腦源性神經營養因子及其通路與嗎啡成癮的關系

鄧莉莎，黨永輝

(1.西安交通大學第一附屬醫院精神科，西安 710061； 2.西安交通大學法醫學院，西安 710061)

嗎啡是緩解癌痛最有效的藥物之一[1-3]，但長期使用會導致成癮[4]。嗎啡成癮的治療通常以阿片受體為靶點。臨床研究證實，美沙酮、丁丙諾啡和納曲酮可用于嗎啡成癮的治療[5-6]，但這些藥物均具有嚴重不良反應，導致患者依從性差，從而增加復發風險。因此，嗎啡成癮治療新藥的研發十分必要。腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是神經營養因子家族的成員之一，主要作用是調節活性依賴的神經元的功能及突觸可塑性[7-8]。BDNF與多種精神疾病有關，如精神分裂癥[7-9]、雙相情感障礙[10-11]、抑郁癥[12-13]、焦慮癥[14]、創傷后應激障礙[15]、自閉癥[16]和成癮[17]。已有研究發現，BDNF對帕金森病[18-19]、抑郁癥[12]等神經精神障礙具有保護作用。因此，BDNF被認為是治療嗎啡成癮的潛在藥物，但尚缺乏相應的臨床研究。

目前，嗎啡成癮引起動物體內BDNF及其下游信號變化的基礎研究較為充分，主要體現為嗎啡成癮引起不同腦組織中BDNF含量及其下游通路中多種分子含量的慢性變化，但涉及的方法、模型、組織等的異質性較大，如存在自主運動、強迫運動、外周電刺激、社會隔離、嗎啡、胍丁胺、西紅花苷、褪黑素等干預手段；存在條件位置偏愛(conditioned place preference，CPP)、條件位置厭惡等多種成癮模型，以及高架、迷宮等焦慮動物模型；涉及腹側被蓋區(ventral tegmental area，VTA)、伏隔核(nucleus accumbens，NAc)、海馬、前額葉皮質等中的一個或多個核團。由于實驗方法、模型、組織等差異性較大，各基礎實驗結果的差異也較大。目前涉及BDNF影響嗎啡成癮的基礎研究和臨床研究均較少，且缺乏系統綜述。現就BDNF及其通路與嗎啡成癮的關系進行綜述，以期為未來改善嗎啡成癮提供依據。

1 BDNF及其通路

BDNF蛋白由BDNF基因編碼。BDNF基因結構復雜，1991年人類BDNF基因首次在第11號染色體p13區被發現[20]，隨后BDNF基因所在區域被確定為第11號染色體p13～14區[21]。Pruunsild等[22]對人類BDNF基因進行了較詳盡的分析，結果顯示，人類BDNF基因有11個外顯子(其中2個是人類特有的)，這些外顯子均有特定的翻譯模式，有些外顯子還具有框內起始密碼子，可以改變翻譯起始位點，從而改變翻譯后BDNF肽段的長度；此外，這11個外顯子含有9個啟動子，可以被選擇性地剪接為至少17個轉錄本。嚙齒類動物(大鼠和小鼠)的BDNF基因與人類的BDNF基因非常相似，但也有一些差別。嚙齒動物的BDNF基因包含9個啟動子，位于相應的外顯子(Ⅰ～Ⅸ)之前，可介導基因轉錄過程，產生11個不同的BDNF轉錄本，這些轉錄本均含有外顯子Ⅸ，而外顯子Ⅸ可編碼BDNF蛋白。

BDNF基因可編碼BDNF前體、成熟型BDNF和BDNF前肽。在BDNF前體、成熟型BDNF和BDNF前肽中，分子量為28 000～32 000的BDNF前體首先被翻譯。BDNF前體可進一步裂解成分子量為14 000的成熟型BDNF，并產生BDNF前肽。與BDNF不同，BDNF前體并不活躍。BDNF前體在調節神經元興奮性、神經元重構、突觸連接、突觸可塑性等方面的作用與BDNF不同，甚至相反。BDNF前肽參與BDNF的正確折疊，并參與神經元的某些功能。

