第二回 BDNF在发育期的功能及与发育障碍之间的关系

阐明BDNF-从基础到临床-

香川大学　医学部　铃木辰吾

◆前言

BDNF是神经元以神经活动依赖性方式释放的神经营养因子，诱导突触重组，并参与记忆与学习。另外，BDNF在发育中的大脑还具有维持神经元的存活和分化诱导、诱导突触形成和突触结合等多种作用。虽然其有着重要作用，但目前仍未能完全认识其功能的本质。近年研究表明，发育过程中的BDNF的表达下降可能与神经回路形成异常相关，这种异常可能与发育障碍相关。因此，本文将对发育期大脑中BDNF的表达、功能和作用，以及BDNF和发育障碍的关系进行阐述。

◆发育期大脑中BDNF的表达

BDNF在大脑的广泛区域中表达，尤其在海马体、扁桃体、大脑和小脑等中呈高表达状态^1，2）。在大脑皮层和海马体中，主要在兴奋性神经元中表达量多，除神经元外，在小胶质细胞等中也有表达。已确认小鼠胚胎生成11.5 天后，BDNF可在其大脑中表达，出生后表达显著上升^3-5）。

由于BDNF表达受神经递质GABA和谷氨酸，以及去极化引起的细胞内钙离子信号的影响，通过这些神经科学因素和发育依赖的转录因子的表达变化及其组合，BDNF表达应该是随着产后发育不断上升。另一方面，在这一时期，与BDNF高亲和性受体TrkB的表达无明显变化。

众所周知，DNA的甲基化会抑制BDNF的表达^6）。许多报告表明，在应激动物模型和人病理学中观察的BDNF表达减少与DNA的甲基化相关。

另外，已证实miRNA和内源性BDNF反义RNA的存在可抑制BDNF表达^7，8）。BDNF表达为受到各个不同表达调控的大部分转录物，由于所有的mRNA都具有相同的编码区域，所以只会产生相同氨基酸序列的BDNF蛋白。因此，BDNF转录物的多样性，并不会产生蛋白序列多样性，而是产生时空结构表达模式的多样性^9）。例如，BDNF的mRNA无论是结构性转录还是神经活动依赖性转录，产生的是不同的转录物。此外，BDNF作为加工体合成，并通过切断成为成熟型BDNF^10）。加工过的成熟型BDNF部位的氨基酸序列被高度保守，在人、小鼠和大鼠之间毫无差异。

图. 发育期BDNF的功能

◆BDNF对神经元的活性

BDNF可赋予发育中神经元多种多样的活性。首先，可以促进神经干细胞的增殖和向神经元分化。此外，BDNF可维持神经元的存活，诱导细胞移动，以及增加轴突和树突的分支，树突的数量等^11）。另外，BDNF在诱导突触成熟的同时，还可诱导突触数的增加、突触后肥大、突触间神经科学性结合的调整以及促进其长期增强^12）。

另一方面，根据组织的不同，BDNF还具有促进轴突修剪等作用^13）。这些作用是在不同时期大脑的不同部位，通过不同的实验系统观察到的现象。

◆发育期BDNF的显著作用

由于BDNF具有上述作用，若缺乏BDNF，有可能无法构建神经回路。但意外的是，敲除BDNF的小鼠大脑结构比我们预估的更接近正常。当然，BDNF缺乏的影响还是很明显，大部分的BDNF 敲除小鼠都会由于心脏发育不全等非脑组织的影响，在出生后几天死亡，但也有部分个体可以存活2~4周^14）。在其大脑中，原本BDNF高表达的大脑皮层以及海马体，也没有观察到部分缺乏以及层结构严重紊乱等的变化。这表明BDNF具有的大部分活性，都可以被其他的内在因子代替。由于BDNF是出生后表达上升的蛋白，因此认为其在大脑发育中的特异性功能是在出生后发挥的。实际上，在存活的BDNF敲除小鼠、杂合子敲除小鼠和神经元中特异性缺乏BDNF的小鼠中，发现其出生后形成的神经回路和神经回路形成后突触间的信息传递出现异常^15）。在个体中，观察到它们存在学习、记忆障碍和行为异常的现象。因此， BDNF难以替代的核心功能是对出生后神经回路的形成和维持大脑功能的贡献。在胚胎期构建未成熟的大脑神经回路，通过出生后环境的刺激和经历的反映逐渐成熟和完整。BDNF是这后半程或之后最能发挥其特性的因子。

缺乏BDNF的另外表现之一是抑制性神经元在海马体和大脑皮层中的数量减少¹⁴⁾。抑制性神经元在细胞移动后会静止并被局部的回路摄入，面临存活竞争。另一方面，在BDNF的敲除小鼠中，并未发现兴奋性神经元数量的变化。由于BDNF在兴奋性神经元中高表达，所以从兴奋性神经元中分泌的BDNF可以促进抑制性神经元的移动。然后，通过促进存活竞争，调整局部抑制性神经元的数量。这个时期有大量可诱导神经元存活的因子，所以抑制性神经元的存活尤其依赖于BDNF。

