脑源性神经营养因子诱发癫痫机制的研究进展

肖秋杰 综述，黄灵 审校

1.右江民族医学院，广西 百色 533000；2.右江民族医学院附属医院神经内科，广西 百色 533000

癫痫是一种严重的慢性和使人衰弱的脑部疾病，其对患者的神经系统、认知、心理和社会适应都带来不利的影响。癫痫的发病率是仅次于脑卒中、老年痴呆的一种可发生于各个年龄段人群的慢性疾病，我国癫痫患病率大约为7.2‰[1]。癫痫发生是一个复杂的过程，涉及一系列复杂的细胞和分子过程。脑源性神经营养因子(BDNF)是“神经营养”家族的第二个成员，它是一种调节哺乳动物健康和疾病中神经元功能(神经元发育、存活和可塑性，突触结构和活性)的关键因素[2-3]。BDNF 广泛分布于中枢神经系统(CNS)，在星形胶质细胞、小胶质细胞、纹状体、大脑皮层、小脑以及信号活跃和发作频繁的区域有表达，特别在与癫痫发作易感性相关的大脑区域(例如海马和内嗅皮层)有高表达[4-5]。然而，关于BDNF 在癫痫中的功能一直存在争议。一些研究表明[6-7]，BDNF 可以显著减少癫痫发作，修复癫痫引起的神经元损伤，改善认知及行为异常。然而大量的证据表明BDNF 是一种致痫因子。因此，本文从细胞和分子角度对BDNF 如何导致癫痫的发病机制展开综述。

1 BDNF的概念及其分子结构

Purves等[8]于1988年首次提出“神经营养蛋白”一词，目前发现的神经营养蛋白主要有神经营养蛋白3(NT-3)、NT-4、BDNF 和神经生长因子(NGF)四种。其中，BDNF 的首次纯化是在1982年德国神经生物学家Brade等[9]从猪脑中提取。现已知的人类BDNF基因定位于11q13，其前体为247个氨基酸残基前多肽原，是由一个含18个氨基酸残基信号序列以及一个含110氨基酸残基前序列(ProBDNF)和一个含119氨基酸残基的成熟序列(mBDNF)构成，其分子量为13 KDa，等电点为9.99，链内有3 对二硫键，在体内以二聚体的形式存在[10]。在本综述中，重点对BDNF展开描述，它被认为在许多与脑相关的病理状况中起着至关重要的作用。

2 BDNF致癫痫的相关机制

2.1 BDNF受体及信号通路 BDNF可以以前体(proBDNF)或成熟形式(mBDNF)分泌，其分别结合两种不同受体(p75NTR 和TrkB)。不同形式的神经营养因子可以通过与不同的受体结合发挥生物学作用，优先激活不同的受体以诱导细胞存活或死亡[11]。对信号通路的研究表明，基底前脑神经元暴露于前神经营养因子或成熟的神经营养因子明显激活了不同的通路，分别与诱导c-Jun N末端激酶(JNK)磷酸化和半胱天冬酶-6(caspase-6)和caspase-3裂解的前神经营养因子，以及诱导蛋白激酶B (AktB)和细胞外信号调节激酶(Erk)磷酸化的成熟神经营养因子[12]。

2.1.1 BDNF 与TrkB 有证据表明[13]，特定大脑区域中TrkB 信号传导的上调可能是导致病理生理过程中诱导持续的分子和细胞变化的基础。大多数BDNF信号传导是通过识别TrkB受体而发生的，该受体与多种信号通路偶联，包括有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)/蛋白激酶C、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-K)和磷脂酶Cγ等，进而促进神经元增殖、分化和存活以及神经递质释放和突触可塑性。BDNF也可通过其同源受体TrkB以促进几类抑制性中间神经元的功能，包括生长抑素(SST)、神经肽Y(NPY)、P物质和皮质中的皮质抑素(Cort)等[14-15]，这暗示了BDNF 信号传导对于调节神经元兴奋性/抑制性平衡(E/I Balance)至关重要。

