苯丙酮尿症脑损害的研究进展
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国外医学儿科学分册 2000年第1月第27卷第1期
苯丙酮尿症脑损害的研究进展
上海第二医科大学附属新华医院 上海市儿科医学研究所(200092)
杨新文(综述) 陈瑞冠 顾学范(审校)
摘 要 苯丙酮尿症可致智能障碍，故研究其脑损害具有重要意义。目前临床应用最直接而方便的研究方法是通过磁共振成像(MRI)检查，发现大脑白质不同程度的改变，其神经脱髓病鞘病可能与胶质细胞的可塑性机制有关。大脑氨基酸及糖代谢异常、酪氨酸水平降低使神经递质多巴胺受体数量少，MRL异常区域的白南糖代谢率降低。此外，M型乙酰胆碱受体及多巴胺受体数量减少，N型Ca2+通道减少致神经细胞Ca2+通道减少而致神经细胞Ca2+转运障碍。这些研究对改进治疗有一定启迪。
, 百拇医药 关键词：苯丙酮尿症 脑损害，慢性
苯丙酮尿症(PKU)是一种常见的代谢性遗传病，其突出的临床表现及严重的致病后果就是智能障碍。研究该病大脑损害的致病机制及病理改变过程具有重要意义。
1 形态学变化
PKU病人行磁共振成像(MRI)检查发现的颅内异常有：特征性变化为白质不同程度的T2加权图像增加同时伴T1加权图像减弱和质子密度增高，主要累及脑室周围白质和顶枕叶[1,2]，其它改变还包括白质的局灶性异常、不同程度的皮层及皮层下萎缩及两侧脑室的不对称等[1]，白质改变治疗前及治疗时的血浆苯丙氨酸水平关系密切，也就是受饮食治疗彻底与否的影响，而皮层下的萎缩则与年龄有关，其他生化指标、智商值与MRI改变无关[1,2]。值得注意的是神经系统检查正常的病人，MRL检查也有异常，其原因及预后仍不清楚。
, 百拇医药
此外，暴露于高苯氨酸环境的时间不同，其MRI的变化各异。PKU病人的高苯丙氨酸血症出现在生后，脑组织异常以白质改变为主；而孕期饮食控制不良的PKU母亲其后代在胎儿期就暴露于高苯氨酸环境中，其白质并没有上述特征的改变，这可能是孕8～20周时胼胝体在发育的关键时期受到了抑制[3]。
2 酪氨酸水平降低对脑功能的影响
酪氨酸是脑内合成神经递质多巴胺的前体。PKU病人由于酶缺陷而致体内苯氨酸转化为酪氨酸受阻，使血浆及脑脊液中酪氨酸水平降低，进而使脑中多巴胺神经元生理功能显著降低[4]。多巴胺神经元正是额叶背外侧的主要神经细胞。Weglage[5]发现那些早期接受治疗的PKU患儿虽然智商正常，但与同年龄的健康儿童相比，其选择性注意力与持续性注意力特别差，这部分功能是由大脑皮层额叶控制的。Diamond等[6]经过4年的长期观察也发现，尽管这些病人血浆苯丙酸测定多次正常，但其依赖于额叶背外侧的记忆活动及抑制性控制功能仍有缺陷，甚至婴儿也是如此，表明从生命第一年起对认识功能的发育而言，皮层前额回具有重要作用。这在成年猴及幼猴行为与大脑结构定位研究中已经得到证实。PKU病人应用标记的酪氨酸(L-[1-11C])-Tyr后，其Tyr蛋白合成率较正常人低，表明脑内合成儿茶酚胺类递质减少[7]。
, 百拇医药
进一步的动物实验也证明了这个结论。早期开始并持续接受治疗的PKU动物模型其前额回的多胺水平降低，多巴胺的代谢产物高香草酸水平也降低，行为观察发现有选择功能障碍。其它部位多巴胺神经元功能也受损伤，如PKU儿童眼睛的对比敏感性降低，表明视网膜多巴胺神经元功能降低[5]。
3 神经递质受体的变化
奎宁苯酸盐(Quinuclidinyl benziate)是脑内乙酰胆碱的特异性拮抗剂，能与M型乙酰胆碱受体发生特异性结合。HPH-5小鼠(苯丙氨酸羟化酶基因缺失的PKU动物模型)注射这种药品后，经放射自显影定量测定在脑组织不同部位其与M型乙酰胆碱受体的结合率，结果呈三种：壳核无显影，皮层额叶结合率短暂升高然后降低，表明M型乙酰胆碱受体数量减少[8]。由于海马和额叶等是获得和保持长期记忆的重要结构基础，这些区域的M型酰胆碱受体缺失对智能低下具有重要意义。此外纹状体及大脑层的2型多巴胺受体也减少[9]。
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4 髓鞘形成障碍
PKU患者神经脱髓鞘病变早已被观察到，并得到免疫组织化学观察的进一步证实。生后12、17天的高苯氯酸血症大鼠胼胝体及皮层下白质髓鞘形成低下，髓鞘组成成分--髓鞘碱性蛋白(MBP)、2’3-环核苷3-磷酸二酯酶(CNP)胶轴突的神经丝蛋白免疫染色强度降低，幸而髓鞘形成障碍是可逆的，停止喂食苯丙氨酸，血浆苯丙氨酸水平恢复正常髓鞘形成会加快且恢复正常[9]，这更说明骨髓鞘形成障碍的苯丙氨酸的毒性作用。
