胰島素樣生長因子-1在神經(jīng)系統(tǒng)變性病中的作用

高 微, 吳 偉, 周凱麗, 張 軒, 鄭 培綜述, 薛 蓉審校

胰島素樣生長因子-1(Insulin-ike growth factor 1，IGF-1)是一個7.5 kDa的肽類激素，它主要在肝臟產(chǎn)生，受垂體分泌的生長激素調(diào)節(jié)。IGF-1在神經(jīng)的形成和發(fā)育過程中起到重要作用。大部分腦內(nèi)IGF-1被認為是在低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1(LRP1)和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白2(LRP2)分子的幫助下從血漿中通過血腦屏障轉(zhuǎn)運而來的[1]。海馬的IGF-1水平與血清中IGF-1水平明顯相關(guān)，提高血清中IGF-1，海馬中IGF-1水平也會相應升高[2]。IGF-1主要與IGF-1受體(IGF-1R)結(jié)合引起胞內(nèi)底物的募集及磷酸化，兩者結(jié)合后IGF-1R活化，并且通過RASMEKERK通路使級聯(lián)系統(tǒng)啟動，同時通過PI3KAKTmTOR信號通路促進細胞生長并且抑制細胞凋亡,從而起到神經(jīng)保護作用，這種神經(jīng)保護作用可以出現(xiàn)在多種細胞內(nèi)[3]。神經(jīng)系統(tǒng)變性病是一組慢性進行性神經(jīng)損害的疾病總稱，可能與神經(jīng)組織在分化、發(fā)育、成熟、衰老等過程中出現(xiàn)分子生物學障礙有關(guān)，包括阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson disease,PD)、肌萎縮側(cè)索硬化(Amyotrophic lateral aclerosis,ALS)、脊肌萎縮癥(Spinal muscular atrophy,SMA)、亨廷頓舞蹈病(Huntington disease,HD)等。本文就IGF-1在不同神經(jīng)系統(tǒng)變性病中的作用進行綜述。

1 IGF-1與阿爾茨海默病

AD是老年人最常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病之一，以漸進性認知功能障礙和精神行為異常為主要臨床表現(xiàn)，其主要病理特征是：淀粉樣斑塊(amyloidβ，Aβ)沉積、tau蛋白過度磷酸化、神經(jīng)原纖維纏結(jié)、神經(jīng)炎癥、突觸脫失和神經(jīng)元損傷等[4]。

1.1 IGF-1在AD中的變化 IGF-1在青年時期處于較高水平，隨著年齡增長緩慢降低，直至死亡，這與認知功能減退相一致[5]。Ostrowski等的Meta分析對多個涉及AD動物模型的研究進行總結(jié)，比較其血清、腦、腦脊液的IGF-1水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，APPPS1轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠和注射三氯化鋁AD模型小鼠的腦內(nèi)和腦脊液IGF-1水平較正常對照組降低，而血清IGF-1在轉(zhuǎn)基因模型小鼠增加，AD模型中腦脊液與血清中IGF-1比例較正常對照組降低，這可能提示轉(zhuǎn)基因模型小鼠的血清中IGF-1轉(zhuǎn)運至腦脊液的過程受阻[6]。

