论文部分内容阅读
新生儿缺氧缺血性脑损伤（ Hypoxic-ischemic brain damage，HIBD）会严重危害到新生儿的生命并出现一些常见的中枢神经障碍综合征，此类疾病的至今依然是围产医学的难题之一。目前普遍认为缺氧缺血性脑损伤跟能量代谢障碍、细胞内钙离子浓度升高及细胞凋亡等方面关系密切，但机制还尚不明确。近年来，脑源性神经营养因子在缺氧缺血性脑损伤中发挥的作用引起了（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）广泛的关注，本文就此的研究进展作一综述。
1.BDNF的生物特性
BDNF是一类小分子多肽物，在1982年被发现，最初认为是一个小二聚类蛋白质[1]，和神经生长因子（NGF）、神经营养因子3 （ NT-3）是神经营养家族中最重要的三个[2]，可以在神经系统受损的情况下为神经细胞提供保护和促进恢复[3]。其中BDNF有两种类型： pro-BDNF 和成熟BDNF [4]。Pro-BDNF包含前结构域内247个氨基酸的N-糖基化和糖基化残基，而大部分的pro-BDNF在合成囊泡中经调节并经历N-末端裂解细胞外蛋白酶[5]，在反式高尔基网络（TGN）中，pro-region裂解产生成熟BDNF，少量pro-BDNF的蛋白质可以与成熟BDNF产生免疫抗体。
这两种类型BDNF的作用不同。成熟BDNF可以在新生儿发育中的大脑缺氧缺血性损伤起到关键保护作用[6]。通过在培养海马神经元过程中发现神经元活动的高或低频率都会增高BDNF的水平，而只有高频率活动才能诱导刺激组织纤溶酶原激活分泌，使pro-BDNF转化为成熟BDNF[7]。此外，pro-BDNF最高水平是在围产期中观察到的，然后随着年龄增高而下降，成年后依然可以检测到。这些都说明了新生儿大脑易患缺氧缺血性脑损伤是由于低频神经元活动的原因和在中枢神经系统缺乏适量的成熟BDNF导致。
2.BDNF的作用机制
缺氧缺血性脑病（HIE）损伤后的神经病理学改变最先是从急性损伤期间开始，并延伸到再灌注阶段。主要涉及以下几个方面：①细胞凋亡； ②自由基产生和活化的炎症介质[8]；③细胞外谷氨酸的兴奋性毒性和细胞内Ca2+超载；④能量代谢障碍。因此，随着能量代谢障碍和有害因素水平的增加，无论是细胞内或细胞外，都会破坏神经元的动态平衡，而BDNF对局部缺血性脑损伤具有多重保护的作用。
①抗凋亡。有证据表明，BDNF通过抗凋亡作用有益于神经元的存活。Zhang等实验发现，通过腺相关病毒载体（adeno-associated virus， AAV）用BDNF基因（AAV-BDNF）载体插入，使神经细胞产生BDNF的作用，结果显示促进了其自身的生长及保护神经元并从血清中抑制细胞凋亡[9]。此外，培养海马神经元淀粉样β受伤后感染AAV-BDNF研究BDNF的神经保护作用的结果表明，Ca2+的平衡维持所述AAV-BDNF治疗组中，BDNF可以通过增加Bcl-2的抗凋亡蛋白的表达，抑制细胞内钙超载并减少神经细胞凋亡[10]。也有实验发现，通过输液泵以2.1μg /天的BDNF持续输入，静脉闭塞后的平均脑梗死体积会显著减小[11]。此外，在出生后第7天的大鼠模型中，HIE损伤大脑发育是细胞凋亡的刺激导致Caspases-3的活化，而BDNF能够阻止在体内的发生这个过程[12]。BDNF通过阻断caspase-3激活和在新生儿大脑激活的神经元的ERK来抑制神经细胞的凋亡，同时可维持现有神经元的存活和刺激新神经元的突触分化，以达到防止缺氧缺血性脑损伤新生鼠的脑损伤。另外，BDNF还可以结合TrkB和p75NTR受体，通过TrkB特异性激动剂抗体抑制caspase-3活化和提高神经元存活。
②抗炎。在脑缺血缺氧发生后，炎症迅速出现，激活局部炎症细胞（主要是小胶质细胞），产生相关的介质和细胞间核因子的易位。在缺血缺氧后釋放出来的细胞因子和趋化因子会引起白细胞浸润或神经胶质活化和增殖。经典的小胶质促炎介质，包括诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、肿瘤坏死因子（TNF）和白细胞介素-1-β（IL-1β），只有在轻度神经损伤中表达上调，而BDNF会随着神经元局部缺血损伤的程度而上调[13]。
