BDNF與病理性疼痛的關系

林曉芳

（福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117）

病理性疼痛包括組織損傷所致的炎癥性疼痛和神經(jīng)損傷所致的神經(jīng)病理性疼痛（neuropathic pain，NP)，多為慢性疼痛[1]。炎癥性疼痛與周圍組織損傷或炎癥相關，如關節(jié)炎疼痛[1]。神經(jīng)病理性疼痛是由神經(jīng)系統(tǒng)損傷或功能障礙引起的一種病理性疼痛，包括幻肢疼痛、乳房切除后神經(jīng)性疼痛、人體免疫缺損病毒（human immunodeficiency virus，HIV）相關感覺神經(jīng)病變、糖尿病神經(jīng)病變、坐骨神經(jīng)痛、帶狀皰疹后神經(jīng)痛和三叉神經(jīng)痛等[2]。

病理性疼痛既可以發(fā)生于外周神經(jīng)系統(tǒng)（如初級感覺痛覺感受器），稱為外周敏化，也可以發(fā)生于中樞神經(jīng)系統(tǒng)（如背角和大腦神經(jīng)元），稱為中樞敏化[1]。病理性疼痛與傷害性通路的可塑性有關，在受損組織愈合后，疼痛仍會延長。通常情況下，止痛藥的組合不足以實現(xiàn)慢性疼痛的選擇性緩解，還會產(chǎn)生更多的副作用[3]，例如，阿片類藥物在短期內(nèi)可有效緩解疼痛，但因疼痛不能治愈長期使用或濫用藥物會帶來很大的成癮風險。因此，在探索病理性疼痛的治療過程中發(fā)現(xiàn)新的藥物或靶點是很重要的。

腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神經(jīng)營養(yǎng)因子家族中的成員，它們主要在腦和神經(jīng)組織表達，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的發(fā)育和恢復具有重要作用[4]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，BDNF在病理性疼痛的發(fā)展和維持中起關鍵的作用，促進NP的發(fā)生，而在炎癥性疼痛模型大鼠的中樞神經(jīng)元大腦中起神經(jīng)元保護作用。BDNF在這兩者之間的差異性有助于對病理性疼痛的研究，發(fā)現(xiàn)BNDF在病理性疼痛中的作用，及其病理性疼痛的治療靶點。

1 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）

BDNF 是中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）功能的基本神經(jīng)營養(yǎng)因子，最初是從豬腦中提取純化出來，并被發(fā)現(xiàn)在感覺神經(jīng)元的生存和分化中起支持作用。從進化的角度來看，BDNF基因的結構在哺乳動物中具有高度保守性，例如人類BDNF基因存在兩個不同的3′非翻譯區(qū)（3′ untranslated regions，3′UTRs），這一特點導致了BDNF的mRNA在成熟加工的過程中可以定位于不同細胞區(qū)域。另一個特點是BDNF基因由9個外顯子（I-IX，VH和VIIIH）組成以及具有不同的替代剪接位點和替代啟動子，因此在轉錄中可以形成多種轉錄本，從而產(chǎn)生不同的N端及長度的蛋白[5]。這一過程是極其復雜的和精密的，主要是受非編碼RNA調(diào)控的，稱為BDNF反義轉錄本（BDNFAS）[5]。值得注意的是，在人腦體內(nèi)發(fā)現(xiàn)BDNFAS以類似于siRNA的作用方式直接調(diào)控BDNF mRNA 轉錄和蛋白質(zhì)翻譯，從而抑制BDNF基因的表達。

BDNF 轉錄翻譯出的蛋白并不具有功能，它需要進一步成熟加工才能形成功能的蛋白（如圖1所示），這一特點與其他的神經(jīng)營養(yǎng)素是一樣。BDNF首先形成前體BDNF（pre-pro-BDNF），pre-pro-BDNF被迅速切割成前蛋白（pro-BDNF）[6]，pro-BDNF進一步切割形成成熟BDNF（mature BDNF），有一點值得我們注意的是，pro-BDNF和mature BDNF都可以聚集成囊泡并分泌到胞外，發(fā)揮不同的作用[7]。研究發(fā)現(xiàn)BDNF兩種形式之間的平衡似乎在大腦發(fā)育的不同階段起著至關重要的調(diào)節(jié)作用，pro-BDNF和mature BDNF都可以和腫瘤壞死因子受體家族中75NTR受體結合，從而引起多種生物效應，例如神經(jīng)元的死亡、生長錐回縮、修剪軸突過程[8]。而對于pro-BDNF與75NTR受體結合能力要強于mature BDNF，雖然從蛋白質(zhì)的相互作用結構上已經(jīng)進行闡明[6]，但是對于生物效應還是值得我們研究的。mature BDNF可以二聚體形式作用于TrkB受體[9]，激活多種信號通路，例如PI3K/Akt通路[10]、NF-κB通路[11]、mTOR通路[12]等，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)多種生物活性，例如神經(jīng)元存活、突觸效率和可塑性、脊柱生長和成熟等。

