胰島素樣生長因子-1衍生物的研究進展

謝 倩，李佳楠

（江漢大學 生命科學學院生物技術系，湖北 武漢 430056）

0 引言

胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）是一種單肽鏈（7.5 ku）的穩(wěn)態(tài)調節(jié)因子，它可以在幾乎所有的身體組織中以內分泌、旁分泌和自分泌的方式產生，參與了機體的許多合成和代謝過程，在生長、發(fā)育、壽命控制和衰老等方面發(fā)揮著重要作用［1-4］。因為IGF-1 對人體具有廣泛的生物學作用，如降血糖、降血脂、促生長、修復神經損害和增強免疫功能等［5］，因此許多生物制藥公司對于IGF-1 蛋白的藥物開發(fā)投入了大量的精力和財力，但由于IGF-1 作為藥物開發(fā)存在表達難的缺點，并且IGF-1 具有促進細胞生長和抗凋亡的作用，會提高機體腫瘤的發(fā)生的概率［6］，因此，為使IGF-1 成藥更具安全性和有效性，其衍生物的開發(fā)尤為重要。如何使其既能發(fā)揮正面作用同時又克服容易造成的不良反應是目前IGF-1 衍生物研究的難點和熱點。

為了使IGF-1 最大程度地發(fā)揮其功能，國外許多科研人員正積極研發(fā)IGF-1 類似物和衍生物。目前有些發(fā)達國家已有一部分研究成果，如美國已有IGF-1 衍生物相關的藥物通過了FDA 的審批，而我國IGF-1 衍生物尚處于研究階段。隨著生物醫(yī)學的迅速發(fā)展，對于IGF-1 的衍生物的研究也日益成熟，相信在不久的將來，IGF-1 衍生物相關的藥物可以為人類的健康提供一定的幫助。

1 IGF-1的生物學特征及功能

1.1 IGF-1的結構與IGF-1調控系統(tǒng)

IGF 家族包括胰島素、IGF-1 和IGF-2，后二者因與胰島素結構相似而得名。IGF-1 有70 個氨基酸殘基，相對分子量為7.649 ku，等電點約為8.2［7］，有3 對分子內的二硫鍵，IGF-1 與胰島素原的同源性高達49%，IGF-1 與胰島素原均含有A、B、C 3 個區(qū)域，但IGF-1 的羧基末端比胰島素原多一個D 區(qū)域，A鏈和B 鏈由二硫鍵銜接，C 肽為連接肽，比胰島素的C 肽略短。IGF-1 的結構如圖1所示。

圖1 IGF-1 結構示意圖Fig.1 Structure of IGF-1

胰島素樣生長因子家族包括IGF-1、IGF-2、IGF-1 受體（insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-1R）、IGF-2R、與IGF 有高度親和力的6 種胰島素樣生長因子結合蛋白（insulin-like growth factor binding proteins，IGFBPs）以及IGFBP 降解蛋白酶類。胰島素樣生長因子系統(tǒng)如圖2所示［8］。

人體許多組織如腎臟、大腦、肺等都可產生IGF-1，而在正常生物體內則主要由肝臟進行合成，這也是血液中存在大量IGF-1 復合物的原因。IGF-1R 是一種跨膜酪氨酸激酶蛋白，它是由α、β 兩個亞單位組成的四聚體結構，介導了IGF-1 和絕大部分IGF-2 的生物學活性［9］。在體內循環(huán)系統(tǒng)中，血液中游離的IGF-1 非常少，研究［10］表明體內游離的IGF-1 過高可能會有致癌致腫瘤的風險，循環(huán)系統(tǒng)中約99%的IGF-1 會與IGFBP 結合，其中與IGFBP-3 結合最多，IGFBP 對IGF-1 具有抑制和增強的雙向調控作用，IGFBP 與IGF-1 結合會占據IGF-1R 的結合位點，從而抑制IGF-1 的生物學活性；而IGFBP 與IGF-1形成的復合物又能保護其免受蛋白酶的降解，延長IGF-1 的半衰期，從而促進IGF-1 發(fā)揮其功能。

