脑源性神经营养因子(BDNF)与运动性脊髓损伤

摘要：目前，有关运动性脊髓损伤的研究尚不充分，而且对其损伤机制和治疗方法也没有取得较好的研究进展。随着研究的深入，发现脑源性神经营养因子（BDNF）对促进神经元的存活、受损轴突和神经的再生发挥着重要作用。BDNF转基因疗法将给运动性脊髓损伤的修复和治疗带来巨大的潜力。文章通过分析BDNF及其受体的生物学特性、运动性脊髓损伤的病理特征，为制定运动性脊髓损伤的BDNF基因治疗提供理论基础。

关键词：脑源性神经营养因子 脊髓损伤 运动 基因治疗

中图分类号：G804

文献标识码：A

文章编号：1004-5643（2013）01-0116-04

运动性脊髓损伤是指在体育运动中由于保护不当造成的脊髓损伤。脊髓损伤后，损伤部位神经轴突被撕裂，神经元和神经胶质细胞死亡，最终导致脊髓的传导功能丧失而使人体瘫痪。以往观念认为，脊髓损伤后神经元及轴突不能再生，但现代观点认为脊髓损伤后神经元、轴突仍有再生的潜力，只是需要神经营养因子的营养支持，并能形成新的突触联系，而且有研究证明改变体内神经细胞轴突生长的微环境能促进其再生。大量研究证明，BDNF对神经元的生长、分化及损伤后修复有促进作用。而且BDNF还能够保护脊髓运动神经元，促进红核脊髓束和皮质脊髓束轴突再生或出芽。因此，从分子生物学角度深入研究BDNF对脊髓损伤后神经修复的作用及其机制，将为运动性脊髓损伤后的治疗提供一定的理论依据。本文就根据国内外相关研究对BDNF及其受体分子结构、运动性脊髓损伤的病理特征及其之间的相互关系做如下综述。

1 BDNF的生物学特性

1.1BDNF的生化特征

BDNF是于1982年由德国神经化学家Barde等人首次从猪脑中分离纯化出具有促进神经生长活性的一种蛋白质，分析表明BDNF的氨基酸序列有相当一部分与神经生长因子（nerve growth factor，NGF）相同，因此统称为神经营养因子（neurotrophic factor，NTF）。BDNF分子单体是由119个氨基酸残基组成的分泌型成熟多肽，蛋白等电点为9199，分子量为13.15kD，主要由a折叠和无规N-级结构组成，含有3个二硫键，为一种碱性蛋白质。成熟BDNF的氨基酸序列高度保守，组成成熟蛋白质的119个氨基酸在人类、猪、大鼠、小鼠和猴是完全相同的，鸡的BDNF仅有7个氨基酸与哺乳动物不同。1989年，德国科学家Leibrock用RT-PCR法从猪脑mRNA中成功克隆了BDNFcDNA，并证实BDNF基因编码区不存在内含子。1991年，Ozcelik等人证实人BDNF基因位于11号染色体的近端短臂上（11q13），由11个外显子组成，是单拷贝基因。

1.2脑源性神经营养因子（BDNF）受体结构及其信号通路

BDNF的受体分为两类：一类是高亲和力的受体（Kd为10-11mol/L），主要是络氨酸受体的TrK家族，包括TrKA、TrKB和TrKC等3种。其中TrKB为BDNF特异的功能传递受体。另一类是低亲和力受体，为P75NTFs受体，所有的NT都可以以相似的亲和力与之结合，Kd为10-9mol/L。

TrKA、TrKB和TrKC三者的氨基酸序列大部分相同（66%～68%），它们的结构和P75一样都包括细胞外区、跨膜区、细胞内区三部分。细胞外区都含有免疫球蛋白样的三个重复体，细胞内区则由高度相似的络氨酸激酶结构域构成，当配体与受体结合后诱导受体二聚化，就可以激活络氨酸激酶。易与BDNF特异性结合的TrKB是由821个氨基酸残基组成的高度糖基化蛋白质分子，受体的胞外区包括一个由32个氨基酸残基组成的信号肽，紧接着3个串联的富含亮氨酸的基元（LRM），LRM两端有两个半胱氨酸，它包含了TrK受体12个保守的半胱氨酸中的8个，这些基元与蛋白质之间牢固而专一的相互作用有关。胞外近膜区由Ig-1和Ig-2两个结构域构成。在细胞膜的内侧紧接着是络氨酸激酶区，细胞内C-端是15个氨基酸组成的短尾。

