腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子在眼部疾病中的研究進(jìn)展

朱安民，譚 薇，伍姜霓

0引言

腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是一種堿性蛋白質(zhì)(等電點(diǎn)為9.6)，也是神經(jīng)營養(yǎng)因子家族的一員，在神經(jīng)元的發(fā)育、分化和維持中起重要作用[1]。BDNF的表達(dá)在轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中受調(diào)控，也受翻譯后修飾的調(diào)節(jié)，復(fù)雜的多水平調(diào)控表明了BDNF功能的重要性和多樣性[2]。BDNF基因首先合成前體proBDNF，然后proBDNF可被幾種蛋白酶切割產(chǎn)生成熟的BDNF蛋白[3]。原肌球蛋白受體激酶B(tropomyosin receptor kinase B，TrkB)是BDNF的受體[4]，成熟形式的BDNF通過與TrkB酪氨酸激酶受體結(jié)合啟動其神經(jīng)營養(yǎng)信號通路，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞存活、修復(fù)和發(fā)育[5]。BDNF在視網(wǎng)膜中主要由視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells, RGCs)、無長突細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞(Müller細(xì)胞)和光感受器產(chǎn)生[6]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)BDNF參與青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)、弱視、視神經(jīng)病變和年齡相關(guān)性黃斑變性等眼部疾病的發(fā)生發(fā)展且具有神經(jīng)保護(hù)作用。本文重點(diǎn)綜述近年來BDNF在青光眼、DR和弱視中的研究進(jìn)展，以期為進(jìn)一步研究BDNF在診斷和靶向治療眼部疾病方面提供幫助。

1 BDNF與青光眼

青光眼是一組以RGCs及其軸突變性為特征的慢性視神經(jīng)病[7]。這些病變是漸進(jìn)性的和不可逆轉(zhuǎn)的，最終會導(dǎo)致患者失明[8]。青光眼最常見的危險(xiǎn)因素是高眼壓，目前用于降低眼壓的方法已被證明可以延緩青光眼引起的損害的進(jìn)展[9]。然而降低眼壓無法解決或逆轉(zhuǎn)神經(jīng)病變[10]。早期青光眼雖然通常沒有癥狀，但是視網(wǎng)膜會發(fā)生微小的變化，如RGCs丟失[11]。因此，不依賴眼壓的神經(jīng)保護(hù)策略將有利于早期干預(yù)，防止疾病進(jìn)展[9]。RGCs是一個重要的干預(yù)靶點(diǎn)，BDNF對RGCs的存活至關(guān)重要[12]。此外，BDNF具有作為青光眼的生物標(biāo)志物的可能性，可能為診斷、篩查和評估青光眼進(jìn)展提供一種可靠、省時(shí)、經(jīng)濟(jì)的方法[13]。

1.1BDNF作為診斷標(biāo)志物近年來，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)早、中期青光眼患者血清BDNF水平與健康對照者相比明顯降低[14]。另一項(xiàng)研究中[15]，青光眼患者與非青光眼的白內(nèi)障患者相比，早、中期青光眼組患者的血清BDNF水平明顯低于對照組患者，且早期青光眼患者血清BDNF濃度低于中度青光眼患者。此外，關(guān)于BDNF在青光眼患者房水、淚液中的表達(dá)情況，Shpak等[16]發(fā)現(xiàn)原發(fā)性開角型青光眼(primary open angle glaucoma，POAG)患者與對照組相比，房水、淚液和血清中BDNF含量明顯降低，早期POAG房水、淚液和血清中的BDNF的含量明顯降低，后期BDNF含量相對升高。他們還發(fā)現(xiàn)淚液和房水中BDNF的含量具有很強(qiáng)的相關(guān)性，這一現(xiàn)象為間接研究POAG患者房水中的BDNF水平開辟了新的途徑。綜上所述，血清、房水和淚液中的BDNF可能作為早期篩查的生物標(biāo)志物，有利于及早對青光眼患者進(jìn)行干預(yù)，避免其發(fā)展至晚期青光眼，但仍需評估BDNF在青光眼中的診斷價(jià)值。值得注意的是，青光眼患者與正常對照組相比，BDNF降低，而后期青光眼與早期青光眼相比，BDNF相對升高可能是一種代償/神經(jīng)保護(hù)反應(yīng)，有待進(jìn)一步研究。

