腦源性神經營養因子治療腦梗死的研究進展

王奎，任建功

(蘭州大學第二醫院內分泌代謝科，蘭州 730030)

腦梗死是一種嚴重的神經系統疾病，多發生于老年群體，通常起病急，若發生大面積梗死則病情危重。腦梗死的特征是腦部血液供應減少或阻斷，導致病變部位的缺血缺氧及能量缺乏，最終導致細胞死亡及功能喪失。根據受損腦組織缺血和損傷情況，可將梗死部位分為中央部位的梗死灶核心與周圍的缺血半暗帶[1]。梗死灶核心區域的神經元僅在梗死發生數分鐘內發生不可逆性壞死，而缺血半暗帶是功能受損的缺血組織，有可能進一步發展為核心梗死區域，但也可能被挽救。腦梗死除了直接導致急性神經功能缺陷外，還可能出現缺血再灌注損傷以及其他認知和精神方面的慢性后果(如認知功能下降和腦卒中后抑郁)[2]。腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是神經營養蛋白家族中的重要一員，在嚙齒動物的中樞神經系統中廣泛表達，在許多腦活動和功能中扮演著非常重要的角色，不僅能促進神經元的發育和分化、細胞存活及突觸可塑性[3]，同時具有抗凋亡、抗氧化、抑制自噬等神經保護作用[4]。目前已有研究表明，BDNF的丟失與許多神經退行性疾病有關[5]，并檢測到多種神經退行性疾病患者腦和血液中的BDNF水平降低[6]，而恢復或添加外源性BDNF顯示出生理治療效果[7]。BDNF可以通過多種途徑保護受損傷的腦組織，并促進缺血后腦細胞的恢復，同時減少腦梗死缺血半暗帶的擴散，降低腦卒中后抑郁的發生率[8]?，F就BDNF治療腦梗死的研究進展予以綜述。

1 BDNF治療腦梗死的機制

1.1腦梗死的細胞學機制 細胞凋亡、自噬和壞死是細胞死亡的3種主要方式。長期以來，腦梗死的缺血壞死被認為是一種細胞缺血缺氧后的被動性死亡，但20世紀90年代，有學者提出腦梗死所導致的細胞壞死也是細胞程序性凋亡的一種[9]，并且這種說法得到越來越多的證據支持[10]。腦梗死的發生包含一些重要的分子事件(如自由基過度生成、Ca2+超載和興奮毒性)，這些事件導致細胞內穩態發生變化，進而可能引發壞死或凋亡。細胞凋亡可導致DNA斷裂、細胞骨架和核蛋白降解、蛋白質交聯、凋亡小體形成以及吞噬細胞受體配體表達，最后被吞噬細胞吸收[11]。而BDNF可通過抑制細胞凋亡因子活性、拮抗細胞內Ca2+超載、抑制興奮性氨基酸、增強蛋白激酶C的活性、調節凋亡因子Bcl-2和Bax的表達、增強抗氧化酶的活性以及減輕氧自由基損傷等拮抗腦梗死所帶來的損傷[12]。

1.2BDNF基因表達及其受體通路 BDNF蛋白由位于第11號染色體(11p13)上的BDNF基因編碼。嚙齒動物的BDNF基因包含多個啟動子，每個啟動子均位于外顯子之前，通過選擇性切片產生大量BDNF轉錄物，而這些轉錄物均包含編碼BDNF蛋白的外顯子[13]；轉錄物首先轉錄到BDNF-信使RNA，然后通過高爾基體和反面高爾基體網狀結構將BDNF-信使RNA加工成BDNF前體和成熟BDNF[14]。隨著發育和成年，BDNF可結合其高親和力受體酪氨酸激酶B受體(tyrosine kinase receptor B，TrkB)或低親和力受體p75神經營養因子受體，分別參與神經突起的生長和凋亡[15]。在靜息狀態下，TrkB受體和p75受體均位于細胞內小泡的膜上，Ca2+、環腺苷酸或電脈沖刺激均可啟動這兩種受體與細胞膜的轉移和融合[16]。成熟的神經營養因子結合TrkB受體后可增加細胞存活和分化能力、增加樹突棘復雜性、強化神經長時程增強功能、增強突觸可塑性和神經網絡的重塑能力等[17]。

磷酸化的TrkB可激活4種酶，即磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、磷脂酶C-γ和鳥苷三磷酸酶[18]。這4種酶相對應的通路及作用包括：PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)相關通路具有抗凋亡和促生存活性，并可調節N-甲基-D-天冬氨酸受體依賴的突觸可塑性，PI3K/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白級聯通過調節蛋白質合成和細胞骨架發育，促進樹突生長和分支；MAPK/Ras信號級聯可調節神經元分化過程中的蛋白質合成，這對基因表達的早期反應、細胞骨架蛋白合成以及海馬神經元的樹突生長和分支至關重要；磷脂酶C-γ依賴性途徑激活Ca2+-鈣調素依賴性蛋白激酶和蛋白激酶C，從而提高1，2-二酰甘油和Ca2+濃度，而蛋白激酶C依賴性通路可增強突觸可塑性；BDNF/TrkB復合物可激活鳥苷三磷酸酶，刺激肌動蛋白和微管的合成，從而導致神經纖維的生長[19-20]。

