不同脑区中脑源性神经营养因子与酒精相互作用研究进展

张洪艳 高青 王琦玉 关艳中

WHO 在2018年发布的全球酒精与健康状况报告中指出，2016年约300 万人死于饮酒，占全球所有死亡人数的5.3%，饮酒已成为社会最重要的健康问题之一[1]。慢性饮酒会影响中枢神经系统(CNS)的神经元和胶质细胞，使突触结构和功能发生显著变化。早期发育过程中酒精可能导致长期的行为和神经认知变化[2]，成年期过量饮酒也会导致慢性复发性脑疾病，并被医学诊断为酒精使用障碍(AUD)[3]，其特征是强迫性饮酒、对酒精摄入失去控制，以及伴随戒断和长期戒断而出现的消极状态[3，4]。

生长因子对中枢神经系统细胞的生长、增殖和分化起着至关重要的作用，它们在中枢神经、免疫以及内分泌系统神经适应方面的影响已被大量研究[5，6]。在不同的生长因子家族中，神经营养因子家族被广泛关注，尤其在阿尔茨海默病、亨廷顿病等神经精神疾病[5～7]及酒精依赖患者[8]中的作用。神经营养因子是一类多肽和小蛋白，在发育和成熟的大脑中发挥多种适应功能，特别是在神经元的生长、存活、分化、突触可塑性、长期记忆以及行为巩固等方面起重要作用[9]，神经营养因子家族包括脑源性神经营养因子（BDNF）、神经营养素3（NT-3）、神经营养素4（NT-4）和神经生长因子（NGF），并在海马、杏仁核和大脑皮质中高度表达[8]。BDNF 在体内主要对神经的发育分化起促进和维持作用，增加突触可塑性并且影响长时程增强（Long-termptentiati，LTP）[10]，在中枢神经系统和外周组织中与酪氨酸激酶B 受体（TrkB）结合，激活细胞内区域引起TrkB 自身磷酸化作用增强，导致丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和磷脂酶C-γ(PLC-γ)信号通路的激活，从而完成转录和翻译机制[11]。临床前和临床研究表明BDNF与饮酒、依赖和复发有关[12]，在人类中BDNF 基因(Val66Met)的多态性在功能上具有重要意义，编码Val66 的等位基因显示复发风险更高[13]，而66Met变体与更早发病和更严重的酒精依赖有关[14]。

1 BDNF 在海马与酒精间的相互作用

BDNF-TrkB 通路对于长期学习和记忆所需的突触可塑性的形成过程至关重要[15]，在发展和维持受损记忆的恢复和酒精引起的海马功能改变上，BDNF-TrkB 系统可能是一个重要的保护性和敏感性因素。成年雄性大鼠长期暴露在酒精蒸气环境4周以上，降低了大鼠海马(CA1 区和齿状回)BDNF mRNA 的表达,同时发现BDNF 受体TrkB 的 mRNA表达出现了整体上调。在酒精戒断12h 后，海马齿状回、CA3 区BDNF mRNA 表达明显升高，表明慢性酒精摄入可能通过改变生长因子及其受体而改变海马的神经元功能[16]。调查AUD 患者血浆BDNF浓度时，与对照组相比AUD 患者的BDNF 浓度明显降低，同时在动物实验中发现接触酒精的大鼠血浆BDNF 和NT-3 水平也降低，海马BDNF 水平也降低，与神经源性调节因子MAPK、细胞外信号调节激酶(ERK)失活有关，提示BDNF/ERK2 信号转导通路在酒精性认知损害中起重要作用，并提示早期酒精暴露对认知功能的影响与神经营养因子信号转导缺陷有关[17]。Xu 等[18]在慢性酒精中毒和戒断型犬的海马区检测了BDNF、TrkB 和p75 神经营养素受体(p75NTR)的表达,与对照组相比，酒精组BDNF 和TrkB 在齿状回（DG）颗粒细胞层和CA1、CA3 和CA4 区域锥体细胞层的细胞数量明显减少，而p75NTR 的细胞数量却显著增加。Stragier 等[19]建立的小鼠自由选择饮酒模式测试海马区BDNF 的表达，与饮水小鼠比，饮酒组海马区BDNF 浓度显著高于饮水组，对海马BDNF 基因不同外显子的影响分析表明，酒精上调了外显子Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ，下调外显子Ⅷ的表达，对外显子Ⅰ和Ⅳ的表达无影响，这些表达变化与BDNF 启动子PⅥ的H3 乙酰化和PⅡ、PⅢ的H3 三甲基化的富集有关。Fernandes 等[20]研究发现雌性大鼠从青春期到成年期间反复暴饮酒精会导致焦虑和海马星形胶质细胞增生，引发了海马BDNF 水平降低以及相对应的识别记忆缺陷，但这种记忆损伤是暂时的，在酒精戒断后的14d 可恢复。Somkuwar 等[21]在关于慢性间歇性酒精蒸气(CIE)暴露的依赖大鼠和空气暴露的非依赖大鼠酒精戒断对海马祖细胞增殖和存活的研究中发现，CIE 大鼠在戒断后3h 和21d 分别测定海马BDNF 和TrkB 的表达，以评估增殖破裂和新生祖细胞存活前的神经营养信号，与非依赖大鼠和对照组相比，CIE 大鼠戒断后3h 海马的BDNF 水平增加，而CIE 戒断21d 海马的BDNF 表达水平降低，进而减少了海马区的神经发生，表明酒精依赖者增加饮酒可能通过改变海马新生祖细胞的组成而改变海马功能。

