腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子與纖維化疾病的研究進(jìn)展*

左幫蕓， 馬紫微， 寧 棟， 王大新，， 趙 靜

［1揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，2揚(yáng)州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院（江蘇省蘇北人民醫(yī)院）心內(nèi)科，3揚(yáng)州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院（江蘇省蘇北人民醫(yī)院）藥學(xué)部，江蘇揚(yáng)州225001］

纖維化通常被認(rèn)為是組織損傷修復(fù)過(guò)程中促進(jìn)傷口愈合的產(chǎn)物。機(jī)體受到病理刺激損傷后，組織將開(kāi)始自我修復(fù)，及時(shí)高效地替換死亡或受損的細(xì)胞，這一修復(fù)機(jī)制是機(jī)體最基本、最重要的生物學(xué)過(guò)程之一。修復(fù)過(guò)程通常分為再生階段和纖維增生階段。首先當(dāng)細(xì)胞受損后，同類(lèi)型的細(xì)胞進(jìn)行替換，防止損傷持續(xù)；其次正常的實(shí)質(zhì)組織可被結(jié)締組織所取代。最初的修復(fù)往往是有益的，但一旦失控，愈合過(guò)程就會(huì)變成病理性損傷，從而導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)和永久性瘢痕組織的形成［1］。當(dāng)纖維化發(fā)生在重要組織器官時(shí)，可能導(dǎo)致器官衰竭甚至死亡。目前，纖維化疾病已占到發(fā)達(dá)國(guó)家總死亡率的45%，帶來(lái)沉重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。然而，迄今為止，只有尼達(dá)尼布和吡非尼酮這兩種藥物被批準(zhǔn)在幾個(gè)國(guó)家用于治療特發(fā)性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）［2］。因此，治療纖維化疾病的有效藥物仍十分匱乏，亟需探索纖維化發(fā)生的新機(jī)制，篩選有效的治療靶點(diǎn)并研發(fā)新型抗纖維化藥物。

1 腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的來(lái)源

神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族是一個(gè)支持神經(jīng)元生長(zhǎng)、存活和分化的分泌蛋白家族，由于其對(duì)神經(jīng)元生理發(fā)揮重要且多樣的作用，近幾十年來(lái)被廣泛研究。BDNF 作為其中的一員，由德國(guó)著名神經(jīng)生物學(xué)家Barde 等［3］于 1982 年從豬腦中以堿性小分子蛋白質(zhì)的形式分離出來(lái)，觀察到其可促進(jìn)受損神經(jīng)元的修復(fù)再生，故將其命名為 BDNF［4］。1989 年獲得 cDNA結(jié)構(gòu)后，研究者通過(guò)動(dòng)物模型的建立，檢測(cè)到BDNF主要是由海馬和皮質(zhì)區(qū)域的神經(jīng)元合成的，除了在神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛分布外，還存在于其他組織系統(tǒng)，如骨骼以及內(nèi)分泌系統(tǒng)等。有研究提出體內(nèi)BDNF 通過(guò)大腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞合成后以自分泌途徑排出細(xì)胞外［5-6］。

2 BDNF作為神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的功能

作為體內(nèi)含量最多的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子之一，BDNF基因結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。人體中至少包含11 個(gè)不同的外顯子，嚙齒動(dòng)物中包含9 個(gè)外顯子，選擇性剪接可能與BDNF 轉(zhuǎn)錄子的分布定位以及最終的功能有關(guān)［7］。BDNF 與其家族的神經(jīng)生長(zhǎng)因子（nerve growth factor，NGF）、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子3（neurotrophin-3，NT-3）和NT-4/5有約50%相同氨基酸序列。每個(gè)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白由一個(gè)非共價(jià)連接的同型二聚體組成，并包含起始密碼子后的信號(hào)肽和含有氮連接糖基化位點(diǎn)的前區(qū)。

BDNF最初以前原神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素的形式被合成，前原神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素被切割成proBDNF 后由呋喃進(jìn)一步加工形成成熟的BDNF［8-9］。BDNF 細(xì)胞內(nèi)生物合成后，被包裹在致密的核心囊泡中［10］，儲(chǔ)存于突觸前膜，并在細(xì)胞內(nèi)外、信號(hào)的刺激下分泌。此外，神經(jīng)元也能釋放proBDNF，組織纖溶酶原激活物/纖溶酶系統(tǒng)可將部分proBDNF轉(zhuǎn)化為BDNF。

