缺血性脑卒中(Ischemic stroke,IS)是由脑血管的狭窄或阻塞导致局部脑组织缺血缺氧,从而引发神经功能障碍的一种严重疾病。其临床症状包括头痛、意识障碍、偏身感觉障碍、失语等,随着病情进展,患者可能会出现意识丧失甚至死亡
[1]。IS的病理机制复杂且多样,主要涉及氧化应激、炎症反应、细胞凋亡、铁死亡等生理病理过程,这些因素相互交织,促进神经细胞的损伤和死亡
[2]。目前,临床治疗IS的主要手段包括机械性血栓切除术和静脉溶栓疗法,然而这两者的治疗时窗极为有限,仅有少数患者能够从中受益,且即使治疗成功,幸存患者也往往面临功能恢复不足和高复发风险
[3]。近年来,中药在IS的治疗中显示出其独特的优势和潜力。研究表明,中药通过调节IS相关的多条信号通路,能够有效减轻脑损伤,延缓神经细胞的死亡
[4,5]。其中,脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)及其受体原肌球蛋白激酶受体B(Tyrosine protein kinase B,Trk B)信号通路的作用,已经成为研究的重点。BDNF/Trk B信号通路在神经元的存活、突触可塑性、神经保护及血管新生等方面发挥关键作用,研究显示该通路在IS的神经保护机制中占据重要地位
[4,6]。BDNF通过与其受体Trk B结合,启动一系列细胞内信号转导反应,调控神经元的生长、存活和突触可塑性,并抑制因氧化应激、炎症反应引起的神经损伤。这一信号通路在改善IS后期神经功能、促进损伤区域的修复及重塑方面具有显著作用。因此,利用中药调控BDNF/Trk B信号通路,为IS的治疗提供了新的方向和视角。近年来的研究表明,中药活性成分通过调节BDNF的表达,激活Trk B受体,从而促进神经保护、减轻细胞凋亡和炎症反应,具有较强的临床应用前景。综上,本文将综述BDNF/Trk B信号通路在IS中的作用机制及其在中药干预的研究进展,旨在为IS的治疗提供理论依据,并为未来的临床实践和基础研究提供一定的参考。
1 BDNF/Trk B信号通路概述
BDNF是中枢神经系统中广泛存在的神经营养因子,主要分布在海马和前额叶皮层,在神经元生长、增殖、突触神经传递和神经可塑性方面发挥着关键作用
[7,8]。BDNF的基因大小约为70千碱基,位于人类染色体11b的p13-14区域
[9]。BDNF的合成和成熟是一个多阶段的细胞内和细胞外过程。在细胞内通路中,pre-pro-BDNF前体序列在内质网中产生并运输到高尔基体,在细胞内分裂过程中pre区的信号序列被切割,形成脑源性神经营养因子前体蛋白(pro-BDNF)
[10,11]。pro-BDNF在细胞内通过激素原转化酶和弗林蛋白酶进一步裂解,或在细胞外通过纤维蛋白溶解酶和基质金属蛋白酶裂解形成成熟型BDNF(mBDNF)
[12,13]。在早期出生后的阶段,pro-BDNF的浓度较高,而到了成年期,mBDNF则占据主导地位。这意味着pro-BDNF可能在大脑发育过程中扮演重要的调节角色,而mBDNF则在成年后,如神经保护和突触可塑性等过程中发挥重要作用
[10,12,14,15]。因此,pro-BDNF和m-BDNF之间的比例会随着大脑的发育阶段和区域的不同而有所变化,这种动态平衡对于神经系统的功能至关重要。
Trk B是BDNF的主要受体,Trk B在神经元细胞体中合成,并依赖微管的运动蛋白驱动蛋白介导下逆行运输到轴突末端
