腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）與運(yùn)動性脊髓損傷

喬虎軍 沈勇偉

（蘇州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

運(yùn)動性脊髓損傷是指在體育運(yùn)動中由于保護(hù)不當(dāng)造成的脊髓損傷。脊髓損傷后，損傷部位神經(jīng)軸突被撕裂，神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致脊髓的傳導(dǎo)功能喪失而使人體癱瘓。以往觀念認(rèn)為，脊髓損傷后神經(jīng)元及軸突不能再生,但現(xiàn)代觀點(diǎn)認(rèn)為脊髓損傷后神經(jīng)元、軸突仍有再生的潛力，只是需要神經(jīng)營養(yǎng)因子的營養(yǎng)支持[1]，并能形成新的突觸聯(lián)系，而且有研究證明改變體內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞軸突生長的微環(huán)境能促進(jìn)其再生[2]。大量研究證明，BDNF對神經(jīng)元的生長、分化及損傷后修復(fù)有促進(jìn)作用[3]。而且BDNF還能夠保護(hù)脊髓運(yùn)動神經(jīng)元，促進(jìn)紅核脊髓束和皮質(zhì)脊髓束軸突再生或出芽[4]。因此，從分子生物學(xué)角度深入研究BDNF對脊髓損傷后神經(jīng)修復(fù)的作用及其機(jī)制，將為運(yùn)動性脊髓損傷后的治療提供一定的理論依據(jù)。本文就根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究對BDNF及其受體分子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動性脊髓損傷的病理特征及其之間的相互關(guān)系做如下綜述。

1 BDNF的生物學(xué)特性

1.1 BDNF的生化特征

BDNF是于1982年由德國神經(jīng)化學(xué)家Barde等人首次從豬腦中分離純化出具有促進(jìn)神經(jīng)生長活性的一種蛋白質(zhì)，分析表明BDNF的氨基酸序列有相當(dāng)一部分與神經(jīng)生長因子（nerve growth factor,NGF）相同，因此統(tǒng)稱為神經(jīng)營養(yǎng)因子（neurotrophic factor，NTF）。BDNF分子單體是由119個(gè)氨基酸殘基組成的分泌型成熟多肽，蛋白等電點(diǎn)為9199，分子量為13.15kD，主要由a折疊和無規(guī)N-級結(jié)構(gòu)組成，含有3個(gè)二硫鍵，為一種堿性蛋白質(zhì)。成熟BDNF的氨基酸序列高度保守，組成成熟蛋白質(zhì)的119個(gè)氨基酸在人類、豬、大鼠、小鼠和猴是完全相同的，雞的BDNF僅有7個(gè)氨基酸與哺乳動物不同。1989年，德國科學(xué)家Leibrock用RT-PCR法從豬腦mRNA中成功克隆了BDNFcDNA，并證實(shí)BDNF基因編碼區(qū)不存在內(nèi)含子。1991年，Ozcelik等人證實(shí)人BDNF基因位于11號染色體的近端短臂上（11q13），由11個(gè)外顯子組成，是單拷貝基因[5]。

1.2 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）受體結(jié)構(gòu)及其信號通路

BDNF的受體分為兩類：一類是高親和力的受體（Kd為10-11mol/L），主要是絡(luò)氨酸受體的TrK家族，包括TrKA、TrKB和TrKC等3種。其中TrKB為BDNF特異的功能傳遞受體。另一類是低親和力受體，為P75NTFs受體，所有的NT都可以以相似的親和力與之結(jié)合，Kd為10-9mol/L。