BDNF 受体TrkB 的激活促进了由癫痫持续状态(SE)引起的癫痫发生。Unsain等[16]通过注入功能阻断抗体、反义寡核苷酸和重组人BDNF蛋白证明了BDNF是SE后神经元损伤的正调节剂。在颞叶癫痫(TLE)小鼠的齿状回和CA3区域中观察到BDNF和TrkB蛋白的急剧增加，证明了BDNF/TrkB通路的上调至少部分是导致癫痫发生的原因[17]。Liu等[18]证明了SE诱导的TrkB信号增强不仅会导致癫痫反复发作，而且还会使受试者容易表达焦虑样行为。TrkB抑制剂已用于治疗TrkB过度激活的多种疾病，特别是TLE[19]。

2.1.2 BDNF与p75NTR p75NTR是肿瘤坏死因子(TNF)的一员，它可以介导许多不同的细胞功能，例如细胞存活、凋亡和轴突生长，常见的p75NTR与细胞死亡有关[20]。除mBDNF 的促癫痫作用外，毛果芸香碱诱发癫痫发作后proBDNF 和p75NTR 显着增加，且在随后的神经元丢失和癫痫发展中的起重要作用。p75NTR介导的细胞凋亡被认为是癫痫发生的介质，神经营养因子原(即pro-NGF 和pro-BDNF)一旦释放优先结合并激活p75NTR，并在癫痫发作后在凋亡神经元中上调[21]。Riffault等[22]证实了当在小鼠大脑发育过程中增加的proBDNF/p75NTR 信号传导可在成熟神经元细胞中以氯化钾共转运蛋白2(KCC2)依赖性方式维持去极化的γ-氨基丁酸(GABA)反应，可增加小鼠癫痫发作的易感性。此外，SE 后的proBDNF/p75NTR 反应选择性下调KCC2 促进氯化物的体内稳态失调，导致GABAA 受体的兴奋作用并促进癫痫样放电。这些结果均表明proBDNF/p75NTR 在癫痫发生机理中起关键作用。

2.2 BDNF 与γ-氨基丁酸(GABA)、神经元谷氨酸(Glu) 突触传递调节的异常在许多脑部疾病的发病机制中起作用，例如癫痫、帕金森病等[23]。致痫机制的一种假设是兴奋性和抑制性神经递质之间的不平衡，最终导致癫痫发作阈值降低。众所周知BDNF 是突触成熟、可塑性和信号传导的调节剂，其结果是破坏神经元网络中兴奋和抑制之间的平衡，这可能导致不适当的神经元放电并最终产生自发性、复发性癫痫发作。

2.2.1 BDNF 与GABA GABA是主要的抑制性神经递质。在成熟健康的哺乳动物神经元网络中，GABA 通过作用于GABAA 和GABAB受体(GABAAR，GABABR)来介导突触抑制。GABAAR 是大脑中主要的抑制性神经递质受体，它的多个亚基表现出区域性、发育性和疾病相关的表达可塑性。具体来说，已经表明24 h的BDNF暴露以类似于TLE模型中所见的方式直接调节培养中海马神经元中的α-亚基水平，导致GABAAR α1亚基表达减少和GABAAR α4增加表达。Lund 等[24]报告了癫痫引起的与癫痫相关的GABAAR α1亚基表达减少是由Janus激酶(JAK)/信号转导和转录激活因子(STAT)通路介导的，该通路由BDNF 调节。Xu 等[25]发现GABAAR α1 亚基的降低可能与杏仁核点燃的耐药癫痫大鼠诱导型cAMP 早期抑制因子(ICER)和BDNF的增加有关。多项研究表明，KCC2/Na-K-2Cl协同转运蛋白1(NKCC1)表达改变引起的兴奋性GABA 作用可导致TLE 发作[26-28]。BDNF 也可以通过增加N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体活性来调节突触传递，减少海马培养物中GABA能突触对GABA能突触后细胞的抑制，引起大鼠海马神经元的快速兴奋，并通过TrkB 信号促进发生内侧TLE。因此，BDNF 调节GABA 的表达可改变E/I Balance促进癫痫的发生，并且机制复杂。

2.2.2 BDNF 与Glu Glu 是主要的兴奋性神经递质，且Glu 受体(特别是离子型NMDA 受体)在癫痫发生中的起关键作用。对人类癫痫的研究表明[29]，海马神经元中NMDAR1 转录物的表达增加，其可能与神经元过度兴奋、同步和癫痫发作增加有关。Kourdougli 等[30]发现了SE 后早期异常去极化GABA 和p75NTR信号促进了Glu能网络的长期重排，这有助于致癫痫过程。在戊四氮(PTZ)点燃慢性癫痫大鼠模型中，BDNF 能够促进培养的星形胶质细胞谷氨酸转运体-1(GLT-1)表达增高，以增强谷氨酸摄取功能[31]。