圖2 胰島素樣生長因子系統(tǒng)Fig.2 Insulin-like growth factor system

1.2 IGF-1及其衍生物的醫(yī)學功能

IGF-1 主要有類胰島素樣的促進代謝和有絲分裂的生物學作用。它能促進肌肉細胞對葡萄糖和氨基酸的攝取，增加糖原的合成，減少分解；除此之外還能抑制胰島素、生長激素水平、C 肽、胰高糖素和肝糖的輸出，降低血液中游離的脂肪酸和氨基酸水平；還可以促進細胞增殖，刺激組織細胞的生長與分化。研究［11］證明，生物體血液中IGF-1 降低會增加機體罹患心血管疾病的風險，如冠心病、心肌梗死、心絞痛等；由于IGF-1 參與了骨骼肌的許多合成代謝途徑，在調節(jié)蛋白質代謝和肌肉功能的通路中起著關鍵作用，因此IGF-1 在促進生長和肌肉萎縮的治療中發(fā)揮著顯著的作用［12］；IGF-1 還可以在高含量葡萄糖的情況下體外保護施旺細胞，并減少施旺細胞空泡化，因而IGF-1 在血清指標中對糖尿病神經病變的發(fā)生有提示作用，有助于糖尿病周圍神經病的及早發(fā)現(xiàn)、干預和治療［13］；此外，IGF-1 可以抑制凋亡因子和促進抗凋亡因子的表達，從而具有阻止細胞凋亡的作用，是維持人體年輕最基本的生長因子之一［14］。

IGF-1 在人體的生長代謝和疾病治療等方面發(fā)揮著不可替代的作用，但其帶來的增加患癌風險等負面影響也是不可忽視的，因此，對于IGH-1 衍生物的研究就顯得尤為重要。雖然IGF-1 具有神經保護作用，對腦損傷有一定的改善，但其分子體積大、中心吸收能力差、有絲分裂潛能小等缺點，限制了其在各種疾病中的臨床應用。

1.3 IGF-1的結構研究

IGF-1 的成熟多肽有A、B、C、D 4 個結構域（NH-B-C-A-D-COOH），結構域A、B 分別對應胰島素的A 鏈和B 鏈，其有約50%的同源性；環(huán)狀結構域C 連接A、B 結構域，相當于胰島素原的C 肽，而A 結構域的羧基端連接著無規(guī)則的D 結構域，在三維結構上，IGF-1 與胰島素也具有相似的結構，二者都有3 個螺旋結構和3 個分子內二硫鍵［15］。IGF-1 和胰島素的三維結構圖如圖3所示。IGF-1 分子含有3 個α螺旋，第一個螺旋位于Ala8 ～ Val17 氨基酸殘基之間，經過 Gly19 ～ Gly22 的β 轉角構象之后是Phe23 ～Asn26 的一個延伸結構；第二個螺旋位于Val44 ～Phe49 的殘基之間，位于Leu54 ～Met59 殘基之間的是第3 個螺旋。IGF-1 分子的3 對二硫鍵肽鏈緊密相連，Cys6 ～Cys48 之間的二硫鍵位于分子表面，而Cys18 ～Cys61 和Cys47 ～關Cys52 之間的二硫鍵則嵌入蛋白核心中；IGF-1 的疏水核心被3 個α 螺旋和一些多肽骨架包裹在遠離溶劑的地方。IGF-1 分子的兩個突出區(qū)域是C 和D 區(qū)域，C 區(qū)域的親水性較強，所以C3 ～C8 遠離分子表面，形成非常柔韌的結構，使得所有側鏈都處于溶液中，D 區(qū)具有發(fā)夾結構，2 個側枝由于疏水作用緊密靠攏，親水性側鏈則暴露于溶液［16］。

圖3 胰島素和IGF-1 的三維結構圖Fig.3 Three-dimensional structure diagram of insulin and IGF-1

