脑源性神经营养因子在眼部疾病中的研究进展

朱安民，谭 薇，伍姜霓

0引言

脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是一种碱性蛋白质(等电点为9.6)，也是神经营养因子家族的一员，在神经元的发育、分化和维持中起重要作用[1]。BDNF的表达在转录和翻译过程中受调控，也受翻译后修饰的调节，复杂的多水平调控表明了BDNF功能的重要性和多样性[2]。BDNF基因首先合成前体proBDNF，然后proBDNF可被几种蛋白酶切割产生成熟的BDNF蛋白[3]。原肌球蛋白受体激酶B(tropomyosin receptor kinase B，TrkB)是BDNF的受体[4]，成熟形式的BDNF通过与TrkB酪氨酸激酶受体结合启动其神经营养信号通路，导致神经细胞存活、修复和发育[5]。BDNF在视网膜中主要由视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells, RGCs)、无长突细胞、星形胶质细胞、视网膜胶质细胞(Müller细胞)和光感受器产生[6]。越来越多的研究发现BDNF参与青光眼、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)、弱视、视神经病变和年龄相关性黄斑变性等眼部疾病的发生发展且具有神经保护作用。本文重点综述近年来BDNF在青光眼、DR和弱视中的研究进展，以期为进一步研究BDNF在诊断和靶向治疗眼部疾病方面提供帮助。

1 BDNF与青光眼

青光眼是一组以RGCs及其轴突变性为特征的慢性视神经病[7]。这些病变是渐进性的和不可逆转的，最终会导致患者失明[8]。青光眼最常见的危险因素是高眼压，目前用于降低眼压的方法已被证明可以延缓青光眼引起的损害的进展[9]。然而降低眼压无法解决或逆转神经病变[10]。早期青光眼虽然通常没有症状，但是视网膜会发生微小的变化，如RGCs丢失[11]。因此，不依赖眼压的神经保护策略将有利于早期干预，防止疾病进展[9]。RGCs是一个重要的干预靶点，BDNF对RGCs的存活至关重要[12]。此外，BDNF具有作为青光眼的生物标志物的可能性，可能为诊断、筛查和评估青光眼进展提供一种可靠、省时、经济的方法[13]。

1.1BDNF作为诊断标志物近年来，有学者发现早、中期青光眼患者血清BDNF水平与健康对照者相比明显降低[14]。另一项研究中[15]，青光眼患者与非青光眼的白内障患者相比，早、中期青光眼组患者的血清BDNF水平明显低于对照组患者，且早期青光眼患者血清BDNF浓度低于中度青光眼患者。此外，关于BDNF在青光眼患者房水、泪液中的表达情况，Shpak等[16]发现原发性开角型青光眼(primary open angle glaucoma，POAG)患者与对照组相比，房水、泪液和血清中BDNF含量明显降低，早期POAG房水、泪液和血清中的BDNF的含量明显降低，后期BDNF含量相对升高。他们还发现泪液和房水中BDNF的含量具有很强的相关性，这一现象为间接研究POAG患者房水中的BDNF水平开辟了新的途径。综上所述，血清、房水和泪液中的BDNF可能作为早期筛查的生物标志物，有利于及早对青光眼患者进行干预，避免其发展至晚期青光眼，但仍需评估BDNF在青光眼中的诊断价值。值得注意的是，青光眼患者与正常对照组相比，BDNF降低，而后期青光眼与早期青光眼相比，BDNF相对升高可能是一种代偿/神经保护反应，有待进一步研究。

1.2基因治疗早期实验中使用的外源性BDNF补充剂在视网膜中显示了良好的结果，但这种补充方式的局限性是BDNF活性的持续时间是有限的，需要重复使用才能获得长期的神经保护[17-18]。研究发现，基于基因的治疗方法可以在青光眼模型中提供神经保护且BDNF活性的持续时间更长且安全性可靠[19]。Wójcik-Gryciuk等[20]利用编码BDNF的2型腺相关病毒载体(adeno-associated virus 2，AAV2)在微珠诱导的高眼压大鼠模型中进行了单侧玻璃体内注射。通过RGCs计数评估RGCs神经保护作用，与单纯损伤大鼠相比，损伤+AAV2-BDNF治疗的大鼠RGCs丢失明显减轻。然而，在损伤+治疗的大鼠中，BDNF过度表达引起TrkB的反向下调会导致BDNF及其神经保护作用的脱敏。为了解决这个问题，Osborne等[19]采用了由编码BDNF和TrkB的AAV2载体组成的基因疗法,发现在视神经挤压的小鼠模型中，使用AAV2-TrkB-2A-mBDNF比单独使用BDNF更能显著减少RGCs的损失。此外，研究发现，BDNF能改善轴突运输、轴突连续性及远端和近端视神经中的轴突数量[21]。TrkB对神经元迁移、轴突生长、分化和连接至关重要[22]。Khatib等[23]在实验性青光眼模型中，发现AAV2-TrkB-2A-mBDNF对轴突运输的影响优于单独使用AAV2-TrkB或AAV2-mBDNF。

