神經(jīng)生長(zhǎng)因子的神經(jīng)損傷修復(fù)機(jī)制及作用

徐如祥

·述評(píng)·

神經(jīng)生長(zhǎng)因子的神經(jīng)損傷修復(fù)機(jī)制及作用

徐如祥

徐如祥，男，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師，曾留學(xué)日本。現(xiàn)任北京軍區(qū)總醫(yī)院附屬八一腦科醫(yī)院院長(zhǎng)，北京軍區(qū)神經(jīng)外科研究所所長(zhǎng)，神經(jīng)外科主任。擔(dān)任中國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)神經(jīng)損傷與修復(fù)分會(huì)主任委員；國(guó)家科技獎(jiǎng)、軍隊(duì)及省市科技獎(jiǎng)評(píng)審專家；國(guó)家自然科研基金、軍隊(duì)對(duì)及省市科研基金評(píng)委；《中華神經(jīng)醫(yī)學(xué)雜志》及《中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志》主編，《中國(guó)臨床神經(jīng)外科雜志》、《中國(guó)微侵襲神經(jīng)外科雜志》、《解放軍醫(yī)藥雜志》副主編。從事神經(jīng)外科醫(yī)療、教學(xué)及科研工作30余年，擅長(zhǎng)顱腦損傷救治與神經(jīng)再生研究。承擔(dān)國(guó)家、軍隊(duì)及省市重點(diǎn)（大）科研課題20余項(xiàng)，以第一或通訊作者發(fā)表專業(yè)學(xué)術(shù)論文300余篇，其中SCI收錄論文98篇，主編專著7部，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，軍隊(duì)及省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)11項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。招收培養(yǎng)博士后27名，博士生97名，碩士生51名。2008年被評(píng)為全國(guó)抗震救災(zāi)先進(jìn)個(gè)人及全國(guó)優(yōu)秀黨員，總后勤部?jī)?yōu)秀教師、總后勤部科技銀星及科技新星、第二屆全國(guó)優(yōu)秀中青年科技之星、第三屆中國(guó)醫(yī)師獎(jiǎng)，榮立二等功1次，三等功3次。

神經(jīng)生長(zhǎng)因子；受體；信號(hào)通路；神經(jīng)再生與修復(fù)

神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor，NGF)是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族中最具活力的生物活性因子之一。NGF是一種由α、β、γ三個(gè)亞單位組成的蛋白質(zhì)，β亞基是NGF發(fā)揮神經(jīng)再生與修復(fù)作用的活性亞單位。NGF的生物作用依賴于與高親和力的Trk A受體結(jié)合，而其受體的活化受PI3K-AKT、PLCγ-PKC、Ras-MAPK及Rac/CDC42等信號(hào)通路的調(diào)控。本文著重論述NGF的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特點(diǎn)、NGF受體類型及其信號(hào)通路調(diào)控機(jī)制，以及NGF對(duì)神經(jīng)損傷的保護(hù)與修復(fù)作用。

一、NGF的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特性

NGF在神經(jīng)系統(tǒng)主要分布于中樞及周圍神經(jīng)的神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、雪旺氏細(xì)胞及神經(jīng)節(jié)等。1953年，意大利科學(xué)家Levi-Montalcini首先發(fā)現(xiàn)了NGF。1960年，美國(guó)科學(xué)家Cohen提取純化NGF，并證明其生物活性。1970年Cohen實(shí)驗(yàn)證明來(lái)源于鼠頜下腺的NGF是一個(gè)復(fù)合蛋白，包含α、β、γ三個(gè)亞單位，活性區(qū)是β亞單位，由118個(gè)氨基酸組成的兩個(gè)單鏈通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合而成的二聚體。αNGF亞基起保護(hù)性或攜載性作用(紅色)。γ亞基是具有蛋白酶活性的水解酶，參與NGF前體加工(綠色)。β亞基是唯一具有NGF生物活性的亞單位 (蘭色)(NGF結(jié)構(gòu)如圖1)。

