脑源性神经营养因子与肿瘤关系的研究进展

【关键词】  脑源性神经营养因子； 肿瘤； 血管新生

      脑源性神经营养因子(brainderived neurotrophic factor, BDNF)是1982年由德国神经生物学家Barde等从猪脑中分离出来的一种小分子蛋白质。它与已知的神经生长因子（nerve growth factor,NGF）、NT3、NT4/NT5、NT6、NT7等同属于神经营养因子家族［1］。既往的研究表明BDNF对中枢和外周神经系统多种类型神经元的生长、发育分化、再生和轴突形成具有重要作用。目前人们逐渐认识到BDNF及其高亲和力受体TrkB在多种神经系统及非神经系统肿瘤中均有表达，并参与肿瘤的增殖存活、化疗耐药、转移和血管新生。BDNF/TrkB信号通路成为抗肿瘤治疗的新靶点。

    1  BDNF和TrkB受体

    脑源性神经营养因子（BDNF）是继神经生长因子（NGF）之后第二个被发现的神经营养因子（NTs）家族成员，它与NT3、NT4（也称为NT5）、NT6、NT7等共同组成神经营养因子家族。成熟的NTs通过两种结构上不相关的受体发挥生物学作用：一种是低亲和力受体P 75NTR，它属于肿瘤坏死因子受体超家族。P 75NTR能与所有NTs结合，并且亲和力相同，主要介导细胞凋亡信号；另一种是Trk酪氨酸激酶受体家族，包括Trk A、Trk B和Trk C。NTs与Trk受体结合有选择性。NGF特异性地与Trk A结合，BDNF和NT4优先与Trk B结合，而NT3主要与Trk C结合，它虽然也可与Trk A和Trk B相结合，但结合效力低。NTs与Trk受体的免疫球蛋白样C2结构域相结合而与P 75NTR受体的半胱氨酸富集区结合。

    Mowla等[2]证实BDNF以前体形式（proBDNF）产生。该前体为32 ku的蛋白伴有N末端糖基化。大部分proBDNF在通过高尔基复合体和/或未成熟分泌囊泡时其N端被酶切掉一个约28 ku的片断，产生成熟的BDNF（14 ku）。另有一部分proBDNF直接释放至胞外，它也具有生物学活性。与成熟的BDNF激活Trk B产生存活、分化信号相反，proBDNF与P 75NTR及其共受体sortilin作用后可激活促凋亡信号[3]。其他NTs均有相似的合成过程[2]。

    Trk B受体是酪氨酸激酶受体家族成员之一，分为全长型和截短型。全长型Trk B受体结构较复杂，包括胞外与配体结合的免疫球蛋白样C2结构域、跨膜段、胞内酪氨酸激酶结构域，它是介导BDNF主要生物学活性的功能受体。BDNF和全长型Trk B受体结合后，Trk B受体同二聚体化，其胞浆内的酪氨酸残基迅速发生自体磷酸化，同时胞内段的酪氨酸激酶区域活化，磷酸化的酪氨酸残基为衔接蛋白创造结合位点并启动细胞内信号级联,从而介导多种生物学功能：包括促进中枢和外周神经系统多种类型神经元的生长、发育分化、再生和轴突生长及髓鞘形成；肿瘤的增殖、存活和化疗耐药、转移和血管新生等。截短型Trk B受体缺失胞内结构域，缺乏酪氨酸激酶活性。目前已知的截短型Trk B有三种亚型：Trk B.T1、Trk B.T2和Trk B.TShc,其中T1研究比较广泛。有文献报道截短型Trk B可通过3条途径抑制全长型Trk B的信号传导：（1）截短型Trk B主要表达于中枢神经系统的非神经元细胞中，它与非神经元细胞合成的BDNF结合可隔离BDNF，从而降低BDNF的利用度；（2）截短型Trk B和全长型Trk B共表达于同一神经元细胞膜上，它与BDNF结合后和全长型Trk B异二聚体化从而对全长型Trk B产生负调节；（3）截短型Trk B直接下调全长型Trk B的表达。Eqqert等[4]检测肾母细胞瘤中Trk B受体mRNA表达水平，并采用Cox比例危险率模型结合临床资料加以评估，其结论认为高表达全长型Trk B的患儿比不表达或仅表达低水平全长型Trk B的患儿死亡风险高，5年无复发生存率低；相反，高表达截短型Trk B的患儿比低表达截短型Trk B的患儿有更高的存活率和5年无复发生存率。肿瘤细胞中截短型Trk B的表达是否是机体对抗肿瘤的自然防御反应，目前尚缺乏认识。