2 截短型IGF-1

截短型IGF-1 是在完整型IGF-1 的基礎上，N 端缺少3 個氨基酸（甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸），因此也被稱為des（1-3）IGF-1，它最初在胎兒和成人的大腦中被發(fā)現(xiàn)，隨著研究的深入，在牛的初乳和豬的子宮也發(fā)現(xiàn)了 des（1-3）IGF-1，作為體內天然存在的截斷型 IGF-1，研究［17］表明，由于 des（1-3）IGF-1 游離的程度較高，而只有游離的IGF-1 才能發(fā)揮生物學功能，因此其生物學活性比完整型IGF-1 高出1.4 ～ 10 倍，刺激細胞增殖的能力也較完整型IGF-1 高出10 倍以上，并且des（1-3）IGF-1 具有不同的IGF-1R 和 IGFBP 結合 活性 。

已有研究［18］表明，牛初乳中的短鏈IGF-1 可以促進淋巴組織增生、調節(jié)T 細胞生長與分化，因此推測其體液調節(jié)的功能可能在早期治療糖尿病方面具有積極作用。除此之外，短鏈IGF-1 還可以降低生長激素水平、調節(jié)胰島素受體，增加臟器組織對胰島素的敏感性，從而達到對糖尿病慢性并發(fā)癥的改善。

趙維玲等［19］研究了牛初乳短鏈胰島素樣生長因子對脂蛋白誘導的腎小球系膜細胞增生與轉化生長因子-β1 表達的影響，結果發(fā)現(xiàn)加入牛初乳短鏈胰島素樣生長因子進行干預后，隨著短鏈胰島素樣生長因子水平的升高，腎小球系膜細胞的增殖率降低、凋亡率則升高；并且隨著短鏈胰島素樣生長因子干預時間的延長，腎小球系膜細胞的增殖率也隨之降低、凋亡率則隨之增高，說明短鏈胰島素樣生長因子水平可以抑制脂蛋白誘導的腎小球系膜細胞的異常增生，促進脂蛋白誘導的腎小球系膜細胞的凋亡，從而達到治療兒童增生性腎臟病、防止病變惡化的目的。

謝曌［20］提出了一種截短型的 IGF-1，N 端的 4 個氨基酸（Gly-Pro-Glu-Thr）和中間 C 區(qū)的氨基酸Gly-Ser-Ser-Ser-Arg-Arg-Ala 部分序列被酶切去，測序結果顯示，此衍生物編碼59 個氨基酸，符合預期的目的片段，通過檢測此蛋白的活性，顯示其在促進動物細胞生長方面的生物學作用十分顯著，為深入開展截短型IGF-1 的動物體內活性研究奠定了良好的基礎。

截短型IGF-1 比完整型IGF 在體內的穩(wěn)定性更好，同時也能發(fā)揮IGF-1 相應的生物學作用，甚至比IGF-1 對機體的正面效應更為明顯，因此des-（1-3）IGF-1 呈現(xiàn)出了很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

GUAN 等［21］研究了IGF-1 衍生的小神經肽，此衍生物是從IGF-1 的N-末端和環(huán)甘氨酸-脯氨酸（cGP）中分離合成得到的一種小神經肽，這種小神經肽具有比IGF-1 更好的藥代動力學特性和更實用的給藥途徑，提供了有效的神經保護作用，這種改良的神經肽可以克服內源性神經肽的局限性，是一種新的神經疾病藥物開發(fā)手段。

KRAEHNKE 等［22］研究了IGF-1 在標準球團培養(yǎng)和軟骨工程用透明質酸（HA）水凝膠中對骨髓間充質干細胞軟骨分化的影響，通過定量生化分析發(fā)現(xiàn)，IGF-1 和des（1-3）IGF-1 均可誘導糖胺聚糖（GAG）和膠原合成，且二者呈劑量依賴關系，但與des（1-3）IGF-1 相比，由于IGF-1 與IGFBPs 的結合增強，導致其生物利用度降低，因此需要更高劑量的IGF-1 誘導骨髓間充質干細胞的軟骨分化。