另外，在观察杂合子敲除小鼠及条件敲除小鼠的大脑皮层及海马体中，认为BDNF相对轴突进展和诱导，更大的作用是对外周分叉和突触发生本身的影响¹⁶⁾。同样，由于BDNF也影响树突和分支的数量，BDNF首先为促进轴突和树突分叉以增加突触数量奠定基础，然后通过诱导突触发生，实际增加突触的数量。然而，由于已知 BDNF 也有助于小脑和视网膜中的突触和轴突修剪，因此 BDNF 对整个大脑突触发生的影响不是唯一的。 此外，使用成熟后的海马切片的研究表明，BDNF 选择性地从单个树突上的刺中释放，并能诱导突触特异性的长期增强 ¹⁷⁾，并从树突和细胞体中释放。据报道， BDNF 主要作用于附近的神经元 ^18、19）。 由此认为，BDNF即使在发育过程中也可以通过局部释放来相对增加局部范围内的突触数量。

BDNF还与抑制性神经元的成熟相关。在强制表达BDNF的小鼠中，促进抑制性神经元的发育，提前结束抑制性神经元发育依赖的视皮层的临界期^5）。实际上，通过感觉刺激活化的神经元释放的BDNF和产生的基因程序引起表达上升的BDNF，两者的总和调节了抑制神经元的发育，并决定了临界期的结束。在进入临界期前的BDNF敲除小鼠的桶状皮层中，可以观察到小白蛋白阳性的抑制性神经元的电生理性质和未成熟的形态^20）。由此可以看出，BDNF对抑制性神经元的成熟诱导作用对于临界期前期的局部回路形成非常重要。为正确形成大脑皮层的局部回路，需要按顺序活化神经元种类^21），发育阶段BDNF瞬时的表达变化，可以会对局部回路的结构以及成熟后的大脑功能产生影响。在成熟的大脑中，小白蛋白阳性抑制性神经元在间隙连接处结合，主导同步活动和节律形成。因此，发育阶段的BDNF表达降低可能会影响局部的回路形成以及同步放电，从而影响大脑的功能。据报道，使用转基因小鼠对小白蛋白阳性抑制神经元中 BDNF 信号传导的特异性抑制，会影响同步活动和节律形成 ²²⁾。

虽然研究人员长期以来一直有研究BDNF 参与成熟后海马体兴奋性神经元形成的神经网中的突触增强^23），但发育阶段BDNF的作用仍未阐明。从BDNF对海马体和大脑皮层的兴奋性神经元的树突上存在的突触的数量和成熟的积极影响可以看出，BDNF也许会影响兴奋性神经元间的结合。兴奋性神经元构建的神经网是信息处理系统的主干，并参与广域网的链接，因此阐明BDNF在这些回路形成中担任何种角色的研究备受期待。

◆BDNF和发育障碍的关系

有假设提出，包含胚胎期在内的发育阶段的应激会诱导BDNF的表达降低，其结果可能会抑制正常大脑的发育，并成为发育障碍和精神疾病发病的原因。为验证这一假设，在负荷各类应激的模型动物中确认BDNF的表达的变化^24）。在胚胎期，通过对母体施加束缚应激和心理应激，在海马体中观察到了BDNF的表达降低以及DNA的甲基化^24）。此外，产后的母婴分离应激还会使海马体和前额叶皮层的BDNF表达降低，突触数量减少^4）。

母婴分离应激导致的BDNF表达降低，随之还引起了组蛋白甲基化状态的变化和控制BDNF表达的miRNA的表达增加^24）。然后，在胚胎期和新生儿期受应激的动物，发育后会观察到其社会性下降和焦虑行为。所以，发育阶段BDNF的表达降低对发育过程中神经回路的形成有一定的影响，其可能在个体成熟后造成影响。考虑到发育期BDNF的作用，应激造成的BDNF表达降低，即使只是一时性的或局部性的，也可能会对个体产生永久性的影响。

对于人类，有大量的研究报告显示血液中BDNF浓度和精神疾病相关。血液中的BDNF被认为来源于血小板，但其本身的意义尚未阐明。然而，大脑中BDNF的甲基化和血液中的BDNF甲基化，虽然在个体中各有差异，并未发现其相关性，但在同一个动物实验中是相关的^25），因此，在处理人血液中BDNF浓度的实验结果时，可以外推为一组大脑反应。

在精神疾病中，与血液中BDNF的相关性研究较多的是自闭症谱系障碍。已确认自闭症谱系障碍患者的血液中BDNF含量上升，在新生儿检测中，显示血液中BDNF的水平降低和自闭症谱系障碍的发病有主要关联^26）。因此，在自闭症谱系障碍中，研究人员认为BDNF的表达在大脑发育阶段低，大脑成熟后升高。有趣的是，在负荷了母婴分离应激的动物中也能观察到同一现象。被施加了母婴分离应激的动物，除了在发育阶段观察到BDNF表达降低以外，当母子分离应激结束后，BDNF的表达相对于正常组升高^4）。结合所了解的各类现象，虽然未阐明的现象仍有许多，但可以假设发育阶段的BDNF瞬时表达降低会抑制抑制性神经元的成熟，导致兴奋性神经元的活动变活跃，并释放更多的BDNF。

另外，还有报告称注意力缺陷多动障碍 (ADHD) 与血液中 BDNF 之间的关系从发育阶段到成人有所降低 ²⁷⁾，但仍未阐明。BDNF 功能下降导致黑质多巴胺能神经元发育下降并参与 ADHD 的发病，这一假设补充了BDNF的降低和ADHD的相关性。另外，这一假设还得到了多项研究的支持，研究表明BDNF 对黑质多巴胺能神经元的存活、发育和分化有强烈影响。

