腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子誘發(fā)癲癇機(jī)制的研究進(jìn)展

肖秋杰 綜述，黃靈 審校

1.右江民族醫(yī)學(xué)院，廣西 百色 533000；2.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，廣西 百色 533000

癲癇是一種嚴(yán)重的慢性和使人衰弱的腦部疾病，其對患者的神經(jīng)系統(tǒng)、認(rèn)知、心理和社會適應(yīng)都帶來不利的影響。癲癇的發(fā)病率是僅次于腦卒中、老年癡呆的一種可發(fā)生于各個(gè)年齡段人群的慢性疾病，我國癲癇患病率大約為7.2‰[1]。癲癇發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及一系列復(fù)雜的細(xì)胞和分子過程。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)是“神經(jīng)營養(yǎng)”家族的第二個(gè)成員，它是一種調(diào)節(jié)哺乳動物健康和疾病中神經(jīng)元功能(神經(jīng)元發(fā)育、存活和可塑性，突觸結(jié)構(gòu)和活性)的關(guān)鍵因素[2-3]。BDNF 廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)，在星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、紋狀體、大腦皮層、小腦以及信號活躍和發(fā)作頻繁的區(qū)域有表達(dá)，特別在與癲癇發(fā)作易感性相關(guān)的大腦區(qū)域(例如海馬和內(nèi)嗅皮層)有高表達(dá)[4-5]。然而，關(guān)于BDNF 在癲癇中的功能一直存在爭議。一些研究表明[6-7]，BDNF 可以顯著減少癲癇發(fā)作，修復(fù)癲癇引起的神經(jīng)元損傷，改善認(rèn)知及行為異常。然而大量的證據(jù)表明BDNF 是一種致癇因子。因此，本文從細(xì)胞和分子角度對BDNF 如何導(dǎo)致癲癇的發(fā)病機(jī)制展開綜述。

1 BDNF的概念及其分子結(jié)構(gòu)

Purves等[8]于1988年首次提出“神經(jīng)營養(yǎng)蛋白”一詞，目前發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)營養(yǎng)蛋白主要有神經(jīng)營養(yǎng)蛋白3(NT-3)、NT-4、BDNF 和神經(jīng)生長因子(NGF)四種。其中，BDNF 的首次純化是在1982年德國神經(jīng)生物學(xué)家Brade等[9]從豬腦中提取?，F(xiàn)已知的人類BDNF基因定位于11q13，其前體為247個(gè)氨基酸殘基前多肽原，是由一個(gè)含18個(gè)氨基酸殘基信號序列以及一個(gè)含110氨基酸殘基前序列(ProBDNF)和一個(gè)含119氨基酸殘基的成熟序列(mBDNF)構(gòu)成，其分子量為13 KDa，等電點(diǎn)為9.99，鏈內(nèi)有3 對二硫鍵，在體內(nèi)以二聚體的形式存在[10]。在本綜述中，重點(diǎn)對BDNF展開描述，它被認(rèn)為在許多與腦相關(guān)的病理狀況中起著至關(guān)重要的作用。

2 BDNF致癲癇的相關(guān)機(jī)制

2.1 BDNF受體及信號通路 BDNF可以以前體(proBDNF)或成熟形式(mBDNF)分泌，其分別結(jié)合兩種不同受體(p75NTR 和TrkB)。不同形式的神經(jīng)營養(yǎng)因子可以通過與不同的受體結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)作用，優(yōu)先激活不同的受體以誘導(dǎo)細(xì)胞存活或死亡[11]。對信號通路的研究表明，基底前腦神經(jīng)元暴露于前神經(jīng)營養(yǎng)因子或成熟的神經(jīng)營養(yǎng)因子明顯激活了不同的通路，分別與誘導(dǎo)c-Jun N末端激酶(JNK)磷酸化和半胱天冬酶-6(caspase-6)和caspase-3裂解的前神經(jīng)營養(yǎng)因子，以及誘導(dǎo)蛋白激酶B (AktB)和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Erk)磷酸化的成熟神經(jīng)營養(yǎng)因子[12]。

