腦源性神經營養因子（BDNF）與運動性脊髓損傷

喬虎軍 沈勇偉

（蘇州大學體育學院，江蘇 蘇州 215006）

運動性脊髓損傷是指在體育運動中由于保護不當造成的脊髓損傷。脊髓損傷后，損傷部位神經軸突被撕裂，神經元和神經膠質細胞死亡，最終導致脊髓的傳導功能喪失而使人體癱瘓。以往觀念認為，脊髓損傷后神經元及軸突不能再生,但現代觀點認為脊髓損傷后神經元、軸突仍有再生的潛力，只是需要神經營養因子的營養支持[1]，并能形成新的突觸聯系，而且有研究證明改變體內神經細胞軸突生長的微環境能促進其再生[2]。大量研究證明，BDNF對神經元的生長、分化及損傷后修復有促進作用[3]。而且BDNF還能夠保護脊髓運動神經元，促進紅核脊髓束和皮質脊髓束軸突再生或出芽[4]。因此，從分子生物學角度深入研究BDNF對脊髓損傷后神經修復的作用及其機制，將為運動性脊髓損傷后的治療提供一定的理論依據。本文就根據國內外相關研究對BDNF及其受體分子結構、運動性脊髓損傷的病理特征及其之間的相互關系做如下綜述。

1 BDNF的生物學特性

1.1 BDNF的生化特征

BDNF是于1982年由德國神經化學家Barde等人首次從豬腦中分離純化出具有促進神經生長活性的一種蛋白質，分析表明BDNF的氨基酸序列有相當一部分與神經生長因子（nerve growth factor,NGF）相同，因此統稱為神經營養因子（neurotrophic factor，NTF）。BDNF分子單體是由119個氨基酸殘基組成的分泌型成熟多肽，蛋白等電點為9199，分子量為13.15kD，主要由a折疊和無規N-級結構組成，含有3個二硫鍵，為一種堿性蛋白質。成熟BDNF的氨基酸序列高度保守，組成成熟蛋白質的119個氨基酸在人類、豬、大鼠、小鼠和猴是完全相同的，雞的BDNF僅有7個氨基酸與哺乳動物不同。1989年，德國科學家Leibrock用RT-PCR法從豬腦mRNA中成功克隆了BDNFcDNA，并證實BDNF基因編碼區不存在內含子。1991年，Ozcelik等人證實人BDNF基因位于11號染色體的近端短臂上（11q13），由11個外顯子組成，是單拷貝基因[5]。

1.2 腦源性神經營養因子（BDNF）受體結構及其信號通路

BDNF的受體分為兩類：一類是高親和力的受體（Kd為10-11mol/L），主要是絡氨酸受體的TrK家族，包括TrKA、TrKB和TrKC等3種。其中TrKB為BDNF特異的功能傳遞受體。另一類是低親和力受體，為P75NTFs受體，所有的NT都可以以相似的親和力與之結合，Kd為10-9mol/L。

TrKA、TrKB和TrKC三者的氨基酸序列大部分相同（66%～68%），它們的結構和P75一樣都包括細胞外區、跨膜區、細胞內區三部分。細胞外區都含有免疫球蛋白樣的三個重復體，細胞內區則由高度相似的絡氨酸激酶結構域構成，當配體與受體結合后誘導受體二聚化，就可以激活絡氨酸激酶。易與BDNF特異性結合的TrKB是由821個氨基酸殘基組成的高度糖基化蛋白質分子，受體的胞外區包括一個由32個氨基酸殘基組成的信號肽，緊接著3個串聯的富含亮氨酸的基元（LRM），LRM兩端有兩個半胱氨酸，它包含了TrK受體12個保守的半胱氨酸中的8個，這些基元與蛋白質之間牢固而專一的相互作用有關。胞外近膜區由Ig-1和Ig-2兩個結構域構成。在細胞膜的內側緊接著是絡氨酸激酶區，細胞內C-端是15個氨基酸組成的短尾。

BDNF/TrKB信號途徑：BDNF與TrKB胞外區結合激活胞內區絡氨酸激酶的活性[6]，絡氨酸激酶被激活后，引起TrKB自身磷酸化，進而激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑、鈣調蛋白激酶（CaMK）途徑、磷酸肌醇3-激酶（PI3K）途徑等信號通路，最后使CREB激活[7-8]。激活后的CREB可以增加BDNF和抗凋亡蛋白基因BCL-2的表達，促進神經元的存活、增強突觸的可塑性。然而，由于對于中樞神經元的研究缺乏相應的培養細胞模型，BDNF-TrKB信號囊泡運輸對下游信號通路進行時空特異性調節的分子細胞機制尚未闡明。

