脊髓损伤后脑源性神经营养因子神经生物学效应的研究进展①

李向哲，王灿，吴勤峰，王彤

1.苏州科技城医院康复医学中心，江苏苏州市215153；2.南京医科大学附属苏州医院康复医学中心，江苏苏州市215153；3.苏州市立医院儿童发展中心，江苏苏州市215008；4.江苏省人民医院康复中心，江苏南京市210029

脊髓损伤(spinal cord injury)是一种严重的神经意外事件，可发生于各个年龄阶段。据2013年世界卫生组织报告[1]，全世界每年约有25万～50万人发生脊髓损伤，主要原因包括车祸、坠落和暴力等，严重影响该人群的生活质量。随着医疗技术的不断进展，虽然脊髓损伤患者的病死率有明显降低，但是幸存下来的患者仍饱受各种并发症或后遗症之苦。

上世纪50年代神经生长因子(nerve growth factor,NGF)的发现[2]使我们认识到神经系统可塑性的分子生物学机制，并开始探索神经营养因子(neurotrophic factors,NTFs)的神经生物学效应。在NTFs家族中，脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)由德国神经生物学家Barde等[3]于1982年从猪脑中分离。BDNF是由119个氨基酸残基组成的非糖基化多肽，其最初合成状态为247个氨基酸组成的前多肽原，之后在胞内分割为18个氨基酸残基的信号序列、110个氨基酸残基的前序列(ProBDNF)和119个氨基酸残基的成熟部分(mature BDNF)[4]，通常我们所说的BDNF指的就是mature BDNF。BDNF主要通过激活全长型酪氨酸受体激酶B(full-length tropomyosin-receptor kinase B,TrkB.FL)发挥生物学作用，而TrkB又存在着两种剪接亚型，即截断型TrkB(Truncated TrkB,TrkB.T)TrkB.T1和TrkB.T2[4]。在中枢神经系统(central nervous system,CNS)损伤后，BDNF-TrkB通路可发挥神经保护、炎性因子调节、突触可塑性、痉挛与疼痛的发生和调节等重要作用[5-8]。

1 BDNF在神经修复方面的作用及机制

1.1 神经再生与神经保护作用

有研究发现[4,9]，BDNF在中枢神经系统神经元的生长、发育、维持和修复方面发挥着重要作用。BNDF能提高受损脊髓内运动和感觉神经元的存活率，促进脊髓内神经元的再生和修复。选择性敲除BDNF或TrkB基因后，可导致小鼠前脑背侧神经元萎缩、树突退化和神经元丢失[10]；而BDNF过表达可抑制神经元的凋亡，并增加神经细胞的数量[11]。BDNF促进神经再生和神经保护主要通过BDNF-TrkB信号通路实现[4]。运动训练等康复治疗可以促进受损脊髓内BDNF/TrkB表达增多，通过多种机制促进脊髓损伤的功能恢复[9,12]。Anderson等[13]的研究发现，使用BDNF和神经营养因子-3(Neurotrophic-3,NT-3)可刺激横断的神经轴突通过损伤平面，促进轴突的再生。但其具体的作用机制尚需进一步研究。

1.2 突触可塑性

神经可塑性是指神经环路改变以应对信息输入改变的能力，该改变主要通过新神经连接的形成(结构可塑性)和现存神经连接的重新排布(功能可塑性)等机制实现[14]。BDNF可通过多种途径调节突触的形成、重组以及稳定性[15]，不仅可促进树突棘形成(树突棘形成可为突触的形成提供结构基础)，而且也可以提高突触的传递效率，而敲除TrkB小鼠的海马突触结构的复杂性会明显降低[4]。在BDNF分泌减少的小鼠模型上，可观察到突触后反应减弱和突触可塑性的缺失[16]。而不良刺激或不当治疗可能会减少BDNF的分泌，从而影响突触的可塑性，导致功能恢复障碍或形成异常恢复[17]。此外，还有研究发现[18]，TrkB.T缺失小鼠的神经肌肉功能有所增强。Mitre等[19]的综述显示，BDNF-TrkB信号通路可以增加神经的可塑性，促进退行性神经疾病的修复。以上研究均从不同方面说明BDNF可通过TrkB信号促进神经可塑性，改善一系列神经受损导致的症状。

1.3 神经炎性过程调节

NTFs同样也参与许多神经系统的生理和病理过程。它们可以调节神经元的转导、转录和翻译过程，并且与microRNAs(miRNAs)之间存在相互调节作用，参与神经系统疾病和癌症的发病过程[20]。虽然BDNF在脊髓损伤炎性过程中的完整作用机制尚未完全建立，但有研究显示[21]，在脊髓损伤前和损伤后应用BDNF可减少损伤部位一氧化氮的合成，从而降低潜在损害因子一氧化氮的水平；同时伴血-脊髓屏障损害、水肿及总体细胞损伤的减轻。在脊髓横断部分的背侧局部应用BDNF可以降低损伤部位的脂质过氧化物作用[22]。此外，最近有综述表明[23]，促炎性因子的释放增加可能会抑制BDNF的表达和功能，从而影响神经系统的可塑性，说明促炎性因子对BDNF表达不利，而炎性因子与BDNF的相互作用可能影响着脊髓损伤的恢复。

