胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)在運(yùn)動(dòng)性脊髓損傷中的作用①

張?jiān)?王維群

(蘇州大學(xué)體育學(xué)院 江蘇蘇州 215000)

脊髓損傷(SCI)是指由于嚴(yán)重外力所致的椎管中神經(jīng)組織損害,導(dǎo)致暫時(shí)或永久的運(yùn)動(dòng),感覺功能障礙。主要的致病因素依次為:車禍、高空墜落、暴力以及激烈的體育運(yùn)動(dòng)。最新的研究發(fā)現(xiàn)脊髓神經(jīng)元并沒有喪失再生能力,由此為脊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重建提供了可能。應(yīng)用外源神經(jīng)生長(zhǎng)因子刺激神經(jīng)元軸突再生是脊髓損傷治療研究的熱門方向,其中胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1),被認(rèn)為是最有效的神經(jīng)生長(zhǎng)因子之一。本文就IGF-1在脊髓損傷治療中的作用及其機(jī)制做一綜述。

1 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)概述

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1是由70個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的單鏈多肽,分子量7649Da,主要由肝臟合成。在細(xì)胞外液中,IGF-1主要和6種IGF結(jié)合蛋白(IGFBP)以無(wú)活性的復(fù)合物形式存在,在需要時(shí),IGFBP的化學(xué)修飾,水解及IGF-1高親和受體的表達(dá)參與了IGF-1的激活。

1.1 IGF-1的生物學(xué)功能

IGF-1是生長(zhǎng)激素(GH)發(fā)揮作用的中介,研究發(fā)現(xiàn)GH并不直接作用于靶組織,而是依賴GH/IGF-1軸,即腦垂體分泌GH后,GH刺激肝臟釋放IGF-1,IGF-1進(jìn)而刺激細(xì)胞生長(zhǎng)。IGF-1是一類多功能細(xì)胞增殖調(diào)控因子,幾乎可作用于所有的組織細(xì)胞[1]。主要生物學(xué)功能有:(1)類胰島素作用:IGF-1由于結(jié)構(gòu)與胰島素相似,可與胰島素受體結(jié)合,發(fā)揮降血糖和降血脂的作用。(2)促有絲分裂作用:IGF-1經(jīng)過(guò)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能夠激活有絲分裂原蛋白激酶(MAPK)通路,從轉(zhuǎn)錄水平促進(jìn)DNA合成和有絲分裂。(3)促進(jìn)細(xì)胞分化:IGF-1與其它多種生長(zhǎng)因子共同參與胚胎時(shí)期的促分化,對(duì)成神經(jīng)細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn),在含有IGF-1的培養(yǎng)液中,最終分化成的神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量比沒有IGF-1的對(duì)照組多8～40倍。(4)抗細(xì)胞凋亡:IGF-1是重要的細(xì)胞存活因子,如果細(xì)胞喪失存活信號(hào),就會(huì)啟動(dòng)內(nèi)部凋亡程序,而IGF-1能夠激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB等,進(jìn)而產(chǎn)生多種凋亡抑制因子。

1.2 IGF-1的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

IGF-1與它的受體IGF1R結(jié)合啟動(dòng)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),IGF1R屬受體酪氨酸激酶家族(RTK),能夠高效的激活RTK-PI3K-Akt通路和RTK-Ras-MAPK通路,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞增殖分化,有效的抑制細(xì)胞程序性死亡。

(1)PI3K-Akt途徑:IGF-1與受體結(jié)合后,受體胞內(nèi)段酪氨酸激酶首先活化磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K),PI3K催化細(xì)胞膜上磷脂酰肌醇生成磷脂酰肌醇-2磷酸(PIP2)和磷脂酰肌醇-3磷酸(PIP3)。Akt(或稱蛋白激酶B,PKB)利用PH結(jié)構(gòu)域錨定于PIP3上進(jìn)而被活化。激活后的Akt可促使其底物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)活化多種調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)分化的轉(zhuǎn)錄因子,或直接磷酸化下游信號(hào)蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基,調(diào)控細(xì)胞凋亡過(guò)程[2]。