2.3 BDNF 与MicroRNA MicroRNA (miRNA)是一种小型非编码RNA，其影响神经元发育、突触可塑性和生理学反应。miRNA 失调可调节癫痫的多种分子和细胞途径，包括细胞分化、迁移和增殖。异常的miRNA 表达与癫痫有关，包括miR-128、miR-132、miR-134、miR-155、miR-103a 等，且异常的miRNA 与BDNF 相互作用可导致癫痫的发生与发展。miR-155是一种典型的多功能miRNA，在炎症、免疫反应和肿瘤发生中起着重要作用。在中枢神经系统中，已发现miR-155 是免疫中促炎症反应的主要调节因子,它在血脑屏障(BBB)破坏中发挥积极作用，增加了对神经毒性事件的易感性。有研究发现，其在癫痫患者和海藻酸诱发的癫痫小鼠的大脑(包括小胶质细胞、星形胶质细胞、皮质和海马)及生物流体(包括脑脊液和血液)中表达明显升高，特别在小胶质细胞和星形胶质细胞中含量丰富[32]。TLE小鼠中miR-155的上调伴随着脑电图性能和癫痫发作功能的恶化。有研究证明[33-34]，过表达的miR-155对BDNF的负调节作用导致BDNF减少进而诱发癫痫发作，且miRNA-155 通过PI3K/Akt/mTOR 信号通路促进了癫痫的发生。在SE 海马神经元培养模型中，miR-132 的过表达可通过调节的BDNF/TrkB信号传导来促进癫痫发生[35]。miR-132靶向多个离子通道，过度表达的前miR-132 增强谷氨酸、NMDA 介导的培养神经元去极化，相应地影响细胞兴奋性。有研究发现，Rho GTPase 激活蛋白32(p250GAP)、甲基CpG 结合蛋白2(MeCP2)、核受体相关1蛋白(Nurr1)均被认为是miRNA-132的靶点，其介导、控制BDNF 诱导的突触后蛋白表达的功能[23]。因此，神经元表达的miR-132 的多个靶点与BDNF/TrkB存在组合关系进而导致癫痫的发生。miR-103的下调可诱发多种疾病，包括糖尿病、癌症以及心肌梗塞。然而miR-103 的上调可能在中枢神经系统基因表达的调节中起重要作用，BDNF 是miR-103a 的直接靶基因。BDNF通过上调miR-103表达导致癫痫大鼠星形胶质细胞的激活和海马神经元损伤[36]。

2.4 BDNF 与苔藓纤维(MF) 癫痫诱导的神经营养因子上调可导致癫痫发生过程中的神经元结构和功能改变。有研究表明[37]，新合成的、顺行运输的和分泌的BDNF 会影响轴突从颗粒细胞(即MF)的初始发芽。MF萌芽是通过单个MF终端和侧枝的生长以及新突触的建立来改变功能连接，BDNF能促进MF出芽，建立新的突触连接能导致癫痫发作。Danzer等[38]发现BDNF 表达增加引发了细胞50 mm内MF轴突的分支增加，这表明BDNF 对齿状颗粒细胞(DGC)具有形态调节作用，可能代表BDNF 促进边缘癫痫发生的一种机制。在海马中过度表达BDNF的转基因小鼠中，MF预测扩展到CA3，并随着年龄的增长而发展为自发性癫痫发作[39]。在癫痫小鼠的海马中，L 型钙通道的过度激活导致DGC 表达BDNF，且细胞外释放的BDNF刺激存在于MF 肺门段的TrkB 受体诱导轴突分支，这可能建立过度兴奋的齿状回路[40]。癫痫活动增加了整个海马体的BDNF 表达并促进了MF 的反应性萌芽，其中BDNF-TrkB信号刺激了这种形态学反应，从而有助于癫痫发生的机制[41]。总的来说，BDNF 的持续增加会随着时间的推移破坏海马功能和改变齿状结构组织，从而有助于促癫痫回路的发展。

