脑源性神经营养因子及其通路与吗啡成瘾的关系

邓莉莎，党永辉

(1.西安交通大学第一附属医院精神科，西安 710061； 2.西安交通大学法医学院，西安 710061)

吗啡是缓解癌痛最有效的药物之一[1-3]，但长期使用会导致成瘾[4]。吗啡成瘾的治疗通常以阿片受体为靶点。临床研究证实，美沙酮、丁丙诺啡和纳曲酮可用于吗啡成瘾的治疗[5-6]，但这些药物均具有严重不良反应，导致患者依从性差，从而增加复发风险。因此，吗啡成瘾治疗新药的研发十分必要。脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是神经营养因子家族的成员之一，主要作用是调节活性依赖的神经元的功能及突触可塑性[7-8]。BDNF与多种精神疾病有关，如精神分裂症[7-9]、双相情感障碍[10-11]、抑郁症[12-13]、焦虑症[14]、创伤后应激障碍[15]、自闭症[16]和成瘾[17]。已有研究发现，BDNF对帕金森病[18-19]、抑郁症[12]等神经精神障碍具有保护作用。因此，BDNF被认为是治疗吗啡成瘾的潜在药物，但尚缺乏相应的临床研究。

目前，吗啡成瘾引起动物体内BDNF及其下游信号变化的基础研究较为充分，主要体现为吗啡成瘾引起不同脑组织中BDNF含量及其下游通路中多种分子含量的慢性变化，但涉及的方法、模型、组织等的异质性较大，如存在自主运动、强迫运动、外周电刺激、社会隔离、吗啡、胍丁胺、西红花苷、褪黑素等干预手段；存在条件位置偏爱(conditioned place preference，CPP)、条件位置厌恶等多种成瘾模型，以及高架、迷宫等焦虑动物模型；涉及腹侧被盖区(ventral tegmental area，VTA)、伏隔核(nucleus accumbens，NAc)、海马、前额叶皮质等中的一个或多个核团。由于实验方法、模型、组织等差异性较大，各基础实验结果的差异也较大。目前涉及BDNF影响吗啡成瘾的基础研究和临床研究均较少，且缺乏系统综述。现就BDNF及其通路与吗啡成瘾的关系进行综述，以期为未来改善吗啡成瘾提供依据。

1 BDNF及其通路

BDNF蛋白由BDNF基因编码。BDNF基因结构复杂，1991年人类BDNF基因首次在第11号染色体p13区被发现[20]，随后BDNF基因所在区域被确定为第11号染色体p13～14区[21]。Pruunsild等[22]对人类BDNF基因进行了较详尽的分析，结果显示，人类BDNF基因有11个外显子(其中2个是人类特有的)，这些外显子均有特定的翻译模式，有些外显子还具有框内起始密码子，可以改变翻译起始位点，从而改变翻译后BDNF肽段的长度；此外，这11个外显子含有9个启动子，可以被选择性地剪接为至少17个转录本。啮齿类动物(大鼠和小鼠)的BDNF基因与人类的BDNF基因非常相似，但也有一些差别。啮齿动物的BDNF基因包含9个启动子，位于相应的外显子(Ⅰ～Ⅸ)之前，可介导基因转录过程，产生11个不同的BDNF转录本，这些转录本均含有外显子Ⅸ，而外显子Ⅸ可编码BDNF蛋白。

BDNF基因可编码BDNF前体、成熟型BDNF和BDNF前肽。在BDNF前体、成熟型BDNF和BDNF前肽中，分子量为28 000～32 000的BDNF前体首先被翻译。BDNF前体可进一步裂解成分子量为14 000的成熟型BDNF，并产生BDNF前肽。与BDNF不同，BDNF前体并不活跃。BDNF前体在调节神经元兴奋性、神经元重构、突触连接、突触可塑性等方面的作用与BDNF不同，甚至相反。BDNF前肽参与BDNF的正确折叠，并参与神经元的某些功能。

