脑源性神经营养因子(BDNF)和运动性脊髓损伤

脑源性神经营养因子BDNF和运动性脊髓 损伤 摘要目前，有关运动性脊髓损伤的研究尚不充分, 而且对其损伤机制和治疗方法也没有取得较好的研究进展。 随着研究的深入，发现脑源性神经营养因子BDNF对促进 神经元的存活、受损轴突和神经的再生发挥着重要作用。 BDNF转基因疗法将给运动性脊髓损伤的修复和治疗带来巨 大的潜力。文章通过分析BDNF及其受体的生物学特性、运 动性脊髓损伤的病理特征，为制定运动性脊髓损伤的BDNF 基因治疗提供理论基础。 关键词脑源性神经营养因子脊髓损伤 运动 基因治 疗 中图分类号G804 文献标识码A 文章编号1004-5643 2013 01-0116-04 运动性脊髓损伤是指在体育运动中由于保护不当造成 的脊髓损伤。脊髓损伤后，损伤部位神经轴突被撕裂，神经 元和神经胶质细胞死亡，最终导致脊髓的传导功能丧失而使 人体瘫痪。以往观念认为，脊髓损伤后神经元及轴突不能再 生，但现代观点认为脊髓损伤后神经元、轴突仍有再生的潜 力，只是需要神经营养因子的营养支持，并能形成新的突触 联系，而且有研究证明改变体内神经细胞轴突生长的微环境 能促进其再生。大量研究证明，BDNF对神经元的生长、分化 及损伤后修复有促进作用。而且BDNF还能够保护脊髓运动 神经元，促进红核脊髓束和皮质脊髓束轴突再生或出芽。因 此，从分子生物学角度深入研究BDNF对脊髓损伤后神经修 复的作用及其机制，将为运动性脊髓损伤后的治疗提供一定 的理论依据。本文就根据国内外相关研究对BDNF及其受体 分子结构、运动性脊髓损伤的病理特征及其之间的相互关系 做如下综述。 1 BDNF的生物学特性 1. 1BDNF的生化特征 BDNF是于1982年由德国神经化学家Barde等人首次从 猪脑中分离纯化出具有促进神经生长活性的一种蛋白质，分 析表明BDNF的氨基酸序列有相当一部分与神经生长因子 nerve growth factor, NGF相同，因此统称为神经营养 因子neurotrophic factor, NTF。BDNF 分子单体是由 119 个氨基酸残基组成的分泌型成熟多肽，蛋白等电点为9199, 分子量为13. 15kD,主要由a折叠和无规N-级结构组成，含 有3个二硫键，为一种碱性蛋白质。成熟BDNF的氨基酸序 列高度保守，组成成熟蛋白质的119个氨基酸在人类、猪、 大鼠、小鼠和猴是完全相同的，鸡的BDNF仅有7个氨基酸 与哺乳动物不同。1989年，德国科学家Leibrock用RT-PCR 法从猪脑mRNA中成功克隆了 BDNFcDNA,并证实BDNF基因编 码区不存在内含子。1991年，Ozcelik等人证实人BDNF基 因位于11号染色体的近端短臂上（llql3）,由11个外显子 组成，是单拷贝基因。 1.2脑源性神经营养因子（BDNF）受体结构及其信号通 路 BDNF的受体分为两类一类是高亲和力的受体（Kd为 10-llmol/L）,主要是络氨酸受体的TrK家族，包括TrKA、 TrKB和TrKC等3种。其中TrKB为BDNF特异的功能传递受 体。另一类是低亲和力受体，为P75NTFS受体，所有的NT 都可以以相似的亲和力与之结合，Kd为10-9mol/L。 TrKA、TrKB和TrKC三者的氨基酸序列大部分相同（66〜 68）,它们的结构和P75 -样都包括细胞外区、跨膜区、细 胞内区三部分。细胞外区都含有免疫球蛋白样的三个重复 体，细胞内区则由高度相似的络氨酸激酶结构域构成，当配 体与受体结合后诱导受体二聚化，就可以激活络氨酸激酶。 