1.2 IGF-1對AD保護作用機制 研究表明，敲除星型膠質(zhì)細胞表面的IGF-1R后，IGF-1信號轉(zhuǎn)導減少，星型膠質(zhì)細胞表現(xiàn)為線粒體結(jié)構(gòu)和功能改變，活性氧產(chǎn)物增多，Aβ吸收減少，小鼠表現(xiàn)為學習記憶能力受損[7]。在體動物實驗也表明，IGF-1在清除和調(diào)節(jié)腦內(nèi)β淀粉酶水平方面起到重要作用，給APPPS1的轉(zhuǎn)基因小鼠側(cè)腦室注射IGF-1會導致腦內(nèi)β淀粉酶通過脈絡叢向血清中運輸，從而減少腦內(nèi)水平[8]。說明IGF-1可以通過減少Aβ沉積改善認知功能。Poirier等證明，減少APPPS1的轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠的IGF-1表達后，小鼠腦內(nèi)β淀粉酶沉積明顯多于普通AD小鼠，并且小膠質(zhì)細胞增生也明顯增多[9]。David等對雄性小鼠連續(xù)14 d腦室內(nèi)注射Aβ25-35(300 pmol/d)后，小鼠海馬Aβ25-35及細胞死亡增加，生長抑素(分布于海馬、與學習記憶相關(guān)的神經(jīng)肽)及生長抑素受體2水平明顯減少，然而皮下注射IGF-1(50 μg/kg/d)后海馬Aβ25-35及細胞死亡減少，并且對生長抑素的抑制作用減少，蛋白激酶A(PKA)活動、AKT及CREB磷酸化增加[10]，以上結(jié)果表明IGF-1可以通過上調(diào)PKA及AKT、CREB磷酸化來對抗Aβ引起的生長抑素降低，從而改善認知功能。

1.3 IGF-1治療AD的前景展望 McGinley等將人皮質(zhì)神經(jīng)干細胞分離培養(yǎng)，誘導其表達IGF-1，然后將表達IGF-1的皮質(zhì)神經(jīng)干細胞轉(zhuǎn)移到APPPS1雙轉(zhuǎn)基因AD模型鼠體內(nèi)，結(jié)果表明，表達IGF-1的離體皮質(zhì)神經(jīng)干細胞的神經(jīng)保護作用明顯比未表達IGF-1的神經(jīng)干細胞強，此外，轉(zhuǎn)移入AD模型小鼠體內(nèi)后細胞能存活較長時間，表明這未來可能作為一種治療AD的方法[11]，但這種治療方法尚需進一步探索。

2 IGF-1與帕金森病

PD是一種常見的中老年神經(jīng)系統(tǒng)變性病，其主要病理特征是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進行性退變和路易小體形成，導致紋狀體區(qū)多巴胺遞質(zhì)降低及多巴胺與乙酰膽堿遞質(zhì)失平衡，臨床表現(xiàn)主要為運動癥狀和非運動癥狀，前者包括靜止性震顫、肌強直、運動遲緩、姿勢反射異常，后者包括嗅覺減退、睡眠障礙、二便異常和抑郁狀態(tài)等表現(xiàn)。

2.1 IGF-1在PD中的變化 Bernhard等人對37個PD患者(包括19個早期<3.5 y和18個中期>4 y)和22個正常對照組進行8 y隨訪(每年兩次)，分別測定每個人血清中IGF-1含量，結(jié)果表明PD中期患者血清IGF-1水平較正常對照組明顯增加，各組之間每年IGF-1變化無明顯差異，且與患病時間、癥狀輕重無相關(guān)性[12]。Dun-Hui等人的Meta分析結(jié)果也表明，PD患者的血清IGF-1較正常對照組高[13]，可能由于PD患者神經(jīng)元損傷反饋性引起IGF-1的保護作用。

2.2 IGF-1對PD的保護作用機制 GSK3β是IGF-1PI3KAKT信號轉(zhuǎn)導過程的下游底物，在神經(jīng)變性病中參與神經(jīng)生長、增殖、分化、凋亡，其在大腦皮質(zhì)和海馬過表達后導致神經(jīng)退行性變與空間學習記憶能力受損，抑制其表達后，認知功能可以得到改善[14]，研究表明，GSK3β激活后膠質(zhì)細胞活化，上調(diào)NF-κB途徑，促炎因子(如TNF-α、IL-1β和IL-6)表達增高，抑炎因子(如IL-10)表達降低，從而導致促炎因子與抑炎因子失衡，加重PD病理形成[15]，而腦內(nèi)IGF-1是GSK3β的主要抑制劑，可以改善PD進展及認知功能損害。PD患者α突觸核蛋白過度表達，并且在神經(jīng)元中積累，導致多巴胺合成降低，加重線粒體功能障礙，IGF-1對多巴胺能神經(jīng)元有促進作用，增加多巴胺的生物合成[16]，而且IGF-1能通過上調(diào)血紅素氧化酶1(heme oxygenase-1，HO-1)的表達來增加細胞抗氧化防御能力，這能有效防止多巴胺神經(jīng)元缺失[17]，對PD具有保護作用。

