針刺的神經(jīng)保護(hù)作用及BDNF信號通路活化機制*

孫忠人，李佳諾，尹洪娜，李 全，曾祥新

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針刺廣泛應(yīng)用于治療腦脊髓神經(jīng)疾病,對病后引起的運動功能障礙、感覺功能障礙以及尿潴留等并發(fā)癥具有良好的治療效果[1]。研究發(fā)現(xiàn)[2]，針刺及電針對治療各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病療效顯著，能促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)。其中包括腦卒中及其運動功能障礙、阿爾茨海默病(AD)和帕金森疾病(PD)[3]。目前，大量的實驗研究證明針刺是通過調(diào)節(jié)信號通路發(fā)揮治療作用。例如，針刺介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用可通過降低p38MAPK水平，減少促炎因子及介質(zhì)的表達(dá)，增加神經(jīng)生長因子(NGF)表達(dá)而實現(xiàn)[4-5],與神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞凋亡相關(guān)[6]。神經(jīng)營養(yǎng)因子(Neurotrophins)是腦內(nèi)一類重要的信號分子，負(fù)責(zé)軸突靶向，神經(jīng)元生長及發(fā)育過程中突觸的成熟和可塑性調(diào)節(jié)。其家族包含神經(jīng)生長因子(NGF1)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)以及神經(jīng)營養(yǎng)素3/4，其中BDNF在突觸可塑性方面優(yōu)于其他[7]，在中樞神經(jīng)功能的許多方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[8]。最新數(shù)據(jù)表明，電針可通過調(diào)節(jié)BDNF及其信號通路緩解神經(jīng)病理性疾病，針刺的作用機制與刺激神經(jīng)末梢釋放神經(jīng)肽和調(diào)節(jié)神經(jīng)營養(yǎng)因子表達(dá)相關(guān)[9]。本研究的目的是通過闡述針刺神經(jīng)保護(hù)作用及針刺誘導(dǎo)BDNF及其信號通路激活的治療機制。

1 BDNF/TrkB信號通路的神經(jīng)保護(hù)作用

BDNF蛋白廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的神經(jīng)元胞體、軸突和樹突中，參與神經(jīng)元突觸可塑性調(diào)節(jié)。BDNF在成熟的大腦中也具有突觸可塑性的基本功能[10]，并且對學(xué)習(xí)和記憶過程至關(guān)重要[11]。在神經(jīng)發(fā)育過程中，BDNF為正常軸突生長的信號[12]，已知BDNF是多巴胺能、GABA能及膽堿能和5-羥色胺能神經(jīng)元正常發(fā)育和存活所必需[13]。

最近數(shù)據(jù)表明，pro-BDNF和成熟的BDNF激活不同的細(xì)胞內(nèi)信號通路[14]。Pro-BDNF信號通過低親和力神經(jīng)營養(yǎng)素受體p75傳遞，被認(rèn)為參與細(xì)胞凋亡[15]。成熟的BDNF信號通過其高親和力原肌球蛋白相關(guān)激酶B(TrkB)受體傳遞，當(dāng)BDNF與TrkB結(jié)合時，誘導(dǎo)其二聚化，受體酪氨酸激酶被自身磷酸化，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)信號級聯(lián)激活以及N-甲基-D-天冬氨酸(NDMA)受體電流的增加[16]。BDNF-TrkB激活可以調(diào)節(jié)至少3種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,如圖1。TrkB受體介導(dǎo)的BDNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，與BDNF結(jié)合，受體酪氨酸激酶TrkB出現(xiàn)磷酸化。不同位點的磷酸化導(dǎo)致不同下游通路的激活。①PI3K途徑激活蛋白激酶B(AKT)，導(dǎo)致細(xì)胞存活;②MAPK/ERK途徑導(dǎo)致細(xì)胞生長和分化;③PLCγ途徑激活三磷酸肌醇受體釋放細(xì)胞內(nèi)鈣離子，增強鈣調(diào)蛋白激酶(CaMK)活性，導(dǎo)致突觸可塑性。這3條途徑都匯聚在轉(zhuǎn)錄因子CREB上，CREB可以上調(diào)BDNF基因表達(dá)。

圖1 BDNF-TrkB激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

磷脂酶Cγ(PLCγ)途徑，導(dǎo)致蛋白激酶C的激活；磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)途徑，激活絲氨酸/蘇氨酸激酶AKT；以及絲裂原活化的蛋白激酶(MAPK或細(xì)胞外信號相關(guān)激酶ERK)途徑，激活下游效應(yīng)分子。簡而言之，快速突觸和離子通道效應(yīng)被認(rèn)為依賴于PLCγ介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鈣離子儲存的釋放，涉及轉(zhuǎn)錄的更長時間的效應(yīng)被認(rèn)為是在PI3K和MAPK通路的下游。

