腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子與缺血性腦損傷

1、#綜述#作者單位: 300052 天津醫(yī)科大學總醫(yī)院神經(jīng)病學研究所腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子與缺血性腦損傷劉崴 程焱 王虔摘要 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子( BDNF) 是神經(jīng)生長因子家族的成員之一, 可預防腦缺血時的神經(jīng)元死亡, 從而改善預后。文章闡述了 BDNF 的結構、 功能、 分布和對腦缺血的保護作用。其保護機制可能包括抑制興奮性毒性、 調(diào)節(jié)神經(jīng)元內(nèi) Ca2+ 平衡和 Bax、 Bc- l 2 的表達等。關鍵詞 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子; 腦缺血

2、; 基因治療; 凋亡; Bc- l 2Brain -derived Neurotraphic Factor and Cerebral Ischemic In - juryLiu Wei, Cheng Yan, Wang QianInstitute o f Neurology, Tianjin General Hospital, Tianjin Medical University, Tianjin 300052, ChinaABSTRA

3、CT Brain -derived neurotrophic fac tor ( BDNF) is one of the members in the nerve gro wth factor (NGF) family. It can prevent neurons dea th following cerebral ischemia and thus improve the prognosis. This article discu

4、sses the construction, func tion, distribution of BDNF, and its possible protective mechanisms, including inhibiting excitory neurotoxicity; regulating the balance of calcium in neurons, and the expreesion of Bax and Bc-

5、 l 2.KEY WORD brain -derived neurotraphic fac tor u cerebral isc he mia u gene therapy u apoptosis uBc - l 2 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子( BDNF) 是神經(jīng)生長因子(NGF) 家族的成員之一, 1982 年由 Bard 等從豬腦中成功分離出來。研究人員發(fā)現(xiàn), BDNF 可促進神經(jīng)細胞增殖或延長其存活時間 [ 1] , 從而可預防腦缺

6、血時的神經(jīng)元死亡, 改善預后。1 BDNF 及其特異性受體 TrkB1. 1 BDNF 的結構、 分布及功能神經(jīng)營養(yǎng)因子( neurotrophin factor, NTF) 是一類能夠促進神經(jīng)元正常生存、 生長、 分化并維持其生理功能的蛋白質(zhì)。這類因子的異常、 缺乏或不足均可導致神經(jīng)系統(tǒng)某些疾病的發(fā)生, 或神經(jīng)系統(tǒng)的退行性變以及神經(jīng)系統(tǒng)損傷后神經(jīng)組織修復和再生的失敗。BDNF 是神經(jīng)營養(yǎng)因子的第二個成員, 其同其他神經(jīng)營養(yǎng)因子成員

7、的單體, 如 NGF 等具有相同的骨架結構。與 NGF 不同的是, BDNF mRNA 分布廣泛, 并已在許多腦區(qū)中檢測到, 如大腦新皮質(zhì)、 海馬、屏狀核、 梨狀葉、 小腦扁桃體、 黑質(zhì)紋狀體和小腦皮質(zhì)。尤其是在海馬內(nèi), BDNF mRNA 含量是 NGF mR -NA 的 2 倍[ 1] 。1. 2 BDNF 受體同其他神經(jīng)營養(yǎng)因子一樣, BDNF 擁有一個由 2個親和力不同的受體構成的受體系統(tǒng)。一種是p75NTR( 也稱低親和力受

8、體) , 它同時也是所有神經(jīng)營養(yǎng)因子的受體系統(tǒng)的成員, 為腫瘤壞死因子受體(TNFR) 家族成員之一, 可誘導凋亡信號的傳導; 另一種是 TrkB ( 也稱高親和力受體) , 是酪氨酸激酶(Trk) 家族的成員之一, 為BDNF 和NT -4 共同的高親和力受體, NT -3 也可與之結合, 但其親和力稍低。除上述完整的TrkB 外, 胞膜上還存在有數(shù)種缺陷型TrkB。這些缺陷型受體通常是缺乏胞質(zhì)激酶域的大部, 并在羧基末端稍有變異。在

