052 谷氨酸递质在药物成瘾中的作用郑明岚 综述 朱永平 审校(浙江大学医学院卫生毒理学教研室,浙江 杭州 310006)摘要: 成瘾是精神活性物质长期作用于大脑而产生的神经适应性改变,随着对脑内谷氨酸神经递质系统的深入了解,发现成瘾药物除可诱导调节突触前、后谷氨酸神经转运的蛋白质功能发生改变外,也影响大脑皮质的活性,提示谷氨酸系统在药物成瘾中起着至关重要的作用。

关键词:谷氨酸递质;可卡因;成瘾中图分类号: R996 文献标识码: A 文章编号: 1001-1226(2005)03_0183_04收稿日期:2004_06_24;修回日期:2005_03_11基金项目:国家重点基础研究专项经费资助(2003CB515402)作者简介:郑明岚(1978-),女,研究生,研究方向:药物依赖毒理学。

审者简介:朱永平,男,教授,研究方向:药物依赖毒理学。

药物成瘾是慢性、复发性脑疾病,有着极其复杂的机制。

其核心特征是强迫性药物使用,即成瘾者失去了对药物寻觅和摄取的控制[1]。

长期给药后,大脑奖赏相关环路上分子和细胞长时适应,神经回路功能改变,出现与成瘾相关的行为可塑性即药物成瘾。

虽然神经可塑性改变的长期存在是药物成瘾的神经基础,但二者是否存在因果关系还不明确。

近来研究发现谷氨酸转运体参与神经元的持久可塑性,在药物成瘾的形成和表达中起着不可替代的作用[2,3]。

在成瘾中,多巴胺(DA)参与药物的奖赏和运动等效应,谷氨酸与神经系统的兴奋性和突触形成等密切相关;两者又存在大量直接或间接的纤维联系,在成瘾行为形成的长时适应过程中相互调节,产生具有成瘾特征性的改变[4,5]。

因此谷氨酸系统在成瘾中的作用逐渐成为成瘾领域研究的热点。

本文从神经药理学基础出发,探讨谷氨酸参与成瘾有关的行为神经可塑性的机制。

1 参与成瘾的神经环路成瘾通路主要存在于中脑边缘多巴胺系统(mesolimibic dopamine system,MLDS)。

成瘾药物通过3条不同环路激活共同的奖赏中枢)))MLDS:(1)中脑腹侧被盖区(ventral tegemental area,VTA )到伏隔核(nucleus accumbens,NAc)的多巴胺投射;(2)黑质到纹状体的多巴胺投射;(3)中脑(主要是VTA)到内侧前额皮质(medial prefrontal cortex,mPFC)的多巴胺投射。

调控这些环路的神经元胞体位于VTA 内,广泛支配大脑皮质、海马、杏仁体和其他边缘组织。

尽管VTA 到NAc 的多巴胺能投射是多种成瘾物质引起奖赏效应的共同通路,但参与药物精神依赖形成的脑区远远超过中脑DA 系统。

神经环路之间的相互作用被认为是成瘾形成和维持(如复吸、敏感化等)的必要条件之一[6]。

例如,伏隔核接受来自前额叶皮层、海马、丘脑被侧中部和杏仁核等脑区的传入纤维后,又将纤维投射到与药物奖赏有关的腹侧苍白球和VTA 。

NAc 由核和壳两部分组成,壳部与多巴胺依赖的奖赏效应有关,主要接受VTA 的多巴胺能投射,核部主要接受杏仁核和海马的兴奋性谷氨酸能传入纤维,可能与反复使用药物而引起的持久的细胞变化有关[7,8]。

而起始于VTA 的多巴胺神经元可将纤维投射到NAc 和其它边缘结构如杏仁核和PFC 等。

皮层-基底节回路也是一个与成瘾有关的环路,该回路是个环绕脑皮层、基底节和丘脑的大规模神经回路。

在该回路中,纹状体接受来自所有皮层区域的谷氨酸投射纤维,其中来自新皮层和其它核团(如海马和杏仁核)的纤维分别主要投射到纹状体背侧和腹侧。

研究表明海马、杏仁核、前额叶皮层、丘脑被侧中部等均为药物依赖相关回路所涉及的核团。

动物实验证明海马记忆系统调节大鼠的可卡因自身给药行为[9];杏仁核是调节线索诱导的复吸环路的一个基本组份;PFC也有谷氨酸能神经输出到VT A的多巴胺细胞胞体区域;杏仁核、PFC之间的连接也是谷氨酸能,PFC直接接受从VTA的多巴胺能神经传入纤维,是参与奖赏相关学习的重要结构。