1.2基因治療早期實(shí)驗(yàn)中使用的外源性BDNF補(bǔ)充劑在視網(wǎng)膜中顯示了良好的結(jié)果，但這種補(bǔ)充方式的局限性是BDNF活性的持續(xù)時(shí)間是有限的，需要重復(fù)使用才能獲得長期的神經(jīng)保護(hù)[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，基于基因的治療方法可以在青光眼模型中提供神經(jīng)保護(hù)且BDNF活性的持續(xù)時(shí)間更長且安全性可靠[19]。Wójcik-Gryciuk等[20]利用編碼BDNF的2型腺相關(guān)病毒載體(adeno-associated virus 2，AAV2)在微珠誘導(dǎo)的高眼壓大鼠模型中進(jìn)行了單側(cè)玻璃體內(nèi)注射。通過RGCs計(jì)數(shù)評估RGCs神經(jīng)保護(hù)作用，與單純損傷大鼠相比，損傷+AAV2-BDNF治療的大鼠RGCs丟失明顯減輕。然而，在損傷+治療的大鼠中，BDNF過度表達(dá)引起TrkB的反向下調(diào)會導(dǎo)致BDNF及其神經(jīng)保護(hù)作用的脫敏。為了解決這個問題，Osborne等[19]采用了由編碼BDNF和TrkB的AAV2載體組成的基因療法,發(fā)現(xiàn)在視神經(jīng)擠壓的小鼠模型中，使用AAV2-TrkB-2A-mBDNF比單獨(dú)使用BDNF更能顯著減少RGCs的損失。此外，研究發(fā)現(xiàn)，BDNF能改善軸突運(yùn)輸、軸突連續(xù)性及遠(yuǎn)端和近端視神經(jīng)中的軸突數(shù)量[21]。TrkB對神經(jīng)元遷移、軸突生長、分化和連接至關(guān)重要[22]。Khatib等[23]在實(shí)驗(yàn)性青光眼模型中，發(fā)現(xiàn)AAV2-TrkB-2A-mBDNF對軸突運(yùn)輸?shù)挠绊憙?yōu)于單獨(dú)使用AAV2-TrkB或AAV2-mBDNF。

酪氨酸三重突變體AAV(triple mutant AAV，tm-AAV)載體能提高轉(zhuǎn)導(dǎo)效率和加速蛋白表達(dá)[24]。Shiozawa等[25]將編碼BDNF的自補(bǔ)tm-AAV2載體(tm-scAAV2-BDNF)用在N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartate， NMDA)誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜損傷小鼠模型中，該模型是基于青光眼“谷氨酸假說”的一種視網(wǎng)膜內(nèi)損傷模型。與NMDA處理組的小鼠相比，BDNF處理組明顯避免了組織學(xué)損傷，RGCs的數(shù)量顯著增加。用暗視視網(wǎng)膜電圖評估視功能，BDNF治療組的B波振幅明顯高于NMDA組。膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)是一種視網(wǎng)膜應(yīng)激標(biāo)志物，與NMDA處理的小鼠相比，BDNF治療能夠顯著降低GFAP的水平。提示tm-scAAV2-BDNF對包括正常眼壓性青光眼在內(nèi)的視網(wǎng)膜內(nèi)損傷具有潛在的治療作用。Igarashi等[26]將同樣的tm-scAAV2-BDNF載體用于引起大鼠眼壓一過性升高的缺血/再灌注損傷模型中，發(fā)現(xiàn)BDNF能顯著減輕視網(wǎng)膜厚度和結(jié)構(gòu)丟失，挽救RGC，增加B波，減少GFAP表達(dá)。

綜上所述，在不同的青光眼模型中，編碼BDNF的AAV載體顯示了一致的和相當(dāng)大的RGCs神經(jīng)保護(hù)和視覺功能保護(hù)。但是基因治療的一個限制是需要在誘導(dǎo)眼壓升高前一段時(shí)間進(jìn)行眼內(nèi)注射。因此，這需要在臨床環(huán)境中使用特定的時(shí)機(jī)。