(2)Ras-MAPK途徑:信號(hào)的起始,IGF-1R交叉磷酸化受體二聚體內(nèi)部的酪氨酸殘基,磷酸酪氨酸首先被生長(zhǎng)因子受體結(jié)合蛋白2(GRB2)的SH2結(jié)構(gòu)域識(shí)別,然后GRB2的SH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合并激活一種鳥苷酸交換因子(SOS),SOS催化非活化的Ras-GDP轉(zhuǎn)化成活化的Ras-GTP?；罨腞as啟動(dòng)磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng),最終激活MAPK,MAPK名為有絲分裂原活化蛋白激酶,進(jìn)入細(xì)胞核后可使許多底物蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化,包括調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和細(xì)胞分化的特異性蛋白表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子,從而修飾它們的活性[3]。

2 IGF-1在脊髓損傷治療中的作用

2.1 IGF-1的神經(jīng)元保護(hù)作用

凋亡是細(xì)胞的自發(fā)死亡過(guò)程,細(xì)胞的存活需要外界持續(xù)的存活信號(hào)刺激,如果失去存活信號(hào),細(xì)胞便會(huì)啟動(dòng)內(nèi)部的凋亡程序,神經(jīng)元的存活信號(hào)來(lái)自于靶組織逆向轉(zhuǎn)運(yùn)的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子。在脊髓損傷后,失去與靶組織連系的神經(jīng)元發(fā)生程序性凋亡是神經(jīng)元死亡的主要原因。Kanje等觀察到,在大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中,損傷處的IGF-1逆行輸送到神經(jīng)元,并誘發(fā)神經(jīng)元的一系列保護(hù)措施,推測(cè)IGF-1可能是神經(jīng)保護(hù)程序的啟動(dòng)者。研究還發(fā)現(xiàn),脊髓神經(jīng)元或神經(jīng)軸索損傷后,神經(jīng)細(xì)胞和失神經(jīng)支配骨骼肌細(xì)胞出現(xiàn)IGF-1表達(dá)上調(diào)。這可能是由于負(fù)反饋?zhàn)饔?失去聯(lián)系的靶組織和神經(jīng)元過(guò)量表達(dá)IGF-1,有利于相應(yīng)的再生反應(yīng)。付長(zhǎng)峰等用脂質(zhì)體介導(dǎo)IGF-1干預(yù)大鼠SCI模型,證明IGF-1可抑制大鼠脊髓前角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元凋亡。Carawell等發(fā)現(xiàn)IGF-1可顯著減少缺血再灌注后的海馬神經(jīng)元凋亡。

SCI后破碎的組織細(xì)胞會(huì)釋放TNF及Fas等死亡配體,與神經(jīng)元死亡受體結(jié)合啟動(dòng)Caspase依賴性凋亡程序。正常的細(xì)胞內(nèi)存在很多Caspase家族抑制因子,如c-IAP,c-FLIP,BAR以及Bcl家族的Bcl-2和Bcl-xl。這些因子都能夠被IGF-1受體介導(dǎo)的PI3K-Akt通路和Ras-MAPK通路激活。Akt和PKC可以激活I(lǐng)kB激酶(IKK),IKK磷酸化I-κB使之與轉(zhuǎn)錄因子NF-κB解離,NF-κB的一個(gè)重要功能是促進(jìn)凋亡抑制基因的轉(zhuǎn)錄,研究發(fā)現(xiàn)NF-κB基因剔除的小鼠在胚胎第15天就死于肝細(xì)胞的大量凋亡。IGF-1可以通過(guò)AKT抑制轉(zhuǎn)錄因子p53,p53能夠促使線粒體釋放細(xì)胞色素C啟動(dòng)內(nèi)源凋亡途徑。此外,PI3K/Akt通路還能活化蛋白激酶Tor從而抑制自噬相關(guān)蛋白Atg,可能參與細(xì)胞自噬的調(diào)控。Brunet和趙靈芝各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn),IGF-1經(jīng)PI3K-Akt依賴性途徑保護(hù)苯妥英誘導(dǎo)的小腦顆粒神經(jīng)元凋亡[4]。很多研究證明了IGF-1的神經(jīng)元保護(hù)作用都伴隨著Bcl-2的表達(dá)上調(diào),推測(cè)大量的Bcl-2蛋白能穩(wěn)定線粒體膜的通透性,阻斷細(xì)胞色素C誘導(dǎo)的凋亡途徑,這可能是IGF-1抗凋亡的主要途徑。

