兴奋性氨基酸毒性与肌萎缩侧索硬化症
Glu与N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体结合后使钙离子内流，激活一系列蛋白酶和蛋白激酶，使蛋白质的分解和自由基生成增加，脂质过氧化过程加强，神经元自行溶解。有学者发现ALS患者血浆中Glu浓度升高，脑脊液中Glu及天冬氨酸的比值增高。当Glu的清除发生障碍时，会造成神经元细胞的毒性。较早的研究中就发现，ALS患者血浆中谷氨酸水平比正常人偏高，提示谷氨酸与ALS相关性，之后更多研究发现不仅在血浆中，患者的脑脊液中，实验小鼠脊髓中都存在显著的谷氨酸水平升高的情况，因而提出谷氨酸兴奋毒性假说。谷氨酸是中枢神经系统中主要的兴奋性递质，正常情况下与突触后膜离子型N-甲基天冬氨酸（N-Methyl-D-Aspartate，NMDA）受体和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸（A-Amino-3-Hydroxy-5-Methyl-4-Isoxazolepropionic Acid，AMPA）受体结合引起突触后膜兴奋，但其过度兴奋会对突触后神经元及周围组织产生兴奋毒性。有学者将含有较高浓度Glu的ALS患者血清加入正常培养的脊髓前角运动神经元中，发现培养数小时后神经元明显受损。还有人将此血清加入ALS脊髓培养模型中发现运动神经元较正常对照组减少。谷氨酸是一种重要的兴奋性神经递质，运动神经元神经冲动的突触传导依赖谷氨酸，正常情况下，谷氨酸的释放和重吸收维持平衡，若此平衡打破，使突触间隙谷氨酸浓度增高，谷氨酸受体过度兴奋，对突触后神经元产生毒性作用，导致神经元的损伤和死亡。
（一）谷氨酸在ALS中的作用
早期研究发现，ALS患者血浆中谷氨酸水平较正常升高，因此在ALS发病机制中提出了谷氨酸介导的兴奋毒性一说。后来也有学者观察到ALS患者脑脊液中谷氨酸与天冬氨酸水平都较正常升高。ALS患者中谷氨酸水平的升高是多类因素导致的，一类导致谷氨酸释放异常增多，如研究发现ALS转基因鼠中突触蛋白Ⅰ（Synapsin I，Syn-Ⅰ）磷酸化水平增加，磷酸化使得突触前膜中谷氨酸囊泡的数量增加，并诱导谷氨酸囊泡与前膜融合，从而使递质释放增加；同时谷氨酸重吸收能力的减弱，在对ALS患者中枢神经的检测中发现其兴奋性氨基酸转运体（Excitatory Amino Acid Transporter 2，EAAT2）水平降低，这一转运体主要负责谷氨酸的重吸收，其表达降低导致谷氨酸在间隙中大量积累。在30天ALS转基因鼠的脊髓中发现，谷氨酸基础释放水平及刺激释放水平均升高。运动神经元神经冲动的突触传导依赖谷氨酸，一种哺乳动物中枢神经系统重要的兴奋性神经递质。当谷氨酸的释放和重吸收的平衡被干扰时就会出现兴奋毒性，导致突触的谷氨酸浓度增加，谷氨酸受体过度刺激，进而引起细胞内游离钙浓度升高、神经元损伤及死亡。谷氨酸水平异常升高并非由单一因素所致，而是与多种因素相关。报道显示，一部分ALS患者的谷氨酸水平升高，一些表达突变SOD1啮齿类动物模型的神经胶质谷氨酸转运体水平减少。在神经胶质细胞和神经元中，与活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的接触能减少谷氨酸转运体摄取谷氨酸。ALS患者和突变的SOD1鼠运动神经末梢的细胞内钙离子水平升高，增加的钙离子在与谷氨酸受体激动剂氨甲基膦酸（Aminomethy-Lphosphonic Acid，AMPA）接触后被运动神经元线粒体摄取，进而ROS的产生增加。多数ALS患者大脑运动皮层和脊髓中兴奋性氨基酸转运体2（Excitatory Amino Acid Transporter 2，EAAT2）水平降低，而突触间隙的谷氨酸主要是由EAAT1和EAAT2摄取，因此，突触间隙谷氨酸含量升高可能与EAAT2水平降低有关。这些ROS释放到细胞外环境中，达到一定浓度后诱导氧化反应，从而干扰周围的星形胶质细胞摄取谷氨酸，如此形成一个增加氧化应激和兴奋毒性的恶性循环并最终导致运动神经元退行性变。