BDNF 的主要功能為調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞的增殖、分化、存活和死亡等一系列生理過(guò)程［11］。通常情況下它與其高親和力受體酪氨酸受體激酶B（tyrosine receptor kinase B，TrkB）結(jié)合發(fā)揮調(diào)節(jié)突觸連接、突觸結(jié)構(gòu)、神經(jīng)遞質(zhì)釋放及突觸可塑性的作用，對(duì)認(rèn)知功能、學(xué)習(xí)和記憶的變化等方面具有重要調(diào)控作用［12］，同時(shí)它還能抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡。而它與另一低親和力受體p75 神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素受體受體（p75NTR）結(jié)合則發(fā)揮相反的生物學(xué)功能，可促使神經(jīng)元樹(shù)突狀分支減少、引發(fā)細(xì)胞凋亡和長(zhǎng)期抑制。BDNF 與p75NTR的結(jié)合與幾種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有關(guān)，包括核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的c-Jun 氨基末端激酶和鞘氨醇-髓鞘水解信號(hào)通路等［13］。

3 BDNF與纖維化疾病

3.1 纖維化疾病的病理過(guò)程及調(diào)節(jié)機(jī)制 組織器官發(fā)生與疾病相關(guān)的損傷會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜的細(xì)胞和分子反應(yīng)，造成組織纖維化，包括呼吸系統(tǒng)（肺、氣道）纖維化、心臟纖維化、肝纖維化、腎纖維化、膀胱纖維化等。當(dāng)這些復(fù)雜的病理反應(yīng)長(zhǎng)期存在時(shí)，實(shí)質(zhì)瘢痕出現(xiàn)，進(jìn)而輕則引發(fā)細(xì)胞層面的功能障礙，嚴(yán)重時(shí)甚至可導(dǎo)致器官衰竭。纖維化反應(yīng)主要包括4個(gè)階段：首先是由器官原發(fā)性損傷引發(fā)的反應(yīng)；其次是效應(yīng)細(xì)胞的激活；三是細(xì)胞外基質(zhì)的沉積；最終細(xì)胞外基質(zhì)的動(dòng)態(tài)沉積（和吸收不足）促進(jìn)纖維化的進(jìn)展，它與二、三兩個(gè)階段重疊最終導(dǎo)致終末器官衰竭［14］。

在纖維化的“損傷反應(yīng)”中，多種細(xì)胞參與介導(dǎo)該過(guò)程，如炎癥細(xì)胞、上皮細(xì)胞、纖維化效應(yīng)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等。纖維化反應(yīng)在不同器官系統(tǒng)及不同疾病類(lèi)型中有著共同的致病途徑，甚至還出現(xiàn)了特定的分子機(jī)制，如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（transforming growth factor β，TGF-β）途徑在幾乎所有類(lèi)型的纖維化中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。TGF-β 由炎癥細(xì)胞合成和分泌，以自分泌和旁分泌方式發(fā)揮作用［15］。此外，血管內(nèi)皮功能障礙和心血管活性物質(zhì)、免疫炎癥反應(yīng)、基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)節(jié)、脂肪因子和糜酶以及氧化應(yīng)激也廣泛參與纖維化的進(jìn)程。最新的系列研究提示BDNF可能參與眾多纖維化過(guò)程的調(diào)節(jié)。

3.2 BDNF 促進(jìn)肺、氣道纖維化發(fā)生發(fā)展 BDNF在呼吸系統(tǒng)的氣道及肺組織中均有表達(dá)，且參與調(diào)節(jié)特發(fā)性肺纖維化、肺結(jié)節(jié)病以及哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展。研究表明BDNF 通過(guò)激活特定的細(xì)胞生長(zhǎng)、存活信號(hào)通路，如PI3/Akt 和NF-κB 通路，在肺纖維化中扮演重要角色：一方面調(diào)節(jié)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），另一方面作為炎癥的重要介質(zhì)介導(dǎo)肺組織重構(gòu)［16］。BDNF還參與調(diào)節(jié)氣道纖維化相關(guān)的炎癥、氧化應(yīng)激反應(yīng)，增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生和沉積，促進(jìn)氣道重構(gòu)和氣道高反應(yīng)性［17］。