2.1.1 BDNF 與TrkB 有證據(jù)表明[13]，特定大腦區(qū)域中TrkB 信號傳導(dǎo)的上調(diào)可能是導(dǎo)致病理生理過程中誘導(dǎo)持續(xù)的分子和細(xì)胞變化的基礎(chǔ)。大多數(shù)BDNF信號傳導(dǎo)是通過識別TrkB受體而發(fā)生的，該受體與多種信號通路偶聯(lián)，包括有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)/蛋白激酶C、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-K)和磷脂酶Cγ等，進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)元增殖、分化和存活以及神經(jīng)遞質(zhì)釋放和突觸可塑性。BDNF也可通過其同源受體TrkB以促進(jìn)幾類抑制性中間神經(jīng)元的功能，包括生長抑素(SST)、神經(jīng)肽Y(NPY)、P物質(zhì)和皮質(zhì)中的皮質(zhì)抑素(Cort)等[14-15]，這暗示了BDNF 信號傳導(dǎo)對于調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性/抑制性平衡(E/I Balance)至關(guān)重要。

BDNF 受體TrkB 的激活促進(jìn)了由癲癇持續(xù)狀態(tài)(SE)引起的癲癇發(fā)生。Unsain等[16]通過注入功能阻斷抗體、反義寡核苷酸和重組人BDNF蛋白證明了BDNF是SE后神經(jīng)元損傷的正調(diào)節(jié)劑。在顳葉癲癇(TLE)小鼠的齒狀回和CA3區(qū)域中觀察到BDNF和TrkB蛋白的急劇增加，證明了BDNF/TrkB通路的上調(diào)至少部分是導(dǎo)致癲癇發(fā)生的原因[17]。Liu等[18]證明了SE誘導(dǎo)的TrkB信號增強(qiáng)不僅會導(dǎo)致癲癇反復(fù)發(fā)作，而且還會使受試者容易表達(dá)焦慮樣行為。TrkB抑制劑已用于治療TrkB過度激活的多種疾病，特別是TLE[19]。

2.1.2 BDNF與p75NTR p75NTR是腫瘤壞死因子(TNF)的一員，它可以介導(dǎo)許多不同的細(xì)胞功能，例如細(xì)胞存活、凋亡和軸突生長，常見的p75NTR與細(xì)胞死亡有關(guān)[20]。除mBDNF 的促癲癇作用外，毛果蕓香堿誘發(fā)癲癇發(fā)作后proBDNF 和p75NTR 顯著增加，且在隨后的神經(jīng)元丟失和癲癇發(fā)展中的起重要作用。p75NTR介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是癲癇發(fā)生的介質(zhì)，神經(jīng)營養(yǎng)因子原(即pro-NGF 和pro-BDNF)一旦釋放優(yōu)先結(jié)合并激活p75NTR，并在癲癇發(fā)作后在凋亡神經(jīng)元中上調(diào)[21]。Riffault等[22]證實(shí)了當(dāng)在小鼠大腦發(fā)育過程中增加的proBDNF/p75NTR 信號傳導(dǎo)可在成熟神經(jīng)元細(xì)胞中以氯化鉀共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(KCC2)依賴性方式維持去極化的γ-氨基丁酸(GABA)反應(yīng)，可增加小鼠癲癇發(fā)作的易感性。此外，SE 后的proBDNF/p75NTR 反應(yīng)選擇性下調(diào)KCC2 促進(jìn)氯化物的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)失調(diào)，導(dǎo)致GABAA 受體的興奮作用并促進(jìn)癲癇樣放電。這些結(jié)果均表明proBDNF/p75NTR 在癲癇發(fā)生機(jī)理中起關(guān)鍵作用。

2.2 BDNF 與γ-氨基丁酸(GABA)、神經(jīng)元谷氨酸(Glu) 突觸傳遞調(diào)節(jié)的異常在許多腦部疾病的發(fā)病機(jī)制中起作用，例如癲癇、帕金森病等[23]。致癇機(jī)制的一種假設(shè)是興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)之間的不平衡，最終導(dǎo)致癲癇發(fā)作閾值降低。眾所周知BDNF 是突觸成熟、可塑性和信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)劑，其結(jié)果是破壞神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中興奮和抑制之間的平衡，這可能導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)元放電并最終產(chǎn)生自發(fā)性、復(fù)發(fā)性癲癇發(fā)作。

