腦源性神經營養因子在阿爾茨海默病治療中進展

高嘉潞 王鑫 宋甜甜 邢影

(吉林大學中日聯誼醫院神經內科四病區，吉林 長春 130033)

神經退行性疾病因其慢性進展及不可治愈性給患者及家庭造成了沉重的負擔，包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮側索硬化等。AD的認知功能障礙是由神經變性引起的，其與神經營養因子缺乏或功能失調密切相關，腦源性神經營養因子(BDNF)在神經元存活、分化和突觸可塑性中發揮著關鍵作用。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。本文對BDNF在AD中作用的信號傳導機制及相關治療方法的臨床研究進展做一綜述。

1 BDNF的概述

BDNF是一種堿性蛋白質，由119個氨基酸組成，相對分子量為14 kD，其基因定位于人類11號染色體短鏈上，其合成與成熟是一個多階段的過程。首先在內質網合成前體蛋白(pre-pro-BDNF)，其中信號肽被蛋白酶水解切割，從而產生 35 kD的前體物質pro-BDNF，隨后被絲氨酸蛋白酶纖溶酶和基質金屬蛋白酶(MMPs)裂解為成熟BDNF，也可在細胞內被激素原轉化酶和弗林蛋白酶(Furin)裂解，以釋放出成熟的BDNF(mBDNF)和BDNF前肽段(pBDNF)。Pro-BDNF也可以在不進一步切割的情況下分泌，本身作為內源性配體。

BDNF廣泛存在于中樞神經系統內，包括大腦皮質、海馬、黑質、紋狀體、丘腦、小腦等區域，表達最集中的區域為海馬CA2、CA1的錐體細胞層及齒狀回顆粒細胞層。同時，血管內皮細胞、單核細胞、T細胞、B細胞、周圍神經組織、心臟、肺、腎臟、卵巢及骨骼肌均有表達。BDNF主要來源于神經細胞及神經膠質細胞，少數來源于血小板及血管內皮細胞。Pro-BDNF在生長期腦內較高，而成年期腦內則是mBDNF、pBDNF含量更豐富。據報道，BDNF的表達隨著年齡的增長而降低，與某些基因調控區域受到抑制相關〔1〕。

2 BDNF的信號傳導通路

BDNF作為腦神經營養因子中的一員，參與多種信號傳導途徑，大致分為兩種受體，一種是促進神經元存活和分化的酪氨酸激酶受體(Trk)B受體，另一種是誘導細胞凋亡或存活的p75神經營養因子受體(p75NTR)。

2.1TrkB受體介導的信號傳導通路 TrkB屬于神經營養蛋白酪氨酸激酶受體家族，通過配體與其胞外域結合而被激活，進一步誘導受體磷酸化，觸發下游級聯反應。BDNF/TrkB/磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)通參與促進細胞增殖分化和抗細胞凋亡等作用〔2〕。BDNF/TrkB也可通過接頭蛋白Shc促進Ras/Raf信號通路，進一步調節蛋白激酶絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節蛋白激酶(ERK)級聯，與細胞存活和神經元分化相關。BDNF/TrkB也可激活蛋白激酶(PK)C，可以直接增加細胞內Ca2+水平，Ca2+內流通過與Ca2+反應元件(CRE)結合促進環磷腺苷反應元件(CREB)磷酸化。PI3K/Akt、PKA、PKC途徑均可激活CREB，進而增強長時記憶〔3〕。BDNF/TrkB/Rac/周期蛋白依賴激酶(CDK)5通路通過連接肌動蛋白的細胞骨架調控樹突棘密度的變化從而影響學習與記憶功能〔4〕?？偠灾?，BDNF/TrkB信號通路在細胞生存、樹突發育及突觸可塑性等方面發揮重要作用〔5〕。

2.2p75NTR受體介導的信號傳導通路 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，參與細胞凋亡。Pro-BDNF與其具有高親和力，進一步激活sortilin受體啟動信號級聯反應，導致c-jun氨基末端激酶(JNK)的激活，促使神經細胞凋亡與長時程抑制(LTD)〔6〕，并通過核轉錄因子(NF)-κB依賴的信號通路促進炎癥反應。NF-κB是重要的神經炎性因子，能調節細胞凋亡、神經元存活、增殖及免疫細胞遷移和成熟〔7〕。當mBDNF結構域與p75NTR結合時，啟動(絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶)RIP2/腫瘤壞死因子受體相關因子(TRAF)6介導的途徑，從而導致NF-κB活化，促進了大腦發育中神經元存活和維持〔8〕?？偠灾?，BDNF在大腦生理功能調節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的不同信號通路的激活，這些對于大腦發育、突觸可塑性、神經元存活等過程至關重要。

3 BDNF信號傳導在 AD中的作用

AD典型病理改變為細胞外神經炎性斑塊及細胞內神經元纖維纏結(NFT)的形成〔9〕，其中β-淀粉樣蛋白(Aβ)蛋白是神經炎性斑塊的中心，由Aβ前體蛋白(APP)水解生成〔6〕，具有誘導炎性介質釋放、促進神經細胞毒性損傷等功能，NFT主要成分為過度磷酸化的微管相關tau蛋白，其會導致神經元退行性變。

3.1與Aβ蛋白的關系 Aβ蛋白目前被認為是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APP切割可生成sAPPα，具有神經保護作用。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〕發現BDNF可通過使ADAM-10在細胞表面重分布來增強ADAM-10的加工從而抑制Aβ蛋白生成，這表明BDNF可直接調節淀粉樣蛋白生成途徑。BDNF還可通過ERK途徑激活sorla轉錄，影響APP的轉運與代謝，從而減少Aβ的產生〔11〕。BDNF的信號中斷通過促進PS1N末端催化亞單位、APPC末端片段的積累和Aβ的異常聚集來觸發海馬淀粉樣變性〔12〕。

