IGF-1和IGFBP-3在代謝性疾病中的研究*

朱夢迪，楊 楊

武漢科技大學(xué)附屬天佑醫(yī)院內(nèi)分泌科，武漢 430064

1 胰島素樣生長因子軸

胰島素樣生長因子軸是由胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、胰島素樣生長因子-2(IGF-2)及其受體(IGF-1R、IGF-2R)、6種胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白(IGFBP1、IGFBP2、IGFBP3、IGFBP4、IGFBP5、IGFBP6)、胰島素、胰島素受體(insulin receptor，IR)和分解IGFBPs的蛋白酶類共同組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。還有一些與IGFBPs相關(guān)，但與IGF的親和力較低的蛋白，被稱為IGFBP-RPS(IGF-binding protein related proteins)[1-2]。IGF-1與IGFBP-3分別是體內(nèi)含量最多的胰島素樣生長因子與結(jié)合蛋白，IGF-1/2的主要效應(yīng)由具有酪氨酸酶活性的IGF-1R介導(dǎo)。

IGF-1是一個由70個氨基酸組成的單鏈多肽，是生長激素的主要效應(yīng)激素，能以內(nèi)分泌、旁分泌、自分泌3種形式作用于靶細(xì)胞和靶器官[3]。肝臟是合成IGF-1的主要組織器官，除肝臟外，心、腦、腎、肌肉等組織器官也可少量生成IGF-1。IGFBPs是由6個結(jié)構(gòu)相似、與IGF高結(jié)合力的多功能蛋白組成。IGFBPs既能通過調(diào)節(jié)IGF-1活性參與細(xì)胞功能，又有不依賴于IGFs的生物學(xué)效應(yīng)[4]。

血液循環(huán)中絕大多數(shù)的IGF-1、IGFBP-3及一個不穩(wěn)定的酸性不穩(wěn)定亞單位(acid-labile subunit，ALS)結(jié)合組成一個三元化合物，這種儲存形式受到生長激素的調(diào)控[5]。IGF-1與IGFBP-3的結(jié)合能夠保護(hù)胰島素樣生長因子，使其不容易被分解，同樣會使結(jié)合的胰島素樣生長因子喪失活性，不能激活下游受體，這種雙重特性使IGFBPs成為IGF-1活性的調(diào)控器。IGF-1R有4個亞基，兩個具有特異性的α亞基位于細(xì)胞外，負(fù)責(zé)與配體(IGF-1/IGF-2)結(jié)合，兩個β亞基則能夠跨膜且具有酪氨酸激酶活性，游離的IGF-1與IGF-1R結(jié)合后受體自身磷酸化，再通過PI3K/Akt(磷酸酰肌醇3激酶/蛋白激酶B)途徑、MAPK(絲裂原活化蛋白激酶)途徑等下游通路發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[5]。

2 IGF-1與代謝性疾病

IGF-1參與了多種細(xì)胞功能活動，IGF-1及其相關(guān)受體、通路也成為了代謝性疾病的治療靶點。雖然IGF-1及其類似物在動物實驗和人體試驗中的應(yīng)用存在不可忽略的副作用，但在代謝性疾病中有一定的治療效果。以下將從糖尿病、脂質(zhì)代謝、肥胖、骨質(zhì)代謝4個方面對IGF-1進(jìn)行綜述。

2.1 IGF-1與2型糖尿病

40年以來，我國糖尿病患病率已經(jīng)從0.67%上升到11.2%[6]。慢性高血糖狀態(tài)會誘發(fā)和加重糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展，損傷視網(wǎng)膜、腎臟、神經(jīng)等多個靶器官及系統(tǒng)，明顯降低患者生活質(zhì)量。IGF-1有降糖、促細(xì)胞組織分化功能，在2型糖尿病中的研究主要集中在降糖作用與并發(fā)癥兩方面。

