脑源性神经营养因子在阿尔茨海默病治疗中进展

高嘉潞 王鑫 宋甜甜 邢影

(吉林大学中日联谊医院神经内科四病区，吉林 长春 130033)

神经退行性疾病因其慢性进展及不可治愈性给患者及家庭造成了沉重的负担，包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化等。AD的认知功能障碍是由神经变性引起的，其与神经营养因子缺乏或功能失调密切相关，脑源性神经营养因子(BDNF)在神经元存活、分化和突触可塑性中发挥着关键作用。通过研究BDNF在AD中的作用途径，可为AD的靶向治疗提供临床依据。本文对BDNF在AD中作用的信号传导机制及相关治疗方法的临床研究进展做一综述。

1 BDNF的概述

BDNF是一种碱性蛋白质，由119个氨基酸组成，相对分子量为14 kD，其基因定位于人类11号染色体短链上，其合成与成熟是一个多阶段的过程。首先在内质网合成前体蛋白(pre-pro-BDNF)，其中信号肽被蛋白酶水解切割，从而产生 35 kD的前体物质pro-BDNF，随后被丝氨酸蛋白酶纤溶酶和基质金属蛋白酶(MMPs)裂解为成熟BDNF，也可在细胞内被激素原转化酶和弗林蛋白酶(Furin)裂解，以释放出成熟的BDNF(mBDNF)和BDNF前肽段(pBDNF)。Pro-BDNF也可以在不进一步切割的情况下分泌，本身作为内源性配体。

BDNF广泛存在于中枢神经系统内，包括大脑皮质、海马、黑质、纹状体、丘脑、小脑等区域，表达最集中的区域为海马CA2、CA1的锥体细胞层及齿状回颗粒细胞层。同时，血管内皮细胞、单核细胞、T细胞、B细胞、周围神经组织、心脏、肺、肾脏、卵巢及骨骼肌均有表达。BDNF主要来源于神经细胞及神经胶质细胞，少数来源于血小板及血管内皮细胞。Pro-BDNF在生长期脑内较高，而成年期脑内则是mBDNF、pBDNF含量更丰富。据报道，BDNF的表达随着年龄的增长而降低，与某些基因调控区域受到抑制相关〔1〕。

2 BDNF的信号传导通路

BDNF作为脑神经营养因子中的一员，参与多种信号传导途径，大致分为两种受体，一种是促进神经元存活和分化的酪氨酸激酶受体(Trk)B受体，另一种是诱导细胞凋亡或存活的p75神经营养因子受体(p75NTR)。

2.1TrkB受体介导的信号传导通路 TrkB属于神经营养蛋白酪氨酸激酶受体家族，通过配体与其胞外域结合而被激活，进一步诱导受体磷酸化，触发下游级联反应。BDNF/TrkB/磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)通参与促进细胞增殖分化和抗细胞凋亡等作用〔2〕。BDNF/TrkB也可通过接头蛋白Shc促进Ras/Raf信号通路，进一步调节蛋白激酶丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/细胞外调节蛋白激酶(ERK)级联，与细胞存活和神经元分化相关。BDNF/TrkB也可激活蛋白激酶(PK)C，可以直接增加细胞内Ca2+水平，Ca2+内流通过与Ca2+反应元件(CRE)结合促进环磷腺苷反应元件(CREB)磷酸化。PI3K/Akt、PKA、PKC途径均可激活CREB，进而增强长时记忆〔3〕。BDNF/TrkB/Rac/周期蛋白依赖激酶(CDK)5通路通过连接肌动蛋白的细胞骨架调控树突棘密度的变化从而影响学习与记忆功能〔4〕。总而言之，BDNF/TrkB信号通路在细胞生存、树突发育及突触可塑性等方面发挥重要作用〔5〕。

