脑源性神经营养因子_BDNF_与运动性脊髓损伤

发现，ＢＤＮＦｍＲＮＡ 在脊髓损伤后 ６ｗ 表达显著升高，到 １２ｗ 时 才显著降低。雷晓婷等［２１］研究发现，自然状态下 ＢＤＮＦ 的表达在 损伤后 ７￣１４ｄ 表现出较高水平，１４￣２８ｄ 逐渐下降，３５ｄ 又逐渐 升高。而与对照组相比较，运动训练组大鼠脊髓内 ＢＤＮＦ 的表达 明显增加并且停止训练后仍能保持较高水平。以上实验结果说 明 ＢＤＮＦ 的表达受多种内部和外部因素的影响，与损伤时间和 损伤程度以及康复训练具有一定的相关性。 ３．２ ＢＤＮＦ 的生物学作用及其机制
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［６］，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，
作者简介：１．乔虎军（１９８６ ￣），男，硕士。研究方向：运动人体科学。
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［１１］。ＢＤＮＦ 作为脊髓运动神经元一个强有力的生存 因子［１２－１３］，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［１４－ １５］和损 伤部位［１６－１７］的 ＢＤＮＦ 及其受体表达含量会增加。刘杨等［１８］制作大 鼠脊髓损伤模型后，采用 ＲＴ—ＰＣＲ 和免疫组化 ＳＡＢＣＡ 法对大 鼠脊髓组织中的 ＢＤＮＦ 和 ＢＤＮＦｍＲＮＡ 进行检测发现，脊髓损 伤后 １￣３ｈ，ＢＤＮＦ 免疫阳性细胞无明显变化。伤后 ６ｈ 开始增多， ５ｄ 时达到高峰随后呈下降趋势，７ｄ 时仍高于正常组，其阳性细 胞数的变化呈现出一定的时间相关性。黄纯海［１９］等通过全横断 大鼠脊髓研究发现，ＢＤＮＦ 在正常脊髓有少量表达，脊髓损伤后 ７ｄ 表达明显升高，直到伤后 ２１ｄ 有所下降。而 Ｋａｓａｈａｒａ［２０］等研究
关键词：脑源性神经营养因子 脊髓损伤 运动 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［１］，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［２］。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［３］。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 ［４］。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 １．１ ＢＤＮＦ 的生化特征
ＢＤＮＦ 的受体分为两类：一类是高亲和力的受体 （Ｋｄ 为 １０－ １１ｍｏｌ／ 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。
（２）抗细胞内高钙脊髓损伤过程中，细胞内钙离子出现异常 增高，钙离子的增高会导致脑细胞能量代谢障碍，质膜的离子泵 和通透性发生异常变化，细胞毒性水肿。另外，脊髓损伤后还会 出现神经细胞钙质通道开放，胞浆内钙浓度增高，严重影响了细 胞内的钙蛋白酶活性，而且使自由基的形成增加，阻止细胞内钙 的增加以及减少自由基的生成，都能保护神经元抵御损伤。有研 究发现，ＢＤＮＦ 可使体外培养的海马神经元内的钙结合蛋白及 其 ｍＲＮＡ 的含量增加。这种钙结合蛋白能排除细胞内超量钙离 子，维持细胞内的稳态，从而减少钙超载引起的损伤［２７］。
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 一样都包括细胞外区、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。
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 （１１ｑ１３），由 １１ 个外显子组成，是单拷贝基因［５］。 １．２ 脑源性神经营养因子（ＢＤＮＦ）受体结构及其信号通路
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
（１）抗氧化作用脊髓损伤后缺血、缺氧引起患者机体代谢紊 乱，ＡＴＰ 降解，氧在体内还原不完全，产生自由基。自由基进一步 过氧化对细胞膜到细胞体进行氧化损伤。人体代谢过程中产生 的氧自由基可以被体内相应的自由基清除酶例如超氧化物歧化 酶（ＳＯＤ）、谷胱甘肽过氧化物酶（ＣＳＨ－ Ｐｘ）、过氧化氢酶（ＧＡＴ）等 及时清除，自由基产生与清除之间处于动态平衡。大量研究证明 ＢＤＮＦ 能使体外培养的神经元内 ＳＯＤ 和 ＧＳＨ－ Ｐｘ 含量明显增 加，这些酶类物质可以降低体内氧自由基的活性，并加速自由基 的清除，从而减轻自由基对神经元的损伤［２６］。
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—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［９］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［１０］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
ＢＤＮＦ 是神经系统中最重要的神经营养因子之一，大量研 究表明其含量变化随脊髓损伤时间的延长呈现一定的规律性， 这表明其参与 ＳＣＩ 后的复杂病理过程。随着转基因技术的不断 发展，以及人们对脊髓损伤病理研究的不断深入，将 ＢＤＮＦ 转基 因疗法运用到运动性脊髓损伤的修复成为必然。但是仍存在很
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多问题，如 ＢＤＮＦ 来源和给药途径问题，天然 ＢＤＮＦ 含量少，而 且 ＢＤＮＦ 作为一种蛋白质，难以通过血脑（脊髓）屏障，还存在快 速降解等问题，这些问题都有待做进一步研究。不过，相信随着 人们对 ＢＤＮＦ 转基因疗法与脊髓损伤修复关系的不断深入研究 和基因工程技术的发展，脊髓损伤修复的治疗将会取得更大发 展。
（３ 抑制细胞毒性有研究表明，脊髓损伤后细胞外的谷氨酸 和天冬氨酸明显升高，引起两种氨基酸的兴奋毒性作用，导致通 过钙离子电压依赖钙离子通道向胞内内流，激活自身破坏性钙 离子依赖酶，诱发细胞死亡。Ｍａｒｉｎｉ 等［２８］研究发现，ＢＤＮＦ 可以上 调生存蛋白的表达，保护神经胶质细胞免受谷氨酸毒性损伤。 到目前为止，ＢＤＮＦ 是通过怎样的途径和机制实现其对损伤脊 髓的保护作用的，众多研究者看法不一，除上述作用机制外， ＢＤＮＦ 还通过保护神经元，促进神经元再生，抗细胞凋亡等作用 机制实现对损伤脊髓的保护。 4 讨论
搏击·武术科学 【其它体育研究】
２０１３ 年 １ 月 第 １０ 卷 第 １ 期
脑源性神经营养因子（BDNF）与运动性脊髓损伤
乔虎军 沈勇伟
（苏州大学体育学院，江苏 苏州 ２１５００６）
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（ＢＤＮ Ｆ）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。
关于 ＢＤＮＦ 在脊髓损伤后神经重建修复中的作用国内外学 者作了很多研究。研究发现 ＢＤＮＦ 能提高受损脊髓运动和感觉 神经元的存活［２２－ ２３］，并能促进神经元的修复和再生。另外，ＢＤＮＦ 还可以刺激成年神经元的轴突和树突出芽［２４－ ２５］，增强突触间递质 的释放，加强突触间信号转导。ＢＤＮＦ 作用于受损脊髓的具体机 制尚不清楚，目前认为可能与以下几个分子和细胞机制有关。
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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