FGF21在神經系統疾病中的研究進展

李勇，陳樹春，孫正文，王昊，楊貴彬

(1.華北理工大學研究生院，河北 唐山 063000；2.河北省人民醫院內分泌科，河北 石家莊 050000)

0 引言

人類成纖維細胞生長因子(FGF)超家族由22個結構相關的信號分子組成，可分為旁分泌型FGFs(包括FGF1～10、FGF16～18、FGF20/22)、內分泌型 FGFs(包括 FGF15/19/21/23)和胞內型FGFs(包括FGF11～14)[1]。根據序列同源性和系統發育，FGF21屬于內分泌型FGFs，其分離的cDNA編碼的蛋白質包含209個氨基酸，分子量約為22.3 kDa，每個氨基酸序列在哺乳動物中高度保守[2]。FGF21主要表達于肝臟，肝外組織如白色和棕色脂肪組織、胸腺、胰腺細胞、骨骼肌、心臟內皮細胞、下丘腦也有表達。旁分泌型和內分泌型FGFs家族的不同成員可以與不同的FGF受體(FGFR)結合，從而發揮調節多種代謝的作用。旁分泌型的FGFs與FGFR結合，需要肝素或硫酸肝素的參與。FGF21由于缺乏與肝素相關的特異性結合位點，主要通過內分泌相關組織釋放進入血液，而不是自分泌。進一步的研究表明，人類FGF21作用的分子機制是通過輔助受體β-Klotho的C端，與FGFR的N端相結合，最終形成一個穩定的FGF21/β-Klotho/FGFR復合物從而激活下游信號轉導通路[3]。近年來，FGF21在抑制神經細胞凋亡、改善神經功能缺損、促進血管生長、逆轉抑郁、抗焦慮等方面的作用得到逐步證實。

1 FGF21在神經系統疾病中的作用

1.1 FGF21與缺血性中風

缺血性中風是指由動脈血栓引起的腦血流量減少。全世界每年約有79.5萬人患有缺血性中風，且中風患者的數量正在逐漸上升[4]。發生中風時，位于中樞神經系統的小膠質細胞是腦缺血的第一個反應者，它們在幾分鐘內被激活[5]。隨后，浸潤的免疫細胞，包括單核細胞、巨噬細胞、中性粒細胞、淋巴細胞、自然殺傷細胞，通過破壞血腦屏障和分泌大量的細胞因子促進炎癥的進展[6]。炎癥細胞因子的分泌在腦卒中后的炎癥級聯反應和神經元損傷中發揮獨特的作用。研究發現中風后24-48小時，炎癥因子包括白介素-6、腫瘤壞死因子-α、白介素-1β、環氧合酶-2、單核細胞趨化蛋白-1的水平顯著升高，而經rhFGF21治療的小鼠，這些炎癥因子被抑制。Wang等發現，與大腦中動脈閉塞(MCAO)小鼠相比，MCAO+rhFGF21的小鼠，幾乎所有的炎癥細胞因子在中風后立即上調，然而，從24小時開始，特別是在中風后24-48小時，rhFGF21顯著抑制了中風誘發的細胞因子水平增強。rhFGF21減弱了小膠質細胞向M1(一種產生促炎細胞因子的炎癥表型)方向的極化，但對M2(一種抗炎表型)沒有影響。rhFGF21減少免疫細胞在中樞神經系統的浸潤和M1巨噬細胞的積累。Wang等還證實rhFGF21顯著降低了小鼠腦梗死的面積，改善了受中風影響的小鼠的神經功能缺陷[7]。Zheng等發現，在MCAO延遲3天再通的大鼠模型中，血清FGF21水平升高，且FGF21可通過血腦屏障進入中樞神經組織，半暗區內源性FGF21和磷酸化FGFR1 (pFGFR1)的表達水平升高。然而，使用FGFR1 siRNA敲除FGFR1可消除FGF21的抗凋亡作用，梗死體積增加，小鼠的腦出血率和死亡率也顯著增加。Zheng等進一步證實了FGF21和pFGFR1通過激活PI3K/Caspase-3信號通路來減弱再通后半暗區神經元凋亡，從而起到神經保護作用[8]。以上研究表明FGF21在缺血性卒中的治療中發揮了重要的作用，尤其可以減少腦卒中后的梗死面積、抗凋亡抑制炎癥反應改善卒中后的神經行為缺陷。

