腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子與中樞神經(jīng)修復(fù)再生

1、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子與中樞神經(jīng)修復(fù)再生臨床神經(jīng)病學(xué)雜志 2000年第4期第13卷 綜述作者：姜曉丹綜述 宋文光 徐如祥 李鐵林審校單位：510282廣州第一軍醫(yī)大學(xué)珠江醫(yī)院神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子在保護(hù)神經(jīng)元存活并促進(jìn)其突起生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，常出現(xiàn)基因表達(dá)的時(shí)相變異,對(duì)不同種類(lèi)的神經(jīng)元有明顯的作用選擇性。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)作為神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族中的一員,廣泛分布于大腦中，是一類(lèi)可促進(jìn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、感覺(jué)神經(jīng)元、基底節(jié)前腦膽堿能神經(jīng)元、皮層神經(jīng)元、海馬神經(jīng)元、多巴胺能神經(jīng)元等的存活和生長(zhǎng)發(fā)育并能防止它們受損死亡，改善神經(jīng)元病理狀態(tài)、促進(jìn)受損傷神經(jīng)元再生及分化成熟等生物效應(yīng)的多肽或蛋白質(zhì),在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（C

2、NS）的損傷修復(fù)中具有重要的作用。本文就其理化性質(zhì)、生物學(xué)特性及在中樞神經(jīng)修復(fù)與再生中的作用等進(jìn)行綜述。1 理化性質(zhì)1.1 分子量及分子結(jié)構(gòu) BDNF是Barde等1982年從豬腦中分離純化的一種堿性蛋白,分子量為12.3KD,等電點(diǎn)為10,因其來(lái)源于腦組織,并可維持雞胚感覺(jué)神經(jīng)元的體外存活、促使其神經(jīng)元出芽而被命名21。由1.5千克的豬腦中可提取該因子1 mg,其生物活力為0.4 ng/ml.unit。BDNF有兩種不同的前體形式,分別是長(zhǎng)鏈和短鏈前體,目前已知短鏈前體由249個(gè)氨基酸組成。1989年，Leibroch 等人用鼠cDNA探針和Northern Blot方法分析發(fā)現(xiàn),腦內(nèi)存在著

3、BDNF的mRNA,證實(shí)了中樞神經(jīng)可以合成BDNF;同時(shí)發(fā)現(xiàn)BDNF與已知的神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)結(jié)構(gòu)上有著極其相似的氨基酸序列及相互關(guān)聯(lián)的生物學(xué)活性,表現(xiàn)為二者的肽鏈均由大約120個(gè)氨基酸組成 (約有55%60%的氨基酸同源序列),其中的6個(gè)恒定的半胱氨酸殘基可形成維持BDNF、NGF生物活性所必需的三對(duì)二硫鍵。由此提出,BDNF與NGF同為一個(gè)基因家族,并與后來(lái)以PCR技術(shù)鑒定克隆出的NT-3、NT-4和NT-5一起被統(tǒng)稱(chēng)為“神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素家族”3,4。以T-載體克隆法對(duì)人BDNF全長(zhǎng)基因PCR產(chǎn)物克隆及基因序列分析顯示,5人BDNF基因全長(zhǎng)共744bp,起始密碼子為ATG,終止密碼子為T(mén)AG

4、強(qiáng)作用由cAMP介導(dǎo)的門(mén)控系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)6。BDNF所誘導(dǎo)的突觸增。1.2 分布及來(lái)源 BDNF主要由腦組織合成,主要分布于CNS中。用BDNF mRNA分析技術(shù)表明,BDNF在腦中主要分布在海馬和皮質(zhì),也存在于紋狀體中。Wetmore等人7在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),海馬有能與BDNF特異結(jié)合的編碼trKB基因高度表達(dá),海馬錐體細(xì)胞核中有BDNF的存在;BDNF mRNA 在海馬錐體細(xì)胞、齒狀回的顆粒細(xì)胞和皮質(zhì)表現(xiàn)為陽(yáng)性分布;在杏仁核、扣帶回和內(nèi)嗅皮質(zhì)也散在分布著B(niǎo)DNF mRNA陽(yáng)性細(xì)胞;由于基底神經(jīng)核、中隔區(qū)、斜角帶核內(nèi)的膽堿能神經(jīng)元胞漿中可見(jiàn)到BDNF而無(wú)BDNF mRNA表達(dá),推測(cè)BDNF主要是在海馬