BDNF 促進(jìn)肺及氣道纖維化發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制有：（1）BDNF 通過(guò)與其高親和力受體 TrkB 的特異性結(jié)合，引起TrkB磷酸化后激活MAPK依賴的Twist-Snail信號(hào)軸，誘導(dǎo) EMT［16］，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)沉積形成纖維化［18］；（2）BDNF 與其受體TrkB 結(jié)合后通過(guò)刺激三磷酸肌醇受體釋放和促進(jìn)細(xì)胞膜上鈣離子通道蛋白的表達(dá)影響鈣離子內(nèi)流，引起鈣超載，導(dǎo)致氣道平滑肌過(guò)度收縮，產(chǎn)生氣道高反應(yīng)性，進(jìn)而加重哮喘等過(guò)敏性疾病［19］；（3）BDNF作為促炎因子，介導(dǎo)肥大細(xì)胞脫顆粒、嗜酸性粒細(xì)胞趨化和淋巴細(xì)胞活化。BDNF在肺結(jié)節(jié)肉芽腫中高表達(dá)，但是否會(huì)促進(jìn)肉芽腫的持續(xù)和/或促進(jìn)纖維化的發(fā)展有待深入研究［20］；（4）BDNF 誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞增殖并促進(jìn)修復(fù)性血管生成，導(dǎo)致哮喘患者氣道壁反應(yīng)性增加，加重哮喘［21］。

3.3 BDNF 抑制心臟纖維化 心肌梗死（myocardial infarction，MI）是世界范圍內(nèi)引起心源性猝死（sudden cardiac death，SCD）的重要原因之一［22］。MI 后心肌細(xì)胞的大量突然丟失遠(yuǎn)超過(guò)了心肌有限的再生能力，壞死的細(xì)胞釋放危險(xiǎn)信號(hào)，激活體內(nèi)固有免疫信號(hào)，促發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致膠原瘢痕形成［23］。神經(jīng)生長(zhǎng)因子等神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可通過(guò)促進(jìn)心肌血管新生，改善心肌血流和心功能，對(duì)心肌梗死后的心臟發(fā)揮有益作用。神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族中的BDNF 通過(guò)調(diào)節(jié)TRPC3/6 通道，減輕心肌缺血損傷，抑制心肌細(xì)胞凋亡［24］。BDNF 還可通過(guò)調(diào)控miR-195/Bcl-2 通路抗缺血性心肌細(xì)胞凋亡，通過(guò)激活A(yù)kt/mTOR-Bad 通路減輕阿霉素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡［25-26］。同時(shí)，BDNF 還影響著血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A和血管細(xì)胞黏附分子1 來(lái)調(diào)節(jié)新生血管生成，并通過(guò)減少中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和增強(qiáng)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)來(lái)減少炎癥反應(yīng)［27］，這些調(diào)控機(jī)制提高了MI 后的存活率并抑制梗死后心肌纖維化及左室重構(gòu)，保護(hù)了心臟正常結(jié)構(gòu)和功能。

在西方人群中，肥胖和心理社會(huì)壓力往往相伴存在，在它們的共同作用下，心臟結(jié)構(gòu)和功能受損，表現(xiàn)為收縮和舒張功能降低。實(shí)驗(yàn)觀察到BDNF 信號(hào)在這一發(fā)病過(guò)程中同樣具有保護(hù)作用，在維持正常心臟結(jié)構(gòu)與功能中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，補(bǔ)充BDNF或可改善受心理社會(huì)壓力影響的肥胖個(gè)體的健康狀況［28］。BDNF除能夠增強(qiáng)心肌細(xì)胞功能外，還可對(duì)抗感染性疾病誘導(dǎo)的心臟損傷。在盲腸結(jié)扎穿孔所致感染性休克大鼠模型中，BDNF 通過(guò)激活eNOS/NO途徑抑制心肌纖維化的發(fā)生，減少氧化應(yīng)激及心肌細(xì)胞凋亡，提高了大鼠存活率［29］。