TrKA、TrKB和TrKC三者的氨基酸序列大部分相同（66%～68%），它們的結(jié)構(gòu)和P75一樣都包括細(xì)胞外區(qū)、跨膜區(qū)、細(xì)胞內(nèi)區(qū)三部分。細(xì)胞外區(qū)都含有免疫球蛋白樣的三個(gè)重復(fù)體，細(xì)胞內(nèi)區(qū)則由高度相似的絡(luò)氨酸激酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，當(dāng)配體與受體結(jié)合后誘導(dǎo)受體二聚化，就可以激活絡(luò)氨酸激酶。易與BDNF特異性結(jié)合的TrKB是由821個(gè)氨基酸殘基組成的高度糖基化蛋白質(zhì)分子，受體的胞外區(qū)包括一個(gè)由32個(gè)氨基酸殘基組成的信號肽，緊接著3個(gè)串聯(lián)的富含亮氨酸的基元（LRM），LRM兩端有兩個(gè)半胱氨酸，它包含了TrK受體12個(gè)保守的半胱氨酸中的8個(gè)，這些基元與蛋白質(zhì)之間牢固而專一的相互作用有關(guān)。胞外近膜區(qū)由Ig-1和Ig-2兩個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。在細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)緊接著是絡(luò)氨酸激酶區(qū)，細(xì)胞內(nèi)C-端是15個(gè)氨基酸組成的短尾。

BDNF/TrKB信號途徑：BDNF與TrKB胞外區(qū)結(jié)合激活胞內(nèi)區(qū)絡(luò)氨酸激酶的活性[6]，絡(luò)氨酸激酶被激活后，引起TrKB自身磷酸化，進(jìn)而激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑、鈣調(diào)蛋白激酶（CaMK）途徑、磷酸肌醇3-激酶（PI3K）途徑等信號通路，最后使CREB激活[7-8]。激活后的CREB可以增加BDNF和抗凋亡蛋白基因BCL-2的表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)元的存活、增強(qiáng)突觸的可塑性。然而，由于對于中樞神經(jīng)元的研究缺乏相應(yīng)的培養(yǎng)細(xì)胞模型，BDNF-TrKB信號囊泡運(yùn)輸對下游信號通路進(jìn)行時(shí)空特異性調(diào)節(jié)的分子細(xì)胞機(jī)制尚未闡明。

2 運(yùn)動性脊髓損傷分析

在對抗性較強(qiáng)的體育活動中，可能引起各種損傷，其中可能引起一種較為嚴(yán)重的損傷—脊髓損傷，嚴(yán)重者將會導(dǎo)致受傷者終身癱瘓。在體育活動或競技項(xiàng)目如體操、雜技等技巧性項(xiàng)目運(yùn)動中，容易造成訓(xùn)練或比賽時(shí)意外的發(fā)生，因而出現(xiàn)脊髓損傷的概率比較高。根據(jù)甄巧霞等[9]在38例運(yùn)動相關(guān)脊髓損傷案例中的研究顯示，跳水是運(yùn)動損傷最多的項(xiàng)目，其他運(yùn)動項(xiàng)目還包括跳馬、體操訓(xùn)練、排球、冰球運(yùn)動和滑雪等。而且損傷者的平均年齡在23.4歲左右（多為男性），提示這與青壯年參加的體育項(xiàng)目有關(guān)。一般來說脊髓損傷患者將會留有不同程度的功能障礙。這不僅給患者帶來極大的痛苦，也會給患者家屬乃至社會造成沉重的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)實(shí)生活中并不缺少這樣的例子。例如，我國著名的體操運(yùn)動員王燕和桑蘭，就是在運(yùn)動過程中發(fā)生意外不慎頭頸著地，頸椎骨折脫位導(dǎo)致脊髓損傷進(jìn)而引起身體癱瘓。而這樣的例子在國際上也是屢見不鮮。喀麥隆體操選手阿里姆?哈桑在2003喀麥隆體操錦標(biāo)賽中不幸頭部著地，傷勢嚴(yán)重而身亡。2005年歐洲體操錦標(biāo)賽女子個(gè)人全能也發(fā)生悲劇，英國名將特維德爾熱身中出現(xiàn)意外，頸部收到重創(chuàng)。這些都足以引起我們對體育活動過程中可能造成脊髓損傷的高度重視。脊髓損傷包括原發(fā)性和繼發(fā)性兩種損傷機(jī)制。原發(fā)性損傷發(fā)生于受傷當(dāng)時(shí)，其產(chǎn)生的神經(jīng)損傷是被動的，不可逆的，直接造成損傷部位細(xì)胞死亡。而繼發(fā)性損傷是一個(gè)動態(tài)的病理過程，實(shí)質(zhì)上是機(jī)體在細(xì)胞水平和分子水平的一種主動調(diào)節(jié)過程，其發(fā)展可持續(xù)數(shù)小時(shí)至數(shù)日，可受多種因素影響。繼發(fā)性損傷的機(jī)制較多，主要包括腦血管機(jī)制、自由基氧化學(xué)說、氨基酸學(xué)說、鈣介導(dǎo)機(jī)制、電介質(zhì)失衡、細(xì)胞凋亡等[10]機(jī)制，這些機(jī)制決定了繼發(fā)性脊髓損傷的發(fā)生發(fā)展影響和制約著機(jī)體的結(jié)構(gòu)重建與功能恢復(fù)。