2成瘾环路上谷氨酸系统的神经适应性变化Holden[10]指出,药物依赖形成的关键因素有二:一个是神经回路发生被动的适应性(neuroadaptations)变化;另一个是发生在海马的记忆痕迹构建(laying down of me mory trace)。

认为这两种因素同时并存,前者是后者的基础和条件,后者很可能是成瘾的根本原因所在。

神经元的稳态适应可以成为药物依赖的重要特征和戒断症状的基础,但很难解释强迫性用药的本质和持续的复吸倾向。

而突触的可塑性变化是正常记忆形成的结构基础,药物成瘾的持续性和牢固性正是由于突触的可塑性变化的特定模式不断变化的结果,而谷氨酸能神经输出对于成瘾行为的形成及表达很关键。

211谷氨酸能神经在VTA上的长时适应所有成瘾药物都能引起奖赏中枢多巴胺的大量释放,从而强化了寻药行为。

然而,近来的研究指出:谷氨酸作为多巴胺的/助手0 (helper)在药物成瘾中起作用。

长时程增强(long-ter m potentiation,LTP)是谷氨酸能突触可塑性形式之一,是研究突触传递效能持久变化的重要模型。

最初研究者在海马中发现LTP,认为其参与学习记忆,后来在VTA和NAc也发现了此现象,认为这些区域出现的LTP可能参与成瘾过程[11]。

Ungless等[12]报道给活体大鼠单次使用可卡因后,鼠脑VTA 内谷氨酸能神经末梢和多巴胺神经元之间的突触传递增强。

成瘾药物明显增加谷氨酸能递质,可能是通过增加VTA多巴胺能神经元突触后谷氨酸的输出,而不是直接增加谷氨酸在突触处的释放。

临床研究发现,给予成瘾者过量可卡因后,其VTA的几种离子型谷氨酸受体亚单位水平上调[13]。

理论认为可卡因可能直接激活A-氨基羟甲基异唑丙酸(AMPA)谷氨酸受体,使VTA多巴胺神经元突触后膜去极化。

接着,激活N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体,导致钙离子内流到多巴胺能神经元,进而活化钙离子依赖的钙调蛋白激酶。

这些活化的激酶可使AMPA受体磷酸化并增加其活性,也可能引起多巴胺能神经元突触后膜AMPA受体的连锁反应,从而使谷氨酸能神经活性增强,最终产生具有成瘾特征性的神经和行为改变。

212谷氨酸递质在突触前后的适应性变化长期给予成瘾药物不仅使PFC和杏仁核到NAc的谷氨酸能出现神经适应性变化,还诱导NAc基因表达和蛋白质功能的长时程改变[14]。

研究也发现一旦成瘾形成,调节谷氨酸转运的蛋白质表达就发生变化。

由此推测,成瘾后出现的一系列神经适应性首先可能涉及某些信号通路的适应性,这些通路与DA转运直接相关,谷氨酸转运的变化使这些通路适应性变得越来越明显[15]。

例如,在某些情况下,急性给予可卡因并不能改变未成瘾动物NAc谷氨酸的释放,而预先重复给予可卡因的动物其谷氨酸的释放明显改变。

另一方面,在谷氨酸释放增加的同时,细胞外间隙和突触前末端的谷氨酸基础水平却下降,从而增强了PFC-NAc通路上谷氨酸介导的突触信号的传导[16]。

可能是由于胱氨酸-谷氨酸交换子的活性下降,促使胱氨酸-谷氨酸交换子的重新储存,使细胞外的谷氨酸水平恢复到正常,阻止可卡因诱发的复吸。

另外,长期给予可卡因而诱导的胱氨酸-谷氨酸交换下降可能与细胞外代谢型谷氨酸受体mGluR1P5下降有关,mGluR1P5的下降是因为可卡因诱导Home蛋白减少,而Home蛋白是mGluR1P5进入肌醇磷酸敏感的细胞外钙池的骨架蛋白。