BDNF/TrKB信号途径：BDNF与TrKB胞外区结合激活胞内区络氨酸激酶的活性，络氨酸激酶被激活后，引起TrKB自身磷酸化，进而激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径、钙调蛋白激酶（CaMK）途径、磷酸肌醇3-激酶（PI3K）途径等信号通路，最后使CREB激活。激活后的CREB可以增加BDNF和抗凋亡蛋白基因BCL-2的表达，促进神经元的存活、增强突触的可塑性。然而，由于对于中枢神经元的研究缺乏相应的培养细胞模型，BDNF-TrKB信号囊泡运输对下游信号通路进行时空特异性调节的分子细胞机制尚未阐明。

2 运动性脊髓损伤分析

在对抗性较强的体育活动中，可能引起各种损伤，其中可能引起一种较为严重的损伤一脊髓损伤，严重者将会导致受伤者终身瘫痪。在体育活动或竞技项目如体操、杂技等技巧性项目运动中，容易造成训练或比赛时意外的发生，因而出现脊髓损伤的概率比较高。根据甄巧霞等在38例运动相关脊髓损伤案例中的研究显示，跳水是运动损伤最多的项目，其他运动项目还包括跳马、体操训练、排球、冰球运动和滑雪等。而且损伤者的平均年龄在23.4岁左右（多为男性），提示这与青壮年参加的体育项目有关。一般来说脊髓损伤患者将会留有不同程度的功能障碍。这不仅给患者带来极大的痛苦，也会给患者家属乃至社会造成沉重的负担。现实生活中并不缺少这样的例子。例如，我国著名的体操运动员王燕和桑兰，就是在运动过程中发生意外不慎头颈着地，颈椎骨折脱位导致脊髓损伤进而引起身体瘫痪。而这样的例子在国际上也是屡见不鲜。喀麦隆体操选手阿里姆・哈桑在2003喀麦隆体操锦标赛中不幸头部着地，伤势严重而身亡。2005年欧洲体操锦标赛女子个人全能也发生悲剧，英国名将特维德尔热身中出现意外，颈部收到重创。这些都足以引起我们对体育活动过程中可能造成脊髓损伤的高度重视。脊髓损伤包括原发性和继发性两种损伤机制。原发性损伤发生于受伤当时，其产生的神经损伤是被动的，不可逆的，直接造成损伤部位细胞死亡。而继发性损伤是一个动态的病理过程，实质上是机体在细胞水平和分子水平的一种主动调节过程，其发展可持续数小时至数日，可受多种因素影响。继发性损伤的机制较多，主要包括脑血管机制、自由基氧化学说、氨基酸学说、钙介导机制、电介质失衡、细胞凋亡等机制，这些机制决定了继发性脊髓损伤的发生发展影响和制约着机体的结构重建与功能恢复。

3 BDNF与运动性脊髓损伤

3.1脊髓损伤后BDNF的表达变化

在正常人的脊髓组织中，BDNFmRNA的表达水平在胚胎时期最高，到成年时几乎检测不到，只有在脊髓受到损伤后才会呈现明显的表达。BDNF作为脊髓运动神经元一个强有力的生存因子，参与SCI后的复杂病理过程，其含量变化会在SCI后出现一定的规律性。当神经系统受到损伤后，神经细胞和损伤部位的BDNF及其受体表达含量会增加。刘杨等制作大鼠脊髓损伤模型后，采用RT-PCR和免疫组化SABCA法对大鼠脊髓组织中的BDNF和BDNFmRNA进行检测发现，脊髓损伤后1～3h，BDNF免疫阳性细胞无明显变化。伤后6h开始增多，5d时达到高峰随后呈下降趋势，7d时仍高于正常组，其阳性细胞数的变化呈现出一定的时间相关性。黄纯海等通过全横断大鼠脊髓研究发现，BDNF在正常脊髓有少量表达，脊髓损伤后7d表达明显升高，直到伤后21d有所下降。而Kasahara等研究发现，BDNFmRNA在脊髓损伤后6w表达显著升高，到12w时才显著降低。雷晓婷等研究发现，自然状态下BDNF的表达在损伤后7～14d表现出较高水平，14～28d逐渐下降，35d又逐渐升高。而与对照组相比较，运动训练组大鼠脊髓内BDNF的表达明显增加并且停止训练后仍能保持较高水平。以上实验结果说明BDNF的表达受多种内部和外部因素的影响，与损伤时间和损伤程度以及康复训练具有一定的相关性。