苯丙氨酸的毒性作用可能是通过胶质细胞的可塑性机制实现的，脑内同时存在胶质细胞纤维酸性蛋白(GFAP)阳性少突胶质细胞(能表达MBP mRNA，却不能形成髓鞘)和GFAP阴性、可形成髓鞘的少突胶质细胞，体外培养的野生型少突胶质细胞在高苯丙氨酸环境下半数以上表达GFAP而失去髓鞘形成功能；体内实验发现，虽然正常大鼠脑内两种细胞都存在，但PKU大鼠的双标记阳性细胞(GFAP阳性，MBP阳性)数量是正常大鼠的两倍。此外，蛋白质点杂交分析表明PKU时MBP等髓鞘成分在神经束内含量也并不少，但都是同分异构体的失常表达[10]。
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5 白质能量代谢的变化
应用标记的葡萄糖(18F-脱氧葡萄糖)做脑组织质子发射光谱分析，并同时测定血氧、血糖及脑血流，动态观察PKU病人大脑半球的糖代谢及氧化代谢。结果患者脑室周围区域的糖代谢较正常人降低36%，MRI异常白质与大脑皮层糖代谢降低14%。脑血流量、氧耗量、糖耗量没有差别；糖代谢降低是否从另一侧面说明由于能量不足而使酶活性低下致髓鞘形成障碍，尚等进一步研究。
6 电生理的变化——Ca2+转运障碍
将PKU模型大鼠脑的mRNA提取出来，并注入到非洲爪蟾的卵母细胞内，通过双电极膜片钳记录到Ca2+通道电流低于注入正常鼠脑mRNA的卵母细胞，且所激活的Ca2+通道都属于高电压激活型。这种高压激活的Ca2+通道电流的降低主要由于Ca2+通道Ω-comotoxin(一种蝎毒素)敏感成分的降解所引起，而具有这种敏感成分的是N型Ca2+通道。进一步的研究还表明，高苯丙氨酸主要影响N型Ca2+通道的表达，而N型Ca2+通道的减少与神经细胞触联系减少是一致的[12]。
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7 对治疗的启示
德国儿童协作研究会最近评估了140名PKU病人生后早期进行饮食治疗的效果，认为9岁以前严格控制饮食的治疗可使这些病人的智力发育不受影响[13]，尽管如此，其他研究人员观察认为这部分儿童仍有认识功能障碍[5,6]。因此建议在低苯氨酸饮食的基础上进行酪氨酸补充治疗。虽然24例已成年的PKU病人补充大剂量酪氨酸后其神经心理测试、视觉潜能及脑电活动并不未见改善[14]。但这个尝试的失败没有使他们气馁。进一步研究后他们发现PKU病人血浆酪酸浓度每日有较大波动，一些正在接受饮食治疗的PKU患者虽然已在食用富含酪酸的食品，但经过一夜后，清晨血浆酪氨酸水平仍较低。因而他们建议早餐摄入的酪氨酸应适量增加，而不是三餐平均分配，但一切应以控制血浆酪氨酸水平保持在正常范围为准[15]。
根据缺什么补什么的原则，有的医生直接给病人服用左旋多巴，但并没有观察到额叶功能(持续注意力及视觉潜能)的改善[16]， 这可能与左旋多巴在外周易被多巴脱羧酶降解而不易进入血脑屏障有关。新近报告PKU患儿饮食中添加中性氨基酸可改善智力状况，可能是中性氨基酸抑制苯丙氨酸进入脑组织而降低了后者对脑的毒性作用[17]。
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参考文献
1 Leuzzi V,Trasimeni G,Gualdi GF,et al.J Inherit Metab Dis,1995；18(5):624～634
2 Pietz J,Meyding-Lamade UK,Schmidt H. Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S69～S73
3 Levy HL,Lobbregt D,Barnes PD,et al.J Pediatr,1996；128(6):770～775
4 Tam SY,Roth RH.Biochem Pharmacol,1997；53(4):441～453
5 Weglage J,Pietsch M,Funders B,et al.Eur J Pediatr,1996；155(3):200～204
, 百拇医药