2 BDNF 在杏仁核与酒精间的相互作用

研究已经发现，异常的BDNF 信号可能导致焦虑和酒精中毒[22],而杏仁核脑结构已被证明是恐惧和焦虑的神经解剖底物[23]，并与饮酒导致的消极情绪有关[24]。Pandey 等[25]研究杏仁核BDNF 系统在焦虑和饮酒行为分子机制中的作用，以雄性大鼠中杏仁核(CeA)、内侧杏仁核(MeA)或基底外侧杏仁核(BLA)为靶点，采用反义寡脱氧核苷酸(ODN)方法控制BDNF 表达，发现降低CeA 和MeA 中的BDNF水平，而不是BLA 中的BDNF 水平，是调节大鼠饮酒和焦虑样行为的关键。与上述研究结果相似，与非嗜酒大鼠相比，嗜酒大鼠的CeA 和MeA 中BDNF的mRNA 和蛋白水平降低，而BLA 中没有降低，这可能与嗜酒大鼠过度饮酒有关[26]。Pandey 等[27]研究发现急性酒精暴露增加了CeA 和MeA 中BDNF和 受 体TrkB 的 表 达，增 加 了ERK1/2、Elk-1 和cAMP 反应元件结合蛋白(CREB)的磷酸化，并增加了树突棘密度(DSD)；而慢性酒精暴露后会减少BDNF 和TrkB 的表达，将BDNF 注入到CeA 中，可防止酒精戒断后引起的焦虑样行为。在慢性酒精暴露戒断24h，CeA 和MeA 中BDNF 表达下降，给予组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂TSA 治疗后恢复正常，通过TSA 治疗纠正组蛋白乙酰化的缺陷也可以改善下游突触可塑性相关的缺陷，如BDNF表达以及CeA 和MeA 中的DSD 表达，还可以减轻慢性酒精暴露戒断后大鼠的焦虑样行为[28]。在BDNF 表观遗传上，Sakharkar 等[29]研究发现青春期间歇性酒精暴露(AIE)增加了成年期杏仁核神经肽Y(NPY)和BDNF 外显子Ⅳ的DNA 甲基化，成年期使用 DNA 甲基转移酶（DNMT）抑制剂 5-氮胞苷（5-azaC）治疗可使AIE 诱导的NPY 和BDNF 外显子Ⅳ的DNA 高甲基化正常，同时逆转AIE 诱导的焦虑样行为和饮酒行为。

3 BDNF 在内侧前额叶皮层与酒精间的相互作用

前额叶皮层（PFC）功能低下导致强迫和过度的药物摄入[30]，更具体地说，内侧前额叶皮层（mPFC）被证明在从适度饮酒到过量饮酒的过程中发挥重要作用[31]。Darcq 等[32]用小鼠建立了适度和过量饮酒模型，发现过量饮酒会降低mPFC 中BDNF mRNA 水平，并增加miRNAs 水平，适度饮酒不会改变mPFC 中BDNF 或miRNAs 的水平，mPFC 中BDNF mRNA 水平的大幅降低与miRNAs 中的miR-30a-5p 表达增加有关，通过锁定靶向miR-30a-5p的核酸序列来抑制mPFC 中的miR-30a-5p，可以恢复BDNF 水平并减少过量饮酒。有研究在反复循环的慢性间歇性酒精暴露(CIE)建立酒精依赖模型，结果表明，CIE 处理显著增加了小鼠酒精的摄入量，并伴随着mPFC 中BDNF 蛋白表达的显著下降，至少持续72h，并且双侧向mPFC 注入BDNF 可显著降低酒精依赖小鼠的酒精摄入量[29]。Tapocik等[33]建立的大鼠酒精依赖模型中，miR-206 选择性地在mPFC 中而不是在腹侧被盖区(VTA)、杏仁核或伏隔核中过表达，mPFC 中miR-206 过表达抑制了BDNF 的表达并增加饮酒行为[33]。上面提到的Somkuwar 等[21]的研究中，酒精戒断早期（3h）海马区BDNF 表达增加只是暂时的，没有持续到戒断后的21d，但在mPFC 中，BDNF 和TrkB 的表达在戒断早期（3h）要高于对照组，而长期戒断（21d）反而降低了BDNF 的表达水平。

