胰島素生長因子-1在缺血性腦血管病中的研究進展

王鐘情 李愛麗 (吉林大學(xué)第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，吉林 長春 130041)

我國現(xiàn)已進入人口老齡化社會，腦血管疾病的發(fā)病率、致殘率日益受到關(guān)注。腦血管病包括缺血性腦血管病和出血性腦血管病，前者約占腦血管病的75%，也是引起神經(jīng)損傷的常見疾病。近年來研究發(fā)現(xiàn)，胰島素生長因子-1(IGF-1)作為一種腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，參與了缺血、缺氧后腦損傷的修復(fù)過程，在神經(jīng)細胞的增殖、分化、神經(jīng)組織的再生等方面發(fā)揮重要作用，并能縮小腦梗死的體積。本文就其最新的研究進展進行綜述。

1 IGF-1的基本特征

1.1 IGF-1的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu) 1957年Salmon等〔1〕在研究生長激素(GH)的過程中，首先發(fā)現(xiàn)GH本身不能直接刺激軟骨生長，而是通過刺激機體產(chǎn)生某種中間物質(zhì)進入血液中，由此來刺激軟骨的生長。當時把這種生長因子稱為“硫酸化因子”(Sulfation factors)。1963年Froesh等發(fā)現(xiàn)血清中只有小部分對肌肉和脂肪細胞的胰島素樣作用被胰島素的抗血清抑制，不被抑制的胰島素樣活性因子可溶于酸化的乙醇中，并將其命名為不被抑制的胰島素樣活性因子(NSILAs)，包括NSILAⅠ和NSILAⅡ2個家族成員。1972年P(guān)ieron和Temin從牛血清中純化出一種因子，命名為“增殖刺激活性因子”，此因子可以刺激細胞的分裂。上述三個實驗取得成功后，人們發(fā)現(xiàn)了上面三種物質(zhì)所具有的不可抑制的胰島素樣活性及生長刺激作用。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，直到1978年人們純化了兩種形式的NSILA(Ⅰ、Ⅱ)，并發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與胰島素的同源性約50%，故將其命名為IGF-1和IGF-2。

IGF-1是一種7 500 kD的肽類激素，由70個氨基酸組成，中間通過3個二硫鍵連接;含有4個結(jié)構(gòu)域，分別為B(1～29 aa)、C(30 ～41 aa)、A(42 ～62 aa)、D(63 ～70 aa)結(jié)構(gòu)域。人類IGF-1包括6個外顯子、5個內(nèi)含子，定位在12號染色體長臂。其結(jié)構(gòu)與胰島素相似，同源性約為50%。IGF-1在腦中分布廣泛，是出生后大腦發(fā)育所必需的生長調(diào)節(jié)因子。

1.2 IGF-1的生物學(xué)特性 人體許多組織，如腎臟、腦、肺等都可以合成并分泌IGF-1，但在正常機體內(nèi)主要由肝臟合成，因此，IGF-1主要存在于血液中。IGF-1的生理功能主要有:(1)促進生長發(fā)育。IGF-1主要調(diào)節(jié)機體出生后的生長發(fā)育。(2)促進細胞的增殖和分化。IGF-1通過自分泌和旁分泌機制對成骨細胞等的增殖、分化起調(diào)節(jié)作用。(3)促進物質(zhì)代謝、葡萄糖的攝取及蛋白質(zhì)與脂肪的合成，IGF-1對脂肪細胞的增殖、分化的影響比 IGF-2 強〔2〕。