在ALS患者脑脊液和大脑皮层中发现有DNA氧化损伤标志物8-羟基2-脱氧鸟苷酸浓度升高和脂质过氧化产物丙二醇含量的增多。最近，Bonifacino等在观察出现症状前的G93A-SOD1转基因鼠时发现，不但节前神经末端Syn-Ⅰ磷酸化水平增加，而且Syn-Ⅰ和肌动蛋白表达也增加，但糖原合成酶3的表达却下降，这些变化可能与谷氨酸的异常释放有关。突触间隙升高的谷氨酸，除了与突触后膜受体结合外，还有一部分通过谷氨酸-谷氨酰胺循环进入突触前膜，进而增加突触前膜中谷氨酸的储备。突触间隙谷氨酸水平升高可致NMDA受体过度激活，引起持续性Na+和Ca2+内流并消耗大量ATP，同时激活多聚ADP核糖聚合酶，导致线粒体酶底物供应及葡萄糖利用障碍，使其对细胞呼吸的刺激下降，进而引起线粒体功能紊乱及运动神经元的退变死亡。过量的Glu可激活非NMDA受体，引起Ca2+内流，细胞可通过钙结合蛋白缓冲一过性增多的钙离子，而运动神经元中缺乏钙结合蛋白，只能通过线粒体缓冲增多的钙离子，从而使线粒体内的钙离子超载，钙离子超载使线粒体功能受损，引起ATP产生障碍，电子传递障碍溢出生成自由基，自由基增加触发氧化应激，对生物体造成氧化应激损伤，使脂质、蛋白质和DNA、RNA氧化，造成生物膜脂质氧化，破坏生物膜的正常功能，并使蛋白质构象变化，影响生物体中酶和相关蛋白的正常功能，使染色体发生畸变等。
（二）谷氨酸对中枢神经系统的影响(https://www.daowen.com)
L-谷氨酸是中枢神经系统中非常重要的兴奋性神经递质。突触间隙中的谷氨酸过多蓄积及谷氨酸能神经元过度激活均可通过激活谷氨酸受体，导致突触后神经元及其周围组织的损伤。如果突触间隙谷氨酸水平升高，谷氨酸受体过度兴奋，对突触后神经元产生毒性作用，导致神经元损伤和死亡。研究表明ALS患者脑脊液中的Glu水平比80%对照组高3倍，Glu的转运蛋白已被克隆，分别是GLT-1（EAAT2）、GLAST、EAAC1、EAAT4、EAAT5。而主要在星形胶质细胞中表达Glu胶质性转运蛋白是EAAT2和GLAST，其作用是清除细胞外增加的Glu所致的兴奋毒性。同时，Glu转运体受氧化作用可使其转运谷氨酸的能力减退，使Glu毒性进一步增加。Glu增多引起钙离子内流，激活钙离子依赖性NO合酶（nNOS），nNOS催化生成具有神经毒性的NO。此外，在sALS运动神经元的GluA2 Q/R部位RNA的无效编辑不会发生于SOD1 Tg模型大鼠。根据TDP-43和ADAR2的变化规律，SOD1相关的fALS与sALS病变的差异，说明这两种ALS的发病机制是有区别的。值得注意的是，ADAR2缺乏和病理性TDP-43这两种特异性病变在sALS患者的同一个运动神经元中可同时观察到，由此说明这两种异常的分子病变之间存在某些联系，为sALS所独有。同时钙离子超载引起线粒体功能受损，产生氧自由基，NO可与氧自由基作用生成氧化能力更强的ONOO-，它可与体内许多物质反应生成硝基化产物，产生神经元毒性。