2.1.1 IGF-1的降糖作用 與胰島素相比，IGF-1與IR的親和力相對較低，不是調(diào)節(jié)血糖的主要細(xì)胞因子，但同樣可以參與調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。IGF-1不僅可以激活自身受體IGF-1R和IR，還能激活I(lǐng)GF-1R與IR的雜交受體來增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)[7]。敲除IGF-1基因的小鼠會出現(xiàn)葡萄糖耐量異常[8]，在給予2型糖尿病患者外源性的超劑量IGF-1/rhIGF-1后可以觀察到實驗對象血糖降低。Moses等[9]對12名2型糖尿病患者進(jìn)行了4.5～6周的rhIGF-1注射，對比實驗對象在干預(yù)前后的血糖、糖化血紅蛋白、胰島素水平，證實了rhIGF-1能夠降低血糖，改善胰島素抵抗。這一結(jié)論同樣得到了Zenobi、Usala等人的證明[10-11]。IGF-1是通過促進(jìn)外周葡萄糖的攝取，抑制肝糖原生成與蛋白質(zhì)、脂類的分解來降低血糖，并通過抑制胰島素和生長激素分泌、調(diào)節(jié)胰島素信號傳導(dǎo)的方式來提高胰島素敏感性[12]。IGF-1是通過激活Ras/RAF/MEK和PI3K/AKT等信號通路參與葡萄糖調(diào)節(jié)[13]。

2.1.2 IGF-1與糖尿病視網(wǎng)膜病變 糖尿病視網(wǎng)膜病變與視網(wǎng)膜微血管損害相關(guān)，是成年人失明的重要原因之一，我國大陸居民的糖尿病視網(wǎng)膜病變患病率為23%[14]。視網(wǎng)膜新生血管的形成和血-視網(wǎng)膜屏障的破壞是糖尿病視網(wǎng)膜病變的特征性損害。IGF-1參與了正常狀態(tài)及異常狀態(tài)下視網(wǎng)膜血管的發(fā)育與成熟，能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖分化，抑制其凋亡[15]，IGF-1的慢性缺乏會導(dǎo)致視網(wǎng)膜毛細(xì)血管退化缺血[16]。而由于高糖毒性所導(dǎo)致的血-眼屏障破壞，會引起眼內(nèi)IGF-1水平的升高，導(dǎo)致視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞趨化及視網(wǎng)膜膠原酶形成增加，最終造成新生血管的生成[17-18]。IGF-1對VEGF(血管內(nèi)皮生長因子)的活性具有調(diào)節(jié)作用，后者是一種強(qiáng)有力的血管通透劑，能直接作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞，刺激新生血管生成，破壞視網(wǎng)膜屏障[19-20]。除了血管損傷，IGF-1還能誘導(dǎo)慢性膠質(zhì)增生和視網(wǎng)膜應(yīng)激導(dǎo)致神經(jīng)變性[21]。Koriyama等[22]在體外實驗中也觀察到IGF-1可以顯著誘導(dǎo)視網(wǎng)膜中神經(jīng)軸突的生長。在動物實驗中，給豬和兔子注射rhIGF-1后可以觀察到視網(wǎng)膜微血管病變的形成，抑制糖尿病視網(wǎng)膜病變的大鼠體內(nèi)異常的IGF-1則可以阻止或者逆轉(zhuǎn)糖尿病視網(wǎng)膜病變的進(jìn)展[23-25]。

2.1.3 IGF-1與糖尿病腎病 糖尿病腎病是導(dǎo)致終末期腎病和透析的重要原因，也是糖尿病患者死亡的主要原因。目前我國糖尿病的腎病患病率尚缺乏大規(guī)模的流行病學(xué)調(diào)查，不同的文獻(xiàn)報道數(shù)據(jù)不同，在1991年到2000年的住院病歷回歸分析中發(fā)現(xiàn)有33.6%的糖尿病患者有腎臟疾病[6，26]。在糖尿病腎病中也能觀察到IGF-1對視網(wǎng)膜影響的類似現(xiàn)象。在糖尿病腎病早期，IGF-1能夠提高腎血流量及腎小球濾過率，參與修復(fù)被高血糖毒性損傷的腎小球。健康成年志愿者注射rhIGF-1后也能觀察到血肌酐、尿素氮、尿酸水平的降低，肌酐清除率的升高[27]。而在修復(fù)過程中導(dǎo)致的系膜細(xì)胞增生、系膜外基質(zhì)堆積又可能會進(jìn)一步加重腎臟損害。IGF-1可以通過促有絲分裂作用刺激系膜細(xì)胞增生，并通過促進(jìn)舒血管物質(zhì)一氧化氮的生成和誘導(dǎo)腎臟緩激肽和腎素的mRNA表達(dá)水平增加，以實現(xiàn)血流量增加，改變血流動力學(xué)的效果[28-29]。IGF-1引起細(xì)胞外基質(zhì)堆積與系膜細(xì)胞基質(zhì)合成增多、降解減少有關(guān)。系膜細(xì)胞基質(zhì)的合成增多與IGF-1增加系膜細(xì)胞攝取葡萄糖有關(guān)，基質(zhì)降解減少是通過持續(xù)降低金屬酶蛋白2(MMP-2)的活性來實現(xiàn)的[30-31]。在動物實驗中，增加早期糖尿病腎病大鼠體內(nèi)的IGF-1會引起大鼠腎臟的肥大和超濾[32]，抑制大鼠體內(nèi)的IGF-1和(或)IGF-1R表達(dá)則可以抑制糖尿病腎病大鼠的腎臟纖維化、改善腎臟功能[33-35]。