2 外源性補充BDNF

2.1直接外周給藥 直接外周給藥是臨床最普遍的給藥方式，但對于BDNF而言，因受到血腦屏障通透性差、生物半衰期短、外周神經系統不良反應等限制，直接外周給藥治療腦梗死療效甚微[21]。盡管鞘內給予BDNF可行，但缺乏臨床療效的證據[22]。

2.2腦室內注射給藥 腦室內注射BDNF可直接提高中樞BDNF水平，但直接注射BDNF呈現大劑量釋放，不能達到緩慢、穩定釋放的目的。目前有兩種方法可克服這一問題：在顱骨鉆孔安裝一固定微型泵，將外源性BDNF緩慢注射到腦室，有研究將此法應用于大腦中動脈閉塞的小鼠，從梗死前1 d至梗死后7 d持續注射BDNF，結果顯示，BDNF治療組和對照組的皮質梗死體積分別為(10.8±7.1) mm3和(37.9±19.8) mm3，證實了BDNF對腦卒中的神經保護作用[23]，此法可減小梗死體積，但因其有創以及有感染的可能，故臨床應用有限。將BDNF嵌入水凝膠中，然后將BDNF/水凝膠注射到腦梗死中央部位，因水凝膠具有獨特的溶脹和誘發不規則構象填充腦卒中病變部位的能力，且本身所具有的低毒性和抗炎特性，使其廣泛用作微創給藥的生物材料[21]。研究證實，BDNF/水凝膠可促進亞急性腦梗死小鼠的運動恢復，增加了梗死周圍皮質腦卒中后的神經發生；且相對于直接給予BDNF在梗死灶1周的代謝時間，BDNF/水凝膠可持續釋放BDNF 2～3周[24]。上述兩種方法均避開血腦屏障直接給藥，為有創性操作，且不能維持長期穩定的血藥濃度，所以存在較明顯的弊端，因此需要替代方案，盡可能地將治療性BDNF直接安全地輸送到損傷部位，并保持損傷部位持續穩定的BDNF濃度。

2.3病毒載體結構給藥 病毒載體結構方法首先是構建攜帶BDNF基因的病毒載體，然后將攜帶BDNF相關基因的病毒載體轉移至中樞，通過擴增及翻譯BDNF蛋白，達到持續釋放BDNF的目的，以提高中樞，尤其是損傷部位的BDNF水平。腺病毒因具備更低的基因組合風險和更高的感染多樣性[25]，因此作為病毒載體的首選。有研究表明，無論是在體內還是體外，重組腺相關病毒載體(recombinant adeno-associated viral vector，rAAV)-BDNF均能保護神經元免受凋亡和壞死的影響，在感染rAAV-BDNF的大腦中動脈閉塞小鼠腦組織中，梗死體積顯著減小[26]。另一項構建AAV-SYN-BDNF-EGFP(enhanced green fluorescent protein)載體結構的細胞毒性實驗顯示，原代海馬培養物中神經網絡的活性無任何變化[27]，提示這種治療方法對周圍的神經無明顯不良反應。Zhang等[28]將pIRES2(protein internal ribosome entry site 2)-EGFP-BDNF質粒轉染的骨髓間充質干細胞注入腦梗死大鼠側腦室，結果顯示，實驗組大鼠神經功能恢復及突觸素表達水平均升高。病毒載體結構方法可長期穩定提供BDNF，但病毒本身可能引發的毒性、炎癥、突變及其他潛在的風險，為其長期的臨床應用帶來了挑戰[29]。

2.4納米載體結構給藥 納米載體是通過包封、吸附等手段，將藥物或蛋白質整合于納米材料中，形成藥物納米顆粒[30]，以確保在體內環境中穩定釋放。但此類納米顆粒的良好封閉性限制了其對受體的有效性，以至于無法到達特定部位釋放藥物，甚至常導致聚集、活性喪失或免疫原性等，而通過提取各種天然生物膜結合納米載藥系統以及根據藥物本身性質制作納米復合物這兩種方法可達到特定部位釋放的目的，并避免以上弊端[31]。有研究給予大腦中動脈閉塞小鼠聚乙二醇和聚谷氨酸二嵌段共聚物BDNF納米顆粒復合物，結果發現，可顯著減少腦組織損傷，且延遲治療可改善認知記憶，降低腦卒中后抑郁表型[32]。納米載體顆?？呻S意通過血腦屏障，且對藥物兼容性高，但納米材料可能存在的毒性作用不可忽視。

