竇姝慧，張博，黃樹明，王睿

腦源性神經營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是腦中神經營養(yǎng)蛋白家族的主要成員，最初是在豬腦脊液中分離純化出的一種堿性蛋白[1]。BDNF在中樞神經系統(tǒng)（central nervous system，CNS）、內分泌系統(tǒng)、骨和軟骨組織等廣泛區(qū)域都有表達，但主要分布于CNS 內，其中海馬和皮質的含量最高。BDNF對大腦活動有多種功能，如在學習、記憶、理解及損傷修復等方面有重要的促進作用[2]。目前神經營養(yǎng)因子假說在神經退行性疾病、情緒疾病、腦卒中等精神神經疾病的研究中被廣泛接受。BDNF能預防神經元損傷，修復受損神經元、增加突觸可塑性、促進神經發(fā)生。本文就BDNF 在CNS 退行性疾病和情志障礙的發(fā)病以及卒中后腦損傷及恢復過程中的作用進行綜述，并對BDNF 的臨床應用研究現狀及前景進行簡要分析。

1 CNS BDNF的產生及其生理功能

1.1 BDNF的分子結構、產生及修飾

BDNF 基因定位于第11 號染色體p13～14 區(qū)，全長70 kb。該基因由5′端11個外顯子和9個特定用于組織和腦區(qū)的功能啟動子組成[3]。BDNF 分子單體是由119 氨基酸殘基組成的分泌型多肽，蛋白等電點為9.99，相對分子質量為3.5×103，主要由β折疊和無規(guī)則卷曲二級結構組成，含有3個二硫鍵。

BDNF 在體內有兩種存在形式：前體BDNF（pro-BDNF）和成熟的BDNF（m-BDNF），早期研究認為只有m-BDNF具有生物活性。BDNF的基因先轉錄翻譯成pro-BDNF，在高爾基體和內質網中被絲氨酸蛋白酶裂解成為m-BDNF蛋白被分泌到細胞外發(fā)揮生物學功能，pro-BDNF作為中間物質不發(fā)揮生物學功能。然而近來的研究認為pro-BDNF 不僅可以作為BDNF 的前體形式存在，本身也可由神經元突觸直接分泌到細胞外，發(fā)揮其多種生物學效應[4]。目前關于pro-BDNF的生物活性仍有爭議，但可以確定的是m-BDNF在維護神經系統(tǒng)生理功能中起重要作用。在神經元細胞中的pro-BDNF 和m-BDNF 均在細胞膜去極化后釋放。BDNF的不同形態(tài)之間保持著動態(tài)平衡，pro-BDNF與m-BDNF的比值在腦發(fā)育的特定階段和區(qū)域之間存在差異。雖然早期有較高濃度的pro-BDNF，但是在成熟期m-BDNF更占優(yōu)勢。因此，早期發(fā)育過程中pro-BDNF與m-BDNF的比值被認為是調節(jié)腦功能的重要因素，而m-BDNF則在成熟后在神經保護和突觸可塑性等過程中發(fā)揮重要作用[5-7]。

不僅是神經元，神經膠質細胞也產生BDNF。星形膠質細胞釋放的多種神經營養(yǎng)因子中就包括BDNF，具有神經元保護及促進神經再生的作用[8]。小神經膠質細胞也是BDNF 的另一個來源，星形膠質細胞不僅自身表達BDNF，還可通過釋放細胞因子促進小膠質細胞表達BDNF，誘導其轉型，調節(jié)其功能[9]。許多病理情況下，神經膠質細胞來源的BDNF參與疾病的恢復和損傷的修復。