2.2.1 BDNF 與GABA GABA是主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。在成熟健康的哺乳動物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，GABA 通過作用于GABAA 和GABAB受體(GABAAR，GABABR)來介導(dǎo)突觸抑制。GABAAR 是大腦中主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)受體，它的多個(gè)亞基表現(xiàn)出區(qū)域性、發(fā)育性和疾病相關(guān)的表達(dá)可塑性。具體來說，已經(jīng)表明24 h的BDNF暴露以類似于TLE模型中所見的方式直接調(diào)節(jié)培養(yǎng)中海馬神經(jīng)元中的α-亞基水平，導(dǎo)致GABAAR α1亞基表達(dá)減少和GABAAR α4增加表達(dá)。Lund 等[24]報(bào)告了癲癇引起的與癲癇相關(guān)的GABAAR α1亞基表達(dá)減少是由Janus激酶(JAK)/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)通路介導(dǎo)的，該通路由BDNF 調(diào)節(jié)。Xu 等[25]發(fā)現(xiàn)GABAAR α1 亞基的降低可能與杏仁核點(diǎn)燃的耐藥癲癇大鼠誘導(dǎo)型cAMP 早期抑制因子(ICER)和BDNF的增加有關(guān)。多項(xiàng)研究表明，KCC2/Na-K-2Cl協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(NKCC1)表達(dá)改變引起的興奮性GABA 作用可導(dǎo)致TLE 發(fā)作[26-28]。BDNF 也可以通過增加N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體活性來調(diào)節(jié)突觸傳遞，減少海馬培養(yǎng)物中GABA能突觸對GABA能突觸后細(xì)胞的抑制，引起大鼠海馬神經(jīng)元的快速興奮，并通過TrkB 信號促進(jìn)發(fā)生內(nèi)側(cè)TLE。因此，BDNF 調(diào)節(jié)GABA 的表達(dá)可改變E/I Balance促進(jìn)癲癇的發(fā)生，并且機(jī)制復(fù)雜。

2.2.2 BDNF 與Glu Glu 是主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，且Glu 受體(特別是離子型NMDA 受體)在癲癇發(fā)生中的起關(guān)鍵作用。對人類癲癇的研究表明[29]，海馬神經(jīng)元中NMDAR1 轉(zhuǎn)錄物的表達(dá)增加，其可能與神經(jīng)元過度興奮、同步和癲癇發(fā)作增加有關(guān)。Kourdougli 等[30]發(fā)現(xiàn)了SE 后早期異常去極化GABA 和p75NTR信號促進(jìn)了Glu能網(wǎng)絡(luò)的長期重排，這有助于致癲癇過程。在戊四氮(PTZ)點(diǎn)燃慢性癲癇大鼠模型中，BDNF 能夠促進(jìn)培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體-1(GLT-1)表達(dá)增高，以增強(qiáng)谷氨酸攝取功能[31]。

2.3 BDNF 與MicroRNA MicroRNA (miRNA)是一種小型非編碼RNA，其影響神經(jīng)元發(fā)育、突觸可塑性和生理學(xué)反應(yīng)。miRNA 失調(diào)可調(diào)節(jié)癲癇的多種分子和細(xì)胞途徑，包括細(xì)胞分化、遷移和增殖。異常的miRNA 表達(dá)與癲癇有關(guān)，包括miR-128、miR-132、miR-134、miR-155、miR-103a 等，且異常的miRNA 與BDNF 相互作用可導(dǎo)致癲癇的發(fā)生與發(fā)展。miR-155是一種典型的多功能miRNA，在炎癥、免疫反應(yīng)和腫瘤發(fā)生中起著重要作用。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，已發(fā)現(xiàn)miR-155 是免疫中促炎癥反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子,它在血腦屏障(BBB)破壞中發(fā)揮積極作用，增加了對神經(jīng)毒性事件的易感性。有研究發(fā)現(xiàn)，其在癲癇患者和海藻酸誘發(fā)的癲癇小鼠的大腦(包括小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、皮質(zhì)和海馬)及生物流體(包括腦脊液和血液)中表達(dá)明顯升高，特別在小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中含量豐富[32]。TLE小鼠中miR-155的上調(diào)伴隨著腦電圖性能和癲癇發(fā)作功能的惡化。有研究證明[33-34]，過表達(dá)的miR-155對BDNF的負(fù)調(diào)節(jié)作用導(dǎo)致BDNF減少進(jìn)而誘發(fā)癲癇發(fā)作，且miRNA-155 通過PI3K/Akt/mTOR 信號通路促進(jìn)了癲癇的發(fā)生。在SE 海馬神經(jīng)元培養(yǎng)模型中，miR-132 的過表達(dá)可通過調(diào)節(jié)的BDNF/TrkB信號傳導(dǎo)來促進(jìn)癲癇發(fā)生[35]。miR-132靶向多個(gè)離子通道，過度表達(dá)的前miR-132 增強(qiáng)谷氨酸、NMDA 介導(dǎo)的培養(yǎng)神經(jīng)元去極化，相應(yīng)地影響細(xì)胞興奮性。有研究發(fā)現(xiàn)，Rho GTPase 激活蛋白32(p250GAP)、甲基CpG 結(jié)合蛋白2(MeCP2)、核受體相關(guān)1蛋白(Nurr1)均被認(rèn)為是miRNA-132的靶點(diǎn)，其介導(dǎo)、控制BDNF 誘導(dǎo)的突觸后蛋白表達(dá)的功能[23]。因此，神經(jīng)元表達(dá)的miR-132 的多個(gè)靶點(diǎn)與BDNF/TrkB存在組合關(guān)系進(jìn)而導(dǎo)致癲癇的發(fā)生。miR-103的下調(diào)可誘發(fā)多種疾病，包括糖尿病、癌癥以及心肌梗塞。然而miR-103 的上調(diào)可能在中樞神經(jīng)系統(tǒng)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)中起重要作用，BDNF 是miR-103a 的直接靶基因。BDNF通過上調(diào)miR-103表達(dá)導(dǎo)致癲癇大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活和海馬神經(jīng)元損傷[36]。