◆结语

至今为止的大部分基础研究，都阐明了发育阶段BDNF的作用。然而，仍未完全阐明其在构建神经回路时的作用。其主要原因是因为研究人员目前正在阐明神经回路的结构和动作原理，但BDNF在其中发挥的作用仍是不容忽视的。通过不断阐明BDNF在这个黑匣子中的作用，明确其与发育障碍的相关性，并参与治疗方法和干预方法的开发备受期待。

◆参考文献

 1. Hofer, M. et al. : EMBO J., 9, 2459 (1990).

 2.  Timmusk, T. et al. : Neuron, 10, 475 (1993).

 3. Pöyhönen, S. et al. : Front. Physiol., 10, 486 (2019).

 4. Ohta, K. I. et al. : J. Neurochem., 141, 179 (2017).

 5. Huang, Z. J. et al. : Cell, 98, 739 (1999).

 6. Zheleznyakova, G. Y. et al. : Behav. Brain Funct., 12, 17 (2016).

 7. Zhang, Y, et al. : Biomed. Pharmacother., 80, 207 (2016).

 8. Lee, S. T. et al. : Ann. Neurol., 72, 269 (2012).

 9. West, A. E. et al. : Handb. Exp. Pharmacol., 220, 67 (2014).

10.  Deinhardt, K. and Chao, M. V. : Neuropharmacology, 76, 603 (2014).

11.  Numakawa, T. et al. : Histol. Histopathol., 25, 237 (2010).

12.  Zagrebelsky, M. and Korte, M. : Neuropharmacology, 76, 628 (2014).

13.  Choo, M. et al. : Nat. Commun., 8, 195 (2017).

14.  Jones, K. R. et al. : Cell, 76, 989 (1994).

15.  Cunha, C. et al. : Front. Mol. Neurosci., 3, 1 (2010).

16.  Cohen-Cory, S. et al. : Dev. Neurobiol., 70, 271 (2010).

17.  Harward, S. C. et al. : Nature, 538, 99 (2016).

18.  Horch, H. W. et al. : Neuron, 23, 353 (1999).

19.  Horch, H. W. and Katz, L. C. : Nat. Neurosci., 5, 1177 (2002).

20.  Itami, C. et al. : J. Neurosci., 27, 2241 (2007).

21.  Kimura, F. and Itami, C. : J. Neurosci., 39, 3784 (2019).

22.  Xenos, D. et al. : Cereb. Cortex, 28, 3399 (2018).

23.  Lu, Y. et al. : Neurobiol. Learn. Mem., 89, 312 (2008).

24.  Miao, Z. et al. : Int. J. Mol. Sci., 21, 1375 (2020).

25.  Duffy, H. B. D. and Roth, T. : Front. Hum. Neurosci., 14, 594244 (2020).

26.  Skogstrand, K. et al. : Transl. Psychiatry, 9, 252 (2019).

27. Galvez-Contreras, A. Y. et al. : Front. Psychiatry, 8, 126 (2017).

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第五回 BDNF研究的未来展望

阐明BDNF-从基础到临床-

藤田医科大学 研究推进总部 小清水久嗣

◆前言

通过本系列至今为止的四回连载，我们了解到脑源性神经营养因子（BDNF）在中枢神经系统的正常发育和功能表现方面发挥着重要的作用，同时还可能与精神分裂症、自闭症等精神疾病的发病机制有关。自从40年前Barde和Thonen在报告中称成功分离出了BDNF以来^1），与BDNF相关的论文至今已出版了28,800份以上（2022年4月PubMed数据）。这一数据也直观地体现了BDNF的重要性。

然而，在大家所谓的顶级期刊上刊登的相关论文数却呈现出逐年下降的趋势。这是否意味着BDNF的基本功能和机制已经大致上被阐明，围绕BDNF不再有重大谜团？BDNF的研究今后将走向何方？本文作为系列连载的最后一期，将选取热点话题和研究课题中的代表性内容，对今后BDNF研究的未来展望进行阐述。

◆前体和前肽

正如第一回连载中提及的，所谓的BDNF指的是BDNF成熟体（matureBDNF）。mRNA翻译后的直接BDNF蛋白产物被称为前体BDNF的前体（pre-proBDNF），其N端带有信号序列。pre-proBDNF插入到粗面内质网内腔后，其信号序列被切除，从而生成前体BDNF（proBDNF）^2）。然而包括proBDNF 在内的神经营养因子前体，长期以来一直都被认为是能够表现出全部生理活性的成熟蛋白的半成品，关于其功能的详细了解直到进入本世纪才有了进展。美国康奈尔大学的Hempstead等首次在神经生长因子NGF中发现，前体具有不同于成熟体的独特特性和生物活性^3）。

神经营养因子正如其名，它能够促进神经细胞的生存以及轴突的生长。但NGF前体能够以NGF成熟体约5倍的亲和力与神经营养因子的受体p75^NTR结合，除了诱导依赖p75^NTR的细胞程序性死亡（细胞凋亡）之外，对颈上神经节神经元的神经突生长也起到了抑制作用^3）。另外，已知BNDF成熟体对于海马区的某种突触传递的长时程增强（LTP）的形成也是必不可少的^4），但美国国立卫生研究所（NIH）的Lu等（当时）发现，BDNF前体却能够依赖p75^NTR在海马区中诱导突触传递的长时程抑制（LTD）^5）。

