氧化应激与肌萎缩侧索硬化症

（一）氧化应激简述

氧化应激指由于氧自由基超量生成，抑或是细胞内抗氧化系统功能下降，最终导致氧自由基及相关氧化产物在组织间或细胞内聚积，从而产生对细胞的各种毒性作用。它是由于体内的自由基明显升高和（或）机体的抗氧化防御功能下降所致的一种病理状态。机体内的自由基通常包括活性氧类（ROS）、活性氮类（RNS）等。在正常情况下，机体产生的少量自由基可被体内的自由基清除剂维生素E、维生素C和特殊的酶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）清除，不致引起病理效应。氧化应激时产生的有损害作用的自由基有超氧阴离子（O2-，H2O2）、羟自由基（OH-）、脂自由基（RO-，ROO-）、过氧亚硝基（ONOO-）。这些自由基氧化修饰糖、蛋白质、核酸和脂质，改变它们的结构和功能，导致核损伤、蛋白酶体抑制、线粒体损伤和内质网应激，影响细胞正常生理功能，最后导致细胞变性坏死。

（二）氧化应激在ALS中的作用

约有20%的fALS就是由于铜/锌超氧化物歧化酶编码基因（即SOD1）突变引起的氧自由基过度积累所导致。过去在对ALS死者进行尸检时发现，脊髓和大脑运动皮层标本中羰基衍生物水平升高，而这类物质的产生与一些氨基酸的直接氧化有关，也提示神经系统中存在氨基酸的直接氧化。也有文献报道，ALS患者脊髓运动神经元中3-硝基酪氨酸水平升高，提示神经元中由过氧亚硝酸盐介导的酪氨酸硝化反应发生异常。正常人体内通过不断产生和消除各类活性氧基团，保持氧化与抗氧化的动态平衡，而在ALS患者中，由于相关基因突变或通路表达异常导致体内自由基产生超出正常，或由于抗氧化系统清除能力下降，自由基过度积累，产生氧化应激反应，引起细胞功能改变和组织损伤，从而致病。后来，在ALS患者血浆及脑脊液中还检测到蛋白质、核酸及脂质的氧化标志物水平升高。这些发现表明，在ALS中存在着由氧化应激引起的组织损伤及细胞生物学功能改变。

氧化应激是机体内自由基及其产物水平超过抗氧化防御系统的清除能力和（或）抗氧化防御系统功能下降所致，而在ALS中导致这一结果的始动因素还不清楚。经研究发现，氧化应激损伤生物体的机制可能有以下几方面：①导致多糖分子聚合和降解。②使蛋白质发生肽键断裂、氨基酸残基转化、交联及电荷变化，引起蛋白质构象发生改变，从而使酶及其相应受体功能产生异常。③诱导RNA、DNA的交联和氧化，导致碱基突变、RNA和DNA断裂、染色体畸变等。④也可作用于多价不饱和脂肪酸，引起生物膜的脂质过氧化反应，从而破坏细胞膜的完整性、通透性和流动性，造成细胞内钙离子超载。

ALS患者的谷氨酸（Glu）水平较正常人高，故易被谷氨酸所致的过度兴奋毒性机制激活，使Ca2+进入细胞内，激活Ca2+依赖性的神经元型NOS，NOS催化生成NO，过量的NO具有神经毒性。Dawson等在原代神经细胞培养时，证实过量的NO有助于Glu的毒性。Ca2+进入线粒体内功能受损，产生的O2-等氧自由基增多，从而OH-增加。活性氧基团是体内主要的自由基，大部分是由线粒体膜上氧化呼吸链中逸出的电子被O2和HO-结合产生，还有一小部分来源于细胞质黄嘌呤氧化酶和内质网细胞色素p450系统的氧化作用。和其他器官相比，运动神经系统更易受到氧化性损伤，这是因为运动神经组织需要支持强壮的骨骼肌，对能量需求很高，含有的大量神经丝蛋白极易受到氧化损伤，而且缺乏有效的抗氧化防御机制。当机体处于氧化应激和老化状态时，线粒体呼吸链生成的ROS会相应增加，此时线粒体不仅是ROS的产生器官，同时也是ROS毒性作用的靶器官。(https://www.daowen.com)