谷氨酸增高的原因可能为：①谷氨酸转运体功能缺失。②谷氨酸受体亚基的基因缺陷导致谷氨酸受体功能异常。③谷氨酸转运蛋白异常导致谷氨酸摄取减少。对于各环节在发病机制中的具体作用仍存在争论。ALS患者谷氨酸水平的升高与以下两方面有关，一是谷氨酸释放异常增多，ALS转基因鼠中突触蛋白Ⅰ的磷酸化水平升高，磷酸化使得突触前膜中谷氨酸囊泡的数量增加，并诱导谷氨酸囊泡与前膜融合，从而使递质释放增加；二是谷氨酸重吸收能力减弱，对ALS患者中枢神经系统的检测发现，兴奋性氨基酸转运体水平降低，其主要作用是重吸收谷氨酸，其表达的降低导致谷氨酸在间隙中大量积累。有研究者将含有较高水平谷氨酸的ALS患者的血清加入腹角运动神经元后明显减少，这支持谷氨酸介导的兴奋性毒性作用ALS器官型脊髓培养模型中，培养4周后，与正常对照组相比，发现脊髓在ALS发病中具有重要作用。根据ALS“谷氨酸的兴奋性毒性作用”学说，已有针对性的ALS治疗药物利鲁唑，它是一种谷氨酸的抑制剂，大规模临床试验表明虽然利鲁唑不能改善ALS患者的运动功能，但可延长患者的生存期。
在大多数ALS病例中，GluR2的RNA编辑率低下，导致RNA2腺苷脱氨酶ADAR家族的ADAR2不足，AMPAR介导的Ca2+通透性增加，Ca2+流入比例增大导致神经细胞缓慢死亡。
有学者发现，在sALS患者尸检获得的脊髓运动神经元中，GluA2 mRNA在Q/R位点编辑减少。由此可见，突触后膜上AMPA受体异常也与ALS发病有关。正常情况下，突触后膜AMPA受体对Ca2+不通透，但当其亚基GluR2丢失时，便可允许Ca2+通透进入突触后神经元，进而产生谷氨酸兴奋效应。在ALS患者运动神经元中就存在GluR2低表达及其mRNA低转录的现象。但发现EAAT2在ALS患者的皮质和脊髓中的水平比对照组低。研究发现，在转基因G93A小鼠，其EAAT2过度表达可使疾病发作明显延迟，该结果为EAAT2的基因治疗、各种诱导EAAT2蛋白和功能的药物、增加EAAT2表达的脊髓神经细胞和星形胶质干细胞的移植提供了理论依据。患者脊髓运动神经元中，AMPAR的GluA2 Q/R部位的未编辑型（GluR2比例）较健康对照组增加。而GluA2 Q/R位点编辑是ADAR2酶所催化的。ADAR2表达水平在sALS患者腹侧脊髓灰质中明显比正常对照组低，很可能是因为运动神经元中ADAR2活性不足引起GluA2 Q/R位点编辑缺陷，导致sALS的神经元死亡。43%的ALS患者存在Glu转运蛋白的功能丧失，提示ALS的兴奋性氨基酸（EAA）转运系统有损害。在A4V和I113T突变型转基因鼠中，由于EAAT2处于活性较低状态，使过氧化物的酶促反应速度提高3倍，导致了神经元的死亡，而野生型SOD1则无此反应。提示SOD1突变型介导的兴奋毒性是由于过度兴奋毒性机制引起，即主要是Glu作用于受体后导致Ca2+内流，激活了一系列的降解酶，如蛋白激酶C、蛋白酶、NOS等使蛋白质分解，自由基生成及脂质超氧化致神经元自行溶解。所以，sALS运动神经元死亡的启动事件可能是因为增加了Q/R位点未编辑型GluR2 Ca2+通透的AMPAR所占比例，而AMPAR介导的细胞死亡机制可能与Q/R位点未编辑型GluR2增加及含编辑型GluR2的AMPAR减少有关。
目前认为，谷氨酸是通过激活Ca2+依赖酶和诱导氧自由基产生来损伤运动神经元的。过量的Ca2+也可激活核酸内切酶，使DNA裂解及核崩解。G93A转基因鼠的Ca2+对Glu兴奋毒性的敏感性是增强的，其脊髓运动神经元更易受到Glu兴奋毒性的损害，则进一步证实了这一机制。目前还认为线粒体内Ca2+超载也是由于Glu的兴奋毒性作用，且Ca2+超载可能是运动神经元死亡的重要原因。此外，近期研究发现一些ALS患者中虽然谷氨酸水平正常，但谷氨酸受体被异常激活，引起突触后神经元的过度反应，可产生类似谷氨酸兴奋毒性的现象。最近一系列大规模临床实验证实：Glu受体拮抗剂Riluzole可降低ALS患者血浆中氧化应激产物，延长sALS患者的生存期。给G93A转基因小鼠补充肌酸可减轻EAA的损害，其可能是提高了Glu受体功能而起作用。这进一步证实了兴奋毒性与ALS的发病密切相关。