IGF-1治療常見中樞神經系統疾病的研究進展

汪 燕(綜述)，汪萌芽(審校)

(1.上海市靜安區市北醫院神經內科,上海 200435；2.皖南醫學院細胞電生理研究室,安徽 蕪湖 241200)

中樞神經系統(central nervous system,CNS)的發育是一個精細調控的過程，依賴于多種因素和復雜的生理生化信號途徑來確保神經元的正常發生、分化、成熟和聯系。神經營養因子包括胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)、神經營養因子3(neurotrophin-3,NT-3)、腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)及神經生長因子(nerve growth factor，NGF)等，在大腦的發育和成熟過程中具有重要作用[1]，可以說，神經環路的形成過程是由神經營養因子被激活后導致的一系列分子事件[2]組成。神經營養因子及其受體是維持突觸活動的必要因素，在神經系統的增殖、分化和神經功能的調控方面發揮了關鍵性作用[1-2]。隨著人類壽命的延長和老齡化社會的出現，各種中樞神經系統疾病的發病率正在增長，進一步探索神經營養因子的作用，為疾病尋找新的治療靶點尤為重要。本文將對IGF-1治療常見中樞神經系統疾病的研究進展作一綜述。

1 IGF-1概述

IGF-1又稱軀體化蛋白C，屬胰島素家族，與胰島素原有40%～50%的同源性[3]。成熟的IGF-1是一種70-氨基酸單鏈堿基的多肽激素，相對分子質量7 460。在許多組織的胚胎發育過程中，IGF-1大量產生，出生后明顯減少；成年個體中，70%～90%的IGF-1在肝臟合成,其表達受生長激素(growth hormone,GH)調節；中樞神經系統中有些細胞亦能獨立于GH的作用合成IGF-1[4-5]，大腦皮質、海馬、腦室下嗅區、下丘、小腦和脊髓等區域中均能檢測到較高水平的IGF-1[6]。可見，IGF-1是以內分泌、旁分泌或自分泌的方式在大腦中發揮作用[6-7]。

通常，99%以上的IGF-1是以與胰島素生長因子結合蛋白(insulin-like growth factor-binding protein,IGFBP)及一個酸不穩定亞基共同構成三聚體復合物形式存在于循環中[6,8]。循環IGF-1可以由脂蛋白受體相關蛋白2(lipoproteinreceptor-relatedprotein-2,LRP-2)從血液中主動轉運至腦脊液，也能通過與內皮細胞上的胰島素樣生長因子1受體(insulin-like growth factor 1，IGF-1R)結合穿過血腦屏障[9]。

2 IGF-1神經保護作用

IGF-1是中樞神經系統發育、成熟和可塑性的一個強有力的神經內分泌調節因子[1]。腦內IGF-1的主要功能從調控細胞生長、分化、成熟(通過有絲分裂和DNA合成)和代謝過程(葡萄糖攝取和蛋白質合成)，到控制突觸形成、釋放神經遞質和刺激神經元等過程，參與突觸可塑性，是極重要的中樞神經保護元件[2]。

2.1IGF-1抑制神經細胞凋亡 IGF-1抑制神經細胞凋亡的作用具有多向性，主要涉及信號轉導通路、聯合Bcl-2家族共同作用以及抑制Caspase的合成等。中樞IGF1R與IGF-1結合后被激活，β亞基上的酪氨酸激酶結構域激活PI3K/mTOR/AKT1和MAPK/ERK通路，誘導其下游效應[4,6]。即，PI3K/mTOR通路激活AKT1，通過下游效應子s6激酶1(ribosomal protein s6 kinase 1，s6K1)和真核翻譯起始因子4e結合蛋白1(eukaryotic translation initiation factor 4e-binding protein 1，EIF4E-BP1)啟動蛋白翻譯，在調節細胞循環/存活、基因表達和細胞骨架重塑方面起重要作用，還能通過增加細胞死亡的Bcl-2相關激動劑Bad磷酸化，降低Bax/Bcl-2的比值，減少細胞色素C釋放，抑制細胞凋亡。AKT1通路的激活能抑制FOXO凋亡通路，并使促凋亡c-JUN-n-末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)通路失活[6]；此外，IGF-1還能激活ERK靶向核轉錄因子，通過MAPK/ERK通路在誘導促進細胞存活、分化、增殖、代謝和轉運方面起重要作用[6]。最后，IGF-1能抑制促凋亡因子Caspase-3、Caspase-9等的合成，發揮抗凋亡作用。研究顯示，上述途徑之間存在顯著的交叉抑制和激活，即使某一條途徑被破壞，仍可能通過其他途徑在下游被激活，這意味著IGF-1在抑制細胞過早死亡方面具有治療意義[4]。

