神經(jīng)生長因子在中樞神經(jīng)功能修復(fù)中的研究進展

黃俊紅 譚翱勇 譚占國

1）漯河醫(yī)專一附院（漯河市中心醫(yī)院）神經(jīng)外科 漯河 462000 2）邁阿密大學(xué)·牛津分校

由于神經(jīng)系統(tǒng)本身的特殊性和復(fù)雜性，神經(jīng)功能修復(fù)需要適宜的神經(jīng)介質(zhì)和微環(huán)境。神經(jīng)生長因子（nerve growth factor，NGF）是一種具有神經(jīng)細(xì)胞營養(yǎng)和促進神經(jīng)突起生長雙重生物學(xué)功能的因子，對神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、分化、成熟及存活有重要作用［1］。

1 神經(jīng)生長因子及其家族

NGF是1951年Levi-Montalcini等［2］在研究雞胚的神經(jīng)發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)的NGF，也是第一個被發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)營養(yǎng)因子。其他神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）、神經(jīng)營養(yǎng)素-3（neurotrophin-3，NT-3）、神經(jīng)營養(yǎng)素-4／5（neurotrophin-4／5，NT-4／5）、神經(jīng)營養(yǎng)素-6（neurotrophin-6，NT-6）、神經(jīng)營養(yǎng)素-7（neurotrophin-7，NT-7）、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF）和膠質(zhì)細(xì)胞源 性神 經(jīng)營養(yǎng)因子（glia cell linederived neurotrophic factor，GDTF），統(tǒng)稱為神經(jīng)營養(yǎng)因子（neurotrophic factors，NTFs）。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)、受體類型等可將NTFs分為神經(jīng)營養(yǎng)素家族（neurotrophin，NTs）和其他NTFs兩大類。NTs又稱為NGF家族，包括NGF、BDNF、NT-3、NT-4／5、NT-6、NT-7，均起源于同一基因家族，活體形式均為二聚體，單體分子量為14kD左右，氨基酸序列同源性＞50%。其他NTFs主要包括CNTF和GDTF，CNTF屬于成血細(xì)胞因子（hematopoietic cytokines）超家族；GDTF是轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族成員之一。NGF為一個堿性的118個氨基酸的蛋白質(zhì)，由1個β亞單位和2個α亞單位以及2個γ亞單位以非共價鍵結(jié)合形成，其中β亞單位是唯一具有活性的亞基，因此β-NGF成為最為人熟悉的神經(jīng)生長因子。它對周圍神經(jīng)系統(tǒng)的感覺神經(jīng)元和交感神經(jīng)元起作用。β-NGF在腦中也存在，對基底前腦的膽堿能神經(jīng)元的發(fā)育和存活起重要作用［3］。

2 NGF的分布

NGF在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周組織中均表達，二者表達水平差別不大，來源主要為唾液腺、前列腺、胎盤組織以及神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)膽堿能神經(jīng)細(xì)胞支配區(qū)。NGF主要在中樞膽堿能Meynert基底核的投射區(qū)（主要在海馬和皮質(zhì)）產(chǎn)生的［4］。生理狀態(tài)下NGF在腦內(nèi)的含量有低到高依次為紋狀體、小腦、基底前腦、嗅球、大腦皮質(zhì)和海馬［5］。NGF在各腦區(qū)的分布不均衡性表明NGF在腦內(nèi)的分布是和該腦區(qū)是否含有豐富的膽堿能神經(jīng)元有關(guān)。

3 NGF受體類型

NGF生物學(xué)活性受兩種受體的調(diào)節(jié)，即Trk酪氨酸激酶和p75神經(jīng)營養(yǎng)因子受體（p75neurotrophin receptor，p75NTR）相結(jié)合來調(diào)控神經(jīng)元的存活、分化和凋亡。Trk受體介導(dǎo)正向信號如促進生長和活存，p75NTR則介導(dǎo)正向和反向信號。兩種受體發(fā)出的信號相互間或一致或?qū)αⅰ?/p>