易与BDNF特异性结合的TrKB是由821个氨基酸残基组成的 高度糖基化蛋白质分子，受体的胞外区包括一个由32个氨 基酸残基组成的信号肽，紧接着3个串联的富含亮氨酸的基 元（LRM）, LRM两端有两个半胱氨酸，它包含了 TrK受体12 个保守的半胱氨酸中的8个，这些基元与蛋白质之间牢固而 专一的相互作用有关。胞外近膜区由Ig-1和Ig-2两个结构 域构成。在细胞膜的内侧紧接着是络氨酸激酶区，细胞内c- 端是15个氨基酸组成的短尾。 BDNF/TrKB信号途径BDNF与TrKB胞外区结合激活胞 内区络氨酸激酶的活性，络氨酸激酶被激活后，引起TrKB 自身磷酸化，进而激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径、 钙调蛋白激酶（CaMK）途径、磷酸肌醇3-激酶（PI3K）途径 等信号通路，最后使CREB激活。激活后的CREB可以增加BDNF 和抗凋亡蛋白基因BCL-2的表达，促进神经元的存活、增强 突触的可塑性。然而，由于对于中枢神经元的研究缺乏相应 的培养细胞模型，BDNF-TrKB信号囊泡运输对下游信号通路 进行时空特异性调节的分子细胞机制尚未阐明。 2运动性脊髓损伤分析 在对抗性较强的体育活动中，可能引起各种损伤，其中 可能引起一种较为严重的损伤一脊髓损伤，严重者将会导致 受伤者终身瘫痪。在体育活动或竞技项目如体操、杂技等技 巧性项目运动中，容易造成训练或比赛时意外的发生，因而 出现脊髓损伤的概率比较高。根据甄巧霞等在38例运动相 关脊髓损伤案例中的研究显示，跳水是运动损伤最多的项 目，其他运动项目还包括跳马、体操训练、排球、冰球运动 和滑雪等。而且损伤者的平均年龄在23.4岁左右（多为男 性），提示这与青壮年参加的体育项目有关。一般来说脊髓 损伤患者将会留有不同程度的功能障碍。这不仅给患者带来 极大的痛苦，也会给患者家属乃至社会造成沉重的负担。现 实生活中并不缺少这样的例子。例如，我国著名的体操运动 员王燕和桑兰，就是在运动过程中发生意外不慎头颈着地， 颈椎骨折脱位导致脊髓损伤进而引起身体瘫痪。而这样的例 子在国际上也是屡见不鲜。喀麦隆体操选手阿里姆哈桑在 2003喀麦隆体操锦标赛中不幸头部着地，伤势严重而身亡。 2005年欧洲体操锦标赛女子个人全能也发生悲剧，英国名将 特维德尔热身中出现意外，颈部收到重创。这些都足以引起 我们对体育活动过程中可能造成脊髓损伤的高度重视。脊髓 损伤包括原发性和继发性两种损伤机制。原发性损伤发生于 受伤当时，其产生的神经损伤是被动的，不可逆的，直接造 成损伤部位细胞死亡。而继发性损伤是一个动态的病理过 程，实质上是机体在细胞水平和分子水平的一种主动调节过 程，其发展可持续数小时至数日，可受多种因素影响。继发 性损伤的机制较多，主要包括脑血管机制、自由基氧化学说、 氨基酸学说、钙介导机制、电介质失衡、细胞凋亡等机制， 这些机制决定了继发性脊髓损伤的发生发展影响和制约着 机体的结构重建与功能恢复。3 BDNF与运动性脊髓 损伤 3. 1脊髓损伤后BDNF的表达变化 在正常人的脊髓组织中，BDNFmRNA的表达水平在胚胎时 期最高，到成年时几乎检测不到，只有在脊髓受到损伤后才 会呈现明显的表达。BDNF作为脊髓运动神经元一个强有力的 生存因子，参与SCI后的复杂病理过程，其含量变化会在SCI 后出现一定的规律性。当神经系统受到损伤后，神经细胞和 损伤部位的BDNF及其受体表达含量会增加。刘杨等制作大 鼠脊髓损伤模型后，采用RT-PCR和免疫组化SABCA法对大 鼠