在炎症过程中，BDNF可促进神经胶质细胞增殖和吞噬活性，增加吞噬胶质细胞的数量和活化的胶质，反过来，可以促进BDNF的分泌[14]。当神经元条件培养液（NCM）加入到HIE受损神经元后，BDNF会释放调节小神经胶质细胞上调，表明BDNF可能有助于诱导小胶质细胞的抗炎活性[15]。TNF-α已经证实会加剧局部缺血[16]的脑损伤，而白介素（IL-10），抗炎细胞因子，在缺氧缺血性脑损伤具有神经保护作用。Jiang等人[14]再次发现了BDNF在HIE的大鼠鼻内给药，可以抑制TNF-α和其mRNA的表达，同时增加IL-10及其mRNA的表达。Peng等人处理的神经干细胞（NSCs）用BDNF的mRNA，发现丙咪嗪（IM）增加了神经保护作用，经由MAPK途径和Bcl-2级联的调节抑制神经干细胞的炎症过程，也体现了BDNF的抗炎作用。
③抗谷氨酸兴奋性毒性。消耗的葡萄糖和氧气供应会导致能量衰竭，并引发一系列的反应导致细胞功能障碍。随之而来的再灌注损伤往往会通过增加氧化应激损伤使大脑代谢恶化。BDNF抵抗谷氨酸毒性取决于其浓度[17]。谷氨酸是脑内主要的兴奋性神经递质，常结合其受体谷氨酸受体N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）。在病理状态下，会造成细胞内钙离子浓度上升[18]。在HIBD中，谷氨酸和ATP的浓度增加和兴奋性氨基酸（EAA）分泌，导致谷氨酸积累到兴奋性毒性水平。BDNF可能通过抑制谷氨酸诱导的皮质神经元NO供体，特别是多巴胺能神经元[19]。此外，BDNF mRNA积累在远端树突激活NMDA受体和TrkB受体，前者可能具有促凋亡的兴奋性活动。相比之下，通过TrkB的信号已经在很大程度上认为是保护神经元拮抗NMDA受体介导的兴奋毒性细胞死亡。 ④促进神经细胞再生和血管生成。神经的再生涉及到细胞的增殖，迁移和分化。BDNF会在缺氧缺血损伤区域聚集，促进周围神经和中枢神经再生。有研究发现，在大脑中动脉闭塞引起的短暂性脑缺血损伤模型的大鼠中，发现神经干细胞的BDNF蛋白表达上调，BDNF促进神经的生长和促进临时大脑中动脉闭塞的恢复[20]。Horch HW等发现在缺血后通过静脉注射BDNF治疗，可以改善脑栓塞后运动功能的恢复[21]。也有发现将带有多肽胶原连接结构域的脑源性神经生长因子（CBD-BDNF）插入脑缺血大鼠的侧脑室，可以促进神经再生和血管生成[22]。
3.BDNF与缺氧缺血性脑损伤的关系
BDNF广泛存在于哺乳动物大脑中[8]，尤其是下丘脑，包括室旁核，腹内侧和背内侧核，以及下丘脑外侧区。因此，BDNF mRNA和蛋白是几乎存在于所有的皮质区以及其它组织，包括神经细胞体，树突，纤维和杏仁核[23]。大部分BDNF是从非神经元细胞中分泌而来的，分别发现于室管膜，小胶质细胞和脑小动脉内皮细胞和星形胶质细胞内。小部分同时存在于血管内皮，神经肌肉突触，肌肉和肝脏组织[24]，这些对于缺血缺氧性脑损伤发生时的神经修复至关重要的。在脑缺氧缺血发生后，pro-BDNF会有选择地激活其高亲和力受体，该受体p75的主要诱导细胞凋亡信号通路[25]。成熟BDNF则与高特异性的酪氨酸激酶受体B（TrkB）和低亲和性神经营养因子受体p75结合，然后经由这两个跨膜受体之间的相互作用，单独或共同地发挥其作用，可导致神经元死亡或生存[26]。
4.结语和展望
关于BDNF的神经保护作用，在过去的十多年内对其机制与信号传导通路进行了大量的研究，包括体外研究以及动物模型，数据表明BDNF对缺血性脑损伤的保护起着非常重要的作用。但由于信号通路的复杂性，BDNF在这方面的作用机制还待进一步研究。
参考文献：
[1]Leβmann V， Brigadski T. Mechanisms， locations， and kinetics of synaptic BDNF secretion： an update[J]. Neuroscience research， 2009， 65（1）： 11-22.