3.2BDNF的生物学作用及其机制

关于BDNF在脊髓损伤后神经重建修复中的作用国内外学者作了很多研究。研究发现BDNF能提高受损脊髓运动和感觉神经元的存活，并能促进神经元的修复和再生。另外，BDNF还可以刺激成年神经元的轴突和树突出芽，增强突触间递质的释放，加强突触间信号转导。BDNF作用于受损脊髓的具体机制尚不清楚，目前认为可能与以下几个分子和细胞机制有关。

（1）抗氧化作用脊髓损伤后缺血、缺氧引起患者机体代谢紊乱，ATP降解，氧在体内还原不完全，产生自由基。自由基进一步过氧化对细胞膜到细胞体进行氧化损伤。人体代谢过程中产生的氧自由基可以被体内相应的自由基清除酶例如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（CSH-Px）、过氧化氢酶（GAT）等及时清除，自由基产生与清除之间处于动态平衡。大量研究证明BDNF能使体外培养的神经元内SOD和GSH-Px含量明显增加，这些酶类物质可以降低体内氧自由基的活性，并加速自由基的清除，从而减轻自由基对神经元的损伤。

（2）抗细胞内高钙脊髓损伤过程中，细胞内钙离子出现异常增高，钙离子的增高会导致脑细胞能量代谢障碍，质膜的离子泵和通透性发生异常变化，细胞毒性水肿。另外，脊髓损伤后还会出现神经细胞钙质通道开放，胞浆内钙浓度增高，严重影响了细胞内的钙蛋白酶活性，而且使自由基的形成增加，阻止细胞内钙的增加以及减少自由基的生成，都能保护神经元抵御损伤。有研究发现，BDNF可使体外培养的海马神经元内的钙结合蛋白及其mRNA的含量增加。这种钙结合蛋白能排除细胞内超量钙离子，维持细胞内的稳态，从而减少钙超载引起的损伤。

（3）抑制细胞毒性有研究表明，脊髓损伤后细胞外的谷氨酸和天冬氨酸明显升高，引起两种氨基酸的兴奋毒性作用，导致通过钙离子电压依赖钙离子通道向胞内内流，激活自身破坏性钙离子依赖酶，诱发细胞死亡。Marini等研究发现，BDNF可以上调生存蛋白的表达，保护神经胶质细胞免受谷氨酸毒性损伤。到目前为止，BDNF是通过怎样的途径和机制实现其对损伤脊髓的保护作用的，众多研究者看法不一，除上述作用机制外，BDNF还通过保护神经元，促进神经元再生，抗细胞凋亡等作用机制实现对损伤脊髓的保护。

4 讨论

BDNF是神经系统中最重要的神经营养因子之一，大量研究表明其含量变化随脊髓损伤时间的延长呈现一定的规律性，这表明其参与SCI后的复杂病理过程。随着转基因技术的不断发展，以及人们对脊髓损伤病理研究的不断深入，将BDNF转基因疗法运用到运动性脊髓损伤的修复成为必然。但是仍存在很多问题，如BDNF来源和给药途径问题，天然BDNF含量少，而且BDNF作为一种蛋白质，难以通过血脑（脊髓）屏障，还存在快速降解等问题，这些问题都有待做进一步研究。不过，相信随着人们对BDNF转基因疗法与脊髓损伤修复关系的不断深入研究和基因工程技术的发展，脊髓损伤修复的治疗将会取得更大发展。