2.5 BDNF与外周激素

2.5.1 BDNF 与雌激素 雌激素和BDNF对癫痫发作和神经元损伤的影响很复杂。雌激素和BDNF的影响有关的信号转导途径和转录因子也是共享的，这些包括p42/44 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径、PI3-K 通路、Src/Fyn(一种Src 家族酪氨酸激酶)、Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)和CREB。有研究表明[42-43]，雌激素和BDNF 可以增加癫痫发作的易感性。在排卵期和围经期，17β-雌二醇可以增加BDNF 水平，进而通过生长反应因子3 (Egr3)作用于GABA 能突触[44]，可以解释月经期癫痫女性癫痫发作易感性的增加。在一部分患有月经性癫痫的女性中，排卵期癫痫发作频率会增加[45]。另外，月经时黄体酮的减少会导致去抑制作用，而这种缺乏抑制作用会导致癫痫发作频率增加。

2.5.2 BDNF 与糖皮质激素(GCs) 糖皮质激素受体(GR)与GCs 的结合对于神经元功能也至关重要。在培养基中存在大量GC的情况下及胎儿小鼠海马神经元模型中，发现GR可通过与外显子IV上游特定DNA 区域的结合直接下调BDNF 的表达[46]。Lambert等[47]证实TrkB受体的BDNF激活通过磷酸化受体上的两个关键丝氨酸残基(丝氨酸155(S155)和S287)来积极调节其靶基因表达的GR活性。Gamartínez-levy等[48]发现在耐药性TLE 患者的颞叶皮质中的转录本BDNF I和BDNF VI增加，且CREB和GR的表达受到与BDNF相同的影响。

2.6 BDNF 与其他 基质金属蛋白酶(MMPs)与细胞凋亡、坏死细胞死亡和突触可塑性相关。MMP-3和MMP-9 是内肽酶，介导BBB 的分解以及活化的血源性白细胞侵入大脑。施用海藻酸(KA)、戊四氮(PTZ)3 d后的小胶质细胞、巨噬细胞及淋巴细胞中的MMP-3 和MMP-9 的免疫染色增加[49]。MMP-9 在癫痫的发病机理中起作用，并与癫痫灶的形成和癫痫发作后这些灶内的组织重塑有关。神经元MMP-9可通过控制树突棘的形状和兴奋性突触的功能来参与突触可塑性，从而在学习、记忆和皮质可塑性中起关键作用[50]。PTZ 点燃涉及长时间MMP-9 激活和BDNF水平升高引起的突触重塑。MMP-9 可将pro-BDNF转化为成熟的BDNF，从而激活TrkB导致癫痫发生。

癫痫发作是由于大脑内部同步的高级神经元活动引起的，一些阳离子通道的调节异常与癫痫发生有关。细胞内钙储存(如线粒体和内质网)的去极化和钙超载可能导致神经元细胞非可逆性肿胀、损伤和最终死亡[51]。通过细胞外钙内流引起的钙超载对神经元有毒，尤其是通过离子型Glu 受体(如NMDAR 和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPAR)。BDNF 可以增加NMDAR 的激活，导致过多的Ca2+通量，大量Ca2+进入神经元细胞，从而导致异常的快速尖峰和爆发，进而触发依赖途径诱导神经元死亡，从而恶化癫痫相关的病理改变[52]。

3 展望

BDNF 与多种神经精神疾病有关，常见的有癫痫、精神分裂症、抑郁症、阿尔茨海默病、亨廷顿病等[53-55]。其中癫痫的发病机制较为复杂，且病因不明确，对患者生活影响较大。目前药物是癫痫患者的主要治疗方式，有数据研究表明仍有30%左右的癫痫患者通过药物治疗后，仍然不能控制其癫痫的发作[56]。因此，近年来癫痫发病机制以及治疗研究的热点逐渐转向细胞、分子等方面，本综述总结了BDNF部分致痫机制，但BDNF 或其他因子致痫机制(包括离子通道、突触传递、信号通路、相关受体等)有待进一步探究。在BDNF 促癫痫的作用机理的研究中，BDNF 基因的功能以及蛋白水平表达方面的研究也取得了一些进展，但仍未完全阐明其复杂的作用机制。坚信对BDNF的更深入的探究，会为神经退行性疾病的病因、诊断和治疗方法等方面开辟新的道路。