胰島素樣生長因子-1對支氣管肺發育不良的影響研究進展

梁錦燦 李薇

暨南大學附屬東莞醫院新生兒科，廣東 523900

胰島素樣生長因子-1（IGF-1）是胎兒生長和肺血管生成與發育的重要調節因子［1］。妊娠晚期是胎兒在宮內快速生長和發育的關鍵時期，IGF-1迅速增加［2］，新生兒出生后血清IGF-1和胰島素樣生長因子結合蛋白-3（IGFBP-3）水平降低，早產兒尤甚，明顯低于相應胎齡的胎兒水平。這兩者水平與孕周、胎齡及體質量呈正相關［3-4］。研究表明，早產兒出生后28 d內血清IGF-1持續低表達與支氣管肺發育不良（BPD）的發生有強相關性，BPD患兒較非BPD患兒血清IGF-1水平更低，且隨著胎齡增長，血清IGF-1水平不增加［5］。國內外已有報道把重組人胰島素樣生長因子-1/重組人胰島素樣生長因子結合蛋白-3（rhIGF-1/rhIGFBP-3）復合物用作早產兒視網膜病變（ROP）和BPD等疾病的試驗性治療。現將IGF-1對BPD的影響研究進展綜述如下。

1 IGF系統的組成和功能

胰島素樣生長因子（IGF）是一類分子結構與胰島素類似的促生長調節因子［6］，在促進個體生長發育、組織修復以及調解物質代謝方面有重要作用。IGF系統包括IGF肽類、特異性IGF受體、可溶性高親和IGF結合蛋白家族，IGF分為IGF-1和IGF-2兩種［6］。IGF-1是一種由70個氨基酸殘基組成的堿性蛋白，分子量7 649 Da［3］。IGF-1基因位于12號染色體（12q23.2）的長臂上，由6個外顯子組成［7］。血液中90%的IGF-1由肝臟分泌，通過血液循環作用于靶器官而發揮內分泌功能。其在胎兒肺部主要由Ⅱ型肺泡上皮細胞、巨噬細胞、間質細胞所合成［8］，但在新生兒肺中幾乎檢測不到IGF-1 mRNA。IGF-1除了具有胰島素樣作用，參與糖脂代謝外［9］，還能刺激細胞分裂分化、遷移生長、抑制凋亡和基因轉錄調節［10］。其主要通過結合特異性IGF-1受體（IGF-1R），以內分泌、旁分泌和自分泌方式發揮其生物學活性，其生物活性受IGF-R、IGFBP、年齡、能量和蛋白質攝入等多種因素影響。IGF能與6種不同的結合蛋白（IGFBP-1～6）結合，在宮內主要結合IGFBP-1和IGFBP-2，出生后則以IGFBP-3為主［6］。IGFBP-3是一種含有264個氨基酸的低分子肽類，與IGF-1的親和力較高［3］。約80%的IGF-1與IGFBP-3結合到不耐酸亞基（ALS）上形成三元復合物，從而延長IGF-1的半衰期，使之得以在血液中長時間運輸，最終發揮作用［11］。

2 新型BPD概述和病理生理

1967年Northway等［12］首次報道并命名BPD，提出該病是嚴重呼吸窘迫綜合征導致的一種慢性肺疾病，是一種長時間高濃度吸氧和氣管插管機械通氣導致的肺損傷。2018年美國國家兒童健康與人類發展研究所（NICHD）制定了新型BPD的診斷標準：（1）早產兒（胎齡＜32周）伴持續性器質性肺病；（2）經影像學證實存在肺實質病變；（3）在矯正胎齡36周時≥3 d需一定方式的呼吸支持或氧療才能維持動脈氧飽和度在90%～95%及以上者。根據氧依賴程度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ度［13］。國內10家醫院早產兒BPD發生率為1.26%，發病率隨胎齡增加而明顯降低［14］。BPD的發生是在基因易感性的基礎上由多因素引起，包括產前（如子癇、絨毛膜羊膜炎）和產后危險因素（如呼吸機相關性肺損傷、炎癥、氧化應激）。其中肺損傷包括早期肺發育停滯（新型BPD）到相對成熟的肺結構受損（舊BPD）［15］。BPD的病理生理改變主要為肺泡和微血管發育停滯，表現為肺泡變少變大、結構簡單化和囊泡化、肺微血管形態異常，而肺血管受損及纖維化較輕微［16］。