5、合成,之后被逆行運(yùn)輸?shù)絻?nèi)側(cè)隔區(qū)和斜束核、從新皮質(zhì)逆行到基底神經(jīng)核細(xì)胞，對(duì)相應(yīng)部位的神經(jīng)元起支持、 營(yíng)養(yǎng)和分化作用,同時(shí)也有BDNF被運(yùn)輸至海馬神經(jīng)元核中,反饋調(diào)節(jié)BDNF的合成。研究顯示,海馬中BDNF mRNA是由谷氨酰胺能和-氨基丁酸能神經(jīng)元的活動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)的: 阻斷谷氨酰胺受體或激活-氨基丁酸能神經(jīng)元,可降低海馬、中隔中的BDNF mRNA水平8。 BDNF也存在于CNS的上丘及周?chē)M織中。損傷后神經(jīng)斷端遠(yuǎn)側(cè)部有較多的BDNF,提示雪旺氏細(xì)胞等支持細(xì)胞是應(yīng)激狀態(tài)下周?chē)窠?jīng)組織BDNF增多的主要來(lái)源。此外,Yamamoto等(1990) 證實(shí),人類(lèi)血小板中也含有BDNF,對(duì)于神經(jīng)損傷部位的周?chē)?/p>

6、感覺(jué)神經(jīng)元再生提供了一個(gè)重要來(lái)源。2 生物學(xué)特性及在中樞神經(jīng)修復(fù)與再生中的作用神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素家族的生物學(xué)效應(yīng)依神經(jīng)細(xì)胞膜上適當(dāng)?shù)氖荏w-酪氨酸蛋白激酶(trK)A、B、C來(lái)表達(dá),trK B能與BDNF、NT-3和NT-4結(jié)合而活化,trK A結(jié)合NGF及NT-3 ,trK C則主要與NT-3結(jié)合發(fā)揮作用。BDNF結(jié)合trK B受體所體現(xiàn)出來(lái)的生物學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)如下。2.1 促進(jìn)胚胎神經(jīng)元發(fā)育分化成多巴胺(DA)能神經(jīng)細(xì)胞,維持DA能神經(jīng)元存活 對(duì)BDNF研究較多的是它在阿爾茨海默?。ˋD）病理改變和在帕金森?。≒D）中的神經(jīng)元保護(hù)效應(yīng)及對(duì)病理行為的改善作用。Hofer和Knusel等分別認(rèn)為,BDN

7、F是一種允許特殊神經(jīng)元存活的因子,它可刺激膽堿能神經(jīng)元的存活和分化、增加多巴胺(DA)攝取活性。在CNS中,BDNF對(duì)基底膽堿能神經(jīng)元、GABA能神經(jīng)元、中腦黑質(zhì)DA能神經(jīng)元均有營(yíng)養(yǎng)作用,在中腦黑質(zhì)DA能神經(jīng)元的發(fā)育過(guò)程中起重要作用。發(fā)育中的CNS,其早期神經(jīng)元在不同發(fā)展階段總會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)遞質(zhì)類(lèi)型及其受體,周?chē)h(huán)境(如化學(xué)、體液和細(xì)胞間的相互作用等)可決定發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)元選擇表現(xiàn)型2。將BDNF (50150 ng/ml)加入種植培養(yǎng)的胚鼠大腦皮質(zhì)細(xì)胞,可見(jiàn)到分泌酪氨酸羥化酶的培養(yǎng)細(xì)胞增加迅速,表明神經(jīng)遞質(zhì)可通過(guò)自身調(diào)節(jié)和相互間作用來(lái)調(diào)節(jié)未成熟神經(jīng)元對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)類(lèi)型的選擇,而B(niǎo)DNF對(duì)多種胚