运用反义寡核苷酸降低Home1或敲除Home2基因,可出现一系列可卡因成瘾表现,包括可卡因诱导的活动性敏感化和奖赏效应,这验证了NAc的Home蛋白与成瘾的关系。

敲除Home蛋白减弱mGluR1P5信号作用,可以提高可卡因的反应性[17]。

相反,敲除mGluR1基因或给予mGluR5拮抗剂可阻断可卡因诱导的成瘾行为的出现。

突触前谷氨酸的另一个适应性是可卡因戒断后, mGluR2P3显著去敏感化。

来自mGluR2P3的信号以及mGluR2P3本身抑制谷氨酸释放的能力变弱,谷氨酸的增加部分是由于受体的磷酸化和G蛋白信号-3(AGS-3)活动子的增加,因为AGS-3可选择性地与抑制性G蛋白A亚基(Gi A)结合。

除了突触前以及神经胶质释放谷氨酸调节敏感化和复吸以外,NAc突触后谷氨酸转运也发生许多变化。

虽然谷氨酸的突触前释放开始于可卡因戒断后,但是大多数数据表明,对谷氨酸的突触后反应却是下降的,例如,对离子电渗入或刺激谷氨酸释放的电生理反应变钝,这种钝化可能与离子型谷氨酸受体亚单位的改变有关[18]。

但突触前谷氨酸转运是如何增加、突触后谷氨酸转运是如何降低、二者如何调节成瘾行为的表达还不是很清楚,有待于进一步探索。

213谷氨酸在PFC上的长时适应成瘾后PFC出现的细胞持久变化没有NAc那样典型。

长期给药后,记录从PFC投射到NAc或VTA的浦氏细胞电生理活动,发现浦氏细胞膜双极稳态消失[19]。

浦氏细胞膜电位一般处于去极化和超极化之间波动,这种波动受多巴胺和谷氨酸输入的调节,是皮质环路强直性地反映。

因此,长期给药后膜双极稳态的消失反映了药物导致的浦氏细胞内的变化或多巴胺P谷氨酸输入的改变。

越来越多的证据都验证了成瘾药物可诱导神经元发生长时适应。

例如可卡因戒断后,Gi A 偶联受体(包括mGluR2P3、GAB A-B受体)信号减弱[20],可能是由于AGS-3水平上升的缘故;PFC释放多巴胺的能力也改变。

目前没有足够的资料来证实药物能诱导PFC蛋白表达及其功能的变化。

然而双极稳态的消失却与来自神经图像的证据一致,即成瘾时PFC处于高度的活跃状态,从而导致对觅药行为调节的认知能力下降。

3谷氨酸递质与成瘾谷氨酸递质多存在于皮层、海马、杏仁核等区域,并投射兴奋性纤维到VTA、NAc等与药物奖赏效应密切相关的中脑核团。

神经图像研究发现:药物(包括酒精、可卡因、安非他明、海洛因和尼古丁等)渴求期,前扣带回、腹侧皮质和杏仁核的血流增加[21]。

1994年, Gudehithlu等[22]首次报道了吗啡长期处理大鼠脑NMDA受体的变化。

之后Koyuncuoglu 等[23]的研究显示吗啡依赖大鼠脑NMDA受体显著上调。

Peakman等[24]以单纯疱疹病毒为载体,把AMPA受体亚单位GluR2的基因微注射入NAc,引起小鼠GluR2表达增多,与对照组相比,这些小鼠增强了低剂量可卡因引起的奖赏效应。

研究发现无论哪种刺激形式,复吸的发生都依赖于前脑皮质的神经递质转运[3,25]。

在自身给药模型中,给予AMPA 受体激动剂而非生理盐水替代可卡因可恢复大鼠的压杆行为。

几种非选择性AMPA受体拮抗剂在不同的神经元模型上影响阿片或其他精神刺激剂的行为敏感化。

运用药理学方法使PFC电压依赖性Na+通道阻断剂或GABA受体激动剂失活,则由应激、可卡因相关线索或可卡因自身诱导的复吸也被阻断;微透析发现,药物和应激诱发的复吸都可以使纹状体核部的谷氨酸释放。