摘要：阿片类物质例如鸦片、吗啡、海洛因是全球范围内被滥用的三大毒品之一。阿片成瘾过程中伴随着相应受体、神经递质、信号通路、基因表达以及突触可塑性等方面的变化。本文主要围绕这几方面阐述了阿片类药物成瘾的基本机制以及近年来的研究进展。
关键词：阿片类药物; 成瘾; 神经生物学机制;
阿片类物质是从阿片 (罂粟) 中提取的生物碱及体内外的衍生物, 包括天然的鸦片及其提取物吗啡, 半合成的海洛因, 全合成的如可待因、羟吗啡、美沙酮、二氢埃托啡、杜冷丁、芬太尼等, 其进入人体后与中枢特异性受体相互作用, 能缓解疼痛, 因此阿片类药物在临床上主要用于镇痛麻醉、止泻和镇咳。但是阿片类药物的长期使用会导致成瘾, 阿片类药物的滥用已经成为了一个严峻的社会问题, 极大危害着人类的健康与社会安全。目前对于阿片成瘾的研究主要集中于其躯体依赖性和精神依赖性。躯体依赖主要表现为耐受和一系列戒断症状, 精神依赖主要表现为强烈的心里渴求和持续性强迫用药。这些反应都是由阿片类药物作用于阿片受体, 经过受体后信号传导, 引发一系列级联反应而造成。目前研究表明, 从蓝斑核发出的去甲肾上腺素能传递在阿片躯体依赖中发挥着主要作用, 而从中脑腹侧被盖区 (VTA) 投射到伏隔核 (NAc) 的多巴胺能通路则是造成精神依赖的重要系统[1]。此外, 机体内许多其他神经递质 (如γ-氨基丁酸、谷氨酸等) 也参与了阿片类物质的成瘾过程。同时, 阿片成瘾还伴随着大脑神经元内分子水平的改变。
1 阿片受体系统
大脑内存在多种内啡肽, 作为神经递质、神经调质和神经激素发挥作用。其可分成三大类——内啡肽 (EP) 、脑啡肽 (ENK) 和强啡肽 (Dyn) , 每一种有多种亚型。根据这些内源性多肽和合成化合物的药理分析的特点, 将阿片受体主要分为μ、δ和κ受体, 均为G蛋白偶联受体。不同内啡肽作用于不同的受体产生不同的效应。如内啡肽和脑啡肽作用于μ和δ受体产生奖赏效应使机体获得欣快感和满足感;而强啡肽作用于κ受体产生相反的厌恶感[2]。在正常机体中, 内源性阿片系统调节并维持着体内各系统之间的正常运转和平衡, 而当外源性阿片物质进入体内后, 竞争性地与阿片受体结合, 打破了这种平衡[3]。在体内存在大量外源性阿片类化合物的情况下, 根据负反馈机制, 内源性阿片肽的合成和释放会减少。而随着外源性阿片物质的不断摄入, 阿片受体会产生耐受性, 这就迫使依赖者必须更多地摄入毒品以保持这种平衡。当依赖者骤然中断毒品, 体内的外源性和内源性阿片物质都无法得到充足供应, 阿片肽系统的平衡被扰乱, 导致下游各个调控系统的功能紊乱, 从而出现各种戒断症状。
有研究发现, μ阿片受体和δ阿片受体都参与到了对阿片类物质的依赖[4]。μ阿片受体 (MOR) 激动剂如吗啡、海洛因等及δ阿片受体激动剂 (DOR) 如5-脑啡肽等可使动物产生条件性位置偏爱 (conditioned place preference, CPP) 行为, 且均可诱发自身给药行为, 而阻断两种阿片受体可减弱这种行为。叔丁啡通过作用于μ受体引发小鼠CPP和行为敏化。在给予小鼠吗啡前给予δ受体拮抗剂可减轻小鼠对吗啡的戒断症状;δ受体拮抗剂还可抑制小鼠对吗啡条件奖赏效应的敏感性。这些研究都说明MOR、DOR共同介导了阿片药物依赖过程。