不仅如此， BDNF成熟体能够提高海马区神经元的棘密度，但作者的研究表明BDNF前体会降低该密度^6）。神经营养因子的前体和成熟体是同一基因的产物，但却有着完全相反的生物活性，这样的特性被比喻为双重人格的代名词“杰基尔和海德”^7），又或是东方文化中的“阴阳（Ying-Yang）”^8）。不难想象，如果BDNF成熟体与其前体的生成之间失去平衡，会对大脑的功能会造成巨大影响。Hempstead等的团队和Kojima等的团队分别独立构建了表达BDNF前体且带有蛋白酶抗性的基因敲入小鼠^9，10），这种小鼠表达BDNF前体但不生成BDNF成熟体。

在第二回中我们也介绍过，许多 BDNF 敲除小鼠的纯合子个体在出生后几天内因心脏发生缺陷和心肌内出血而死亡^11），而BDNF前体敲入小鼠中却没有发现有心脏问题的个体，甚至纯合子个体也能够存活下来并成长为成体^10）。但在该小鼠的杂合子个体中发现了海马区神经元中树突的形状异常、棘密度的降低以及电生理特性的异常（LTP的抑制和LTD的提高）^9）。除此之外，在行为表型方面观察到与精神疾病相关的异常，如筑巢行为异常，接受社会性隔离的个体抑郁样行为亢进等^10）。

根据这些发现表明，BDNF成熟体与其前体生产平衡的异常可能参与了精神疾病的发病机制。现在，研究认为前体在细胞内（分泌小泡或反面高尔基网）被蛋白酶furin或prohormone convertase（PC）切断^2，12），又或是在细胞外被matrix metalloproteinase（MMP）或依赖于神经活动的tPA/plasmin切断^13-15），从而生成成熟体。此时，被切出来的N端的一半就是BDNF前肽（pro-peptide）。前肽比起前体受到的关注要更少。正如第一回连载中所介绍的，成熟体是有着β折叠构造（β发夹体）的稳定二级结构，而与之相对的，前肽区域大半部分都被随机线圈结构占据，因此推测它不具有稳定的结构^6）。Kojima等发现BDNF前肽的单体在海马区有p75^NTR依赖性LTD诱导活性^16）。

BDNF成熟体在海马区的低频刺激下表现出了抑制LTD诱导的效果，但在BDNF前肽存在的状态下，BDNF成熟体引发的效果就会被取消，LTD的诱导被增强^16）。这可能是由于BDNF前肽与BDNF成熟体有着高亲和力的特异性结合^17）所导致的结果。换句话说，可能前肽不仅仅在单体状态下拥有活性，还能够通过与BDNF成熟体的相互作用来调整其的功能表达。此外，尽管前肽和前体在功能上可能相互竞争，但其调节机制的存在及其生物学意义现阶段是完全未知的。

◆BDNF与心理遗传学 -大规模 GWAS所揭示的内容-

在第三回连载中提到的rs6265 （Val66Met）作为人BDNF基因的单核苷酸多态性（SNP）之一，因其频率之高和在高级脑功能中的表型（例如情景记忆性能下降）引起了研究者们极大的兴趣^18）。众所周知，精神分裂症和双相情感障碍具有高达80%的遗传率，这些精神疾病与BDNF及其相关分子的遗传变异之间的关联（发病率和药物适应性等）也在被积极地研究中。

正如第三回连载中所介绍的，有相当多的报告表明存在显着相关性，但其中的大多数都只是以单一或者少数的民族/人种为对象取得的结果，因此也有着样本规模通常较小的局限性（limitation）。那么，调查更大规模的样本的结果又如何呢？国际财团Psychiatric Genomics Consortium（PGC）以精神分裂症和躁郁症等精神疾病为目标，进行了世界级规模的全基因组关联研究（Genome Wide Association Study；GWAS）的荟萃分析^19）。其样品规模巨大，SNP荟萃分析的数据量甚至达到了数十万人份。

在SNP的GWAS中，p 值小于5.0×10^-8被视为全基因组显著性水平，但BDNF与其受体的基因结构上不包含满足该显著性水平的基因座。举例来说，有报告称BDNF rs6265（Val66Met）与精神分裂症相关的p 值为7.95×10^–5，并没有达到全基因组显著性水平，优势比为1.052，即只有5%的差距^20，21）。

然而，即使是达到全基因组显著水平的上百个风险基因座，其总的效果量也仍然很小。越来越多的数据表明，能用于诊断的SNP并不存在的可能性非常高^22）。除了一部分例外，可以认为是多因素效果的共同作用才导致了这类精神疾病的发生。当然，我们也不能否认BDNF信号在这之中参与生化、生理学功能的可能性。另外，不可否认的是，在转染了BDNF或相关分子遗传变异体的小鼠中观察到的表型可能与人类的某些病理状况相同。

◆BDNF及相关分子与药物发现

正如至今为止所说明的，BDNF是一种在各种细胞以及组织中具有广泛关键功能的分子，有许多资料表明它参与了精神疾病及其他各种疾病的发病机制。因此，BDNF与其相关分子作为治疗的目标分子和诊断的候补生物标志物引起了广泛的关注。

