干貨分享丨神經遞質與疾病
當我們處于快樂、緊張、沮喪、憤怒各種情緒中時，大部分人覺得這是心理變化，其實這一切都有物質基礎，終究是大腦和它的小幫手操縱著一切。
大腦由神經膠質細胞和神經細胞/神經元組成，成年人的大腦擁有1000億個神經元，每個神經元可以長出2000至數萬個樹突與其他神經元連接，可以接受刺激并進一步傳導信號，這些互相連接的神經元形成巨大而復雜的神經網絡，而我們的情感、意識、記憶等所有精神活動都發生在這個網絡中。
圖1：大腦神經網絡示意圖
在神經元之間傳遞信號的化學物質，就叫神經遞質。它們的作用過程是這樣的：神經元合成神經遞質后將其包裹在突觸囊泡內，在神經元受到來自環境或其他神經元的信號刺激時，突觸囊泡通過胞吐作用將神經遞質釋放到突觸間隙中。神經遞質分子借由擴散作用抵達突觸后細胞膜，能特異性地結合且作用于突觸后神經元或效應器細胞上的受體，起到改變通道蛋白構相、激活第二信使系統等作用，進而導致突觸后神經元的電位或代謝、誘發其產生一定效應。
圖2：神經遞質的作用過程
神經遞質的分類和生理功能
神經遞質根據不同的化學組成特點，可分為單胺/生物胺類、氨基酸類（甘氨酸、谷氨酸、γ-氨基丁酸）、神經肽類和其他類等。
其中大家最常見的7種神經遞質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、應激反應、運動能力；多巴胺（Dopamine, DA）：愉悅、運動控制；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）：激發興奮、記憶形成、神經系統發育；內啡肽（Endorphins）：痛覺抑制。
圖3：幾種主要的神經遞質和功能概述
其中單胺類神經遞質是最先被發現的神經遞質，它屬于中樞神經遞質，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，咪唑胺代表物質是組胺，來源于組氨酸的脫羧反應。痕量胺是在結構和功能上與單胺類神經遞質類似的內源性物質，包括酪胺、苯乙胺、甲氧酪胺和章魚胺等，由氨基酸脫羧酶（AADC）等介導的脫羧反應形成。他們在哺乳動物神經系統中的水平比經典生物胺的更低，對其獨立發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，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
正因為神經遞質的功能如此重要，它們與多種疾病息息相關，比如多巴胺與心情愉悅和調節運動相關，因此它的水平失調是精神分裂癥和帕金森癥的重要原因。5-羥色胺由色氨酸經過色氨酸羥化酶再經過氨基酸脫羧酶形成，參與體溫調節、情感情緒、食欲睡眠等多個行為活動。吲哚胺在體內的水平與阿爾茨海默癥、抑郁癥、帕金森癥等密切相關（Roy et al, 2021; O'Connor et al, 2009）。組胺系統影響認知功能（Passani M B et al, 2004）。通過準確定量多種化合物如與神經疾病相關的代謝物、氨基酸類、痕量胺等，對神經遞質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。
神經遞質（NT）的應用
神經系統損傷及相關遞質水平的變化與多種神經性精神疾病的發生密切相關，也是臨床診斷及后期治療的重點觀測指標。例如單胺類神經遞質合成和代謝途徑的遺傳性缺陷是罕見的遺傳代謝病。單胺類神經遞質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、降解或運輸途徑存在原發性和繼發性缺陷。由單胺類神經遞質疾病引起的神經綜合癥的許多臨床癥狀與其他神經系統疾病的表型（如腦癱和缺氧缺血性腦病）類似，常常會導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遞質準確且可重復的生化檢測有助于正確的臨床診斷。另外神經遞質含量變化的測量，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行輔助診斷。
圖5：單胺類神經遞質生物合成途徑（三磷酸鳥苷（GTP）經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轉化為5-羥基色胺酸（5-HTP），酪氨酸被TH轉化為左旋多巴（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色。）
神經遞質與抑郁癥
抑郁癥是一種較常見的精神疾病，致病原因復雜。然而目前尚無基于實驗室的客觀診斷檢測方法，易被誤診。研究表明，在血漿神經遞質代謝物中，經分析有9種代謝物在抑郁癥患者中發生了顯著變化，它們主要參與GABA能系統、兒茶酚胺能系統和5 -羥色胺能系統。GABA、多巴胺、酪胺、犬尿氨酸可作為抑郁癥可靠的生物標志物。（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）
神經遞質與精神分裂
精神分裂癥是一種比較難診斷的心理障礙疾病。GABA能中間神經元的缺陷或功能障礙是精神分裂癥患者大腦病理學的一個關鍵特征，且與左杏仁核內多巴胺的變化呈負相關（Benes and Berretta, 2001）。但由于大腦功能的復雜性，單一神經遞質間的相互作用不是神經遞質系統在精神分裂病理中的唯一參與過程，多巴胺、谷氨酸、GABA、血清素和催產素等神經遞質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遞質過程
痕量胺與帕金森
帕金森病是一種神經退行性疾病，其特征是腦黑質多巴胺能神經元丟失，并導致一系列運動和非運動障礙。當大約60%的多巴胺能神經元已丟失且疾病已經處于中晚期時，運動缺陷是診斷帕金森病最重要的臨床體征。但帕金森病的神經病理學往往在運動癥狀出現前數年就開始出現異常的變化了。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志物。然而，這些標志物無法用于疾病的早期發現和監測疾病進展（Havelund et al, 2017）。
臨床上對于前驅期（出現了臨床癥狀，但尚未達到帕金森的診斷標準）或臨床前期（出現了神經退行性病變，但沒有臨床癥狀）的生物標志物的確定可以對帕金森更好的預后和治療創造條件。帕金森病患者雖存在氨基和吲哚神經遞質的生化異常，痕量胺中的化合物更可能是帕金森早期診斷和疾病進展的潛在標志物。已有研究經過代謝組學分析發現酪胺的循環水平可能是有高度敏感性和特異性的早期檢測標志物（power > 0.80），可用于帕金森的早期監測，而酪胺、去甲腎上腺素和酪氨酸可作為疾病進展的標志物（power > 0.80）（D’Andrea et al, 2019）。
神經遞質的分析檢測
對神經遞質的現有檢測技術有生物檢測技術、電化學檢測技術等，但傳統的生物檢測技術需要特定的抗體或熒光探針，檢測種類非常有限，電化學檢測技術也僅適用于少數容易離子化的化合物，并且這些技術統一的缺點是靈敏度較低，液相色譜和串聯質譜結合可對一次實現多個化合物的準確定性定量分析，具有靈敏度高、穩定可靠等優點。神經遞質類化合物普遍親水性好、極性較強，在反相色譜上的保留弱，因此，一些研究者用親水模式結合串聯質譜來檢測，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遞質多在fmol甚至amol水平，想要檢測到這些指標需要大量的樣品進行濃縮富集。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，使目標物帶上高靈敏的質譜探針，我公司就采用此策略開發了含有12種靶標的神經遞質方法試劑盒，與直接法相比，靈敏度可以提高2-4個數量級，在方法穩定的前提下可以降低用樣量和對儀器的要求。
總結
神經遞質的研究對于神經發育相關的機制、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。但是機制研究往往伴隨著對相關代謝產物的檢測和發現。通過調研，我們也發現液相色譜質譜串聯高通量、高靈敏度的特點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確可靠的數據，并助力于疾病的病理研究、疾病診斷和疾病標志物的發現。
