脑源性神经营养因子与缺血性脑损伤

#综述#作者单位:300052天津医科大学总医院神经病学研究所脑源性神经营养因子与缺血性脑损伤刘崴 程焱 王虔摘要 脑源性神经营养因子(BDNF)是神经生长因子家族的成员之一,可预防脑缺血时的神经元死亡,从而改善预后。

文章阐述了BDNF 的结构、功能、分布和对脑缺血的保护作用。

其保护机制可能包括抑制兴奋性毒性、调节神经元内Ca 2+平衡和Bax 、Bc-l 2的表达等。

关键词 脑源性神经营养因子;脑缺血;基因治疗;凋亡;Bc-l 2Brain -derived Neurotraphic Factor and Cerebral Ischemic In -juryLiu Wei,Cheng Yan,Wang QianInstitute o f Neurology ,Tianjin General Hos pital,Tianjin Medical University ,Tianjin 300052,China ABSTRAC T Brain -derived neurotrophic fac tor (B DNF)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 discusses 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-l 2.KEY WOR D brain -derived neurotraphic fac torucerebral isc he miaugene therapyuapoptosisuBc -l 2脑源性神经营养因子(BDNF)是神经生长因子(NGF)家族的成员之一,1982年由Bard 等从猪脑中成功分离出来。

研究人员发现,BDNF 可促进神经细胞增殖或延长其存活时间[1],从而可预防脑缺血时的神经元死亡,改善预后。

1 BDNF 及其特异性受体TrkB1.1 BDNF 的结构、分布及功能神经营养因子(neurotrophin factor,NTF)是一类能够促进神经元正常生存、生长、分化并维持其生理功能的蛋白质。

这类因子的异常、缺乏或不足均可导致神经系统某些疾病的发生,或神经系统的退行性变以及神经系统损伤后神经组织修复和再生的失败。

BDNF 是神经营养因子的第二个成员,其同其他神经营养因子成员的单体,如NGF 等具有相同的骨架结构。

与NGF 不同的是,B DNF mRNA 分布广泛,并已在许多脑区中检测到,如大脑新皮质、海马、屏状核、梨状叶、小脑扁桃体、黑质纹状体和小脑皮质。

尤其是在海马内,BDNF mRNA 含量是NGF mR -NA 的2倍[1]。

1.2 BDNF 受体同其他神经营养因子一样,BDNF 拥有一个由2个亲和力不同的受体构成的受体系统。

一种是p75NTR(也称低亲和力受体),它同时也是所有神经营养因子的受体系统的成员,为肿瘤坏死因子受体(TNFR)家族成员之一,可诱导凋亡信号的传导;另一种是TrkB (也称高亲和力受体),是酪氨酸激酶(Trk)家族的成员之一,为BDNF 和NT -4共同的高亲和力受体,NT -3也可与之结合,但其亲和力稍低。

除上述完整的TrkB 外,胞膜上还存在有数种缺陷型TrkB 。

这些缺陷型受体通常是缺乏胞质激酶域的大部,并在羧基末端稍有变异。

在生理情况下,这些缺陷型受体具有一定的生理功能。

人们通常把它们看成是BDNF 与完整的TrkB 相互作用的调制子[2]。

最近的研究证实,TrkB 在不同的脑损伤中由齿状回颗粒细胞介导,而没有催化活性的TrkB 受体(截短型TrkB)在脑损伤后由星形细胞介导[3]。

神经营养因子的信号传导主要由Trk 和p75NTR 调节。

这2种传导路径的平衡决定了神经元的生存或凋亡。

BDNF 与TrkB 结合后,受体发生聚合,形成二聚体的同时完成自身磷酸化,而将细胞外信号转导入细胞内。

主要是通过磷酯酰肌醇-3激酶(PI -3K)/Akt 、Ras/MAPK 、PLC C 等通路来发挥其神经保护作用[4,5]。

体外研究表明,细胞类型和损伤性质的不同决定了BDNF传导通路的不同[6]。

2BDNF对缺血性脑损伤的保护2.1脑缺血时内源性BDNF和TrkB的表达及保护作用BDNF是神经生长因子家族中最有特色的神经营养因子之一,在体内外都是某些神经元有利的生存因子,对包括脑缺血在内的退行性疾病均有保护作用。

因为脑缺血可诱发神经元表达NGF和BD-NF,所以人们认为缺血后神经元有自我保护的倾向。

短暂性颈动脉闭塞后,海马C A1区锥体神经元缺血,几天后选择性死亡。

脑缺血海马损伤后果之一即为BDNF mRNA及其特异性受体TrkB表达上调[7]。

为了研究在轻度缺血缺氧后海马齿状回和CA1区对B DNF和TrkB诱导能力的差异,以及这一差异与神经元对损伤易感程度的关系,研究者用免疫组化方法进行时程分析发现,BDNF在海马CA1区锥体细胞、C A3区神经元和齿状回细胞中轻度表达,在齿状颗粒细胞的藓状纤维中高度表达[3]。

而且大鼠短暂性缺血后,BDNF mRNA和蛋白的区域表达与正常情况下相比也有差异。

在正常情况下,齿状回BDNF浓度最高(88ng/g),而CA3(50ng/g)、CA1(18ng/g)和顶叶皮质(8ng/g)水平非常低。

前脑缺血10min后,BDNF含量于缺血后6h在齿状回短暂性增高,缺血后1周在CA3区短暂性增高。

CA1区和顶叶皮质BDNF含量在缺血后24h下降了70%~75%。

与未给予重组B DNF的对照组相比,脑室内持续注入BDNF组海马齿状回和C A3区BD-NF含量在缺血后2h短暂性升高287%~293%;而CA1和新皮质B DNF mRNA量无变化。