IGF-1還被發(fā)現(xiàn)能夠抑制NO所致的細(xì)胞凋亡,NO主要由體內(nèi)的三種NO合酶催化生成(NOS),損傷后的炎癥因子促使iNOS大量表達(dá),生成過(guò)量的NO,NO繼而生成強(qiáng)氧化劑過(guò)氧亞硝酸根(ONOO-),破壞生物膜完整性,致使Ca2+等大量?jī)?nèi)流,引起一系列繼發(fā)的細(xì)胞損傷。利用基因敲除或反義RNA技術(shù)抑制NOS能明顯改善缺血缺氧后神經(jīng)細(xì)胞的凋亡。IGF-1被證實(shí)能下調(diào)脊髓損傷后神經(jīng)元NOS的表達(dá),拮抗NO的生成從而抑制炎癥引起的神經(jīng)細(xì)胞大量壞死[5]。

隨著研究的深入,IGF-1抗神經(jīng)元凋亡的新機(jī)制也不斷被提出來(lái),如H.S.Sharma等發(fā)現(xiàn)IGF-1預(yù)處理的大鼠脊髓半橫斷模型中血紅素氧化酶(HO)和熱休克蛋白(HSP)表達(dá)顯著下降,HO能促進(jìn)CO的生成,可能對(duì)神經(jīng)元有毒性作用,認(rèn)為這可能是神經(jīng)保護(hù)作用的關(guān)鍵。吳柱國(guó)等發(fā)現(xiàn)了一個(gè)未被報(bào)道過(guò)的IGF-1抑制細(xì)胞凋亡的信號(hào)傳導(dǎo)通路BTEB-CYP1A1通路,提示了線粒體也同樣參與到IGF-1抑制細(xì)胞凋亡的過(guò)程當(dāng)中[6]。

2.2 IGF-1與神經(jīng)再生

脊髓損傷后神經(jīng)元軸突的再生能力被多種抑制因子所阻斷,它們包括少突膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的Nogo,髓磷脂相關(guān)糖蛋白MAG,OMgP,膠質(zhì)細(xì)胞瘢痕產(chǎn)生的CSPGs以及信號(hào)素3A等。針對(duì)這些因子進(jìn)行的基因敲除或抗體實(shí)驗(yàn)都觀察到了神經(jīng)軸突的增生。研究者用IGF-1來(lái)刺激神經(jīng)細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)IGF-1能夠促進(jìn)軸突再生。如Koechling用添加有IGF-1的培養(yǎng)基能明顯促進(jìn)人脊髓神經(jīng)元再生,Kanje也用IGF-1成功刺激鼠坐骨神經(jīng)再生[7]。Rishard Salie比較了多種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)體外培養(yǎng)的雞延髓神經(jīng)元再生刺激作用,發(fā)現(xiàn)IGF-1能顯著增加前庭脊髓束和縫核脊髓束神經(jīng)元軸突長(zhǎng)度,并且神經(jīng)元和周圍非神經(jīng)組織的IGF-1受體,TrkB和p75NTR表達(dá)顯著增加。Rind甚至報(bào)道了IGF-1在體內(nèi)外對(duì)多種類型的神經(jīng)元都有促增生作用,但也有研究者提出異議,Edmund R的IGF-1轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)只促進(jìn)了皮質(zhì)脊髓束神經(jīng)元的存活但是沒有促進(jìn)其再生,提示IGF-1的體內(nèi)作用需要局部微環(huán)境的支持[8]。