圖1 NGF立體構(gòu)象示意圖

鼠源的NGF與人源的NGF結(jié)構(gòu)具有高度的同源性，生物效應(yīng)也無(wú)明顯的種間特異性。NGF是具有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和促突起生長(zhǎng)雙重生物學(xué)功能的一種神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，它對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)及周圍神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、分化、生長(zhǎng)、再生和功能特性的表達(dá)均具有重要的調(diào)控作用[1]。目前臨床應(yīng)用的NGF是從小鼠頜下腺中提取的經(jīng)一系列復(fù)雜生產(chǎn)工藝得到的β-NGF。采用液相法對(duì)NGF半成品進(jìn)行含量測(cè)定，有效控制成品裝量的差異性，確保NGF治療作用的穩(wěn)定性，2015版國(guó)家藥典已將該方法收錄作為神經(jīng)生長(zhǎng)因子含量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法之一[2]。

二、NGF受體及其信號(hào)通路調(diào)控機(jī)制

NGF需要與相對(duì)應(yīng)的受體結(jié)合才能發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。NGF受體分為高親和力的Trk A受體和低親和力的p75受體(見(jiàn)圖2)。有研究證實(shí)Trk A是NGF發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)的功能性受體[3]，該類受體廣泛分布于中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞的膜表面[4]。

圖2 NGF受體示意圖

1.NGF受體

NGF與神經(jīng)元表面Trk A受體結(jié)合發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)，結(jié)合部位不同其發(fā)揮作用的信號(hào)傳導(dǎo)通路有所不同[5]。NGF與軸突末梢細(xì)胞膜上的Trk A受體結(jié)合后，一方面激活軸突末梢信號(hào)傳導(dǎo)通路，促進(jìn)軸突生長(zhǎng)和分化，另一方面激活內(nèi)涵體信號(hào)傳導(dǎo)通路。Trk A受體活化后，細(xì)胞膜內(nèi)陷，包裹NGF與Trk A受體的復(fù)合物形成內(nèi)涵體，內(nèi)涵體在軸突內(nèi)進(jìn)行逆行運(yùn)輸，即逆軸漿運(yùn)輸。當(dāng)內(nèi)涵體被運(yùn)輸?shù)桨w，會(huì)激活其信號(hào)傳導(dǎo)通路。此外，NGF也可與神經(jīng)元胞體細(xì)胞膜上的Trk A受體結(jié)合，激活其信號(hào)傳導(dǎo)通路。NGF激活胞體內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路，發(fā)揮維持神經(jīng)元存活，促進(jìn)軸突生長(zhǎng)，趨使軸突定位于合適的靶器官的作用[6,7,8]。

2.NGF受體的信號(hào)通路調(diào)控

NGF與神經(jīng)元細(xì)胞膜上的Trk A受體結(jié)合后，其作用機(jī)制是調(diào)控 PI3K-AKT、PLCγ-PKC、Ras-MAPK和Rac/CDC42通路。同時(shí)，其各信號(hào)通路之間也存在相互作用，共同形成了NGF復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3)。

圖3 NGF受體的信號(hào)通路調(diào)控機(jī)制

(1)PI3K-AKT通路：當(dāng)NGF與Trk A受體結(jié)合后，會(huì)引起Trk A受體二聚體化和自磷酸化，活化的Trk A受體通過(guò)Shc與接頭蛋白Grb2結(jié)合，磷酸化的 Grb2招募 Gab1，進(jìn)而激活磷脂酰肌醇激酶PI3K，從而促使磷酸肌醇二磷酸PIP2轉(zhuǎn)化為磷酸肌醇三磷酸PIP3，PIP3激活PDK1，進(jìn)而激活下游的蛋白激酶B即AKT[9,10]。NGF通過(guò)激活PI3K-AKT通路可發(fā)揮抑制神經(jīng)元凋亡和促進(jìn)神經(jīng)元存活的作用。NGF抑制神經(jīng)元凋亡與Bcl-2蛋白家族有關(guān)。Bcl-2蛋白家族分為兩類：一類為促凋亡蛋白Bad、Bax、Bim，另一類為抑凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xl。促凋亡蛋白可與線粒體膜上PTP孔的相關(guān)蛋白相互作用，進(jìn)而介導(dǎo)PTP孔的開(kāi)放啟動(dòng)凋亡程序；而抑凋亡蛋白則抑制PTP孔的開(kāi)放阻止凋亡發(fā)生。當(dāng)神經(jīng)元受損時(shí)，促凋亡蛋白的數(shù)量和活性超過(guò)抑凋亡蛋白的數(shù)量和活性，從而引起線粒體膜PTP孔開(kāi)放，使得細(xì)胞色素C從線粒體釋放到胞質(zhì)中，與凋亡酶啟動(dòng)因子Apaf-1和半胱氨酸蛋白酶家族的Caspase-9結(jié)合形成凋亡小體復(fù)合物，進(jìn)而激活凋亡執(zhí)行蛋白Caspase-3，6，7，最終引起神經(jīng)元凋亡。NGF通過(guò)PI3K-AKT通路，可抑制Bad的活性，增強(qiáng)Bcl-2的活性，抑制Caspase-9的活性及凋亡小體的生成，進(jìn)而阻斷神經(jīng)元的凋亡[11]。此外，PI3K-AKT通路還可抑制轉(zhuǎn)錄因子FoxO1的活性，從而抑制其目的基因FAS和 Bim的轉(zhuǎn)錄[12]，進(jìn)而阻斷神經(jīng)元的凋亡。PI3K-AKT通路的激活還可促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子NF-κB與IκB解離，解除了IκB對(duì)NF-κB的抑制作用，促進(jìn)NF-κB發(fā)生核轉(zhuǎn)位與凋亡抑制基因FLIP和XIAP結(jié)合，以利于神經(jīng)元的存活[13，14]。