1.2 FGF21與創傷性腦損傷

創傷性腦損傷(Traumatic brain injury，TBI)是指由于外力對大腦造成的損傷，破壞了大腦的正常功能，損害了神經發生的多個方面，包括神經干細胞的增殖、未成熟神經元的存活、樹突的發育和分枝化，以及海馬神經的功能整合，從而導致短期或長期的感覺和運動功能缺失、認知障礙以及精神和記憶損傷，發病率和死亡率高[9]。TBI的機制十分復雜，主要涉及機械應力和多種繼發過程，包括神經血管功能障礙、炎癥、氧化應激和凋亡。有研究發現FGF21在促進神經細胞存活和增強腦外傷后神經膠質的相互作用中發揮重要作用。Ahmad Shahror等分別將MSC-FGF21(表達FGF21的間充質干細胞)、MSC-mCherry (單純間充質干細胞)和vehicle(媒介物)注入TBI小鼠的腦室內，研究發現經媒介物治療的TBI小鼠的未成熟的海馬神經元的樹突長度和復雜性大大降低，而MSC-FGF21可以增加未成熟海馬神經元的樹突的分支數量和總長度，經MSC- mCherry治療可以抑制樹突長度損傷但不增加分支的數量。在TBI后的慢性階段，MSC-FGF21治療增強了同側海馬新生神經元的神經形成和成熟，而MSC-mCherry治療的創傷性腦損傷小鼠比MSC-FGF21治療的創傷性腦損傷小鼠表現出較少的神經新生。從而證明，MSCFGF21治療的小鼠的同側海馬中觀察到的神經改善，很可能是由于FGF21水平的提高而非MSC分泌體的活動。他們還通過水迷宮測試證明：MSC-FGF21移植可減輕TBI誘導的空間學習和記憶缺陷[10]。越來越多的證據表明，血腦屏障破壞引起的腦出血和腦水腫是TBI患者死亡的主要原因[11]。Chen等研究發現FGF21通過FGF21/FGFR1/ klotho復合物的形成激活PPAR，進一步抑制TNF-α，上調緊密連接和黏附連接蛋白，從而保護了血腦屏障，改善了TBI小鼠的神經功能行為缺陷和腦水腫程度，恢復了腦組織損傷和神經元凋亡[12]。綜上所述，這些結果表明FGF21可能是TBI的一種潛在的治療方法。