3 加長型IGF-1

加長型IGF-1 是將完整IGF-1 的基因序列與其他基因或調控序列相連接，使得最后誘導表達的蛋白質既具有IGF-1 的生物學功能，又能提高IGF-1 在人體內的穩(wěn)定性及避免長期用藥帶來的不良反應，從而達到改良IGF-1 的目的，使其在醫(yī)藥領域得到更廣泛的應用。

IGF-1-LongR3 是 IGF-1 的類似物，相比于天然的 IGF-1，IGF-1-LongR3 在 N 端多了 13 個氨基酸，由于IGF-1-LongR3 與IGFBP 的結合能力比IGF-1 低，而IGFBP 可以降低IGF-1 的活性，因此IGF-1-LongR3比IGF-1 更具有優(yōu)勢。ARAUJO 等［23］研究了IGF-1-LongR3 對牛卵母細胞的影響，發(fā)現(xiàn)IGF-1-LongR3對促進卵母細胞的成熟具有重要作用。

李亞明等［24］將IGF-1 與增強型綠色熒光蛋白（enhanced green fluorescent protein，EGFP）融合表達，構建重組質粒，并將其轉染進SD 大鼠牙囊細胞（rat dental follicle cells ，rDFCs），實驗發(fā)現(xiàn)pEGFP-N1-IGF-1 對rDFCs 的增殖和早期成骨分化效應具有一定的促進作用，為IGF-1 衍生物在牙周組織修復再生中的應用提供了試驗依據，具有一定的科學研究價值和應用潛力。

IGF-1 或其他蛋白質在單獨進行治療時，可能會出現(xiàn)一定程度的不良反應，而將二者進行融合表達時，不僅可以減低單獨使用時的副作用，而且還可以利用兩個蛋白的協(xié)同作用，將各自的功能發(fā)揮得更充分。

李建安［25］將來源于膠原酶的膠原組合基團（collagen-binding domain，CBD）融合到human IGF-1 上，在克服了半衰期短等基礎上，也具有了較好的膠原綁定作用，有效促進施旺細胞進行增殖，并且在體內也有促進神經再生的優(yōu)良功能，增強了IGF-1 的穩(wěn)定性，優(yōu)化了生物學功能。

陳驥等［26］使用與純鈦高親和性的核酸適配體minTBP-1 作為活性蛋白載體，通過蛋白重組將其與IGF-1 結合在一條肽鏈上，通過minTBP-1 與鈦金屬表面靜電結合作用，將IGF-1 錨定在鈦表面并緩慢釋放生長因子，結果發(fā)現(xiàn)minTBP-1-IGF-1 融合蛋白涂層修飾的純鈦表面有利于改善在高糖高脂條件下成骨細胞的生物學活性，并且在促進成骨相關基因和蛋白表達方面也有積極的作用，有利于為在2 型糖尿病條件下鈦-骨結合的種植體表面改性提供一種新的方法。

4 IGF1-Fc融合蛋白

IGF1-Fc 融合蛋白是指使用基因工程技術將目的基因與免疫球蛋白IgG 的Fc 片段相連并表達的重組蛋白，使重組蛋白同時具有目的蛋白和免疫球蛋白的功能域，由于在融合蛋白中加入了重鏈的恒定區(qū)，因此其半衰期可以明顯延長，而且Fc 段能貫穿胎盤，結合補體并參與補體依賴的細胞毒作用。融合蛋白的鉸鏈區(qū)可以使融合蛋白形成二聚體或多聚體，從而增加其抗原的結合能力。這些特點增加了融合蛋白在制藥和醫(yī)療的應用價值。

CN201380066090.8［27］提供了一種人IGF-1 與人IgG 的免疫球蛋白Fc 區(qū)相融合的蛋白，并將人IGF-1 蛋白的位置42 處氨基酸中的甘氨酸用絲氨酸替代，該融合蛋白可以用來治療肌肉骨骼疾病、慢性腎臟疾病和慢性阻塞型肺病等疾病。