3 多種通路的調節劑

3.1TrkB受體激動劑 提高中樞BDNF水平是一種治療急性腦梗死的有效方法，但BDNF對神經的有益作用均通過TrkB受體介導，由于受到靶細胞TrkB受體下調和丟失的限制，通過升高BDNF水平的治療方法的效果可能受到影響[33]。有研究通過激活TrkB受體，以提高BNDF利用率，從而達到治療腦梗死的目的，如Andero等[34]發現，7，8-二羥基黃酮在體外小分子化學篩選中被鑒定為選擇性TrkB受體激動劑，該化合物具有神經保護作用，在BFNF表達降低的小鼠模型中可挽救BDNF缺陷；同時，可減少大腦中動脈阻塞大鼠的缺血再灌注損傷[35]。

3.2BDNF-信使RNA表達激動劑 BDNF-信使RNA的表達受神經元活動的調節，而谷氨酸能突觸的激活可增加大鼠海馬切片中BDNF-信使RNA的表達，α-氨基-3-羥基-5-甲基異唑-4-丙酸受體激動劑誘導的突觸活性增加，可導致海馬和皮質中編碼BDNF及TrkB信使RNA的水平短暫升高[36]。Clarkson等[37]的研究應用氨芐基CX1837激動α-氨基-3-羥基-5-甲基異唑-4-丙酸受體，以提高幼鼠BDNF水平，結果顯示，所有小鼠均在腦卒中后表現出不同程度的運動恢復，且初步證明上述過程是通過糖原合成酶激酶-cAMP應答元件結合蛋白信號途徑轉導的。

另有一些天然物質的提取成分也在BDNF研究中受到關注。例如，蝦青素治療可使BDNF和神經生長因子信使RNA表達增加，改善急性腦梗死大鼠的神經功能，并減小梗死體積，減輕腦水腫[38]；小檗堿可通過激活BDNF-TrkB-PI3K/Akt信號通路，逆轉大腦中動脈閉塞誘導的BDNF和TrkB水平的降低，同時降低凋亡相關蛋白水平，從而保護大腦免受大腦中動脈閉塞的進一步損傷[39]。

4 BDNF模擬肽

除天然BDNF在治療腦梗死中的廣泛研究外，外界合成的各種BNDF模擬肽(在結構上與天然BDNF略有差異，或僅包含BDNF的部分結構域)也能起到類似BDNF的作用或起到部分作用，促進TrkB受體磷酸化或者激活相應的通路。BDNF環1的類似物——模擬肽GSB-214能選擇性激活PI3K/Akt通路[40]；BDNF環4的類似物——模擬肽GSB-106能同時激活PI3K/Akt和MAPK/胞外信號調節激酶兩種信號通路[41]；BDNF環2的類似物——模擬肽GTS-201可選擇性激活MAPK/胞外信號調節激酶信號通路[42]。這些不同的環狀神經營養素結構與同一受體(TrkB受體)相互作用，可以選擇性地激活受體后信號轉導通路。有研究證明，GSB-214和GSB-106兩種模擬物可減小大鼠短暫大腦中動脈閉塞后的腦梗死體積，并改善神經功能[40]。雖然目前已有多種BDNF模擬肽產生相應療效，但對于各結合位點的作用及機制尚不明確。因此，目前通過模擬肽所收獲的治療效果不如天然BDNF所產生的治療效果理想。

5 其他方式

除上述治療方法外，還有多種研究方法。例如，重復經顱電刺激可使腦卒中患者BDNF水平升高，并激活TrkB信號通路，從而改善神經功能并減小梗死體積[43]。另外，預處理運動可減小腦卒中后的卒中體積、神經元凋亡和氧化應激，改善運動功能，提高BDNF的表達水平[44]。養陰通腦顆?？筛纳拼笫蟠竽X中動脈閉塞后神經功能缺損和梗死體積，上調BDNF和血管內皮生長因子水平[45]。睪酮可顯著提高血清和腦組織中的BDNF水平，降低腦卒中引起的氧化應激的嚴重程度[46]。這些方法均能提高BDNF水平，也能夠對腦梗死起到治療作用，但具體機制目前尚不明確。

6 小 結

通過提高BDNF水平治療腦梗死的方法多種多樣，且均在動物實驗中獲得了顯著的療效，這為腦梗死的臨床治療提供了新的思路。此外，也有通過減少BDNF降解提高BDNF水平的方法，如聚唾液酸與BDNF特異性結合形成復合物而減少BDNF的降解，提高BDNF水平[47]。這種方法在治療精神分裂癥中有理想的療效，但目前尚無治療腦梗死的相關研究報道。近年來，表觀遺傳學和多態性也被用作診斷及預測腦卒中后恢復軌跡的工具，這些途徑均為提高BDNF水平提供了思路。但目前相關研究大多為動物實驗，暫無大量患者獲益的相關證據，且多種相關治療方法的具體作用機制尚不明確，同時潛在的風險和不良反應也不可忽視。