阿片耐受性产生的机制之一是阿片受体的脱敏与内吞。受体与配体结合导致脱敏, 之后受体被内吞, 内吞后的受体有三种去向, 一是重新返回到细胞膜上 (复敏) , 二是存留在细胞内结构中, 三是被降解。在内源性阿片物质的作用下, 受体的脱敏-内吞-复敏保持着动态平衡状态, 而一旦外源性阿片物质进入, 则打破了这种状态。例如, 吗啡能引起μ受体的部分脱敏, 却只引发很少甚至零数量的受体内吞, 致使受体脱敏时间更持久, 从而导致对药物的耐受性。阿片受体的内吞主要依赖于阿片受体上多个位点的磷酸化。例如将μ受体T394磷酸化位点的苏氨酸突变成丙氨酸可削弱脊髓背角神经元MOR脱敏内吞, 抑制急性吗啡和埃托啡的耐受性。
2 神经递质系统
2.1 去甲肾上腺素能系统
阿片类物质的躯体依赖被认为和脑内去甲肾上腺素 (NE) 释放异常有关。去甲肾上腺素是一种儿茶酚胺类神经递质, 主要作用于α受体, 产生一系列生理反应。大脑中去甲肾上腺素神经元的活动与情绪和惊醒反应有关, 情绪紧张 (如担忧、害怕、气愤等) 往往伴随着外周神经系统的NE释放。阿片类物质作用初期, 直接兴奋去甲肾上腺素神经元, 促进NE的释放, 产生镇痛效应, 提高情绪引发快感。而长期作用时反而会使去甲肾上腺素神经元活性减弱。外源性阿片类物质的大量摄入会抑制内源性阿片肽的合成和释放。当撤药时, 去甲肾上腺素上行系统脱抑制, 神经元被戒断性激活, 造成NE大量释放产生戒断症状。因此临床上可应用α2受体激动剂如可乐定来缓解阿片戒断的部分症状。
蓝斑核 (LC) 是大脑去甲肾上腺素能神经元的主要核团, LC去甲肾上腺素神经元上也分布着大量的μ阿片受体, 以往的研究认为LC在吗啡躯体依赖和戒断反应中起重要作用, 针对此种假设研究者们进行了诸多实验。例如吗啡可提高LC脑区去甲肾上腺素能神经元的兴奋性, 电刺激正常猴子的LC脑区可引发与α2去甲肾上腺素受体激动剂诱导相似的吗啡戒断症状。但也有研究表明阿片戒断更多依赖于非LC脑区。
2.2 多巴胺能系统
奖赏效应是包括阿片类药物在内的许多成瘾性药物产生精神依赖的直接原因。阿片奖赏系统涉及伏隔核 (NAc) 、中脑腹侧被盖区 (VTA) 、前额皮层 (PFC) 、海马 (hippocampus) 、杏仁核 (amygdala) 、下丘脑 (Hypothalamus) 等多个脑区。其中中脑-边缘多巴胺奖赏系统 (MLDS) 作为基础的奖赏系统, 是启动阿片类药物正性强化作用的重要脑区。目前普遍认为MLDS中阿片类药物奖赏效应产生的机制是:VTA中存在多巴胺 (DA) 能神经元和γ-氨基丁酸 (GABA) 能神经元, 正常情况下, DA神经元受GABA神经元抑制;吗啡等阿片类药物可激动GABA神经元上的μ受体, 抑制GABA神经元, 从而解除其对于DA神经元的紧张性抑制, 促进VTA到NAc脑区的DA释放, 作用于DA受体引起奖赏效应。
DA受体属于G蛋白偶联受体, 根据其生物化学和药理学性质可分为D1 (包括D1和D5受体) 和D2 (包括D2、D3和D4受体) 类。其中D2类受体在阿片成瘾方面发挥着更为重要的作用。有研究表明, 多巴胺D2受体缺陷的小鼠, 对吗啡的行为反应没有发生改变, 但却无法形成条件性位置偏爱, 且这种反应专指向药物。当使用食物作为奖赏物质时, 多巴胺D2缺陷小鼠和正常小鼠都可形成CPP。在对大鼠进行的吗啡镇痛作用和耐受性实验中, D2受体拮抗剂可降低大鼠对吗啡的耐受性, 而D1受体拮抗剂却无此作用。因此, 有人以D2受体为靶点设计出新药, 能够有效削弱大鼠的觅药行为。但是也有实验指出, 向NAc脑区注射D1受体拮抗剂SCH23390可抑制DAMGO的CPP形成, 而阻断D2受体无明显反应。SCH23390也可消除吗啡诱导的条件性位置偏爱。推测上述实验得到的不同的结果, 可能与阿片类药物的种类、成瘾时间、拮抗剂种类以及行为学实验设计有关。有人对两种受体的不同功能进行了总结。初始用药时, DA和D1受体结合后激活G蛋白介导的离子通道, 使产生欣快感;成瘾之后, DA结合D2受体, 通过Gi/Go蛋白使AC活性抑制, 通过另外的途径强化D2受体活性, 以及介导其它的离子通道, 从而强化觅药。D1、D2受体在阿片类药物成瘾方面的具体效用还需要更进一步的研究。