酪氨酸三重突变体AAV(triple mutant AAV，tm-AAV)载体能提高转导效率和加速蛋白表达[24]。Shiozawa等[25]将编码BDNF的自补tm-AAV2载体(tm-scAAV2-BDNF)用在N-甲基-D-天门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate， NMDA)诱导的视网膜损伤小鼠模型中，该模型是基于青光眼“谷氨酸假说”的一种视网膜内损伤模型。与NMDA处理组的小鼠相比，BDNF处理组明显避免了组织学损伤，RGCs的数量显著增加。用暗视视网膜电图评估视功能，BDNF治疗组的B波振幅明显高于NMDA组。胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)是一种视网膜应激标志物，与NMDA处理的小鼠相比，BDNF治疗能够显著降低GFAP的水平。提示tm-scAAV2-BDNF对包括正常眼压性青光眼在内的视网膜内损伤具有潜在的治疗作用。Igarashi等[26]将同样的tm-scAAV2-BDNF载体用于引起大鼠眼压一过性升高的缺血/再灌注损伤模型中，发现BDNF能显著减轻视网膜厚度和结构丢失，挽救RGC，增加B波，减少GFAP表达。

综上所述，在不同的青光眼模型中，编码BDNF的AAV载体显示了一致的和相当大的RGCs神经保护和视觉功能保护。但是基因治疗的一个限制是需要在诱导眼压升高前一段时间进行眼内注射。因此，这需要在临床环境中使用特定的时机。

2BDNF与DR

DR是糖尿病的一种常见并发症，也是工作年龄人群的首位致盲性眼病[27]。越来越多的证据表明，糖尿病视网膜神经变性即糖尿病视神经变性是DR发病机制中的早期事件[28-29]，糖尿病视神经变性出现早于通过临床检查可发现的微血管病变[30]。糖尿病视神经变性的重要特征是神经细胞凋亡和反应性胶质细胞增生[27]。研究表明，BDNF的下调可能是导致糖尿病视神经变性的重要原因[31]，且BDNF水平下调被认为是DR的独立标志物[32-33]。另外，BDNF具有保护视网膜细胞免受缺氧和葡萄糖剥夺造成的损伤的功能[34]。

2.1BDNF作为诊断标志物目前，眼底荧光血管造影(fundus fluorescence angiography，FFA)是诊断不同阶段DR的金标准,这是一种侵入性操作，会给患者带来不适，要在较大范围内进行FFA检查是很困难的[35]。寻找方便有效的筛查生物标志物将有助于识别需要临床评估和治疗的个体。有研究发现，DR患者的血清和房水中BDNF水平在临床症状出现之前显著降低，且血清中的BDNF水平随病情严重程度增加而减少：从健康对照者、无视网膜病变的糖尿病患者、非增殖性糖尿病视网膜病变(non-proliferative diabetic retinopathy，NPDR)到增殖性视网膜病变，血清中的BDNF水平逐步减少[36]。另外，Jun等[37]通过研究发现伴糖尿病黄斑水肿(diabetic macular edema，DME)的NPDR患者和不伴DME的NPDR患者的血清和房水中BDNF水平显著低于健康对照者，且合并DME的NPDR患者血清和房水中的BDNF水平均低于未合并DME的NPDR患者。上述研究均提示BDNF水平可能作为DR早期诊断及判断DR严重程度的标志物，但需进一步验证BDNF在DR中的诊断价值。明确BDNF在DR中的诊断作用，有利于更早发现DR，采取治疗避免DR进展至更晚期。

2.2基于BDNF的治疗目前DR的治疗主要针对DR引起的血管病变且疗效有限[38]，DR早期的神经病变尚无有效的治疗方法[39]。先前的研究中通过将编码BDNF的AAV输送到眼睛的基因治疗在DR动物模型的神经保护方面显示出很好的结果[40]。近年来，大量研究发现通过干细胞移植和给药等方式可增加BDNF以保护视网膜神经元，为DR早期治疗提供更多选择。