[2]Cohen-Cory S， Fraser S E. Effects of brain-derived neurotrophic factor on optic axon branching and remodelling in vivo[J]. Nature， 1995， 378（6553）： 192-196.
[3]張润平. 神经营养因子的作用研究进展 [J][J]. 山东医药工业， 2002， 21（2）： 20-20.
[4]Yang J， Siao C J， Nagappan G， et al. Neuronal release of proBDNF[J]. Nature neuroscience， 2009， 12（2）： 113-115.
[5]Pang P T， Teng H K， Zaitsev E， et al. Cleavage of proBDNF by tPA/plasmin is essential for long-term hippocampal plasticity[J]. Science， 2004， 306（5695）： 487-491.
[6]Thomas K， Davies A. Neurotrophins： a ticket to ride for BDNF[J]. Current Biology， 2005， 15（7）： R262-R264.
[7]Boutilier J， Ceni C， Pagdala P C， et al. Proneurotrophins require endocytosis and intracellular proteolysis to induce TrkA activation[J]. Journal of Biological Chemistry， 2008， 283（19）： 12709-12716.
[8]Chalak L F， Rollins N， Morriss M C， et al. Perinatal acidosis and hypoxic-ischemic encephalopathy in preterm infants of 33 to 35 weeks’ gestation[J]. The Journal of pediatrics， 2012， 160（3）： 388-394.
[9]Zhang J， Yu Z， Yu Z， et al. rAAV-mediated delivery of brain-derived neurotrophic factor promotes neurite outgrowth and protects neurodegeneration in focal ischemic model[J]. International journal of clinical and experimental pathology， 2011， 4（5）： 496.
[10]Liu Z， Ma D， Feng G， et al. Recombinant AAV-mediated expression of human BDNF protects neurons against cell apoptosis in Aβ-induced neuronal damage model[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology， 2007， 27： 233-236.
1.BDNF的生物特性
BDNF是一类小分子多肽物，在1982年被发现，最初认为是一个小二聚类蛋白质[1]，和神经生长因子（NGF）、神经营养因子3 （ NT-3）是神经营养家族中最重要的三个[2]，可以在神经系统受损的情况下为神经细胞提供保护和促进恢复[3]。其中BDNF有两种类型： pro-BDNF 和成熟BDNF [4]。Pro-BDNF包含前结构域内247个氨基酸的N-糖基化和糖基化残基，而大部分的pro-BDNF在合成囊泡中经调节并经历N-末端裂解细胞外蛋白酶[5]，在反式高尔基网络（TGN）中，pro-region裂解产生成熟BDNF，少量pro-BDNF的蛋白质可以与成熟BDNF产生免疫抗体。
这两种类型BDNF的作用不同。成熟BDNF可以在新生儿发育中的大脑缺氧缺血性损伤起到关键保护作用[6]。通过在培养海马神经元过程中发现神经元活动的高或低频率都会增高BDNF的水平，而只有高频率活动才能诱导刺激组织纤溶酶原激活分泌，使pro-BDNF转化为成熟BDNF[7]。此外，pro-BDNF最高水平是在围产期中观察到的，然后随着年龄增高而下降，成年后依然可以检测到。这些都说明了新生儿大脑易患缺氧缺血性脑损伤是由于低频神经元活动的原因和在中枢神经系统缺乏适量的成熟BDNF导致。
2.BDNF的作用机制