在血液及組織液中IGF-1不是游離存在的，而是通過與其受體結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)作用。人血液中IGF-1的含量主要通過GH-IGF-1軸調(diào)節(jié)，GH調(diào)節(jié)血液中IGF-1的含量，IGF-1通過負反饋調(diào)節(jié)GH水平。IGF-1和胰島素與IGF-1受體和胰島素受體產(chǎn)生交叉反應(yīng)〔3〕，其原因為IGF-1受體和胰島素受體都是酪氨酸激酶活性的四聚體，具有顯著同源性。IGF結(jié)合蛋白(IGFBPs)是一類特異性蛋白，與IGF-1具有高度親和力，它能延長IGF-1的半衰期，是影響血液IGF-1含量的最直接因素。在組織中IGFBPs通過阻止IGF-1與其受體的結(jié)合來抑制IGF-1的作用。在血液循環(huán)中約99% 的IGF-1與其結(jié)合蛋白結(jié)合，IGFBPs磷酸化程度影響著它與IGF-1的親和力。此外，年齡、營養(yǎng)狀況、體重指數(shù)等都可影響血液中IGF-1的活性。一般認為IGF-1的生物活性受IGF-1R和 IGFBPs的調(diào)節(jié)。迄今發(fā)現(xiàn)IGFBPs有6位成員，即IGFBP1～6，其中IGFBP3對IGF-1活性影響最大。

IGF-1主要通過兩條受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路即絲裂原激活的蛋白激酶 (RaS/MAPK)通路和磷脂酰肌醇-3激酶 (PI3K/Akt)通路，發(fā)揮促進蛋白質(zhì)、核酸合成及碳水化合物代謝、介導(dǎo)細胞生長、發(fā)育及分化的作用〔4〕。IGF-1通過MAPK通路調(diào)節(jié)生長效應(yīng);PI3K通路是調(diào)節(jié)代謝效應(yīng)，通過內(nèi)皮一氧化氮合酶 (eNOS)將內(nèi)皮NO生產(chǎn)與骨骼肌葡萄糖的攝取聯(lián)系起來。其作用機制可能歸因于其胰島素類似效用作用于PI3K通路。

2 IGF-1在缺血性腦血管病中的表達

2.1 IGF-1在缺血性腦血管病中腦組織內(nèi)的表達 IGF-1在正常腦組織中主要是由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞分泌，當腦組織受損時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的巨噬細胞也可分泌內(nèi)源性的IGF-1。IGF-1在垂體含量最高，其次是嗅球、上位腦干、小腦、紋狀體、海馬、低位腦干和腦皮質(zhì)。在生理狀態(tài)下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)有廣泛的IGF-1免疫反應(yīng)性和IGF-1 mRNA的表達，并發(fā)現(xiàn)IGF-1受體在蛋白、mRNA和DNA等不同水平廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，IGF-1在正常成熟的腦組織中呈廣泛的低水平表達。在腦組織發(fā)生缺血性損傷時，IGF-1在腦中的表達和分布均發(fā)生明顯改變〔5〕。吳紅瑛等〔6〕通過實驗研究發(fā)現(xiàn)腦缺血發(fā)生后，腦中IGF-1分泌增加，腦缺血再灌注3 d時IGF-1的含量達高峰，證實IGF-1主要作用于缺血缺氧性腦損傷灶的第二階段(遲發(fā)性細胞死亡階段)，對受損的神經(jīng)細胞起保護和修復(fù)作用。7 d時IGF-1在梗死灶中心區(qū)和半暗帶區(qū)表達有所下降，這表明缺血再灌注可促進內(nèi)源性IGF-1表達增加，但其維持時間并不長，這對于長時間缺血狀態(tài)下神經(jīng)組織的自我保護和修復(fù)是不利的。Kooijam等〔7〕研究顯示在腦缺血急性期后，受損腦組織IGF-1 mRNA表達逐漸增加，到第5天達高峰，然后逐漸降低。Gustafson等〔8〕在研究腦缺血動物模型時，檢測IGF-1和IGF-1R mRNA的含量，發(fā)現(xiàn)缺血側(cè)腦組織IGF-1R mRNA在缺血3 d后明顯增加，然后迅速回落至缺血前水平，缺血后14 d再度明顯增加。這些研究結(jié)果證實腦缺血損傷后 IGF-1分泌增加。IGF-1的表達還與損傷程度有關(guān)，損傷較輕時IGF-1僅表達于大腦皮質(zhì)組織，損傷較重時彌漫分布于整個受損半球。