区域性B DNF 蛋白水平可部分解释不同区域神经元抵抗缺血损伤能力不同这一现象,与BDNF神经保护作用的推测一致[8]。

局部脑缺血后,缺血半暗带发生BDNF mR-NA表达的再激活[9]。

其在缺血半暗带的表达增加可减轻该区域神经元损伤,缩小梗死体积。

最近研究人员发现,向脑室内注入TrkB-Fc融合蛋白后,可促进缺血成熟大鼠齿状回神经元坏死,从反面验证了B DNF的神经保护作用[10]。

2.2外源性重组BDNF对缺血性脑损伤的保护作用外源性重组BDNF对不同脑损伤均有保护作用。

在体外培养的细胞中,B DNF可改善谷氨酸引起的海马神经元死亡,也可保护齿状回颗粒细胞、海马、纹状体、隔膜和皮质神经元抵抗低血糖和低氧损害[11]。

Pringle等[1]对体外培养的海马组织进行低氧低血糖干预发现,干预前给予BDNF可使神经元损伤呈剂量依赖性减轻,而干预后给予B DNF则没有这种保护作用。

这说明BDNF构成了内源性神经保护机制的一部分。

用股动脉放血法所致的大鼠短暂性缺血模型中,BDNF也可抵抗海马区缺血细胞死亡[12]。

在大脑中动脉闭塞(MCAO)前,向脑室内持续注入BDNF的治疗组平均梗死体积和皮质梗死体积较对照组明显缩小,而皮质下梗死体积与对照组无显著差异。

这一实验表明,在缺血前和缺血后持续向脑室内注入BDNF均可使梗死体积缩小)))主要为皮质,并可改善神经功能评分[13]。

Ferrer 等[14]用同样的方法发现,经B DNF持续灌注的缺血大鼠缺血半暗带内发生核碎裂的细胞数明显减少。

BDNF还可特异性地上调缺血半暗带内皮质神经元全长TrkB受体的表达,从而阻止该处神经元死亡,使梗死体积缩小[15]。

采取双侧颈总动脉闭塞所致的短暂缺血模型进行的研究也得到同样的结果,即BDNF与TrkB受体结合可减少神经元死亡。

Ferrer 等[15]发现,小剂量BDNF可上调TrkB表达,而大剂量B DNF可导致TrkB下调。

这有助于我们更好地理解B DNF/TrkB在生理和病理情况下的相互介导[15]。

以上所述均为BDNF于缺血前向脑室内持续灌注而具有神经保护作用。

大鼠MC AO后脑室内注入BDNF的研究也证实,局灶性脑缺血后脑室内注入BDNF对神经元同样具有神经保护作用[1]。

Kiprianova等[7]在四血管闭塞造成脑缺血再灌流后,向脑室内持续注入BDNF,用TUNEL法检测神经元凋亡,发现BDNF可抑制由缺血再灌注引起的海马C A1区易感神经元死亡,同时伴随着神经元死亡的星形细胞活性和巨噬细胞浸润也受到BDNF抑制。

3BDNF保护缺血损伤神经元的机制BDNF不仅可在体外阻止齿状回颗粒细胞、海马、纹状体、隔区和皮质神经元的脱失来对抗低血糖和低氧损伤,在体内也可减少短暂性脑缺血引起的神经元死亡。

其作用可能同其调节Ca2+平衡,缓冲自由基,也可能同抑制胶质细胞活动有关[12]。

但BDNF保护缺血性损伤神经元的具体机制目前尚不清楚。

近来的研究表明,神经营养因子可能通过2种方式来调节神经元生存以对抗缺血缺氧引起的神经元损伤:(1)直接参与病理生理变化和神经元死亡;(2)激活神经元凋亡的抑制机制[16]。

3.1抑制兴奋性毒性谷氨酸引发的兴奋性毒性和其后的细胞内Ca2+超载被认为是缺血后细胞死亡的主要原因。

在体外,BDNF可通过谷氨酸介导的神经元毒性和其后的细胞内钙超载对抗保护神经元。

BDNF还可通过介导抗氧化剂防卫系统来抑制谷氨酸介导的过氧化物堆积和随后的钙稳态破坏[7]。

体内实验也得到类似的证据[17]。

NMDA受体拮抗剂MK-801可抑制光化学所致脑梗死BDNF的诱导[1]。

BDNF也可通过减少NO的细胞毒性来保护神经元免受谷氨酸毒性损害。

有研究表明,BDNF在脊髓撕裂伤中可抑制神经元一氧化氮合酶(nNOS)的表达[18]。

与之相反,也有研究表明,低氧和低血糖或NMDA暴露介导的BDNF对皮质神经元有潜在的致死作用。

3.2调节神经元内Ca2+平衡细胞内Ca2+对缺血后海马C A1区迟发性神经元死亡有重要作用。

神经元内Ca2+的作用主要是由一系列的钙结合蛋白和钙依赖酶调节。

脑缺血时,这些缓冲系统可对抗Ca2+浓度增高引起的不良后果。

钙/钙调蛋白依赖酶和cAMP依赖酶的活性在缺血后明显降低。