2.1.4 IGF-1與糖尿病足 IGF-1與糖尿病足潰瘍發(fā)病機(jī)制的相關(guān)研究較少，現(xiàn)有研究認(rèn)為低IGF-1水平與糖尿病足創(chuàng)面愈合不佳相關(guān)。糖尿病周圍神經(jīng)病變和糖尿病周圍血管病變是糖尿病足潰瘍發(fā)生的重要原因，IGF-1水平的下降可能會引起神經(jīng)細(xì)胞增生、再生修復(fù)障礙。在動物實驗中，給予大鼠外源性IGF-1能改善大鼠的周圍神經(jīng)病變[36]。血液供應(yīng)對創(chuàng)面的愈合十分關(guān)鍵，Jacobo等[37]發(fā)現(xiàn)IGF-1可以通過ERK通路穩(wěn)定新生毛細(xì)血管。IGF-1能促進(jìn)一氧化氮的生成，后者的的舒張血管作用可以改善血液供應(yīng)，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。在動物實驗中，可以觀察到血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)的胰島素/IGF-1信號喪失會影響IGF-1R和血管素的活性，導(dǎo)致血管生成受抑，肉芽組織形成受影響[38]。在糖尿病患者的皮膚創(chuàng)面中，不僅IGF-1水平會下降，介導(dǎo)IGF-1效應(yīng)的IGF-1R的受體表達(dá)也會減少，生物活性會降低，IGF-1R整體或特異性缺失時會影響新生血管生成[39]。糖尿病足患者創(chuàng)面的IGF-1水平下降可能與免疫細(xì)胞功能失調(diào)、高血糖、糖尿病引起的內(nèi)皮損害有關(guān)。已經(jīng)在成纖維神經(jīng)細(xì)胞、角質(zhì)形成細(xì)胞、皮膚基底層、免疫細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了IGF-1表達(dá)的下降[40]。

2.2 IGF-1與高脂血癥、肥胖

我國兒童青少年的血脂異?；疾÷蕿?5.3%，在成年人中血脂異常的患病率為40.4%[41]。IGF-1既可以調(diào)節(jié)前脂肪細(xì)胞分化，又能降低血脂。在體外實驗中，IGF-1的缺乏會導(dǎo)致前體脂肪細(xì)胞分化受阻，脂肪組織中缺乏IGF-1R和IR會導(dǎo)致全身性脂肪應(yīng)用不良[42-43]。在動物實驗中，使用rhIGF-1能使手術(shù)應(yīng)激的大鼠在不改變能量消耗的情況下，脂肪氧化增加[44]。人體實驗中也能觀察到類似現(xiàn)象，如Hussain等[45]在健康受試者中使用IGF-1治療，發(fā)現(xiàn)受試者體內(nèi)的游離脂肪酸含量增加，提示IGF-1治療可以增加脂質(zhì)氧化。Oscarsson等[46]在健康受試者身上注射了1周的rhIGF-1后發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)受試者血液中的血清脂蛋白(a)、血清脂蛋白(b)、三酰甘油、膽固醇濃度的下降，而Schalch等[47]在短期使用rhIGF-1治療2型糖尿病患者的過程中，同樣發(fā)現(xiàn)了患者循環(huán)中膽固醇、三酰甘油的下降。IGF-1降低血脂的原理尚不清楚，可能與IGF-1受體相關(guān)。此外IGF-1也與肝脂肪酶、脂蛋白酯酶、血漿膽固醇酯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性有關(guān)，還能促進(jìn)脂肪酸在肌肉中的運(yùn)輸[48-50]。