BDNF屬于神經營養蛋白家族，該家族成員還包括神經生長因子、神經營養因子3和神經營養因子4。BDNF由247個氨基酸組成，與其他神經營養因子有50%的同源性[23]。BDNF可由中樞和外周神經系統中的神經元在生理條件下產生，也可由星形膠質細胞在損傷、炎癥或服用抗抑郁藥后合成。BDNF在生理條件下主要由神經元產生，尤其是與情緒和認知相關的大腦區域(如海馬和額葉、頂葉和內嗅區)的神經元。

BDNF受體是原肌球蛋白相關激酶B(tropomyosin-related kinase B，TrkB)和p75。TrkB和p75是膜受體。BDNF與TrkB或p75結合后，可激活BDNF的胞內下游信號。在生理條件下，BDNF與TrkB的親和力更高，而BDNF前體與p75親和力更強。TrkB和p75(尤其是TrkB)是拮抗BDNF通路功能的重要靶點。TrkB基因可編碼全長的酪氨酸激酶TrkB、剪接體TrkB-T1、剪接體TrkB-T2、剪接體TrkB-T4四種亞型，此外，雞體內還發現了剪接體TrkB-T3，但不同剪接體的功能目前尚不清楚。TrkB可位于突觸前或突觸后，BDNF與突觸前TrkB結合可促進神經遞質釋放，而BDNF與突觸后TrkB結合可增強多種離子通道功能，包括α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸受體(離子型谷氨酸受體，一種非特異性陽離子通道)、N-甲基-D-天冬氨酸受體(離子型谷氨酸受體，一種非特異性陽離子通道)、鈉離子通道和鉀離子通道。

BDNF與TrkB結合時，BDNF自身發生二聚體化，TrkB則發生磷酸化。磷酸化的TrkB進一步激活細胞內級聯信號。BDNF-TrkB激活的下游信號通路主要包括蛋白激酶C的磷脂酶Cγ(phospholipase Cγ，PLCγ)通路、蛋白激酶B的磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)通路、多個下游效應器的胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)通路(又稱促分裂原活化的蛋白激酶信號通路)。不同下游信號通路介導不同的功能，快速的突觸信號和離子通道效應(如突觸可塑性)被認為依賴于PLCγ介導的細胞內鈣儲存的釋放；轉錄的持久效應被認為是PI3K和ERK通路的下游信號，如PI3K通路與細胞存活有關，ERK通路與細胞生長和分化有關。上述3個途徑均可以聚集在轉錄因子cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)上，而CREB可以上調基因表達。

2 慢性嗎啡暴露引起腦BDNF及其通路分子表達水平的變化

藥物成癮的發展和戒斷與大腦中的多個神經網絡有關，這些神經網絡包括獎賞系統(如中腦皮質/邊緣多巴胺系統)、反獎賞/壓力系統(如擴展杏仁核)和中央免疫系統。其中，中腦皮質/邊緣多巴胺系統是幾乎所有成癮物質(包括嗎啡)直接或間接產生作用的共同通路。動物實驗已證實，中腦皮質/邊緣多巴胺系統中BDNF表現出對嗎啡的反應性[24]。

嗎啡暴露可改變嚙齒類動物皮質/邊緣多巴胺系統的BDNF水平。慢性嗎啡暴露可降低VTA中BDNF編碼基因[25]、BDNF信使RNA[26]、BDNF[27]、CREB編碼基因[25]、海馬中BDNF和磷酸化的CREB[28]、血清BDNF的水平[25]。慢性嗎啡暴露導致BDNF降低的可能原因為：①糖皮質激素是嗎啡成癮導致BDNF變化的關鍵因素[29]，慢性嗎啡暴露通過影響糖皮質激素，進而影響BDNF水平；②神經元Hu抗原D是BDNF的正向調節因子，在嗎啡中毒時，神經元Hu抗原D與額葉皮質BDNF 3′非翻譯區的結合減弱，使BDNF表達降低[30]；③嗎啡誘導的表觀遺傳修飾改變是BDNF水平降低的原因[31]；④長期嗎啡濫用可引起體內特殊數量神經的退行性變，導致BDNF水平下降[25]；⑤嗎啡可通過抑制音猬因子信號通路抑制BDNF的上調[25]。而停止使用嗎啡的短期影響是VTA中BDNF表達增加[27]，這可能是一種代償結果，也可能是停用嗎啡后，BDNF調節自身及其受體的表達而引起。但有研究認為，慢性嗎啡暴露導致BDNF水平升高，或對BDNF水平沒有影響[32-33]。