缺氧缺血性脑病（HIE）损伤后的神经病理学改变最先是从急性损伤期间开始，并延伸到再灌注阶段。主要涉及以下几个方面：①细胞凋亡； ②自由基产生和活化的炎症介质[8]；③细胞外谷氨酸的兴奋性毒性和细胞内Ca2+超载；④能量代谢障碍。因此，随着能量代谢障碍和有害因素水平的增加，无论是细胞内或细胞外，都会破坏神经元的动态平衡，而BDNF对局部缺血性脑损伤具有多重保护的作用。
①抗凋亡。有证据表明，BDNF通过抗凋亡作用有益于神经元的存活。Zhang等实验发现，通过腺相关病毒载体（adeno-associated virus， AAV）用BDNF基因（AAV-BDNF）载体插入，使神经细胞产生BDNF的作用，结果显示促进了其自身的生长及保护神经元并从血清中抑制细胞凋亡[9]。此外，培养海马神经元淀粉样β受伤后感染AAV-BDNF研究BDNF的神经保护作用的结果表明，Ca2+的平衡维持所述AAV-BDNF治疗组中，BDNF可以通过增加Bcl-2的抗凋亡蛋白的表达，抑制细胞内钙超载并减少神经细胞凋亡[10]。也有实验发现，通过输液泵以2.1μg /天的BDNF持续输入，静脉闭塞后的平均脑梗死体积会显著减小[11]。此外，在出生后第7天的大鼠模型中，HIE损伤大脑发育是细胞凋亡的刺激导致Caspases-3的活化，而BDNF能够阻止在体内的发生这个过程[12]。BDNF通过阻断caspase-3激活和在新生儿大脑激活的神经元的ERK来抑制神经细胞的凋亡，同时可维持现有神经元的存活和刺激新神经元的突触分化，以达到防止缺氧缺血性脑损伤新生鼠的脑损伤。另外，BDNF还可以结合TrkB和p75NTR受体，通过TrkB特异性激动剂抗体抑制caspase-3活化和提高神经元存活。
②抗炎。在脑缺血缺氧发生后，炎症迅速出现，激活局部炎症细胞（主要是小胶质细胞），产生相关的介质和细胞间核因子的易位。在缺血缺氧后釋放出来的细胞因子和趋化因子会引起白细胞浸润或神经胶质活化和增殖。经典的小胶质促炎介质，包括诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、肿瘤坏死因子（TNF）和白细胞介素-1-β（IL-1β），只有在轻度神经损伤中表达上调，而BDNF会随着神经元局部缺血损伤的程度而上调[13]。
在炎症过程中，BDNF可促进神经胶质细胞增殖和吞噬活性，增加吞噬胶质细胞的数量和活化的胶质，反过来，可以促进BDNF的分泌[14]。当神经元条件培养液（NCM）加入到HIE受损神经元后，BDNF会释放调节小神经胶质细胞上调，表明BDNF可能有助于诱导小胶质细胞的抗炎活性[15]。TNF-α已经证实会加剧局部缺血[16]的脑损伤，而白介素（IL-10），抗炎细胞因子，在缺氧缺血性脑损伤具有神经保护作用。Jiang等人[14]再次发现了BDNF在HIE的大鼠鼻内给药，可以抑制TNF-α和其mRNA的表达，同时增加IL-10及其mRNA的表达。Peng等人处理的神经干细胞（NSCs）用BDNF的mRNA，发现丙咪嗪（IM）增加了神经保护作用，经由MAPK途径和Bcl-2级联的调节抑制神经干细胞的炎症过程，也体现了BDNF的抗炎作用。
③抗谷氨酸兴奋性毒性。消耗的葡萄糖和氧气供应会导致能量衰竭，并引发一系列的反应导致细胞功能障碍。随之而来的再灌注损伤往往会通过增加氧化应激损伤使大脑代谢恶化。BDNF抵抗谷氨酸毒性取决于其浓度[17]。谷氨酸是脑内主要的兴奋性神经递质，常结合其受体谷氨酸受体N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）。在病理状态下，会造成细胞内钙离子浓度上升[18]。在HIBD中，谷氨酸和ATP的浓度增加和兴奋性氨基酸（EAA）分泌，导致谷氨酸积累到兴奋性毒性水平。BDNF可能通过抑制谷氨酸诱导的皮质神经元NO供体，特别是多巴胺能神经元[19]。此外，BDNF mRNA积累在远端树突激活NMDA受体和TrkB受体，前者可能具有促凋亡的兴奋性活动。相比之下，通过TrkB的信号已经在很大程度上认为是保护神经元拮抗NMDA受体介导的兴奋毒性细胞死亡。 ④促进神经细胞再生和血管生成。神经的再生涉及到细胞的增殖，迁移和分化。BDNF会在缺氧缺血损伤区域聚集，促进周围神经和中枢神经再生。有研究发现，在大脑中动脉闭塞引起的短暂性脑缺血损伤模型的大鼠中，发现神经干细胞的BDNF蛋白表达上调，BDNF促进神经的生长和促进临时大脑中动脉闭塞的恢复[20]。Horch HW等发现在缺血后通过静脉注射BDNF治疗，可以改善脑栓塞后运动功能的恢复[21]。也有发现将带有多肽胶原连接结构域的脑源性神经生长因子（CBD-BDNF）插入脑缺血大鼠的侧脑室，可以促进神经再生和血管生成[22]。
3.BDNF与缺氧缺血性脑损伤的关系
