腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子在阿爾茨海默病治療中進(jìn)展

高嘉潞 王鑫 宋甜甜 邢影

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科四病區(qū)，吉林 長(zhǎng)春 130033)

神經(jīng)退行性疾病因其慢性進(jìn)展及不可治愈性給患者及家庭造成了沉重的負(fù)擔(dān)，包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮側(cè)索硬化等。AD的認(rèn)知功能障礙是由神經(jīng)變性引起的，其與神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子缺乏或功能失調(diào)密切相關(guān)，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)在神經(jīng)元存活、分化和突觸可塑性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過研究BDNF在AD中的作用途徑，可為AD的靶向治療提供臨床依據(jù)。本文對(duì)BDNF在AD中作用的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制及相關(guān)治療方法的臨床研究進(jìn)展做一綜述。

1 BDNF的概述

BDNF是一種堿性蛋白質(zhì)，由119個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子量為14 kD，其基因定位于人類11號(hào)染色體短鏈上，其合成與成熟是一個(gè)多階段的過程。首先在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成前體蛋白(pre-pro-BDNF)，其中信號(hào)肽被蛋白酶水解切割，從而產(chǎn)生 35 kD的前體物質(zhì)pro-BDNF，隨后被絲氨酸蛋白酶纖溶酶和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)裂解為成熟BDNF，也可在細(xì)胞內(nèi)被激素原轉(zhuǎn)化酶和弗林蛋白酶(Furin)裂解，以釋放出成熟的BDNF(mBDNF)和BDNF前肽段(pBDNF)。Pro-BDNF也可以在不進(jìn)一步切割的情況下分泌，本身作為內(nèi)源性配體。

BDNF廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，包括大腦皮質(zhì)、海馬、黑質(zhì)、紋狀體、丘腦、小腦等區(qū)域，表達(dá)最集中的區(qū)域?yàn)楹ｑRCA2、CA1的錐體細(xì)胞層及齒狀回顆粒細(xì)胞層。同時(shí)，血管內(nèi)皮細(xì)胞、單核細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞、周圍神經(jīng)組織、心臟、肺、腎臟、卵巢及骨骼肌均有表達(dá)。BDNF主要來源于神經(jīng)細(xì)胞及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，少數(shù)來源于血小板及血管內(nèi)皮細(xì)胞。Pro-BDNF在生長(zhǎng)期腦內(nèi)較高，而成年期腦內(nèi)則是mBDNF、pBDNF含量更豐富。據(jù)報(bào)道，BDNF的表達(dá)隨著年齡的增長(zhǎng)而降低，與某些基因調(diào)控區(qū)域受到抑制相關(guān)〔1〕。

2 BDNF的信號(hào)傳導(dǎo)通路

BDNF作為腦神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子中的一員，參與多種信號(hào)傳導(dǎo)途徑，大致分為兩種受體，一種是促進(jìn)神經(jīng)元存活和分化的酪氨酸激酶受體(Trk)B受體，另一種是誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或存活的p75神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體(p75NTR)。

2.1TrkB受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)通路 TrkB屬于神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白酪氨酸激酶受體家族，通過配體與其胞外域結(jié)合而被激活，進(jìn)一步誘導(dǎo)受體磷酸化，觸發(fā)下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)。BDNF/TrkB/磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)通參與促進(jìn)細(xì)胞增殖分化和抗細(xì)胞凋亡等作用〔2〕。BDNF/TrkB也可通過接頭蛋白Shc促進(jìn)Ras/Raf信號(hào)通路，進(jìn)一步調(diào)節(jié)蛋白激酶絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)級(jí)聯(lián)，與細(xì)胞存活和神經(jīng)元分化相關(guān)。BDNF/TrkB也可激活蛋白激酶(PK)C，可以直接增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，Ca2+內(nèi)流通過與Ca2+反應(yīng)元件(CRE)結(jié)合促進(jìn)環(huán)磷腺苷反應(yīng)元件(CREB)磷酸化。PI3K/Akt、PKA、PKC途徑均可激活CREB，進(jìn)而增強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)記憶〔3〕。BDNF/TrkB/Rac/周期蛋白依賴激酶(CDK)5通路通過連接肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞骨架調(diào)控樹突棘密度的變化從而影響學(xué)習(xí)與記憶功能〔4〕?？偠灾?，BDNF/TrkB信號(hào)通路在細(xì)胞生存、樹突發(fā)育及突觸可塑性等方面發(fā)揮重要作用〔5〕。