    2  BDNF在肿瘤中的表达

    大量研究证实，BDNF及其受体Trk B在多种神经系统及非神经系统恶性肿瘤中高表达，包括神经母细胞瘤、神经胶质瘤、肝癌、前列腺癌、胰腺癌、肾母细胞癌、肺癌、多发性骨髓瘤、霍奇金淋巴瘤、腺样囊性癌等[410]。有资料显示，在神经母细胞瘤中，BDNF/Trk B在恶性程度高预后差并伴有原癌基因nmyc扩增的肿瘤中高表达。而NGF/Trk A在预后良好的神经母细胞瘤中表达水平更高。在肺类癌中，非典型类癌比典型类癌恶性程度高。BDNF在非典型类癌中表达而仅33%的典型类癌表达BDNF[11]。可见BDNF的表达与肿瘤的恶性生物学行为和不良预后关系密切。但在甲状腺髓样癌中，BDNF/Trk B与良性生物学行为和预后有关[8]。造成这种差异的原因并不清楚，是否与前文提到的Trk B不同亚型的表达，配体受体的亲和力不同以及多种NTs在肿瘤生长、增殖、侵袭中相互干涉等因素有关，须进一步研究。

    Pearse等 [7]证实BDNF/Trk B不仅在多发性骨髓瘤患者的恶性浆细胞和多种人骨髓瘤细胞系中高表达，在骨髓微环境中的成骨细胞、基质细胞、内皮细胞上也检测到BDNF/Trk B。在神经母细胞瘤、前列腺癌、肝癌等肿瘤中研究者也发现BDNF/Trk B不仅在肿瘤细胞中表达，在与肿瘤细胞密切接触的周围环境中也表达。提示BDNF/Trk B的作用存在自分泌和旁分泌两种形式，肿瘤的生长依赖于自身和组织微环境的支持，肿瘤与基质的相互作用可能有助于肿瘤的进展和浸润。

    3  BDNF和肿瘤的生物学行为

    BDNF在多种神经系统和非神经系统恶性肿瘤中高表达并主要通过PI3K/Akt和Ras/MAPK等信号通路介导肿瘤的各种生物学行为，包括增殖存活、耐药、转移和血管新生，为肿瘤的生长提供正向刺激信号。

    3．1  BDNF与肿瘤增殖存活的关系  Yang等[6]的研究表明不同浓度的BDNF与不同接种细胞数，不同细胞系的肝癌细胞株共孵育，肿瘤细胞数目均显著增加。BDNF的浓度控制在50 ng/ml，孵育时间控制在24 h，接种细胞数相对较低时肿瘤的增殖显著。同时该实验也证实BDNF通过上调热休克蛋白Hsp 90和细胞周期素cyclin D1来促进肿瘤细胞增殖。BDNF可促进原代培养的人类多发性骨髓瘤细胞及多发性骨髓瘤细胞株在低血清培养基中存活，并且其促存活作用呈浓度信赖性[12]。上述实验同时证明BDNF以浓度依赖性方式促进人类骨髓瘤细胞的DNA合成。在BDNF与神经母细胞瘤[5]、胰腺癌[9]、前列腺癌[9]、肺癌等其他肿瘤的研究中，研究者也得到相同结论：BDNF可促进肿瘤细胞的增殖和存活。肿瘤细胞的增殖存活与BDNF/Trk B介导的PI3K/Akt信号及Ras/MAPK通路有关：前者可抑制凋亡蛋白的活性，后者通过激活或表达抗凋亡蛋白bcl2、转录因子CREB等而介导肿瘤细胞的增殖存活。