Trk受體及其作用Trk即原肌球蛋白受體激酶（tropomyosin receptor kinase，Trk），是原癌基因trk的產(chǎn)物，由原肌球蛋白和酪氨酸激酶融合產(chǎn)生，分子量為120～160kD的單跨膜糖蛋白，是受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）家族中的成員，由胞外一個大的糖基化的配體結(jié)合區(qū)、跨膜區(qū)、胞內(nèi)區(qū)（可分為近膜區(qū)、酪氨酸激酶區(qū)、羧基尾區(qū)）組成。Trk受體分為TrkA、TrkB、TrkC，相對分子量分別為140kD、145kD、145kD。TrkA是NGF的功能受體，含790個氨基酸殘基，因其相對分子量為140kD，故又稱為p140。TrkA受體的自身磷酸化進行信號傳導(dǎo)，產(chǎn)生效應(yīng)而改變基因的表達。NGF和TrkA受體結(jié)合后緩慢釋放，其解離常數(shù)為10～11mol／L，故又稱為高親和力受體。TrkA主要表達于胚胎和成年動物神經(jīng)嵴來源的感覺神經(jīng)元和交感神經(jīng)元，也在CNS中的運動神經(jīng)元及基底前腦表達。由TrkA激活的主要信號感受器是小G蛋白Ras和Rap1，進一步導(dǎo)致基質(zhì)金屬蛋白酶、磷脂酰肌醇3激酶、磷脂酶和磷脂酶C-r9的激活，通過這些通路調(diào)節(jié)感覺神經(jīng)元的敏感性［6-8］。

p75NTR能和所有的NTs以相似的親和力結(jié)合，為一個相對分子量為75kD（故稱為p75）的低親和力受體，是富含半胱氨酸的糖蛋白。在遠(yuǎn)距離投射神經(jīng)元，如視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、基底前腦大膽堿能神經(jīng)元、小蒲肯野細(xì)胞、背根節(jié)細(xì)胞等p75NTR和Trk共存。p75NTR是腫瘤壞死因子受體（tumor neurosis factor receptor，TNF-R）超家族成員之一，包括細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)跨膜結(jié)構(gòu)域。p75NTR或通過與Trk受體間相互，或通過神經(jīng)營養(yǎng)因子的獨立作用，誘導(dǎo)神經(jīng)突側(cè)支形成和細(xì)胞存活或凋亡，多數(shù)機制尚有待闡明［9］。

4 NGF的神經(jīng)功能修復(fù)機制

神經(jīng)元的損傷修復(fù)期，在離體、培養(yǎng)動物實驗和臨床觀察中，NGF能促進神經(jīng)纖維的定向生長，誘導(dǎo)軸突、樹突的發(fā)育，促進神經(jīng)元的有絲分裂、分化、修復(fù)，促進雪旺細(xì)胞及膠質(zhì)細(xì)胞生長，是髓鞘修復(fù)，且能保護受損神經(jīng)元免遭繼續(xù)損害，減少神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，支持神經(jīng)元的存活，具體神經(jīng)修復(fù)機制如下。

4.1 提高自由基清除的活力 神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)含有許多清除自由基的酶，如過氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽、谷胱甘肽過氧化物酶等。活化的白細(xì)胞能夠釋放多種有毒細(xì)胞因子，如白介素-6、干擾素-γ和氧自由基等，當(dāng)顱腦損傷時上述細(xì)胞因子會加重腦損傷。NGF能增加多種自由基清除劑的活性而減輕腦損傷［10］。周政等［11］用NGF轉(zhuǎn)基因鼠進行研究，發(fā)現(xiàn)短暫大腦中動脈閉塞后，皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元壞死和凋亡均明顯減少，而銅鋅超氧化物歧化酶、錳超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶等顯著增高。

4.2 維持細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋濃度的穩(wěn)態(tài) NGF穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋濃度的機制在于誘導(dǎo)結(jié)合蛋白的表達、影響鈣通道于鈣排出系統(tǒng)的表達與活化，從而促進的Ca＋＋排出和（或）緩沖細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋濃度的上升，以及減少Ca＋＋的內(nèi)流，從而使胞內(nèi)Ca＋＋處于穩(wěn)態(tài)。細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋超載可通過多種機制激活蛋白激酶，破壞細(xì)胞骨架、膜損害以及細(xì)胞水解而最終導(dǎo)致神經(jīng)元的凋亡和壞死，有研究表明［12］，可能是NGF增強細(xì)胞內(nèi)排出Ca＋＋的能力以及Ca＋＋緩沖能力的結(jié)果，提示神經(jīng)營養(yǎng)因子能夠影響那些Ca＋＋內(nèi)流的蛋白質(zhì)的表達和功能，包括谷氨酸受體、興奮性或抑制性神經(jīng)遞質(zhì)受體、電壓依賴Ca＋＋通道、Na＋和K＋通道等。傷后12h組［Ca＋＋］i達到峰 值（1127.56±215.45）nmol／L，是 對 照 組（126.77±33.29）nmol／L的10倍，說明細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋嚴(yán)重超載，NGF能夠明顯降低顱腦損傷后神經(jīng)細(xì)胞嚴(yán)重的Ca＋＋超載，減輕Ca＋＋超載所致的神經(jīng)細(xì)胞損傷［11］。

