第一節(jié)　酒精對神經元和神經膠質細胞的作用

一、酒精對神經元的作用

神經元由神經細胞胞體及其突起構成。神經細胞胞體內的高爾基體參與形成多肽類或激素類的神經分泌顆粒，合成某些神經遞質如兒茶酚胺以及與神經遞質合成有關的酶，然后以囊泡的形式輸送到神經末梢。突起包括一個或多個樹狀突和一個細長的軸狀突，神經元是神經系統(tǒng)唯一能傳遞神經沖動的結構，其中樹突和胞體是接受其他神經細胞傳來沖動的部分，而軸突則把神經元的沖動傳遞到末梢。神經元之間的交接點被稱為突觸，包括前一個神經元的末梢部分，即突觸前膜；后一個神經元的細胞膜，即突觸后膜；突觸前后部之間有15～25mm的裂隙，即為突觸間隙。

在胚胎發(fā)育早期，酒精可能通過影響神經元的分化、遷移而引起腦形態(tài)結構發(fā)育障礙；在胚胎發(fā)育后期，即突觸發(fā)生階段，酒精可誘導神經元凋亡而導致腦功能發(fā)育異常。人類胚胎從第7個月開始到出生后的幾年之內，是突觸發(fā)生的時期，也是對酒精最敏感的時期之一。若在這一階段受到酒精暴露，可引起大量的神經元發(fā)生程序性死亡。在突觸發(fā)生時期，酒精誘導的神經元凋亡可能是胎兒酒精綜合征產生的原因之一。酒精可能通過增加自由基的產生，影響神經遞質受體的功能、干擾神經營養(yǎng)因子信號通路、激活內源性的細胞凋亡信號途徑等分子機制，促進發(fā)育過程中的神經元凋亡。酒精影響發(fā)育的另一個重要機制是抑制蛋白質合成。

以下主要闡述酒精誘導的神經元凋亡機制：

1.氧化損傷與酒精引起的神經元凋亡

氧化應激長期被認為是酒精誘導發(fā)育中神經元凋亡的機制之一。攝入體內的酒精經乙醇脫氫酶作用生成乙醛，大部分乙醛需要由乙醛脫氫酶代謝使之變成乙酸。乙醛脫氫酶在氧化過程中可生成大量的超氧陰離子自由基，損傷神經元。酒精還可通過細胞色素P450增加超氧陰離子自由基和過氧化氫的生成，使線粒體受損，特別是對呼吸鏈的部分抑制，導致氧化還原載體，如輔酶Q的自氧化，增加氧自由基的產生。大腦是機體線粒體最活躍的部位，在酒精的代謝中必然會產生大量的自由基。此外，酒精能使細胞內NADH/NAD增加，從而將三價鐵離子催化還原為二價鐵離子，生成大量羥自由基，造成脂質過氧化。為了清除這些過量的自由基和過氧化脂質，就不得不動用體內大量抗氧化劑和抗氧化酶，又會導致這些指標的顯著降低。

在酒精誘導的神經元凋亡模型中，酒精引起7日齡小鼠大腦中反映體內氧化應激程度的 硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）增多，而清除氧自由基的 谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）含量下降。 促紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）能有效抑制酒精引起的神經元死亡，同時也降低了腦組織的TBARS水平。體外培養(yǎng)的大鼠原代皮層神經元中，酒精能夠顯著增加 活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生，提高線粒體內脂質過氧化產物 4-羥基壬烯醛（4-hydroxynonenal，HNE）和 丙二醛（malonaldehyde，MDA）的含量，降低 谷胱甘肽（glutathione，GSH）的含量，引起 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（cysteine aspartic acid protease，caspase-3）的激活，以及細胞色素C的釋放和神經元凋亡。使用 N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAc）增加細胞內還原性谷胱甘肽的含量，對正常細胞活性沒有影響，卻能有效抑制酒精誘導的神經元凋亡。