圖1 BDNF的加工過程

BDNF 基因轉錄出pre-mRNA，經(jīng)BDNFAS調(diào)控，形成成熟的mRNA，后翻譯成pre-pro-BDNF，pr e-p ro-B D NF 被迅速切割成前蛋白（p r o-BDNF），pro-BDNF進一步切割形成成熟BDNF(mature BDNF)。pro-BDNF和mature BDNF作用于下游不同受體，從而調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)不同的生理功能。

2 BDNF 與病理性疼痛

2.1 BDNF 在外周神經(jīng)系統(tǒng)的作用

在坐骨神經(jīng)慢性壓迫性損傷（chronic constriction injury，CCI）模型中，BDNF在背根神經(jīng)節(jié)（dorsal root ganglion，DRG）神經(jīng)元中的表達水平顯著升高，且呈時間依賴性。同時，BDNF的過表達也增加了DRG神經(jīng)元嘌呤能離子通道型受體7（purinergic ligand-gated ion channel 7 receptor，P2X7受體）的表達，說明P2X7受體是由BDNF特異性誘導的。BDNF和P2X7受體在CCI DRG神經(jīng)元中共表達，BDNF激活P2X7受體基因啟動子，促進神經(jīng)病理性疼痛，而DRG內(nèi)微量注射BDNF siRNA可阻斷CCI誘導BDNF的表達，減弱機械，熱和冷刺激反應增強。這預示在轉錄上抑制P2X7受體基因可能會阻斷CCI誘導的DRG BDNF的增加，從而發(fā)揮抗傷害效應[13]。

在DRG中，甲基化-CpG-結合蛋白2（Methyl-CpG-binding protein 2，MeCP2）作為激活劑對BDNF的精確調(diào)控起著重要的作用。Manners等人發(fā)現(xiàn)，慢性神經(jīng)性疼痛（坐骨神經(jīng)分支損傷模型）誘導DRG中的MeCP2上調(diào)，導致BDNF表達增加，引起疼痛。在MeCP2 158A小鼠或MeCP2基因缺失小鼠DRG中的MeCP2下調(diào)可降低BDNF的表達，機械敏感性降低，可能有助于改變疼痛敏感性[14]，所以DRG中的BDNF的改變可能是導致痛覺過敏的原因之一。

近年來發(fā)現(xiàn)BDNF及其高親和力功能性受體TrkB受體不僅與腫瘤惡化和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育有關，還與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)展有密切聯(lián)系。正常老鼠鞘內(nèi)注射BDNF可產(chǎn)生和坐骨神經(jīng)慢性壓迫損傷（chronic constriction injury to the sciatic nerve，CCI-SN）一樣程度的機械性痛覺過敏或熱痛覺超敏，且均會引起DRG中TrkB受體的活化。使用環(huán)曲菌素B可阻斷TrkB受體過表達，進而起到逆轉CCI-SN和鞘內(nèi)注射BDNF誘導的痛覺過敏的目的[15]，說明BDNF在神病理性疼痛中的作用可能由TrkB受體介導的。

BDNF 引起突觸后抑制是神經(jīng)病理性疼痛的重要機制。BDNF對神經(jīng)損傷后突觸前γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric Acid，GABA）能有抑制作用。在機體正常的時候，脊髓突觸前和突觸后處于抑制狀態(tài)，當神經(jīng)受損時，突觸前和突觸后的抑制被阻斷了，導致慢性疼痛的發(fā)展。據(jù)報道，神經(jīng)損傷后，DRG神經(jīng)元被激活后，釋放BDNF與傷害特異性投射神經(jīng)元上的TrkB受體結合，引起神經(jīng)元鉀-氯協(xié)同轉運蛋白-2（Potassium-Chloride Cotransporter-2，KCC2）的下調(diào)，破壞cl-穩(wěn)態(tài)，導致EGABA的去極化位移。這種轉變減弱了GABAAR介導的突觸后抑制。外源BDNF模擬GABAAR功能和神經(jīng)病理性疼痛綜合征的改變，阻斷BDNF及其受體TrkB信號逆轉了神經(jīng)損傷后GABAAR功能的改變和傷害性閾值的降低[16]。

