生长分化因子-15与急性脑梗死关系的研究进展

岳海楠 董晓宇 佡剑非



·综 述·

生长分化因子-15与急性脑梗死关系的研究进展

岳海楠 董晓宇 佡剑非

急性脑梗死是威胁人类健康，具有较高病死率和致残率的重要疾病之一，急性脑梗死的诊断和治疗是目前心脑血管疾病研究的重要内容。快速准确的诊断和及时治疗对减轻脑组织损伤、改善预后、降低急性脑梗死相关病死率和致残率有重要意义。在急性脑梗死诊断及预后的评估中患者血液生化标志物检测方便、快速，在临床工作中应用广泛。

GDF-15在1997年被Bootcov等学者首次发现[1]，最初命名为巨噬细胞抑制因子-1( macrophage inhibitory cytokine-1，MIC-1 )，1999年Bottner等将其重新命名为 GDF-15[2]。近年有研究文献表明，GDF-15在心肌缺血或缺血再灌注损伤时表达显著增高，也有研究发现GDF-15水平增高与急性冠脉综合征、心力衰竭等心血管疾病相关，通过减少心肌细胞坏死的数量，抑制缺血心肌细胞的凋亡，发挥心肌保护性作用[3-6]。国内外有研究报道GDF-15在急性脑梗死后显著升高，并且与脑梗死严重程度呈正相关，并且是急性脑梗死患者预后不良的独立预测因素[7-10]。本研究就GDF-15的生物学特点及其在急性缺血性脑卒中的研究进展进行综述。

1 GDF-15的结构和表达

GDF-15基因染色体位点是19p12-13.1，共有2746个碱基对，包含2个外显子和1个内含子，具有典型的转化生长因子a超家族(transforming growth factor-β ，TGF-β)的结构特点[11]。其前体蛋白是相对分子质量为40 kD的多肽，经蛋白水解酶剪切后成为相对分子质量为28000kD的成熟蛋白，然后通过二硫键连接成具有生物活性的同源二聚体[2]。

在正常人体内GDF-15在前列腺和胎盘中高表达, 在多数其他组织中表达微弱。在病理和应激如手术、缺血、缺氧以及肿瘤病灶部位以及动脉粥样硬化等情况下经P53、AP1等转录因子诱导，GDF-15表达水平明显上调[12-16]。关于GDF-15在中枢神经系统的表达水平存在两种观点，有研究显示在成熟大鼠的中枢神经系统表达程度很低，其中表达水平最高的部位是脉络丛，分泌至脑脊液中。不过Strelau 等报道GDF-15在中枢神经系统和周围神经系统里高表达，主要表达部位在脉络丛，并分泌至脑脊液中，与前述观点一致[17]。

关于血清 GDF-15水平,Wiklund等研究了429名健康个体的血清GDF-15水平，成为目前公认的标准，即正常范围<1200 ng/L，轻度升高1200～1800 ng/L，显著升高>1800 ng/L[18]。

2 GDF-15在心血管疾病中的信号传导通路和生物学作用

在急性冠脉综合征、心力衰竭等心血管疾病的炎症反应发生、细胞凋亡过程以及动脉粥样硬化发展中GDF-15都发挥重要作用。目前研究认为GDF-15细胞胞内传导通路包括Smad(small mother against decapentaplegic)依赖通路和非Smad依赖的信号通路[19]。关于GDF-15的细胞起源、上游调节因子、代谢途径以及功能效应的研究尚未十分明确，其信号传导通路研究也不透彻。考虑到GDF-15是TGF-β超家族的成员, 所以GDF-15在受体结合、信号分子传导以及结合受体后的生物学效应方面和TGF-β的作用机制存在相似之处[20]。

TGF-β超家族包含30种配体，所有的配体通过跨膜的丝氨酸 /苏氨酸激酶(AKT)信号通路起作用，成熟的GDF-15通过旁分泌或自分泌, 作用于细胞表面的转化生长因子受体。与配体结合的TGF受体分为Ⅰ型和Ⅱ型，通过磷酸化激活Smad1、2、3、5、8蛋白，被I型受体直接磷酸化,与Smad4蛋白形成具有活性的异源二聚体，引起信号传递，执行调控转录功能，其中GDF-15可能主要诱导Smad2 、3蛋白的磷酸化[ 21]。非Smad依赖信号通路激活的分子包括转化生长因子-β激酶(transforming growth factor-β kinase，TAKs)、3-羟基磷酸肌醇激酶( phosphoinositide 3-kinase，PI3K)和AKT它们分别与不同的TGF-β家族成员结合发挥抑制心肌细胞凋亡、抑制心肌肥大和心肌重塑的生物学效应[22-23]。