2.3 IGF-1治療PD的前景展望 Ebert等對40只大鼠局部注射6-羥基多巴胺(6-OHDA)來耗盡黑質(zhì)紋狀體多巴胺從而模擬PD模型，然后將釋放膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(Glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)或IGF-1的人神經(jīng)祖細胞轉(zhuǎn)移到PD大鼠紋狀體中，結(jié)果只有轉(zhuǎn)移IGF-1的大鼠表現(xiàn)為多巴胺神經(jīng)元增殖增多[18]，由此表明IGF-1具有促進多巴胺能神經(jīng)元存活和增殖的能力。這提示IGF-1具有治療PD的可能，但仍需要更多的研究支持。

3 IGF-1與肌萎縮側(cè)索硬化

ALS是一種上下運動神經(jīng)元均受累的慢性神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，其主要表現(xiàn)為肌無力和萎縮、延髓麻痹及錐體束征，通常感覺和括約肌不受累。ALS的發(fā)病機制目前存在多種假說，包括氧化應激、遺傳機制、興奮性毒性、神經(jīng)營養(yǎng)因子障礙、RNA代謝異常、軸突運輸異常、自噬功能異常等[19]。

3.1 IGF-1在ALS中的變化 Shruthi等將患ALS患者的腦脊液鞘內(nèi)注入小鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，實驗組IGF-1的表達量稍降低[20]。Bilic等分別測定35個運動神經(jīng)元患者(其中包括24個ALS患者和11個進行性延髓麻痹患者)和40個正常對照組的血清及腦脊液IGF-1水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組血清IGF-1水平?jīng)]有明顯差異，然而運動神經(jīng)元病患者腦脊液IGF-1水平較正常對照組明顯降低[21]，表明IGFv1在ALS患者腦脊液中含量降低。

3.2 IGF-1對ALS的保護作用機制 研究表明，將嗜神經(jīng)的腺病毒相關(guān)血清9型(AAV9)攜帶編碼雙鏈的人IGF-1基因(scAAV9-hIGFv1)體外作用于反應性DNA結(jié)合蛋白-25(TDP-25)穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞系及經(jīng)肌肉注射到G93A-SOD1轉(zhuǎn)基因ALS模型小鼠中，觀察到在體內(nèi)和體外實驗中，抗凋亡蛋白(Bcl-xl、Bcl2)的表達上調(diào)和促凋亡蛋白(Bax、Bak、Cytochrome C)表達下調(diào)，線粒體自噬也在scAAV9-hIGF-1處理后被激活；而且在G93A-SOD1轉(zhuǎn)基因ALS模型小鼠中敲除IGF-1基因，實驗組小鼠線粒體表現(xiàn)為嵴消失、空泡化、胞漿水腫、核染色質(zhì)疏松，對照組線粒體形態(tài)為長橢圓形，未見嵴消失、空泡化等現(xiàn)象[22]，由此表明IGF-1可以保護ALS模型中的線粒體，IGF-1可以通過提高線粒體膜電位，改善線粒體形態(tài)，抑制內(nèi)源性凋亡通路中的促凋亡蛋白，升高抗凋亡蛋白的表達,促進線粒體自噬，從而起到保護線粒體的作用。Vincent等對原始運動神經(jīng)元進行培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，IGF-1阻止谷氨酸誘導的凋亡蛋白酶-3(caspase-3)裂解、DNA分裂和細胞死亡，而且IGF-1能夠激活PI3KAKT和P4442信號轉(zhuǎn)導通路，這些通路激活后產(chǎn)生小分子抑制劑，對運動神經(jīng)元產(chǎn)生保護作用，并且能增加皮質(zhì)脊髓束運動神經(jīng)元的軸突生長[23]，由此說明，IGF-1可以通過激活PI3KAKT和P4442信號轉(zhuǎn)導通路促進細胞存活和軸突生長，從而保護運動神經(jīng)元功能。