1.2 BDNF信號的作用

BDNF 有兩種結合受體，即高親和性受體酪氨酸激酶受體B（tyrosine kinase receptor B，TrkB）和低親和性神經營養(yǎng)因子受體（p75 nerve growth factor receptor，p75 NTR）。BDNF 與TrkB 受體結合，誘導受體二聚化和細胞內酪氨酸殘基自磷酸化，TrkB 磷酸化后主要通過調節(jié)磷脂酶C-γ（phospholipase C-γ，PLC-γ）/蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）這三種途徑，激活下游信號瀑布，促進神經發(fā)生和神經元生長存活、增加突觸可塑性、發(fā)揮神經營養(yǎng)作用。而BDNF 與p75NTR 親和力較低，p75NTR被激活后可能參與誘導某些細胞凋亡及病理狀態(tài)下的損傷過程。研究發(fā)現，腦中p75NTR 的表達增加可降低BDNF 的作用，在某些腦功能衰退的病理情況下，p75NTR 的表達顯著升高，這提示當p75NTR高表達時BDNF 被占領，對TrkB 產生競爭性抑制，使其無法發(fā)揮作用而造成損傷[10]。此外，BDNF 對神經膠質細胞也具有調節(jié)作用，影響其分化、成熟及分泌等功能以維持其在神經系統(tǒng)中的支持及保護作用。比如BDNF 可通過細胞外信號調節(jié)激酶（extracellular signal-regulated protein kinase，ERK）轉導通路促進星形膠質細胞增殖[11]，而星形膠質細胞對神經元有重要的支持作用。

相反，BDNF 信號異常會導致神經系統(tǒng)發(fā)生形態(tài)改變或功能障礙。BDNF最常見的結構變異是Val66Met，即在第66密碼子處的一個纈氨酸（Val）被甲硫氨酸（Met）所替代，Val66Met會影響到BDNF在細胞內的分化和轉運而導致其釋放減少[12]。其后果包括突觸間隙的空間構象及神經元生長形態(tài)的改變，導致神經結構的退化以及突觸可塑性受損。BDNF分泌減少可開啟某些神經退行性疾病發(fā)展中至關重要的特征性過程，及與情景認知和記憶障礙、抑郁風險增加、焦慮發(fā)展相關的過程[13,14]。

2 BDNF與神經退行性疾病

神經退行性疾病是一類慢性的不可逆的神經系統(tǒng)疾病，以神經元發(fā)生退行性病變?yōu)椴±砘A，發(fā)病部位出現神經元凋亡，病程較長，發(fā)病人群趨向老齡化。其包括阿爾茲海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）、亨廷頓病（Huntington’s disease，HD）等。研究證明BDNF 的水平與神經退行性疾病的發(fā)病有關，而BDNF不僅能保護神經元使其免受損傷，還能修復受損神經元，提示可用于神經退行性疾病的治療。

2.1 BDNF與AD

AD 是一種進程緩慢的神經退行性疾病，為最常見的癡呆類型。其病理特點是由β淀粉樣蛋白（Amyloid-β，Aβ）在腦神經細胞外蓄積而成的老年斑和神經細胞內τ蛋白過磷酸化產生的神經纖維纏結以及神經元的消失[15]。其臨床癥狀是一個緩慢的進行性過程，AD患者會逐漸出現學習和記憶能力下降，并最終發(fā)展為行為障礙和人格缺陷[16]。BDNF具有增強突觸可塑性的作用，這與學習能力和記憶形成及存儲有著密不可分的關系。研究證實AD患者腦內BDNF水平改變，Buchman等[17]對535例老年參與者進行逐年認知評估，并追蹤到死亡后進行腦內BDNF 的水平測定，發(fā)現生前認知能力的衰退速度與腦內BDNF 表達水平負相關，而且進一步分析表明，AD 病理學與認知衰退率的關系因BDNF 表達而異。Rex 等發(fā)現[18]在AD 患者中，BDNF 及其受體（TrkB）隨著年齡的增長而受損。同時還表明，Aβ在體內外均危害BDNF 的產生及其信號通路。另一方面，動物實驗也表明BDNF可以促進腦損傷的恢復，Choi等[19]通過迷宮測試證實BDNF轉基因可以改善動物腦損傷后的學習記憶能力。最近有研究顯示運動可以在一定程度上改善AD[20]，體育訓練可以激活人體潛在的神經保護機制，促進包括血管生成、神經突觸和神經元新生及刺激神經營養(yǎng)因子分泌等。急、慢性運動均有助于BDNF 水平的增加[21]。因此可以推測，運動可以增加BDNF 水平，進而影響AD 相關的病理進程。綜上，BDNF具有神經保護作用，能減少Aβ對神經元的毒性，并能增強學習記憶能力，BDNF的應用可以作為防治AD的一種手段。