8、胎神經(jīng)元的發(fā)育既有多方面的作用,又有一定的選擇作用，可以說(shuō)BDNF是中樞多巴胺能神經(jīng)元存活、生長(zhǎng)和分化中的關(guān)鍵因素之一。Jin等9在關(guān)于BDNF、NGF對(duì)AD模型鼠腦移植區(qū)膽堿能神經(jīng)元發(fā)育生長(zhǎng)調(diào)控的研究中發(fā)現(xiàn)，BDNF和NGF一樣，能促進(jìn)AD模型鼠行為改善和移植區(qū)胚膽堿能神經(jīng)元的發(fā)育生長(zhǎng)；若對(duì)胚腦移植分別加用BDNF、NGF以及BDNF+NGF、并以單純胚腦移植對(duì)照作腦功能改善效應(yīng)結(jié)果的比較分析，發(fā)現(xiàn)BDNF和NGF聯(lián)合使用比單獨(dú)使用一種因子更為有效。Chen等10以實(shí)驗(yàn)表明,構(gòu)建表達(dá)載體pCMV4-hBDNF,用脂質(zhì)體方法轉(zhuǎn)染COS7細(xì)胞、 BDNF抗體免疫組化方法檢測(cè)可見(jiàn)有BDNF在COS

9、7細(xì)胞中表達(dá),所表達(dá)的hBDNF蛋白分泌至胞外并促進(jìn)腦黑質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育、生長(zhǎng)、存活和分化。以BDNF基因療法治療Parkinson病發(fā)現(xiàn)， BDNF還能促進(jìn)軸突生長(zhǎng)、防止DA能神經(jīng)元退化11。2.2 提高神經(jīng)元的生物活性,減少損傷后神經(jīng)元的自然死亡 神經(jīng)損傷后,影響再生的因素除局部及靶器官的某些反應(yīng)產(chǎn)物外,鄰近非神經(jīng)元細(xì)胞、傳入纖維的末梢及遠(yuǎn)近組織所釋放的激素、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物等,均可通過(guò)局部擴(kuò)散或血液循環(huán)到達(dá)損傷部位,影響神經(jīng)再生過(guò)程。BDNF不但對(duì)多種神經(jīng)元的發(fā)育分化和生長(zhǎng)再生具有維持和促進(jìn)作用,也能通過(guò)為損傷神經(jīng)元提供營(yíng)養(yǎng)而挽救CNS損傷的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和感覺(jué)神經(jīng)元。Fawcett等12提出

10、,BDNF是CNS的一種由去甲腎上腺素能神經(jīng)元合成的順行性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子。為了檢測(cè)BDNF的功能重要性,實(shí)驗(yàn)中以多巴胺羥化酶(DH)作為去甲腎上腺素能神經(jīng)元的標(biāo)記物,分析了攜帶有DH-BDNF基因轉(zhuǎn)基因鼠的trK B酪氨酸激酶活性。發(fā)現(xiàn)在DH-BDNF轉(zhuǎn)基因鼠去甲腎上腺素能神經(jīng)元中BDNF的合成增加,可以提高生后大鼠的新皮質(zhì)這一去甲腎上腺素能靶區(qū)的trK B酪氨酸激酶活性;對(duì)新生鼠的面神經(jīng)這一第二個(gè)去甲腎上腺素能靶區(qū)進(jìn)行了BDNF功能檢測(cè),以進(jìn)一步證實(shí)去甲腎上腺素能神經(jīng)元表達(dá)的BDNF順行性地調(diào)節(jié)著神經(jīng)元的存活,發(fā)現(xiàn)若同時(shí)使對(duì)照組及轉(zhuǎn)基因組的新生鼠面神經(jīng)損傷,1周后,對(duì)照組大鼠的面神經(jīng)神經(jīng)元有7

11、2%缺失,而在DH-BDNF轉(zhuǎn)基因鼠中,去甲腎上腺素能神經(jīng)元的缺失僅為30%35%。表明BDNF由去甲腎上腺素能神經(jīng)元分泌并激活靶區(qū)的trK B、致靶神經(jīng)元存活和分化,即存在有自去甲腎上腺素能神經(jīng)元向其纖維及其末梢的順行性轉(zhuǎn)運(yùn),并通過(guò)對(duì)受損傷神經(jīng)元提供營(yíng)養(yǎng)而挽救損傷的神經(jīng)元。Tuszynski等13將NGF轉(zhuǎn)基因成纖維細(xì)胞移植到未受損傷的成年鼠脊髓T7段，發(fā)現(xiàn)有14大量CGRP標(biāo)記的感覺(jué)神經(jīng)纖維長(zhǎng)入移植體，為轉(zhuǎn)基因細(xì)胞在未來(lái)的神經(jīng)再生和神經(jīng)移植研究奠定了基礎(chǔ)。最近又有Murray等發(fā)現(xiàn),若將經(jīng)基因工程處理過(guò)的可產(chǎn)生BDNF的初級(jí)成纖維細(xì)胞移植入頸段脊髓半切腔中,12個(gè)月后再用熒光金逆行束路追蹤