2.2 BDNF 在中樞系統(tǒng)的作用

2.2.1 脊髓

在周圍神經(jīng)損傷之后，脊髓背角ATP激活小膠質(zhì)細胞表達的嘌呤能離子通道型受體4（purinergic ligand-gated ion channel 4 receptor，P2X4受體），導致BDNF的釋放，BDNF通過TrkB受體改變神經(jīng)元的興奮性，從而誘導痛覺異常的發(fā)生。同時，ATP刺激小膠質(zhì)細胞向脊髓神經(jīng)元發(fā)出信號，導致其跨膜陰離子梯度改變。阻斷BDNF和TrkB受體之間的信號傳遞可以逆轉離子神經(jīng)損傷和ATP刺激小膠質(zhì)細胞后的痛覺過敏[17-20]。

構建脊神經(jīng)結扎（spinal nerve ligation，SNL）之后，脊髓BDNF參與了SNL大鼠背角廣動力域（wide dynamic range，WDR）神經(jīng)元的持久超興奮性的形成以及痛覺過敏的發(fā)生。SNL動物鞘內(nèi)注射TrkB-Fc（清除內(nèi)源性BDNF）后可以顯著抑制SNL誘導的機械縮足閾值（paw withdrawal threshold，PWT）的下降和BDNF誘導的WDR神經(jīng)元C纖維反應增加。BDNF通過Src同源2結構域的磷酸酶2（Srchomology-2 domain-containing phosphatase 2，SHP2）磷酸化激活GluN2B-NMDA受體，促進脊髓背角C纖維誘發(fā)電位長時程增強（long-term potentiation，LTP）和神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)展。用有效的SHP2蛋白酪氨酸磷酸酶抑制劑NSC-87877阻斷脊髓背角SHP2磷酸化或鞘內(nèi)注射siRNA抑制脊髓SHP2siRNA，不僅可以阻止DBNF介導的GluN2B-NMDA受體激活、脊髓長時程增強誘導和痛覺過敏的誘導，而且還可以減少SNL誘導的GluN2B-NMDA受體上調(diào)和脊髓LTP阻斷，最終緩解SNL大鼠的痛覺過敏。這暗示BDNF通過激活GluN2B-NMDA受體在C纖維突觸誘導脊髓LTP可能是脊髓背角BDNF增加在損傷后神經(jīng)病理性疼痛發(fā)生中發(fā)揮作用的潛在機制[21,22]。

PSNL 也可誘導機械痛覺過敏，并伴有脊髓BDNF免疫組化含量增加。水浴和溫水浸泡處理的模型動物脊髓中，BDNF免疫含量下降，促進坐骨神經(jīng)的功能性感覺運動恢復[23]。小膠質(zhì)細胞來源的BDNF是一種關鍵的小膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元信號分子，他控制脊髓內(nèi)異常的傷害性信息處理。在坐骨神經(jīng)分支損傷（spared nerve injury，SNI）疼痛模型中，脊髓小膠質(zhì)細胞被激活，Iba1、BDNF、磷酯酰肌醇-3-激酶（Phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和磷酸化的細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal regulation kinases，ERKs）的表達增加，導致神經(jīng)病理性疼痛。DRG上應用PRF可抑制SNI大鼠小膠質(zhì)細胞的激活，減少脊髓Iba1、BDNF、PI3K和p-ERK的釋放，減輕神經(jīng)病理性疼痛。增強的BDNF可誘導傷害性超敏反應，促進脊髓小膠質(zhì)細胞的前饋機會，功能抑制BDNF信號逆轉SNI大鼠的痛覺異常[19]。從以上疼痛模型BDNF的變化現(xiàn)象暗示BNDF的表達可能與病理性疼痛有著密切的聯(lián)系。

BDNF 的表觀遺傳學修飾與病理性疼痛相關。BDNF表觀遺傳學修飾通過miR-30a-3p/EP300或P300/CBP來介導CCI大鼠的NP。在CCI大鼠脊髓背角中，EP300表達上升，增強對BNDF啟動子上乙酰化組蛋白H3和H4，上調(diào)BDNF的表觀遺傳學。CCI大鼠鞘內(nèi)注射miR-30a-3p抑制劑或LV-EP300可增強CCI大鼠脊髓背角中EP300和BDNF共定位，促進NP的進展。而P300/CBP的乙?；钚詫DNF基因啟動子也具有募集作用，介導BDNF的表達，引起機械痛覺過敏和機械痛覺過敏。應用姜黃素抑制P300/CBP乙?；钚院虰DNF的表達，從而減輕神經(jīng)病理性疼痛。BDNF乙?；M蛋白H3和H4水平降低，PWT和熱縮足潛伏期（paw withdrawal latency，PWL）上升，NP得到緩解[24,25]。證明BDNF組蛋白乙?；降纳仙龠M神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)展。