2.2 BDNF與PD

PD是一種常見的神經系統(tǒng)變性疾病，繼AD的第二大神經退行性疾病，其主要的病理改變是中腦黑質多巴胺（dopamine，DA）能神經元的變性死亡，由此而引起紋狀體DA 含量顯著減少而致病。臨床上主要表現為靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態(tài)障礙。研究發(fā)現，BDNF 能夠支持多巴胺神經元的生存和分化，還可以防止多巴胺神經元的死亡。為了證實BDNF對人腦中的多巴胺神經元是否有確切的保護作用，Levivier等[22]利用基因工程的PD大鼠模型研究發(fā)現，向腦內移植產生BDNF的成纖維細胞可以防止成年大鼠腦中DA 神經元退化，這為利用基因療法和BDNF等神經營養(yǎng)因子治療PD神經退化提供了直接證據。

2.3 BDNF與HD

HD 又名慢性進行性舞蹈病，是一種緩慢發(fā)病的遺傳性神經退化疾病，在人群中發(fā)病率為萬分之一左右。HD 是一種常染色體顯性遺傳的神經退行性疾病，主要病因為患者第四號染色體上的亨廷頓（Huntingtin，HTT）基因發(fā)生變異，產生了突變的亨廷頓蛋白質。HTT在神經元中廣泛表達，HTT在紋狀體細胞中是一種抗凋亡蛋白，能阻止胱天蛋白酶激活。在中樞神經的細胞中，HTT的表達能保護它們免受致命刺激傷害。但是該蛋白質在細胞內代謝障礙會過度聚集形成大的分子團，從而影響神經細胞的正常功能導致HD的發(fā)生。在患者腦內突變的HTT在神經元過度表達，尤其以損傷紋狀體內的神經元為主[23-26]。Yu等[27]的研究表明，HTT的小片段聚集過程中產生的毒性可導致神經元死亡，與此同時紋狀體BDNF的表達也隨之下降，這是因為大腦皮質產生BDNF 后轉運至紋狀體，而HTT 突變后BDNF 的表達量減少，紋狀體的BDNF 水平也隨之減少，提示BDNF信號參與HD的發(fā)生和發(fā)展，而調節(jié)BDNF信號可能具有治療HD的潛力。

3 BDNF與情緒性疾病

情緒障礙又稱情緒病，情緒障礙分為單向情緒障礙和雙向情緒障礙。單向情緒障礙包括抑郁癥、焦慮癥、自閉癥等。雙向情緒障礙是指包含兩種情緒的失常，如躁狂抑郁癥。情緒病的成因多種多樣，可分為外因和內因。家庭變故、工作失利、婚姻破裂等視為外因，腦內化學遞質失調、情緒及神經生理功能受到影響也會誘發(fā)情緒病。BDNF在各類情緒病中的作用相似又略有不同，本文著重就BDNF對單向情緒障礙的抑郁癥和焦慮癥的作用，以及對雙向情緒障礙的作用進行討論。

3.1 BDNF與抑郁癥

抑郁癥是最常見的心境障礙，以顯著而持久的心境低落為主要臨床特征。盡管現在臨床上治療抑郁癥的療法眾多，但其療效有限，僅有三分之一的患者在一線治療中療效顯著。證據表明，在抑郁癥發(fā)病患者腦區(qū)炎癥起著一定的作用，抗炎藥物可以改善炎癥相關抑郁癥患者的抑郁癥狀。從這一角度出發(fā)，研究者們討論了外源性BDNF 對抑郁癥的改善作用，將BDNF 輸入習得性無助模型小鼠中腦，在行為學實驗中驗證了BDNF起到抗抑郁的作用，在給予TrkB 抑制劑后抗抑郁作用消失[28,29]。Saarelainen 等[30]的研究證實了內源性BDNF 的作用，在給予抗抑郁藥物后，促進腦中BDNF 的釋放，同時誘導BDNF-TrkB 信號轉導。在臨床治療中，使用5羥色胺受體4（5-HT4）受體激動劑治療抑郁癥動物模型3 d后，動物海馬BDNF水平升高，海馬齒狀回神經發(fā)生增強，而在敲除BDNF 基因后5-HT4 受體激動劑的治療效果有所下降，說明BDNF是抗抑郁藥物發(fā)揮藥效的重要組成部分，同時BDNF-TrkB 通路改變會引起神經發(fā)生減少，表明BDNF-TrkB信號在抑郁癥的病理生理學和抗抑郁藥的治療機制中起關鍵作用[29]。吳紅芳等[31]在檢測大鼠海馬星形膠質細胞BDNF水平后推測慢性應激刺激后星形膠質細胞有可能發(fā)生凋亡，從而導致其分泌的BDNF減少，同時星形膠質細胞上的TrkB 受體也減少，致使BDNF 及其下游效應受到影響，最終導致抑郁的發(fā)生。Hayley 等[32]的研究顯示，有自殺傾向的抑郁癥患者腦內BDNF 水平較無自殺傾向患者低，提示BDNF 水平可能與抑郁癥的嚴重程度有關，抑郁癥狀越嚴重，腦內BDNF水平越低。5羥色胺（5-HT）的生產和釋放不平衡被認為是重度抑郁癥（major depressive disorder，MDD）的主要成因，5-HT除作為神經遞質進行細胞間信息交流外，還促使腦內BDNF的產生，也就是說在MDD中BDNF的水平至關重要。Kuhlmann等[33]發(fā)現血清BDNF水平可作為評估抑郁癥狀嚴重程度的指標。雖然眾多研究表明BDNF 與抑郁癥密切相關，但關于BDNF 水平與抑郁的嚴重程度、緩解和復發(fā)的關系，以及抗抑郁藥對BDNF的作用與增強表達，長期抗抑郁治療的維持及理想的BDNF水平測量等問題，還有待新的探索。