2BDNF與DR

DR是糖尿病的一種常見并發(fā)癥，也是工作年齡人群的首位致盲性眼病[27]。越來越多的證據(jù)表明，糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性即糖尿病視神經(jīng)變性是DR發(fā)病機(jī)制中的早期事件[28-29]，糖尿病視神經(jīng)變性出現(xiàn)早于通過臨床檢查可發(fā)現(xiàn)的微血管病變[30]。糖尿病視神經(jīng)變性的重要特征是神經(jīng)細(xì)胞凋亡和反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞增生[27]。研究表明，BDNF的下調(diào)可能是導(dǎo)致糖尿病視神經(jīng)變性的重要原因[31]，且BDNF水平下調(diào)被認(rèn)為是DR的獨(dú)立標(biāo)志物[32-33]。另外，BDNF具有保護(hù)視網(wǎng)膜細(xì)胞免受缺氧和葡萄糖剝奪造成的損傷的功能[34]。

2.1BDNF作為診斷標(biāo)志物目前，眼底熒光血管造影(fundus fluorescence angiography，F(xiàn)FA)是診斷不同階段DR的金標(biāo)準(zhǔn),這是一種侵入性操作，會給患者帶來不適，要在較大范圍內(nèi)進(jìn)行FFA檢查是很困難的[35]。尋找方便有效的篩查生物標(biāo)志物將有助于識別需要臨床評估和治療的個體。有研究發(fā)現(xiàn)，DR患者的血清和房水中BDNF水平在臨床癥狀出現(xiàn)之前顯著降低，且血清中的BDNF水平隨病情嚴(yán)重程度增加而減少：從健康對照者、無視網(wǎng)膜病變的糖尿病患者、非增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變(non-proliferative diabetic retinopathy，NPDR)到增殖性視網(wǎng)膜病變，血清中的BDNF水平逐步減少[36]。另外，Jun等[37]通過研究發(fā)現(xiàn)伴糖尿病黃斑水腫(diabetic macular edema，DME)的NPDR患者和不伴DME的NPDR患者的血清和房水中BDNF水平顯著低于健康對照者，且合并DME的NPDR患者血清和房水中的BDNF水平均低于未合并DME的NPDR患者。上述研究均提示BDNF水平可能作為DR早期診斷及判斷DR嚴(yán)重程度的標(biāo)志物，但需進(jìn)一步驗(yàn)證BDNF在DR中的診斷價(jià)值。明確BDNF在DR中的診斷作用，有利于更早發(fā)現(xiàn)DR，采取治療避免DR進(jìn)展至更晚期。

2.2基于BDNF的治療目前DR的治療主要針對DR引起的血管病變且療效有限[38]，DR早期的神經(jīng)病變尚無有效的治療方法[39]。先前的研究中通過將編碼BDNF的AAV輸送到眼睛的基因治療在DR動物模型的神經(jīng)保護(hù)方面顯示出很好的結(jié)果[40]。近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)通過干細(xì)胞移植和給藥等方式可增加BDNF以保護(hù)視網(wǎng)膜神經(jīng)元，為DR早期治療提供更多選擇。

2.2.1干細(xì)胞療法干細(xì)胞在理論上有著分化為各種人體組織器官細(xì)胞的可能性，越來越多的證據(jù)支持在視網(wǎng)膜疾病的療法中，干細(xì)胞療法是其中最有希望的研究熱點(diǎn)之一[41]。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一類起源于中胚層的成體干細(xì)胞，廣泛存在于骨髓、脂肪組織、臍帶和胎盤組織等組織中[42]。越來越多的證據(jù)表明氧化應(yīng)激參與了DR的發(fā)病，研究發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)在H2O2氧化損傷模型中可以通過改善抗氧化能力，抑制炎性細(xì)胞因子的分泌和促進(jìn)BDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)來增強(qiáng)對視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的保護(hù)作用[43]。Zhang等[44]采用源自人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(umbilical cord-derived mesenchymal stem cells，UC-MSCs)的神經(jīng)干細(xì)胞治療DR大鼠，發(fā)現(xiàn)BDNF水平明顯高于對照組，且存活的RGCs數(shù)量增加，顯著延緩DR的進(jìn)展。此外，在另一種干細(xì)胞移植療法中，Rong等[45]將小鼠骨髓CD133+干細(xì)胞移植到鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘導(dǎo)的DR小鼠玻璃體內(nèi)，移植的CD133+干細(xì)胞在體內(nèi)表達(dá)BDNF，并增加了STZ誘導(dǎo)的DR小鼠中BDNF的水平，以支持RGCs和桿狀雙極細(xì)胞的存活。因此，深入了解基于BDNF的干細(xì)胞療法對DR神經(jīng)保護(hù)具有重要意義。