6 Diamond A.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,1996；351(1346):1483～1493
7 Panns AM, PRuim J,Smit GP,et al.Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S78～S81
8 Hommes FA.Acta Paediatr,1994;407(Suppl):S120～S121
9 Reynolds R,Burri R,Mahal S et al.Exp Neurol,1992；115(3):347～367
10 Dyer CA,Kendler A,Philibotte T,et al,J Neuropathol Exp Neurol,1996；55(7):795～814
, 百拇医药
11 Hasselbalch S,Knudsen GM,Toft PB,et al.Pediatr Res,1996；40(1):21～24
12 Dzhura I,naidenov V,Zhuravleva S,et al.Brain Res,1998；783(2):280～285
13 Burgard P,Schmidt E,Rupp A,et al.Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S33～S38
14 Pietz J,Landwehr R,Kutscha A et al.J Rediatr,1995；127(6):936～943
15 van Spronsen FJ,van Dijk T,Smit GPA,et al.Am J Clin Nutr,1996;64(6):916～21
16 Ullrich K,Weglage J,Oberwittler c,et al.Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S74～S77
17 Pietz J,Kreis R,Rupp A,et al.J Clin Lnvest,1999；103(8):1169～1178, http://www.100md.com
上海第二医科大学附属新华医院 上海市儿科医学研究所(200092)
杨新文(综述) 陈瑞冠 顾学范(审校)
摘 要 苯丙酮尿症可致智能障碍，故研究其脑损害具有重要意义。目前临床应用最直接而方便的研究方法是通过磁共振成像(MRI)检查，发现大脑白质不同程度的改变，其神经脱髓病鞘病可能与胶质细胞的可塑性机制有关。大脑氨基酸及糖代谢异常、酪氨酸水平降低使神经递质多巴胺受体数量少，MRL异常区域的白南糖代谢率降低。此外，M型乙酰胆碱受体及多巴胺受体数量减少，N型Ca2+通道减少致神经细胞Ca2+通道减少而致神经细胞Ca2+转运障碍。这些研究对改进治疗有一定启迪。
, 百拇医药 关键词：苯丙酮尿症 脑损害，慢性
苯丙酮尿症(PKU)是一种常见的代谢性遗传病，其突出的临床表现及严重的致病后果就是智能障碍。研究该病大脑损害的致病机制及病理改变过程具有重要意义。
1 形态学变化
PKU病人行磁共振成像(MRI)检查发现的颅内异常有：特征性变化为白质不同程度的T2加权图像增加同时伴T1加权图像减弱和质子密度增高，主要累及脑室周围白质和顶枕叶[1,2]，其它改变还包括白质的局灶性异常、不同程度的皮层及皮层下萎缩及两侧脑室的不对称等[1]，白质改变治疗前及治疗时的血浆苯丙氨酸水平关系密切，也就是受饮食治疗彻底与否的影响，而皮层下的萎缩则与年龄有关，其他生化指标、智商值与MRI改变无关[1,2]。值得注意的是神经系统检查正常的病人，MRL检查也有异常，其原因及预后仍不清楚。
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此外，暴露于高苯氨酸环境的时间不同，其MRI的变化各异。PKU病人的高苯丙氨酸血症出现在生后，脑组织异常以白质改变为主；而孕期饮食控制不良的PKU母亲其后代在胎儿期就暴露于高苯氨酸环境中，其白质并没有上述特征的改变，这可能是孕8～20周时胼胝体在发育的关键时期受到了抑制[3]。
2 酪氨酸水平降低对脑功能的影响