[15]。其中,Trk B的轴突运输是BDNF/Trk B信号传导的基础。在轴突末端,BDNF与Trk B结合后发生二聚化、磷酸化并激活各种细胞内通路,主要涉及有丝分裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK)/细胞外信号调节激酶(Extracellular regulated protein kinases,ERK)通路、磷脂酰肌醇-3激酶(Phosphatidylinositol-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)通路和磷酸脂酶C-γ(Phospholipase C,PLC-γ)通路,BDNF/Trk B及其下游的信号转导通路在调节神经发生、突触可塑性、细胞凋亡、神经炎症及氧化应激等生理过程中发挥着重要的作用
[10,16]。BDNF/Trk B信号通路紊乱参与了多种中枢神经系统疾病的病理生理过程,包括IS、阿尔茨海默病、帕金森病等
[17]。临床研究发现,IS患者海马中的BDNF的表达显著下降,这一现象在血清、脑脊液及外周淋巴细胞等外周系统中也得到了观察(
图1)。
2 BDNF/Trk B信号通路在IS中的作用
2.1 神经发生
神经发生是指在生物体的神经系统中,神经干细胞或神经前体细胞不断增殖,继而分化为成熟神经元的过程。这一过程主要发生在侧脑室的室下区和海马齿状回的粒下区
[18]。神经发生对IS后受损神经细胞的修复及再生有促进作用
[19]。Zong等
[18]等在实验过程中通过对特定的时间节点动物模型进行连续θ脉冲刺激后发现随着时间推移,神经发生的现象逐渐变化,而BDNF的表达水平也相应地发生改变,并且通过对不同脑区的检测发现BDNF表达的区域也是神经发生现象较为明显的地方,说明BDNF-Trk B信号通路的激活可能与神经发生的动态过程密切相关。MR-409是生长激素释放激素的合成类似物,长期皮下注射MR-409可以刺激内源性神经发生,并且激活BDNF/Trk B和AKT/cAMP反应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)信号通路,改善短暂性大脑中动脉闭塞大鼠诱导的缺血性损伤区域的神经功能,促进了神经发生
[20]。Zhou等
[21]给IS小鼠鼻内注射BDNF-小细胞外囊泡后选择性靶向改善梗死周围区域,缓解了小鼠的行为及神经功能的修复,其主要机制是激活BDNF/Trk B信号通路,上调下游信号通路Akt、PLC-γ、ERK和CREB的磷酸化水平,促进了小鼠脑缺血后脑缺血后行为恢复和神经恢复的复合作用。综上,激活BDNF-Trk B信号通路有利于IS后的神经发生。
2.2 突触可塑性
突触不仅是细胞间信息传递的核心站点,更是神经可塑性中极为敏感且至关重要的环节
[22]。突触可塑性主要指突触连接的形态和功能改变,包括突触结构和数量的长期变化,以及神经传递强度和效率的短期变化
[22,23]。突触的可塑性取决于其超微结构的改变,包括接触面积、突触接触区活性物质的含量、突触相关亚细胞结构、突触间隙宽度和界面曲率
[22,24-26]。朱晓平
[27]在大鼠MCAO模型实验研究中发现BDNF/Trk B信号通路的改变可以直接影响神经细胞的突触可塑性,其进一步通过特异性阻断剂阻断BDNF/Trk B通路,发现突触可塑性标志物表达显著增加,表明BDNF-Trk B通路可以通过改变突触素、突触后致密物质(PSD-95)、微观相关蛋白(MAP-2)的表达来调节神经细胞的突触可塑性。栗文静等
[17]和Zhu等
[28]发现在MCAO大鼠模型中,增强海马BDNF/Trk B信号传导可以上调突触可塑性相关蛋白的翻译,抑制海马氧化应激和炎症反应,并改善了MCAO大鼠的空间学习和记忆障碍。故而,通过调控BDNF/Trk B信号传导途径以增强神经元的突触可塑性,有助于IS的恢复进程及预后改善。