運動能增加慢性嗎啡暴露背景下的海馬BDNF水平，自主運動或強迫運動等均可影響海馬的BDNF水平，且對于強迫運動來說，不同運動強度對海馬BDNF水平的影響不同[34-35]。相同嗎啡劑量背景下，一定強度的自主運動可提高嗎啡依賴大鼠海馬中的BDNF和TrkB水平[34,36]，其原因可能為：①應激可降低BDNF水平，而一定強度的自主運動降低了應激水平，故BDNF水平升高；②去腎上腺素能級聯信號通過 CREB影響BDNF的表達。運動可增強去甲腎上腺素能級聯信號，進而增加磷酸化的CREB水平，從而通過級聯信號提高BDNF水平。中度強迫運動可改善嗎啡導致的海馬BDNF水平降低[35]。中度強迫運動可提高海馬BDNF水平，而一定強度的自主運動也有相應的效果，提示運動類型(強迫運動或自主運動)對海馬BDNF水平升高并沒有決定性作用。中度強迫運動可使海馬BDNF水平升高，提示強迫運動的強度對海馬BDNF水平具有重要意義，但有學者持反對意見[37]。

此外，決策類型也與BDNF水平變化有關。基于成本-收益的決策包含基于努力的決策和基于延遲的決策。基于努力的決策指研究對象為了獲得既定獎勵而愿意付出的努力。基于延遲的決策指研究對象的沖動性決策。在基于努力的決策過程中，NAc中BDNF水平升高，而基于延遲的決策對NAc中BDNF水平無顯著影響[38]。在基于努力的決策過程中，嗎啡可誘導NAc中BDNF水平升高，這可能與NAc突觸可塑性的增加有關。胍丁胺[28]、西紅花苷[25]是嗎啡成癮的保護性因素，可逆轉慢性嗎啡暴露導致的BDNF水平降低。嗎啡可抑制神經祖細胞增殖，而胍丁胺可逆轉這種變化。西紅花苷具有保護作用的機制尚不明確。社會隔離與慢性嗎啡有協同作用，可導致BDNF水平降低[39]，其機制可能是神經發生減少以及神經發生減少導致的學習記憶損害。

嗎啡早期暴露對幼鼠產生的影響是長期的[40]。嗎啡干預親代嚙齒類動物后，甚至可影響子代嚙齒類動物體內的BDNF水平，且這種影響與子代性別、嗎啡暴露的親代性別、受檢測核團的類型有一定關系。產前孕鼠嗎啡暴露可導致子代大鼠海馬中BDNF水平下降[41-42]。除生物學角度的母鼠外，養育角度的母鼠暴露于嗎啡也會導致子鼠海馬和前額葉皮質BDNF水平下降[31]，這可能與母鼠行為的改變有關，如嗎啡成癮導致母鼠對子鼠照顧減少。孕鼠嗎啡暴露對子鼠BDNF水平有影響，且這種影響與子鼠性別有關[42]。產前嗎啡暴露導致子代雌性大鼠海馬BDNF水平下降，而對子代雄性大鼠海馬BDNF水平沒有影響[41]。產前孕鼠嗎啡暴露影響子鼠出生后行為的原因可能與后代海馬的可塑性改變有關。產前母鼠的運動[43]、產后子鼠的運動[41]、富集環境[41-42]可逆轉孕鼠嗎啡處理導致的子鼠海馬BDNF水平下降。而父代青春期嗎啡暴露，將導致子代雄鼠和雌鼠內側前額葉皮質中BDNF信使RNA增加，且與子代性別無關[44]。