    3．2  BDNF与肿瘤化疗抵抗的关系  目前肿瘤的治疗方法主要包括：化学治疗、放射治疗、手术治疗及生物学治疗。其中化学治疗是传统治疗方法中应用极为广泛的一种，可显著提高临床治愈率，延长患者生存时间。但肿瘤细胞的化疗抵抗成为化学治疗中的“瓶颈”，并成为肿瘤难治及复发的根源。大量研究证实BDNF能阻断多种化疗药物包括顺铂、阿霉素、依托泊苷和长春碱等诱导的肿瘤细胞死亡，并且呈剂量依赖性。人类多发性骨髓瘤细胞株RPMI8226暴露于微摩尔浓度的地塞米松即可发生凋亡，而加入BDNF后，RPMI8226暴露于1mmol浓度的地塞米松时仍可存活5 d[7]。BDNF能抑制马法兰、长春新碱对多发性骨髓瘤细胞株和原代多发性骨髓瘤细胞的促凋亡作用，并显著增加马法兰、长春新碱的EC50值。神经母细胞瘤细胞株SHSY5Y，在加入顺铂之前预先给予BDNF处理然后检测SHSY5Y存活率,发现BDNF对顺铂的细胞毒性有显著的负性调节作用，加入PI3K和Akt的抑制剂可阻断这种BDNF诱导的化疗耐药[13],而并不能被MAPK或是PLCγ的抑制剂所阻断。BDNF与肿瘤细胞化疗耐药关系密切，并且PI3K/Akt信号通路在其中发挥潜在作用。

    3．3  BDNF与肿瘤转移及血管新生的关系  转移是恶性肿瘤独特的生物学行为，与肿瘤恶性程度，对机体的破坏性相关，也是肿瘤复发和治疗失败的重要原因。转移由一系列复杂事件组成：包括肿瘤细胞浸润周围组织，渗入淋巴管或血管，经过循环系统运输、渗出并播种于远处的器官组织。上述过程中，肿瘤细胞脱离细胞外基质，失去细胞之间的黏附和联系，并对 “失巢凋亡”产生抵抗。所谓失巢凋亡是指由于与细胞外基质和其它细胞失去接触而诱导的一种程序化细胞死亡，它是机体的一种重要的生理防御机制。抵抗失巢凋亡被认为是癌细胞发生转移的先决条件。Douma等[14]用逆转录病毒转染鼠肠上皮细胞，使其稳定表达Trk B受体。把表达Trk B的非恶性肠上皮细胞由静脉途经注入裸鼠体内，研究者发现,Trk B+的肠上皮细胞转化为恶性细胞，能在循环系统中存活，移居至裸鼠的肺和心脏并在局部形成高速生长的肿瘤,PI3K抑制剂可阻断该现象。这表明BDNF/Trk B通过PI3K/Akt信号通路抵抗失巢调亡，诱导肿瘤转移。有趣的是，正常神经元轴突发育和向外生长表现出来的特征与肿瘤转移所必须的黏附非依赖性存活非常相似，这说明对失巢调亡的抵抗不仅是肿瘤转移的必要条件，可能也是一种正常的生理过程。此外，肿瘤转移还包括细胞外基质的降解，肿瘤细胞迁移。转染并稳定表达Trk B的神经母细胞瘤细胞株可增强各种降解细胞外基质的水解酶表达，包括MMPs(MMP1、MMP2、MMP9)，uPA和tPA等[15]。目前的研究多采用boyden小室法证明BDNF可显著促进肝癌细胞、多发性骨髓瘤细胞、前列腺癌和胰腺癌细胞等在生长因子减少型的基质胶中发生迁移[9，12]。BDNF/Trk B在神经系统中高表达，是否与某些肿瘤的神经系统侵犯有关尚缺乏直接证据，但在胰腺癌中BDNF在肿瘤组织内的神经结构中高表达，这可能与胰腺癌的围神经侵犯有关。