(2)PLCγ-PKC通路：活化的Trk A受體激活磷脂酶Cγ(即PLCγ)，活化的PLCγ使PIP2水解成二酰甘油DAG和肌醇三磷酸IP3。IP3在胞質(zhì)中擴(kuò)散，結(jié)合并開(kāi)啟內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上IP3敏感的Ca2+離子通道，引起Ca2+順化學(xué)梯度從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫(kù)釋放進(jìn)入胞質(zhì)，引起胞質(zhì)中Ca2+濃度的瞬時(shí)升高，導(dǎo)致PKC與Ca2+結(jié)合并轉(zhuǎn)位，被DAG活化?；罨腜KC與Ca2+均可增加神經(jīng)細(xì)胞突觸的可塑性[15]。

(3)Ras-MAPK通路：活化的Trk A受體使胞內(nèi)的連接蛋白shc磷酸化，磷酸化的Shc與Grb2-SOS復(fù)合物結(jié)合，SOS是Ras蛋白GTP轉(zhuǎn)換因子，可促使無(wú)活性的Ras-GDP轉(zhuǎn)換成有活性的Ras-GTP。同時(shí)，接頭蛋白Frs2也可與Trk A受體結(jié)合而激活下游的分子[16]?；罨腞as可激活其下游的Raf-1蛋白，進(jìn)而激活胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶 MEK1/2，活化的MEK1/2又可激活絲裂原活化蛋白激酶Erk1/2，活化的Erk1/2至少參與了兩個(gè)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。一是活化的Erk1/2發(fā)生核轉(zhuǎn)位，激活轉(zhuǎn)錄因子Elk-1，活化的Elk-1與輔助轉(zhuǎn)錄因子SRF相互作用，并與c-fos基因啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)的血清應(yīng)答元件SRE結(jié)合，啟動(dòng)c-fos基因轉(zhuǎn)錄。二是活化的ERK1/2還可以激活Rsk激酶?；罨腞sk核轉(zhuǎn)位并磷酸化CREB，磷酸化的CREB與c-fos基因啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)的cAMP反應(yīng)元件CRE結(jié)合后，再與轉(zhuǎn)錄共激活因子CPB結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)CPB與SRF-Elk-1復(fù)合物結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物，促進(jìn)c-fos基因的轉(zhuǎn)錄，參與神經(jīng)元的生長(zhǎng)、分化和突觸可塑性等生理活動(dòng)。

(4)Rac/CDC42通路：Ras蛋白被激活后，可激活Rho G，活化的Rho G同時(shí)激活Rac、CDC42這兩種小G蛋白，進(jìn)而促進(jìn)肌動(dòng)蛋白的聚合[17]。肌動(dòng)蛋白是細(xì)胞骨架的組成成分。神經(jīng)突起的延伸需要重組的肌動(dòng)蛋白的聚合作用來(lái)推動(dòng)細(xì)胞膜向前移動(dòng)[18]。所以Rac/CDC42信號(hào)通路能夠促進(jìn)神經(jīng)突起的生長(zhǎng)和分化[19]。