2.酒精激活細胞凋亡信號通路

細胞凋亡主要包括內源性和外源性兩條通路。在外源性凋亡途徑中，配體與細胞膜上的死亡受體結合，激活 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-8（cysteine aspartic acid protease，caspase-8），繼而激活下游的 caspase-3 等，引起細胞凋亡。在內源性凋亡途徑中，線粒體膜上的促凋亡因子和抗凋亡因子比例發(fā)生變化，使線粒體膜的通透性發(fā)生變化，引起細胞色素C的釋放，細胞色素C與 細胞凋亡蛋白酶激活因子-1（apoptosis protease activating factor-1，APAF-1）和 caspase-9 結合，從而激活 caspase-3 及下游因子。B細胞淋巴瘤/白血病-2基因（B-cell lymphoma，Bcl-2）家族蛋白在內源性細胞凋亡途徑中起著重要的調節(jié)作用：Bcl-2、Bcl-xL等是抑制細胞凋亡的因子；而Bax、Bad等則起促進細胞凋亡的作用。這些蛋白通過形成同源或異源二聚體發(fā)揮作用。當Bax形成同源二聚體時，誘導凋亡，隨著Bcl-2表達量的上升，越來越多的Bax二聚體分開，與Bcl-2形成更穩(wěn)定的異源二聚體，從而抑制Bax同源二聚體誘導的凋亡作用。細胞內Bcl-2家族促凋亡因子和抗凋亡因子間比例的變化調節(jié)著細胞凋亡的發(fā)生。Young等以新生7日齡的小鼠為模型，證明酒精誘導的神經元凋亡主要是通過線粒體介導的內源性細胞凋亡途徑。在Bax基因敲除小鼠中，酒精不能誘導神經元的凋亡，但caspase-3基因敲除并不能抑制酒精引起的神經元死亡，提示Bax可能是決定細胞命運的關鍵因素。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，在Bax基因敲除小鼠中，酒精不能誘導小腦浦肯野細胞的凋亡，但小腦顆粒細胞對酒精的敏感性并沒有發(fā)生改變。出生4d的大鼠小腦中，酒精能誘導胞漿和線粒體膜上Bad的表達，同時引起了線粒體膜上Bad和Bcl-xL復合物的增加。大鼠孕期攝入酒精，能降低后代大腦皮層中Bcl-2蛋白的表達水平。

3.酒精引起雙鏈核苷酸激活的蛋白激酶介導的蛋白合成受阻

蛋白合成停止是細胞凋亡的重要機制之一，真核細胞翻譯起始因子-2α（eukaryotic initiation factor，eIF-2α）在該過程中起著關鍵作用。蛋白翻譯起始時，eIF2α由 結合二磷酸鳥苷（guanosine diphosphate，GDP）的形式轉換為 結合三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）的形式，使帶氨基酰的 轉運核苷酸（transfer ribonucleic acid，tRNA）與小亞基結合，并為起始復合物的形成提供能量。細胞受到外界刺激時，eIF2α被磷酸化，減少了eIF2-GDP向eIF2-GTP的轉換，從而抑制蛋白質的合成。 雙鏈核苷酸激活的蛋白激酶（double stranded RNA-activated protein kinase，PKR）在哺乳動物中廣泛表達，能通過磷酸化其底物eIF2α，使蛋白翻譯受到抑制，在細胞的抗病毒反應中起到重要的調控作用。近年來，關于PKR在神經元凋亡和神經退行性疾病中的作用，受到了越來越多的關注。研究表明，在誘導的小鼠癲癇持續(xù)狀態(tài)中，PKR在皮層和海馬組織中被激活，并引起蛋白翻譯受到抑制。磷酸化的PKR表達水平在 帕金森病（Parkinson disease，PD）和 亨廷頓舞蹈病（huntington chorea，HD）患者腦組織內明顯升高，提示PKR在這些疾病的發(fā)生中可能具有重要的作用。

除雙鏈核苷酸外，PKR也可以被其激活物激活。新近的研究顯示，在體外培養(yǎng)的原代小腦顆粒細胞中，酒精能夠引起PKR相關蛋白（RAX）和PKR的相互作用，并通過磷酸化其下游的eIF2α導致蛋白翻譯受阻和神經元死亡。過量表達RAX的細胞對酒精的敏感性提高，并增強了酒精引起的蛋白翻譯受阻和神經元的死亡。該研究首次揭示了酒精通過抑制蛋白合成引起細胞凋亡的分子機制。酒精可能通過增加自由基產生、影響神經遞質受體的功能、干擾神經營養(yǎng)因子信號通路、激活內源性的細胞凋亡信號途徑等分子機制促進細胞凋亡。抑制蛋白質合成是酒精影響發(fā)育的另一個重要機制。