1.4 BDNF-TrkB信号转导通路及其作用机制

当BDNF激活镶嵌于神经元胞膜的TrkB后，其胞内的两个酪氨酸残基自动磷酸化，并激活下游三条主要信号转导通路的第二信使，其生物学作用可能包括如下[19,24]：①激活磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI-3K)/蛋白激酶B(Akt)通路，释放促生存信号，影响神经元的再生与分化；②激活大鼠肉瘤蛋白(rat sarcoma,RAS)/细胞外信号调节激酶(extrallular signal regulated protein kinase,ERK)通路，调节胞内cAMP含量，刺激轴突生长；③激活磷脂酶C-γ(phospholipase C-γ,PLC-γ)/三磷酸肌醇(IP-3)通路，产生钙信号，影响突触的可塑性和信号传递。上述三条通路最终激活环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)，调节基因转录，并可能与神经再生、突触可塑性、中枢神经系统修复、神经元活性及炎性反应调节等密切相关。但三条通路之间的相互关系以及具体作用机制仍需进一步研究。见图1。

图1 BDNF-Trk B信号转导通路示意图

2 BDNF对功能恢复的影响

脊髓损伤后人们关注的首要问题是运动功能的恢复。Ziemlińska等[25]使用腺病毒载体使损伤局部的BDNF过表达，显示过表达的BDNF提高了完全性脊髓损伤大鼠的脊髓神经网络兴奋性，并且极早地促进其运动功能的恢复。最近一项研究表明[26]，过表达BDNF的椎管内骨髓间充质干细胞在移植后表现出明显的神经修复作用。还有研究发现[27]，人脂肪间充质干细胞(human adipose derived stem cells,hADSCs)移植联合运动训练治疗脊髓损伤具有协同效应，能进一步促进脊髓损伤后运动功能的恢复，其机制可能与脊髓中BDNF的过表达有关。

Mantilla等[28]对颈2脊髓半切大鼠膈肌功能恢复情况(膈肌肌电图)的研究发现，鞘内注射BDNF后7 d，有78%的注射大鼠显示膈肌功能恢复，第14天全部鞘内注射大鼠的膈肌功能都恢复正常；而鞘内注射TrkB IgG(TrkB抑制剂)后14 d的大鼠未出现任何膈肌功能恢复。该研究提示BDNF-TrkB在促进高位截瘫膈肌功能恢复方面的重要作用。

Watson等[29]的最新研究发现，缺乏运动可降低CNS的生长因子、营养因子等的表达水平，从而进一步阻碍神经的再生；说明运动可促进BDNF的表达，并促进神经的再生和修复，从而进一步促进运动功能恢复。曹雅娜等[30]综述了不同康复治疗措施对脊髓损伤后BDNF表达的影响，指出脊髓损伤后BDNF是神经再生微环境的有利因子，运动训练、电刺激、电针等均可促进BDNF的表达，并加速脊髓损伤后的功能改善。Tashiro等[31]通过减重平板训练脊髓损伤大鼠后发现，减重平板训练不仅可以提高脊髓内BDNF的表达，而且可以改善损伤大鼠的痉挛状态和痛觉过敏。Keefe等[32]的综述显示，BDNF-TrkB信号通路可以通过调节神经元的生存、轴突的再生、神经递质的调节、调节突触及轴突的可塑性等，共同促进脊髓损伤后的功能恢复，为临床治疗提供了最新的思路。

以上研究说明，增加脊髓内BDNF的表达，可促进运动等功能的恢复，为临床促进脊髓损伤后功能恢复提供了切实可行的理论依据。

3 BDNF在脊髓损伤康复治疗中存在的问题

3.1 神经病理性疼痛

神经病理性疼痛常见于脊髓损伤恢复过程中，治疗相当棘手，并严重影响患者的生活质量。而目前针对脊髓损伤后神经痛的治疗多处于探索阶段和动物模型研究阶段，尚没有成熟有效的治疗方法。Merighi等[33]指出，虽然BDNF在中枢可塑性方面发挥着重要作用，但是其同时也影响着外周伤害模式的重塑。Smith等[34]的综述显示，BDNF在神经病理性疼痛的发生中起着关键性作用。Endo等[35]研究发现，胸段脊髓损伤大鼠在步行训练后7 d，虽然皮质脊髓束有微观上的恢复改变，但是大鼠的缩足阈值却降低，并且C-纤维出现异常出芽。同时该研究还发现，敲除大鼠BDNF-TrkB后，异常出芽受到明显抑制，并且降低了缩足反应。该研究说明，脊髓损伤的早期康复治疗可能通过BDNF-TrkB信号通路使C-纤维异常出芽而导致异常疼痛。此外，Lang等[36]的研究发现，大鼠脊髓半切后的嗅鞘细胞移植可导致显著的疼痛超敏反应，其机制可能与ERK的磷酸化和活性BDNF的过表达有关。因此在强调BDNF促进神经再生和可塑性的同时，不可忽视其对机体的不良影响。

