IGF-1治療常見中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進展

汪 燕(綜述)，汪萌芽(審校)

(1.上海市靜安區(qū)市北醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,上海 200435；2.皖南醫(yī)學(xué)院細胞電生理研究室,安徽 蕪湖 241200)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)的發(fā)育是一個精細調(diào)控的過程，依賴于多種因素和復(fù)雜的生理生化信號途徑來確保神經(jīng)元的正常發(fā)生、分化、成熟和聯(lián)系。神經(jīng)營養(yǎng)因子包括胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)、神經(jīng)營養(yǎng)因子3(neurotrophin-3,NT-3)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)及神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)等，在大腦的發(fā)育和成熟過程中具有重要作用[1]，可以說，神經(jīng)環(huán)路的形成過程是由神經(jīng)營養(yǎng)因子被激活后導(dǎo)致的一系列分子事件[2]組成。神經(jīng)營養(yǎng)因子及其受體是維持突觸活動的必要因素，在神經(jīng)系統(tǒng)的增殖、分化和神經(jīng)功能的調(diào)控方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用[1-2]。隨著人類壽命的延長和老齡化社會的出現(xiàn)，各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率正在增長，進一步探索神經(jīng)營養(yǎng)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(jīng)系統(tǒng)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(zhì)量7 460。在許多組織的胚胎發(fā)育過程中，IGF-1大量產(chǎn)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(diào)節(jié)；中樞神經(jīng)系統(tǒng)中有些細胞亦能獨立于GH的作用合成IGF-1[4-5]，大腦皮質(zhì)、海馬、腦室下嗅區(qū)、下丘、小腦和脊髓等區(qū)域中均能檢測到較高水平的IGF-1[6]?？梢姡琁GF-1是以內(nèi)分泌、旁分泌或自分泌的方式在大腦中發(fā)揮作用[6-7]。

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

2 IGF-1神經(jīng)保護作用

IGF-1是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、成熟和可塑性的一個強有力的神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)因子[1]。腦內(nèi)IGF-1的主要功能從調(diào)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(zhì)合成)，到控制突觸形成、釋放神經(jīng)遞質(zhì)和刺激神經(jīng)元等過程，參與突觸可塑性，是極重要的中樞神經(jīng)保護元件[2]。

2.1IGF-1抑制神經(jīng)細胞凋亡 IGF-1抑制神經(jīng)細胞凋亡的作用具有多向性，主要涉及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、聯(lián)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(jié)合后被激活，β亞基上的酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域激活PI3K/mTOR/AKT1和MAPK/ERK通路，誘導(dǎo)其下游效應(yīng)[4,6]。即，PI3K/mTOR通路激活A(yù)KT1，通過下游效應(yīng)子s6激酶1(ribosomal protein s6 kinase 1，s6K1)和真核翻譯起始因子4e結(jié)合蛋白1(eukaryotic translation initiation factor 4e-binding protein 1，EIF4E-BP1)啟動蛋白翻譯，在調(diào)節(jié)細胞循環(huán)/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(guān)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(zhuǎn)錄因子，通過MAPK/ERK通路在誘導(dǎo)促進細胞存活、分化、增殖、代謝和轉(zhuǎn)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(fā)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(diào)節(jié)離子通道活性 有學(xué)者在IGF-1基因敲除小鼠的腦中發(fā)現(xiàn)，一種能防止鈣超載并穩(wěn)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(diào)節(jié)鈣結(jié)合蛋白而發(fā)揮神經(jīng)保護作用[5]。動物實驗則揭示了IGF-1通過調(diào)節(jié)L型、N型和P/Q型電壓依賴性鈣通道活性，使轉(zhuǎn)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(dǎo)的興奮毒性損傷，促進神經(jīng)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(nèi)皮細胞中的一種氣體性神經(jīng)遞質(zhì)，能控制全身血管張力和神經(jīng)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(jīng)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(fā)信號分子產(chǎn)生，增強超氧化物歧化酶、神經(jīng)營養(yǎng)因子等神經(jīng)保護分子的產(chǎn)生，對抗NMDA受體的興奮毒性損害，減輕神經(jīng)元損傷[8,11-12]；最后，IGF-1還能通過PI3K/AKT途徑抑制NO誘導(dǎo)的細胞凋亡和Caspase-3活化[9]。