酪氨酸是脑内合成神经递质多巴胺的前体。PKU病人由于酶缺陷而致体内苯氨酸转化为酪氨酸受阻，使血浆及脑脊液中酪氨酸水平降低，进而使脑中多巴胺神经元生理功能显著降低[4]。多巴胺神经元正是额叶背外侧的主要神经细胞。Weglage[5]发现那些早期接受治疗的PKU患儿虽然智商正常，但与同年龄的健康儿童相比，其选择性注意力与持续性注意力特别差，这部分功能是由大脑皮层额叶控制的。Diamond等[6]经过4年的长期观察也发现，尽管这些病人血浆苯丙酸测定多次正常，但其依赖于额叶背外侧的记忆活动及抑制性控制功能仍有缺陷，甚至婴儿也是如此，表明从生命第一年起对认识功能的发育而言，皮层前额回具有重要作用。这在成年猴及幼猴行为与大脑结构定位研究中已经得到证实。PKU病人应用标记的酪氨酸(L-[1-11C])-Tyr后，其Tyr蛋白合成率较正常人低，表明脑内合成儿茶酚胺类递质减少[7]。
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进一步的动物实验也证明了这个结论。早期开始并持续接受治疗的PKU动物模型其前额回的多胺水平降低，多巴胺的代谢产物高香草酸水平也降低，行为观察发现有选择功能障碍。其它部位多巴胺神经元功能也受损伤，如PKU儿童眼睛的对比敏感性降低，表明视网膜多巴胺神经元功能降低[5]。
3 神经递质受体的变化
奎宁苯酸盐(Quinuclidinyl benziate)是脑内乙酰胆碱的特异性拮抗剂，能与M型乙酰胆碱受体发生特异性结合。HPH-5小鼠(苯丙氨酸羟化酶基因缺失的PKU动物模型)注射这种药品后，经放射自显影定量测定在脑组织不同部位其与M型乙酰胆碱受体的结合率，结果呈三种：壳核无显影，皮层额叶结合率短暂升高然后降低，表明M型乙酰胆碱受体数量减少[8]。由于海马和额叶等是获得和保持长期记忆的重要结构基础，这些区域的M型酰胆碱受体缺失对智能低下具有重要意义。此外纹状体及大脑层的2型多巴胺受体也减少[9]。
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4 髓鞘形成障碍
PKU患者神经脱髓鞘病变早已被观察到，并得到免疫组织化学观察的进一步证实。生后12、17天的高苯氯酸血症大鼠胼胝体及皮层下白质髓鞘形成低下，髓鞘组成成分--髓鞘碱性蛋白(MBP)、2’3-环核苷3-磷酸二酯酶(CNP)胶轴突的神经丝蛋白免疫染色强度降低，幸而髓鞘形成障碍是可逆的，停止喂食苯丙氨酸，血浆苯丙氨酸水平恢复正常髓鞘形成会加快且恢复正常[9]，这更说明骨髓鞘形成障碍的苯丙氨酸的毒性作用。
苯丙氨酸的毒性作用可能是通过胶质细胞的可塑性机制实现的，脑内同时存在胶质细胞纤维酸性蛋白(GFAP)阳性少突胶质细胞(能表达MBP mRNA，却不能形成髓鞘)和GFAP阴性、可形成髓鞘的少突胶质细胞，体外培养的野生型少突胶质细胞在高苯丙氨酸环境下半数以上表达GFAP而失去髓鞘形成功能；体内实验发现，虽然正常大鼠脑内两种细胞都存在，但PKU大鼠的双标记阳性细胞(GFAP阳性，MBP阳性)数量是正常大鼠的两倍。此外，蛋白质点杂交分析表明PKU时MBP等髓鞘成分在神经束内含量也并不少，但都是同分异构体的失常表达[10]。
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5 白质能量代谢的变化
应用标记的葡萄糖(18F-脱氧葡萄糖)做脑组织质子发射光谱分析，并同时测定血氧、血糖及脑血流，动态观察PKU病人大脑半球的糖代谢及氧化代谢。结果患者脑室周围区域的糖代谢较正常人降低36%，MRI异常白质与大脑皮层糖代谢降低14%。脑血流量、氧耗量、糖耗量没有差别；糖代谢降低是否从另一侧面说明由于能量不足而使酶活性低下致髓鞘形成障碍，尚等进一步研究。
6 电生理的变化——Ca2+转运障碍
将PKU模型大鼠脑的mRNA提取出来，并注入到非洲爪蟾的卵母细胞内，通过双电极膜片钳记录到Ca2+通道电流低于注入正常鼠脑mRNA的卵母细胞，且所激活的Ca2+通道都属于高电压激活型。这种高压激活的Ca2+通道电流的降低主要由于Ca2+通道Ω-comotoxin(一种蝎毒素)敏感成分的降解所引起，而具有这种敏感成分的是N型Ca2+通道。进一步的研究还表明，高苯丙氨酸主要影响N型Ca2+通道的表达，而N型Ca2+通道的减少与神经细胞触联系减少是一致的[12]。
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7 对治疗的启示