2.2p75NTR受体介导的信号传导通路 p75NTR受体属于肿瘤坏死因子(TNF)家族的非特异性低亲和力受体，参与细胞凋亡。Pro-BDNF与其具有高亲和力，进一步激活sortilin受体启动信号级联反应，导致c-jun氨基末端激酶(JNK)的激活，促使神经细胞凋亡与长时程抑制(LTD)〔6〕，并通过核转录因子(NF)-κB依赖的信号通路促进炎症反应。NF-κB是重要的神经炎性因子，能调节细胞凋亡、神经元存活、增殖及免疫细胞迁移和成熟〔7〕。当mBDNF结构域与p75NTR结合时，启动(丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶)RIP2/肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAF)6介导的途径，从而导致NF-κB活化，促进了大脑发育中神经元存活和维持〔8〕。总而言之，BDNF在大脑生理功能调节中的特定作用取决于其同工型与不同类型受体的相互作用所引发的不同信号通路的激活，这些对于大脑发育、突触可塑性、神经元存活等过程至关重要。

3 BDNF信号传导在 AD中的作用

AD典型病理改变为细胞外神经炎性斑块及细胞内神经元纤维缠结(NFT)的形成〔9〕，其中β-淀粉样蛋白(Aβ)蛋白是神经炎性斑块的中心，由Aβ前体蛋白(APP)水解生成〔6〕，具有诱导炎性介质释放、促进神经细胞毒性损伤等功能，NFT主要成分为过度磷酸化的微管相关tau蛋白，其会导致神经元退行性变。

3.1与Aβ蛋白的关系 Aβ蛋白目前被认为是AD中突触功能障碍的主要原因，是从APP中被酶切割释放而来，APP可被3种酶切割，分别为α-分泌酶(ADAM-10)、β-分泌酶(BACE-1)、γ-分泌酶(早老素PS1、PS2)。ADAM-10对APP切割可生成sAPPα，具有神经保护作用。而BACE-1、γ-分泌酶的顺序作用将APP切割生成Aβ蛋白，所以促进ADAM-10或抑制BACE-1、γ分泌酶可成为AD疾病修饰疗法的研究方向。Nigam等〔10〕发现BDNF可通过使ADAM-10在细胞表面重分布来增强ADAM-10的加工从而抑制Aβ蛋白生成，这表明BDNF可直接调节淀粉样蛋白生成途径。BDNF还可通过ERK途径激活sorla转录，影响APP的转运与代谢，从而减少Aβ的产生〔11〕。BDNF的信号中断通过促进PS1N末端催化亚单位、APPC末端片段的积累和Aβ的异常聚集来触发海马淀粉样变性〔12〕。

Aβ蛋白沉积与BDNF的丢失密切相关，Aβ低聚物损害轴突BDNF逆行运输，从而对BDNF信号和突触功能产生不利影响。在有细胞刺激的情况下，Aβ蛋白可通过激活糖原合成激酶(GSK)3b或PKA来使环磷酸腺苷(CAMP)反应元件结合蛋白(CREB)失活从而降低BDNF的转录。而在无细胞刺激的情况下，Aβ蛋白并不改变CREB的基础水平，而是诱导CREB转录下调，CREB是学习和记忆所需的分子途径的重要组成部分〔13〕。Aβ通过突触外N-甲基-Daspartate 受体 (eNMDAr) 激活促进钙细胞内水平的持续增加，导致钙蛋白酶过度激活，从而导致TrkB-FL裂解，阻碍了BDNF对突触可塑性和神经递质释放的促进作用〔14〕。

3.2与tau蛋白的关系 有研究表明，是NFT与AD的认知能力下降及严重程度更加密切相关。TauN368片段直接结合TrkB受体并阻断其神经营养信号，从而诱导神经元细胞死亡。BDNF可以调节tau的表达、磷酸化和分布。Jiao等〔15〕研究表明，通过腺相关病素(AAV)介导人成熟BDNF基因传递至小鼠内嗅皮层减少了P301L小鼠的行为缺陷，防止神经元丢失、减轻突触变性和神经损伤。其机制主要是激活了BDNF/TrKB信号通路，包括有丝分裂原激活蛋白激酶(MEK)-ERK途径、PI3K途径和磷脂酶Cy1途径的磷酸化〔15〕。通过对比受试者生前与死后的区域海马及锥体神经元的临床病理学解剖，发现TrkB的下调与内嗅皮质及海马NFT的增加独立相关。也许改善BDNF/TrkB信号缺陷，特别是内嗅皮质和海马内的信号缺陷可能会潜在地消除神经炎性斑(NPs)和NFT的形成〔16〕。