4.酒精干擾神經營養(yǎng)因子信號通路

神經營養(yǎng)因子（neurotrophic factors，NTFs）是神經元的存活、增殖、分化等所必需的一大類生長因子。在中樞神經系統(tǒng)的發(fā)育過程中，僅接收到足夠營養(yǎng)因子信號的細胞才能存活，而缺乏營養(yǎng)支持將導致細胞凋亡。大量研究表明，酒精通過干擾神經營養(yǎng)因子的信號通路引起神經元的死亡。酒精可能通過多種途徑干擾神經營養(yǎng)因子的作用，如影響營養(yǎng)因子的表達，影響營養(yǎng)因子受體的水平或影響這些因子激活的下游信號通路。不同類型的細胞，對酒精的敏感程度與它們對生長因子的響應程度相關。 腦源性神經生長因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是近年來研究較多的一種營養(yǎng)因子，在神經元的存活、突觸形成中起著重要的作用。BDNF的生物學效應通過與受體結合實現(xiàn)，配體與受體結合后，可以激活細胞內不同的信號通路，包括 磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）通路和 細胞外信號調節(jié)蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）信號通路，這些通路的激活能引起細胞增殖相關的一些轉錄因子的表達。酒精能降低新生大鼠大腦皮層BDNF表達水平并影響其受體的功能。同時，酒精抑制了BDNF激活的PI3K和ERK通路。 胰島素樣生長因子-1（insulin like growth factor-1，IGF-1）是一類促進細胞生長、具有胰島素樣代謝效應的神經營養(yǎng)因子。IGF-1及其受體廣泛分布于中樞神經系統(tǒng)，通過下游的 促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和PI3K等信號通路抑制細胞凋亡，調節(jié)離子通道活性。IGF-1與細胞膜上的受體結合，激活其胞內段，然后磷酸化并激活 胰島素受體底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1），IRS-1可以招募并活化PI3K，從而激活PI3K信號通路，抑制細胞凋亡。酒精能夠抑制IGF-1對原代小腦顆粒細胞的神經保護作用，誘導細胞凋亡，其途徑是抑制IRS-1的磷酸化，阻礙PI3K的結合。大鼠在孕期攝入酒精，后代出生后神經元的胰島素信號通路受到抑制。Rubin等通過詳細的結構研究發(fā)現(xiàn)，酒精能結合在胰島素受體和IGF-1受體激酶活性區(qū)域的疏水部位，并與極性氨基酸殘基通過親水結合穩(wěn)定下來，從而抑制受體激酶的活性，阻斷胰島素信號通路。眾多研究還表明，酒精可能通過以上一種或多種途徑干擾NTF-3、神經生長因子（nerve growth factor，NGF）、表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）等神經營養(yǎng)因子的作用。

二、酒精對神經膠質細胞的作用

神經膠質細胞是中樞神經系統(tǒng)的主要細胞占全腦細胞50%以上，是腦的主要組成成分。它廣泛分布于中樞神經系統(tǒng)內，具有支持、滋養(yǎng)神經元，吸收和調節(jié)某些活性物質的功能。神經膠質細胞具有分裂能力，可以吞噬因損傷而解體破碎的神經元，并能修補填充、形成瘢痕。神經軸突再生過程必須有神經膠質細胞的引導才能成功。

神經膠質細胞作為腦的重要組成部分其發(fā)育不僅是神經系統(tǒng)整體發(fā)育的一個組成部分，且為神經元的發(fā)育提供了不可缺少的環(huán)境條件。星形膠質細胞是中樞神經系統(tǒng)最重要的神經膠質細胞之一，對神經元具有營養(yǎng)支持作用，并能引導神經元的定向遷移和分化成熟。酒精對神經元的損害作用是否是通過影響星形膠質細胞功能繼而影響神經元功能受到普遍關注。少突膠質細胞的主要功能是在中樞神經系統(tǒng)中包繞軸突、形成絕緣的髓鞘結構、協(xié)助神經電信號的跳躍式高效傳遞，維持和保護神經元的正常功能。少突膠質細胞的異常除導致中樞神經系統(tǒng)脫髓鞘病變之外，還會導致神經元損傷或精神類疾病，甚至可以引發(fā)腦腫瘤。酒精及其代謝產物乙醛對星形膠質細胞和少突膠質細胞損傷機制可能與下列因素有關：