糖尿病心肌病作為獨(dú)立于心血管疾病常見(jiàn)病因（如高血壓和冠狀動(dòng)脈粥樣硬化）的一類(lèi)內(nèi)分泌系統(tǒng)繼發(fā)性疾病，其特征是心臟舒張功能缺陷，表現(xiàn)為心肌細(xì)胞肥大、凋亡伴間質(zhì)纖維化增加［30］。最新研究顯示補(bǔ)充植物乳桿菌和菊粉可增加BDNF 及其受體TrkB 的表達(dá)，降低高脂飲食與鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的2型糖尿病模型大鼠心臟間質(zhì)及周?chē)艿睦w維化水平，減少心肌細(xì)胞凋亡［31］。腸道微生物群作為功能性食品應(yīng)用于調(diào)節(jié)體內(nèi)有益因子在輔助治療方面具有潛在應(yīng)用前景。

3.4 BDNF抑制肝纖維化 肝纖維化是由肝臟的慢性損傷以及包括膠原在內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白過(guò)度沉積引起的，常見(jiàn)病因包括病毒性肝炎、酒精肝、脂肪肝、自身免疫性疾病等［32］。其中酒精相關(guān)性肝?。╝lcohol-related liver disease，ALD）往往是由酒精使用障礙（alcohol use disorder，AUD）引起的，它涵蓋了一連串進(jìn)展性病理學(xué)變化，從肝脂肪變性到肝纖維化乃至肝硬化。目前尚無(wú)根治肝硬化的有效方法，但戒酒是限制ALD 肝硬化進(jìn)展的關(guān)鍵［33］。由于AUD患者出現(xiàn)的酒精依賴為神經(jīng)適應(yīng)性改變，因此它涉及諸如BDNF 等調(diào)節(jié)神經(jīng)元可塑性的因子水平改變［34］。在酒精依賴期間，血清BDNF 水平降低，而在戒酒后很快恢復(fù)正常［35］。血清BDNF 水平與慢性酒精攝入或外周毒性無(wú)關(guān)，但與其產(chǎn)生依賴性的神經(jīng)有關(guān)。監(jiān)測(cè)正在接受治療酗酒者的血清BDNF 水平有助于揭示其酒精依賴特征及預(yù)測(cè)復(fù)發(fā)的可能性［36］。同時(shí)有證據(jù)表明在 AUD 患者中，BDNF 水平與纖維化風(fēng)險(xiǎn)因素的肝硬度測(cè)量值有關(guān)［37］。這或可為評(píng)估AUD 患者纖維化風(fēng)險(xiǎn)提供新的生物標(biāo)志物，但目前尚缺乏大樣本多中心的研究。另一項(xiàng)臨床病例研究也證實(shí)乙型肝炎肝硬化患者血清BDNF 水平和BDNF基因rs6265 多態(tài)性與患者的肝功能Child-Pugh分級(jí)有關(guān)［38］。

在非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）發(fā)病過(guò)程中，核內(nèi)異質(zhì)核糖核蛋白U（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein U，hnRNPU）控制肝內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及基因轉(zhuǎn)錄，其缺乏會(huì)刺激TrkB 的截短亞型TrkB-T1 蛋白的表達(dá)，從而誘發(fā)肝細(xì)胞的炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞死亡。BDNF則可降低小鼠肝細(xì)胞膜TrkB-T1 蛋白水平及促炎基因和纖維化標(biāo)志物的mRNA 表達(dá)，保護(hù)小鼠免受飲食誘導(dǎo)的肝臟脂質(zhì)損傷。BDNF/TrkB-T1 信號(hào)通路可能成為NASH干預(yù)治療的潛在靶點(diǎn)［39］。