2.4 BDNF 與苔蘚纖維(MF) 癲癇誘導(dǎo)的神經(jīng)營養(yǎng)因子上調(diào)可導(dǎo)致癲癇發(fā)生過程中的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能改變。有研究表明[37]，新合成的、順行運(yùn)輸?shù)暮头置诘腂DNF 會影響軸突從顆粒細(xì)胞(即MF)的初始發(fā)芽。MF萌芽是通過單個(gè)MF終端和側(cè)枝的生長以及新突觸的建立來改變功能連接，BDNF能促進(jìn)MF出芽，建立新的突觸連接能導(dǎo)致癲癇發(fā)作。Danzer等[38]發(fā)現(xiàn)BDNF 表達(dá)增加引發(fā)了細(xì)胞50 mm內(nèi)MF軸突的分支增加，這表明BDNF 對齒狀顆粒細(xì)胞(DGC)具有形態(tài)調(diào)節(jié)作用，可能代表BDNF 促進(jìn)邊緣癲癇發(fā)生的一種機(jī)制。在海馬中過度表達(dá)BDNF的轉(zhuǎn)基因小鼠中，MF預(yù)測擴(kuò)展到CA3，并隨著年齡的增長而發(fā)展為自發(fā)性癲癇發(fā)作[39]。在癲癇小鼠的海馬中，L 型鈣通道的過度激活導(dǎo)致DGC 表達(dá)BDNF，且細(xì)胞外釋放的BDNF刺激存在于MF 肺門段的TrkB 受體誘導(dǎo)軸突分支，這可能建立過度興奮的齒狀回路[40]。癲癇活動增加了整個(gè)海馬體的BDNF 表達(dá)并促進(jìn)了MF 的反應(yīng)性萌芽，其中BDNF-TrkB信號刺激了這種形態(tài)學(xué)反應(yīng)，從而有助于癲癇發(fā)生的機(jī)制[41]?？偟膩碚f，BDNF 的持續(xù)增加會隨著時(shí)間的推移破壞海馬功能和改變齒狀結(jié)構(gòu)組織，從而有助于促癲癇回路的發(fā)展。

2.5 BDNF與外周激素

2.5.1 BDNF 與雌激素 雌激素和BDNF對癲癇發(fā)作和神經(jīng)元損傷的影響很復(fù)雜。雌激素和BDNF的影響有關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和轉(zhuǎn)錄因子也是共享的，這些包括p42/44 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑、PI3-K 通路、Src/Fyn(一種Src 家族酪氨酸激酶)、Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II(CaMKII)和CREB。有研究表明[42-43]，雌激素和BDNF 可以增加癲癇發(fā)作的易感性。在排卵期和圍經(jīng)期，17β-雌二醇可以增加BDNF 水平，進(jìn)而通過生長反應(yīng)因子3 (Egr3)作用于GABA 能突觸[44]，可以解釋月經(jīng)期癲癇女性癲癇發(fā)作易感性的增加。在一部分患有月經(jīng)性癲癇的女性中，排卵期癲癇發(fā)作頻率會增加[45]。另外，月經(jīng)時(shí)黃體酮的減少會導(dǎo)致去抑制作用，而這種缺乏抑制作用會導(dǎo)致癲癇發(fā)作頻率增加。