2.2IGF-1調節離子通道活性 有學者在IGF-1基因敲除小鼠的腦中發現，一種能防止鈣超載并穩定鈣通道的紋狀體微白蛋白嚴重脫失，表明IGF-1可以通過直接調節鈣結合蛋白而發揮神經保護作用[5]。動物實驗則揭示了IGF-1通過調節L型、N型和P/Q型電壓依賴性鈣通道活性，使轉錄因子C/EBP水平迅速下降，抑制N-甲基-d-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)受體誘導的興奮毒性損傷，促進神經元存活[10]。

2.3IGF-1抑制過量一氧化氮(nitric oxide，NO)毒性損害作用 NO是內皮細胞中的一種氣體性神經遞質，能控制全身血管張力和神經元活性。IGF-1能擴張非新生血管床，降低血管阻力，增加心、腦等重要器官局部血流量，減輕神經元缺血、缺氧性損傷，減少NO的含量；IGF-1及其受體大量表達時，能阻止促發信號分子產生，增強超氧化物歧化酶、神經營養因子等神經保護分子的產生，對抗NMDA受體的興奮毒性損害，減輕神經元損傷[8,11-12]；最后，IGF-1還能通過PI3K/AKT途徑抑制NO誘導的細胞凋亡和Caspase-3活化[9]。

2.4IGF-1調節大腦葡糖糖代謝 IGF/胰島素系統在進化上非常保守，是營養敏感的信號通路，在能量代謝中起關鍵作用[13]。胰島素和IGF-1有相似的下游信號通路：胰島素或IGF-1→胰腺素受體(insulin receptor,IR)或IGF-1R→胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)-1/2→PI3K→AKT→GSK3β[14]。在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)和帕金森病(Parkinson′s disease,PD)患者中已觀察到IR磷酸化減少和IRS過度磷酸化增加[15]，導致胰島素和IGF-1無法激活下游分子，而當IRS被適當磷酸化時，胰島素和IGF-1通過觸發下游PI3K/AKT信號可以降低α-突觸素的神經毒性和異常積累。證據表明，IGF-1/胰島素信號和其他信號通路的相互作用參與了神經變性過程[16-18]，具有神經源性能力的腦區是高度血管性的，與年齡相關的腦血管變化直接參與了神經退行性改變的病理過程，年齡相關性疾病都表現出共病性的胰島素抵抗[13]。越來越多的證據表明，IGF-1與神經血管功能障礙、衰老以及年齡相關的神經退行性疾病密切相關[19-20]。

2.5IGF-1促進突觸可塑性 長時程增強(long-term potentiation，LTP)和長時程抑制(long-term depression,LTD)是突觸可塑性的兩種主要形式，被用來接收和存儲海馬中的信息，一旦失衡將導致突觸功能障礙和學習、記憶障礙。IGF-1與IGF-1R結合后，能激活PI3K/mTOR/AKT1和MAPK/ERK[3]，使GSK3β磷酸化，改善海馬相關任務中的長時記憶[14,21]。此外，GSK3β的過度表達會阻礙γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric acid,GABA)受體依賴的LTP的誘導，抑制GSK3β則通過磷酸化或去磷酸化阻止NMDA受體依賴的LTD的誘導[11,14]。分析IGF-1的可塑性機制，主要有調節谷氨酸能受體亞基，改變鈣通道活性和減少GABA能傳遞、增強谷氨酸能傳遞[22-24]，還有，改變神經細胞黏附分子和穩定新生血管[25]，以及與腦源性生長因子或雌二醇等其他生長因子的協同作用[26]。

3 IGF-1治療常見中樞神經系統疾病的研究進展

GH/IGF-1軸參與大腦的發育、生長和功能調節，當小鼠的IGF-1缺陷時，大腦氧化損傷、水腫、凋亡以及學習和記憶能力受損會加重[9]；但也能通過IGF-1替代治療恢復[9,27]。衰老過程中IGF-1的逐漸減少可能導致神經元變性、功能障礙和一些腦血管疾病的發生發展，如肌萎縮側索硬化、AD、PD、多系統萎縮、中風、血管性癡呆等[16]，使現代社會的經濟和社會負擔不斷增加。

