腦源性神經營養因子在眼部疾病中的研究進展

朱安民，譚 薇，伍姜霓

0引言

腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是一種堿性蛋白質(等電點為9.6)，也是神經營養因子家族的一員，在神經元的發育、分化和維持中起重要作用[1]。BDNF的表達在轉錄和翻譯過程中受調控，也受翻譯后修飾的調節，復雜的多水平調控表明了BDNF功能的重要性和多樣性[2]。BDNF基因首先合成前體proBDNF，然后proBDNF可被幾種蛋白酶切割產生成熟的BDNF蛋白[3]。原肌球蛋白受體激酶B(tropomyosin receptor kinase B，TrkB)是BDNF的受體[4]，成熟形式的BDNF通過與TrkB酪氨酸激酶受體結合啟動其神經營養信號通路，導致神經細胞存活、修復和發育[5]。BDNF在視網膜中主要由視網膜神經節細胞(retinal ganglion cells, RGCs)、無長突細胞、星形膠質細胞、視網膜膠質細胞(Müller細胞)和光感受器產生[6]。越來越多的研究發現BDNF參與青光眼、糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)、弱視、視神經病變和年齡相關性黃斑變性等眼部疾病的發生發展且具有神經保護作用。本文重點綜述近年來BDNF在青光眼、DR和弱視中的研究進展，以期為進一步研究BDNF在診斷和靶向治療眼部疾病方面提供幫助。

1 BDNF與青光眼

青光眼是一組以RGCs及其軸突變性為特征的慢性視神經病[7]。這些病變是漸進性的和不可逆轉的，最終會導致患者失明[8]。青光眼最常見的危險因素是高眼壓，目前用于降低眼壓的方法已被證明可以延緩青光眼引起的損害的進展[9]。然而降低眼壓無法解決或逆轉神經病變[10]。早期青光眼雖然通常沒有癥狀，但是視網膜會發生微小的變化，如RGCs丟失[11]。因此，不依賴眼壓的神經保護策略將有利于早期干預，防止疾病進展[9]。RGCs是一個重要的干預靶點，BDNF對RGCs的存活至關重要[12]。此外，BDNF具有作為青光眼的生物標志物的可能性，可能為診斷、篩查和評估青光眼進展提供一種可靠、省時、經濟的方法[13]。

1.1BDNF作為診斷標志物近年來，有學者發現早、中期青光眼患者血清BDNF水平與健康對照者相比明顯降低[14]。另一項研究中[15]，青光眼患者與非青光眼的白內障患者相比，早、中期青光眼組患者的血清BDNF水平明顯低于對照組患者，且早期青光眼患者血清BDNF濃度低于中度青光眼患者。此外，關于BDNF在青光眼患者房水、淚液中的表達情況，Shpak等[16]發現原發性開角型青光眼(primary open angle glaucoma，POAG)患者與對照組相比，房水、淚液和血清中BDNF含量明顯降低，早期POAG房水、淚液和血清中的BDNF的含量明顯降低，后期BDNF含量相對升高。他們還發現淚液和房水中BDNF的含量具有很強的相關性，這一現象為間接研究POAG患者房水中的BDNF水平開辟了新的途徑。綜上所述，血清、房水和淚液中的BDNF可能作為早期篩查的生物標志物，有利于及早對青光眼患者進行干預，避免其發展至晚期青光眼，但仍需評估BDNF在青光眼中的診斷價值。值得注意的是，青光眼患者與正常對照組相比，BDNF降低，而后期青光眼與早期青光眼相比，BDNF相對升高可能是一種代償/神經保護反應，有待進一步研究。

1.2基因治療早期實驗中使用的外源性BDNF補充劑在視網膜中顯示了良好的結果，但這種補充方式的局限性是BDNF活性的持續時間是有限的，需要重復使用才能獲得長期的神經保護[17-18]。研究發現，基于基因的治療方法可以在青光眼模型中提供神經保護且BDNF活性的持續時間更長且安全性可靠[19]。Wójcik-Gryciuk等[20]利用編碼BDNF的2型腺相關病毒載體(adeno-associated virus 2，AAV2)在微珠誘導的高眼壓大鼠模型中進行了單側玻璃體內注射。通過RGCs計數評估RGCs神經保護作用，與單純損傷大鼠相比，損傷+AAV2-BDNF治療的大鼠RGCs丟失明顯減輕。然而，在損傷+治療的大鼠中，BDNF過度表達引起TrkB的反向下調會導致BDNF及其神經保護作用的脫敏。為了解決這個問題，Osborne等[19]采用了由編碼BDNF和TrkB的AAV2載體組成的基因療法,發現在視神經擠壓的小鼠模型中，使用AAV2-TrkB-2A-mBDNF比單獨使用BDNF更能顯著減少RGCs的損失。此外，研究發現，BDNF能改善軸突運輸、軸突連續性及遠端和近端視神經中的軸突數量[21]。TrkB對神經元遷移、軸突生長、分化和連接至關重要[22]。Khatib等[23]在實驗性青光眼模型中，發現AAV2-TrkB-2A-mBDNF對軸突運輸的影響優于單獨使用AAV2-TrkB或AAV2-mBDNF。