在第四回连载的说明中，BDNF/TrkB信号有时也会成为细胞癌变、促进癌细胞的侵袭和转移的原因。在各种癌症中发现了神经营养因子受体Trk基因（NTRK）通过染色体转座与完全不同的基因（ETV6、LMNA、TPM3等）融合产生的异常基因“NTRK融合基因”^23），由同一基因生物合成的NTRK融合蛋白被认为能够促进癌细胞的增殖，目前正在积极开发抑制该分子酪氨酸激酶活性的药物，靶向治疗表达此融合蛋白的癌症^23）。它们通过抑制NTRK融合蛋白质的磷酸化和下游信号传导来抑制肿瘤的增生。目前罗氏公司生产的恩曲替尼（产品名：Rozlytrek）和拜耳医药生产的拉罗替尼（产品名：Vitrakvi）已经上市并用于癌症治疗^24，25）。

在精神和神经系统疾病方面，欧美和中国等世界各国也在进行以BDNF为重点的临床研究。就像第四回连载中所介绍的以AMPA型谷氨酸受体为直接靶点的AMPAkine一样，通过刺激其他分子间接地增加BDNF的生成量，根据BDNF的生理活性，尝试开发以治疗疾病为目标的药剂（由于AMPAkine中的Org 24448引起了不良反应，现已停止临床试验（NCT00113022））。另外，有研究将血清BDNF浓度作为评估药剂（如抗抑郁药等）和刺激（如运动和营养等）的效果的指示数据，尝试使用Val66Met（rs6265）SNP等BDNF的基因变体对各种治疗效果的敏感性进行评估的研究也有很多。

也有研究者开始尝试直接对BDNF本身进行操作。美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究团队正在开展针对早期阿尔茨海默病（eAD）和轻度认知障碍（MCI）基因治疗的P1临床试验（NCT05040217）。这是一次雄心勃勃的尝试，在术中核磁共振成像辅助下，用腺相关病毒（AAV）载体将BDNF基因导入患者大脑的内嗅皮质和海马区，利用表达的BDNF蛋白质抑制神经性细胞凋亡、促进突触的再生，从而阻止eAD和MCI的进展。目前该项目仍正在推进中，其成功与否备受瞩目。

◆结语

正如本文开头所指出的，在所谓的顶级期刊上刊登的有关BDNF的论文数量在呈现逐年下降的趋势。然而，每年发表的与BDNF相关的论文总数仍在持续增加（2001年：391份→2011年：1,365份→2021年：2,512份）。这表明关于BDNF的功能及其机制已经在一定程度上得到了很好的理解，正在评估和应用于各种系统。

关于BDNF的基本性质，除了上文提到的前肽的功能之外，在本文没有提及的根源性问题上仍然还有许多尚未解开的谜团，如BDNF在外周组织中的功能、参与BDNF的调控性/结构性分泌的分子机器的实体研究等等。

在精神以及神经疾病的临床研究中，间接地使BDNF表达上升的方法是目前研究的主流，直接控制BDNF本身的尝试才刚刚开始。其中一个主要原因可能是BDNF在不同细胞和不同时间具有不同的活动，因此难以控制其在特定的部位和时间点上产生特定的效果。通过应用强大的新技术，如光遗传学、基因组编辑和各种输送介质，使时间和空间的精确控制成为可能，以BDNF及其相关分子为直接靶标，开发精神、神经疾病的治疗和预防方法有望取得进展。

BDNF是一个拥有历史但人们又知之甚少的分子，尽管BDNF的基础研究至今还留有许多谜团，但长久以来的研究成果也已经被切实地联系到了临床研究当中。今后无论是在基础还是在临床研究中，相信会有更多令人惊叹的成果出现，并成为大众的福音。

◆致谢

在此向日本神经营养因子研究的先驱——原大阪大学蛋白质研究所 畠中宽^26，27）教授表示由衷的敬意以及感谢。

◆参考文献

  1．Barde, Y. A. et al . : EMBO J ., 1, 5（1982）.

  2．Lessmann, V. et al . : Prog. Neurobiol ., 69, 5（2003）.

  3．Lee, R. et al . : Science , 294, 5548（2001）.

  4．Patterson, S. L. et al . : Neuron , 32, 1（2001）.

  5．Woo, N. H. et al . : Nat. Neurosci ., 8, 8（2005）.

  6．Koshimizu, H. et al . : Mol. Brain ., 2, 1（2009）.

  7．Ibáñez, C. F. : Trends Neurosci ., 25, 6（2002）.

  8．Lu, B. et al . : Nat. Rev. Neurosci ., 6, 8（2005）.

  9．Yang, J. et al . : Cell Rep ., 7, 3（2014）.

10．Kojima, M. et al . : Int. J. Mol. Sci ., 21, 11（2020）.

11．Donovan, M. J. et al . : Dev. Camb. Engl ., 127,21（2000）.

12．Mowla, S. J. et al . : J. Biol. Chem ., 276, 16（2001）.

13．Bruno, M. A. and Cuello, A. C. : Proc. Natl.Acad. Sci., U. S. A., 103, 17（2006）.

14．Mizoguchi, H. et al . : J. Neurosci. Off . J. Soc.Neurosci ., 31, 36（2011）.

15．Pang, P. T. et al . : Science , 306, 5695（2004）.

16．Mizui, T. et al . : Proc. Natl. Acad. Sci ., 112,23（2015）.

17．Uegaki, K. et al . : Int. J. Mol. Sci ., 18, 5（2017）.

18．Egan, M. F. et al . : Cell , 112, 2（2003）.

19．Sullivan, P. F. et al . : Am. J. Psychiatry , 175,1（2018）.