Walters等[37]的综述显示，减少神经炎症可以改善疼痛相关行为；敲除动物的TrkB.T1可逆转疼痛行为。同时该综述也提出BDNF、TrkB.T1和细胞周期蛋白在脊髓损伤神经病理性疼痛方面的重要作用，但是这些分子在神经炎症、胶质细胞增生和脊髓损伤后神经痛方面的具体机制尚须进一步研究。而之前有研究发现[38]，TrkB.T1可通过调节细胞周期通路而参与脊髓损伤后的神经病理性疼痛过程。减重平板训练可通过增加BDNF的表达而上调K+-Cl-协同转运体(potassium-chloride cotransporter-2,KCC2)，从而改善损伤大鼠的痛觉过敏[31]。这些发现可能为脊髓损伤后神经病理性疼痛的治疗提供新的思路。

此外，有研究发现BDNF在减轻神经病理性疼痛方面有积极作用。研究发现[39]，大鼠的节律性减重训练可逆转脊髓损伤导致的异常疼痛，研究人员指出其可能机制为运动训练增加了损伤局部的BDNF含量，从而显著逆转疼痛行为。增加脊髓内BDNF的合成和释放，可促进脊髓去甲肾上腺能神经元的侧芽再生，并参与调解疼痛传导通路，从而减轻神经病理性疼痛发生[40]。虽然先前有研究发现神经干细胞(neural stem cells,NSCs)移植可导致脊髓损伤大鼠前肢的异常疼痛[41]，但是最近有研究发现[42]，NSCs移植可使T10脊髓横断损伤大鼠的痛觉过敏减轻并改善其感觉功能，其机制可能与脊髓BDNF的下调有关。

综上所述，关于BDNF-TrkB在神经病理性疼痛方面的具体作用机制还需进一步的研究。这样我们才能在促进功能恢复的前提下，更有效地预防和治疗神经病理性疼痛。

3.2 反射亢进

由于脊髓损伤后远端脊髓缺乏上运动神经元的支配，运动神经元会经历一个兴奋性明显降低的过程[43-44]。而应用BDNF治疗后，运动和感觉神经网络的活性会明显增加，从而可实质性改善运动功能[45]。但是不可忽视的是，虽然BDNF在诱导功能恢复方面存在积极作用，但是运动神经元的过度兴奋可能会导致肢体的反射亢进，从而发展为强直状态[45]。同样，有研究在使用包括BDNF的综合疗法促进运动神经元轴突穿过损伤节段时，也观察到了大鼠后肢的痉挛[46]。该作者也强调了脊髓损伤修复的复杂性，并指出在促进轴突再生的同时应该控制和调整修饰轴突的生长方向。还有研究发现[47]，BDNF在神经源性膀胱的发生和发展过程中发挥着重要作用，也显示BDNF在调节运动神经元兴奋性方面的重要作用。

Boulenguez等[48]阐述了脊髓损伤后痉挛状态产生的神经生理学基础，显示脊髓损伤后神经元KCC2的下调，使胞内Cl-的浓度增加，并导致脊髓损伤后的痉挛状态；鞘内注射BDNF后，KCC2的上调可抑制痉挛状态。同样，Tashiro等[31]的研究也发现，BDNF可通过上调损伤远端脊髓KCC2的表达，而明显减轻脊髓损伤大鼠的痉挛状态。

此外，BDNF影响神经元兴奋性和突触传递的其他机制可能还包括离子通道和谷氨酸受体的调控[8]。这些证据都表明，在应用BDNF治疗脊髓损伤时应当注意其促进痉挛状态方面的负面效应。以后的研究应该更多地探索BDNF在神经元兴奋性等方面的作用，以拓展我们对BDNF的认识。

4 小结与展望

BDNF对损伤脊髓的神经生物学效应非常广泛，包括神经保护、神经可塑性、神经炎症过程以及功能恢复等，为治疗脊髓损伤带来新的希望，其具体作用途径和作用方式还需进一步研究。另外，脊髓损伤后的功能恢复一直以来都是康复治疗的主要关注点，虽然运动训练、神经干细胞移植、转基因技术以及其他相关治疗对脊髓损伤功能恢复有明显的作用，但大多数疗法均停留在动物实验阶段，尚未转化到具体临床实践。更重要的是，当我们在注重功能恢复的同时，不应该忽视BDNF产生的不良影响，如神经病理性疼痛和反射亢进等。后续的研究应该明确这些作用的途径，进一步改进实验方案或临床实践操作，促进神经导向性生长，以达到最佳的功能恢复状态。

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