我國超重和肥胖的比例占監(jiān)測人數(shù)的40%以上，有10%～20%的兒童存在肥胖或超重的問題[51]。多項動物研究和人類研究都認(rèn)為炎癥狀態(tài)會引起IGF-1水平的下降，IGF-1本身的抗炎作用能夠在肥胖中保護(hù)組織免受促炎介質(zhì)的影響，在使用地塞米松等藥物抗炎后IGF-1水平能得到提高和恢復(fù)[52-53]。IGF-1聯(lián)合其他指標(biāo)，如IGFBP-3、環(huán)狀甘氨酸-脯氨酸(cGP)也成為了預(yù)測肥胖的新方式。梁輝標(biāo)等[54]應(yīng)用ELISA法測量了正常產(chǎn)婦和糖尿病產(chǎn)婦臍帶血中IGF-1、IGFBP-3水平，并將其與新生兒體重結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)兩者與巨大兒形成有關(guān)。在新西蘭，一項研究招募了妊娠15周的婦女，并隨訪到產(chǎn)后6年，測量了這些婦女體內(nèi)的IGF-1、cGP、IGFBP-3從妊娠到產(chǎn)后的變化，并用數(shù)學(xué)模型分析，提出用IGF-1/cGP聯(lián)合IGFBP-3來預(yù)測人類肥胖狀態(tài)變化的可行性[55]。

2.3 IGF-1與代謝性骨病

骨質(zhì)疏松是人類最常見的全身性骨代謝疾病之一，我國50歲以上人群骨質(zhì)疏松患病率為19.2%[56]。骨質(zhì)疏松過程會出現(xiàn)骨量降低、骨的微組織結(jié)構(gòu)損害及骨脆性的增加，導(dǎo)致骨強(qiáng)度的下降，增加骨折風(fēng)險[57]。骨質(zhì)疏松可以分為原發(fā)性骨質(zhì)疏松和繼發(fā)性骨質(zhì)疏松，在本文中簡述的是原發(fā)性骨質(zhì)疏松這一部分。

IGF-1參與了骨代謝，可以聯(lián)合其他指標(biāo)作為早期診斷骨質(zhì)疏松的標(biāo)志物，也有部分的研究嘗試使用rhIGF-1或者IGF-1基因產(chǎn)物來治療骨質(zhì)疏松。IGF-1可以直接作用于骨細(xì)胞的IGF受體，刺激成骨細(xì)胞的增殖、抑制破骨細(xì)胞分化[58]，促進(jìn)Ⅰ型膠原和骨基質(zhì)的生成[59]。在動物實驗中，干擾小鼠體內(nèi)編碼IGF-1R的基因后，可以觀察到攜帶該基因的小鼠松質(zhì)骨體積下降，骨小梁數(shù)量減少、間距增大[60]。在腎臟中，IGF-1能通過兩種形式來調(diào)節(jié)鈣磷代謝，其一是增加腎臟生成1，25-二羥基維生素D，另一方面是作用于腎小管，增加腎小管對磷的吸收[61]。Bikle等[62]的研究指出甲狀旁腺激素的合成和分解代謝依賴于IGF-1，IGF-1可能是甲狀旁腺激素促進(jìn)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能的效應(yīng)介質(zhì)。

目前可以使用骨密度測定、骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物血清Ⅰ型原膠原N-端前肽(P1NP)等生化指標(biāo)來診斷骨質(zhì)疏松。雖然這些診斷方法已經(jīng)比較成熟，但是骨質(zhì)疏松的早期診斷仍然存在困難。已經(jīng)有許多研究證實IGF-1下降與骨質(zhì)疏松相關(guān)，也有研究提出使用IGF-1聯(lián)合其他指標(biāo)，來達(dá)到早期診斷骨質(zhì)疏松的目的，改善患者預(yù)后的可能性。如在申紅梅[63]的研究中可以看到IGF-1聯(lián)合TRACP56(抗酒石酸性磷酸酶)、BALP(骨特異性堿性磷酸酶)檢測的臨床價值；其他研究同樣指出可以使用IGF-1聯(lián)合FGF23(血清成纖維細(xì)胞生長因子23)、PINP(Ⅰ型前膠原蛋白氨基端前肽)等指標(biāo)來監(jiān)測骨量，及早診斷絕經(jīng)期婦女骨質(zhì)疏松[64-65]。

