胰岛素样生长因子-1(IGF-1)在运动性脊髓损伤中的作用①

张云 王维群

(苏州大学体育学院 江苏苏州 215000)

脊髓损伤(SCI)是指由于严重外力所致的椎管中神经组织损害,导致暂时或永久的运动,感觉功能障碍。主要的致病因素依次为:车祸、高空坠落、暴力以及激烈的体育运动。最新的研究发现脊髓神经元并没有丧失再生能力,由此为脊神经网络的重建提供了可能。应用外源神经生长因子刺激神经元轴突再生是脊髓损伤治疗研究的热门方向,其中胰岛素样生长因子-1(IGF-1),被认为是最有效的神经生长因子之一。本文就IGF-1在脊髓损伤治疗中的作用及其机制做一综述。

1 胰岛素样生长因子-1(IGF-1)概述

胰岛素样生长因子-1是由70个氨基酸残基构成的单链多肽,分子量7649Da,主要由肝脏合成。在细胞外液中,IGF-1主要和6种IGF结合蛋白(IGFBP)以无活性的复合物形式存在,在需要时,IGFBP的化学修饰,水解及IGF-1高亲和受体的表达参与了IGF-1的激活。

1.1 IGF-1的生物学功能

IGF-1是生长激素(GH)发挥作用的中介,研究发现GH并不直接作用于靶组织,而是依赖GH/IGF-1轴,即脑垂体分泌GH后,GH刺激肝脏释放IGF-1,IGF-1进而刺激细胞生长。IGF-1是一类多功能细胞增殖调控因子,几乎可作用于所有的组织细胞[1]。主要生物学功能有:(1)类胰岛素作用:IGF-1由于结构与胰岛素相似,可与胰岛素受体结合,发挥降血糖和降血脂的作用。(2)促有丝分裂作用:IGF-1经过胞内信号转导能够激活有丝分裂原蛋白激酶(MAPK)通路,从转录水平促进DNA合成和有丝分裂。(3)促进细胞分化:IGF-1与其它多种生长因子共同参与胚胎时期的促分化,对成神经细胞的研究发现,在含有IGF-1的培养液中,最终分化成的神经细胞数量比没有IGF-1的对照组多8～40倍。(4)抗细胞凋亡:IGF-1是重要的细胞存活因子,如果细胞丧失存活信号,就会启动内部凋亡程序,而IGF-1能够激活转录因子NF-κB等,进而产生多种凋亡抑制因子。

1.2 IGF-1的信号转导通路

IGF-1与它的受体IGF1R结合启动胞内信号转导,IGF1R属受体酪氨酸激酶家族(RTK),能够高效的激活RTK-PI3K-Akt通路和RTK-Ras-MAPK通路,进而促进细胞增殖分化,有效的抑制细胞程序性死亡。

(1)PI3K-Akt途径:IGF-1与受体结合后,受体胞内段酪氨酸激酶首先活化磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K),PI3K催化细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(或称蛋白激酶B,PKB)利用PH结构域锚定于PIP3上进而被活化。激活后的Akt可促使其底物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)活化多种调控细胞生长分化的转录因子,或直接磷酸化下游信号蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基,调控细胞凋亡过程[2]。

(2)Ras-MAPK途径:信号的起始,IGF-1R交叉磷酸化受体二聚体内部的酪氨酸残基,磷酸酪氨酸首先被生长因子受体结合蛋白2(GRB2)的SH2结构域识别,然后GRB2的SH3结构域结合并激活一种鸟苷酸交换因子(SOS),SOS催化非活化的Ras-GDP转化成活化的Ras-GTP。活化的Ras启动磷酸化级联反应,最终激活MAPK,MAPK名为有丝分裂原活化蛋白激酶,进入细胞核后可使许多底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化,包括调节细胞周期和细胞分化的特异性蛋白表达的转录因子,从而修饰它们的活性[3]。

2 IGF-1在脊髓损伤治疗中的作用

2.1 IGF-1的神经元保护作用

凋亡是细胞的自发死亡过程,细胞的存活需要外界持续的存活信号刺激,如果失去存活信号,细胞便会启动内部的凋亡程序,神经元的存活信号来自于靶组织逆向转运的神经营养因子。在脊髓损伤后,失去与靶组织连系的神经元发生程序性凋亡是神经元死亡的主要原因。Kanje等观察到,在大鼠坐骨神经损伤模型中,损伤处的IGF-1逆行输送到神经元,并诱发神经元的一系列保护措施,推测IGF-1可能是神经保护程序的启动者。研究还发现,脊髓神经元或神经轴索损伤后,神经细胞和失神经支配骨骼肌细胞出现IGF-1表达上调。这可能是由于负反馈作用,失去联系的靶组织和神经元过量表达IGF-1,有利于相应的再生反应。付长峰等用脂质体介导IGF-1干预大鼠SCI模型,证明IGF-1可抑制大鼠脊髓前角运动神经元凋亡。Carawell等发现IGF-1可显著减少缺血再灌注后的海马神经元凋亡。

