神經素營養因子

一般將神經營養物質(neurotrophins)和對神經細胞存活具有調節作用的生長因子統稱為神經營養因子(neurotrophic factors, NTFs)。

神經營養因子主要包括NGF，BDNF，NT-3，NT-4/5等。作為同一家族的成員，它們的基因結構十分相似，都起源於同一基因家族。

基本介紹

• 中文名：神經素營養因子
• 外文名：Neurotrophic factor
• 屬性：細胞
• 功能：傳遞信息
• 類型：四種

發展歷史

50年前神經生長因子(nerve growth factor，NGF)的發現開闢了肽類生長因子的紀元。具有神經元特異性的NGF成為第一個被發現的細胞生長因子，也是最典型的神經營養因子。二十世紀五十年代初，Levi-Montalcini利用雞胚背根節組織培養技術建立了檢測該活性分子生物活性的經典方法(圖5-1)。不久她又和Cohen一起相繼找到了兩種富含這種物質的生物材料——蛇毒和小鼠頜下腺。1959和1960年先後從中分離純化出這種促神經生長的、可溶性蛋白質，之後命名為神經生長因子(NGF)。NGF的發現使人們認識到，在神經系統的發生過程中，需要一些能促進神經元發育、生長和維持其活性的因子，由此開闢了神經生物學的新領域，Levi-Montalcini和Cohen也因此獲得了1986年度諾貝爾生理學獎。
由於NGF只選擇性地對幾類神經細胞有作用，人們推測還有其它類型的神經營養因子存在。近二十年來又陸續發現九種新的神經營養因子。1982年Barde等從腦中分離到腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)。1989年，BDNF的基因被克隆。1990年，根據BDNF和NGF中保守性最強部分的序列，利用PCR等技術，幾個實驗室幾乎同時發現了NGF基因家族的第三個成員，如腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor)、神經營養素-3(neurotrophin-3 NT-3)、神經營養物質－4/5(neurotrophin-4/5，NT4/5)、神經營養素-6(neurotrophin-6，NT-6)、睫狀神經營養因子(ciliary neurotrophic factor，CNTF)和膠質細胞源性神營養因子(glia cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)。由於它們的胺基酸序列相似，因此統稱為NGF家族或神經營養因子(neurotrophic factors，NTFs)”。

受體的種類

NTs通過與兩種類型細胞表面受體，即TrK酪氨酸激酶和p75NT受體(p75NTR)相結合來調控神經元的活存、分化、生長和凋亡。這些受體通常共存於同一細胞上，調節神經元對NTs的反應。NT受體的功能從發育的神經系統可塑性到損傷神經元的活存和再生極為重要。Trk受體介導正向信號如促進生長和活存，p75NTR則介導正向和反向信號。兩類受體發出的信號相互間或一致或對立。NT信號轉導的關鍵問題是兩種NT受體在一起如何調節細胞對NTs的反應以及這些受體在行使其作用時所採用的胞內信號的性質。近年來，促進NT作用的一些新的受體胞內信號蛋白及信號轉導途徑已被確認。
Trk受體及其作用
Trk即原肌球蛋白受體激酶(tropomyosin receptor kinase)，是原癌基因trk的產物，由原肌球蛋白和酪氨酸激酶融合產生，分子量為120～160kD的單跨膜糖蛋白，是受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)家族中的成員，該家族有相類似的結構，由胞外一個大的糖基化的配體結合區、跨膜區(TM)、胞內區(可分為近膜區、酪氨酸激酶區、羧基尾區)組成，其中胞外區含亮氨酸富集結構(leucine rich motif，LRM)和免疫球蛋白區(IgG區)。兩個位於LRM旁側的半胱氨酸簇，將Trk同酪氨酸激酶家族的其它成員相區別；而LRM決定了與配體結合的特異性。
Trk受體分為TrkA(分子量140kD)、TrkB(145kD)和TrkC(145kD)，其相應的配基分別為NGF、BDNF和NT-3，TrkB的另一個配基為NT4/5，NT-3也可作用於TrkA和 TrkB。NTs家族成員主要通過Trk受體的自身磷酸化進行信號轉導，產生效應；該類受體與NTs結合後緩慢釋放，其解離常數為10-1mol/L，故又稱為高親和力受體。