IGF-1促進(jìn)神經(jīng)再生的機(jī)制可能是通過(guò)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)激活了多種再生相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子實(shí)現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)RTK-PI3K-Akt通路在神經(jīng)再生中扮演重要角色,其Akt/mTORC1/p70S6K級(jí)聯(lián)反應(yīng)活化激酶p70S6K,p70S6K進(jìn)而磷酸化核糖體小亞基的S6蛋白,含有S6蛋白的核糖體被優(yōu)先利用,合成某些再生相關(guān)的蛋白質(zhì)。mTORC1磷酸化4EBP使其喪失對(duì)mRNA帽子結(jié)構(gòu)結(jié)合蛋白eif-4E的抑制作用,活化的eif-4E幫助mRNA與核糖體小亞基結(jié)合,促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。應(yīng)用內(nèi)源性的mTORC1抑制因子PTEN能顯著減弱神經(jīng)損傷后的軸突再生。Akt還能活化糖原合成酶激酶3(GSK3),GSK3的大量表達(dá)在神經(jīng)突重塑以及成熟神經(jīng)突向軸突的轉(zhuǎn)變過(guò)程中具有重要作用。此外RTK-Ras-MAPK通路能夠活化轉(zhuǎn)錄因子c-jun,c-jun在神經(jīng)元分化和軸突生長(zhǎng)中扮演重要角色,能抑制淋巴細(xì)胞的過(guò)度增生,抑制小膠質(zhì)細(xì)胞向巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)變,從而控制炎癥反應(yīng),目前成功的軸突再生實(shí)驗(yàn)均觀察到c-jun的表達(dá)上調(diào)。研究還發(fā)現(xiàn)Ras-MAPK-Erk通路能夠促進(jìn)神經(jīng)延長(zhǎng),Erk名為細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶,其作用可能是促進(jìn)軸突生長(zhǎng)所必需的骨架蛋白mRNA轉(zhuǎn)錄,幾例體外實(shí)驗(yàn)充分證明Ras-Raf-Erk通路在外周神經(jīng)增生中的調(diào)節(jié)作用。Ras和PI3K均能激活轉(zhuǎn)錄因子Elk-1,E1k-1是重要的代謝相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子。在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中、抑制ras、raf、MEK、和ERK等在神經(jīng)受損后上調(diào)表達(dá)的分子,均能夠阻止胚胎神經(jīng)元的存活和分化,抑制Akt活性也能夠阻止神經(jīng)再生[9]。

2.3 IGF-1與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分,包括星型膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、施萬(wàn)細(xì)胞、衛(wèi)星細(xì)胞等。膠質(zhì)細(xì)胞上都表達(dá)p75NTR受體和RTK受體,是IGF-1的靶細(xì)胞,IGF-1參與了胚胎時(shí)期神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的分化,在神經(jīng)組織損傷后能夠促進(jìn)膠質(zhì)細(xì)胞的遷移和增生。

少突膠質(zhì)細(xì)胞的突起形成了中樞神經(jīng)髓鞘,脊髓損傷后脫髓鞘改變導(dǎo)致神經(jīng)壞死,防止髓鞘壞死和髓鞘重建是脊髓損傷治療的重要策略。IGF-1介導(dǎo)的胞內(nèi)信號(hào)通路同樣能夠抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞自發(fā)凋亡,此外IGF-1還能刺激內(nèi)源的少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(OPCs)向成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞分化,從而幫助髓鞘重建。研究還發(fā)現(xiàn),IGF-1能夠促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞增生,而施萬(wàn)細(xì)胞是外周神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘細(xì)胞。

星型膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)組織損傷修復(fù)中的作用十分復(fù)雜,過(guò)去一直認(rèn)為其不利于損傷后的神經(jīng)再生,因?yàn)槟z質(zhì)瘢痕表達(dá)了幾種神經(jīng)再生抑制因子。但其有益作用正逐漸被發(fā)掘,首先，損傷后星型膠質(zhì)細(xì)胞的激活能夠快速修復(fù)血脊髓屏障(BSB),減少白細(xì)胞滲透和小膠質(zhì)細(xì)胞向巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)變從而控制炎癥反應(yīng)。釋放血管收縮因子,控制血流量。內(nèi)吞多余的谷氨酸鹽,保護(hù)神經(jīng)元免于谷氨酸毒性作用。其次,它還能引導(dǎo)神經(jīng)軸突的生長(zhǎng),為神經(jīng)元提供支撐和營(yíng)養(yǎng)作用。IGF-1的部分脊髓修復(fù)作用,可能是通過(guò)星型膠質(zhì)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)細(xì)胞表面p75NTR受體,在損傷條件下使星型膠質(zhì)細(xì)胞激活。