2.2p75NTR受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)通路 p75NTR受體屬于腫瘤壞死因子(TNF)家族的非特異性低親和力受體，參與細(xì)胞凋亡。Pro-BDNF與其具有高親和力，進(jìn)一步激活sortilin受體啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致c-jun氨基末端激酶(JNK)的激活，促使神經(jīng)細(xì)胞凋亡與長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)〔6〕，并通過核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB依賴的信號(hào)通路促進(jìn)炎癥反應(yīng)。NF-κB是重要的神經(jīng)炎性因子，能調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、神經(jīng)元存活、增殖及免疫細(xì)胞遷移和成熟〔7〕。當(dāng)mBDNF結(jié)構(gòu)域與p75NTR結(jié)合時(shí)，啟動(dòng)(絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶)RIP2/腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(TRAF)6介導(dǎo)的途徑，從而導(dǎo)致NF-κB活化，促進(jìn)了大腦發(fā)育中神經(jīng)元存活和維持〔8〕?？偠灾?，BDNF在大腦生理功能調(diào)節(jié)中的特定作用取決于其同工型與不同類型受體的相互作用所引發(fā)的不同信號(hào)通路的激活，這些對(duì)于大腦發(fā)育、突觸可塑性、神經(jīng)元存活等過程至關(guān)重要。

3 BDNF信號(hào)傳導(dǎo)在 AD中的作用

AD典型病理改變?yōu)榧?xì)胞外神經(jīng)炎性斑塊及細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFT)的形成〔9〕，其中β-淀粉樣蛋白(Aβ)蛋白是神經(jīng)炎性斑塊的中心，由Aβ前體蛋白(APP)水解生成〔6〕，具有誘導(dǎo)炎性介質(zhì)釋放、促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞毒性損傷等功能，NFT主要成分為過度磷酸化的微管相關(guān)tau蛋白，其會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元退行性變。

3.1與Aβ蛋白的關(guān)系 Aβ蛋白目前被認(rèn)為是AD中突觸功能障礙的主要原因，是從APP中被酶切割釋放而來，APP可被3種酶切割，分別為α-分泌酶(ADAM-10)、β-分泌酶(BACE-1)、γ-分泌酶(早老素PS1、PS2)。ADAM-10對(duì)APP切割可生成sAPPα，具有神經(jīng)保護(hù)作用。而BACE-1、γ-分泌酶的順序作用將APP切割生成Aβ蛋白，所以促進(jìn)ADAM-10或抑制BACE-1、γ分泌酶可成為AD疾病修飾療法的研究方向。Nigam等〔10〕發(fā)現(xiàn)BDNF可通過使ADAM-10在細(xì)胞表面重分布來增強(qiáng)ADAM-10的加工從而抑制Aβ蛋白生成，這表明BDNF可直接調(diào)節(jié)淀粉樣蛋白生成途徑。BDNF還可通過ERK途徑激活sorla轉(zhuǎn)錄，影響APP的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝，從而減少Aβ的產(chǎn)生〔11〕。BDNF的信號(hào)中斷通過促進(jìn)PS1N末端催化亞單位、APPC末端片段的積累和Aβ的異常聚集來觸發(fā)海馬淀粉樣變性〔12〕。