生物活性

發育期

（1）促進神經元活存、生長和分化成熟的作用：神經元進入成熟階段的標誌包括突起的充分發育和突觸形成，神經元特異遞質合成酶的表達，以及膜離子通道和膜電位的出現。NTFs對發育中神經元在上述形態學和生物化學等方面指標有促進作用。NGF對外周交感神經元、背根節感覺神經元和中樞膽鹼能神經元從發育到成熟的過程具有生理作用。
（2）對神經遞質選擇的作用：在神經元分化初期，其遞質屬性尚未確定，在發育過程中必然經歷遞質選擇。遞質選擇主要取決於從細胞遷移至最終定位所經歷的環境因素。例如，成熟交感神經節中的大多數是去甲腎上腺能神經元，也有少量支配汗腺的膽鹼能神經元。NGF是促進交感神經元內去甲腎上腺素酶系發育的主要生長因子。而那些膽鹼能神經元在交感節發育早期也都經歷過去甲腎上腺能階段才最終成為膽鹼能表型，即經歷過遞質的選擇和轉換。
（3）誘導神經纖維定向生長：從體外培養觀察到，雞胚或鼠胚背根節和長出的突起向分泌NGF的小鼠頜下腺生長，而不向缺乏NGF的舌下腺生長。在體內，NGF是誘導神經纖維長向靶區的重要因素之一。
（4）控制神經元存活數量：發育過程中有一個神經元自然死亡的減數現象，出現在神經軸突長人靶區後不久。NGF效應神經元的自然減數是通過靶區NGF水平來控制的。實驗觀察到，分散培養的發育期效應神經元依賴NGF存活；效應神經元的自然減數在時間上與靶區NGF水平的下降相一致。

成年期

進入成年期，NTs及其受體的表達和分布都明顯減少，效應神經元對NTs的依賴也明顯降低，只有部分交感神經元仍需依賴NGF存活。一些外周和中樞的神經元仍需要一定水平的NTs維持其正常功能。

損傷修復期

神經損傷包括外傷、疾病、中毒、老化等因素造成的中樞和外周神經系統的損傷，是臨床醫學至今難以解決的問題。成熟神經元和神經系統仍保留一定程度的再生修復能力是建立在神經元可塑性(neuronal plasticity)的基礎之上。就單個神經元而言，可塑性使它在非致死性傷害後有發生改變與適應的能力；而就神經系統而言，則可利用活存的神經元，代償死亡神經元的部分功能，從而減輕損傷的後果。
4、NTFs的基因敲除動物模型NTFs及其受體基因敲除(knockout)動物模型的建立，有助於在分子水平上了解NTFs及其受體的功能，以及它們在神經系統發育過程中的地位和作用。NTs及其受體的基因敲除轉基因動物表型見表5-2。
表5-2 NTs及其受體基因敲除Kn小鼠的表型
缺失基因表 型
trkA致死性的，生後1個月內死亡，感覺及交感神經元缺失
trkB致死性的，生後即死亡，面神經核和脊髓運動神經元缺失，三叉神經節、背根節缺失
trkC致死性的，生後1個月內死亡，本體感覺缺失，運動姿勢異常
p75NTR非致死性的，可存活至成年，但感覺神經元的一個亞群丟失，周圍感覺和交感神經分布缺陷
ngf非致死性的，但出生後，體中增加停止、長瘡、出現自毀頌向，感覺和交感神經細胞缺失
bdnf致死性的，感覺神經缺陷，顱神經節、外周神經節缺失，最嚴重的是前庭神經節細胞顯著喪失，因此其形維表現為旋轉、共濟失調和呈弓狀姿勢
nt-3致死性的，感覺和交感神經元喪失，脊髓傳入纖維數目下降，與傳遞本體感覺有關的感受器(肌梭和Golgi腱器)
nt-4/5正常，10個月內無明顯的神經元和表型異常
bdnf+at-4/5致死性的，與單純BDNF缺陷相似
從上表看。NTs及其受體基因缺失，將會嚴重影響神經系統的發育，甚至發生個體的死亡。NTs的基因敲除動物模型在PNS中表現為特異的靶神經元缺失，不同的NTs支持相應的特異性神經元群；在CNS中基因敲除的靶神經元缺失不明顯，NTs的作用以調節功能為主。NTs及其Trk受體成員之間，甚至相應的配基與受體之間的基因缺失可導致不同的表型。TrkA、TrkB、TrkC、BDNF和NT-3的基因缺失均為致死性的，說明這些NTs和受體在神經系統發育中有更重要的作用，而NGF的作用可能通過NT-3作用於TrkA來實現；NT-4/5的作用可被BDNF作用於TrkB所代償。但TrkA、TrkB和TrkC的作用是必須的，其作用無法替代，作為受體激動劑的BDNF和NT-3同樣不可缺少。而p75NTB僅在外周感覺和交感神經活動中起部分作用，不是神經活動所必須的。