1.3 FGF21與神經退行性疾病

1.3.1 FGF21與阿爾茨海默病

阿爾茨海默病(AD)是最常見的神經退行性疾病之一，主要臨床表現為認知功能受損、學習能力下降和行為能力逐漸下降。阿爾茨海默病有兩個顯著的病理特征，即β淀粉樣蛋白肽(Aβ)異常沉積引起的老年斑和由過度磷酸化的tau蛋白組成的神經纖維纏結[13]。Aβ可能引起中樞神經系統毒性，最終導致神經元死亡，還有神經毒性導致tau蛋白過度磷酸化和隨后的聚合，造成了穩定的神經元微管結構的破壞，損傷軸突的傳輸功能，導致神經細胞死亡，認知能力下降。線粒體氧化損傷與AD的發病機制密切相關，甚至是AD最早的表現之一[14]。研究表明，當氧化應激發生時，ROS的過量產生會對線粒體造成明顯的生物損傷。同時，受損的線粒體會進一步促進氧自由基的形成。兩個因素相輔相成，最終導致突觸減少，細胞凋亡和記憶障礙[15]。既往研究表明，FGF21受體在大腦中也有表達，并且已經證實FGF21可以通過簡單擴散通過血腦屏障[16]。Chen等通過向大鼠腹腔內注射Aβ25-35(β淀粉樣蛋白肽)和Aβ25-35+FGF21(β淀粉樣蛋白肽和FGF21)發現Aβ25-35可以誘導細胞凋亡，ROS積累和線粒體形態異常，而FGF21可以預防這些現象的發生。經FGF21處理后，大鼠的學習記憶能力增強，海馬組織中磷酸化tau蛋白的水平降低，ROS的產生被抑制[17]。有研究發現MAPKs/HIF-1，以及線粒體氧化損傷通路可能在神經元凋亡中發揮關鍵作用，已經有報道稱，Aβ誘導MAPKs異常激活[18]。MAPKs家族成員主要包括ERK1/2、JNK和p38。PP2A是負調控MAPK磷酸化的主要磷酸酶之一，它的活性可以被Aβ抑制。Chen等發現FGF21可以增強PP2A的磷酸化水平，他們進一步研究了PP2A/MAPKs/HIF-1通路，發現FGF21至少部分通過ERK1/2途徑發揮其對神經元的保護作用[17]。

1.3.2 FGF21與帕金森病

帕金森病(PD)是繼阿爾茨海默病之后的第二種常見的神經退行性疾病。PD的特征性表現為黑質多巴胺能神經元的丟失和大腦不同區域的某些神經元胞漿內核蛋白的異常沉積[19]。Chen等通過比較MPTP(單純帕金森)小鼠和MPTP+rhFGF21(腦內注射rhFGF21)的帕金森小鼠，發現通過小鼠進行系統的、連續的腦室內注射重組FGF21，可以改善小鼠的運動能力、協調能力和探索能力，避免多巴胺能神經元的退化，并改善PD模型的神經元-突觸核蛋白的病理特征。此外，Chen等還研究了FGF21對MPTP誘導的PD樣病理的保護作用的可能分子機制[20]。SIRT是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴的去乙酰化酶，可以延緩衰老。已有報道稱SIRT1或SIRT1-自噬軸參與了FGF21的多種功能。SIRT1通過LC3和PGC-1發揮作用，Guo等人研究表明SIRT1的激活通過LC3去乙酰化促進了偶聯核蛋白的自噬降解，通過SIRT1/PGC-1的配對通路增強人類多巴胺能神經元的線粒體功能[21]。Chen等發現rFGF21可以通過提高SIRT1的蛋白水平，增強偶聯核蛋白的自噬，并可能通過促進毒性蛋白的清除而發揮神經保護作用[20]。

1.4 FGF21與抑郁癥

重度抑郁癥(MDD)是一種情緒障礙，其特征是持續感到悲傷、失去興趣和無價值感，全球約有3億人受其影響。促炎細胞因子腫瘤壞死因子-a (TNF-a)和白介素-6 (IL-6)在炎癥過程中發揮關鍵作用，可誘發抑郁癥。有研究表明，FGF21具有抗氧化活性、抑制內質網應激誘導的細胞凋亡、抗炎等多種藥理活性。且FGF21與肝素結合弱，可通過簡單擴散通過血腦屏障，由此推測FGF21可能在情緒調節中發揮作用[22]。Wang等通過向LPS(脂多糖)誘導的抑郁癥小鼠腹腔內注射rhFGF21，發現rhFGF21可顯著增加抑郁癥小鼠的總行走距離和穿線次數，減少不動時間，從而表明rhFGF21具有潛在的抗抑郁作用[23]。NF-kB信號通路在炎癥反應中起重要作用，正常情況下，NF-kB與抑制劑IkB結合，并以非活躍的狀態存在于細胞的細胞質中。然而，一旦被激活物，如LPS激活，NF-kB被磷酸化成p-NF-kB，然后被釋放并轉運到細胞核中，促進炎癥細胞因子的表達[24]。Wang等發現，FGF21通過與FGFR1結合，可以降低LPS誘導的p-NF-kB/NF-kB比值的升高，降低LPS誘導的核NF-kB的升高水平，提示rhFGF21可以抑制NF-kB的激活和轉位進入細胞核[23]。從而表明rhFGF1可能通過介導NF-kB信號通路發揮抗炎作用，是一種新的抗抑郁藥物候選藥物。