眾所周知，如電刺激誘發(fā)神經(jīng)元活化，可調(diào)節(jié)BDNF的mRNA和蛋白質(zhì)向樹突轉(zhuǎn)運，被認(rèn)為是局部產(chǎn)生的BDNF調(diào)節(jié)突觸傳遞和突觸發(fā)生的能力[17]。此外，BDNF可通過自分泌和旁分泌機制發(fā)揮作用，這取決于其發(fā)出信號的細(xì)胞表面受體的位置[18]。有報道表明，BDNF通過活化ERK通路，抑制DNA損傷導(dǎo)致的大腦皮層神經(jīng)元和小腦神經(jīng)元的細(xì)胞死亡。另有研究表明，BDNF對細(xì)胞凋亡的保護(hù)作用不僅需要激活PI3K/Akt，但也通過抑制GSK-3β和激活cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)來激活ERK通路[19]。BDNF誘導(dǎo)的抗神經(jīng)元凋亡保護(hù)作用機制，為防止皮層紋狀體有機型培養(yǎng)物中N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA)阻斷引起的神經(jīng)元死亡，其作用依賴于ERK和PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的刺激。

BDNF和TrkB定位于突觸前和突觸后，突觸前BDNF信號促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)釋放，而突觸后BDNF信號參與增強各種離子通道功能，包括α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic酸受體、NMDA受體、瞬時受體電位陽離子通道以及鈉和鉀通道[20]。BDNF同時作用于興奮性和抑制性突觸[21]，實驗證據(jù)表明BDNF可能調(diào)節(jié)自發(fā)和刺激性神經(jīng)元活動[22]。

2 針刺對腦脊髓功能的神經(jīng)保護(hù)作用

針刺效應(yīng)得益于感覺系統(tǒng)，為周圍神經(jīng)傳入活動的特殊模式，如β-內(nèi)啡肽是介導(dǎo)針灸止痛的重要因素，許多其他分子和系統(tǒng)也可能被針刺刺激，從而產(chǎn)生一些生物效應(yīng)，如壓力、疼痛、自主活動和免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。目前研究證實，針刺可以釋放多種神經(jīng)遞質(zhì)，如谷氨酸、乙酰膽堿、GABA和血清素，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)中的神經(jīng)肽[23]。最近研究表明，針刺信號可以通過傳入神經(jīng)途徑進(jìn)入CNS，引起各種神經(jīng)和生理變化[24]，Choi 等提示針刺刺激通過加速腦血流并增加糖尿病大鼠在缺血條件下的血漿滲透壓和細(xì)胞外谷氨酸來保護(hù)神經(jīng)元[25]。其他研究表明，針刺可通過增加酪氨酸羥化酶(TH)和多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白(DAT)的表達(dá)水平來抑制1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)中毒引起的黑質(zhì)紋狀體神經(jīng)變性。此外，在MPTP模型中，與髖部非穴位相比，針刺陽陵泉和太沖穴引起小鼠腦組織中紋狀體和黑質(zhì)致密區(qū)中TH細(xì)胞水平顯著升高[4]。實驗證實針刺對治療PD的證據(jù)表明具有神經(jīng)保護(hù)作用，可以增加各種神經(jīng)保護(hù)因子表達(dá)，如BDNF，GDNF和親環(huán)素A(CypA)[26]。研究證實，電針長強穴治療大鼠脊髓損傷(SCI)，采用免疫熒光法(IF)觀察損傷組織周圍 NGF及BDNF含量均升高[27]。

3 針刺療法與不同疾病的BDNF信號通路

綜上所述，針刺為治療疾病的重要干預(yù)療法，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有多種神經(jīng)調(diào)節(jié)功能。針刺通過激活BDNF及其下游信號通路在CNS中發(fā)揮有益作用[28-29]。

3.1 腦缺血損傷(Cerebral Ischemia Injury)