Aβ蛋白沉積與BDNF的丟失密切相關(guān)，Aβ低聚物損害軸突BDNF逆行運(yùn)輸，從而對(duì)BDNF信號(hào)和突觸功能產(chǎn)生不利影響。在有細(xì)胞刺激的情況下，Aβ蛋白可通過激活糖原合成激酶(GSK)3b或PKA來使環(huán)磷酸腺苷(CAMP)反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)失活從而降低BDNF的轉(zhuǎn)錄。而在無細(xì)胞刺激的情況下，Aβ蛋白并不改變CREB的基礎(chǔ)水平，而是誘導(dǎo)CREB轉(zhuǎn)錄下調(diào)，CREB是學(xué)習(xí)和記憶所需的分子途徑的重要組成部分〔13〕。Aβ通過突觸外N-甲基-Daspartate 受體 (eNMDAr) 激活促進(jìn)鈣細(xì)胞內(nèi)水平的持續(xù)增加，導(dǎo)致鈣蛋白酶過度激活，從而導(dǎo)致TrkB-FL裂解，阻礙了BDNF對(duì)突觸可塑性和神經(jīng)遞質(zhì)釋放的促進(jìn)作用〔14〕。

3.2與tau蛋白的關(guān)系 有研究表明，是NFT與AD的認(rèn)知能力下降及嚴(yán)重程度更加密切相關(guān)。TauN368片段直接結(jié)合TrkB受體并阻斷其神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)信號(hào)，從而誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞死亡。BDNF可以調(diào)節(jié)tau的表達(dá)、磷酸化和分布。Jiao等〔15〕研究表明，通過腺相關(guān)病素(AAV)介導(dǎo)人成熟BDNF基因傳遞至小鼠內(nèi)嗅皮層減少了P301L小鼠的行為缺陷，防止神經(jīng)元丟失、減輕突觸變性和神經(jīng)損傷。其機(jī)制主要是激活了BDNF/TrKB信號(hào)通路，包括有絲分裂原激活蛋白激酶(MEK)-ERK途徑、PI3K途徑和磷脂酶Cy1途徑的磷酸化〔15〕。通過對(duì)比受試者生前與死后的區(qū)域海馬及錐體神經(jīng)元的臨床病理學(xué)解剖，發(fā)現(xiàn)TrkB的下調(diào)與內(nèi)嗅皮質(zhì)及海馬NFT的增加獨(dú)立相關(guān)。也許改善BDNF/TrkB信號(hào)缺陷，特別是內(nèi)嗅皮質(zhì)和海馬內(nèi)的信號(hào)缺陷可能會(huì)潛在地消除神經(jīng)炎性斑(NPs)和NFT的形成〔16〕。

3.3與炎癥的關(guān)系 慢性神經(jīng)炎癥是AD的病理特征，BDNF/TrkB的剝奪會(huì)增加炎性細(xì)胞因子并激活JAK2/STAT3通路，導(dǎo)致C/EPBβ上調(diào)，反過來又導(dǎo)致δ-分泌酶、APP和tau片段化的表達(dá)增加，從而加速Aβ和tau病理進(jìn)展〔17〕。給予促炎因子或脂多糖(LPS)會(huì)導(dǎo)致BDNF基因表達(dá)顯著降低，其誘導(dǎo)的記憶缺陷歸因于AD模型中Toll樣受體(TLR)4/NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)的激活和CREB/BDNF表達(dá)的抑制〔11〕。NF-κB在AD患者的大腦中表達(dá)增加，其可上調(diào)人BACE1基因轉(zhuǎn)錄以促進(jìn)β-分泌酶切割A(yù)PP及Aβ蛋白生成。