    1971年Folkman提出肿瘤生长依赖于血管生长的假说，认为血管新生是肿瘤生长和转移的前提。脑血管内皮细胞、心肌和骨髓肌血管内皮细胞，大动脉平滑肌细胞可分泌并表达BDNF。过度表达BDNF的骨髓、卵巢、心肌以及肿瘤组织的微血管密度增加。在无血清培养基中加入BDNF可减少将近50%小鼠血管内皮细胞的凋亡。敲除BDNF基因的小鼠心脏血管发育严重缺陷：动脉和毛细血管内皮细胞胞浆内空泡形成、内皮细胞和基底膜连接退化、血管周围水肿[16]。Kermani等[17]证实BDNF通过募集Trk B+血管内皮细胞和CD 116+Sca1+的骨髓来源造血祖细胞促进血管重建。在体外，BDNF可促进人脐静脉内皮细胞迁移和管状结构形成，小鼠体内Matrigel plug法和鸡胚尿囊膜血管生成实验表明BDNF对体内血管新生也有促进作用，且促血管新生的能力与广泛研究的血管新生因子VEGF相当[18]。近期有资料显示BDNF/Trk B通过PI3K/Akt信号通路上调神经母细胞瘤细胞株VEGF表达和分泌[19]。以上研究证明BDNF是血管内皮细胞的存活和趋化因子，有助于损伤后血管重建，参与正常的生理过程和修复机制。

    3．4  BDNF与肿瘤发生的关系  多发性骨髓瘤常见的染色体变异有9号染色体三体（Trk B基因位于9q22）和11号染色体三体（BDNF基因位于11p13）。直肠结肠癌具有Trk B的酪氨酸激酶区域突变。BDNF/Trk B基因数量和质量的改变是否与细胞的恶性转化和肿瘤的发生有关，需要进一步求证。

    5  BDNF/Trk B及其下游信号通路—抗肿瘤治疗的新靶点

    目前已经证实BDNF/Trk B通过激活其下游信号通路PI3K/Akt、ras/ MAPK 等在肿瘤的增殖、存活和化疗耐药、血管新生、侵袭和转移中发挥重要作用。Trk B、PI3K和/或Akt的抑制剂可阻断BDNF诱导的肿瘤细胞对化疗药物如顺铂、阿霉素和依托泊苷等的抵抗，增加肿瘤细胞对化疗的敏感性。法尼酰基转移酶抑制剂能通过抑制ras蛋白的法尼基化,使ras无法定位于细胞膜上,从而阻断ras对MAPK途径的激活作用，抑制内皮细胞和肿瘤细胞的增殖[20]。对BDNF/Trk B及其下游信号通路各种抑制剂的研究多数还在动物实验水平，Trk抑制剂也仅处于Ⅱ期临床实验阶段，它是否能令抗肿瘤治疗取得突破性进展仍值得期待。

    6  结    语

    目前研究证明BDNF在多种来源于神经外胚层的肿瘤中高表达，并通过Trk B受体信号通路介导肿瘤的多种恶性生物学行为。上述研究在某些方面尚缺乏深入认识：(1)proBDNF前体和成熟BDNF介导的生物学作用之间的差异；全长型Trk B和截短型Trk B在肿瘤中的表达和分布情况，二者之间的负性调控机制。（2）BDNF在神经系统中高分泌和表达，是否和肿瘤的中枢和/或周围神经系统侵犯有关。（3）BDNF/Trk B在肿瘤的恶性转化即肿瘤的发生中是否起作用。（4）抑制BDNF/Trk B及其下游信号通路的靶向药物是否能成为抗肿瘤治疗新的突破口。关于BDNF与肿瘤的研究将为临床抗肿瘤治疗提供新的理论依据。

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作者：黄靖 (HUANG Jing)综述， 胡 豫 (HU Yu)，孙春艳 (SUN Chunyan) 审校

作者单位：华中科技大学同济医学院协和医院血液病研究所，武汉 430022