2 運動性脊髓損傷分析

在對抗性較強的體育活動中，可能引起各種損傷，其中可能引起一種較為嚴重的損傷—脊髓損傷，嚴重者將會導致受傷者終身癱瘓。在體育活動或競技項目如體操、雜技等技巧性項目運動中，容易造成訓練或比賽時意外的發生，因而出現脊髓損傷的概率比較高。根據甄巧霞等[9]在38例運動相關脊髓損傷案例中的研究顯示，跳水是運動損傷最多的項目，其他運動項目還包括跳馬、體操訓練、排球、冰球運動和滑雪等。而且損傷者的平均年齡在23.4歲左右（多為男性），提示這與青壯年參加的體育項目有關。一般來說脊髓損傷患者將會留有不同程度的功能障礙。這不僅給患者帶來極大的痛苦，也會給患者家屬乃至社會造成沉重的負擔。現實生活中并不缺少這樣的例子。例如，我國著名的體操運動員王燕和桑蘭，就是在運動過程中發生意外不慎頭頸著地，頸椎骨折脫位導致脊髓損傷進而引起身體癱瘓。而這樣的例子在國際上也是屢見不鮮。喀麥隆體操選手阿里姆?哈桑在2003喀麥隆體操錦標賽中不幸頭部著地，傷勢嚴重而身亡。2005年歐洲體操錦標賽女子個人全能也發生悲劇，英國名將特維德爾熱身中出現意外，頸部收到重創。這些都足以引起我們對體育活動過程中可能造成脊髓損傷的高度重視。脊髓損傷包括原發性和繼發性兩種損傷機制。原發性損傷發生于受傷當時，其產生的神經損傷是被動的，不可逆的，直接造成損傷部位細胞死亡。而繼發性損傷是一個動態的病理過程，實質上是機體在細胞水平和分子水平的一種主動調節過程，其發展可持續數小時至數日，可受多種因素影響。繼發性損傷的機制較多，主要包括腦血管機制、自由基氧化學說、氨基酸學說、鈣介導機制、電介質失衡、細胞凋亡等[10]機制，這些機制決定了繼發性脊髓損傷的發生發展影響和制約著機體的結構重建與功能恢復。

3 BDNF與運動性脊髓損傷

3.1 脊髓損傷后BDNF的表達變化

在正常人的脊髓組織中，BDNFmRNA的表達水平在胚胎時期最高，到成年時幾乎檢測不到，只有在脊髓受到損傷后才會呈現明顯的表達[11]。BDNF作為脊髓運動神經元一個強有力的生存因子[12-13]，參與SCI后的復雜病理過程，其含量變化會在SCI后出現一定的規律性。當神經系統受到損傷后，神經細胞[14-15]和損傷部位[16-17]的BDNF及其受體表達含量會增加。劉楊等[18]制作大鼠脊髓損傷模型后，采用RT—PCR和免疫組化SABCA法對大鼠脊髓組織中的BDNF和BDNFmRNA進行檢測發現，脊髓損傷后1～3h，BDNF免疫陽性細胞無明顯變化。傷后6h開始增多，5d時達到高峰隨后呈下降趨勢，7d時仍高于正常組，其陽性細胞數的變化呈現出一定的時間相關性。黃純海[19]等通過全橫斷大鼠脊髓研究發現，BDNF在正常脊髓有少量表達，脊髓損傷后7d表達明顯升高，直到傷后21d有所下降。而Kasahara[20]等研究發現，BDNFmRNA在脊髓損傷后6w表達顯著升高，到12w時才顯著降低。雷曉婷等[21]研究發現，自然狀態下BDNF的表達在損傷后7～14d表現出較高水平，14～28d逐漸下降，35d又逐漸升高。而與對照組相比較，運動訓練組大鼠脊髓內BDNF的表達明顯增加并且停止訓練后仍能保持較高水平。以上實驗結果說明BDNF的表達受多種內部和外部因素的影響，與損傷時間和損傷程度以及康復訓練具有一定的相關性。

3.2 BDNF的生物學作用及其機制

關于BDNF在脊髓損傷后神經重建修復中的作用國內外學者作了很多研究。研究發現BDNF能提高受損脊髓運動和感覺神經元的存活[22-23]，并能促進神經元的修復和再生。另外，BDNF還可以刺激成年神經元的軸突和樹突出芽[24-25]，增強突觸間遞質的釋放，加強突觸間信號轉導。BDNF作用于受損脊髓的具體機制尚不清楚，目前認為可能與以下幾個分子和細胞機制有關。

