經(jīng)遞質(zhì)類化合物普遍親水性好、極性較強(qiáng)，在反相色譜上的保留弱，因此，一些研究者用親水模式結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜來檢測，靈敏度多在幾fmol到pmol水平（Tufi S et al, 2015），但是臨床樣品尤其是血樣中的神經(jīng)遞質(zhì)多在fmol甚至amol水平，想要檢測到這些指標(biāo)需要大量的樣品進(jìn)行濃縮富集。但是，衍生化的方法往往能直接提高待測化合物的靈敏度，策略就是選擇合適的衍生化試劑，使目標(biāo)物帶上高靈敏的質(zhì)譜探針，我公司就采用此策略開發(fā)了含有12種靶標(biāo)的神經(jīng)遞質(zhì)方法試劑盒，與直接法相比，靈敏度可以提高2-4個數(shù)量級，在方法穩(wěn)定的前提下可以降低用樣量和對儀器的要求。
總結(jié)
神經(jīng)遞質(zhì)的研究對于神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的機(jī)制、病理研究、疾病診斷和臨床療效研究等多個方面有重要意義。但是機(jī)制研究往往伴隨著對相關(guān)代謝產(chǎn)物的檢測和發(fā)現(xiàn)。通過調(diào)研，我們也發(fā)現(xiàn)液相色譜質(zhì)譜串聯(lián)高通量、高靈敏度的特點(diǎn)可能是目前和未來最具潛力的檢測平臺，可以給科研工作者提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，并助力于疾病的病理研究、疾病診斷和疾病標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)。