2.4IGF-1調(diào)節(jié)大腦葡糖糖代謝 IGF/胰島素系統(tǒng)在進化上非常保守，是營養(yǎng)敏感的信號通路，在能量代謝中起關(guān)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(dǎo)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(fā)下游PI3K/AKT信號可以降低α-突觸素的神經(jīng)毒性和異常積累。證據(jù)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(jīng)變性過程[16-18]，具有神經(jīng)源性能力的腦區(qū)是高度血管性的，與年齡相關(guān)的腦血管變化直接參與了神經(jīng)退行性改變的病理過程，年齡相關(guān)性疾病都表現(xiàn)出共病性的胰島素抵抗[13]。越來越多的證據(jù)表明，IGF-1與神經(jīng)血管功能障礙、衰老以及年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)[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(dǎo)致突觸功能障礙和學(xué)習(xí)、記憶障礙。IGF-1與IGF-1R結(jié)合后，能激活PI3K/mTOR/AKT1和MAPK/ERK[3]，使GSK3β磷酸化，改善海馬相關(guān)任務(wù)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(dǎo)，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(dǎo)[11,14]。分析IGF-1的可塑性機制，主要有調(diào)節(jié)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(jīng)細胞黏附分子和穩(wěn)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(xié)同作用[26]。

3 IGF-1治療常見中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進展

GH/IGF-1軸參與大腦的發(fā)育、生長和功能調(diào)節(jié)，當小鼠的IGF-1缺陷時，大腦氧化損傷、水腫、凋亡以及學(xué)習(xí)和記憶能力受損會加重[9]；但也能通過IGF-1替代治療恢復(fù)[9,27]。衰老過程中IGF-1的逐漸減少可能導(dǎo)致神經(jīng)元變性、功能障礙和一些腦血管疾病的發(fā)生發(fā)展，如肌萎縮側(cè)索硬化、AD、PD、多系統(tǒng)萎縮、中風(fēng)、血管性癡呆等[16]，使現(xiàn)代社會的經(jīng)濟和社會負擔(dān)不斷增加。

3.1中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病

3.1.1PD PD是由于黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失及細胞內(nèi)包涵體(Lewy小體)形成引起的退行性疾病，病因及發(fā)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(jīng)元細胞存活和增值的能力。Ghazi Sherbaf等[28]發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(zhì)紋狀體通路，并且在這種保護之前激活關(guān)鍵的促存活級聯(lián)信號[29-30]。Castilla-Cortzar等[31]發(fā)現(xiàn)了IGF-1對作用于MAPK的神經(jīng)元具有保護作用，且與劑量和時間相關(guān)。

3.1.2AD AD是發(fā)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(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。AD產(chǎn)生的原因與β淀粉樣蛋白在大腦中的神經(jīng)炎斑塊聚集、tau蛋白過磷酸化所致的神經(jīng)原纖維纏結(jié)以及導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡的炎癥有關(guān)[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(guān)[4]。

IGF-1促進神經(jīng)細胞的存活和修復(fù)、神經(jīng)發(fā)育、突觸形成、腦血管完整性,以及皮層神經(jīng)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(guān)系，而最相關(guān)的是注意力、執(zhí)行功能和記憶[33]。一項大型多中心橫斷面研究發(fā)現(xiàn)男性AD與IGF-1及IGFBP-3水平明顯下降有關(guān)，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(zhuǎn)甲酰胺素等載體蛋白誘導(dǎo)β淀粉樣蛋白清除，調(diào)節(jié)腦β淀粉樣蛋白水平。實驗證明IGF-1直接腦室內(nèi)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(fā)現(xiàn)在AD小鼠模型的神經(jīng)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(nèi)給予IGF-1治療1月齡、24月齡雄性小鼠，能改善學(xué)習(xí)、記憶和扭轉(zhuǎn)抑郁樣行為，并促進神經(jīng)發(fā)生和Glua2含量增加[7]。此外，亦有學(xué)者提出AD患者的認知能力下降可能是齒狀回神經(jīng)發(fā)生減少所致，而IGF-1水平增高會增強神經(jīng)發(fā)生和記憶準確性，延緩神經(jīng)元退變，改善年齡相關(guān)的認知功能障礙，發(fā)揮對AD的治療作用[38-39]。