3.3与炎症的关系 慢性神经炎症是AD的病理特征，BDNF/TrkB的剥夺会增加炎性细胞因子并激活JAK2/STAT3通路，导致C/EPBβ上调，反过来又导致δ-分泌酶、APP和tau片段化的表达增加，从而加速Aβ和tau病理进展〔17〕。给予促炎因子或脂多糖(LPS)会导致BDNF基因表达显著降低，其诱导的记忆缺陷归因于AD模型中Toll样受体(TLR)4/NF-κB信号传导的激活和CREB/BDNF表达的抑制〔11〕。NF-κB在AD患者的大脑中表达增加，其可上调人BACE1基因转录以促进β-分泌酶切割APP及Aβ蛋白生成。

4 基于BDNF的AD靶向治疗

越来越多的证据表明，BDNF对AD的发病机制具有保护作用。Wang等〔18〕研究表明，BDNF激动剂AS86可改善APP/PS1转基因小鼠的认知功能缺陷，证明了BDNF对AD的治疗作用。在AD相关的各种模型中，外源性BDNF递送已被证明是一种新的潜在治疗方法，但其血浆半衰期较短，代谢快，且在血脑屏障中扩散有限，传递途径受到限制，很难充分发挥治疗作用。为了规避这些风险，许多干预措施将研究重点放在了恢复内源性BDNF水平，比如BDNF基因疗法，其载体通常为腺病毒，Jiao等〔15〕通过侧脑室注射携带编码人BDNF基因的腺相关病毒(AAV-BDNF)实现了BDNF的稳定表达，并恢复了P301L小鼠大脑中的BDNF水平。但局部注射基因载体可能会导致脑区产生炎症，通常伴有神经毒性，损伤神经元的功能〔19〕。病毒载体也有在脑内发生突变导致产生神经肿瘤的可能〔19〕。也可通过递送产生BDNF的细胞来改善认知功能，有研究表明星形胶质细胞传递BDNF可挽救5XFAD小鼠模型的记忆缺陷，促进树突生长〔20〕。但移植的细胞也有细胞癌变、免疫排斥等问题需要解决。目前新开发出纳米颗粒与水凝胶结合形成的用于药物递送的混合生物材料系统〔21〕，可有效穿过血脑屏障，将药物递送富集在脑部，显著降低Aβ蛋白诱导的毒性、降低促炎因子的水平。一些非侵入性给药方式如经鼻给药，已被证实可显著提高AD11小鼠的记忆缺陷〔22〕，但鼻黏液的低渗透性限制了吸收效率。还有一些非药物疗法如运动〔23〕、经颅磁刺激、丰富环境〔24〕等方式也可以增加脑内BDNF的表达。

除了增加BDNF水平，针对其相关受体的调节也是一种治疗思路。目前有几种促进TrkB受体激活的相关策略，包括TrkB受体激动剂如7，8二羟基黄酮(7，8-DHF)〔25〕，BDNF模拟物如LM22A-4〔26〕；TrkB反式激活剂如腺苷A2A受体〔14〕，均可通过BDNF/TrkB通路改善认知功能。为了针对AD不同的病理特征，开发出了一种多靶点定向配体(MTDL)策略。研究发现〔27〕，二聚体他克林-石杉碱甲(A10E)可通过抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)和增强BDNF表达在AD小鼠模型(APP/PS1小鼠和Aβ寡聚体处理后的小鼠)中产生认知增强作用，其中A10E可以通过多靶点机制产生神经保护作用，包括抑制Aβ聚集、激活BDNF/TrKB通路、缓解神经炎症和降低AChE活性。可被开发为治疗AD的有希望的先导药。

综上，BDNF是一种关键的神经营养因子，其在神经元存活、分化、长时程记忆增强及改善认知等方面重要作用，在AD病理过程中通过不同信号通路中发挥作用，了解BDNF作用机制也为AD治疗提供新的有希望的研究方向。目前已经在干扰BDNF信号传导通路及补充内源或外源性BDNF水平等方面进行了诸多尝试，取得了许多重要成果。随着科学发展，纳米技术的出现解决了药物无法穿过血脑屏障的问题，未来可进一步细化研究如何脑内靶向及避免侵入性给药引起其他不良反应等，为AD治疗开辟新的方向。