三、NGF的神經(jīng)保護(hù)與修復(fù)作用

神經(jīng)創(chuàng)傷不僅可以直接造成神經(jīng)細(xì)胞壞死或凋亡，也可引起神經(jīng)遞質(zhì)的代謝紊亂、脂質(zhì)過(guò)氧化、鈣超載及細(xì)胞缺血缺氧等一系列繼發(fā)性病理生理改變，引發(fā)細(xì)胞“瀑布式”級(jí)聯(lián)損害效應(yīng)，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的嚴(yán)重?fù)p害。傳統(tǒng)的神經(jīng)康復(fù)治療對(duì)神經(jīng)修復(fù)的作用有限，NGF通過(guò)阻斷神經(jīng)細(xì)胞繼發(fā)性損害級(jí)聯(lián)效應(yīng)，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。其神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制是：(1)拮抗興奮性氨基酸的毒性：興奮性氨基酸如谷氨酸含量升高，可導(dǎo)致鈣超載，激活凋亡信號(hào)通路使神經(jīng)元進(jìn)入凋亡程序。NGF可以抑制谷氨酸的升高，阻斷鈣超載，阻止神經(jīng)元的凋亡[20,21]；(2)減少氧自由基：NGF可以增加過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶等氧自由基清除劑的活性，減輕神經(jīng)元的過(guò)氧化損傷；(3)降低一氧化氮(NO)的細(xì)胞毒性：NO能夠抑制氧化磷酸化酶類的活性，從而抑制細(xì)胞的呼吸功能。NGF通過(guò)降低NO合成酶的活性減輕NO的細(xì)胞毒性[22,23]；(4)穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi) Ca2+濃度：NGF可以調(diào)節(jié)與鈣離子內(nèi)流有關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)和功能，穩(wěn)定Ca2+濃度，抑制鈣超載引起的神經(jīng)元損傷[24]；(5)抑制凋亡蛋白活性：NGF可以促進(jìn)抑凋亡蛋白的活性，抑制促凋亡蛋白和凋亡執(zhí)行蛋白的活性，進(jìn)而抑制神經(jīng)元凋亡。

四、展望

近十多年來(lái)，雖然神經(jīng)再生與修復(fù)基礎(chǔ)研究與臨床救治取得了顯著進(jìn)步，但是，由于神經(jīng)創(chuàng)傷涉及的病理生理改變多種多樣，參與神經(jīng)再生與修復(fù)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)極為復(fù)雜，要全面解決這些問(wèn)題仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。NGF雖然展示了一定的神經(jīng)保護(hù)與修復(fù)的治療作用，但是還存在很多亟待解決的問(wèn)題，其遇到的瓶頸有：(1)如何研制具有更長(zhǎng)生物半衰期的NGF，以增強(qiáng)NGF的生物效應(yīng)；(2)如何提高NGF透過(guò)血腦屏障能力，以大幅提高腦內(nèi)NGF的濃度；(3)明確NGF對(duì)不同傷情、不同傷病的最佳治療時(shí)機(jī)、劑量及療程；(4)拓寬NGF的用藥途徑，如明確腰大池注射、腦室注射、腦及脊髓創(chuàng)傷局部用藥等的安全性和有效性。

[1]付小兵.腦損傷后認(rèn)知障礙及神經(jīng)生長(zhǎng)因子的腦保護(hù)作用[J].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2015,1(3)∶1-3.

[2]周志文.測(cè)定神經(jīng)生長(zhǎng)因子含量的方法[P]∶中國(guó),CN1982891, 2007-06-20.

[3]Wiesmann C,De Vos AM.Nerve growth factor∶structure and function[J].Cell Mol Life Sci,2001,58(5-6)∶748-759.

[4]Campenot RB.NGF and the local control of nerve terminal growth[J].JNeurobiol,1994,25(6)∶599-611.

[5]Zhang Y,Moheban DB,Conway BR,et al.Cell surface Trk receptors mediate NGF-induced survival while internalized receptors regulate NGF-induced differentiation[J].J Neurosci, 2000,20(15)∶5671-5678.

[6]Watson FL,Heerssen HM,Bhattacharyya A,et al.Neurotrophins use the Erk5 pathway to mediate a retrograde survival response [J].Nat Neurosci,2001,4(10)∶981-988.