1.5 FGF21與周圍神經損傷

周圍神經損傷(PNI)是臨床上因意外創傷、手術或炎癥性疾病而引起的常見慢性疾病，可導致運動和感覺功能障礙和不可逆的組織萎縮。一旦周圍神經受損，病變部位及其遠端伴有廣泛的缺血和炎癥反應，導致ROS積累過多，同時，內源性抗氧化劑包括超氧化物歧化酶(SOD)、NADH脫氫酶醌1 (NQO1)和血紅素加氧酶1 (HO-1)的水平不足以維持創傷區抗氧化損傷的需求，最終導致細胞凋亡和死亡[25]。在抗氧化防御系統中，核因子紅系2相關因子2 (Nrf-2)作為一個調節氧化應激的關鍵的轉錄因子，它能從細胞質進入細胞核啟動抗氧化基因的轉錄，包括NQO1基因和HO-1基因，從而恢復細胞正常的生理功能。作為調節Nrf-2的上游信號之一，細胞外調節蛋白激酶(ERK)是一種絲氨酸-蘇氨酸激酶，參與調節細胞增殖、分化和細胞骨架動力學[26]。利用成纖維細胞生長因子(FGFs)促進周圍神經髓鞘化和再生的分子療法已被廣泛應用。Lu等通過持續向坐骨神經損傷的小鼠注射FGF21溶液1周，通過行走軌跡分析和馮·弗雷測試，評估4周期間的運動和感覺恢復情況，發現在治療后的第3周小鼠的運動功能得到改善，在治療后的第1周感覺功能得到改善。修復4周后，他們評估損傷神經纖維的組織學改變，發現FGF21組新生神經纖維致密均勻，而PNI組的再生神經纖維小且不規則。雪旺細胞(SCs)是外周神經系統的髓鞘鞘細胞，是形成髓鞘和維持髓鞘厚度的重要細胞。Lu等將SCs細胞暴露于H2O2 中4小時，模擬PNI氧化損傷狀態，結果發現大量SCs細胞死亡，H2O2組產生的ROS明顯增加。然而，用FGF21預處理SCs細胞可以顯著降低細胞的死亡和ROS的生成。為了探究FGF21促進抗氧化作用、抑制SCs凋亡的機制，Lu等發現FGF21可以明顯上調p-ERK/ERK的比率以及Nrf-2、NOQ1和HO-1的表達水平，然而ERK的抑制劑可以逆轉這一現象[27]。阻斷自噬性細胞死亡也是FGF21在PNI后發揮神經保護和神經發育作用的另一有效途徑[28]。Lu等發現FGF21可以促進凋亡蛋白Bax下調，抗凋亡蛋白Bcl-2上調，Bax/Bcl-2比值顯著降低，從而阻斷自噬[27]。綜上所述，證明了FGF21可促進PNI后SCs增殖、神經再生和功能恢復，可能與通過ERK/Nrf-2信號通路抑制過度氧化應激誘導的細胞凋亡和自噬細胞死亡。

2 小結

FGF21在中樞神經系統疾病以及周圍神經系統疾病的治療中發揮了重要作用。它可以通過抑制炎癥反應、氧化應激和抗凋亡等多種機制，從而發揮改善神經功能缺損，保護血腦屏障，治療抑郁，促進神經元的軸突和樹突的生長以及抑制髓鞘損傷等多種功能。然而，由于FGF21的生物穩定性較差，目前尚不可以廣發應用于臨床。此外，FGF21是否會在糖尿病周圍神經病變的治療和預后中發揮作用，也需要我們進一步去研究。