BDNF广泛存在于哺乳动物大脑中[8]，尤其是下丘脑，包括室旁核，腹内侧和背内侧核，以及下丘脑外侧区。因此，BDNF mRNA和蛋白是几乎存在于所有的皮质区以及其它组织，包括神经细胞体，树突，纤维和杏仁核[23]。大部分BDNF是从非神经元细胞中分泌而来的，分别发现于室管膜，小胶质细胞和脑小动脉内皮细胞和星形胶质细胞内。小部分同时存在于血管内皮，神经肌肉突触，肌肉和肝脏组织[24]，这些对于缺血缺氧性脑损伤发生时的神经修复至关重要的。在脑缺氧缺血发生后，pro-BDNF会有选择地激活其高亲和力受体，该受体p75的主要诱导细胞凋亡信号通路[25]。成熟BDNF则与高特异性的酪氨酸激酶受体B（TrkB）和低亲和性神经营养因子受体p75结合，然后经由这两个跨膜受体之间的相互作用，单独或共同地发挥其作用，可导致神经元死亡或生存[26]。
4.结语和展望
关于BDNF的神经保护作用，在过去的十多年内对其机制与信号传导通路进行了大量的研究，包括体外研究以及动物模型，数据表明BDNF对缺血性脑损伤的保护起着非常重要的作用。但由于信号通路的复杂性，BDNF在这方面的作用机制还待进一步研究。
参考文献：
[1]Leβmann V， Brigadski T. Mechanisms， locations， and kinetics of synaptic BDNF secretion： an update[J]. Neuroscience research， 2009， 65（1）： 11-22.
[2]Cohen-Cory S， Fraser S E. Effects of brain-derived neurotrophic factor on optic axon branching and remodelling in vivo[J]. Nature， 1995， 378（6553）： 192-196.
[3]張润平. 神经营养因子的作用研究进展 [J][J]. 山东医药工业， 2002， 21（2）： 20-20.
[4]Yang J， Siao C J， Nagappan G， et al. Neuronal release of proBDNF[J]. Nature neuroscience， 2009， 12（2）： 113-115.
[5]Pang P T， Teng H K， Zaitsev E， et al. Cleavage of proBDNF by tPA/plasmin is essential for long-term hippocampal plasticity[J]. Science， 2004， 306（5695）： 487-491.
[6]Thomas K， Davies A. Neurotrophins： a ticket to ride for BDNF[J]. Current Biology， 2005， 15（7）： R262-R264.
[7]Boutilier J， Ceni C， Pagdala P C， et al. Proneurotrophins require endocytosis and intracellular proteolysis to induce TrkA activation[J]. Journal of Biological Chemistry， 2008， 283（19）： 12709-12716.
[8]Chalak L F， Rollins N， Morriss M C， et al. Perinatal acidosis and hypoxic-ischemic encephalopathy in preterm infants of 33 to 35 weeks’ gestation[J]. The Journal of pediatrics， 2012， 160（3）： 388-394.
[9]Zhang J， Yu Z， Yu Z， et al. rAAV-mediated delivery of brain-derived neurotrophic factor promotes neurite outgrowth and protects neurodegeneration in focal ischemic model[J]. International journal of clinical and experimental pathology， 2011， 4（5）： 496.
[10]Liu Z， Ma D， Feng G， et al. Recombinant AAV-mediated expression of human BDNF protects neurons against cell apoptosis in Aβ-induced neuronal damage model[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology， 2007， 27： 233-236.