BDNF属于神经营养蛋白家族，该家族成员还包括神经生长因子、神经营养因子3和神经营养因子4。BDNF由247个氨基酸组成，与其他神经营养因子有50%的同源性[23]。BDNF可由中枢和外周神经系统中的神经元在生理条件下产生，也可由星形胶质细胞在损伤、炎症或服用抗抑郁药后合成。BDNF在生理条件下主要由神经元产生，尤其是与情绪和认知相关的大脑区域(如海马和额叶、顶叶和内嗅区)的神经元。

BDNF受体是原肌球蛋白相关激酶B(tropomyosin-related kinase B，TrkB)和p75。TrkB和p75是膜受体。BDNF与TrkB或p75结合后，可激活BDNF的胞内下游信号。在生理条件下，BDNF与TrkB的亲和力更高，而BDNF前体与p75亲和力更强。TrkB和p75(尤其是TrkB)是拮抗BDNF通路功能的重要靶点。TrkB基因可编码全长的酪氨酸激酶TrkB、剪接体TrkB-T1、剪接体TrkB-T2、剪接体TrkB-T4四种亚型，此外，鸡体内还发现了剪接体TrkB-T3，但不同剪接体的功能目前尚不清楚。TrkB可位于突触前或突触后，BDNF与突触前TrkB结合可促进神经递质释放，而BDNF与突触后TrkB结合可增强多种离子通道功能，包括α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸受体(离子型谷氨酸受体，一种非特异性阳离子通道)、N-甲基-D-天冬氨酸受体(离子型谷氨酸受体，一种非特异性阳离子通道)、钠离子通道和钾离子通道。

BDNF与TrkB结合时，BDNF自身发生二聚体化，TrkB则发生磷酸化。磷酸化的TrkB进一步激活细胞内级联信号。BDNF-TrkB激活的下游信号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、多个下游效应器的胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)通路(又称促分裂原活化的蛋白激酶信号通路)。不同下游信号通路介导不同的功能，快速的突触信号和离子通道效应(如突触可塑性)被认为依赖于PLCγ介导的细胞内钙储存的释放；转录的持久效应被认为是PI3K和ERK通路的下游信号，如PI3K通路与细胞存活有关，ERK通路与细胞生长和分化有关。上述3个途径均可以聚集在转录因子cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)上，而CREB可以上调基因表达。

2 慢性吗啡暴露引起脑BDNF及其通路分子表达水平的变化

药物成瘾的发展和戒断与大脑中的多个神经网络有关，这些神经网络包括奖赏系统(如中脑皮质/边缘多巴胺系统)、反奖赏/压力系统(如扩展杏仁核)和中央免疫系统。其中，中脑皮质/边缘多巴胺系统是几乎所有成瘾物质(包括吗啡)直接或间接产生作用的共同通路。动物实验已证实，中脑皮质/边缘多巴胺系统中BDNF表现出对吗啡的反应性[24]。

吗啡暴露可改变啮齿类动物皮质/边缘多巴胺系统的BDNF水平。慢性吗啡暴露可降低VTA中BDNF编码基因[25]、BDNF信使RNA[26]、BDNF[27]、CREB编码基因[25]、海马中BDNF和磷酸化的CREB[28]、血清BDNF的水平[25]。慢性吗啡暴露导致BDNF降低的可能原因为：①糖皮质激素是吗啡成瘾导致BDNF变化的关键因素[29]，慢性吗啡暴露通过影响糖皮质激素，进而影响BDNF水平；②神经元Hu抗原D是BDNF的正向调节因子，在吗啡中毒时，神经元Hu抗原D与额叶皮质BDNF 3′非翻译区的结合减弱，使BDNF表达降低[30]；③吗啡诱导的表观遗传修饰改变是BDNF水平降低的原因[31]；④长期吗啡滥用可引起体内特殊数量神经的退行性变，导致BDNF水平下降[25]；⑤吗啡可通过抑制音猬因子信号通路抑制BDNF的上调[25]。而停止使用吗啡的短期影响是VTA中BDNF表达增加[27]，这可能是一种代偿结果，也可能是停用吗啡后，BDNF调节自身及其受体的表达而引起。但有研究认为，慢性吗啡暴露导致BDNF水平升高，或对BDNF水平没有影响[32-33]。