德国儿童协作研究会最近评估了140名PKU病人生后早期进行饮食治疗的效果，认为9岁以前严格控制饮食的治疗可使这些病人的智力发育不受影响[13]，尽管如此，其他研究人员观察认为这部分儿童仍有认识功能障碍[5,6]。因此建议在低苯氨酸饮食的基础上进行酪氨酸补充治疗。虽然24例已成年的PKU病人补充大剂量酪氨酸后其神经心理测试、视觉潜能及脑电活动并不未见改善[14]。但这个尝试的失败没有使他们气馁。进一步研究后他们发现PKU病人血浆酪酸浓度每日有较大波动，一些正在接受饮食治疗的PKU患者虽然已在食用富含酪酸的食品，但经过一夜后，清晨血浆酪氨酸水平仍较低。因而他们建议早餐摄入的酪氨酸应适量增加，而不是三餐平均分配，但一切应以控制血浆酪氨酸水平保持在正常范围为准[15]。
根据缺什么补什么的原则，有的医生直接给病人服用左旋多巴，但并没有观察到额叶功能(持续注意力及视觉潜能)的改善[16]， 这可能与左旋多巴在外周易被多巴脱羧酶降解而不易进入血脑屏障有关。新近报告PKU患儿饮食中添加中性氨基酸可改善智力状况，可能是中性氨基酸抑制苯丙氨酸进入脑组织而降低了后者对脑的毒性作用[17]。
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参考文献
1 Leuzzi V,Trasimeni G,Gualdi GF,et al.J Inherit Metab Dis,1995；18(5):624～634
2 Pietz J,Meyding-Lamade UK,Schmidt H. Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S69～S73
3 Levy HL,Lobbregt D,Barnes PD,et al.J Pediatr,1996；128(6):770～775
4 Tam SY,Roth RH.Biochem Pharmacol,1997；53(4):441～453
5 Weglage J,Pietsch M,Funders B,et al.Eur J Pediatr,1996；155(3):200～204
, 百拇医药
6 Diamond A.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,1996；351(1346):1483～1493
7 Panns AM, PRuim J,Smit GP,et al.Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S78～S81
8 Hommes FA.Acta Paediatr,1994;407(Suppl):S120～S121
9 Reynolds R,Burri R,Mahal S et al.Exp Neurol,1992；115(3):347～367
10 Dyer CA,Kendler A,Philibotte T,et al,J Neuropathol Exp Neurol,1996；55(7):795～814
, 百拇医药
11 Hasselbalch S,Knudsen GM,Toft PB,et al.Pediatr Res,1996；40(1):21～24
12 Dzhura I,naidenov V,Zhuravleva S,et al.Brain Res,1998；783(2):280～285
13 Burgard P,Schmidt E,Rupp A,et al.Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S33～S38
14 Pietz J,Landwehr R,Kutscha A et al.J Rediatr,1995；127(6):936～943
15 van Spronsen FJ,van Dijk T,Smit GPA,et al.Am J Clin Nutr,1996;64(6):916～21
16 Ullrich K,Weglage J,Oberwittler c,et al.Eur J Pediatr,1996；155(Suppl 1):S74～S77
17 Pietz J,Kreis R,Rupp A,et al.J Clin Lnvest,1999；103(8):1169～1178, http://www.100md.com