2.2.1干细胞疗法干细胞在理论上有着分化为各种人体组织器官细胞的可能性，越来越多的证据支持在视网膜疾病的疗法中，干细胞疗法是其中最有希望的研究热点之一[41]。间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一类起源于中胚层的成体干细胞，广泛存在于骨髓、脂肪组织、脐带和胎盘组织等组织中[42]。越来越多的证据表明氧化应激参与了DR的发病，研究发现骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)在H2O2氧化损伤模型中可以通过改善抗氧化能力，抑制炎性细胞因子的分泌和促进BDNF等神经营养因子的表达来增强对视网膜神经节细胞的保护作用[43]。Zhang等[44]采用源自人脐带间充质干细胞(umbilical cord-derived mesenchymal stem cells，UC-MSCs)的神经干细胞治疗DR大鼠，发现BDNF水平明显高于对照组，且存活的RGCs数量增加，显著延缓DR的进展。此外，在另一种干细胞移植疗法中，Rong等[45]将小鼠骨髓CD133+干细胞移植到链脲佐菌素(streptozotocin，STZ)诱导的DR小鼠玻璃体内，移植的CD133+干细胞在体内表达BDNF，并增加了STZ诱导的DR小鼠中BDNF的水平，以支持RGCs和杆状双极细胞的存活。因此，深入了解基于BDNF的干细胞疗法对DR神经保护具有重要意义。

2.2.2给药增加BDNF水平在DR中，氧化应激会导致BDNF下调，NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)是活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要产生者，罗布麻素是一种植物来源的载脂蛋白，在缺氧诱导的人视网膜Müller胶质细胞中，能够抑制NOX亚型NOX4表达，进而上调BDNF减轻视网膜损害[46]。槲皮素是黄酮类化合物的一种，具有强大的抗氧化作用，研究发现在DR大鼠中可能通过上调BDNF等神经营养因子水平和抑制神经元凋亡来保护糖尿病视网膜神经元[47]。此外，Suzumura等[48]发现在STZ诱导的糖尿病大鼠的DR早期口服二十碳五烯酸乙酯可通过增加代谢产物18-羟基二十碳五烯酸来上调BDNF进而阻止视网膜神经变性。Kim等[49]发现注射氟西汀可通过上调STZ诱导的糖尿病大鼠视网膜BDNF表达从而发挥抗细胞凋亡作用。基于上述研究，现有的药物也能够用于增加BDNF的表达，对抗DR早期视网膜神经损伤。

3 BDNF与弱视

弱视是一种由于儿童时期视觉通路发育异常而导致视力下降的疾病[50]。由于从青年到成年的大脑可塑性急剧下降，长期以来，视力丧失一直被认为是在关键时期后不可逆转的[51]。然而，最近的研究发现即使在关键期结束后，某些基因调控网络也可以在受到损伤时上调，导致解剖学和神经生化变化，这可能会改变神经元的活动和连通性[52]。这种神经可塑性的重新激活试图修复或补偿成人大脑中功能的丧失，在视觉系统中也可以看到这一点，例如成年C57BL/6J小鼠经过去传入和长期单眼剥夺，重新睁开眼的对侧视皮层聚唾液酸的升高伴随着BDNF上调且促进成年小鼠视皮层可塑性的重新激活和视功能的恢复[51]。研究发现，BDNF在弱视发病机制中有着重要意义，BDNF的减少促进了弱视的发生，提示增加BDNF的表达具有治疗意义[53]。BDNF因其在啮齿动物视皮层结构和功能水平上介导的环境富集对神经可塑性显著有利影响而被提出用于增强成年受试者的视皮层可塑性[54]。然而，由于BDNF不可能通过外周给药有效地穿过血脑屏障，这一看好的方法似乎受到了阻碍[55]。最近，Sansevero等[56]通过对成年弱视大鼠鼻腔内无创注射BDNF增加了初级视皮层中这种神经营养因子的水平，并促进了成年弱视大鼠的视力、眼优势和视觉深度感知的恢复，无论是在反向遮挡的动物还是在那些双眼视力不受限制的动物中都是如此。因此，BDNF可能对弱视的治疗提供了新的途径。

4总结与展望

BDNF参与了神经相关的眼部疾病的发生，在青光眼和DR等眼部疾病的诊断中具有潜在价值。此外，BDNF可以通过基因治疗、干细胞疗法、给药、鼻内注射等方法增加表达，在青光眼、DR和弱视等眼病的治疗中具有价值。不过，BDNF的诊断价值需进一步验证以及治疗方法在眼部疾病中的临床疗效还不确定。因此，在未来的研究中，期望大样本得纳入以确定BDNF的诊断价值以及BDNF的使用时机、给药方式和剂量等在临床中的疗效。