运动能增加慢性吗啡暴露背景下的海马BDNF水平，自主运动或强迫运动等均可影响海马的BDNF水平，且对于强迫运动来说，不同运动强度对海马BDNF水平的影响不同[34-35]。相同吗啡剂量背景下，一定强度的自主运动可提高吗啡依赖大鼠海马中的BDNF和TrkB水平[34,36]，其原因可能为：①应激可降低BDNF水平，而一定强度的自主运动降低了应激水平，故BDNF水平升高；②去肾上腺素能级联信号通过 CREB影响BDNF的表达。运动可增强去甲肾上腺素能级联信号，进而增加磷酸化的CREB水平，从而通过级联信号提高BDNF水平。中度强迫运动可改善吗啡导致的海马BDNF水平降低[35]。中度强迫运动可提高海马BDNF水平，而一定强度的自主运动也有相应的效果，提示运动类型(强迫运动或自主运动)对海马BDNF水平升高并没有决定性作用。中度强迫运动可使海马BDNF水平升高，提示强迫运动的强度对海马BDNF水平具有重要意义，但有学者持反对意见[37]。

此外，决策类型也与BDNF水平变化有关。基于成本-收益的决策包含基于努力的决策和基于延迟的决策。基于努力的决策指研究对象为了获得既定奖励而愿意付出的努力。基于延迟的决策指研究对象的冲动性决策。在基于努力的决策过程中，NAc中BDNF水平升高，而基于延迟的决策对NAc中BDNF水平无显著影响[38]。在基于努力的决策过程中，吗啡可诱导NAc中BDNF水平升高，这可能与NAc突触可塑性的增加有关。胍丁胺[28]、西红花苷[25]是吗啡成瘾的保护性因素，可逆转慢性吗啡暴露导致的BDNF水平降低。吗啡可抑制神经祖细胞增殖，而胍丁胺可逆转这种变化。西红花苷具有保护作用的机制尚不明确。社会隔离与慢性吗啡有协同作用，可导致BDNF水平降低[39]，其机制可能是神经发生减少以及神经发生减少导致的学习记忆损害。

吗啡早期暴露对幼鼠产生的影响是长期的[40]。吗啡干预亲代啮齿类动物后，甚至可影响子代啮齿类动物体内的BDNF水平，且这种影响与子代性别、吗啡暴露的亲代性别、受检测核团的类型有一定关系。产前孕鼠吗啡暴露可导致子代大鼠海马中BDNF水平下降[41-42]。除生物学角度的母鼠外，养育角度的母鼠暴露于吗啡也会导致子鼠海马和前额叶皮质BDNF水平下降[31]，这可能与母鼠行为的改变有关，如吗啡成瘾导致母鼠对子鼠照顾减少。孕鼠吗啡暴露对子鼠BDNF水平有影响，且这种影响与子鼠性别有关[42]。产前吗啡暴露导致子代雌性大鼠海马BDNF水平下降，而对子代雄性大鼠海马BDNF水平没有影响[41]。产前孕鼠吗啡暴露影响子鼠出生后行为的原因可能与后代海马的可塑性改变有关。产前母鼠的运动[43]、产后子鼠的运动[41]、富集环境[41-42]可逆转孕鼠吗啡处理导致的子鼠海马BDNF水平下降。而父代青春期吗啡暴露，将导致子代雄鼠和雌鼠内侧前额叶皮质中BDNF信使RNA增加，且与子代性别无关[44]。