2.3 其余神经递质系统
除了多巴胺、去甲肾上腺素, 还有一些神经递质例如氨基酸类 (γ-氨基丁酸、谷氨酸、甘氨酸) 、乙酰胆碱和5-羟色胺等也在阿片类药物的成瘾中扮演着重要的角色。
γ-氨基丁酸 (GABA) 是脑内一种抑制性神经递质。可作用于DA神经元抑制DA释放。而VTA中的DA神经元除了受GABA调节外, 还受来自PFC、丘脑底核等的兴奋性谷氨酸 (GLU) 神经递质调节。GLU可通过促进DA释放强化兴奋性药物的奖赏作用, 促进药物成瘾。研究表明抑制突触前谷氨酸释放可抑制吗啡CPP形成。谷氨酸的两种受体NMDA、AMPA都参与了阿片类药物的耐受、依赖和戒断症状的表现。
乙酰胆碱 (acetylcholine, Ach) 是一种典型的兴奋性神经递质。吗啡急性用药时不同脑区Ach释放量均减少, 细胞外Ach含量明显降低, 而刺激NAc中胆碱能神经元释放Ach可抑制吗啡成瘾。反复的吗啡用药可增强NAc内多巴胺能和Ach能的神经传递, 提示Ach可能通过影响GABA能神经突触参与调节吗啡引起的多巴胺释放过程。
5-HT是一种胺递质, 其在脑功能中与药物依赖有关的主要是食欲和成瘾性。减弱5-HT活性可阻断吗啡CPP形成, 5-HT3受体拮抗剂可减少吗啡依赖大鼠的自身给药行为。
大脑内各个脑区之间, 形成了复杂的神经投射网络, 通过突触间联系及神经递质的传递相互作用, 因而某一物质对大脑的影响势必会涉及多个脑区、多种神经元以及神经递质。对阿片类药物成瘾机制的研究, 也不应单单局限于一个脑区或者一种神经递质, 而要结合脑区及神经元之间的联系, 综合分析, 明确和完善阿片进入机体后的具体效应。
3 阿片成瘾的分子机制
3.1 c AMP通路的上调
长期药物暴露后, 最基本的分子适应性就是c AMP通路的上调。c AMP是细胞内一类重要的第二信使。c AMP信号通路即胞外激动剂结合G蛋白偶联受体后, G蛋白结合并激活腺苷酸环化酶 (adenosine cyclase, AC) , AC又催化三磷酸腺苷生成c AMP并进一步活化下游效应分子调控许多靶基因的表达。重复阿片给药导致c AMP通路上调的现象首先在体外培养细胞中被观察到, 之后证明神经元中也有此现象。
急性阿片暴露抑制脑中多种神经元的c AMP信号通路, 但是长期阿片暴露可诱导中枢神经系统c AMP信号补偿性上调, 包括AC、蛋白激酶A (PKA) 的含量上升, 这是导致阿片类药物成瘾的关键分子机制。一旦撤药, 上调的c AMP途径缺乏对抗, 导致神经元戒断性激活, 从而诱发各种戒断症状。
3.2 基因表达的适应性改变
基因的表达调控主要通过转录因子对RNA酶转录复合物形成的增强或抑制来完成。神经元中包含多种转录因子, 而目前研究最多、认为与成瘾关系最为密切的主要有两种——?FOSB和c AMP反应元件结合蛋白 (CREB) 。