電針可以減輕腦缺血再灌注損傷，并通過調(diào)節(jié)多種凋亡相關(guān)基因的表達(dá)提供神經(jīng)保護(hù)作用，如原癌基因(c-fos)、熱休克蛋白70(HSP70)及神經(jīng)營養(yǎng)素(NT)家族蛋白[30]。如針刺可以通過提高腦缺血再灌注損傷后小鼠海馬BDNF mRNA的表達(dá)水平，從而保護(hù)神經(jīng)元免受損傷，抑制海馬細(xì)胞凋亡，在CNS中發(fā)揮有益作用。同時，電針百會穴顯著增加BDNF和TrkB的表達(dá)，促進(jìn)運動功能恢復(fù)[31]。針刺可以通過激活PI3K/Akt通路來發(fā)揮其對缺血性卒的神經(jīng)保護(hù)作用[32]。此外，電針預(yù)處理可通過上調(diào)BDNF和趨化因子基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1α(SDF-1α)來增強對局灶性腦缺血的耐受性。Kim等證實電針百會和大椎穴預(yù)處理20 min可增加腦組織BDNF水平，并上調(diào)血漿中SDF-1α含量[33]。此外，一些研究人員指出，電針改善了缺血腦中的神經(jīng)功能缺損，并增加了PI3K/Akt通路的神經(jīng)保護(hù)活性[34]。因此，電針誘導(dǎo)的PI3K/Akt通路的激活抑制腦細(xì)胞凋亡。此外，電針還可提高缺血大鼠血清BDNF和GDNF水平，激活PI3K通路，增強Bcl-2/Bax比值等抗凋亡信號的表達(dá)。最近研究結(jié)果表明，電針曲池和足三里穴可能通過激活PI3K/Akt通路發(fā)揮缺血性卒中的神經(jīng)保護(hù)作用[35]。

3.2 脊髓損傷(SCI)

研究證實，NT-3與受體TrkC結(jié)合激活通路Ras/Rap-絲裂酶原激活蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)來發(fā)揮保護(hù)作用，BDNF與TrkB結(jié)合可激活PI3K/Akt發(fā)揮效應(yīng)[4]。督脈電針可促進(jìn)內(nèi)源性NT-3與其受體TrkC結(jié)合，激活ERK信號通路[36]。采用電針長強治療SCI，組織中NGF及BDNF表達(dá)含量增高[18]。有學(xué)者認(rèn)為淋巴T細(xì)胞分泌BNDF可促進(jìn)神經(jīng)元恢復(fù)[37]。

3.3 炎癥(Inflammation)

BDNF在針刺中的抗炎作用主要與激活阿片類和非阿片類神經(jīng)遞質(zhì)有關(guān)。最近的研究表明，針刺可以降低神經(jīng)營養(yǎng)因子(如NGF，BDNF和NT-3)的表達(dá)，而神經(jīng)營養(yǎng)因子可增加超敏反應(yīng)，也可增強炎癥反應(yīng)。然而，亦有報道針灸可以下調(diào)過敏性炎癥疾病中的某些促炎神經(jīng)肽和神經(jīng)營養(yǎng)因子(包括BDNF和NGF)，并可以改善臨床體征和癥狀，如減少打噴嚏、鼻癢、鼻漏和鼻塞[38]。此外，針刺可能在過敏性鼻炎中發(fā)揮抗炎作用，這意味著針刺的作用可能在不同的組織中發(fā)揮不同的作用。

3.4 抑郁癥(Depression)

電針刺激足三里在CNS產(chǎn)生了多種神經(jīng)調(diào)節(jié)功能，特別是束縛應(yīng)激大鼠的海馬。電針刺激可顯著增強AD患者海馬中BDNF mRNA的表達(dá)[39]。關(guān)于針刺治療抑郁癥的機制，有報道電針可上調(diào)海馬BDNF蛋白和mRNA及其受體TrkB的表達(dá)。此外，這種效應(yīng)可能通過激活腺苷酸環(huán)化酶-cAMP-PKA-CREB信號通路[40]。針刺“百會”“印堂”穴可有效逆轉(zhuǎn)慢性應(yīng)激誘導(dǎo)的抑郁模型大鼠額葉皮質(zhì)和海馬BDNF mRNA和蛋白表達(dá)下調(diào)，通過保護(hù)神經(jīng)元再生發(fā)揮其抗抑郁樣作用。針刺“百會”“印堂”穴可有效逆轉(zhuǎn)慢性應(yīng)激誘導(dǎo)的抑郁模型大鼠額葉皮質(zhì)和海馬BDNF mRNA和蛋白表達(dá)下降，從而通過保護(hù)神經(jīng)元再生發(fā)揮抗抑郁樣作用[41]。

4 針刺對BDNF信號通路調(diào)節(jié)作用機制

據(jù)報道，針刺可促進(jìn)BDNF表達(dá)，并可保護(hù)體內(nèi)外神經(jīng)元免受損傷[42]，通過與TrkB相結(jié)合，經(jīng)原癌基因ras編碼的Ras蛋白通路實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)，此機制可保護(hù)神經(jīng)元免受谷氨酸損害。通過免疫組化法(IHC)研究發(fā)現(xiàn)，BDNF mRNA及蛋白質(zhì)可表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞，可促進(jìn)神經(jīng)元生長發(fā)育、成熟，對神經(jīng)再生有促進(jìn)作用，對神經(jīng)應(yīng)激性損傷初期也具有保護(hù)作用[43]。