20．Schizophrenia Working Group of the Psychiatric Genomics Consortium : Nature ,511（7510）, 421（2014）.

21．Di Carlo, P. et al . : Psychiatr. Genet ., 29, 5（2019）.

22．池田匡志著：精神経誌, 120, 2（2018）.

23．Jiang, T. et al . : Acta Pharm. Sin. B , 11, 2（2021）.

24．Drilon, A. et al . : Lancet Oncol ., 21, 2（2020）.

25．Hong, D. S. et al . : Lancet Oncol ., 21, 4（2020）.

26．畠中寛著：「神経成長因子ものがたり」（羊土社）（1992）.

27．畠中寛著：「モノとしての「脳」」（講談社）（1994）.

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第三回 BDNF与精神疾病的关系（BDNF通路介导的可塑性控制与精神疾病）

阐明BDNF-从基础到临床-

赫尔辛基大学 神经科学中心 梅森十三

◆前言

此前，我们阐述了BDNF通路与神经可塑性的控制相关。如果可塑性提高，为适应学习以及环境的变化，神经回路会进行结构以及功能上的重组。据病理生理学的（前）临床研究报告，精神分裂症和抑郁症等精神疾病患者身上发现了通过BDNF及其受体TrkB介导的信号传导异常。最近，研究人员还阐明了抗抑郁药通过BDNF/TrkB信号传导来调节神经可塑性的机制。本文将结合最新的研究结果，讲解BDNF/TrkB通路异常与精神疾病的关系，以及以该通路为靶标的精神疾病症状的改善。

◆精神分裂症中的BDNF/TrkB通路异常

BDNF通路不仅在胚胎期和临界期的大脑发育中发挥作用，在成年的海马体以及大脑皮层神经细胞的可塑性和生存调节中也发挥重要作用。因此，BDNF通路的异常可能与精神分裂症患者的大脑变化相关。实际上，在精神分裂症的动物模型中确实发现了BDNF的失调，TrkB前脑特异性敲除小鼠也出现了类似精神分裂症的行为，如异常多动、刻板行为以及认知功能障碍等。

另外，据精神分裂症患者死后的大脑分析报告称，虽然在大脑皮层区域以及海马体中BDNF的浓度下降，但在前扣带回中BDNF的浓度呈上升状态。研究人员推测，这些BDNF的表达异常可能导致了精神分裂症患者的神经发育和神经可塑性的异常^1-3）。

◆情绪障碍中的BDNF/TrkB信号传导异常

研究表明，在自杀者和重度抑郁症患者死后的大脑中，BDNF的mRNA和蛋白的数量有所减少，尤其是在海马体和小脑扁桃体中更为明显^4）。另外，在抑郁症患者和自杀者的外周血单个核细胞中，BDNF基因启动子的DNA甲基化也有所增加，推测为BDNF表达的不完全调节^5）。

在本连载系列的第二回中，提到了人血清中可能来源于血小板的BDNF，检测出高水平。有趣的是，抑郁症患者血清或血浆BDNF的水平较低，但使用抗抑郁药物治疗成功后又会恢复到原有水平。另外，与成功治愈的抑郁症患者以及健康组相比，未经过治疗的抑郁症患者的血清BDNF水平也显著下降^4,6）。

与健康组相比，BDNF和proBDNF的比率在双向情感障碍中较高，在抑郁症中较低，由此，其有望作为区分两者的标记物^7,8）。但这些BDNF水平如上文所述，在精神分裂症^1,3）中呈下降趋势，而在自闭症中则显示上升和下降两种情况^9）。由于血清BDNF含量在个体间以及个体内存在高度差异，其可信度和疾病特异性还需进一步探讨。

在抑郁症患者死后的大脑中，除了BDNF，TrkB的蛋白以及mRNA的水平也有所下降，且有报告称TrkB的基因突变与自杀相关。此外，研究人员发现在抑郁症患者的大脑样本中，处于激活状态的磷酸化TrkB数量也有所减少^4）。

◆BDNF和精神疾病的遗传相关

BNDF的第66号氨基酸残基大部分为缬氨酸，但此位置上，Caucasoid（高加索人种）的20%~50%为蛋氨酸（Val66Met多态性）^10,11）。研究人员认为，此多态性并不只是抑郁症和精神分裂症等精神疾病的风险因素，也可能是多发性硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的风险因素^12,13）。

有报告称，在抑郁症中，这种多态性与儿童期虐待、贫困和成年期慢性压力导致的抑郁症易感性有关^14）。在动物实验中，此多态性会影响空间记忆和焦虑性行为，以及细胞内BDNF的运输和神经活动依赖性BDNF的释放^10,15），还会损伤BDNF mRNA的树突运输^16），并降低长时程抑制（long-term depression : LTD）^17）。也就是说，此多态性可能会影响BDNF活动依赖性的神经可塑性。

◆抗抑郁药物通过BDNF/TrkB信号提高可塑性

鉴于BDNF/TrkB信号传导在抑郁症患者的血液以及大脑中不断减少，所以抗抑郁药物能提高BDNF水平的这一发现非常重要。实际上，在动物实验中已经发现三环类的单胺氧化酶抑制剂以及选择性血清再摄取抑制剂（Serotonin selective reuptake inhibitor : SSRI）的抗抑郁药能够提高大脑中的BDNF表达水平^6）。