3.1.3肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS) ALS是一種以運動神經(jīng)元進行性降解為特征的致死性神經(jīng)退行性疾病，最終導(dǎo)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(zhì)、群體異質(zhì)性和固有的復(fù)雜性，使臨床生存預(yù)測和干預(yù)優(yōu)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(jīng)退行性改變和臨床癥狀惡化，在ALS疾病過程中發(fā)揮作用[41]。而IGF-1能起到線粒體保護的作用，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中給予IGF-1可增加生存率[42]。雖然ALS是一種運動神經(jīng)元病，但非神經(jīng)肌肉細胞，如星型膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和肌肉組織均受累及[5]。有證據(jù)顯示，星形膠質(zhì)細胞可能是ALS疾病發(fā)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(yǎng)的新生小鼠海馬源性干細胞增殖，并向星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元分化[45]。

3.1.4多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS) MS是一種免疫介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)病變導(dǎo)致的神經(jīng)元整體脫髓鞘和動作電位破壞，主要累及腦室周圍、近皮質(zhì)、視神經(jīng)、腦干、小腦和脊髓，、研究發(fā)現(xiàn)MS患者的IGFBP表達增加[46]或少突膠質(zhì)細胞IGF-1R表達減少[13]，并且在脫髓鞘斑塊的邊緣發(fā)現(xiàn)IGF-1和IGF-1R表達上調(diào)[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(zhuǎn)歸無明顯變化，但MRI檢測到炎性病變未發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jīng)功能缺損、中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變大小和數(shù)目以及炎癥反應(yīng)的假設(shè)。

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(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血以及血管原因?qū)е碌恼J知功能的減退。流行病學(xué)研究表明，低IGF-1和IGFBP-3水平與缺血性心臟病和中風(fēng)的發(fā)病率和死亡率增加有關(guān)[49]。IGF-1內(nèi)分泌軸通過復(fù)雜的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)對血管系統(tǒng)產(chǎn)生了至關(guān)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(jīng)恢復(fù)和物理結(jié)果有關(guān)，而IGF-1水平低者，往往預(yù)示著不良的功能結(jié)局和死亡[51]；隨著IS患者血清IGF-1水平與臨床結(jié)果呈正相關(guān)的證據(jù)越來越多，IGF-1具有神經(jīng)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(jīng)功能學(xué)評分(neurological deficit scores，NDS)[53]；在6～7個月齡大鼠中也顯示了類似的結(jié)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(fā)生有關(guān)。Yao等[56]研究發(fā)現(xiàn)IGF-1 mRNA的表達在IS中顯著上調(diào)，相反，IGFBP-3 mRNA的表達在IS中明顯下調(diào)。IGF-1信號通路基因的主要效應(yīng)是通過基因-基因相互作用增加腦卒中風(fēng)險，有學(xué)者提出IGF-1和IGFBP3的差異表達可能是IS診斷和預(yù)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(jīng)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(huán)的結(jié)構(gòu)完整性非常重要，IGF-1缺乏，特別是年齡相關(guān)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(fā)性腦出血的發(fā)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(fā)現(xiàn)，IGF-1缺乏損害了血管彈性蛋白含量的適應(yīng)性變化，使腦小動脈的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)高血壓，血管彈性降低和ECM成分失調(diào)；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(nèi)膜發(fā)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(tǒng)病理狀態(tài)導(dǎo)致的認知障礙的一大類綜合征。主要損害執(zhí)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(guān)的循環(huán)IGF-1水平下降可導(dǎo)致腦微血管的功能損害[11]，與血管性癡呆風(fēng)險有關(guān)[7]，補充IGF-1能誘導(dǎo)海馬血管生成和神經(jīng)發(fā)生，敲除IGF-1基因可使小鼠神經(jīng)血管解偶聯(lián)[62]。在認知缺陷的受試者中發(fā)現(xiàn)，血IGF-1水平降低是VD和中風(fēng)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(jù)[64]。

4 小結(jié)與展望

隨著研究的深入，IGF-1的生物學(xué)作用機制的面紗被層層揭開，其在神經(jīng)生物調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的作用亦越來越被重視。體內(nèi)、外試驗及人體藥物試驗研究等發(fā)現(xiàn)，IGF-1對CNS具有保護作用和營養(yǎng)作用，能夠影響神經(jīng)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(yù)示了IGF-1可能成為最有潛力的CNS疾病治療藥物之一。