2.3 细胞凋亡
细胞凋亡是指细胞在一定的生理或病理条件下,受内在遗传机制控制,按照自身程序主动性、生理性的死亡过程
[29]。通常与缺血缺氧、能量代谢不足等有关。IS发生后,缺血核心区由于能量的过度消耗和有氧糖酵解的失败会在短时间内完全失去血液供应造成不可逆的组织损伤,而周围的缺血半暗带区中许多休眠的神经细胞以细胞凋亡的形式发生延迟死亡,因此挽救缺血半暗带区的神经细胞凋亡是IS治疗的关键
[30]。栗文静等
[17]和Li等
[31]通过建立氧-葡萄糖剥夺和复氧(oxygen glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)神经元细胞模型发现,胆酸通过激活BDNF-TrkB-PI3K/Akt通路和BDNF-TrkB-MAPK/ERK信号通路下调了促凋亡蛋白Bax以及炎症因子半胱天冬酶(caspase)-3和caspase-9的表达并上调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,进而抑制了OGD/R诱导的神经细胞凋亡。Kaur等
[32]通过研究证明脑卒中后动脉间充质干细胞通过调节BDNF/Trk B信号通路减少内质网应激,从而显著减弱神经元凋亡。以上研究表明BDNF/Trk B信号通路具有抗神经细胞凋亡的作用。
2.4 血管新生
血管新生是指从原有的血管的基础上生成新的血管结构的过程
[33]。IS后的大脑功能恢复与大脑血管新生密切相关。梗死周围血管新生可以有效减轻梗死面积,促进神经细胞存活,恢复神经血管网络功能,减少大脑损伤
[34]。有研究表明,脑缺血可短暂诱导大脑代偿性血管新生,有利于建立侧支循环,间接恢复缺血区血流以修复神经功能
[35]。IS发生后,缺血半暗带组织释放多种复杂的血管生成因子,其中血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在促进血管新生与修复中扮演着核心角色
[5]。研究显示BDNF不仅可以作为血管生成素直接促进血管生成,还可以促进VEGF释放,两者协同促进血管新生
[36-38]。在IS小鼠模型的脑脊髓内注射一种表达小鼠全长VEGF-C(AAV-mVEGF-C)的腺相关病毒,AAV-mVEGF-C预处理可减轻卒中损伤,改善亚急性期的运动表现,这与减轻小胶质细胞介导的炎症和增加脑细胞中的BDNF信号传导有关
[39]。因此,调控BDNF/Trk B信号机制来促进血管生成,或可成为一种针对IS的有效治疗新途径。
2.5 免疫炎症反应
免疫系统在IS的病理生理进展中起着举足轻重的作用。IS引起的过度炎症反应包括循环血液中炎症细胞、细胞因子和趋化因子水平升高。受损或死亡的细胞通过损伤相关分子模释放内源性危险分子,通过与模式识别受体相互作用激活先天免疫系统
[40]。BDNF能够通过激活TrkB受体,抑制炎症因子的释放,减轻炎症反应。在大鼠MCAO模型中,增强海马区BDNF/TrkB信号通路的传导,能够逆转缺血大鼠海马区炎性因子TNF-α、IL-1β和IL-6的上调,从而减轻炎症反应
[17]。小胶质细胞在脑卒中后的炎症反应中也起着重要作用。BDNF/TrkB信号通路可以通过调节小胶质细胞的极化状态,使其偏向抗炎表型,从而抑制炎症反应
[41]。
2.6 氧化应激
在缺血过程中,多种机制导致活性氧(ROS)和活性氮的过量产生,包括谷氨酸介导的兴奋毒性、细胞内Ca
2+水平升高、线粒体功能障碍和促炎细胞因子的释放。Ca