3 IGF-1對BPD的影響

3.1 IGF-1與肺發育和肺損傷的關系IGF-1是宮內胎兒生長及新生兒生長發育的重要物質［17］，是肺泡發育的正向調節因子，IGF-1的缺乏會導致早產兒肺部疾病發生。IGF-1已被證實通過刺激PI3K/AKT途徑促進肺上皮細胞的增殖［18］，并能調節胚胎和機體的生長，其促生長作用具有器官特異性。研究發現，實驗鼠被敲除IGF-1基因后表現為肌肉發育不良和肺成熟障礙。另外，IGF-1R基因缺失小鼠也會出現肺發育不全和膈肌缺損，并死于呼吸衰竭［19］。這表明IGF-1和IGF-1R對肺正常發育的重要性。IGF-1在肺泡化早期高度表達，這有利于肺泡隔形成。通過促進氣道上皮細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞的增殖分化，使細胞外基質成分增多，促進膠原沉積，進而幫助氣道重塑，促進肺分化和成熟，逆轉高氧引起的肺發育阻滯。同時，IGF-1能刺激肺損傷時的膠原蛋白合成，對肺損傷后修復起著重要作用［5，20］。Seedorf等［21］在羊膜內注射sFlt-1或肉毒素分別模擬子癇前期和絨毛膜羊膜炎致BPD模型中發現，新生大鼠腹腔注射rhIGF-1/rhIGFBP-3可改善肺泡化和遠端肺微血管密度，保護肺結構和功能。此外，rhIGF-1/rhIGFBP-3可促進胎兒肺內皮細胞和Ⅱ型肺泡上皮細胞的增殖，提示IGF-1可能作為促血管生成因子和有絲分裂原，在肺發育和肺損傷修復中發揮作用。

3.2 IGF-1與高氧性肺損傷的關系 長時間吸入高濃度氧被認為是導致BPD的重要促進因素，高氧干擾IGF-1信號進而導致肺發育受阻滯。內質網應激（ERS）與高氧肺損傷密切相關。已知內質網常駐細胞凋亡蛋白酶Caspase-12在ERS下被激活，并可調控細胞凋亡。許春花等［22］報道，經腹腔注射IGF-1的高氧暴露新生大鼠肺濕重/干重（W/D）值、支氣管肺泡灌洗液（BALF）中的白細胞數及肺組織中Caspase-12相對表達量均較未干預組明顯降低（均P＜0.05）；表明IGF-1能減輕高氧所致肺水腫程度，減少炎性細胞浸潤，抑制高氧肺組織炎性反應，其可能是通過下調肺組織中ERS相關細胞凋亡信號通路Caspase-12蛋白表達，從而減輕高氧肺損傷，促進肺泡和肺血管恢復［23］。另一方面，c-Jun氨基末端激酶（JNK）信號通路是ERS的凋亡途徑之一，而CCAAT增強子結合蛋白同源蛋白（CHOP）是凋亡信號分子，參與調節細胞凋亡及生長停止。動物實驗研究表明，暴露于高氧環境的新生大鼠經腹腔注射rhIGF-1后3、7、14 d其肺組織JNK、p-JNK、CHOP表達水平及肺細胞凋亡指數均較高氧組明顯降低（均P＜0.05）；提示IGF-1通過抑制內質網相關細胞凋亡信號通路，下調JNK、P-JNK及CHOP蛋白表達水平，從而保護高氧肺組織［24］。BPD的發生與Ⅱ型肺泡上皮細胞的增殖、分化及凋亡息息相關。A549細胞具有Ⅱ型肺泡上皮細胞的特性與表型，高氧可抑制A549細胞的生長并促進其凋亡。反之，IGF-1可減輕高氧對A549細胞增殖的抑制作用，通過調節凋亡調控蛋白Bcl-2和Bax的比值，拮抗高氧誘導其凋亡的效應。研究發現，外源性IGF-1干預后Bcl-2表達明顯增高，Bax表達下降，Bcl-2/Bax比值增大，細胞凋亡率隨IGF-1藥物濃度的遞增呈劑量依賴性降低，且尚未發現劑量濃度依賴性的上限［25］。此外，國外研究報道rhIGF-1/rhIGFBP-3可保護高氧誘導BPD模型新生大鼠的肺組織結構，預防右心室肥大（肺動脈高壓的標志）的發生［21］。

3.3 IGF-1與炎癥的關系 肺3型固有淋巴細胞（ILC3s）是一組前哨黏膜免疫細胞，是最早在黏膜組織（包括新生兒肺）中定居的淋巴細胞之一。其對于早產兒防御細菌性肺炎至關重要，肺ILC3是由ILC前體進化而來，而ILC前體在肺發育中由成纖維細胞定義的生態位中形成。肺泡成纖維細胞能產生IGF-1，它可促進肺ILC前體的擴增與成熟，從而增加肺ILC3s生成。在患有BPD的早產兒中，表現為ILC3s平衡紊亂，血清IGF-1水平和ILC3s數量降低。肺發育阻滯可能會干擾肺黏膜防御系統的發育，并導致發生呼吸道感染和炎癥性疾病的風險增加。在高氧誘導的BPD新生小鼠模型中，從氣管內感染肺炎鏈球菌后表現出對肺炎的易感性，而通過過繼轉移對照組小鼠的肺ILC3后，其對肺炎的抵抗力逐漸恢復［26］。此研究表明，IGF-1可間接促進肺ILC3s的形成，從而減少BPD早產兒炎癥性疾病的發生。