3.5 BDNF參與血壓調(diào)節(jié)并抑制腎纖維化 高血壓腎病是全世界慢性腎病的第二大死亡原因，長(zhǎng)期高血壓負(fù)荷導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化，控制高血壓進(jìn)展可抑制或逆轉(zhuǎn)高血壓腎纖維化［40］。BDNF 在下丘腦室旁核（paraventricular nucleus，PVN）對(duì)應(yīng)激、高滲透壓等高血壓刺激的反應(yīng)中表達(dá)上調(diào)，并通過(guò)下調(diào)β-腎上腺素能受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及減少孤束核（nucleus tractus solitarius，NTS）兒茶酚胺能神經(jīng)元投射到PVN 等的抑制性降壓輸入而升高血壓［41］。此外，BDNF 在PVN 中的過(guò)度表達(dá)導(dǎo)致交感興奮，同時(shí)還可調(diào)節(jié)PVN 中的血管緊張素II/血管緊張素II 1 型受體和血管緊張素（1-7）/Mas 介導(dǎo)的血管緊張素信號(hào)的平衡［42］，在代謝及血壓控制中發(fā)揮重要作用。另有研究顯示，抑制下丘腦PVN 內(nèi)的TrkB 可顯著降低急性應(yīng)激引起的血壓升高，但對(duì)靜息血壓沒(méi)有顯著影響［43］。這些研究提示，調(diào)控 PVN 的 BDNF 水平可通過(guò)調(diào)節(jié)血壓控制腎纖維化的進(jìn)展。

3.6 BDNF加重膀胱炎促進(jìn)膀胱病理性重構(gòu) 氯胺酮相關(guān)性膀胱炎（ketamine-associated cystitis，KC）是一種由于長(zhǎng)期濫用麻醉藥物氯胺酮所致的表現(xiàn)為膀胱纖維化、膀胱容量減小和頑固性膀胱疼痛的疾?。?4］。在KC 患者膀胱組織全層均可檢測(cè)到BDNF的高表達(dá)，它們來(lái)源于炎癥細(xì)胞及小血管內(nèi)皮細(xì)胞。BDNF 的產(chǎn)生促進(jìn)了膀胱神經(jīng)異常增生進(jìn)而引發(fā)超敏反應(yīng)，BDNF的上調(diào)與臨床癥狀顯著相關(guān)［45］。在環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)的膀胱炎模型中，BDNF 可通過(guò)BDNFTrkB-p38/JNK 信號(hào)通路激發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞活化，釋放TNF-α 和IL-1β，激活神經(jīng)炎癥信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)械性痛覺(jué)超敏，加重膀胱炎癥反應(yīng)［46］。BDNF在膀胱中的高表達(dá)加劇膀胱纖維化進(jìn)程，減少BDNF的生成及阻斷其信號(hào)通路可抑制膀胱病理性重構(gòu)。DNA 甲基化可以抑制BDNF 表達(dá)，減少其對(duì)膀胱的損傷作用，有助于維持膀胱組織穩(wěn)態(tài)和修復(fù)［47］。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，BDNF在不同組織器官纖維化中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用（如圖1 所示）。隨著纖維化病理機(jī)制研究的不斷深入，BDNF在纖維化發(fā)生發(fā)展中的作用及機(jī)制也日益清晰，這將為防治器官纖維化提供重要支撐。同時(shí)，如下問(wèn)題值得深入思考。首先，BDNF 在不同組織類(lèi)型中可能發(fā)揮抗與促纖維化截然相反的作用，如何實(shí)現(xiàn)組織、細(xì)胞特異性調(diào)控至關(guān)重要；其次，BDNF 在體內(nèi)的代謝及降解過(guò)程較快，生物利用度較低，不利于其直接應(yīng)用于臨床。后續(xù)研究可圍繞BDNF 小分子模擬物或TrkB 激動(dòng)劑進(jìn)一步展開(kāi)。隨著基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展，我們還有望通過(guò)對(duì)BDNF 相關(guān)基因進(jìn)行修飾或移植BDNF 轉(zhuǎn)基因干細(xì)胞來(lái)調(diào)控BDNF 的表達(dá)［48］，以期發(fā)揮更好的治療作用。目前有關(guān)該方面的研究仍處在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段［49］，有待進(jìn)一步探索。

Figure 1. The versatile roles of BDNF in organ fibrosis. BDNF plays an important role in fibrosis of various organs，including lung and airway fibrosis，liver fibrosis，cardiac fibrosis，renal fibrosis，and bladder fibrosis. Moreover，distinct effects of BDNF are uncovered in different types of organs. Activation of BDNF promoted lung，airway and bladder fibrosis. In contrast，upregulation of BDNF is associated with the inhibition of liver，cardiac and renal fibrosis.圖1 BDNF在器官纖維化中的作用