2+内流增加触发线粒体通透性过渡孔的打开和细胞色素C的释放,从而加速ROS的产生
[1]。BDNF/TrkB信号通路的激活可以调节抗氧化酶的表达,如超氧化物歧化酶等,增强细胞的抗氧化能力,清除过多的自由基,减轻氧化应激对神经细胞的损伤。
2.7 调控细胞内信号转导
BDNF与TrkB结合后,可激活PI3K/Akt信号通路,该通路能够抑制细胞凋亡,促进神经元的存活和生长,对神经元起到保护作用。在缺血性脑卒中模型中,表达BDNF后,PI3K、Akt的蛋白表达水平显著升高,神经元细胞凋亡率降低,学习记忆能力改善
[42]。BDNF还能激活MAPK/ERK信号通路,该通路在神经元的存活、分化和突触可塑性中发挥关键作用。通过激活这一通路,BDNF有助于神经元的修复和再生,增强突触的形成和功能,从而改善脑卒中后的神经功能障碍
[17]。BDNF也可以上调cAMP和PKA的表达,激活cAMP/PKA信号通路。该通路能够促进神经元的存活和突起生长,增强突触可塑性,对改善缺血性脑卒中后的神经功能具有积极作用
[43]。钙离子在细胞内信号转导中起着关键作用,缺血性脑卒中会导致细胞内钙离子超载,引起细胞损伤。BDNF/TrkB信号通路还可以通过调节Ca
2+通道的表达和活性,维持细胞内Ca
2+的平衡,减少Ca
2+超载引起的细胞损伤
[17]。可见BDNF通过调控细胞内多条信号转导通路,抑制神经细胞凋亡,促进神经元的存活、生长和突触可塑性,从而在IS的治疗中发挥重要的神经保护作用。
3 中药调控BDNF/Trk B信号通路治疗IS
3.1 中药促进神经发生治疗IS
中药活性成分中的关键组分是其药理作用得以实现的核心物质基础,在缺血性脑卒中的治疗中展现出独特的优势,特别是通过调控BDNF/Trk B信号通路发挥神经保护作用。黄芪甲苷Ⅳ是一种从蒙古黄芪中提取的主要活性成分提取的活性成分,属于环阿糖烷型三萜皂苷类化合物,具有神经保护、促进神经再生的作用。通过调节BDNF-TrkB信号通路促进神经元生长及发育。Ni等
[44]证明黄芪甲苷Ⅳ通过调节BDNF-TrkB信号通路改善MCAO大鼠的神经行为结果并促进神经发生。红景天苷是红景天提取物中的主要药理活性成分,具有抗炎、抗氧化、减少自由基、抗细胞凋亡、保护神经的作用
[45,46]。Lai等
[47]研究结果表明,红景天苷在脑缺血后通过调节BDNF/Trk B信号通路直接激活热休克蛋白70(HSC70),促进MCAO大鼠后皮层神经发生并具有神经保护作用。Zhu等
[48]研究发现三七皂苷R1显著减少MCAO/R大鼠的梗死体积和神经元损失,恢复神经功能,刺激神经发生和少突胶质细胞发生,可能通过激活BDNF/Akt/CREB信号传导来发挥神经保护和前神经形成作用。梓醇从地黄中分离的活性成分,具有神经保护作用
[49],增加BDNF水平,促进神经恢复
[50]。养阴通脉颗粒具有养阴活血、通络护脉的作用,Wang等
[51]通过实验在MCAO大鼠中,养阴通脉颗粒显著增加缺血区BDNF蛋白及mRNA水平,并促进TrkB受体磷酸化,激活BDNF/TrkB及其下游PI3K/Akt、MAPK/ERK通路,协同抑制神经元凋亡、促进突触重塑,是其治疗缺血性脑卒中的核心机制。通窍活血汤
[52]、补肾活血方
[53]、和血生络方
[54]等中药复方制剂在IS的治疗中效果显著,其机制可能与激活BDNF/TrkB/ERK/CREB信号通路,促进神经发生有关,见
表1。
3.2 中药修复突触可塑性损伤治疗IS