（1）抗氧化作用脊髓損傷后缺血、缺氧引起患者機體代謝紊亂，ATP降解，氧在體內還原不完全，產生自由基。自由基進一步過氧化對細胞膜到細胞體進行氧化損傷。人體代謝過程中產生的氧自由基可以被體內相應的自由基清除酶例如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（CSH-Px）、過氧化氫酶（GAT）等及時清除，自由基產生與清除之間處于動態平衡。大量研究證明BDNF能使體外培養的神經元內SOD和GSH-Px含量明顯增加，這些酶類物質可以降低體內氧自由基的活性，并加速自由基的清除，從而減輕自由基對神經元的損傷[26]。

（2）抗細胞內高鈣脊髓損傷過程中，細胞內鈣離子出現異常增高，鈣離子的增高會導致腦細胞能量代謝障礙，質膜的離子泵和通透性發生異常變化，細胞毒性水腫。另外，脊髓損傷后還會出現神經細胞鈣質通道開放，胞漿內鈣濃度增高，嚴重影響了細胞內的鈣蛋白酶活性，而且使自由基的形成增加，阻止細胞內鈣的增加以及減少自由基的生成，都能保護神經元抵御損傷。有研究發現，BDNF可使體外培養的海馬神經元內的鈣結合蛋白及其mRNA的含量增加。這種鈣結合蛋白能排除細胞內超量鈣離子，維持細胞內的穩態，從而減少鈣超載引起的損傷[27]。

（3抑制細胞毒性有研究表明，脊髓損傷后細胞外的谷氨酸和天冬氨酸明顯升高，引起兩種氨基酸的興奮毒性作用，導致通過鈣離子電壓依賴鈣離子通道向胞內內流，激活自身破壞性鈣離子依賴酶，誘發細胞死亡。Marini等[28]研究發現，BDNF可以上調生存蛋白的表達，保護神經膠質細胞免受谷氨酸毒性損傷。到目前為止，BDNF是通過怎樣的途徑和機制實現其對損傷脊髓的保護作用的，眾多研究者看法不一，除上述作用機制外，BDNF還通過保護神經元，促進神經元再生，抗細胞凋亡等作用機制實現對損傷脊髓的保護。

4 討論

BDNF是神經系統中最重要的神經營養因子之一，大量研究表明其含量變化隨脊髓損傷時間的延長呈現一定的規律性，這表明其參與SCI后的復雜病理過程。隨著轉基因技術的不斷發展，以及人們對脊髓損傷病理研究的不斷深入，將BDNF轉基因療法運用到運動性脊髓損傷的修復成為必然。但是仍存在很多問題，如BDNF來源和給藥途徑問題，天然BDNF含量少，而且BDNF作為一種蛋白質，難以通過血腦（脊髓）屏障，還存在快速降解等問題，這些問題都有待做進一步研究。不過，相信隨著人們對BDNF轉基因療法與脊髓損傷修復關系的不斷深入研究和基因工程技術的發展，脊髓損傷修復的治療將會取得更大發展。

[1]JacobaenH.Elctricallyinduced deposition of metal on the human skin.[J]．Forensic scilnt 1997（1-2）：85-92．

[2]Blits B,Bunge MB.Driect gene therapy for repair of the spinal cord[J]．Neurotruma 2006（3-4）：508-520．

[3]Ebadi M，Bashir RM，Heidrick ML，Et al.Neurotrophinsand their receptors in never injury and repair[J].NeurochemInt，1997（4-5）：347-374.

[4]Jin Y,Fischer I,TesslerA,et al.Transplants of fibroblasts genetically modified to express BDNF promote axonal regeneration from supraspinal neurons following chronic spinal cord injury[J].Exp Neurol,2002,177(1):265-275.

[5]OzcelikT,RosenthalA,FranckeU.Chromosomal mapping of brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 genes in man and mouse[J].Genomics,1991,10(3):569-575.

[6]Huang EJ,Reichardt LF.Neurotrophins:roles in neuronal development and function[J].Annu Rev Neurosci,2001,24;677-736.

[7]SweattJD.The neuronal MAPkinase cascade:A biochemical signal integration system subserving synaptic plasticity and memory[J].J Neurochem,2001,76:1-10.