2.2 IGF-1在缺血性腦血管病外周血中的表達 在正常生理狀態(tài)下，GH通過調(diào)節(jié)肝臟GH受體促進肝臟IGF-1基因的表達，從而促進IGF-1的合成和釋放。血清中的IGF-1濃度和血清中的GH在24 h內(nèi)大致平行。急性缺血性腦卒中患者腦組織壞死、血管壁損傷、血腦屏障通透性增加，使體內(nèi)的IGF-1發(fā)生了再分布，外周血中的IGF-1透過受損的血腦屏障進入腦內(nèi)，對受累神經(jīng)細胞起到保護作用〔9〕。大量研究表明，腦損傷可引起內(nèi)分泌系統(tǒng)的顯著異常，腦卒中后機體對GH的需要量增多，組織內(nèi)的分布改變、代謝清除率的增加以及神經(jīng)營養(yǎng)因子分布的改變，均可影響血清IGF-1水平。Schwab等〔10〕研究發(fā)現(xiàn)在急性缺血性腦卒中患者中，外周血IGF-1水平明顯降低，可能與腦缺血缺氧后腦組織對IGF-1的需求增加、IGF-1組織分布由外周移向腦部、代謝清除增加及促GH軸的中樞抑制等多種因素有關(guān)。張鴻〔11〕等通過研究57例急性腦梗死患者血清IGF-1水平含量變化發(fā)現(xiàn)腦梗死患者血清IGF-1水平顯著下降，同時還發(fā)現(xiàn)血清IGF-1的下降程度與腦梗死的病灶大小及病情輕重程度均有明顯的相關(guān)性。Schwab等〔10〕研究發(fā)現(xiàn)急性缺血性腦卒中患者外周血IGF-1水平下降程度與腦損傷的程度呈正相關(guān)，梗死的范圍越大，病情越重，IGF-1的下降越明顯。Endres等〔12〕通過研究小鼠大腦中動脈閉塞及再灌注后血清中IGF-1的含量水平，發(fā)現(xiàn)血清中IGF-1水平與腦卒中治愈率呈負相關(guān)。分析其原因可能是腦梗死發(fā)生后，血清中IGF-1向腦內(nèi)轉(zhuǎn)移，血清IGF-1含量下降，IGF-1下降越明顯，可能提示IGF-1轉(zhuǎn)移至腦內(nèi)越多，這樣對受損腦組織的保護作用越強，因此腦梗死治愈率越高。也有研究表明，梗死灶的大小可能與IGF-1和IGFBP3水平有關(guān)，原因可能是腦梗死發(fā)生后，IGF-1和IGFBP3結(jié)合透過受損的血腦屏障，進入腦組織，導(dǎo)致血清IGF-1和IGFBP3水平顯著減低。IGF-1和IGFBP3在腦缺血區(qū)抑制神經(jīng)元細胞凋亡，減少梗死面積或阻止梗死面積進一步擴大。上述實驗提示腦梗死急性期IGF-1對神經(jīng)組織具有保護作用，故監(jiān)測急性腦梗死患者的血清IGF-1水平可對腦梗死病情輕重及預(yù)后做出評估，如能尋找出IGF-1適宜的給藥途徑或者在某種干預(yù)下使腦組織IGF-1含量增加，將為腦缺血性疾病的有效治療帶來可期待的前景。

