脑源性神经营养因子与纤维化疾病的研究进展*

左帮芸， 马紫微， 宁 栋， 王大新，， 赵 静

［1扬州大学医学院，2扬州大学临床医学院（江苏省苏北人民医院）心内科，3扬州大学临床医学院（江苏省苏北人民医院）药学部，江苏扬州225001］

纤维化通常被认为是组织损伤修复过程中促进伤口愈合的产物。机体受到病理刺激损伤后，组织将开始自我修复，及时高效地替换死亡或受损的细胞，这一修复机制是机体最基本、最重要的生物学过程之一。修复过程通常分为再生阶段和纤维增生阶段。首先当细胞受损后，同类型的细胞进行替换，防止损伤持续；其次正常的实质组织可被结缔组织所取代。最初的修复往往是有益的，但一旦失控，愈合过程就会变成病理性损伤，从而导致细胞外基质重构和永久性瘢痕组织的形成［1］。当纤维化发生在重要组织器官时，可能导致器官衰竭甚至死亡。目前，纤维化疾病已占到发达国家总死亡率的45%，带来沉重的医疗负担。然而，迄今为止，只有尼达尼布和吡非尼酮这两种药物被批准在几个国家用于治疗特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）［2］。因此，治疗纤维化疾病的有效药物仍十分匮乏，亟需探索纤维化发生的新机制，筛选有效的治疗靶点并研发新型抗纤维化药物。

1 脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的来源

神经营养因子家族是一个支持神经元生长、存活和分化的分泌蛋白家族，由于其对神经元生理发挥重要且多样的作用，近几十年来被广泛研究。BDNF 作为其中的一员，由德国著名神经生物学家Barde 等［3］于 1982 年从猪脑中以碱性小分子蛋白质的形式分离出来，观察到其可促进受损神经元的修复再生，故将其命名为 BDNF［4］。1989 年获得 cDNA结构后，研究者通过动物模型的建立，检测到BDNF主要是由海马和皮质区域的神经元合成的，除了在神经系统中广泛分布外，还存在于其他组织系统，如骨骼以及内分泌系统等。有研究提出体内BDNF 通过大脑微血管内皮细胞合成后以自分泌途径排出细胞外［5-6］。

2 BDNF作为神经营养因子的功能

作为体内含量最多的神经营养因子之一，BDNF基因结构较复杂。人体中至少包含11 个不同的外显子，啮齿动物中包含9 个外显子，选择性剪接可能与BDNF 转录子的分布定位以及最终的功能有关［7］。BDNF 与其家族的神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、神经营养因子3（neurotrophin-3，NT-3）和NT-4/5有约50%相同氨基酸序列。每个神经营养蛋白由一个非共价连接的同型二聚体组成，并包含起始密码子后的信号肽和含有氮连接糖基化位点的前区。

BDNF最初以前原神经营养素的形式被合成，前原神经营养素被切割成proBDNF 后由呋喃进一步加工形成成熟的BDNF［8-9］。BDNF 细胞内生物合成后，被包裹在致密的核心囊泡中［10］，储存于突触前膜，并在细胞内外、信号的刺激下分泌。此外，神经元也能释放proBDNF，组织纤溶酶原激活物/纤溶酶系统可将部分proBDNF转化为BDNF。

BDNF 的主要功能为调节神经细胞和胶质细胞的增殖、分化、存活和死亡等一系列生理过程［11］。通常情况下它与其高亲和力受体酪氨酸受体激酶B（tyrosine receptor kinase B，TrkB）结合发挥调节突触连接、突触结构、神经递质释放及突触可塑性的作用，对认知功能、学习和记忆的变化等方面具有重要调控作用［12］，同时它还能抑制神经细胞凋亡。而它与另一低亲和力受体p75 神经营养素受体受体（p75NTR）结合则发挥相反的生物学功能，可促使神经元树突状分支减少、引发细胞凋亡和长期抑制。BDNF 与p75NTR的结合与几种细胞内信号转导途径有关，包括核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号转导级联反应中的c-Jun 氨基末端激酶和鞘氨醇-髓鞘水解信号通路等［13］。