小膠質(zhì)細(xì)胞在脊髓損傷后能夠轉(zhuǎn)變成巨噬細(xì)胞參與炎癥反應(yīng)。近年來(lái)的研究認(rèn)為,適當(dāng)?shù)难装Y反應(yīng)是脊髓修復(fù)所必需的。Galiano等通過(guò)沉默IL6基因顯著抑制了炎癥反應(yīng),但也導(dǎo)致了神經(jīng)再生放緩。Serpe等發(fā)現(xiàn)T和B淋巴細(xì)胞缺失而炎癥反應(yīng)低下的大鼠細(xì)胞凋亡反而更加嚴(yán)重。IGF-1通過(guò)p75NTR受體作用于小膠質(zhì)細(xì)胞能夠調(diào)控其向巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)變過(guò)程,p75NTR受體的缺失將會(huì)促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活和T淋巴細(xì)胞的募集。Gschwendtner等敲除小膠質(zhì)細(xì)胞p75NTR受體引起了更劇烈的炎癥反應(yīng),但并沒有觀察到神經(jīng)再生的加快。提示IGF-1可能通過(guò)調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞而將神經(jīng)組織的炎癥反應(yīng)維持在適當(dāng)?shù)某潭?從而為神經(jīng)再生提供合適的微環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

脊髓損傷的修復(fù)是一個(gè)受眾多因素影響的復(fù)雜過(guò)程,包括炎癥、細(xì)胞壞死與凋亡、膠質(zhì)瘢痕形成、再生微環(huán)境調(diào)控等。迄今為止的體外實(shí)驗(yàn)均證明了IGF-1能夠促進(jìn)神經(jīng)元軸突再生,IGF-1可能成為治療脊髓損傷的潛在藥物。但直接應(yīng)用外源IGF-1存在局部給藥困難,半衰期短等問(wèn)題。因此可以嘗試用安全的基因載體將IGF-1基因?qū)霌p傷部的細(xì)胞內(nèi),以增加局部IGF-1表達(dá)。基因治療與康復(fù)訓(xùn)練聯(lián)合運(yùn)用的效果,也需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)支持。此外,還可以探索IGF-1與GDNF、BDNF等其它多種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的攜同作用。

[1]Steven D.The growth hormone/insulin-like growth factor axis in intrauterine growth retardation:Pathophysiological and therapeutic implications[J].Endocrinology,1996,6:294-300.

[2]Stuenaes JT,Bolling A,Ingvaldsen A,etc.Beta-adrenoceptor stimulation potentiates insulin-stimulated PKB phosphorylation in rat cardiomyocytes via cAMP and PKA[J].Br.J.Pharmacol,2010,160(1):29,116.

[3]Avruch J.Ras activation of the Raf kinase:tyrosine kinase recruitment of the MAP kinase cascade[J].Recent Prog Hoorm Res,2001,56:127-155.

[4]趙靈芝,銀巍,蘇興文,等.IGF-1經(jīng)PI3K/Akt依賴性途徑保護(hù)苯妥英誘導(dǎo)的小腦顆粒神經(jīng)元凋亡[J].中國(guó)藥理學(xué)通報(bào),2005,21(1):53-57.

[5]李紅宇,王瑩,袁文,等.重組pEGFP-N1-IGF-1體內(nèi)轉(zhuǎn)基因預(yù)處理對(duì)脊髓損傷后一氧化氮合酶活性的影響[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2007,2(6):1031-1034.

[6]吳柱國(guó).胰島素樣生長(zhǎng)因子1保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡機(jī)制的探討[D].廣州:廣州醫(yī)學(xué)院,2010.

[7]Kanje M,Skottner A,Sjoberg J,et al.Insulin-like growth factor I(IGF-I)stimulates regeneration of the rat sciatic nerve[J].Brain Res.1989,486:396-398.

[8]Edmund R.Hollis,Paul Lu,et al.IGF-I gene delivery promotes corticospinal neuronal survival but not regeneration after adult CNS injury[J].Experimental Neurology,2009,215:53-59.

[9]Namikawa,Honma M,Takeda M，et al. Akt/protein kinase B prevents injury-induced moton euron death and accel erates axonal regeneration[J].J.Neurosci,2000,20:2875-2886.