3 IGF-1在缺血性腦血管病中的保護作用

IGF-1是一種腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，在神經(jīng)的生長發(fā)育中起著重要作用，包括維持神經(jīng)元生長、抑制凋亡、促進分化、維持神經(jīng)元興奮性等作用，并參與腦血管的生成〔13〕。腦組織受損傷時，IGF-1被激活，其在腦組織中的表達和分布發(fā)生顯著變化。IGF-1通過多種途徑發(fā)揮神經(jīng)保護作用，包括誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子釋放，抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，增加腦血流量，降低大腦溫度等，還可通過抑制中樞神經(jīng)元凋亡而起中樞保護作用。血清高水平的IGF-1可以減少細胞凋亡率和壞死率，保護腦組織免受缺血造成的損害。劉薇等〔14〕等通過研究大鼠腦缺血后缺血中心區(qū)及半暗帶區(qū)IGF-1系統(tǒng)的變化，發(fā)現(xiàn)IGF-1系統(tǒng)在腦組織損傷后48 h達高峰，這種變化可能與腦缺血后IGF-1參與神經(jīng)保護有關(guān)。孫海燕等〔15〕采用免疫組化(ABC法)檢測小腦各層缺血再灌注不同時間IGF-1的表達，結(jié)果表明 IGF-1對中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有較早的神經(jīng)營養(yǎng)保護作用。Kooijman等〔7〕研究發(fā)現(xiàn)外源性IGF-1可以刺激神經(jīng)細胞再生，進一步證實了IGF-1的神經(jīng)保護作用。

IGF-1神經(jīng)保護作用的機制目前尚不清楚，可能與以下因素有關(guān):(1)IGF-1神經(jīng)保護作用是通過其受體作用實現(xiàn)的。Guan等〔16〕在低氧缺血損傷后觀察到神經(jīng)細胞壞死和凋亡，神經(jīng)細胞表面IGF-1與IGF-1R結(jié)合明顯處細胞膜完整。IGF-1與IGF-1受體結(jié)合發(fā)揮生物效應(yīng)，當腦內(nèi)發(fā)生缺血時，IGF-1與IGF-1R結(jié)合顯著增加，激活PI3激酶和MAP激酶，起到信使的作用，將有絲分裂和代謝信號傳遞到細胞內(nèi)，促進神經(jīng)元和神經(jīng)軸突生長。(2)抑制細胞凋亡。缺血缺氧致腦損傷時，神經(jīng)元的死亡主要是遲發(fā)性細胞死亡，而IGF-1可以預(yù)防NO和N-甲基-D-天氡氨酸(NMDA)受體介導(dǎo)的腦毒性作用，減少大腦皮層細胞的凋亡數(shù)量。(3)調(diào)節(jié)離子通道活性。近年來的研究表明IGF-1能通過調(diào)節(jié)通道活性發(fā)揮神經(jīng)保護作用。張鳳軍等〔17〕通過研究 IGF-1對背根神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元谷氨酸(Glu)損傷的保護作用發(fā)現(xiàn)，IGF-1可通過減低鈣離子內(nèi)流，抑制細胞凋亡，從而對Glu損傷的DRG神經(jīng)元產(chǎn)生保護作用。(4)選擇性減少腦缺血損傷神經(jīng)元死亡。如IGF-1可以保護基底核的膽堿能和一些γ-氨基丁酸能神經(jīng)元。(5)許春花等〔18〕研究表明IGF-1有助于提高腦內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)活性，降低NO含量，從而減少脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生加強抗氧化能力，有利于減輕缺氧缺血后的神經(jīng)元損傷。腦缺血后細胞內(nèi)鈣增加、NO的產(chǎn)生在程序性死亡的形成中具有重要作用，機制可能與抑制鈣離子內(nèi)流有關(guān)。

IGF-1還有促進神經(jīng)、血管再生的作用。Zhu等〔19〕通過實驗研究表明應(yīng)用IGF-1治療腦梗死能有效地促進神經(jīng)和血管再生。

4 展望

IGF-1在缺血性腦血管病的動物實驗方面研究較多，但在缺血性腦血管病的臨床研究方面較少。IGF-1作為一種神經(jīng)保護因子，為預(yù)測缺血性腦血病的發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后提供了一定的參考價值。IGF-1有可能成為治療缺血性腦血管病的新手段，其應(yīng)用于臨床的作用機制及不良反應(yīng)等還有待進一步研究。

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