CN201710085047.6［28］提供了一種 FGF21 與 IGF-1 的融合蛋白，此融合蛋白從 N 端到 C 端連接的分別是人成纖維細胞21 號生長因子21（hFGF21）、柔性肽接頭（L）、人免疫球蛋白Fc 片段、柔性肽接頭（L）和胰島素樣生長因子-1（IGF-1），即FGF21-human IgG4Fc-IGF-1，此發(fā)明的融合蛋白展現(xiàn)出良好的療效，比單獨使用FGF21 或者IGF-1 展現(xiàn)出更好的治療效果，同時克服了蛋白單獨使用時半衰期短等缺陷。

EP2241575［29］提供了一種 IGF-1 與融合組件（IgG 的 Fc 域）的融合蛋白，F(xiàn)c 段位于融合蛋白的 C 端，IgG 的Fc 域與IGF1 相互作用可以形成更高階的結構，如二聚體、三聚體，此融合蛋白可以用來治療由IGF-1 缺乏引起的和提高IGF-1 水平而改善的疾病，如侏儒癥和心臟病等，

WO2017RU00521［30］提供了一種由表皮生長因子（EGF）、轉化生長因子（TGF）、顯微細胞生長因子（FGF）、IGF-1 和多肽的Fc 片段組成的融合蛋白，此融合蛋白的安全性增加了，并且并發(fā)癥減少，可用于治療軟骨損傷。

5 聚乙二醇化IGF-1

近年來，蛋白質等的生物大分子由于其較好的生物學功能被廣泛地應用于醫(yī)學領域，極大地推動了醫(yī)藥產業(yè)的進步。但是，生物大分子存在作為藥物方面因為半衰期短、易被酶解和有一定的毒性等問題被大大限制了應用。為了解決這些問題，用聚乙二醇對生物大分子進行修飾，從而明顯延長藥效是一種可行的方法。因為聚乙二醇（PEG）分子的空間阻礙作用會大大提高被修飾蛋白對蛋白酶酶解的抵抗能力，同時修飾分子的分子排阻體積會顯著增大，最終降低其腎臟過濾清除率。同時，肝臟網狀內皮系統(tǒng)會因為聚乙二醇分子的結構特異性從而對被修飾蛋白的識別攝取和清除能力大為降低，并且誘導產生中與抗體結合的能力可以被顯著降低或消除，免疫系統(tǒng)難以識別和清除，由于以上特點使得聚乙二醇修飾后的生物大分子具有了比未修飾分子更為優(yōu)良的藥理和藥代動力學性能。

KLETZL 等［31］研究了IGF-1 和PEG-IGF-1 在體內臨床治療中的安全性和耐受性，發(fā)現(xiàn)PEG-IGF-1可以更好地支持IGF-1 的穩(wěn)態(tài)生物學，并且可以精確和可持續(xù)地提高系統(tǒng)IGF-1 水平，而不會干擾IGF-1 的穩(wěn)態(tài)，同時與IGF-1 相比，PEG-IGF-1 具有慢吸收和長半衰期的優(yōu)點，由于其明顯的安全性優(yōu)勢，在治療IGF-1 缺乏癥或需要IGF-1 介導的骨骼肌再生疾病方面具有廣闊的應用前景。

SAENGER 等［32］研究了PEG-IGF-1 對家族性肌萎縮側索硬化癥（ALS）小鼠的治療作用，發(fā)現(xiàn)PEGIGF-1 可以調節(jié)神經肌肉功能，并在運動神經元疾病模型中可以防止疾病的進一步惡化，而在病情較輕和病情較重的兩種小鼠治療過程中，雖然PEG-IGF-1 對兩種小鼠的肌力、運動協(xié)調性和動物存活率方面均有顯著改善，但在病情較輕小鼠的治療中效果更為顯著，盡管都增加了大腦和脊髓的信號傳導，由此為PEG-IGF-1 在臨床表型較輕的ALS 患者中的治療潛力提供了一定依據。