3.2 BDNF與焦慮癥

焦慮癥（anxiety），又稱為焦慮性神經癥，是神經癥這一大類疾病中最常見的一種，以焦慮情緒體驗為主要特征。有學者認為此病是腦內生理生化異常的器質性疾病，特別是源于邊緣系統(tǒng)（杏核、海馬）、下丘腦及額葉皮質的病變[34]，還與下丘腦-垂體-腎上腺（hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA）軸和自主神經系統(tǒng)（autonomic nervous system，ANS）的激活改變激素水平有關[35]。大約30%的焦慮相關疾病的風險可以歸因于遺傳。而BDNF是其中研究最廣泛的。BDNF 基因中一個常見的單核苷酸多態(tài)Val66Met與腦內BDNF的釋放和記憶的改變有關。Andreas等[36]通過給予70 例受試者有條件刺激和無條件刺激發(fā)現Met 基因攜帶者更易患情感和焦慮障礙。Chen等[37]研究發(fā)現，與野生小鼠相比，BDNFMet 小鼠記憶受損，并且由于齒狀回樹突形狀的改變導致海馬體積縮小，證實BDNF信號減少可導致海馬形態(tài)及功能的損傷，而這些改變可能增加了焦慮相關行為?？梢姡珺DNF基因的Val66Met多態(tài)性影響海馬的結構和功能[38]。雖然目前關于這些基因和焦慮的關系尚沒有確切的統(tǒng)一的解釋，但關于BDNF Val66Met 的發(fā)現仍有望針對這些基因研發(fā)出治療焦慮癥的有效藥物。

3.3 BDNF與雙向情緒障礙

雙向情緒障礙通常被簡稱為雙相障礙（bipolar disorder，BD），是一種反復性發(fā)作的既有躁狂發(fā)作也有抑郁發(fā)作的心境障礙。在以往的臨床實踐中，對BD 的診斷都是通過談話以及行為觀察做出的，缺乏客觀的生物學驗證。Mora 等[39]發(fā)現BD患者血清中BDNF 比健康對照組BDNF 水平低，而炎癥及氧化應激指標并無明顯差別。研究表明，BDNF的水平與BD患者的病程呈負相關，與早期階段（發(fā)病3年內）相比，長期BD患者（持續(xù)發(fā)病10年或以上）的血清BDNF 水平顯著降低[40]，這提示BDNF 可能參與BD 的發(fā)病，并且將來隨著研究的深入，血清BDNF水平或許可成為劃分BD疾病進程的一個標志。