Aβ蛋白沉積與BDNF的丟失密切相關，Aβ低聚物損害軸突BDNF逆行運輸，從而對BDNF信號和突觸功能產生不利影響。在有細胞刺激的情況下，Aβ蛋白可通過激活糖原合成激酶(GSK)3b或PKA來使環磷酸腺苷(CAMP)反應元件結合蛋白(CREB)失活從而降低BDNF的轉錄。而在無細胞刺激的情況下，Aβ蛋白并不改變CREB的基礎水平，而是誘導CREB轉錄下調，CREB是學習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) 激活促進鈣細胞內水平的持續增加，導致鈣蛋白酶過度激活，從而導致TrkB-FL裂解，阻礙了BDNF對突觸可塑性和神經遞質釋放的促進作用〔14〕。

3.2與tau蛋白的關系 有研究表明，是NFT與AD的認知能力下降及嚴重程度更加密切相關。TauN368片段直接結合TrkB受體并阻斷其神經營養信號，從而誘導神經元細胞死亡。BDNF可以調節tau的表達、磷酸化和分布。Jiao等〔15〕研究表明，通過腺相關病素(AAV)介導人成熟BDNF基因傳遞至小鼠內嗅皮層減少了P301L小鼠的行為缺陷，防止神經元丟失、減輕突觸變性和神經損傷。其機制主要是激活了BDNF/TrKB信號通路，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〕。通過對比受試者生前與死后的區域海馬及錐體神經元的臨床病理學解剖，發現TrkB的下調與內嗅皮質及海馬NFT的增加獨立相關。也許改善BDNF/TrkB信號缺陷，特別是內嗅皮質和海馬內的信號缺陷可能會潛在地消除神經炎性斑(NPs)和NFT的形成〔16〕。

3.3與炎癥的關系 慢性神經炎癥是AD的病理特征，BDNF/TrkB的剝奪會增加炎性細胞因子并激活JAK2/STAT3通路，導致C/EPBβ上調，反過來又導致δ-分泌酶、APP和tau片段化的表達增加，從而加速Aβ和tau病理進展〔17〕。給予促炎因子或脂多糖(LPS)會導致BDNF基因表達顯著降低，其誘導的記憶缺陷歸因于AD模型中Toll樣受體(TLR)4/NF-κB信號傳導的激活和CREB/BDNF表達的抑制〔11〕。NF-κB在AD患者的大腦中表達增加，其可上調人BACE1基因轉錄以促進β-分泌酶切割APP及Aβ蛋白生成。

4 基于BDNF的AD靶向治療

越來越多的證據表明，BDNF對AD的發病機制具有保護作用。Wang等〔18〕研究表明，BDNF激動劑AS86可改善APP/PS1轉基因小鼠的認知功能缺陷，證明了BDNF對AD的治療作用。在AD相關的各種模型中，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，且在血腦屏障中擴散有限，傳遞途徑受到限制，很難充分發揮治療作用。為了規避這些風險，許多干預措施將研究重點放在了恢復內源性BDNF水平，比如BDNF基因療法，其載體通常為腺病毒，Jiao等〔15〕通過側腦室注射攜帶編碼人BDNF基因的腺相關病毒(AAV-BDNF)實現了BDNF的穩定表達，并恢復了P301L小鼠大腦中的BDNF水平。但局部注射基因載體可能會導致腦區產生炎癥，通常伴有神經毒性，損傷神經元的功能〔19〕。病毒載體也有在腦內發生突變導致產生神經腫瘤的可能〔19〕。也可通過遞送產生BDNF的細胞來改善認知功能，有研究表明星形膠質細胞傳遞BDNF可挽救5XFAD小鼠模型的記憶缺陷，促進樹突生長〔20〕。但移植的細胞也有細胞癌變、免疫排斥等問題需要解決。目前新開發出納米顆粒與水凝膠結合形成的用于藥物遞送的混合生物材料系統〔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蛋白誘導的毒性、降低促炎因子的水平。一些非侵入性給藥方式如經鼻給藥，已被證實可顯著提高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動〔23〕、經顱磁刺激、豐富環境〔24〕等方式也可以增加腦內BDNF的表達。

除了增加BDNF水平，針對其相關受體的調節也是一種治療思路。目前有幾種促進TrkB受體激活的相關策略，包括TrkB受體激動劑如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通路改善認知功能。為了針對AD不同的病理特征，開發出了一種多靶點定向配體(MTDL)策略。研究發現〔27〕，二聚體他克林-石杉堿甲(A10E)可通過抑制乙酰膽堿酯酶(AChE)和增強BDNF表達在AD小鼠模型(APP/PS1小鼠和Aβ寡聚體處理后的小鼠)中產生認知增強作用，其中A10E可以通過多靶點機制產生神經保護作用，包括抑制Aβ聚集、激活BDNF/TrKB通路、緩解神經炎癥和降低AChE活性?？杀婚_發為治療AD的有希望的先導藥。

綜上，BDNF是一種關鍵的神經營養因子，其在神經元存活、分化、長時程記憶增強及改善認知等方面重要作用，在AD病理過程中通過不同信號通路中發揮作用，了解BDNF作用機制也為AD治療提供新的有希望的研究方向。目前已經在干擾BDNF信號傳導通路及補充內源或外源性BDNF水平等方面進行了諸多嘗試，取得了許多重要成果。隨著科學發展，納米技術的出現解決了藥物無法穿過血腦屏障的問題，未來可進一步細化研究如何腦內靶向及避免侵入性給藥引起其他不良反應等，為AD治療開辟新的方向。