3 BDNF與運(yùn)動性脊髓損傷

3.1 脊髓損傷后BDNF的表達(dá)變化

在正常人的脊髓組織中，BDNFmRNA的表達(dá)水平在胚胎時(shí)期最高，到成年時(shí)幾乎檢測不到，只有在脊髓受到損傷后才會呈現(xiàn)明顯的表達(dá)[11]。BDNF作為脊髓運(yùn)動神經(jīng)元一個(gè)強(qiáng)有力的生存因子[12-13]，參與SCI后的復(fù)雜病理過程，其含量變化會在SCI后出現(xiàn)一定的規(guī)律性。當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后，神經(jīng)細(xì)胞[14-15]和損傷部位[16-17]的BDNF及其受體表達(dá)含量會增加。劉楊等[18]制作大鼠脊髓損傷模型后，采用RT—PCR和免疫組化SABCA法對大鼠脊髓組織中的BDNF和BDNFmRNA進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后1～3h，BDNF免疫陽性細(xì)胞無明顯變化。傷后6h開始增多，5d時(shí)達(dá)到高峰隨后呈下降趨勢，7d時(shí)仍高于正常組，其陽性細(xì)胞數(shù)的變化呈現(xiàn)出一定的時(shí)間相關(guān)性。黃純海[19]等通過全橫斷大鼠脊髓研究發(fā)現(xiàn)，BDNF在正常脊髓有少量表達(dá)，脊髓損傷后7d表達(dá)明顯升高，直到傷后21d有所下降。而Kasahara[20]等研究發(fā)現(xiàn)，BDNFmRNA在脊髓損傷后6w表達(dá)顯著升高，到12w時(shí)才顯著降低。雷曉婷等[21]研究發(fā)現(xiàn)，自然狀態(tài)下BDNF的表達(dá)在損傷后7～14d表現(xiàn)出較高水平，14～28d逐漸下降，35d又逐漸升高。而與對照組相比較，運(yùn)動訓(xùn)練組大鼠脊髓內(nèi)BDNF的表達(dá)明顯增加并且停止訓(xùn)練后仍能保持較高水平。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明BDNF的表達(dá)受多種內(nèi)部和外部因素的影響，與損傷時(shí)間和損傷程度以及康復(fù)訓(xùn)練具有一定的相關(guān)性。

3.2 BDNF的生物學(xué)作用及其機(jī)制

關(guān)于BDNF在脊髓損傷后神經(jīng)重建修復(fù)中的作用國內(nèi)外學(xué)者作了很多研究。研究發(fā)現(xiàn)BDNF能提高受損脊髓運(yùn)動和感覺神經(jīng)元的存活[22-23]，并能促進(jìn)神經(jīng)元的修復(fù)和再生。另外，BDNF還可以刺激成年神經(jīng)元的軸突和樹突出芽[24-25]，增強(qiáng)突觸間遞質(zhì)的釋放，加強(qiáng)突觸間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。BDNF作用于受損脊髓的具體機(jī)制尚不清楚，目前認(rèn)為可能與以下幾個(gè)分子和細(xì)胞機(jī)制有關(guān)。