2.2.2給藥增加BDNF水平在DR中，氧化應(yīng)激會導(dǎo)致BDNF下調(diào)，NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)是活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要產(chǎn)生者，羅布麻素是一種植物來源的載脂蛋白，在缺氧誘導(dǎo)的人視網(wǎng)膜Müller膠質(zhì)細(xì)胞中，能夠抑制NOX亞型NOX4表達(dá)，進(jìn)而上調(diào)BDNF減輕視網(wǎng)膜損害[46]。槲皮素是黃酮類化合物的一種，具有強(qiáng)大的抗氧化作用，研究發(fā)現(xiàn)在DR大鼠中可能通過上調(diào)BDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子水平和抑制神經(jīng)元凋亡來保護(hù)糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)元[47]。此外，Suzumura等[48]發(fā)現(xiàn)在STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的DR早期口服二十碳五烯酸乙酯可通過增加代謝產(chǎn)物18-羥基二十碳五烯酸來上調(diào)BDNF進(jìn)而阻止視網(wǎng)膜神經(jīng)變性。Kim等[49]發(fā)現(xiàn)注射氟西汀可通過上調(diào)STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠視網(wǎng)膜BDNF表達(dá)從而發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡作用?；谏鲜鲅芯?，現(xiàn)有的藥物也能夠用于增加BDNF的表達(dá)，對抗DR早期視網(wǎng)膜神經(jīng)損傷。

3 BDNF與弱視

弱視是一種由于兒童時(shí)期視覺通路發(fā)育異常而導(dǎo)致視力下降的疾病[50]。由于從青年到成年的大腦可塑性急劇下降，長期以來，視力喪失一直被認(rèn)為是在關(guān)鍵時(shí)期后不可逆轉(zhuǎn)的[51]。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)即使在關(guān)鍵期結(jié)束后，某些基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也可以在受到損傷時(shí)上調(diào)，導(dǎo)致解剖學(xué)和神經(jīng)生化變化，這可能會改變神經(jīng)元的活動和連通性[52]。這種神經(jīng)可塑性的重新激活試圖修復(fù)或補(bǔ)償成人大腦中功能的喪失，在視覺系統(tǒng)中也可以看到這一點(diǎn)，例如成年C57BL/6J小鼠經(jīng)過去傳入和長期單眼剝奪，重新睜開眼的對側(cè)視皮層聚唾液酸的升高伴隨著BDNF上調(diào)且促進(jìn)成年小鼠視皮層可塑性的重新激活和視功能的恢復(fù)[51]。研究發(fā)現(xiàn)，BDNF在弱視發(fā)病機(jī)制中有著重要意義，BDNF的減少促進(jìn)了弱視的發(fā)生，提示增加BDNF的表達(dá)具有治療意義[53]。BDNF因其在嚙齒動物視皮層結(jié)構(gòu)和功能水平上介導(dǎo)的環(huán)境富集對神經(jīng)可塑性顯著有利影響而被提出用于增強(qiáng)成年受試者的視皮層可塑性[54]。然而，由于BDNF不可能通過外周給藥有效地穿過血腦屏障，這一看好的方法似乎受到了阻礙[55]。最近，Sansevero等[56]通過對成年弱視大鼠鼻腔內(nèi)無創(chuàng)注射BDNF增加了初級視皮層中這種神經(jīng)營養(yǎng)因子的水平，并促進(jìn)了成年弱視大鼠的視力、眼優(yōu)勢和視覺深度感知的恢復(fù)，無論是在反向遮擋的動物還是在那些雙眼視力不受限制的動物中都是如此。因此，BDNF可能對弱視的治療提供了新的途徑。

4總結(jié)與展望

BDNF參與了神經(jīng)相關(guān)的眼部疾病的發(fā)生，在青光眼和DR等眼部疾病的診斷中具有潛在價(jià)值。此外，BDNF可以通過基因治療、干細(xì)胞療法、給藥、鼻內(nèi)注射等方法增加表達(dá)，在青光眼、DR和弱視等眼病的治療中具有價(jià)值。不過，BDNF的診斷價(jià)值需進(jìn)一步驗(yàn)證以及治療方法在眼部疾病中的臨床療效還不確定。因此，在未來的研究中，期望大樣本得納入以確定BDNF的診斷價(jià)值以及BDNF的使用時(shí)機(jī)、給藥方式和劑量等在臨床中的療效。