目前直接使用IGF-1及其類似物治療骨質(zhì)疏松的相關(guān)研究并不多見，可能與目前骨質(zhì)疏松的治療較為成熟有關(guān)。Johansson等[66]和Ebeling等[67]在對特發(fā)性骨質(zhì)疏松和正常絕經(jīng)后婦女使用rhIGF-1后均發(fā)現(xiàn)了骨生成標(biāo)志物的增加。在動物實驗中，Liu等[68]通過基因轉(zhuǎn)移技術(shù)將IGF-1基因轉(zhuǎn)染到去除卵巢的大鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)實驗組體內(nèi)的IGF-1表達(dá)增強(qiáng)，骨代謝指標(biāo)、腰椎骨小梁面積百分比、骨小梁厚度、數(shù)量等指標(biāo)較對照組有明顯改善。

3 cGP與IGF-1

綜上所述，IGF-1作為一種代謝因子，能夠降糖降脂，參與血管新生、重塑，修復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)損傷，參與骨質(zhì)代謝，在代謝性疾病中具有一定的治療潛力及預(yù)測價值。準(zhǔn)確測量IGF-1至關(guān)重要，但目前IGF-1的測量方法尚有不足，常用的放射免疫法、酶聯(lián)免疫吸附法誤差較大，HPLC-MS法(高效液相質(zhì)譜-色譜分析法)雖然是測量的金標(biāo)準(zhǔn)但成本過高，不利于推廣。在這種背景下，許多研究者試圖將目光投向了其他的指標(biāo)，試圖用IGF-1聯(lián)合其他指標(biāo)來表示有生物活性的IGF-1并分析其與疾病的關(guān)聯(lián)性，cGP就是其中之一。

cGP是IGF-1的代謝產(chǎn)物之一，屬于含脯氨酸的調(diào)節(jié)性肽家族(regulatory proline-containing peptides，pcps)的一員。血液中游離的IGF-1首先被酶分解為GPE(甘氨酸-脯氨酸-谷氨酸)，GPE是一種不穩(wěn)定的中間代謝產(chǎn)物，會迅速降解為游離谷氨酸和二肽GP，GP進(jìn)行環(huán)化以增加其穩(wěn)定性，以保護(hù)分子免受酶水解并增加其親脂性，最終形成cGP[69]。cGP能夠與IGF-1競爭性結(jié)合IGFBP-3，調(diào)控IGF-1活性，即cGP/IGF-1比值越高，游離的有生物活性的IGF-1越多，可以使用cGP/IGF-1代表有生物活性的IGF-1[70]。體外實驗作用分析和HPLC分析發(fā)現(xiàn)，cGP僅在血液循環(huán)中的IGF-1水平低于cGP時才會釋放IGF-1/IGFBP-3結(jié)合復(fù)合物中的IGF-1，相反，當(dāng)cGP和IGF-1濃度相近時，cGP不改變IGF-1與IGFBP-3的結(jié)合[70]。

cGP具有修復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)損傷、提高記憶和認(rèn)知能力、預(yù)測體重變化的潛力。在動物實驗中，給予急性腦缺血損傷的老鼠外源性cGP能夠促進(jìn)內(nèi)源性IGF-1誘導(dǎo)的血管重塑[71]；給予母鼠外源性cGP可以提高子代老鼠體內(nèi)IGF-1的生物利用度和認(rèn)知能力[72]。人類研究中發(fā)現(xiàn)母乳cGP含量與嬰兒從出生到5歲的體重和BMI相關(guān)[73]，cGP/IGF-1比值的增加與妊娠婦女生產(chǎn)后肥胖有關(guān)[74]。

4 展望

目前IGF-1及其類似物的使用存在著使用不便的弊端和明顯的副作用，IGF-1半衰期短，無口服制劑，需要多次皮下注射，而rhIGF-1價格高昂，治療需求劑量較大，兩者的使用都存在增加腫瘤發(fā)生率的風(fēng)險。在使用過程中rhIGF-1帶來的不良反應(yīng)也不容忽視，已經(jīng)報道的比較常見的副作用有低血糖、水腫、心率增快、面部疼痛、脂肪組織增生肥大等，這些副作用大多數(shù)都能在停止治療后消失[75-76]，也有研究嘗試將rhIGF-1與IGFBP-3聯(lián)合使用來減少副作用的發(fā)生[77]。動物實驗中已有研究在嘗試IGF-1基因療法，但后者的長期安全性及有效性尚無法估計。根據(jù)上述研究我們可以推測cGP/IGF-1比值能夠成為預(yù)測2型糖尿病并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展的新型指標(biāo)，而cGP的使用能提高生物體內(nèi)的IGF-1值，也可能成為治療代謝性疾病的新方法。