3.1中樞神經系統退行性疾病

3.1.1PD PD是由于黑質多巴胺能神經元丟失及細胞內包涵體(Lewy小體)形成引起的退行性疾病，病因及發病機制至今仍是未知的。Ebert等[6]通過PD大鼠模型證實了IGF-1有促進多巴胺能神經元細胞存活和增值的能力。Ghazi Sherbaf等[28]發現IGF-1能劑量依賴性地減少細胞凋亡，增加體外PD模型中多巴胺能神經元的存活。臨床研究顯示PD患者血清IGF-1和IGFBPs水平高于對照組，IGF-1能保護黑質紋狀體通路，并且在這種保護之前激活關鍵的促存活級聯信號[29-30]。Castilla-Cortzar等[31]發現了IGF-1對作用于MAPK的神經元具有保護作用，且與劑量和時間相關。

3.1.2AD AD是發生于老年和老年前期，以進行性認知功能下降和行為損害為特征的中樞神經系統退行性疾病。AD產生的原因與β淀粉樣蛋白在大腦中的神經炎斑塊聚集、tau蛋白過磷酸化所致的神經原纖維纏結以及導致神經元凋亡的炎癥有關[32]。衰老過程中IGF-1表達下降，可能與老年人的認知能力下降有關[4]。

IGF-1促進神經細胞的存活和修復、神經發育、突觸形成、腦血管完整性,以及皮層神經元的自噬功能[17,32]。Meta分析顯示IGF-1濃度與認知功能之間存在積極而顯著的關系，而最相關的是注意力、執行功能和記憶[33]。一項大型多中心橫斷面研究發現男性AD與IGF-1及IGFBP-3水平明顯下降有關，補充IGF-1可抑制β淀粉樣蛋白積聚，防止小鼠AD模型的過早死亡[34]；Puche等[35]研究表明，老年小鼠的血清IGF-1通過白蛋白和轉甲酰胺素等載體蛋白誘導β淀粉樣蛋白清除，調節腦β淀粉樣蛋白水平。實驗證明IGF-1直接腦室內給藥及通過外周給藥，均能改善小鼠模型的認知功能[7,36]。Gontier等[37]發現在AD小鼠模型的神經元中敲除IGF-1R可能通過保持自噬和改善空間記憶來促進β淀粉樣蛋白的清除。鼻內給予IGF-1治療1月齡、24月齡雄性小鼠，能改善學習、記憶和扭轉抑郁樣行為，并促進神經發生和Glua2含量增加[7]。此外，亦有學者提出AD患者的認知能力下降可能是齒狀回神經發生減少所致，而IGF-1水平增高會增強神經發生和記憶準確性，延緩神經元退變，改善年齡相關的認知功能障礙，發揮對AD的治療作用[38-39]。

3.1.3肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS) ALS是一種以運動神經元進行性降解為特征的致死性神經退行性疾病，最終導致肌無力/麻痹、吞咽困難和呼吸衰竭。目前無有效治療方法，多在診斷3～4年死亡[5]。確切的病因尚不清楚，由于其多因素性質、群體異質性和固有的復雜性，使臨床生存預測和干預優化變得異常困難[40]。ALS小鼠的血IGF-1水平降低，提示IGF-1缺乏可通過加速神經退行性改變和臨床癥狀惡化，在ALS疾病過程中發揮作用[41]。而IGF-1能起到線粒體保護的作用，在中樞神經系統中給予IGF-1可增加生存率[42]。雖然ALS是一種運動神經元病，但非神經肌肉細胞，如星型膠質細胞、小膠質細胞和肌肉組織均受累及[5]。有證據顯示，星形膠質細胞可能是ALS疾病發展過程中最早改變的細胞之一，被認為是目前新的治療靶點[43-44]，而IGF-1能夠促進體外培養的新生小鼠海馬源性干細胞增殖，并向星形膠質細胞和神經元分化[45]。

3.1.4多發性硬化(multiple sclerosis,MS) MS是一種免疫介導的中樞神經系統白質病變導致的神經元整體脫髓鞘和動作電位破壞，主要累及腦室周圍、近皮質、視神經、腦干、小腦和脊髓，、研究發現MS患者的IGFBP表達增加[46]或少突膠質細胞IGF-1R表達減少[13]，并且在脫髓鞘斑塊的邊緣發現IGF-1和IGF-1R表達上調[46-47]。