SCI后破碎的组织细胞会释放TNF及Fas等死亡配体,与神经元死亡受体结合启动Caspase依赖性凋亡程序。正常的细胞内存在很多Caspase家族抑制因子,如c-IAP,c-FLIP,BAR以及Bcl家族的Bcl-2和Bcl-xl。这些因子都能够被IGF-1受体介导的PI3K-Akt通路和Ras-MAPK通路激活。Akt和PKC可以激活IkB激酶(IKK),IKK磷酸化I-κB使之与转录因子NF-κB解离,NF-κB的一个重要功能是促进凋亡抑制基因的转录,研究发现NF-κB基因剔除的小鼠在胚胎第15天就死于肝细胞的大量凋亡。IGF-1可以通过AKT抑制转录因子p53,p53能够促使线粒体释放细胞色素C启动内源凋亡途径。此外,PI3K/Akt通路还能活化蛋白激酶Tor从而抑制自噬相关蛋白Atg,可能参与细胞自噬的调控。Brunet和赵灵芝各自独立的实验都发现,IGF-1经PI3K-Akt依赖性途径保护苯妥英诱导的小脑颗粒神经元凋亡[4]。很多研究证明了IGF-1的神经元保护作用都伴随着Bcl-2的表达上调,推测大量的Bcl-2蛋白能稳定线粒体膜的通透性,阻断细胞色素C诱导的凋亡途径,这可能是IGF-1抗凋亡的主要途径。

IGF-1还被发现能够抑制NO所致的细胞凋亡,NO主要由体内的三种NO合酶催化生成(NOS),损伤后的炎症因子促使iNOS大量表达,生成过量的NO,NO继而生成强氧化剂过氧亚硝酸根(ONOO-),破坏生物膜完整性,致使Ca2+等大量内流,引起一系列继发的细胞损伤。利用基因敲除或反义RNA技术抑制NOS能明显改善缺血缺氧后神经细胞的凋亡。IGF-1被证实能下调脊髓损伤后神经元NOS的表达,拮抗NO的生成从而抑制炎症引起的神经细胞大量坏死[5]。

随着研究的深入,IGF-1抗神经元凋亡的新机制也不断被提出来,如H.S.Sharma等发现IGF-1预处理的大鼠脊髓半横断模型中血红素氧化酶(HO)和热休克蛋白(HSP)表达显著下降,HO能促进CO的生成,可能对神经元有毒性作用,认为这可能是神经保护作用的关键。吴柱国等发现了一个未被报道过的IGF-1抑制细胞凋亡的信号传导通路BTEB-CYP1A1通路,提示了线粒体也同样参与到IGF-1抑制细胞凋亡的过程当中[6]。

2.2 IGF-1与神经再生

脊髓损伤后神经元轴突的再生能力被多种抑制因子所阻断,它们包括少突胶质细胞产生的Nogo,髓磷脂相关糖蛋白MAG,OMgP,胶质细胞瘢痕产生的CSPGs以及信号素3A等。针对这些因子进行的基因敲除或抗体实验都观察到了神经轴突的增生。研究者用IGF-1来刺激神经细胞的体外实验发现IGF-1能够促进轴突再生。如Koechling用添加有IGF-1的培养基能明显促进人脊髓神经元再生,Kanje也用IGF-1成功刺激鼠坐骨神经再生[7]。Rishard Salie比较了多种神经营养因子对体外培养的鸡延髓神经元再生刺激作用,发现IGF-1能显著增加前庭脊髓束和缝核脊髓束神经元轴突长度,并且神经元和周围非神经组织的IGF-1受体,TrkB和p75NTR表达显著增加。Rind甚至报道了IGF-1在体内外对多种类型的神经元都有促增生作用,但也有研究者提出异议,Edmund R的IGF-1转基因实验只促进了皮质脊髓束神经元的存活但是没有促进其再生,提示IGF-1的体内作用需要局部微环境的支持[8]。