9、生理情況下, 這些缺陷型受體具有一定的生理功能。人們通常把它們看成是 BDNF 與完整的 TrkB 相互作用的調(diào)制子[ 2] 。最近的研究證實, TrkB 在不同的腦損傷中由齒狀回顆粒細胞介導, 而沒有催化活性的 TrkB 受體( 截短型TrkB) 在腦損傷后由星形細胞介導[ 3] 。神經(jīng)營 養(yǎng) 因子 的 信 號傳 導 主要 由 Trk 和p75NTR 調(diào)節(jié)。這 2 種傳導路徑的平衡決定了神經(jīng)元的生存或凋亡。BDNF 與TrkB 結合后

10、, 受體發(fā)生聚合, 形成二聚體的同時完成自身磷酸化, 而將細胞外信號轉導入細胞內(nèi)。主要是通過磷酯酰肌醇 -3激酶( PI -3K) /Akt、 Ras/ MAPK、PLCC 等通路來發(fā)揮# 433 # 國外醫(yī)學腦血管疾病分冊 2004 年 6 月第 12 卷第 6期后的細胞內(nèi)鈣超載對抗保護神經(jīng)元。BDNF 還可通過介導抗氧化劑防衛(wèi)系統(tǒng)來抑制谷氨酸介導的過氧化物堆積和隨后的鈣穩(wěn)態(tài)破壞 [ 7] 。體內(nèi)實驗也得到類似的證據(jù)[ 17]。NMD

11、A 受體拮抗劑 MK -801 可抑制光化學所致腦梗死 BDNF 的誘導[ 1] 。BDNF 也可通過減少NO 的細胞毒性來保護神經(jīng)元免受谷氨酸毒性損害。有研究表明, BDNF 在脊髓撕裂傷中可抑制神經(jīng)元一氧化氮合酶( nNOS) 的表達[ 18] 。與之相反, 也有研究表明, 低氧和低血糖或 NMDA 暴露介導的 BDNF 對皮質(zhì)神經(jīng)元有潛在的致死作用。3. 2 調(diào)節(jié)神經(jīng)元內(nèi) Ca2+ 平衡細胞內(nèi) Ca2+ 對缺血后海馬 CA1 區(qū)

12、遲發(fā)性神經(jīng)元死亡有重要作用。神經(jīng)元內(nèi) Ca2+ 的作用主要是由一系列的鈣結合蛋白和鈣依賴酶調(diào)節(jié)。腦缺血時, 這些緩沖系統(tǒng)可對抗 Ca2+ 濃度增高引起的不良后果。鈣/ 鈣調(diào)蛋白依賴酶和 cAMP 依賴酶的活性在缺血后明顯降低。在前腦缺血模型中, 鈣/ 鈣調(diào)蛋白依賴酶 ÒA亞單位突變小鼠的梗死體積是野生型小鼠的 2 倍。關于 BDNF 對神經(jīng)元內(nèi)鈣調(diào)節(jié)的作用, 目前還有很大爭議。業(yè)已證實, BDNF 可快速增加海馬神經(jīng)元胞質(zhì) C

13、a 2+ 濃度, 而在低血糖或低谷氨酸的情況下, 提前使用 BDNF 和其他神經(jīng)營養(yǎng)因子可高度抵抗興奮性神經(jīng)元死亡。這個不同點可以解釋為: BDNF 通過移動 Ca2+ 或激活鈣/ 鈣調(diào)蛋白依賴酶Ò將信號傳遞給磷脂酶 C/ 蛋白酶 C 通路。另外, 有實驗證實, BDNF 可通過增加表達鈣結合蛋白的神經(jīng)元數(shù)量來保護紋狀體神經(jīng)元免受低血糖損害。因此, BDNF 可調(diào)節(jié)神經(jīng)元內(nèi)的 Ca 2+ 平衡, 從而抑制凋亡級聯(lián)反應和保護神經(jīng)

14、元[ 7] 。3. 3 調(diào)節(jié) bax 和 bc- l 2 的表達眾所周知, 凋亡主要局限于缺血半暗帶。內(nèi)源性BDNF mRNA 在缺血半暗帶的表達表明, BDNF 的保護機制很可能是抑制凋亡。Schabitz 等[ 11] 發(fā)現(xiàn),BDNF 可顯著降低缺血半暗帶皮質(zhì)神經(jīng)元的凋亡前體蛋白 Ba x 的表達, 并上調(diào)該區(qū)域抗凋亡蛋白 Bc - l 2的表達。而且, 注入 BDNF 的假手術組動物皮質(zhì)內(nèi)Bc - l 2 也上調(diào)。原癌基因 bc