酪氨酸三重突變體AAV(triple mutant AAV，tm-AAV)載體能提高轉導效率和加速蛋白表達[24]。Shiozawa等[25]將編碼BDNF的自補tm-AAV2載體(tm-scAAV2-BDNF)用在N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartate， NMDA)誘導的視網膜損傷小鼠模型中，該模型是基于青光眼“谷氨酸假說”的一種視網膜內損傷模型。與NMDA處理組的小鼠相比，BDNF處理組明顯避免了組織學損傷，RGCs的數量顯著增加。用暗視視網膜電圖評估視功能，BDNF治療組的B波振幅明顯高于NMDA組。膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)是一種視網膜應激標志物，與NMDA處理的小鼠相比，BDNF治療能夠顯著降低GFAP的水平。提示tm-scAAV2-BDNF對包括正常眼壓性青光眼在內的視網膜內損傷具有潛在的治療作用。Igarashi等[26]將同樣的tm-scAAV2-BDNF載體用于引起大鼠眼壓一過性升高的缺血/再灌注損傷模型中，發現BDNF能顯著減輕視網膜厚度和結構丟失，挽救RGC，增加B波，減少GFAP表達。

綜上所述，在不同的青光眼模型中，編碼BDNF的AAV載體顯示了一致的和相當大的RGCs神經保護和視覺功能保護。但是基因治療的一個限制是需要在誘導眼壓升高前一段時間進行眼內注射。因此，這需要在臨床環境中使用特定的時機。

2BDNF與DR

DR是糖尿病的一種常見并發癥，也是工作年齡人群的首位致盲性眼病[27]。越來越多的證據表明，糖尿病視網膜神經變性即糖尿病視神經變性是DR發病機制中的早期事件[28-29]，糖尿病視神經變性出現早于通過臨床檢查可發現的微血管病變[30]。糖尿病視神經變性的重要特征是神經細胞凋亡和反應性膠質細胞增生[27]。研究表明，BDNF的下調可能是導致糖尿病視神經變性的重要原因[31]，且BDNF水平下調被認為是DR的獨立標志物[32-33]。另外，BDNF具有保護視網膜細胞免受缺氧和葡萄糖剝奪造成的損傷的功能[34]。

2.1BDNF作為診斷標志物目前，眼底熒光血管造影(fundus fluorescence angiography，FFA)是診斷不同階段DR的金標準,這是一種侵入性操作，會給患者帶來不適，要在較大范圍內進行FFA檢查是很困難的[35]。尋找方便有效的篩查生物標志物將有助于識別需要臨床評估和治療的個體。有研究發現，DR患者的血清和房水中BDNF水平在臨床癥狀出現之前顯著降低，且血清中的BDNF水平隨病情嚴重程度增加而減少：從健康對照者、無視網膜病變的糖尿病患者、非增殖性糖尿病視網膜病變(non-proliferative diabetic retinopathy，NPDR)到增殖性視網膜病變，血清中的BDNF水平逐步減少[36]。另外，Jun等[37]通過研究發現伴糖尿病黃斑水腫(diabetic macular edema，DME)的NPDR患者和不伴DME的NPDR患者的血清和房水中BDNF水平顯著低于健康對照者，且合并DME的NPDR患者血清和房水中的BDNF水平均低于未合并DME的NPDR患者。上述研究均提示BDNF水平可能作為DR早期診斷及判斷DR嚴重程度的標志物，但需進一步驗證BDNF在DR中的診斷價值。明確BDNF在DR中的診斷作用，有利于更早發現DR，采取治療避免DR進展至更晚期。

2.2基于BDNF的治療目前DR的治療主要針對DR引起的血管病變且療效有限[38]，DR早期的神經病變尚無有效的治療方法[39]。先前的研究中通過將編碼BDNF的AAV輸送到眼睛的基因治療在DR動物模型的神經保護方面顯示出很好的結果[40]。近年來，大量研究發現通過干細胞移植和給藥等方式可增加BDNF以保護視網膜神經元，為DR早期治療提供更多選擇。