[7]Ginty DD,Segal RA.Retrograde neurotrophin signaling∶Trk-ing along the axon[J].Curr Opin Neurobiol,2002,12(3)∶268-274.

[8]Harrington AW,Ginty DD.Long-distance retrograde neurotrophic factor signalling in neurons[J].Nat Rev Neurosci,2013,14(3)∶177-187.

[9]Sofroniew MV,Howe CL,Mobley WC.Nerve growth factor signaling,neuroprotection,and neural repair[J].Annu Rev Neurosci,2001,24(1)∶1217-1281.

[10]Holgado-Madruga M,Moscatello DK,Em let DR,et al.Grb2 Associated Binder1 Mediates Phosphatidylinositol 3Kinase Activation and the Promotion of Cell Survival by Nerve Growth Factor[J].Proc Nati Acad Sci USA,1997,94(23)∶12419-12424.

[11]Yuan J,Yankner BA.Apoptosis in the nervous system[J].Nature, 2000,407(6805)∶802-809.

[12]Patapoutian A,Reichardt LF.Trk receptors∶mediators of neurotrophin action[J].Curr Opin Neurobiol,2001,11(3)∶272-280.

[13]Moubarak RS,SoléC,Pascual M,et al.The death receptor antagonist FLIP-L interacts with Trk and is necessary for neurite outgrowth induced by neurotrophins[J].JNeurosci,2010,30(17)∶6094-6105.

[14]Kristiansen M,Ham J.Programmed cell death during neuronal development∶the sympathetic neuronmodel[J].Cell Death Differ, 2014,21(7)∶1025-1035.

[15]Huang EJ,Reichardt LF.Trk receptors∶roles in neuronal signal transduction[J].Annu Rev Biochem,2003,72∶609-642.

[16]Li Z,Talebian A,Meakin SO.The signaling adapter,FRS2, facilitates neuronal branching in primary cortical neurons via both Grb2-and Shp2-dependentmechanisms[J].JMol Neurosci, 2015,55(3)∶663-677.

[17]Zweifel LS,Kuruvilla R,Ginty DD.Functions and mechanisms of retrograde neurotrophin signalling[J].Nat Rev Neurosci,2005,6 (8)∶615-625.

[18]Soline Estrach,Susanne Schmidt,Sylvie Diriong,et al.The Human Rho-GEF trio and its target GTPase RhoG are involved in the NGF pathway,leading to neurite outgrowth[J].Curr Biol, 2002,12(4)∶307-312.

[19]Pollack SJ,Harper SJ.Trk neurotrophin receptor activators[J]. Drug News Perspect,2002,15(5)∶268-277.

[20]Biswas SC,Greene LA.Nerve growth factor(NGF)down-regulates the Bcl-2 homology 3 (BH3)domain-only protein Bim and suppresses its proapoptotic activity by phosphorylation[J].JBiol Chem,2002,277(51)∶49511-49516.

[21]Pérez-Navarro E,Alberch J.Protective role of nerve growth factor against excitatory amino acid injury during neostriatal cholinergic neurons postnatal development[J].Exp Neurol,1995,135(2)∶146-152.

[22]Thippeswamy T,Morris R.Nerve growth factor inhibits the expression of nitric oxide synthase in neurones in dissociated cultures of rat dorsal root ganglia[J].Neurosci Lett,1997,230(1)∶9-12.

[23]Lam HH,Bhardwaj A,O′Connell MT,et al.Nerve growth factor rapidly suppresses basal,NMDA-evoked,and AMPA-evoked nitric oxide synthase activity in rathippocampus in vivo[J].Proc Nati Acad Sci U SA,1998,95(18)∶10926-10931.

[24]Huang F,Liu Z,Liu H,et al.GM1 and NGF modulate Ca2+homeostasis and GAP43 mRNA expression in cultured dorsal root ganglion neurons with excitotoxicity induced by glutamate[J]. Nutr Neurosci,2007,10(3-4)∶105-111.

2016-02-14)

(本文編輯：張麗)

DOI∶10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2016.01.001

100700北京，北京軍區(qū)總醫(yī)院附屬八一腦科醫(yī)院

徐如祥，Email：zjxuruxiang@163.com

徐如祥.神經(jīng)生長(zhǎng)因子的神經(jīng)損傷修復(fù)機(jī)制及作用[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2016,2(1)∶1-4.