Frank等[48]對7例女性患者進行了為期6個月的rhIGF-1治療，雖臨床轉歸無明顯變化，但MRI檢測到炎性病變未發生明顯進展。Lewitt等[13]通過給自身免疫性腦脊髓炎模型小鼠皮下注射rhIGF-1，發現治療組小鼠急性期尾部和肢體無力的嚴重程度降低，大腦和脊髓病變減少；免疫染色發現rhIGF-1治療的小鼠大腦和脊髓中巨噬細胞樣細胞減少，證實了rhIGF-1治療能減少神經功能缺損、中樞神經系統病變大小和數目以及炎癥反應的假設。

3.2腦血管疾病 腦血管病主要包括缺血性腦卒中(ischemic stroke,IS)、腦出血、自發性蛛網膜下腔出血以及血管原因導致的認知功能的減退。流行病學研究表明，低IGF-1和IGFBP-3水平與缺血性心臟病和中風的發病率和死亡率增加有關[49]。IGF-1內分泌軸通過復雜的蛋白質相互作用網絡對血管系統產生了至關重要的影響[50]。

3.2.1IGF-1與IS IS是最常見的致死和致殘原因之一。急性期較高的IGF-1水平與更好的神經恢復和物理結果有關，而IGF-1水平低者，往往預示著不良的功能結局和死亡[51]；隨著IS患者血清IGF-1水平與臨床結果呈正相關的證據越來越多，IGF-1具有神經保護作用越來越明確[49,52]。IS模型大鼠注射IGF-1治療，可使3個月齡大鼠梗死體積減少32%，并改善神經功能學評分(neurological deficit scores，NDS)[53]；在6～7個月齡大鼠中也顯示了類似的結果，減少了38%的梗死體積[54]。

Kim等[55]研究提示了IGF-1基因的rs 6214和rs2162697與腦卒中的發生有關。Yao等[56]研究發現IGF-1 mRNA的表達在IS中顯著上調，相反，IGFBP-3 mRNA的表達在IS中明顯下調。IGF-1信號通路基因的主要效應是通過基因-基因相互作用增加腦卒中風險，有學者提出IGF-1和IGFBP3的差異表達可能是IS診斷和預后的潛在生物標志物[50,57]。

3.2.2IGF-1與出血性腦卒中 老年人各型腦出血的患病率可達到50%，被認為是神經元功能逐漸受損的一個重要因素。臨床和實驗研究表明，正常的IGF-1水平對于維持腦微循環的結構完整性非常重要，IGF-1缺乏，特別是年齡相關的IGF-1水平下降，使腦動脈壁減弱和變薄，促使血管損傷/破裂，促進自發性腦出血的發展[58]。幼年時IGF-1缺乏也被證明會損害腦血管功能并加重高血壓所致的腦微出血[59]。Fulop等[60]研究發現，IGF-1缺乏損害了血管彈性蛋白含量的適應性變化，使腦小動脈的結構不適應高血壓，血管彈性降低和ECM成分失調；并且IGF-1缺乏會加劇高血壓引起的腦動脈壁MMP的激活，使血管內膜發生病理重塑、血管脆性增加。

3.2.3血管性認知障礙(vascular cognitive impairment,VCI) VCI指的是一組可歸因于腦血管系統病理狀態導致的認知障礙的一大類綜合征。主要損害執行功能、近記憶、注意和語言等高級認知功能，亦可伴有精神癥狀[61]。

研究表明，年齡相關的循環IGF-1水平下降可導致腦微血管的功能損害[11]，與血管性癡呆風險有關[7]，補充IGF-1能誘導海馬血管生成和神經發生，敲除IGF-1基因可使小鼠神經血管解偶聯[62]。在認知缺陷的受試者中發現，血IGF-1水平降低是VD和中風的危險因素[63]。外周注射IGF-1可以穿過血腦屏障，通過IGF-1/AKT途徑改善認知缺陷，可作為VCI潛在治療方法的重要證據[64]。

4 小結與展望

隨著研究的深入，IGF-1的生物學作用機制的面紗被層層揭開，其在神經生物調節網絡中的作用亦越來越被重視。體內、外試驗及人體藥物試驗研究等發現，IGF-1對CNS具有保護作用和營養作用，能夠影響神經細胞的生長、存活和分化，并且動物和臨床試驗均已證實了其安全性和耐受性，而有效性和治療途徑的探索也一直在進行中，這些都預示了IGF-1可能成為最有潛力的CNS疾病治療藥物之一。