（三）氧化应激对中枢神经系统的损伤

氧化应激易造成中枢神经系统损伤，一方面是由于神经元细胞膜耗氧量高，且含有大量多不饱和脂肪酸和高浓度氧化还原活性的过渡金属，另一方面是由于其所含抗氧化物相对不足。De Coteau等发现，静脉注射氧化铈纳米颗粒能改善ALS转基因鼠的肌力并延长其寿命，而氧化铈纳米颗粒具有抗自由基的功能，因此推断氧化应激可能参与ALS发病。氧化应激与其他的神经毒性因素相互作用，如SOD1基因突变、谷氨酸兴奋性毒性作用、NO和钙离子超载、能量障碍、年龄相关的线粒体损伤等。突变型SOD1可使O2-与NO的反应增快，生成化学性质更为活泼的ONOO-，其生成ONOO-的速度是SOD1清除O2-速度的3倍。NO也可与H2O2反应生成ONOO-，ONOO-是比O2-强得多的氧化物，可与体内包括蛋白在内的众多物质发生反应，生成硝基化产物。如突变型SOD1催化ONOO-与酪氨酸残基（Tyr）反应，产生亚硝酰基化蛋白（NTYR），可导致神经元自行溶解，故认为ONOO-在ALS发病机制中起核心作用。

虽然这些通路中的任何一个发生紊乱都可以导致运动神经元损害，但并不是所有的证据都认为ONOO-在ALS的疾病进展过程中起核心作用，因为有研究发现，具有非神经元型NOS的SOD1G93A转基因小鼠并不比有神经元型NOS的小鼠存活时间长，提示神经元型NOS在这种模型中并不涉及疾病的病程，且服用神经元型NOS拮抗剂并不能阻止这些小鼠的疾病过程。这说明还有其他自由基在ALS发病机制中也起到重要作用。自由基可通过破坏细胞膜及其中的离子通道引起细胞内电解质紊乱，也可作用于细胞膜中的脂肪酸而改变细胞膜的流动性，进而导致电压门控Ca2+通道的二次聚集或过度激活；活性氧基团可作用于1，4，5-三磷酸肌醇和利鲁唑受体以及位于肌浆网或内质网膜上具有ATP酶活性的Ca2+转运体，导致Ca2+释放增加而摄取减少，最终引起细胞内Ca2+超载。由于ALS患者的过氧化物酶活性较高，氧化应激产生的氧自由基增多，这些氧自由基可导致各种细胞毒性，如与膜磷脂上的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，改变其分子结构，导致黏度增大、流动性变差，从而影响细胞与外界进行物质交换。脂质过氧化产生的自由基可使蛋白变性，形成蛋白自由基，并进一步引起蛋白分子的聚合、肽腱的断裂等变化。神经元中升高的Ca2+可过度激活钙蛋白酶和半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶（Caspase）而引起神经元损伤及凋亡。自由基还使细胞膜、线粒体、轴突受损，影响轴浆运输。自由基作用于核酸可发生碱基的修饰和链的断裂。

氧化应激很容易引起中枢神经系统的损伤，主要原因是中枢神经系统所含抗氧化物总量相对不足，加上神经元细胞耗氧量高，细胞膜含有大量不饱和脂肪酸及具有氧化还原活性金属离子，在发生氧化应激时神经细胞易首先受到损伤，从而引起ALS的各种症状。Hall等应用TgN（SOD1G93A）GIH转基因小鼠来检测脂质过氧化对脊髓的损害作用，采用HPLC检测丙二醛（MDA）的含量，发现运动神经元的含量异常增高，提示脂质过氧化是疾病进程中的一个重要方面。运用环氧化酶抑制剂COX-2拮抗剂SC236可明显减少脊髓运动神经元的脱失，Henderson等给ALS患者服用谷胱甘肽过氧化物酶前体（NAC），发现可提高GPX的含量，减轻运动神经元的变性。显示了抗氧化治疗的潜力。

ALS的发病过程是复杂的、多因素的且尚未完全阐明的。无论氧化应激是疾病的主要原因还是二级结果，它仍与各个机制的发病过程有着一定联系。