4 BDNF 在纹状体与酒精间的相互作用

啮齿类动物模型的研究表明，适度饮酒会增加皮质纹状体中的BDNF 水平，通过激活MAPK 途径来抑制酒精摄入量，当内源性皮质纹状体BDNF 通路发生失调时，酒精摄入量会升高[34]。急性注射酒精和自愿摄入酒精均会导致背侧纹状体（Dorsal striatum）中BDNF 表达的增加，BDNF 杂合子基因敲除小鼠表现出对酒精的高度敏化及位置偏爱，降低BDNF 水平会导致小鼠饮酒行为增加，提高BDNF 可以减弱其饮酒行为，而BDNF 作用主要由支架蛋白RACK1 介导的[4]。Jeanblanc 等[22]研究发现，在自行调控10%酒精的大鼠模型中后，BDNF 在背外侧纹状体（DLS）的表达比在背内侧纹状体（DMS）的表达增加更多。在DLS 中使用病毒介导的siRNA 下调内源性BDNF，显著增加了酒精的自行调控，而在DMS 中没有这种作用。重要的是，DLS 内BDNF 对酒精抑制作用的发生是在注射药物3h 后，提示这可能是下游信号转录或翻译机制一个重要的时间点，表明BDNF 对酒精的抑制作用在DLS 中更具特异性。而BDNF 在DLS 中减弱酒精行为是激活了MAPK 通路，抑制ERK1/2 通路，PLCγ 或PI3K 抑制剂在阻止BDNF 诱导的饮酒行为减少方面没有类似的作用。Logrip 等[35]证明了酒精诱导的纹状体BDNF 的增加是由BDNF受体TrkB 介导的ERK1/2 信号的激活，也证明了一次酒精摄入会增加背侧纹状体中BDNF mRNA 的表达，但在摄入酒精6 周后，这种改变未再被观察到，酒精引起BDNF 水平的变化在酒精戒断两周后也没有改善[36]。提示激活TrkB/ERK1/2 信号通路使BDNF 对饮酒控制是有必要的，DLS 中的BDNF通过TrkB 介导的ERK1/2 信号的激活，导致下游效应因子和多巴胺受体D3 的增加，从而抑制酒精摄 入[34]。BDNF 是miR124a 的直接靶点，Bahi 等[37]评估了摄取酒精后大鼠背侧纹状体中miR124a 的表达，发现饮酒后miR124a 在DLS 中表达下调，通过使用慢病毒载体（LV）基因转移技术在DLS 中立体定向注射LV-miR124a 可以提高酒精诱导的条件位置偏爱（CPP）以及在自由选择双瓶饮酒模式中的饮酒行为，说明纹状体miR124a 和BDNF 信号在饮酒和酒精诱导奖赏中起着至关重要的作用。p75 神经营养因子受体（p75NTR）是BDNF 的另外一个受体，但亲和力较低，Darcq 等[38]发现在间歇性饮用20%酒精双瓶自由选择模式中，p75NTR 的活性增加是特定于DLS 中而不是DMS 中，并与TrkB 受体的活性相反，在DLS 中敲除p75NTR 基因，以及在DLS 内注射或全身给予p75NTR 调制器LM11A-31可显著减少饮酒量，表明p75NTR 信号调节因子可以开发作为治疗酒精滥用的药物。

5 小结

临床前和临床研究表明，酒精成瘾的主要神经基质至少包括4 个相互依赖和相互重叠的回路:①奖赏，由伏隔核、腹侧白球和下丘脑调节；②动机和或动力，由眶额皮质调节；③记忆和学习，由杏仁核和海马调节；④认知控制，由前额叶皮层和扣带皮层调节。酒精或酒精相关线索暴露后激活的啮齿类动物大脑区域的识别和人类神经影像学研究，可以确定参与酒精依赖和酒精戒断患者的线索诱导的酒精渴望的不同发展阶段特定的神经生物学底物。酒精依赖的长期治疗可能需要作用于不同神经网络(奖赏系统、记忆网络、前额叶皮层)的药物。中脑边缘多巴胺系统起源于靠近黑质的腹侧被盖区(VTA)，可以投射到纹状体、杏仁核和海马等脑区，在药物（包括酒精）强化中起主要作用，最有可能参与成瘾[7]。BDNF 已成为发育、可塑性和成瘾的调节因子，神经营养活性的降低可能与成人脑内酒精诱导的神经退行性变和酒精相关神经发育障碍有关，这导致BDNF 表达减少或在酒精诱导下受体不能发生细胞内信号转导[39]。7，8-二羟基黄酮 （7，8-DHF）是从植物中提取的一种天然黄酮衍生物，作为高选择性的TrkB 受体激动剂小分子，它能完整的穿透血脑屏障，激活TrkB 受体相关的CREB/BDNF 信号转导过程[40]。研究发现，将BDNF 灌注到VTA 区，会增强可卡因戒断后的寻求行为[41]； 而BDNF 在对抗慢性吗啡反应中与可卡因的作用相反，在VTA 区抑制BDNF 表达强化了吗啡对多巴胺(DA)神经元的兴奋性增加[42]。有研究发现，将7，8-DHF 注入VTA 中，可减弱饮酒大鼠的酒精相关行为[43]。更好地了解酒精影响的神经回路及其在酒精成瘾发展过程中的适应性，将为开发合适的治疗方法提供新的靶点。