干货分享丨神经递质与疾病
当我们处于快乐、紧张、沮丧、愤怒各种情绪中时，大部分人觉得这是心理变化，其实这一切都有物质基础，终究是大脑和它的小帮手操纵着一切。
大脑由神经胶质细胞和神经细胞/神经元组成，成年人的大脑拥有1000亿个神经元，每个神经元可以长出2000至数万个树突与其他神经元连接，可以接受刺激并进一步传导信号，这些互相连接的神经元形成巨大而复杂的神经网络，而我们的情感、意识、记忆等所有精神活动都发生在这个网络中。
图1：大脑神经网络示意图
在神经元之间传递信号的化学物质，就叫神经递质。它们的作用过程是这样的：神经元合成神经递质后将其包裹在突触囊泡内，在神经元受到来自环境或其他神经元的信号刺激时，突触囊泡通过胞吐作用将神经递质释放到突触间隙中。神经递质分子借由扩散作用抵达突触后细胞膜，能特异性地结合且作用于突触后神经元或效应器细胞上的受体，起到改变通道蛋白构相、激活第二信使系统等作用，进而导致突触后神经元的电位或代谢、诱发其产生一定效应。
图2：神经递质的作用过程
神经递质的分类和生理功能
神经递质根据不同的化学组成特点，可分为单胺/生物胺类、氨基酸类（甘氨酸、谷氨酸、γ-氨基丁酸）、神经肽类和其他类等。
其中大家最常见的7种神经递质的概括性的功能如下，乙酰胆碱（Acetylcholine, Ach）：注意力、记忆、控制肌肉收缩等；去甲肾上腺素（Norepinephrine, NE）：注意力、应激反应、运动能力；多巴胺（Dopamine, DA）：愉悦、运动控制；血清素（Serotonin, 5-HT）：睡眠、情绪、食欲、焦虑；γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric Acid, GABA）：抑制兴奋、令人平静；谷氨酸（Glutamate）：激发兴奋、记忆形成、神经系统发育；内啡肽（Endorphins）：痛觉抑制。
图3：几种主要的神经递质和功能概述
其中单胺类神经递质是最先被发现的神经递质，它属于中枢神经递质，包括儿茶酚胺、吲哚胺和咪唑胺。儿茶酚胺包括多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素等，吲哚胺主要是5-羟色胺，均是从芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）和甲状腺激素衍生而来，咪唑胺代表物质是组胺，来源于组氨酸的脱羧反应。痕量胺是在结构和功能上与单胺类神经递质类似的内源性物质，包括酪胺、苯乙胺、甲氧酪胺和章鱼胺等，由氨基酸脱羧酶（AADC）等介导的脱羧反应形成。他们在哺乳动物神经系统中的水平比经典生物胺的更低，对其独立发挥作用的研究报告也较少，但其水平的异常与多种精神疾病相关，如帕金森、抑郁症、精神分裂、注意缺陷多动障碍（Khan et al, 2016）、偏头痛、精神药物滥用、进食障碍和肝性脑病等（Zucchi et al, 2006）。
图4：脑中儿茶酚胺和痕量胺的生物合成途径
正因为神经递质的功能如此重要，它们与多种疾病息息相关，比如多巴胺与心情愉悦和调节运动相关，因此它的水平失调是精神分裂症和帕金森症的重要原因。5-羟色胺由色氨酸经过色氨酸羟化酶再经过氨基酸脱羧酶形成，参与体温调节、情感情绪、食欲睡眠等多个行为活动。吲哚胺在体内的水平与阿尔茨海默症、抑郁症、帕金森症等密切相关（Roy et al, 2021; O'Connor et al, 2009）。组胺系统影响认知功能（Passani M B et al, 2004）。通过准确定量多种化合物如与神经疾病相关的代谢物、氨基酸类、痕量胺等，对神经递质合成代谢的变化及生理、病理研究分析具有非常重要的意义。
神经递质（NT）的应用
神经系统损伤及相关递质水平的变化与多种神经性精神疾病的发生密切相关，也是临床诊断及后期治疗的重点观测指标。例如单胺类神经递质合成和代谢途径的遗传性缺陷是罕见的遗传代谢病。单胺类神经递质障碍其特征是多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素和血清素的生物合成、降解或运输途径存在原发性和继发性缺陷。由单胺类神经递质疾病引起的神经综合症的许多临床症状与其他神经系统疾病的表型（如脑瘫和缺氧缺血性脑病）类似，常常会导致误诊及治疗上的延误（Kurian et al et al, 2011; Jung-Klawitter et al, 2019），因此通过早期对神经递质准确且可重复的生化检测有助于正确的临床诊断。另外神经递质含量变化的测量，还能对如抑郁症、帕金森、阿尔茨海默症、唐氏综合症等疾病进行辅助诊断。