3 BDNF与纤维化疾病

3.1 纤维化疾病的病理过程及调节机制 组织器官发生与疾病相关的损伤会引发一系列复杂的细胞和分子反应，造成组织纤维化，包括呼吸系统（肺、气道）纤维化、心脏纤维化、肝纤维化、肾纤维化、膀胱纤维化等。当这些复杂的病理反应长期存在时，实质瘢痕出现，进而轻则引发细胞层面的功能障碍，严重时甚至可导致器官衰竭。纤维化反应主要包括4个阶段：首先是由器官原发性损伤引发的反应；其次是效应细胞的激活；三是细胞外基质的沉积；最终细胞外基质的动态沉积（和吸收不足）促进纤维化的进展，它与二、三两个阶段重叠最终导致终末器官衰竭［14］。

在纤维化的“损伤反应”中，多种细胞参与介导该过程，如炎症细胞、上皮细胞、纤维化效应细胞、内皮细胞等。纤维化反应在不同器官系统及不同疾病类型中有着共同的致病途径，甚至还出现了特定的分子机制，如转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）途径在几乎所有类型的纤维化中都发挥着至关重要的作用。TGF-β 由炎症细胞合成和分泌，以自分泌和旁分泌方式发挥作用［15］。此外，血管内皮功能障碍和心血管活性物质、免疫炎症反应、基因表达的表观遗传调节、脂肪因子和糜酶以及氧化应激也广泛参与纤维化的进程。最新的系列研究提示BDNF可能参与众多纤维化过程的调节。

3.2 BDNF 促进肺、气道纤维化发生发展 BDNF在呼吸系统的气道及肺组织中均有表达，且参与调节特发性肺纤维化、肺结节病以及哮喘等呼吸系统疾病的发生发展。研究表明BDNF 通过激活特定的细胞生长、存活信号通路，如PI3/Akt 和NF-κB 通路，在肺纤维化中扮演重要角色：一方面调节上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），另一方面作为炎症的重要介质介导肺组织重构［16］。BDNF还参与调节气道纤维化相关的炎症、氧化应激反应，增强细胞外基质的产生和沉积，促进气道重构和气道高反应性［17］。

BDNF 促进肺及气道纤维化发生发展的具体机制有：（1）BDNF 通过与其高亲和力受体 TrkB 的特异性结合，引起TrkB磷酸化后激活MAPK依赖的Twist-Snail信号轴，诱导 EMT［16］，促进细胞外基质沉积形成纤维化［18］；（2）BDNF 与其受体TrkB 结合后通过刺激三磷酸肌醇受体释放和促进细胞膜上钙离子通道蛋白的表达影响钙离子内流，引起钙超载，导致气道平滑肌过度收缩，产生气道高反应性，进而加重哮喘等过敏性疾病［19］；（3）BDNF作为促炎因子，介导肥大细胞脱颗粒、嗜酸性粒细胞趋化和淋巴细胞活化。BDNF在肺结节肉芽肿中高表达，但是否会促进肉芽肿的持续和/或促进纤维化的发展有待深入研究［20］；（4）BDNF 诱导内皮细胞增殖并促进修复性血管生成，导致哮喘患者气道壁反应性增加，加重哮喘［21］。