2.2.1干細胞療法干細胞在理論上有著分化為各種人體組織器官細胞的可能性，越來越多的證據支持在視網膜疾病的療法中，干細胞療法是其中最有希望的研究熱點之一[41]。間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一類起源于中胚層的成體干細胞，廣泛存在于骨髓、脂肪組織、臍帶和胎盤組織等組織中[42]。越來越多的證據表明氧化應激參與了DR的發病，研究發現骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)在H2O2氧化損傷模型中可以通過改善抗氧化能力，抑制炎性細胞因子的分泌和促進BDNF等神經營養因子的表達來增強對視網膜神經節細胞的保護作用[43]。Zhang等[44]采用源自人臍帶間充質干細胞(umbilical cord-derived mesenchymal stem cells，UC-MSCs)的神經干細胞治療DR大鼠，發現BDNF水平明顯高于對照組，且存活的RGCs數量增加，顯著延緩DR的進展。此外，在另一種干細胞移植療法中，Rong等[45]將小鼠骨髓CD133+干細胞移植到鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘導的DR小鼠玻璃體內，移植的CD133+干細胞在體內表達BDNF，并增加了STZ誘導的DR小鼠中BDNF的水平，以支持RGCs和桿狀雙極細胞的存活。因此，深入了解基于BDNF的干細胞療法對DR神經保護具有重要意義。

2.2.2給藥增加BDNF水平在DR中，氧化應激會導致BDNF下調，NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)是活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要產生者，羅布麻素是一種植物來源的載脂蛋白，在缺氧誘導的人視網膜Müller膠質細胞中，能夠抑制NOX亞型NOX4表達，進而上調BDNF減輕視網膜損害[46]。槲皮素是黃酮類化合物的一種，具有強大的抗氧化作用，研究發現在DR大鼠中可能通過上調BDNF等神經營養因子水平和抑制神經元凋亡來保護糖尿病視網膜神經元[47]。此外，Suzumura等[48]發現在STZ誘導的糖尿病大鼠的DR早期口服二十碳五烯酸乙酯可通過增加代謝產物18-羥基二十碳五烯酸來上調BDNF進而阻止視網膜神經變性。Kim等[49]發現注射氟西汀可通過上調STZ誘導的糖尿病大鼠視網膜BDNF表達從而發揮抗細胞凋亡作用。基于上述研究，現有的藥物也能夠用于增加BDNF的表達，對抗DR早期視網膜神經損傷。

3 BDNF與弱視

弱視是一種由于兒童時期視覺通路發育異常而導致視力下降的疾病[50]。由于從青年到成年的大腦可塑性急劇下降，長期以來，視力喪失一直被認為是在關鍵時期后不可逆轉的[51]。然而，最近的研究發現即使在關鍵期結束后，某些基因調控網絡也可以在受到損傷時上調，導致解剖學和神經生化變化，這可能會改變神經元的活動和連通性[52]。這種神經可塑性的重新激活試圖修復或補償成人大腦中功能的喪失，在視覺系統中也可以看到這一點，例如成年C57BL/6J小鼠經過去傳入和長期單眼剝奪，重新睜開眼的對側視皮層聚唾液酸的升高伴隨著BDNF上調且促進成年小鼠視皮層可塑性的重新激活和視功能的恢復[51]。研究發現，BDNF在弱視發病機制中有著重要意義，BDNF的減少促進了弱視的發生，提示增加BDNF的表達具有治療意義[53]。BDNF因其在嚙齒動物視皮層結構和功能水平上介導的環境富集對神經可塑性顯著有利影響而被提出用于增強成年受試者的視皮層可塑性[54]。然而，由于BDNF不可能通過外周給藥有效地穿過血腦屏障，這一看好的方法似乎受到了阻礙[55]。最近，Sansevero等[56]通過對成年弱視大鼠鼻腔內無創注射BDNF增加了初級視皮層中這種神經營養因子的水平，并促進了成年弱視大鼠的視力、眼優勢和視覺深度感知的恢復，無論是在反向遮擋的動物還是在那些雙眼視力不受限制的動物中都是如此。因此，BDNF可能對弱視的治療提供了新的途徑。

4總結與展望

BDNF參與了神經相關的眼部疾病的發生，在青光眼和DR等眼部疾病的診斷中具有潛在價值。此外，BDNF可以通過基因治療、干細胞療法、給藥、鼻內注射等方法增加表達，在青光眼、DR和弱視等眼病的治療中具有價值。不過，BDNF的診斷價值需進一步驗證以及治療方法在眼部疾病中的臨床療效還不確定。因此，在未來的研究中，期望大樣本得納入以確定BDNF的診斷價值以及BDNF的使用時機、給藥方式和劑量等在臨床中的療效。