1.酒精對神經膠質細胞膜脂質流動性的影響

以往研究證實，酒精可影響神經元膜脂質和突觸體膜脂質流動性，導致膜脂與膜蛋白相互關系發(fā)生紊亂。不同神經毒物對細胞損害存在著差異，對同一種神經毒物的敏感性也因細胞類型不同而異。酒精、乙醛對星形膠質細胞和少突膠質細胞膜脂質熒光偏振度、流動度有明顯影響。隨劑量遞增，熒光偏振度顯著下降，與劑量呈負相關關系；流動度顯著升高，與劑量呈正相關關系。

酒精對膜脂質流動性的改變可能是酒精屬親脂性溶劑，有較高的脂/水分配系數，通過影響膜脂合成或降解過程引起膜組分，特別是膜脂質和磷脂的改變影響兩種細胞膜脂質的流動性。另一方面進入膜脂中的酒精誘導膜有序結構紊亂或膜蛋白和膜脂相互作用引起膜結合蛋白空間構象改變和脂質雙分子層的改變，從而導致兩種細胞膜脂質流動性增大。由于細胞膜脂質的流動性與物質轉運、信息傳遞、能量轉換和細胞分化有關，從而不難理解酒精導致星形和少突膠質細胞膜脂質流動性嚴重改變，必然影響這些細胞的生長和發(fā)育。

2.酒精對膠質纖維酸性蛋白和S₁₀₀的影響

膠原纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）和S₁₀₀特異性的表達于星形膠質細胞，GFAP構成星形膠質細胞的基本骨架-中間微絲，S₁₀₀蛋白則能通過螯合中間微絲的亞單位，調控GFAP的表達，GFAP和S₁₀₀對星形膠質細胞的分化成熟均具有重要作用。膠質纖維酸性蛋白是星形膠質細胞的標志蛋白，GFAP表達的高低可以反映反應性膠質化的程度，反應性星形膠質增生是中樞神經系退行性疾病及損傷引起的神經組織損害時一種常見現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)，低劑量組海馬區(qū)免疫細胞化學染色的星形膠質細胞胞體未見肥大，突起也未見粗壯，Morris水迷宮潛伏期未見延長，提示低劑量酒精對腦結構和功能無損傷作用。高、中劑量組海馬區(qū)星形膠質細胞肥大增生、突起變得粗壯，面密度也較正常組有顯著變化，提示酒精中毒會導致星形膠質細胞的分裂，GFAP的表達增強。對于星形膠質細胞在損傷后所起的作用有不同的見解，一方面神經膠質化是神經系統(tǒng)自身保護機制之一，它可以通過吞噬損傷處退變的細胞碎屑，改善神經元存活的內環(huán)境，分泌大量的促神經生長因子，有利于神經再生，另一方面反應性膠質化產生過度，阻礙髓軸和軸突再生的機械屏障而影響損傷的修復。有些學者發(fā)現(xiàn)神經膠質細胞不僅能相互傳遞信息而且可接受來自神經元的信號，還有傳播信號給神經元的可能。神經膠質的細胞膜與神經元一樣可攜帶遞質的受體，并具有離子通道作用。胞體萎縮、樹突減少等神經元的損害與記憶減退的關系已為大量實驗所證明。星形膠質細胞中GFAP的表達增強與記憶減退的直接關系尚缺乏證據。有人認為星形膠質細胞的增生和肥大與神經元的丟失有關，星形細胞數的變化可能是繼發(fā)于神經元的變化。