4.3 抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡的發(fā)生 顱腦損傷后神經(jīng)細(xì)胞經(jīng)歷了一個典型的凋亡過程，提示凋亡是神經(jīng)細(xì)胞死亡的一種機制。神經(jīng)生長因子對神經(jīng)細(xì)胞的保護作用可能部分是通過抑制神經(jīng)元發(fā)生凋亡的過程實現(xiàn)的，尤其在損傷后引起的遲發(fā)性神經(jīng)細(xì)胞死亡中發(fā)揮重要作用，離體試驗證明在培養(yǎng)液中去除NGF能夠誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞的凋亡［13］。金國華等［14］研究表明，給創(chuàng)傷性腦損傷的大鼠腦室灌注NGF后，減少了和學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的腦隔區(qū)及海馬神經(jīng)元的凋亡。Hagihara等［15］研究表明，癲癇發(fā)作可誘導(dǎo)癲癇動物腦內(nèi)NGF的表達增加，NGF作為一種內(nèi)源性保護因子，可起到保護神經(jīng)元，防止神經(jīng)元凋亡的作用。

4.4 拮抗興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性 腦內(nèi)的酸性氨基酸如谷氨酸和門冬氨酸對神經(jīng)元有極強的興奮作用，故稱為興奮性氨基酸。興奮性氨基酸的N-甲級-D-門冬氨酸（n-methyl-D-aspartate，NMDA）受體是配體門控的離子通道型受體，NMDA受體的過度興奮激活，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋超載，從而對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用。Zassler等［16］研究發(fā)現(xiàn)，如將能夠分泌NGF的單核細(xì)胞移植于鼠模型的腦內(nèi)，NMDA導(dǎo)致的膽堿能神經(jīng)元凋亡可以被中和。

4.5 促進炎癥反應(yīng)的趨化作用和再生神經(jīng)的血管形成 腦損傷后，損傷部位常引起血管的破壞、出血及局部缺血，因此在損傷部位血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖，重新形成新的血管，對于神經(jīng)功能的重塑、殘留神經(jīng)元的存活及功能恢復(fù)十分重要。NGF具有促進新血管形成作用，其機制在于NGF能夠促進神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca＋＋向細(xì)胞外釋放，Ca＋＋外流導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞緊張性增強，細(xì)胞興奮性降低，使血管擴張增強，從而加大血流量；NGF能促進神經(jīng)病損后的肌梭的細(xì)胞分化，可促進皮膚和肺的成纖維細(xì)胞的修復(fù)［17］。Emanueli等［18］在大鼠單側(cè)肢體缺血的研究中證實NGF是通過VEGF-AKt-NO依賴機制促進血管生成的，證實了NGF促進血管形成的機制是通過促進血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移來實現(xiàn)的。Jadhao等［19］同樣證實了NGF對血管再生有促進作用。

5 小結(jié)

盡管NGF從發(fā)現(xiàn)、命名、應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有60余年的歷史，其分子結(jié)構(gòu)、受體的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、生物學(xué)特性均已被闡明，但神經(jīng)修復(fù)是一個艱難而漫長的過程，NGF已經(jīng)被應(yīng)用到神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ　⑴两鹕?、肌萎縮脊髓側(cè)索硬化等）、癲癇、腦卒中、顱腦損傷等治療，已經(jīng)獲得一定的臨床效果。將對神經(jīng)再生有利的基因定位植入腦內(nèi)特定的部位，使其長時間的持續(xù)合成并釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子，并在損傷部位達到一定可控的水平，保護受損神經(jīng)元及促進其再生，使神經(jīng)功能修復(fù)而達到治療的目的。隨著NGF與神經(jīng)系統(tǒng)疾病病因的關(guān)系闡明，隨著基因治療和腦移植技術(shù)等技術(shù)的進步，應(yīng)用神經(jīng)營養(yǎng)素基因家族成員診斷、治療和預(yù)防神經(jīng)系統(tǒng)疾病仍不失為最可行的途徑，其應(yīng)用必將成為現(xiàn)實。

［1］Davias L pez de Carrizosa MA，Morado-Diaz CJ，Morcuende S，et al.Nerve growth factor regulates the firing patterns and synaptic composition of motoneurons［J］.J Neurosci，2010，30（24）：8 308-8 319.