2.5.2 BDNF 與糖皮質(zhì)激素(GCs) 糖皮質(zhì)激素受體(GR)與GCs 的結(jié)合對于神經(jīng)元功能也至關(guān)重要。在培養(yǎng)基中存在大量GC的情況下及胎兒小鼠海馬神經(jīng)元模型中，發(fā)現(xiàn)GR可通過與外顯子IV上游特定DNA 區(qū)域的結(jié)合直接下調(diào)BDNF 的表達(dá)[46]。Lambert等[47]證實(shí)TrkB受體的BDNF激活通過磷酸化受體上的兩個(gè)關(guān)鍵絲氨酸殘基(絲氨酸155(S155)和S287)來積極調(diào)節(jié)其靶基因表達(dá)的GR活性。Gamartínez-levy等[48]發(fā)現(xiàn)在耐藥性TLE 患者的顳葉皮質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄本BDNF I和BDNF VI增加，且CREB和GR的表達(dá)受到與BDNF相同的影響。

2.6 BDNF 與其他 基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)與細(xì)胞凋亡、壞死細(xì)胞死亡和突觸可塑性相關(guān)。MMP-3和MMP-9 是內(nèi)肽酶，介導(dǎo)BBB 的分解以及活化的血源性白細(xì)胞侵入大腦。施用海藻酸(KA)、戊四氮(PTZ)3 d后的小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及淋巴細(xì)胞中的MMP-3 和MMP-9 的免疫染色增加[49]。MMP-9 在癲癇的發(fā)病機(jī)理中起作用，并與癲癇灶的形成和癲癇發(fā)作后這些灶內(nèi)的組織重塑有關(guān)。神經(jīng)元MMP-9可通過控制樹突棘的形狀和興奮性突觸的功能來參與突觸可塑性，從而在學(xué)習(xí)、記憶和皮質(zhì)可塑性中起關(guān)鍵作用[50]。PTZ 點(diǎn)燃涉及長時(shí)間MMP-9 激活和BDNF水平升高引起的突觸重塑。MMP-9 可將pro-BDNF轉(zhuǎn)化為成熟的BDNF，從而激活TrkB導(dǎo)致癲癇發(fā)生。

癲癇發(fā)作是由于大腦內(nèi)部同步的高級神經(jīng)元活動引起的，一些陽離子通道的調(diào)節(jié)異常與癲癇發(fā)生有關(guān)。細(xì)胞內(nèi)鈣儲存(如線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng))的去極化和鈣超載可能導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞非可逆性腫脹、損傷和最終死亡[51]。通過細(xì)胞外鈣內(nèi)流引起的鈣超載對神經(jīng)元有毒，尤其是通過離子型Glu 受體(如NMDAR 和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(AMPAR)。BDNF 可以增加NMDAR 的激活，導(dǎo)致過多的Ca2+通量，大量Ca2+進(jìn)入神經(jīng)元細(xì)胞，從而導(dǎo)致異常的快速尖峰和爆發(fā)，進(jìn)而觸發(fā)依賴途徑誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡，從而惡化癲癇相關(guān)的病理改變[52]。

3 展望

BDNF 與多種神經(jīng)精神疾病有關(guān)，常見的有癲癇、精神分裂癥、抑郁癥、阿爾茨海默病、亨廷頓病等[53-55]。其中癲癇的發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，且病因不明確，對患者生活影響較大。目前藥物是癲癇患者的主要治療方式，有數(shù)據(jù)研究表明仍有30%左右的癲癇患者通過藥物治療后，仍然不能控制其癲癇的發(fā)作[56]。因此，近年來癲癇發(fā)病機(jī)制以及治療研究的熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向細(xì)胞、分子等方面，本綜述總結(jié)了BDNF部分致癇機(jī)制，但BDNF 或其他因子致癇機(jī)制(包括離子通道、突觸傳遞、信號通路、相關(guān)受體等)有待進(jìn)一步探究。在BDNF 促癲癇的作用機(jī)理的研究中，BDNF 基因的功能以及蛋白水平表達(dá)方面的研究也取得了一些進(jìn)展，但仍未完全闡明其復(fù)雜的作用機(jī)制。堅(jiān)信對BDNF的更深入的探究，會為神經(jīng)退行性疾病的病因、診斷和治療方法等方面開辟新的道路。