黄芩苷作为从传统中草药黄芩中提取的主要生物活性黄酮成分之一,具有抗炎、抗氧化、神经保护等药理作用。研究发现,黄芩苷通过星形胶质细胞释放BDNF及其相关受体Trk B,激活下游PI3K/Akt和MAPK/ERK通路,从而抑制神经元凋亡、氧化应激和炎症反应,并促进突触可塑性与功能恢复
[55]。You等
[56]通过研究表明红景天苷衍生物SHPL-49通过激活BDNF/Trk B/生长相关蛋白43(GAP43)通路,减轻MCAO大鼠缺血诱导的神经元损伤,促进神经发生,增强突触可塑性。Yuan等
[57]通过研究表明拟人参皂苷-F11(PF11)能够改善IS小鼠海马萎缩,刺激新生神经元存活,增加突触可塑性,从而促进IS小鼠认知功能的改善,其机制可能通过激活BDNF/Trk B信号通路有关。研究发现,白芍络石方
[58]能增加突触后密度和突触曲率的厚度,改善突触的超微结构,为神经信号的传递提供更好的结构基础,亦能显著提高梗死周围脑组织中突触可塑性相关蛋白的表达,包括BDNF、GAP43、突触素p38和微管相关蛋白2;寿雅琨
[59]通过研究证实,芪仙通络方能够显著上调BDNF和CREB表达,促进TrkB磷酸化,进而促进神经细胞增殖与突触重构。桃红四物汤具有活血化瘀的功效,吴欢茹
[60]通过实验发现在脑缺血再灌注大鼠模型中,桃红四物汤能够上调BDNF的表达、激活TrkB/ERK通路,并调控BDNF合成与降解平衡(plasmin↑、MMP-9↓),显著改善脑缺血后的神经元存活、突触可塑性和运动功能。其作用机制兼具特异性和多靶点性,为活血化瘀类中药复方的神经保护机制提供了新视角,见
表2。
3.3 中药减轻神经细胞凋亡治疗IS
槲皮素是一种天然存在的类黄酮,主要存在于槐花等药材中,具有抗氧化、抗炎、抗菌的作用。在MCAO大鼠模型中,槲皮素可以降低MCAO大鼠B淋巴瘤-2(Bcl-2)蛋白水平,升高(Bcl-2相关X蛋白)Bax和caspase-3蛋白水平,减少局灶性脑缺血大鼠脑细胞凋亡,这可能与激活BDNF/Trk B/PI3K/Akt信号通路有关
[61]。小檗碱是从黄连和黄柏等草本植物中提取的异喹啉类生物碱,具有抗氧化、抗炎和抗肿瘤的作用
[62]。Yang等
[63]研究发现小檗碱可以通过BDNF/Trk B/PI3K/Akt信号通路降低凋亡相关蛋白相关因子Bcl-2、Bax水平,减少纹状体神经元凋亡,从而发挥神经保护作用。厚朴酚是中药厚朴的主要活性成分,具有抗菌、消炎、镇痛等药理作用
[64]。Liu等
[65]研究发现厚朴酚可以增加BDNF的表达,降低Bax的表达,从而抑制细胞凋亡,保护神经,改善大鼠缺血性脑卒中IS大鼠脑组织损伤。此外,和厚朴酚
[66]、山奈酚
[67]、银杏内酯B
[68]等可激活BDNF信号通路,并调控凋亡蛋白水平,减少神经元凋亡,见
表3。
3.4 中药促进血管新生治疗IS
川芎嗪是从中药川芎中提取出的一种生物碱,因其对IS的神经保护作用而被广泛研究
[69]。Lin等
[70]发现川芎嗪联合干细胞治疗能够刺激IS大鼠脑组织缺血区域BDNF的分泌,使得BDNF表达水平显著升高,上调缺血性脑卒中大鼠脑内缺血性脑SDF-1和CXCR4的表达,缺血半暗带骨髓间充质干细胞数量明显增加,促进缺血性脑卒中后的血管新生和神经新生。穿心莲内酯是中药穿心莲的有效成分之一,具有抗炎、抗菌、抗病毒、免疫调节、抗凋亡等药理作用。研究表明穿心莲内酯可以增强海马BDNF信号传导,并在慢性脑缺血大鼠模型中通过刺激神经发生,诱导新生神经元的存活,从而促进血管新生
[71]。研究发现淫羊藿苷和间充质干细胞联合磷酸化MCAO小鼠海马和额叶皮层的PI3K和ERK1/2通路,提高BDNF、VEGF和Bcl-2水平,促进血管生成和神经发生