另外，小鼠海马的齿状回细胞BDNF和齿状回颗粒神经元前体细胞TrkB的表达缺失，会降低抗抑郁药对抑郁行为和神经发生的效果^6）。近年来，即使是作为速效性抗抑郁药物备受瞩目的麻醉药氯胺酮（NMDA型谷氨酸受体拮抗剂），也会由于小鼠前脑区域的BDNF或TrkB的基因缺失，而导致其减少抑郁样行为和增强海马突触等抗抑郁效果受到抑制^18）。

此外，Val66Met多态性的小鼠模型，已丧失抗抑郁药物对行为以及神经可塑性的相关反应^15,19）。而且在这些小鼠中，由氯胺酮和其代谢物（2R、6R）-羟基化去甲基氯胺酮（hydroxynorketamine ; HNK）所诱导的树突棘形成的增加也受到了抑制^18,20）。HNK在氯胺酮的抗抑郁疗效中起主导作用，并且通过BDNF/TrkB信号传导使神经可塑性发生变化^21）。

然而，临床研究表明，Met等位基因可能可以改善传统抗抑郁药物的反应^22-25），另一方面也有报告显示反应减少^26）。要想阐明BDNF信号传导在抑郁症患者的抗抑郁反应中的作用，目前还需要更多的基因学分析依据^4）。

◆幼年期可塑性诱导（iPlasticity）对于神经性精神疾病患者的症状改善

笔者所在的赫尔辛基大学神经营养因子研究室（Eero Castren教授），以长期给药抗抑郁药诱导幼儿期关键期样可塑性（induced juvenile critical period-like plasticity : iPlasticity）为焦点进行研究。Castren教授提出，此种可塑性的提高，在配合某种“锻炼”的情况下，不仅是抑郁症，或许也能应用于其他神经性精神疾病的治疗^27）。

也就是说，长期给药大鼠或小鼠典型的SSRI药物氟西汀后，结合单眼遮蔽可改善弱视、结合恐惧记忆消除训练可改善创伤后应激障碍（PTSD），而且结合社会化训练还能改善攻击性^28-31）。这是由于氟西汀通过激活BDNF/TrkB提高了神经可塑性，再加上内部与外部的刺激使神经激活，并引起脑神经网络重组。

但关于抗抑郁药物如何激活TrkB，又是哪一部分的神经网络受到了何种变化目前尚且不明。最近的研究显示，氟西汀、丙米嗪、氯胺酮等不同类别的抗抑郁药物能够直接与TrkB结合^32）。形成二聚体的TrkB会在跨膜结构域互相交叉，形成一个能够与抗抑郁药物结合的口袋。抗抑郁药物能够与口袋内的胆固醇结合域直接结合，稳定突触膜的TrkB，并促进BDNF介导的TrkB信号传导^32）。以上的发现提出了一个全新的假说，即抗抑郁药物的主要作用部位不是单胺转运体，而是直接与TrkB相结合。而这一假说同时也成为了热门话题。

而且，我们使用由光刺激引起的二聚化optoTrkB系统，进行了由于BDNF的扩散性而难以进行的靶细胞可塑性研究。小清蛋白阳性神经元通过与TrkB激活和单眼遮蔽结合，可唤起眼优势，提高突触可塑性、以及去抑制引起的LTP增加和脑电波同步^33）。现在我们使用optoTrkB系统，以治疗PTSD、改善空间记忆能力和降低药物依赖性为目的进行研究。

图：幼年期可塑性诱导（iPlasticity）引发的神经精神疾病患者的症状改善

◆结语

自发现Val66Met多态性以来，众多的基因研究表明，这种基因因素对抗抑郁药效果的影响存在差异。另一方面，也有部分研究表明其效果无法重现。这是由于不同的年龄、性别、环境因素、民族性、在分析时使用的基因模型、以及基因间的相互作用等多种因素混合，产生了复杂的影响而导致的结果^34）。在使用动物模型的研究中，利用Val66Met多态性小鼠模型、抗抑郁药物作用的新模型和optoTrkB，有望阐明涉及BDNF通路的精神疾病的发病机制并发现全新的治疗方法。