目前关于慢性吗啡暴露引起脑BDNF及其通路分子表达水平变化的临床研究较少，现有的针对该主题的临床研究主要针对阿片类药物依赖患者；同时，由于留取患者的脑核团测量BDNF水平对患者有潜在伤害，存在伦理问题，临床主要采集血浆BDNF进行研究。有研究认为，精神分裂症患者脑和血浆BDNF水平存在异质性[45]，但由于外周BDNF水平可间接反映中枢神经系统产生的生物过程，吗啡成瘾患者的脑和血浆BDNF水平可能存在潜在关系。因此，血浆BDNF水平可作为吗啡成瘾的生物标志物，但临床研究与基础研究的结果存在较大差别。阿片类药物使用障碍者的BDNF水平与美沙酮维持治疗的预后结果并不一致[46]。接受美沙酮维持治疗的吗啡成瘾患者加用小剂量右美沙芬前后的BDNF水平比较差异无统计学意义[47]。但临床试验结论与基础实验结论不一致的原因目前尚不清楚，可能与人体内复杂的调控机制有关。

慢性吗啡暴露导致VTA[48]、NAc和海马[49]PLCγ1上调。PLCγ1上调可以导致ERK的变化[49]。慢性吗啡暴露可降低VTA的PI3K水平[48]。其原因是胰岛素受体底物蛋白可激活PI3K/蛋白激酶B通路，而慢性吗啡处理可下调胰岛素受体底物蛋白，降低VTA中PI3K和蛋白激酶B的活性，从而使这些神经元更易发生毒性损伤或凋亡。慢性吗啡暴露可导致ERK活性的持续增加[50]。由于体内的反调节机制，PLCγ1的上调可促进蛋白激酶C的激活，而蛋白激酶C也可导致ERK的激活；同时，蛋白激酶C也可作为BDNF通路的负反馈信号，通过磷酸化和灭活BDNF受体部分抵消慢性吗啡暴露的影响。由此可见，吗啡成瘾可能与PLCγ1、PI3K、ERK信号通路有关，吗啡成瘾可增加PLCγ1、降低PI3K 活性、提高ERK活性，但结果尚需进一步研究确认。

3 BDNF干预对吗啡成瘾的影响

VTA中的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)能神经元、多巴胺能神经元等多种神经元可调节吗啡成瘾，其中GABA能神经元既能影响VTA中多巴胺信号的输出，也能影响VTA中其他非多巴胺能信号的输出，如VTA中的GABA能神经元既能调节VTA传输到NAc、前额叶皮质的上行信号，也能调节VTA传输到中缝背核的下行信号。VTA中的GABA能神经元在调节吗啡成瘾的过程中发挥了重要作用，抑制VTA中GABA能神经元，可促使多巴胺依赖、阿片类药物依赖状态的形成，其原因是VTA中GABA能神经元对邻近多巴胺能神经元具有抑制作用，且VTA中的GABA能神经元上存在大量的μ阿片受体，阿片类药物可与VTA中GABA能神经元上的μ阿片受体结合，进而直接抑制VTA中的GABA能神经元，以解除VTA中GABA能神经元对多巴胺能神经元的抑制，进而形成多巴胺依赖和阿片药物依赖。BDNF有激活VTA中GABA能神经元的作用，其机制可能是BDNF通过降低氯化钾共转运蛋白(K+-Cl-联合转运体2)水平来改变负离子梯度，从而使GABA能神经元细胞内Cl-浓度升高，GABA的α型受体的激活会导致神经元中负离子排出，使神经元膜电位去极化；此外，BDNF可提高细胞内碳酸酐酶水平，促进细胞内碳酸氢盐排出，并导致VTA中GABA能神经元的去极化[51]。BDNF是吗啡作用的负调节因子[24]，在吗啡成瘾的条件形成期，BDNF对吗啡成瘾有保护作用，但其保护作用还不能使成瘾模型——CPP模型建立失败[51]。VTA中的BDNF与多巴胺受体拮抗剂α-氟苯硫酚共同作用，可使吗啡诱导的CPP得分恢复正常，单独使用BDNF仍可提高CPP得分，故推测BDNF具有成为临床治疗吗啡成瘾药物的潜力，如BDNF可能是一种增强某种具有多巴胺受体拮抗作用治疗药物疗效的辅助药物，而不仅是作为一种单独的药物使用。