［2］Levi-Montalcini R，Hamburger V.Selective growth stimulating effects of mouse sarcoma on the sensory and sympathetic nervous system of the chick embryo［J］.J Exp Zool，1951，116（2）：321-361.

［3］Kirkland RA，Saavedra CM，F(xiàn)ran-klin JL.Rapid activation of antioxidant defenses by Nerve Growth Factor suppresses reactive oxygen species during neuronal-apoptosis：Evidence for a role in cytochromic redistribution［J］.Neurosience，2007，27（42）：11 315-11 326.

［4］Salehi A，Delcroix JD，Swab DF，et al.Alzheimer disease and NGF signaling［J］.J Neuroal Transm，2004，111（3）：323-451.

［5］周莉，李小剛.神經(jīng)生長因子在腦缺血后的變化及治療展望［J］.西南軍醫(yī)，2011，13（6）：1 094-1 095.

［6］Kaplan DR，Miller FD.Neurotrophin signal transduction in the nervous system［J］.Curr Opin Neurobiol，2000，10（3）：381-391.

［7］Huang EJ，Reichardt LF.Trk receptor：roles in neuronal signal transduction［J］.Annu Rev Biochem，2003，72：609-642.

［8］Reichardt LF.Neurotrophin-regulated signaling pathways［J］.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci，2006，361（1 461）：1 545-1 564.

［9］Chen Y，Zeng J，Cen L，et al.Multiple roles of in the neuvous system［J］.J Int Med Res，2009，37（2）：281-288.

［10］Guegan C，Ceballos Picot I，Chevalier E，et al.Redustion of ischemic damage in NGF-transgenic mice：correlation with enhancement of antioxidant enzyme activites［J］.Neurobiol Dis，1999，6（3）：180-189.

［11］周政，陳惠孫，張可成，等.神經(jīng)生長因子對顱腦損傷后神經(jīng)細(xì)胞的保護作用［J］.中華實驗外科雜志，2004，21（5）：588-589.

［12］Cheng B，McMahon D，Mattson MP.Modulation of calcium current，in 2tracellular calcium levels and cell survival by hypoglycemia，NGF and b-FGF in cultured hippocampal neurons［J］.Brain Res，1993，607：275-285.

［13］Lindholm D，Mercer EA，Yu LY，et al.Neuronal apoptosis inhibitory protein：Structural requirements for hippocalcin binding and effects on survival of NGF-dependment sympathetic neurons［J］.Biochim Biophys Acta，2002，1 600（1／2）：138-147.

［14］金國華，毛偉峰，秦建兵，等.神經(jīng)生長因子對創(chuàng)傷性腦損傷大鼠學(xué)習(xí)記憶功能的保護作用［J］.中國臨床康復(fù)，2005，9（16）：103-105.

［15］Hagihara H，Hara M，Tsunekawa K，et al.Tonic-clonic seizures induce division of neuronal progenitor cells with concomitant changes in expression of neurotrophic factors in the brain of pilocar pine treated mice［J］.Brain Res Mol Brain Res，2005，139（2）：258-266.

［16］Zassler B，Humpel C.Transplantation of NGF secreting primary monocytes counteracts NMDA-induced cell death of rat cholinergic neurons in vivo［J］.Exp Neurol，2006，198（2）：391-340.

［17］彭形.神經(jīng)生長因子生物學(xué)效應(yīng)的研究進展［J］.檢驗醫(yī)學(xué)和臨床，2009，6（3）：203-204.

［18］Emanueli C，Salis MB，Pinna A，et al.Nerve growth factor promotes angiogenesis and arteriogenesis in ischemic hind limbs［J］.Circulation，2002，106：2 257-2 262.

［19］Jadhao CS，Bhatwadekar AD，Jiang Y，et al.Grant MB nerve growth factor promotes endothelial progenitor cell-mediated angiogenic responses［J］.Invest Dphthalmol Vissci，2012，53（4）：2 030-2 037.