4 基于BDNF的AD靶向治療

越來越多的證據(jù)表明，BDNF對(duì)AD的發(fā)病機(jī)制具有保護(hù)作用。Wang等〔18〕研究表明，BDNF激動(dòng)劑AS86可改善APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知功能缺陷，證明了BDNF對(duì)AD的治療作用。在AD相關(guān)的各種模型中，外源性BDNF遞送已被證明是一種新的潛在治療方法，但其血漿半衰期較短，代謝快，且在血腦屏障中擴(kuò)散有限，傳遞途徑受到限制，很難充分發(fā)揮治療作用。為了規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)，許多干預(yù)措施將研究重點(diǎn)放在了恢復(fù)內(nèi)源性BDNF水平，比如BDNF基因療法，其載體通常為腺病毒，Jiao等〔15〕通過側(cè)腦室注射攜帶編碼人BDNF基因的腺相關(guān)病毒(AAV-BDNF)實(shí)現(xiàn)了BDNF的穩(wěn)定表達(dá)，并恢復(fù)了P301L小鼠大腦中的BDNF水平。但局部注射基因載體可能會(huì)導(dǎo)致腦區(qū)產(chǎn)生炎癥，通常伴有神經(jīng)毒性，損傷神經(jīng)元的功能〔19〕。病毒載體也有在腦內(nèi)發(fā)生突變導(dǎo)致產(chǎn)生神經(jīng)腫瘤的可能〔19〕。也可通過遞送產(chǎn)生BDNF的細(xì)胞來改善認(rèn)知功能，有研究表明星形膠質(zhì)細(xì)胞傳遞BDNF可挽救5XFAD小鼠模型的記憶缺陷，促進(jìn)樹突生長(zhǎng)〔20〕。但移植的細(xì)胞也有細(xì)胞癌變、免疫排斥等問題需要解決。目前新開發(fā)出納米顆粒與水凝膠結(jié)合形成的用于藥物遞送的混合生物材料系統(tǒng)〔21〕，可有效穿過血腦屏障，將藥物遞送富集在腦部，顯著降低Aβ蛋白誘導(dǎo)的毒性、降低促炎因子的水平。一些非侵入性給藥方式如經(jīng)鼻給藥，已被證實(shí)可顯著提高AD11小鼠的記憶缺陷〔22〕，但鼻黏液的低滲透性限制了吸收效率。還有一些非藥物療法如運(yùn)動(dòng)〔23〕、經(jīng)顱磁刺激、豐富環(huán)境〔24〕等方式也可以增加腦內(nèi)BDNF的表達(dá)。

除了增加BDNF水平，針對(duì)其相關(guān)受體的調(diào)節(jié)也是一種治療思路。目前有幾種促進(jìn)TrkB受體激活的相關(guān)策略，包括TrkB受體激動(dòng)劑如7，8二羥基黃酮(7，8-DHF)〔25〕，BDNF模擬物如LM22A-4〔26〕；TrkB反式激活劑如腺苷A2A受體〔14〕，均可通過BDNF/TrkB通路改善認(rèn)知功能。為了針對(duì)AD不同的病理特征，開發(fā)出了一種多靶點(diǎn)定向配體(MTDL)策略。研究發(fā)現(xiàn)〔27〕，二聚體他克林-石杉?jí)A甲(A10E)可通過抑制乙酰膽堿酯酶(AChE)和增強(qiáng)BDNF表達(dá)在AD小鼠模型(APP/PS1小鼠和Aβ寡聚體處理后的小鼠)中產(chǎn)生認(rèn)知增強(qiáng)作用，其中A10E可以通過多靶點(diǎn)機(jī)制產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用，包括抑制Aβ聚集、激活BDNF/TrKB通路、緩解神經(jīng)炎癥和降低AChE活性。可被開發(fā)為治療AD的有希望的先導(dǎo)藥。

綜上，BDNF是一種關(guān)鍵的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，其在神經(jīng)元存活、分化、長(zhǎng)時(shí)程記憶增強(qiáng)及改善認(rèn)知等方面重要作用，在AD病理過程中通過不同信號(hào)通路中發(fā)揮作用，了解BDNF作用機(jī)制也為AD治療提供新的有希望的研究方向。目前已經(jīng)在干擾BDNF信號(hào)傳導(dǎo)通路及補(bǔ)充內(nèi)源或外源性BDNF水平等方面進(jìn)行了諸多嘗試，取得了許多重要成果。隨著科學(xué)發(fā)展，納米技術(shù)的出現(xiàn)解決了藥物無法穿過血腦屏障的問題，未來可進(jìn)一步細(xì)化研究如何腦內(nèi)靶向及避免侵入性給藥引起其他不良反應(yīng)等，為AD治療開辟新的方向。