3.3 BDNF 抑制心脏纤维化 心肌梗死（myocardial infarction，MI）是世界范围内引起心源性猝死（sudden cardiac death，SCD）的重要原因之一［22］。MI 后心肌细胞的大量突然丢失远超过了心肌有限的再生能力，坏死的细胞释放危险信号，激活体内固有免疫信号，促发强烈的炎症反应，最终导致胶原瘢痕形成［23］。神经生长因子等神经营养因子可通过促进心肌血管新生，改善心肌血流和心功能，对心肌梗死后的心脏发挥有益作用。神经营养因子家族中的BDNF 通过调节TRPC3/6 通道，减轻心肌缺血损伤，抑制心肌细胞凋亡［24］。BDNF 还可通过调控miR-195/Bcl-2 通路抗缺血性心肌细胞凋亡，通过激活Akt/mTOR-Bad 通路减轻阿霉素诱导的心肌细胞凋亡［25-26］。同时，BDNF 还影响着血管内皮生长因子A和血管细胞黏附分子1 来调节新生血管生成，并通过减少中性粒细胞浸润和增强巨噬细胞浸润来减少炎症反应［27］，这些调控机制提高了MI 后的存活率并抑制梗死后心肌纤维化及左室重构，保护了心脏正常结构和功能。

在西方人群中，肥胖和心理社会压力往往相伴存在，在它们的共同作用下，心脏结构和功能受损，表现为收缩和舒张功能降低。实验观察到BDNF 信号在这一发病过程中同样具有保护作用，在维持正常心脏结构与功能中发挥重要调节作用，补充BDNF或可改善受心理社会压力影响的肥胖个体的健康状况［28］。BDNF除能够增强心肌细胞功能外，还可对抗感染性疾病诱导的心脏损伤。在盲肠结扎穿孔所致感染性休克大鼠模型中，BDNF 通过激活eNOS/NO途径抑制心肌纤维化的发生，减少氧化应激及心肌细胞凋亡，提高了大鼠存活率［29］。

糖尿病心肌病作为独立于心血管疾病常见病因（如高血压和冠状动脉粥样硬化）的一类内分泌系统继发性疾病，其特征是心脏舒张功能缺陷，表现为心肌细胞肥大、凋亡伴间质纤维化增加［30］。最新研究显示补充植物乳杆菌和菊粉可增加BDNF 及其受体TrkB 的表达，降低高脂饮食与链脲佐菌素诱导的2型糖尿病模型大鼠心脏间质及周围血管的纤维化水平，减少心肌细胞凋亡［31］。肠道微生物群作为功能性食品应用于调节体内有益因子在辅助治疗方面具有潜在应用前景。

3.4 BDNF抑制肝纤维化 肝纤维化是由肝脏的慢性损伤以及包括胶原在内的细胞外基质蛋白过度沉积引起的，常见病因包括病毒性肝炎、酒精肝、脂肪肝、自身免疫性疾病等［32］。其中酒精相关性肝病（alcohol-related liver disease，ALD）往往是由酒精使用障碍（alcohol use disorder，AUD）引起的，它涵盖了一连串进展性病理学变化，从肝脂肪变性到肝纤维化乃至肝硬化。目前尚无根治肝硬化的有效方法，但戒酒是限制ALD 肝硬化进展的关键［33］。由于AUD患者出现的酒精依赖为神经适应性改变，因此它涉及诸如BDNF 等调节神经元可塑性的因子水平改变［34］。在酒精依赖期间，血清BDNF 水平降低，而在戒酒后很快恢复正常［35］。血清BDNF 水平与慢性酒精摄入或外周毒性无关，但与其产生依赖性的神经有关。监测正在接受治疗酗酒者的血清BDNF 水平有助于揭示其酒精依赖特征及预测复发的可能性［36］。同时有证据表明在 AUD 患者中，BDNF 水平与纤维化风险因素的肝硬度测量值有关［37］。这或可为评估AUD 患者纤维化风险提供新的生物标志物，但目前尚缺乏大样本多中心的研究。另一项临床病例研究也证实乙型肝炎肝硬化患者血清BDNF 水平和BDNF基因rs6265 多态性与患者的肝功能Child-Pugh分级有关［38］。

在非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）发病过程中，核内异质核糖核蛋白U（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein U，hnRNPU）控制肝内染色质结构及基因转录，其缺乏会刺激TrkB 的截短亚型TrkB-T1 蛋白的表达，从而诱发肝细胞的炎症反应及氧化应激导致细胞死亡。BDNF则可降低小鼠肝细胞膜TrkB-T1 蛋白水平及促炎基因和纤维化标志物的mRNA 表达，保护小鼠免受饮食诱导的肝脏脂质损伤。BDNF/TrkB-T1 信号通路可能成为NASH干预治疗的潜在靶点［39］。