目前關于慢性嗎啡暴露引起腦BDNF及其通路分子表達水平變化的臨床研究較少，現有的針對該主題的臨床研究主要針對阿片類藥物依賴患者；同時，由于留取患者的腦核團測量BDNF水平對患者有潛在傷害，存在倫理問題，臨床主要采集血漿BDNF進行研究。有研究認為，精神分裂癥患者腦和血漿BDNF水平存在異質性[45]，但由于外周BDNF水平可間接反映中樞神經系統產生的生物過程，嗎啡成癮患者的腦和血漿BDNF水平可能存在潛在關系。因此，血漿BDNF水平可作為嗎啡成癮的生物標志物，但臨床研究與基礎研究的結果存在較大差別。阿片類藥物使用障礙者的BDNF水平與美沙酮維持治療的預后結果并不一致[46]。接受美沙酮維持治療的嗎啡成癮患者加用小劑量右美沙芬前后的BDNF水平比較差異無統計學意義[47]。但臨床試驗結論與基礎實驗結論不一致的原因目前尚不清楚，可能與人體內復雜的調控機制有關。

慢性嗎啡暴露導致VTA[48]、NAc和海馬[49]PLCγ1上調。PLCγ1上調可以導致ERK的變化[49]。慢性嗎啡暴露可降低VTA的PI3K水平[48]。其原因是胰島素受體底物蛋白可激活PI3K/蛋白激酶B通路，而慢性嗎啡處理可下調胰島素受體底物蛋白，降低VTA中PI3K和蛋白激酶B的活性，從而使這些神經元更易發生毒性損傷或凋亡。慢性嗎啡暴露可導致ERK活性的持續增加[50]。由于體內的反調節機制，PLCγ1的上調可促進蛋白激酶C的激活，而蛋白激酶C也可導致ERK的激活；同時，蛋白激酶C也可作為BDNF通路的負反饋信號，通過磷酸化和滅活BDNF受體部分抵消慢性嗎啡暴露的影響。由此可見，嗎啡成癮可能與PLCγ1、PI3K、ERK信號通路有關，嗎啡成癮可增加PLCγ1、降低PI3K 活性、提高ERK活性，但結果尚需進一步研究確認。

3 BDNF干預對嗎啡成癮的影響

VTA中的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)能神經元、多巴胺能神經元等多種神經元可調節嗎啡成癮，其中GABA能神經元既能影響VTA中多巴胺信號的輸出，也能影響VTA中其他非多巴胺能信號的輸出，如VTA中的GABA能神經元既能調節VTA傳輸到NAc、前額葉皮質的上行信號，也能調節VTA傳輸到中縫背核的下行信號。VTA中的GABA能神經元在調節嗎啡成癮的過程中發揮了重要作用，抑制VTA中GABA能神經元，可促使多巴胺依賴、阿片類藥物依賴狀態的形成，其原因是VTA中GABA能神經元對鄰近多巴胺能神經元具有抑制作用，且VTA中的GABA能神經元上存在大量的μ阿片受體，阿片類藥物可與VTA中GABA能神經元上的μ阿片受體結合，進而直接抑制VTA中的GABA能神經元，以解除VTA中GABA能神經元對多巴胺能神經元的抑制，進而形成多巴胺依賴和阿片藥物依賴。BDNF有激活VTA中GABA能神經元的作用，其機制可能是BDNF通過降低氯化鉀共轉運蛋白(K+-Cl-聯合轉運體2)水平來改變負離子梯度，從而使GABA能神經元細胞內Cl-濃度升高，GABA的α型受體的激活會導致神經元中負離子排出，使神經元膜電位去極化；此外，BDNF可提高細胞內碳酸酐酶水平，促進細胞內碳酸氫鹽排出，并導致VTA中GABA能神經元的去極化[51]。BDNF是嗎啡作用的負調節因子[24]，在嗎啡成癮的條件形成期，BDNF對嗎啡成癮有保護作用，但其保護作用還不能使成癮模型——CPP模型建立失敗[51]。VTA中的BDNF與多巴胺受體拮抗劑α-氟苯硫酚共同作用，可使嗎啡誘導的CPP得分恢復正常，單獨使用BDNF仍可提高CPP得分，故推測BDNF具有成為臨床治療嗎啡成癮藥物的潛力，如BDNF可能是一種增強某種具有多巴胺受體拮抗作用治療藥物療效的輔助藥物，而不僅是作為一種單獨的藥物使用。