[72]。补阳还五汤具有补气通络、活血化瘀的作用,通常用于治疗气虚血瘀之中风。研究表明,补阳还五汤对神经损伤及功能障碍有治疗作用
[73]。Li等
[74]研究发现补阳还五汤可以减少IS大鼠梗死面积,减轻脑组织损伤,其机制在于补阳还五汤激活了AMPK信号通路(通过Thr172位点磷酸化),进而磷酸化CREB,促进CREB入核调控BDNF的转录与表达。补阳还五汤通过AMPK-CREB-BDNF信号轴为核心机制,协同调控神经保护、突触重塑和胶质细胞表型转化,从而改善缺血性脑卒中后的神经血管修复。BDNF作为关键神经营养因子,在此过程中扮演了中枢调控分子的角色,连接了能量代谢(AMPK)、抗炎(NF-κB抑制)和促修复(CREB激活)等多重效应,见
表4。
综上,黄芩苷、槲皮素、淫羊藿苷、山奈酚等中药单体化合物及补阳还五汤等中药复方在IS的治疗中表现出显著的神经保护作用。它们通过调控BDNF/Trk B信号通路,发挥抗氧化、抗炎症和抗凋亡作用,从而有效减轻脑缺血后神经损伤。具体而言,这些化合物通过增加BDNF的表达及其受体Trk B的激活,调节下游PI3K/Akt和MAPK/ERK1/2信号通路,改善神经功能,促进神经修复及血管生成。也进一步证明了黄酮类、萜类、皂苷类、苯丙酯类、多酚类、生物碱类化合物在IS治疗中的潜力。
4 小结与展望
IS是临床上导致神经功能障碍的主要疾病,其病理机制复杂,涉及氧化应激、炎症反应、细胞凋亡等多个生理病理过程。近年来,BDNF及其受体Trk B信号通路逐渐成为研究的焦点。BDNF/Trk B通路在神经元的生存、突触可塑性及修复过程中发挥重要作用,是IS后神经功能恢复的关键机制之一。中医药通过调节BDNF/Trk B信号通路,能够显著改善神经功能,减轻脑损伤,促进神经修复,表现出独特的治疗优势。多项研究表明,中药如黄芩苷、槲皮素、穿心莲内酯等天然化合物,能够通过上调BDNF的表达,激活Trk B通路,抑制神经元凋亡,减轻脑组织炎症反应,并促进神经再生。中药复方如和血生络方、补阳还五汤、益气活血汤等也通过调节BDNF/Trk B信号通路在临床上取得了良好的疗效。本文综述了BDNF/Trk B信号通路在IS的作用机制,并探讨了中药在该通路中的调控作用,为IS的临床治疗提供了新的思路与理论依据。
尽管中药在调节BDNF/Trk B信号通路治疗IS方面显示出一定的临床潜力,但目前的研究仍存在一些局限性:(1)大部分研究集中在动物实验和细胞模型中,缺乏大规模临床数据支持。未来应加强中药在IS临床治疗中的随机对照试验研究,以验证其临床疗效与安全性;(2)BDNF/Trk B信号通路调控的具体机制尚未完全明了,尤其是该通路与其他神经保护信号通路(如PI3K/Akt、MAPK/ERK等)的交互作用尚未深入研究。未来的研究应聚焦于BDNF/Trk B信号通路与其他关键通路的相互作用,揭示其在神经修复中的综合调控机制;(3)中药活性成分的体内代谢路径和药效持久性也需要进一步探讨,以确保中药制剂能够长期稳定地发挥作用;(4)未来应结合现代药理学与分子生物学技术,开发新的中药复方及其有效成分,通过优化药物剂型、提高生物利用度来进一步提升治疗效果,推动中药在IS治疗中的临床应用。
作者贡献度说明:
包璇负责文章选题、设计、构思、撰写。刘杰、杜婕负责资料收集。金华负责最终版本修订。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
国家自然科学基金地区基金资助项目(82160886)
甘肃省省级重点人才项目(2023RCXM28)
甘肃省省级科技计划项目(23JRRA1524)