另有報道表明，針刺可以增加MPTP誘導(dǎo)的帕金森病小鼠模型中BDNF和CypA的表達(dá)[44]，提示對DA神經(jīng)元變性的保護(hù)作用是通過提高CypA水平實現(xiàn)。研究表示，CypA在大腦中普遍表達(dá)[45]，并且主要定位于神經(jīng)元[46]。一些研究表明，雖然具體機制不明確，但CypA在神經(jīng)元分化中發(fā)揮重要作用[47]。因此，如果將電針后增加的BDNF表達(dá)水平與CypA聯(lián)系，可假設(shè)CypA通過針刺刺激激活BDNF及其信號通路。此外，細(xì)胞層面研究，BDNF處理誘導(dǎo)了SH-SY5Y細(xì)胞中CypA的表達(dá)[44]。因此，BDNF可能是在針刺治療過程中調(diào)節(jié)CypA表達(dá)的重要上游因子。又因針刺在神經(jīng)保護(hù)中也起著至關(guān)重要的作用，其可能通過觸發(fā)一條有序的信號通路發(fā)揮作用，其中BDNF可能位于其他內(nèi)源性防御系統(tǒng)的上游，以保護(hù)神經(jīng)元?；谇捌谘芯浚槾炭梢栽黾幽X缺血再灌注損傷后小鼠海馬和前額葉皮質(zhì)(PFC)中BDNF和p-ERK1/2蛋白水平[48]。體外研究也證實,CypA刺激培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元ERK1/2信號通路，并通過激活ERK1/2信號通路保護(hù)體外氧化和缺血損傷的神經(jīng)元[49]?？偠灾?，針灸機制的一個合理解釋可能是激活CypA-ERK通路，上調(diào)BDNF表達(dá)并改善各種神經(jīng)元功能障礙[44]。

此外，基于對BDNF功能和針刺效應(yīng)的臨床研究，發(fā)現(xiàn)針刺亦可以通過神經(jīng)營養(yǎng)素介導(dǎo)的作用促進(jìn)某些神經(jīng)疾病患者的神經(jīng)再生。根據(jù)多項動物實驗證明，針刺誘導(dǎo)的內(nèi)皮BDNF增加在神經(jīng)損傷后發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。接受針刺治療3個月的PD患者外周血液中BDNF水平升高。然而，發(fā)現(xiàn)脊髓損傷(SCI)患者針刺后48 h BDNF水平降低[50]。因此，血BDNF在SCI中作用仍不確定，早期研究表明，BDNF儲存在人類血小板中，并通過物理刺激釋放[51]。然而，針刺后人血清中的血小板數(shù)量、BDNF相關(guān)的神經(jīng)營養(yǎng)因子NGF和其他細(xì)胞因子水平保持不變，而BDNF水平下降[52]。雖然已有報道血液BDNF水平與針灸、炎癥和應(yīng)激的時間有關(guān)，但此關(guān)系的潛在機制仍不清楚。

5 小結(jié)

鑒于上述研究，證明針刺可以通過激活BDNF信號通路來防止神經(jīng)元死亡，提高神經(jīng)元存活和突觸可塑性。盡管這種關(guān)系的確切機制尚未確定，但一些研究表明，穴位選擇是針刺誘導(dǎo)BDNF升高的一個重要因素。例如，與針刺足三里比較，陽陵泉刺激在PD小鼠模型中產(chǎn)生了更顯著的神經(jīng)保護(hù)作用。在激活BDNF之后，陽陵泉的刺激也增強了CypA的表達(dá)[44]。此外，在涉及針刺對SCI影響的研究中，與針刺水道比較，選取關(guān)元穴產(chǎn)生更高水平的BDNF和TrkB。著眼于特殊模型中特殊穴位之間的關(guān)系，有一些跡象表明，對于空間記憶障礙或抑郁樣行為改變模型，相較于其他經(jīng)絡(luò)的穴位，針刺神門穴可以顯著上調(diào)BDNF的表達(dá)，優(yōu)于其他穴位[53]?？傊Y(jié)果表明無論何種實驗?zāi)Ｐ停槾潭季哂懈叨鹊难ㄎ惶禺愋孕?yīng)。

綜上所述，多項疾病均可引發(fā) BDNF信號通路傳導(dǎo)，且各系統(tǒng)均涉及。而針灸刺激體表穴位激活BDNF表達(dá)，多種通路最后均作用于CREB，CREB磷酸化后以激活相關(guān)的靶基因轉(zhuǎn)錄，最終形成針刺效應(yīng)。其作用機制在各腦區(qū)、組織和體液中均表達(dá)。筆者認(rèn)為 BDNF-CREB 信號通路可能作為具有潛在的針刺廣譜性效應(yīng)物質(zhì)及保護(hù)機制，這涉及多通路、多途徑、多層次、多水平和多靶點上實現(xiàn)信號的整合與調(diào)控，為指導(dǎo)臨床工作具有重要意義。