酒精可影響GFAP表達，因GFAP是構成星形膠質細胞最突出細胞器-中間絲的亞單位，是星形膠質細胞的標志蛋白，故其陽性表達可反映星形膠質細胞發(fā)育成熟狀況。中間絲是一類形態(tài)上十分相似，化學組成有明顯差別的蛋白纖維。它在細胞質內形成網架系統(tǒng)，朝外與細胞和細胞外基質聯(lián)系，往內與細胞核表面和核基質聯(lián)系，在中間則與微管、微絲及其他細胞器聯(lián)系。因此在細胞內和細胞間起著多方面的結構作用，在細胞形態(tài)的形成與維持、細胞的移位和鋪展、細胞內顆粒的運動、細胞間的連接、細胞器特別是細胞核定位等方面其重要作用。GFAP表達降低時，可能會影響星形膠質細胞中間微絲的形成和神經膠質的衍生，星形膠質細胞連接支持神經元功能降低，干擾神經元分化成熟，導致神經元功能發(fā)育異常。因此，胎兒酒精綜合征神經元發(fā)育異常的原因之一，很可能是酒精導致星形膠質細胞GFAP表達異常。

酒精能明顯抑制星形膠質細胞S₁₀₀蛋白表達。S₁₀₀蛋白作為鈣離子調節(jié)蛋白，能夠維持機體鈣穩(wěn)態(tài)，參與調控鈣離子依賴性的蛋白質磷酸化過程，調節(jié)信號通路。此外，S₁₀₀蛋白對酶活性、炎癥反應、細胞骨架、細胞增殖與分化均具有調控作用。S₁₀₀蛋白具有調節(jié)細胞骨架，調控細胞生長周期與細胞分化，參與氧化磷酸化過程，并具有軸突延伸因子的作用。S₁₀₀蛋白表達降低可能會影響星形膠質細胞骨架微絲、微管的聚合、軸突的延伸、磷酸化調節(jié)、信號傳遞，能量代謝等過程，從而影響星形膠質細胞生長、發(fā)育和功能的完善，進而影響神經元的功能。

酒精抑制胎鼠腦星形膠質細胞GFAP和S₁₀₀蛋白表達可能與酒精干擾GFAP和S₁₀₀基因轉錄過程有關。先前的體內研究發(fā)現(xiàn)，酒精能夠引起胎鼠腦GFAP mRNA表達下降。另一方面也可能與酒精干擾蛋白轉譯，影響相應蛋白的表達有關。體外研究表明，酒精能夠增強星形膠質細胞 熱休克蛋白（heat shock protein，HSP）的表達從而抑制維持正常功能蛋白質的表達，導致GFAP和S₁₀₀表達下降。酒精引起細胞數量的下降可能與增殖抑制和細胞凋亡有關。研究表明，酒精可抑制某些有絲分裂原誘導的星形膠質細胞的有絲分裂，并能抑制體外培養(yǎng)的星形膠質細胞的增殖，提示酒精對星形膠質細胞具有增殖抑制作用。此外酒精還能夠引起星形膠質細胞的細胞膜和線粒體損傷，誘導凋亡和壞死。

綜上所見，酒精可能通過多種途徑干擾星形膠質細胞的正常發(fā)育，既可能通過抑制GFAP，S₁₀₀蛋白表達影響星形膠質細胞的骨架形成，還可能通過影響S₁₀₀蛋白間接干擾磷酸化作用，影響信息傳遞，引起能量代謝障礙。GFAP和S₁₀₀ 蛋白表達異常很可能是酒精引起神經系統(tǒng)發(fā)育異常的主要機制之一。

3.酒精對熱休克蛋白70表達和細胞超微結構的影響

熱休克蛋白是普遍存在于生物細胞中的一類應激反應蛋白，正常細胞非應激狀態(tài)下其表達水平較低，應激時迅速升高。近年研究發(fā)現(xiàn)，腦熱休克蛋白表達與神經發(fā)育和神經元的功能狀態(tài)有關，HSP的持續(xù)表達將伴有其他基因持續(xù)抑制，導致神經元內大部分維持正常功能的蛋白質合成減少，而神經元發(fā)育狀況又與星形膠質細胞有關。體外研究表明，酒精能通過增強星形膠質細胞HSP表達抑制維持正常功能蛋白質的表達，并可通過損傷星形膠質細胞的細胞膜和線粒體導致凋亡和壞死。機體細胞在受熱或其他理化因素作用后可出現(xiàn)應激反應。