图5：单胺类神经递质生物合成途径（三磷酸鸟苷（GTP）经四步酶法合成四氢生物嘌呤（BH4），BH4是单胺合成中2个限速酶酸羟化酶（TrpH）和酪氨酸羟化酶（TH）的必要辅助因子。色氨酸被TrpH转化为5-羟基色胺酸（5-HTP），酪氨酸被TH转化为左旋多巴（L-dopa），5-HTP和L-dopa在氨基酸脱羧酶（AADC）及其辅助因子磷酸吡哆醛（PLP）的催化下转化为5-羟色胺和多巴胺。图中单胺合成途径为浅绿色，单胺分解代谢为深蓝色。）
神经递质与抑郁症
抑郁症是一种较常见的精神疾病，致病原因复杂。然而目前尚无基于实验室的客观诊断检测方法，易被误诊。研究表明，在血浆神经递质代谢物中，经分析有9种代谢物在抑郁症患者中发生了显著变化，它们主要参与GABA能系统、儿茶酚胺能系统和5 -羟色胺能系统。GABA、多巴胺、酪胺、犬尿氨酸可作为抑郁症可靠的生物标志物。（Pan et al, 2018）
图6：抑郁症与健康对照间代谢物差异分析（GABA能、儿茶酚胺能和色氨酸能通路）
神经递质与精神分裂
精神分裂症是一种比较难诊断的心理障碍疾病。GABA能中间神经元的缺陷或功能障碍是精神分裂症患者大脑病理学的一个关键特征，且与左杏仁核内多巴胺的变化呈负相关（Benes and Berretta, 2001）。但由于大脑功能的复杂性，单一神经递质间的相互作用不是神经递质系统在精神分裂病理中的唯一参与过程，多巴胺、谷氨酸、GABA、血清素和催产素等神经递质是精神分裂症的主要原因，其中多巴胺的作用最大。（Bansal et al, 2021）
图7：精神分裂症中的神经递质过程
痕量胺与帕金森
帕金森病是一种神经退行性疾病，其特征是脑黑质多巴胺能神经元丢失，并导致一系列运动和非运动障碍。当大约60%的多巴胺能神经元已丢失且疾病已经处于中晚期时，运动缺陷是诊断帕金森病最重要的临床体征。但帕金森病的神经病理学往往在运动症状出现前数年就开始出现异常的变化了。在以往，主要通过测量脑脊液中的多巴胺代谢物或α-突触核蛋白作为帕金森的生物标志物。然而，这些标志物无法用于疾病的早期发现和监测疾病进展（Havelund et al, 2017）。
临床上对于前驱期（出现了临床症状，但尚未达到帕金森的诊断标准）或临床前期（出现了神经退行性病变，但没有临床症状）的生物标志物的确定可以对帕金森更好的预后和治疗创造条件。帕金森病患者虽存在氨基和吲哚神经递质的生化异常，痕量胺中的化合物更可能是帕金森早期诊断和疾病进展的潜在标志物。已有研究经过代谢组学分析发现酪胺的循环水平可能是有高度敏感性和特异性的早期检测标志物（power > 0.80），可用于帕金森的早期监测，而酪胺、去甲肾上腺素和酪氨酸可作为疾病进展的标志物（power > 0.80）（D’Andrea et al, 2019）。
神经递质的分析检测
对神经递质的现有检测技术有生物检测技术、电化学检测技术等，但传统的生物检测技术需要特定的抗体或荧光探针，检测种类非常有限，电化学检测技术也仅适用于少数容易离子化的化合物，并且这些技术统一的缺点是灵敏度较低，液相色谱和串联质谱结合可对一次实现多个化合物的准确定性定量分析，具有灵敏度高、稳定可靠等优点。神经递质类化合物普遍亲水性好、极性较强，在反相色谱上的保留弱，因此，一些研究者用亲水模式结合串联质谱来检测，灵敏度多在几fmol到pmol水平（Tufi S et al, 2015），但是临床样品尤其是血样中的神经递质多在fmol甚至amol水平，想要检测到这些指标需要大量的样品进行浓缩富集。但是，衍生化的方法往往能直接提高待测化合物的灵敏度，策略就是选择合适的衍生化试剂，使目标物带上高灵敏的质谱探针，我公司就采用此策略开发了含有12种靶标的神经递质方法试剂盒，与直接法相比，灵敏度可以提高2-4个数量级，在方法稳定的前提下可以降低用样量和对仪器的要求。
总结
神经递质的研究对于神经发育相关的机制、病理研究、疾病诊断和临床疗效研究等多个方面有重要意义。但是机制研究往往伴随着对相关代谢产物的检测和发现。通过调研，我们也发现液相色谱质谱串联高通量、高灵敏度的特点可能是目前和未来最具潜力的检测平台，可以给科研工作者提供准确可靠的数据，并助力于疾病的病理研究、疾病诊断和疾病标志物的发现。