4 BDNF與腦卒中后腦損傷

腦卒中是一種急性的腦血管疾病。是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病。研究發(fā)現，腦卒中后會出現海馬神經異常重塑，神經發(fā)生減少和神經細胞凋亡，損傷神經元加劇抑郁的風險。BDNF 與突觸可塑性和學習記憶相關，理論上BDNF 的水平升高能促進腦卒中后損傷的恢復[41]。林蔭等[42]對卒中后患者血清BDNF 水平與病情嚴重程度相關性進行了分析，把受試者分為病患組和對照組進行抑郁和神經功能缺損評分測定，結果顯示病患組的血清BDNF水平低于對照組，抑郁及神經功能缺損評分高于對照組，隨著患者的病情加重，血清BDNF水平也呈下降趨勢。張麗等[43]通過對腦卒中患者實施運動療法，發(fā)現運動療法組的BDNF 水平高于對照組，且BDNF 水平較高的運動療法組患者其神經缺損的恢復程度較高，證明了運動有助于恢復腦卒中患者血清中BDNF 水平，同時BDNF 能修復腦卒中后神經元損傷。此外，研究發(fā)現外源性BDNF可減少局部缺血導致的梗死面積，保護神經元延遲神經元死亡[44]。BDNF 通過增加神經元可塑性，提高乙酰膽堿酶的活性，從而改善認知功能。并且BDNF能夠支持營養(yǎng)5-HT神經元與DA神經元的發(fā)育分化以及生長再生，促進神經遞質的生成與釋放，改善神經功能[45]。同時卒中后腦損傷能觸發(fā)BDNF的表達，作為神經保護反應的一部分[46]。這證明BDNF具有治療卒中后腦損傷的潛力。

5 BDNF在臨床中的應用

大量研究表明BDNF在促進軸突再生、保持突觸強度、在許多神經退行性疾病模型中可防止神經元丟失、在急性CNS損傷時可促進神經元的再分化等方面具有治療潛力。雖然大量的臨床前研究為BDNF的治療潛能提供了證據，但將這一工作應用到臨床一直存在困難。Benraiss 等[47]利用腺相關病毒載體（adeno-associated virus，AAV）在紋狀體神經元表達BDNF，在HD小鼠模型中證明AAV傳遞BDNF誘導的神經發(fā)生并促進神經元存活得更久。盡管取得了這一成功，但由于宿主對病毒的免疫原性和生物分布有限，AAV在臨床上的使用仍存困難。另外，BDNF 半衰期極短，嚴重限制了重組蛋白的有效性，重組蛋白的使用充滿了蛋白質降解、免疫應答、無法大量穿越血腦屏障等問題。所以目前BDNF面對的最大挑戰(zhàn)是有效地給藥。目前在臨床前研究中試探了多種給藥方法，主要有：①腦血管內灌注或腦內注射給藥；②病毒基因治療的給藥途徑；③脂質體包裹藥物；④單克隆抗體偶聯(lián)藥物進行靜脈給藥等。但每一種方式都有其缺陷，目前為止在臨床上仍缺乏一種安全有效的給藥方式。

6 展望與小結

大量的不斷增長的研究證明，BDNF 涉及眾多中樞神經系統(tǒng)的生理及病理過程。BDNF參與控制神經元和膠質細胞的發(fā)育及凋亡，參與對記憶和認知至關重要的突觸結構及功能的可塑性的調節(jié)和維持，同時BDNF也參與多種神經退行性疾病、情緒障礙及卒中后腦損傷的病理及恢復過程。但目前對BDNF在CNS疾病中作用及機制的認識并不深入，許多方面需要進一步的研究。如在生理情況下BDNF 如何介導CNS 結構和功能可塑性？在急性腦損傷（如腦卒中或腦外傷）及其恢復期，BDNF的產生及其神經保護作用以及對神經膠質細胞功能調節(jié)的具體機制如何？在慢性缺血性腦損傷（如慢性低灌注）及神經退行性疾?。ㄈ鏏D、PD）的病理過程中BDNF 的產生及保護作用如何變化？另一方面，在臨床應用上患者腦內BDNF水平測定方法的確立與完善；發(fā)病過程中外周及中樞BDNF水平的臨床意義的界定；如何使外源性BDNF高效地透過血腦屏障并準確到達病變位置等都有待進一步探究。總之，BDNF 及其下游信號在正常情況及許多神經疾病病理狀態(tài)下發(fā)揮重要作用，其詳細機制及應用都需在未來的研究中加以闡明。

本文探討了BDNF信號失調在CNS疾病發(fā)病中的作用，為相關CNS 疾病發(fā)病機制的探索及臨床診療提供了新的理論參考。相信隨著臨床應用方法研究的不斷深入，BDNF 將成為未來治療這些疾病的有效切入點。