（1）抗氧化作用脊髓損傷后缺血、缺氧引起患者機(jī)體代謝紊亂，ATP降解，氧在體內(nèi)還原不完全，產(chǎn)生自由基。自由基進(jìn)一步過氧化對細(xì)胞膜到細(xì)胞體進(jìn)行氧化損傷。人體代謝過程中產(chǎn)生的氧自由基可以被體內(nèi)相應(yīng)的自由基清除酶例如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（CSH-Px）、過氧化氫酶（GAT）等及時(shí)清除，自由基產(chǎn)生與清除之間處于動態(tài)平衡。大量研究證明BDNF能使體外培養(yǎng)的神經(jīng)元內(nèi)SOD和GSH-Px含量明顯增加，這些酶類物質(zhì)可以降低體內(nèi)氧自由基的活性，并加速自由基的清除，從而減輕自由基對神經(jīng)元的損傷[26]。

（2）抗細(xì)胞內(nèi)高鈣脊髓損傷過程中，細(xì)胞內(nèi)鈣離子出現(xiàn)異常增高，鈣離子的增高會導(dǎo)致腦細(xì)胞能量代謝障礙，質(zhì)膜的離子泵和通透性發(fā)生異常變化，細(xì)胞毒性水腫。另外，脊髓損傷后還會出現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞鈣質(zhì)通道開放，胞漿內(nèi)鈣濃度增高，嚴(yán)重影響了細(xì)胞內(nèi)的鈣蛋白酶活性，而且使自由基的形成增加，阻止細(xì)胞內(nèi)鈣的增加以及減少自由基的生成，都能保護(hù)神經(jīng)元抵御損傷。有研究發(fā)現(xiàn)，BDNF可使體外培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元內(nèi)的鈣結(jié)合蛋白及其mRNA的含量增加。這種鈣結(jié)合蛋白能排除細(xì)胞內(nèi)超量鈣離子，維持細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，從而減少鈣超載引起的損傷[27]。

（3抑制細(xì)胞毒性有研究表明，脊髓損傷后細(xì)胞外的谷氨酸和天冬氨酸明顯升高，引起兩種氨基酸的興奮毒性作用，導(dǎo)致通過鈣離子電壓依賴鈣離子通道向胞內(nèi)內(nèi)流，激活自身破壞性鈣離子依賴酶，誘發(fā)細(xì)胞死亡。Marini等[28]研究發(fā)現(xiàn)，BDNF可以上調(diào)生存蛋白的表達(dá)，保護(hù)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞免受谷氨酸毒性損傷。到目前為止，BDNF是通過怎樣的途徑和機(jī)制實(shí)現(xiàn)其對損傷脊髓的保護(hù)作用的，眾多研究者看法不一，除上述作用機(jī)制外，BDNF還通過保護(hù)神經(jīng)元，促進(jìn)神經(jīng)元再生，抗細(xì)胞凋亡等作用機(jī)制實(shí)現(xiàn)對損傷脊髓的保護(hù)。

4 討論

BDNF是神經(jīng)系統(tǒng)中最重要的神經(jīng)營養(yǎng)因子之一，大量研究表明其含量變化隨脊髓損傷時(shí)間的延長呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，這表明其參與SCI后的復(fù)雜病理過程。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對脊髓損傷病理研究的不斷深入，將BDNF轉(zhuǎn)基因療法運(yùn)用到運(yùn)動性脊髓損傷的修復(fù)成為必然。但是仍存在很多問題，如BDNF來源和給藥途徑問題，天然BDNF含量少，而且BDNF作為一種蛋白質(zhì)，難以通過血腦（脊髓）屏障，還存在快速降解等問題，這些問題都有待做進(jìn)一步研究。不過，相信隨著人們對BDNF轉(zhuǎn)基因療法與脊髓損傷修復(fù)關(guān)系的不斷深入研究和基因工程技術(shù)的發(fā)展，脊髓損傷修復(fù)的治療將會取得更大發(fā)展。

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