復方511(由人參、黃芪、洋金花、延胡索、五加皮、麥冬、絞股藍、金牛草等組成的治療阿片成癮的藥物)可以逆轉嗎啡誘導的VTA中BDNF和TrkB的下調，同時，復方511可逆轉嗎啡誘導的VTA中PI3K和蛋白激酶B磷酸化水平的降低。此外，復方511可逆轉嗎啡誘導的VTA中PLCγ1水平以及ERK、核糖體蛋白S6激酶磷酸化水平的升高[52]。由此可見，BDNF作為治療嗎啡成癮的靶點，具有廣泛的應用前景。以PI3K、PLCγ1和ERK為代表的BDNF下游通路廣泛參與了BDNF影響嗎啡成癮的過程。以BDNF下游通路為干預靶點開發治療嗎啡成癮的藥物是未來研究的潛在方向。另有研究發現，復方511可降低嗎啡誘導的CPP得分，但不能導致CPP模型的建立失敗，證實BDNF并不能阻止嗎啡成癮的發生，故增效藥可能是BDNF治療嗎啡成癮的研究方向。

BDNF對嗎啡成癮具有保護作用，BDNF受體拮抗劑可加重嗎啡依賴和戒斷大鼠對嗎啡的依賴程度，在嗎啡依賴誘導過程中，注射BDNF拮抗劑可顯著減輕嗎啡戒斷引起的抑郁/焦慮樣行為[53]。BDNF受體拮抗劑具有加重心理依賴和緩解身體依賴的雙重作用，提示嗎啡的生理和心理依賴涉及復雜的大腦機制。已有研究證明，BDNF的抗抑郁作用與應激系統有關，BDNF的抑郁樣作用與獎賞系統有關，BDNF的依賴效應與獎賞系統有關，提示獎賞系統可能在BDNF受體拮抗劑的心理效應和身體效應中起重要作用。

VTA-NAc通路中存在BDNF的軸突順行運輸和軸突逆行運輸，使VTA和NAc中的BDNF具有相關性[54-55]。但VTA中注射的BDNF可降低嗎啡誘導的CPP得分，而NAc中注射的BDNF則對嗎啡誘導的CPP得分沒有影響[48]。其原因可能為慢性嗎啡損傷了VTA-NAc通路中BDNF的運輸，但目前尚未得到相關研究的證實。在嗎啡成癮背景下，目前尚缺乏BDNF處理后其他腦區相關核團變化的相應研究。

BDNF負向調節嗎啡成癮的證據尚不充分。目前BDNF主要采用腦部微量注射的方式給藥。腦部微量注射為有創操作，未來仍需探索其他給藥方式，如通過鼻吸BDNF-腺相關病毒，使相應病毒定居在鼻黏膜，并通過鼻-腦通路向中樞神經系統輸送BDNF，這有利于BDNF干預嗎啡成癮的臨床應用。

4 小 結

BDNF及其下游通路分子和嗎啡成癮聯系緊密。BDNF通路對嗎啡暴露敏感，也可通過干預BDNF及其下游通路分子的變化對嗎啡成癮進行調控。目前有關BDNF及其信號通路與嗎啡成癮關系的研究結果尚不一致。嗎啡暴露可改變成鼠皮質/邊緣多巴胺系統的BDNF水平，但嗎啡成癮階段、目標核團、實驗動物模型、嗎啡給藥方式等可對BDNF水平產生不同影響。BDNF對嗎啡成癮具有保護作用，是目前較公認的觀點。未來仍需要通過更多研究探討BDNF及其信號通路與嗎啡成癮的關系，以論證BDNF干預嗎啡成癮的有效性，探索治療嗎啡成癮的新藥物。