SAENGER 等［33］研究了PEG-IGF-1 在中樞神經系統(tǒng)疾病中的治療效果，結果發(fā)現(xiàn)，與IGF-1 相比，PEG-IGF-1 在腦組織和腦脊液中均達到較高的穩(wěn)態(tài)水平，根據突觸蛋白和相關動物行為的變化判斷，PEG-IGF-1 兩周的治療足以調節(jié)大腦的可塑性過程；此外，PEG-IGF-1 對小鼠腦淀粉樣變性模型的慢性治療逆轉了IGF-1 信號、突觸蛋白和認知功能的缺失，由此為中樞神經系統(tǒng)疾病的治療提供了新的方向，并為其在突觸功能和神經元發(fā)育障礙中的應用提供了科學依據。

GEHRIG 等［34］研究了對肌營養(yǎng)不良小鼠的治療效果，實驗結果表明PEG-IGF-1 可以保護膈肌不疲勞，保護脛前肌不受收縮性損傷，但其僅對輕度肌肉病變有治療作用，因為其改善嚴重肌營養(yǎng)不良的潛力有限，如果要達到較好的治療效果，應該只對輕度肌肉病變進行治療，因此PEG-IGF-1 可以作為一種短期治療，加速受傷后健康肌肉功能的修復。

6 結語

IGF-1 的生物學效應在醫(yī)學領域已展示出巨大的發(fā)展?jié)摿?，隨著醫(yī)學的發(fā)展，IGF-1 已逐步被應用于臨床。在疾病診斷方面，用血清中IGF-1 含量評估患者的營養(yǎng)水平和生長遲緩程度的方法已被醫(yī)學界廣泛使用。在疾病治療方面，因IGF-1 可以促進細胞的生長和增殖，可促進傷口的加速愈合，因此在治療骨骼肌萎縮方面也有較顯著的療效；糖尿病患者血液中的IGF-1 水平普遍較低，給胰島素失敏的糖尿病患者皮下注射適量IGF-1 不僅可降低血糖，而且還能提高患者機體對胰島素的敏感性；阿爾茲海默癥發(fā)生的關鍵環(huán)節(jié)是淀粉樣蛋白在腦組織沉積從而導致神經元的毒性損傷，IGF-1 對腦內淀粉樣蛋白轉運至外周有一定的促進作用，可以減少淀粉樣蛋白在腦內的沉積，降低淀粉樣蛋白對腦內神經元的毒性作用，減弱神經元的變性和死亡，延緩阿爾茲海默癥的進一步惡化。

雖然IGF-1 在多種疾病的治療中都起著積極作用，但IGF-1 帶來的不良反應和潛在危險也不容忽視。其不良反應包括組織水腫、體重增加、注射部位灼痛、呼吸困難和關節(jié)痛等，長期使用IGF-1 會帶來骨質疏松和致癌致腫瘤風險。因此，既能發(fā)揮IGF-1 生物學功能又能避免IGF-1 帶來的風險的IGF-1 衍生物和改構物的開發(fā)顯得尤為重要。隨著重組DNA 技術的應用，研究人員已經能設計合成出IGF-1 的新型肽變體。這些新型的衍生物表現(xiàn)出與IGF-1 相同的生物學效應，有些甚至優(yōu)于IGF-1，在發(fā)揮功能的同時還能降低不良反應。另一方面，隨著結構生物學和分子模擬技術的發(fā)展，通過計算機模擬改構后的IGF-1 衍生物多級結構與性質，可以設計出保留其基本生物學功能的最小多肽類藥物，使其在有效發(fā)揮治療效果的同時，最大限度地降低可能帶來的不良反應。相信隨著各學科交叉融合，IGF-1 衍生物的開發(fā)將有更多的新思路、新技術和新方法，新型藥物也將為更多的患者帶來福音。