?FOSB?FOSB由Fos B基因编码, 属FOS转录因子家族的一员, 其可与JUN家族某一蛋白结合形成激活蛋白-1 (activator protein-1, AP-1) 转录因子复合物, 与基因上AP-1位点结合调控相关基因的转录。已有许多研究表明, 在长期摄入成瘾药物后, 在NAc和背侧纹状体都可诱导?FOSB的表达。Venetia Zachariou课题组通过转基因技术在小鼠的NAc脑区中过表达?FOSB, 发现小鼠对吗啡镇痛作用的耐受性和奖赏效应的敏化程度都增强, 且躯体依赖症状更为明显。作者推断这种现象是由于?FOSB抑制了强啡肽的表达。电针刺可抑制NAc壳部FOSB的表达, 促进小鼠海洛因觅药行为的消退。上述实验都在一定程度上证明了?FOSB对阿片成瘾的正性调控作用。与FOS家族其他成员相比, ?FOSB更加稳定, 且在对谷氨酸突触功能和可塑性相关蛋白包括AMPA受体亚基、Ca MKII等的调控中发挥着重要作用, 因此被认为是突触可塑性改变和戒药长时间后仍可复吸的主要影响因子。
CREB CREB是一个光谱转录因子, 以同源或异源二聚体的形式结合于基因启动区的一段DNA (称为c AMP反应元件, c AMP response element, CRE) , 调控多个基因的表达。很早就有研究已经证明了CREB在阿片类药物成瘾中的重要作用。CREB敲除的小鼠无法形成吗啡诱导的CPP, 并且CREB缺陷小鼠在吗啡成瘾后给予纳洛酮戒断时戒断症状有所减轻。阿片类药物可通过多种途径激活CREB, 包括c AMP信号通路、ERK信号通路。吗啡诱发的条件性位置偏爱和相关情景记忆的再巩固都与ERK-CREB信号通路的激活有关。
但是阿片类药物对CREB的调控有时间特异性和组织特异性。Widnell等研究发现, 慢性使用吗啡可降低NAc脑区的CREB免疫活性, 但是急性吗啡给药则无此影响, 且皮质额叶并没有表现出这种改变。Lane-Ladd等发现大鼠慢性吗啡给药后蓝斑内CREB增多, 且抑制CREB活动可减弱大鼠对吗啡的躯体依赖。而吗啡单次给药30min后, NAc、VTA、纹状体、海马内的CREB磷酸化水平都有所降低。
3.3 表观遗传学调控
近年来, 对表观遗传学的研究已经渗透到了各个领域, 其中也包括药物成瘾方面, 最初主要是DNA的甲基化。研究显示, 在体外培养细胞中, 吗啡可诱导DNA甲基化。在阿片成瘾和长期使用阿片类患者体内, 编码μ受体的OPRM1基因甲基化程度相比健康人有所升高。而长期使用吗啡可诱导糖皮质激素受体 (GR) 17启动子的高度甲基化, 从而导致下丘脑-垂体-肾上腺轴的失调。除此之外, 对组蛋白修饰以及非编码RNA (micro RNA) 在阿片类药物成瘾中作用的研究也是当前的热点问题。
4 结语及展望
阿片类毒品是全球范围内被滥用的三大毒品之一, 我国登记在册的近300万吸毒人员中, 有很大一部分吸食的是阿片类毒品。毒品一旦沾染, 很难戒掉, 对个人和社会都造成极大的危害。因此, 寻找切实有效且副作用小的戒毒疗法和药物, 是刻不容缓的社会问题。阿片类药物进入机体后, 先与特异性阿片受体结合, 激活相应的信号通路, 调控相关基因表达, 并引发一系列的级联反应;这一过程涉及多个脑区, 同时伴随着复杂的分子变化。虽然目前关于阿片类药物的成瘾机制已经进行了大量的研究, 但是由于脑区之间存在联系和相互作用, 对于各类神经递质在不同脑区中对于阿片成瘾的作用, 还无法有一个完整清晰的概括。对成瘾的脑功能环路的研究, 仍然是目前的重点方向。近年来, 随着化学遗传技术和光遗传技术的兴起与发展, 使得我们能够在体实时、准确特异性操控神经元活性, 为探求阿片成瘾的神经生物学机制提供了有力的技术支持, 加快我们揭开这一领域神秘面纱的步伐。
参考文献
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