15、- l 2 在調(diào)節(jié)凋亡中起著重要作用。目前已知Bc- l 2 家族成員有很多, 按其對凋亡的調(diào)節(jié)作用可分為 2 類: 一類為抗凋亡基因, 如bc - l 2、 bc- l xl; 另一類為促凋亡基因, 如 bax、 bid、 bad等。它們主要在線粒體水平發(fā)揮作用來決定著細胞的生死。Bax 和 Bc- l 2 之間的比例為凋亡途徑的一個重要環(huán)節(jié)。在其下游主要有 2 條路徑: ( 1) 不依賴線粒體途徑, 由胱冬酶級聯(lián)反應引起凋亡; (

16、2) 線粒體功能失調(diào)引起凋亡。線粒體失調(diào)使膜電位去極化、 氧自由基產(chǎn)生和通透性轉變孔( P TP) 開放, 最終使細胞色素 c 從線粒體釋放出來。細胞色素 c 的釋放激活 Apa- f 1, Apa- f 1 隨即激活胱冬酶 -3, 引起胱冬酶凋亡級聯(lián)反應。理論上認為, Bc- l 2 家族成員通過形成通道或調(diào)節(jié)已形成的通道來發(fā)揮其作用。Bc- l2 同 Bax 形成異二聚體可抑制 P TP 的開放, 維持膜電位, 從而抑制細胞色素 c

17、 的釋放, 最終抑制凋亡[ 16] 。神經(jīng)營養(yǎng)因子抑制凋亡來促進神經(jīng)元生存的機制, 目前仍不清楚。最近有研究表明, 神經(jīng)營養(yǎng)因子可通過 cAMP 反應元件結合蛋白( CREB) 來調(diào)控 Bc- l 2 的表達, 從而抑制細胞凋亡。然而在 bc- l 2( - / - ) 小鼠中 BDNF 也可促進軸突斷裂的運動神經(jīng)元存活, 說明神經(jīng)營養(yǎng)因子存在著另外的信號傳導途徑和 CREB 靶基因來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的存活。在bc- l 2 基因的 cAMP

18、 反應元件( CRE) 下游存在著一個反式調(diào)節(jié)元件, 可與腫瘤抑制因子 P53 相連。Wu等[ 19] 最近發(fā)現(xiàn), NGF 經(jīng) Ras/ ERK 通路調(diào)節(jié)交感神經(jīng)元存活部分是通過抑制 P53 調(diào)節(jié)的細胞死亡途路。因此, NGF 和其他神經(jīng)營養(yǎng)因子, 如 BDNF 可能通過CREB 和抑制P53 來上調(diào)Bc- l 2 表達。我們已知道興奮性氨基酸的釋放、 鈣超載和氧自由基堆積均可引起神經(jīng)元損傷, 最終導致神經(jīng)元凋亡。有報道認為,NMDA

19、受體介導的凋亡為依賴線粒體的凋亡類型。故 BDNF 可通過調(diào)節(jié) bc - l 2 家族基因的表達來抑制神經(jīng)元調(diào)亡 [ 20] 。3. 4 其他BDNF 縮小梗死體積也可能是通過抑制細胞骨架蛋白的降解實現(xiàn)的。缺血后神經(jīng)元內(nèi)谷氨酸釋放和隨后的鈣超載可激活細胞骨架蛋白神經(jīng)絲和微管蛋白水解。神經(jīng)營養(yǎng)因子, 尤其是 NGF 可通過激活微管結合蛋白來促進微管蛋白的穩(wěn)定, 抑制微管降解。BDNF 也具有此種功能 [ 13] 。4 結語BDNF 具

20、有神經(jīng)保護作用, 可減少腦缺血再灌注所引起的神經(jīng)元凋亡, 從而縮小梗死體積, 減輕患者癥狀, 因此有很高的臨床應用價值。然而, 由于BDNF 不能透過血腦屏障, 故需注入腦室, 但持續(xù)向腦室內(nèi)灌注費時費力, 損傷較大, 不利于臨床應用。目前科學家們正在尋找簡便而有效的方式, 使BDNF進入腦內(nèi)發(fā)揮其神經(jīng)保護作用。已有報道, 將BDNF與可穿越血腦屏障的靶系統(tǒng)結合, 在腦缺血后從靜脈注入, 可穿越血腦屏障發(fā)揮神經(jīng)保護作用[ 21] , 或