2.2.2 大腦

BDNF 是中樞神經(jīng)營養(yǎng)因子，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)疼痛處理。BDNF的表觀遺傳修飾不僅能在脊髓層面發(fā)揮作用，也可在大腦皮層中起作用。在CCI和SNI誘導的神經(jīng)病理性疼痛小鼠大腦皮層神經(jīng)元中，JMJD2A（JMJD2A是一種JmjC組蛋白去甲基化酶，催化組蛋白H3中的二甲基化和三甲基化Lys9和Lys36去甲基化）的mRNA和蛋白明顯升高，與BDNF啟動子結合，依賴其去甲基酶活性使BDNF啟動子上H3K9me3和H3K36me3去甲基化，促進BDNF的表達，從而發(fā)生神經(jīng)病理性疼痛。JMJD2A在神經(jīng)病理性疼痛中的上調(diào)是通過5-HT介導來增強BDNF啟動子上的組蛋白去甲基化，使CCI和SNI模型小鼠出現(xiàn)機械超敏和熱痛覺過敏[26]，因此，JMJD2A通過表觀遺傳調(diào)控BDNF的表達促進神經(jīng)病理性疼痛的超敏反應。BDNF的表觀遺傳修飾是與BNDF啟動子上組蛋白的乙?；?、甲基化有關，可能通過其啟動子上的蛋白的修飾參與病理性疼痛的發(fā)生。

3 BDNF 與炎癥性疼痛

完全弗氏佐劑（complete freunds adjuvant，CFA）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNFα）都能誘導機械性痛覺過敏，TNF-α處理培養(yǎng)DRG神經(jīng)元后，BDNF和TrkB受體的mRNA水平升高，48 h后BDNF和TrkB受體逐漸增加，而CFA處理的DRG神經(jīng)元中，BDNF和TrkB受體蛋白是在72 h后升高[27]。這可能是轉錄調(diào)控只發(fā)生在早期階段，而翻譯調(diào)控持續(xù)時間更長，所以，CFA和TNF-α誘導疼痛的時間是在蛋白增加后的時間節(jié)點。

在炎癥狀態(tài)下，神經(jīng)元P2RX4可能控制BDNF從痛覺神經(jīng)中樞末端向脊髓背角釋放，介導疼痛產(chǎn)生。當大鼠外周注射CFA時，DRG神經(jīng)元表達P2RX4，誘導BDNF表達上升，從而促進慢性炎癥性疼痛時的高興奮性。在脊髓背角，P2RX4基因缺陷小鼠脊髓背角中，BDNF依賴的信號通路下調(diào)都受到了損害，疼痛減緩[28]。

CFA 誘發(fā)的炎性痛模型大鼠中，海馬體的小膠質(zhì)細胞被激活，增加pro-BDNF/BDNF的比值，疼痛加劇，而二甲胺四環(huán)素注射液和米諾環(huán)素可抑制CFA誘導的海馬體小膠質(zhì)細胞的活化，降低pro-BDNF/BDNF的比值。這可能是炎癥模型大鼠胞外和胞內(nèi)的pro-BDNF降解成BDNF的速度減慢、pro-BDNF表達增加或BDNF表達減少引發(fā)的[29]。BDNF在大腦不同區(qū)域也有著相同的作用，BDNF在CFA炎性痛大鼠下邊緣皮層表達下降，在前邊緣皮層無明顯變化。將BDNF輸注到雙側腹下皮層可激活神經(jīng)元活動，減輕炎性痛，加速恢復[30]，說明BDNF可能在CFA誘導的炎性痛中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起到神經(jīng)保護作用，緩解疼痛。

3 小結與展望

綜上所述，BDNF具有雙重作用。在DRG和脊髓中BDNF通過P2X7受體和NMDA受體等誘導疼痛的發(fā)展，而在高級中樞海馬體、皮層具有神經(jīng)保護作用，減輕疼痛。BDNF在神經(jīng)病理性疼痛的研究相比炎癥性疼痛多，可以通過各個靶點研發(fā)新型藥物來治療神經(jīng)病理性疼痛，但是，BDNF在炎癥性疼痛中的研究相對較少，需要更深入地挖掘其中的奧秘。BDNF在高級中樞大部分是起著鎮(zhèn)痛作用，只有少部分引起疼痛，如BDNF的表觀遺傳修飾在大腦皮層可以引起神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)展。神經(jīng)病性疼痛模型大腦研究偏少，研究者可以從神經(jīng)病疼痛大腦方面進行研究，尋找出對病理性疼痛有效的治療靶點。