臨床套用前景

NTFs從研究初期就預示了臨床套用的可能性，正是在這種前景的引導下，才有目的地進行了動物模型實驗。這些實驗的確像預期的那樣表明NTFs對某些神經損傷和疾病有著以前療法所未達到的療效。
由於基因工程藥的發展，能獲得大量NTFs用於臨床試驗，但由於NTFs均為蛋白質，不易通過血腦屏障，故目前臨床試驗主要在脊髓或PNS疾病上進行，對CNS相關的疾病仍以動物模型研究為主。

NTFs與神經系統疾病

神經系統疾病主要包括神經退行性疾病(neurodegenerative diseases)和神經損傷等。神經退行性疾病如帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、肌萎縮性脊髓側索硬化(amyotrophic lateral aclerosis，ALS)等，目前多無有效治療手段。
大量體內體外研究表明，NTFs在神經系統疾病的診斷和治療中具有臨床套用價值，見表5-3。
運動神經元疾病
ALS是一種致死性運動神經元退行性疾病，常用藥物有抗痙攣劑Baclofen，抗抽搐的Quhine Sulfate phenytoin、Car bame zepine，抗抑鬱劑三環類等。目前尚無有效治療措施。體內體外研究表明，發育及成熟運動神經元對BDNF、NT-3、NT4/5有反應，BDNF、NT-3增加培養的胚胎大鼠運動神經元的活性，BDNF可防止運動神經元的自然死亡，並對損傷的新生大鼠面部運動神經元有保護作用；當神經切斷後，BDNF、NT-3逆行運輸到運動神經元急劇增加，外源性BDNF能延遲自然發生MND(motor neuron disease)中的運動失調，減輕神經肌肉萎縮和運動軸突消失，這些研究為套用BDNF治療ALS提供了理論基礎。目前，BDNF已進入治療ALS的臨床試驗階段。
表5-3 神經營養因子的選擇活性及臨床套用可能
疾 病作 用 部 位NGFBDNFNT-3NT-4/5CNTFGDNF
外周神經病感覺神經元√√√√
交感神經元√
ALS運動神經元 √√√√√
AD基底前腦膽鹼能神經元√√ √√√
皮層神經元 √√√
海馬神經元 √√√
PD多巴胺能神經元 √ √
HD紋狀體神經元 √ √
局部缺血皮層神經元 √
急性腦脊髓損傷皮層—脊髓神經元 √
帕金森病PD
它是由於黑質紋狀體多巴胺能神經元的進行性退化而引起的運動失調症。其神經元退化進程遠在臨床症狀出現之前。目前常用的藥物有DA的前體左旋多巴(EDOPA)及多巴胺(DA)受體激動劑。這些藥物副作用大，並不能改變神經元退化。由於BDNF對多巴胺神經元的特殊營養作用，並對DA能神經元選擇性毒性物質6-OHDA和MPP+損傷的神經元有保護作用。大量的體內體外實驗研究表明BDNF有望用於PD的治療。
GDNF是目前發現對DA能神經元作用最強的因子之一，在PD動物模型中，單次腦內注射100和450μg GDNF，能扭轉DA能神經元變性，且不會出現運動障礙，效果好於L-多巴。儘管GDNF效應較強，但其作用範圍較廣，對多種神經元有作用，故在臨床套用上，需考慮GDNF可能產生的多種作用。
早老性痴呆(AD)
AD的病理變化為廣泛的大腦皮層神經元喪失，尤其是海馬和基底前腦膽鹼能神經元退化。臨床常用藥物有膽鹼酯酶抑制劑多奈哌齊等能夠提高患者認知功能。有噁心、腹瀉、失眠等不良反應外，並不能減慢神經元的退化。NGF能防止前腦膽鹼能神經元的萎縮，提高出現認知損傷的老年大鼠的膽鹼乙醯轉移酶ChAT水平，增加存活膽鹼能神經元的功能，提高記憶。這些現象為NCF用於AD治療提供了理論基礎。神經營養素因子家族其他成員如BDNF、NT-3、NT4/5均能維持膽鹼能神經元存活，上調其ChAT表達，且有比維持神經元存活更為廣泛的作用，這些廣泛作用與AD尤其有關的膽鹼能神經元也有營養作用，能扭轉運動活性下降，改善運動失調。多種神經營養因子的聯用可能產生最佳效果。目前，用損毀大鼠基底前腦膽鹼能投射系統複製AD症狀，但並不能完全模擬AD病人的所有病症，因此尚需建立更為合適的動物模型。
外周感覺神經病
外周感覺神經元退化是外周神經病的常見病症，往往由糖尿病、抗癌藥(如順鉑)、酒精中毒、愛滋病(AIDS)、遺傳因素等引發。NGF用於外周感覺神經病的臨床試驗已經開始，長期治療可延緩感覺功能減弱並能使部分喪失的功能恢復。
除上述疾病以外，BDNF、NT-3、NT4/5對聽神經損傷、視神經損傷也有保護作用， NTs在神經膠質瘤、成神經細胞瘤等疾病治療中也有套用前景。
急性神經系統損傷和腦缺血
機械損傷或腦缺血引起的急性神經系統損傷目前尚無有效的藥物治療。NGF腦室注射可抑制沙土鼠腦缺血後引起的海馬神經元死亡；BDNF和NT4/5則可明顯減少因結紮大鼠大腦中動脈而引起的梗死面積；動物實驗表明NTFs可減少因缺血中風引起的神經元變性，並改善症狀；BDNF、NT-3和NT-4/5均能增加皮質神經元對葡萄糖和氧的利用