[8]Ying SW,FutterM,RosenblumK,etal.Brain-derived neurotrophic factor induces long term potentiation in the intact adult hippocampus:requirement for ERK activation coupled to CREBand upregulation of Arc synthesis[J].JNeurosci,2002（22）：1532-1540.

[9]甄巧霞，洪 毅．38例運動相關脊髓損傷的特點[J]．中國康復理論與實踐，2010，16（1）：66-67．

[10]陳志斌，陳國鋒．脊髓損傷機制的研究進展[J]．中外醫療，2010：184-186．

[11]李兵倉，王正國，朱佩芳等．腦源性神經營養因子mRNA在胚胎脊髓修復成鼠脊髓損傷過程中的變化[J]．Natl Med J China，1997（7）:516-520．

[12]Xu K，Uchida K,NakajimaH,etal.Targeted retrograde transfection of adenovirus vector carrying brain-derived neurotrophic factor gene prevents loss of mouse(twy/twy)anterior horn neurons in vivo sustainingmechanical compressio n[J].Spine,2006(17):1867-1874.

[13]SendtnerM,peiG,BeckM,etal.Developmentmotoneuron cell death and neurotrophic factors[J].Cell Tissue Res,2000:71-84.

[14]S,Hirsch,M,Labes,M.Bahr,Changes in BDNF and neurotrophin receptor expression in de-generating and regenerating rat retinal ganglion cells[J].Restor.Neurol.Neurosci,2000(17):125-134.

[15]Z.Kokaia,J.Bengzon,M.Metsis,M.Kokaia,H.Persson,o.Lindvall,Coexpression of neurotrophins and their receptor in neurons of the central nervous system[J].Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1993(90):6711-6715.

[16]D.J.Liebl,W.Huang,W.Young,L.F.Parada,Regulation of TrK receptors following contusion of the rat spinal cord[J].Exp.Neurol.2001(167):15-26.

[17]M.Nakamura,B.S.Bregman,Differences in neurotrophic factor gene expression profiles be-tween neonate and adult rat spinal cord after injury[J]．Exp.Neurol，2001（169）：407-415．

[18]劉 楊，劉 季，王亞方等．大鼠脊髓損傷后BDNF的表達實驗性研究[J]．中國法醫學雜志，2007（1）：15-18．

[19]黃純海，王延華，李 群．脊髓全橫斷大鼠神經生長因子和腦源性神經生長因子表達及三七皂苷的干預效應[J]．中國組織工程研究與臨床康復，2007（11）：8276-8279.

[20]Kasahara K，Nakagawa T，Kubota T.Neuronal loss and expression of neurotrophic factors in a model of rat chronic compressive spinal cord injury[J].spine,2006（18）：2059-2066．

[21]雷曉婷，劉興波，王紅星等．康復訓練對脊髓損傷大鼠脊髓內再生微環境的影響 [J]． 南京醫科大學學報,2009（4）：429-434．

[22]Nakajima H,Uchida K,Kobayashi Set al.Rescue of rat anterior horn neurons after spinal cord injury by retrograde transfection of adenovirus vector carrying brain-derived neurotrophic factor gene[J].Nerotrauma,2007（24）:703-712．

[23]Kim DH,ZhaoX,TuCH,etal.Prevention of apeptotic hut neurotic cell death followingneuronal injury by neunmphinssignaling through thetyrosinekinasereceptor[J].Neurosurg,2004(1):79-87.

[24]Kwon BK,Liu J,Lam Cet al.Brain-derived neurotrophic factor gene transfer with adeno-associated viral and lentiviral vectors preventsrubrospinal neuronal atrophy and stimulates regeneration-associated gene expression after acute cervical spinal cord injury[J].Spine,2007（32）:1164-1173.

[25]BleschA,TuszynskiMH.Transient growth factor delivery sustains regenerated axons after spinal cord injury[J].Neurosci，2007（39）：10535-10545.

[26]BifrareYD,KummerJ,Joss Pet al.Brain derived neurotrophic factor protects against multiple forms of br ain injury in bacterial meningitis[J].JInfect Dis,2005(1):40-50.

[27]BachisA,MocchettiI.Brain derived neurotrophic factor is neuroprotective against human immunodeficinencyvirusl envelope proteins[J].Ann NY Acad Sci,2005(2):247-257.

[28]Marini AM,JiangX,WuX,etal.Role of brain-derived neurotrophic factor and NF-kappaBin neuronal plaxticity and survival from genes to phenotype[J]．RestorNeurolNeurol Neur-osci,2004,22(2):121-130．