3.5 BDNF参与血压调节并抑制肾纤维化 高血压肾病是全世界慢性肾病的第二大死亡原因，长期高血压负荷导致肾间质纤维化，控制高血压进展可抑制或逆转高血压肾纤维化［40］。BDNF 在下丘脑室旁核（paraventricular nucleus，PVN）对应激、高渗透压等高血压刺激的反应中表达上调，并通过下调β-肾上腺素能受体信号转导及减少孤束核（nucleus tractus solitarius，NTS）儿茶酚胺能神经元投射到PVN 等的抑制性降压输入而升高血压［41］。此外，BDNF 在PVN 中的过度表达导致交感兴奋，同时还可调节PVN 中的血管紧张素II/血管紧张素II 1 型受体和血管紧张素（1-7）/Mas 介导的血管紧张素信号的平衡［42］，在代谢及血压控制中发挥重要作用。另有研究显示，抑制下丘脑PVN 内的TrkB 可显著降低急性应激引起的血压升高，但对静息血压没有显著影响［43］。这些研究提示，调控 PVN 的 BDNF 水平可通过调节血压控制肾纤维化的进展。

3.6 BDNF加重膀胱炎促进膀胱病理性重构 氯胺酮相关性膀胱炎（ketamine-associated cystitis，KC）是一种由于长期滥用麻醉药物氯胺酮所致的表现为膀胱纤维化、膀胱容量减小和顽固性膀胱疼痛的疾病［44］。在KC 患者膀胱组织全层均可检测到BDNF的高表达，它们来源于炎症细胞及小血管内皮细胞。BDNF 的产生促进了膀胱神经异常增生进而引发超敏反应，BDNF的上调与临床症状显著相关［45］。在环磷酰胺诱导的膀胱炎模型中，BDNF 可通过BDNFTrkB-p38/JNK 信号通路激发星形胶质细胞和小胶质细胞活化，释放TNF-α 和IL-1β，激活神经炎症信号，导致机械性痛觉超敏，加重膀胱炎症反应［46］。BDNF在膀胱中的高表达加剧膀胱纤维化进程，减少BDNF的生成及阻断其信号通路可抑制膀胱病理性重构。DNA 甲基化可以抑制BDNF 表达，减少其对膀胱的损伤作用，有助于维持膀胱组织稳态和修复［47］。

4 总结与展望

综上所述，BDNF在不同组织器官纤维化中发挥调节作用（如图1 所示）。随着纤维化病理机制研究的不断深入，BDNF在纤维化发生发展中的作用及机制也日益清晰，这将为防治器官纤维化提供重要支撑。同时，如下问题值得深入思考。首先，BDNF 在不同组织类型中可能发挥抗与促纤维化截然相反的作用，如何实现组织、细胞特异性调控至关重要；其次，BDNF 在体内的代谢及降解过程较快，生物利用度较低，不利于其直接应用于临床。后续研究可围绕BDNF 小分子模拟物或TrkB 激动剂进一步展开。随着基因编辑技术的快速发展，我们还有望通过对BDNF 相关基因进行修饰或移植BDNF 转基因干细胞来调控BDNF 的表达［48］，以期发挥更好的治疗作用。目前有关该方面的研究仍处在动物实验阶段［49］，有待进一步探索。

Figure 1. The versatile roles of BDNF in organ fibrosis. BDNF plays an important role in fibrosis of various organs，including lung and airway fibrosis，liver fibrosis，cardiac fibrosis，renal fibrosis，and bladder fibrosis. Moreover，distinct effects of BDNF are uncovered in different types of organs. Activation of BDNF promoted lung，airway and bladder fibrosis. In contrast，upregulation of BDNF is associated with the inhibition of liver，cardiac and renal fibrosis.图1 BDNF在器官纤维化中的作用