12、及生物素化葡聚糖右旋糖苷胺順行束路追蹤技術(shù)對(duì)紅核脊髓束再生情況進(jìn)行檢測(cè),可以發(fā)現(xiàn)在逆行束路追蹤實(shí)驗(yàn)中,移植物尾側(cè)至少有34節(jié)段紅核脊髓束中出現(xiàn)大約7%的神經(jīng)元軸突再生;順行束路追蹤實(shí)驗(yàn)的紅核脊髓束軸突穿行或圍繞于移植物再生,并在移植物尾側(cè)的白質(zhì)內(nèi)長(zhǎng)距離生長(zhǎng)、終止于脊髓灰質(zhì)這一紅核脊髓束軸突的正常靶。而對(duì)未經(jīng)基因工程處理過(guò)的初級(jí)成纖維細(xì)胞單獨(dú)進(jìn)行移植頸段脊髓半切腔內(nèi)移植,則不誘導(dǎo)神經(jīng)再生。這些發(fā)現(xiàn)為成年哺乳動(dòng)物CNS損傷后修復(fù)再生及轉(zhuǎn)基因治療大腦變性疾病研究等均提供了廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于感覺(jué)神經(jīng)元,BDNF與NGF亦有協(xié)同營(yíng)養(yǎng)作用,即感覺(jué)神經(jīng)元通過(guò)中樞突獲得BDNF而通過(guò)背根節(jié)的周?chē)猾@得NGF

13、10。在體外實(shí)驗(yàn)中,BDNF可通過(guò)減少神經(jīng)元死亡(而非促進(jìn)增殖)這一營(yíng)養(yǎng)方式來(lái)維持游離種植的雞胚感覺(jué)神經(jīng)元存活并促使其軸突生長(zhǎng)。除了營(yíng)養(yǎng)發(fā)育早期的感覺(jué)神經(jīng)元,BDNF也經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體trK B來(lái)介導(dǎo)對(duì)成熟感覺(jué)神經(jīng)元的營(yíng)養(yǎng)作用。2.3 其它功效 BDNF能維持前庭神經(jīng)核、三叉神經(jīng)感覺(jué)神經(jīng)元的功能及胚胎視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的存活15。BDNF的這種功能具有選擇性,應(yīng)用其同家族的NGF則未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似功能。以分子生物學(xué)手段實(shí)驗(yàn)性破壞基因致使BDNF缺失,發(fā)現(xiàn)前庭神經(jīng)核及三叉神經(jīng)節(jié)的體積分別縮小90%及40%;動(dòng)物尚有運(yùn)動(dòng)及平衡失調(diào)出現(xiàn)。3 小結(jié)BDNF是一種主要由腦組織合成、能夠維持CNS多種神經(jīng)元(尤其是

14、DA能神經(jīng)元)存活及促進(jìn)神經(jīng)纖維生長(zhǎng)的堿性蛋白。大腦皮質(zhì)、海馬及紋狀體為BDNF的主要分布區(qū)域。應(yīng)用BDNF特別是BDNF轉(zhuǎn)基因細(xì)胞,可增加體內(nèi)外DA能神經(jīng)元活力，替代內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)因子激發(fā)神經(jīng)損傷后CNS神經(jīng)元的代謝改變,對(duì)于治療帕金森病及促進(jìn)CNS神經(jīng)軸突的成功再生具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1，Christiane AL,Lars O,Ted E,et al. Science,1988,240:13394，Peter CM,Leonardo B,Stephen S,et al. Science,1990,247:14465，Yu Y,Chen Q,Zhao B,et al. Bull. Ac

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