3.4 IGF-1與BPD發生率的關系 出生后4周內較低水平的血清IGF-1與BPD發生明顯相關，IGF-1對預測BPD的發生發展具有較高敏感性。Y?lmaz等［27］對40例胎齡＜32周早產兒的研究發現，BPD組患兒出生后第1、3、7、21、28天血清IGF-1水平明顯低于未發生BPD組患兒（均P＜0.01）。重度BPD組的血清IGF-1水平顯著低于輕至中度BPD組，并確定了出生后第1天（16.17μg/L）、第3天（16.12μg/L）、第7天（18.31μg/L）、第21天（16.59μg/L）和第28天（18.14μg/L）血清IGF-1的臨界值。L?fqvist等［5］對108例平均胎齡在27.2周的極早產兒進行研究，從出生到矯正胎齡36周每周檢測血清IGF-1水平，結果發現生后第3～21天BPD患兒較無BPD的患兒血清IGF-1水平明顯偏低（16μg/L比26μg/L，P＜0.001）。在最近的一項Ⅱ期臨床試驗中，rhIGF-1/rhIGFBP-3聯合治療不能降低ROP的嚴重程度或發生率，但可減少重度BPD的極早產兒數量，并將重度BPD向輕度轉變［28］。然而，IGF-1在血液循環中是一種糖皮質激素，而在局部器官（如肺部）被看作是一種細胞因子，血清和肺部IGF-1表達不一致［29］。國外研究表明，BPD早產兒血清IGF-1水平持續低表達，而游離IGF-1在肺泡上皮細胞內襯液（ELF）及肺組織中高水平表達［30］。另有研究發現在BPD早產兒肺組織及BALF中IGF-1水平明顯升高，推測肺上皮細胞液中的IGF-1參與了BPD的發病機制［31］。種種跡象說明早產兒肺組織中IGF-1可能與BPD嚴重程度呈正相關。

4 rhIGF-1/rhIGFBP-3的臨床應用

近年來國內外應用rhIGF-1/rhIGFBP-3提高血清IGF-1水平以預防BPD的研究日漸增多。一項Ⅱ期藥物臨床試驗研究結果顯示，66.3%接受rhIGF-1/rhIGFBP-3輸注的早產兒血清IGF-1濃度達到了目標水平（20～60μg/L），并且耐受性良好，無明顯不良反應［32］。但IGF-1的半衰期隨出生體質量和胎齡的降低而衰減［11］。成人IGF-1的半衰期約為17 h，而早產兒IGF-1半衰期明顯縮短（＜1 h）。Ley等［2］將rhIGF-1/rhIGFBP-3持續3 h輸注給5例早產兒，可有效提高血清IGF-1和IGFBP-3的水平，但其半衰期較短（＜1 h）。藥代動力學劑量模型表明，24 h連續靜脈輸注≥250μg/kg的rhIGF-1/rhIGFBP-3至少4周，能使大多數早產兒血清IGF-1增加到目標范圍［11］，這與先前的一項Ⅰ期藥代動力學研究結果一致［33］。以上研究表明應選擇連續靜脈輸注的方式以維持血清目標IGF-1濃度。但連續靜脈輸注可能會增加感染的風險，需要嚴密監測。對于早產兒，考慮到皮下組織稀少，靜脈給藥比皮下給藥更好［2］。rhIGF-1/rhIGFBP-3復合物可減少rhIGF-1單獨使用時的不良反應，尤其是低血糖［11］。與此同時，極早產兒容易并發胰島素抵抗和β細胞功能障礙而導致高血糖。出生后第1周IGF-1水平降低與早產兒早期高血糖有關。rhIGF-1/rhIGFBP-3可能具有降低高血糖的潛力［34-35］。

5 乳源性IGF-1

母乳中含有豐富的IGF-1，其在初乳中含量最高，隨著哺乳的進行而逐漸下降［36］。Alzaree等［37］對60例胎齡＜32周的早產兒進行研究，發現在矯正胎齡40周時，純母乳喂養組血清IGF-1水平明顯高于配方奶組，血清IGF-1水平顯著高于出生時（均P＜0.05）。這提示早期母乳喂養與早產兒血清IGF-1升高有關。但經過巴氏消毒后的母乳，IGF-1的含量降低了約40%［38］。

6 展望

近年來隨著對BPD的認識不斷深入，IGF-1在防治BPD方面受到越來越多學者的關注。以上綜述了IGF-1對BPD發生發展的影響及其可能的機制。然而，在補充時機、劑量、療程、安全性等一系列問題仍需更深入的探討。rhIGF-1/rhIGFBP-3有望成為未來防治BPD的一線藥物。