复方511(由人参、黄芪、洋金花、延胡索、五加皮、麦冬、绞股蓝、金牛草等组成的治疗阿片成瘾的药物)可以逆转吗啡诱导的VTA中BDNF和TrkB的下调，同时，复方511可逆转吗啡诱导的VTA中PI3K和蛋白激酶B磷酸化水平的降低。此外，复方511可逆转吗啡诱导的VTA中PLCγ1水平以及ERK、核糖体蛋白S6激酶磷酸化水平的升高[52]。由此可见，BDNF作为治疗吗啡成瘾的靶点，具有广泛的应用前景。以PI3K、PLCγ1和ERK为代表的BDNF下游通路广泛参与了BDNF影响吗啡成瘾的过程。以BDNF下游通路为干预靶点开发治疗吗啡成瘾的药物是未来研究的潜在方向。另有研究发现，复方511可降低吗啡诱导的CPP得分，但不能导致CPP模型的建立失败，证实BDNF并不能阻止吗啡成瘾的发生，故增效药可能是BDNF治疗吗啡成瘾的研究方向。

BDNF对吗啡成瘾具有保护作用，BDNF受体拮抗剂可加重吗啡依赖和戒断大鼠对吗啡的依赖程度，在吗啡依赖诱导过程中，注射BDNF拮抗剂可显著减轻吗啡戒断引起的抑郁/焦虑样行为[53]。BDNF受体拮抗剂具有加重心理依赖和缓解身体依赖的双重作用，提示吗啡的生理和心理依赖涉及复杂的大脑机制。已有研究证明，BDNF的抗抑郁作用与应激系统有关，BDNF的抑郁样作用与奖赏系统有关，BDNF的依赖效应与奖赏系统有关，提示奖赏系统可能在BDNF受体拮抗剂的心理效应和身体效应中起重要作用。

VTA-NAc通路中存在BDNF的轴突顺行运输和轴突逆行运输，使VTA和NAc中的BDNF具有相关性[54-55]。但VTA中注射的BDNF可降低吗啡诱导的CPP得分，而NAc中注射的BDNF则对吗啡诱导的CPP得分没有影响[48]。其原因可能为慢性吗啡损伤了VTA-NAc通路中BDNF的运输，但目前尚未得到相关研究的证实。在吗啡成瘾背景下，目前尚缺乏BDNF处理后其他脑区相关核团变化的相应研究。

BDNF负向调节吗啡成瘾的证据尚不充分。目前BDNF主要采用脑部微量注射的方式给药。脑部微量注射为有创操作，未来仍需探索其他给药方式，如通过鼻吸BDNF-腺相关病毒，使相应病毒定居在鼻黏膜，并通过鼻-脑通路向中枢神经系统输送BDNF，这有利于BDNF干预吗啡成瘾的临床应用。

4 小 结

BDNF及其下游通路分子和吗啡成瘾联系紧密。BDNF通路对吗啡暴露敏感，也可通过干预BDNF及其下游通路分子的变化对吗啡成瘾进行调控。目前有关BDNF及其信号通路与吗啡成瘾关系的研究结果尚不一致。吗啡暴露可改变成鼠皮质/边缘多巴胺系统的BDNF水平，但吗啡成瘾阶段、目标核团、实验动物模型、吗啡给药方式等可对BDNF水平产生不同影响。BDNF对吗啡成瘾具有保护作用，是目前较公认的观点。未来仍需要通过更多研究探讨BDNF及其信号通路与吗啡成瘾的关系，以论证BDNF干预吗啡成瘾的有效性，探索治疗吗啡成瘾的新药物。