◆致谢

感谢藤田医科大学 小清水老师提供的有益建言，谨在此表达由衷的谢意。

◆参考文献

  1. Angelucci, F. et al. : Mol. Psychiatry, 10(4), 345 (2005). DOI: 10.1038/sj.mp.4001637

  2. Fernandes, B. S. et al. : Mol. Psychiatry, 20, 1108 (2015). DOI: 10.1038/mp.2014.117

  3. Nieto, R. R. et al. : Front. Psychiatry, 12, 662407 (2021). DOI: 10.3389/fpsyt.2021.662407

  4. Castrén, E. and Monteggia, L. M. : Biol. Psychiatry, 90, 128 (2021). DOI: 10.1016/j.biopsych.2021.05.008

  5. Hing, B. et al. : Am. J. Med. Genet. B Neuropsychiatr. Genet., 177, 143 (2018). DOI: 10.1002/ajmg.b.32616

  6. Autry, A. E. and Monteggia, L. M. : Pharmacol. Rev., 64, 238 (2012). DOI: 10.1124/pr.111.005108

  7. Yoshida, T. et al. : PLoS One, 7, e42676 (2012). DOI: 10.1371/journal.pone.0042676

  8. Södersten, K. et al. : J. Affect. Disord., 160, 1 (2014). DOI: 10.1016/j.jad.2014.01.009

  9. Saghazadeh, A. and Rezaei, N. : J. Autism Dev. Disord., 47, 1018 (2017). DOI: 10.1007/s10803-016-3024-x

10. Egan, M. F. et al. : Cell, 112, 257 (2003). DOI: 10.1016/s0092-8674(03)00035-7

11. Shimizu, E. et al. : Am. J. Med. Genet. B Neuropsychiatr. Genet., 126B, 122 (2004). DOI: 10.1002/ajmg.b.20118

12. Bath, K. G. and Lee, F. S. : Cogn. Affect. Behav. Neurosci., 6, 79 (2006). DOI: 10.3758/CABN.6.1.79

13. Shen, T. et al. : Aging Dis., 9, 523 (2018). DOI: 10.14336/AD.2017.0717

14. Hosang, G. M. et al. : BMC Med., 12 : 7, 1 (2014). DOI: 10.1186/1741-7015-12-7

15. Chen, Z.-Y. et al. : Science, 314, 140 (2006). doi: 10.1126/science.1129663

16. Baj, G. et al. : Front. Neurosci., 7, 188 (2013). DOI: 10.3389/fnins.2013.00188

17. Mizui, T. et al. : Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 112, E3067 (2015). DOI: 10.1073/pnas.1422336112

18. Björkholm, C. and Monteggia, L. M. : Neuropharmacology, 102, 72 (2016). DOI: 10.1016/j.neuropharm.2015.10.034

19. Bath, K. G. et al. : Neuropsychopharmacology, 37, 1297 (2012). DOI: 10.1038/npp.2011.318

20. Fukumoto, K. et al. : Proc. Natl. Acad. Sci . U. S. A., 116, 297 (2019). DOI: 10.1073/pnas.1814709116

21. Zanos, P. et al. : Nature, 533, 481 (2016). DOI: 10.1038/nature17998

22. Choi, M. J. et al. : Brain Res., 1118, 176 (2006). DOI: 10.1016/j.brainres.2006.08.012

23. Niitsu, T. et al. : Prog. Neuro-psychopharmacol. Biol. Psychiatry, 45, 183 (2013). DOI: 10.1016/j.pnpbp.2013.05.011

24. Yan, T. et al. : Asia-Pac. Psychiatry, 6, 241 (2014). DOI: 10.1111/appy.12148

25. Domschke, K. et al. : Int. J. Neuropsychopharmacol., 13, 93 (2010). DOI: 10.1017/S1461145709000030

26. Laje, G. et al. : Biol. Psychiatry, 72, e27 (2012). DOI: 10.1016/j.biopsych.2012.05.031

27. Castrén, E. : Nat. Rev. Neurosci., 6, 241 (2005). DOI: 10.1038/nrn1629

28. Umemori, J. et al. : Psychiatry Clin. Neurosci., 72, 633 (2018). DOI: 10.1111/pcn.12683

29. Mikics, É. et al. : Neuropsychopharmacology, 43, 235 (2017). DOI: 10.1038/npp.2017.142

30. Karpova, N. N. et al. : Science, 334, 1731 (2011). DOI: 10.1126/science.1214592

31. Vetencourt, J. F. M. et al. : Science, 320, 385 (2008). DOI: 10.1126/science.1150516

32. Casarotto, P. C. et al. : Cell (2021). doi: 10.1016/j.cell.2021.01.034.

33. Winkel, F. et al. : Mol. Psychiatry, 1-10 (2021). doi: 10.1038/s41380-021-01211-0.

34. Tsai, S.-J. et al. : Front. Mol. Neurosci., 11, 156 (2018). doi: 10.3389/fnmol.2018.00156

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【按需网络研讨会】BDNF：内源性神经保护剂的已知与未知

◆会议简介

主题：脑源性神经营养因子：内源性神经保护剂的已知与未知

主讲人：Dr. Yves-Alain Barde 名誉教授 卡迪夫大学

主办方：BioCompare

报名费：免费

◆会议概要

脑源性神经营养因子 (BDNF) 是一种在脊椎动物大脑中发现的微量生长因子，它会激活称为 TrkB 的神经元受体。

研究发现 BDNF 在神经系统中起到关键作用，包括神经传递的调节、树突的伸长以及损伤后细胞死亡的预防。

本次网络研讨会将回顾目前对 BDNF 病理生理学的认识，并探讨BDNF在生物化学、细胞生物学和定量检测领域的相关议题。

详细信息

题目：脑源性神经营养因子：内源性神经保护剂的已知与未知

1．生长因子的神经营养素家族

2．BDNF相关的生物化学与细胞生物学

3．BDNF受体

4．BDNF在小鼠和灵长动物体内的分布

5．BDNF检测与定量

6．BDNF与神经系统疾病

7．BDNF在血小板中的神经保护作用

8．展望与总结

◆产品信息

高灵敏度Mature BDNF ELISA试剂盒

BDNF，即脑源性神经营养因子，参与神经发生、神经保护和突触形成，在大脑中发挥着重要作用。BDNF具有前体proBDNF，其与BDNF的作用不同。proBDNF经加工，可成为mBDNF（mature BDNF）。

本ELISA试剂盒可特异性检测mBDNF。通过使用发光检测系统，灵敏度是旧款产品的20倍左右（产品编号: 296-83201 Mature BDNF ELISA 试剂盒）可以检测小鼠血液中难以检测的微量mBDNF。

特点

●　高灵敏度

●　特异性检测mBDNF

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