3.3 IGF-1治療ALS前景展望 Riley等首次將人類神經(jīng)干細胞轉(zhuǎn)移至ALS患者脊髓內(nèi)，完成一期臨床實驗，結(jié)果表明，脊髓內(nèi)注射神經(jīng)干細胞對ALS患者是安全可行的方法，這為ALS的臨床治療提供了一個新穎的方法[24]。Sironi等將人類間充質(zhì)干細胞通過腦室內(nèi)注射的方法轉(zhuǎn)移至SOD1G93A轉(zhuǎn)基因ALS小鼠中，干細胞部分轉(zhuǎn)移至脊髓內(nèi)，并且出現(xiàn)從促炎過程(IL-6、IL-1β)到抗炎過程(IL-4、IL-10)的轉(zhuǎn)變和IGF-1的神經(jīng)保護作用，這可能與反應性星形膠質(zhì)細胞中p-AKT途徑激活有關(guān)，然而這種治療既沒有阻止肌肉去神經(jīng)支配，也沒有延遲小鼠疾病進展，表明保護運動神經(jīng)元胞體不足以延遲ALS進展[25]。所以對于IGF-1治療ALS的前景尚不明確，仍需更多的研究與探索。

4 IGF-1與亨廷頓舞蹈病

HD是一種常染色體顯性遺傳的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為舞蹈樣動作和進行性認知功能障礙。HD主要由于4號染色體基因突變所致，其致病相關(guān)基因被命名為亨廷素(Tuntingtin，HTT)，在其開放閱讀框的5’端有一個“胞嘧啶-腺嘌呤-鳥嘌呤”(CAG)三核苷酸重復序列，其重復拷貝數(shù)n>40即可導致HD發(fā)生，主要發(fā)病機制包括氧化應激、線粒體功能障礙和新陳代謝缺乏[26]。

4.1 IGF-1在HD中的變化 Hult等表明，轉(zhuǎn)基因HD小鼠血清IGF-1水平較對照組小鼠明顯升高[27]，Lopes等人的實驗也證實IGF-1對HD小鼠的紋狀體神經(jīng)元的保護作用，并且對HD小鼠鼻腔內(nèi)連續(xù)注射重組人IGF-1(rhIGF-1)2 w后，HD小鼠的肌肉活動和循環(huán)中的代謝異常均得到改善[28]。

4.2 IGF-1對HD的保護作用機制 研究表明，IGF-1激活I(lǐng)GF-1R后，PI3KAKT信號轉(zhuǎn)導途徑激活，HTT被AKT磷酸化，阻止了HTT誘導的細胞凋亡，抑制細胞核內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)，而且IGF-1能提高電子呼吸鏈功能，降低HD患者淋巴母細胞耗氧量和線粒體膜電位，增加ATPADP比例、磷酸肌酸和細胞色素C水平，降低乳酸丙酮酸比例，從而改善線粒體功能，緩解代謝功能紊亂[29]。

4.3 IGF-1治療HD的前景展望 Ribeiro等的研究表明，IGF-1可以促進紋狀體細胞表達谷氨酸鹽，其可以阻止線粒體產(chǎn)生活性氧和防止線粒體功能障礙，在很大程度上減少由突變HTT誘導的凋亡細胞和衰老細胞[30]。由此表明，IGF-1有希望作為一種治療HD的方法。

5 總 結(jié)

IGF-1作為一種神經(jīng)營養(yǎng)因子，對神經(jīng)變性病有保護作用，其保護作用機制各不相同，本文對IGF-1在不同神經(jīng)變性病中的含量變化、作用機制及其治療神經(jīng)變性病的前景進行綜述。