IGF-1促进神经再生的机制可能是通过胞内信号转导激活了多种再生相关转录因子实现的。研究发现RTK-PI3K-Akt通路在神经再生中扮演重要角色,其Akt/mTORC1/p70S6K级联反应活化激酶p70S6K,p70S6K进而磷酸化核糖体小亚基的S6蛋白,含有S6蛋白的核糖体被优先利用,合成某些再生相关的蛋白质。mTORC1磷酸化4EBP使其丧失对mRNA帽子结构结合蛋白eif-4E的抑制作用,活化的eif-4E帮助mRNA与核糖体小亚基结合,促进蛋白质合成。应用内源性的mTORC1抑制因子PTEN能显著减弱神经损伤后的轴突再生。Akt还能活化糖原合成酶激酶3(GSK3),GSK3的大量表达在神经突重塑以及成熟神经突向轴突的转变过程中具有重要作用。此外RTK-Ras-MAPK通路能够活化转录因子c-jun,c-jun在神经元分化和轴突生长中扮演重要角色,能抑制淋巴细胞的过度增生,抑制小胶质细胞向巨噬细胞的转变,从而控制炎症反应,目前成功的轴突再生实验均观察到c-jun的表达上调。研究还发现Ras-MAPK-Erk通路能够促进神经延长,Erk名为细胞外信号调节激酶,其作用可能是促进轴突生长所必需的骨架蛋白mRNA转录,几例体外实验充分证明Ras-Raf-Erk通路在外周神经增生中的调节作用。Ras和PI3K均能激活转录因子Elk-1,E1k-1是重要的代谢相关转录因子。在细胞培养实验中、抑制ras、raf、MEK、和ERK等在神经受损后上调表达的分子,均能够阻止胚胎神经元的存活和分化,抑制Akt活性也能够阻止神经再生[9]。

2.3 IGF-1与神经胶质细胞

神经胶质细胞是神经系统的重要组成部分,包括星型胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞、施万细胞、卫星细胞等。胶质细胞上都表达p75NTR受体和RTK受体,是IGF-1的靶细胞,IGF-1参与了胚胎时期神经胶质细胞的分化,在神经组织损伤后能够促进胶质细胞的迁移和增生。

少突胶质细胞的突起形成了中枢神经髓鞘,脊髓损伤后脱髓鞘改变导致神经坏死,防止髓鞘坏死和髓鞘重建是脊髓损伤治疗的重要策略。IGF-1介导的胞内信号通路同样能够抑制少突胶质细胞自发凋亡,此外IGF-1还能刺激内源的少突胶质细胞前体细胞(OPCs)向成熟少突胶质细胞分化,从而帮助髓鞘重建。研究还发现,IGF-1能够促进施万细胞增生,而施万细胞是外周神经系统的髓鞘细胞。

星型胶质细胞在神经组织损伤修复中的作用十分复杂,过去一直认为其不利于损伤后的神经再生,因为胶质瘢痕表达了几种神经再生抑制因子。但其有益作用正逐渐被发掘,首先，损伤后星型胶质细胞的激活能够快速修复血脊髓屏障(BSB),减少白细胞渗透和小胶质细胞向巨噬细胞的转变从而控制炎症反应。释放血管收缩因子,控制血流量。内吞多余的谷氨酸盐,保护神经元免于谷氨酸毒性作用。其次,它还能引导神经轴突的生长,为神经元提供支撑和营养作用。IGF-1的部分脊髓修复作用,可能是通过星型胶质细胞实现的,通过细胞表面p75NTR受体,在损伤条件下使星型胶质细胞激活。

小胶质细胞在脊髓损伤后能够转变成巨噬细胞参与炎症反应。近年来的研究认为,适当的炎症反应是脊髓修复所必需的。Galiano等通过沉默IL6基因显著抑制了炎症反应,但也导致了神经再生放缓。Serpe等发现T和B淋巴细胞缺失而炎症反应低下的大鼠细胞凋亡反而更加严重。IGF-1通过p75NTR受体作用于小胶质细胞能够调控其向巨噬细胞的转变过程,p75NTR受体的缺失将会促进小胶质细胞的激活和T淋巴细胞的募集。Gschwendtner等敲除小胶质细胞p75NTR受体引起了更剧烈的炎症反应,但并没有观察到神经再生的加快。提示IGF-1可能通过调控小胶质细胞而将神经组织的炎症反应维持在适当的程度,从而为神经再生提供合适的微环境。

3 结语

脊髓损伤的修复是一个受众多因素影响的复杂过程,包括炎症、细胞坏死与凋亡、胶质瘢痕形成、再生微环境调控等。迄今为止的体外实验均证明了IGF-1能够促进神经元轴突再生,IGF-1可能成为治疗脊髓损伤的潜在药物。但直接应用外源IGF-1存在局部给药困难,半衰期短等问题。因此可以尝试用安全的基因载体将IGF-1基因导入损伤部的细胞内,以增加局部IGF-1表达。基因治疗与康复训练联合运用的效果,也需要相关实验支持。此外,还可以探索IGF-1与GDNF、BDNF等其它多种神经营养因子的携同作用。

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