神經營養因子的臨床套用策略

由於神經營養因子難以通過血腦屏障，故不能直接通過全身給藥治療中樞疾病，因而關於神經營養素的給藥方式和提高其利用效率顯得尤為重要。
腦內給藥方式
(1) 用機械微泵裝置將NTFs盲接注入腦內。如hrNGF腦室給藥可作為NGF治療 AD的有效給藥方式；
(2) 將活性蛋白因子包裹式製備脂質體或微囊化後植入腦內，可作為體內一種有效的釋放系統治療中樞神經系統疾病。
(3) 利用腦移植手段，如以胚胎黑質或自體，腎上腺髓質嗜鉻細胞為供體治療PD，移植後注入NGFs可提高移植物的存活率，並可增強治療作用。
(4) 通過細胞移植將有持續分泌神經營養因子活性的遺傳修飾細胞植入腦內。一是直接移植分泌NTFs的工程細胞，二是將遺傳修飾細胞微囊化後移入腦內。
(5) 直接將神經營養因子基因導人CNS細胞內以增加神經營養因子的表達水平。
利用蛋白修飾手段增加神經營養因子通過血腦屏障的能力
有人將BDNF與能穿越血腦屏障的載體(如NLA-OX26)結合形成載體介導肽藥，穿過血腦屏障而運送人腦發揮其特殊的生物作用。
改造基因序列
利用基因工程手段增加因子的功能，擴大因子的套用範圍 將 NGF、BDNF、NT-3的活性結構域組人到NT-3基因主架中，表達名為PNT-1的合成營養因子，它能與Trk受體及p75NTR結合，其神經營養作用與三種因子聯用相當，注入坐骨神經後顯示很強的逆行運輸到DRG神經元的能力。這一結果表明PNT-1是強有力的、多特異性的神經營養因子，有望用於外周神經病和神經損傷。用痘病毒表達系統或COS細胞將分別表達BDNF和NT-3的病毒共轉染得到由BDNF和NT-3形成的異二聚體，並可使單一細胞表達多種神經營養因子。也可試圖生產與NTs作用位點相似的活性肽片段，但通常其有效濃度比天然蛋白高。
尋找調控NGFs及其受體的表達或啟動信號轉導的小分子物質
有證據表明非蛋白激素可調節NTFs的表達，如糖皮質激素可防止外周神經中NGF的減少，刺激海馬內BDNF、NT-3表達增加。另外NTs及其受體表達還受多種物質的影響，如Glu受體拮抗劑、cAMP、視黃酸(RA)等。有許多低分子量的親脂化合物能激活Tyr磷酸化的信號轉導途徑，這些化合物單獨或與抗氧化劑和鈣穩定劑聯用，在局部缺血腦損傷中可起到與NTFs類似的有益作用，提供了治療腦損傷的途徑。總之，神經營養因子、神經活動、內分泌系統相互影響，相互作用，在神經系統的發育和成熟過程中及病理情況下發揮重要的作用。

某些問題

神經營養因子的選擇性

目前已知的神經營養因子中除NGF外，作用的選擇性都不高。例如NGF除了可作用於腦內膽鹼能神經系統外，還能作用於腦內單胺類神經。外周給NGF治療感覺神經萎縮時也不可避免地會影響外周交感神經以及免疫和生殖系統。腦內大多數神經元多可表達TrkB和TrkC受體，因此作用於這兩種受體的BDNF和NT-3不太可能用來專門影響腦內某一類特定的神經元。此外，許多營養因子除了對神經元有營養作用外，也對非神經元細胞有作用。

神經營養因子的免疫反應

臨床上神經營養因子往往需要長期套用，由於它們都是一些蛋白質，因此也要考慮它們可能產生免疫反應。腦室內給神經在子時一般影響不大，而且也未見有抗體產生。但外周給藥時要考慮可能發生免疫反應。套用人重組神經營養因子可能可減少這種反應。