在小鼠心肌缺血模型中发现GDF-15的高水平表达可以持续到心肌损伤后1周[13]。ST 段抬高型心肌梗死(STEM I)患者的血清 GDF-15水平在3 d内无明显差别, 可持续至心肌梗死后5 d[14]。说明GDF-15与心肌损伤相关，可以作为心肌缺血相关疾病诊断的临床生化标志物。另外，有研究显示GDF-15可以激活P53通路，从而抑制肿瘤细胞增殖、黏附，促进肿瘤细胞凋亡的作用[12]

3 GDF-15与急性脑梗死的关系

3.1 GDF-15与急性脑梗死动物模型

GDF-15在急性心肌缺血的研究比较清晰，鉴于GDF-15在脑血管病的研究较少，GDF-15为多种心血管疾病临床和生化标志物对脑血管疾病也具有一定指导意义。

Schindowski在急性脑梗死小鼠模型研究显示，诱导小鼠大脑中动脉闭塞后GDF-15水平显著上调。阻塞小鼠大脑中动脉后3 h和24 h，大脑中动脉中的GDF-15 mRNA水平明显升高，免疫组织化学研究发现病变部位附近的神经元结合有大量的GDF-15，在没有发生病变的组织基本检测不到GDF-15的存在。该研究认为GDF-15在脑梗死发生后迅速升高，与脑梗死的发展、组织损伤严重程度密切相关，即脑组织损伤越重，GDF-15水平越高[20，24]。

Rossaint等研究白细胞GDF-15水平在血小板整合素的活化和血栓形成中的作用时发现通过GDF-15基因敲除(GDF-15-/-)小鼠模型实验和体外实验，在人工诱导血栓形成过程中GDF-15基因敲除的小鼠血栓进程加快，生存率下降，GDF-15降低血小板的凝集，并且血小板P选择素的表达和致密颗粒的分泌不受GDF-15的影响，GDF-15可以作为评估血小板整合素活化的独立指标[7]。

GDF-15在急性脑梗死中的的作用机制研究很少，具体作用机制、生物学效应尚不明确，具体扮演保护因素还是损伤因素也不确切。虽然Rossaint等研究认为白细胞中GDF-15可以抑制血小板整合素的活化和血栓形成，不过GDF-15作为一种应激反应细胞因子，在急性脑梗死发生后血浆GDF-15水平就相应升高，可能在缺血、缺氧、炎症反应等急性脑梗死发生发展的复杂机理中发挥影响。

3.2 GDF-15与急性脑梗死的临床研究

目前关于GDF-15与急性脑梗死的临床研究显示，GDF-15水平在急性脑梗死发生后显著升高，随着时间推移逐渐缓慢降低，并且与脑梗死严重程度呈正相关，即其水平越高，急性脑梗死患者90 d预后越差[8-10]。Hans Worthmann等在一项关于急性脑梗死的临床研究中GDF-15在起病6 h升高，24 h稳定，7 d后下降8%，随着时间推移逐渐降低，也提示GDF-15与脑组织损伤程度相关，所以GDF-15可以作为急性脑梗死的血清学诊断指标。Worthmann等对入组的63例急性脑梗死患者进行了随访研究，分别于症状出现后7和90 d对患者进行mRS评分，发现7和90 d神经功能预后较差患者GDF-15水平高于神经功能预后较好的患者[25]。在264例急性脑梗死患者的预后研究中Groscher发现，GDF-15可以作为急性脑梗死患者90 d预后的独立预测指标，mRS评分≥2分的急性缺血性脑卒中患者血清GDF-15水平高于mRS≤1分的(1372 ng/L，1056 ng/L)，并且GDF-15与NIHSS评分呈正相关[8]。

国内卢昌均等通过对急性性脑梗死患者和健康体检者血清GDF-15水平的研究发现，急性缺血性脑卒中患者血清GDF-15水平高于健康体检者，应用mRS量表评分对所有入组者进行3个月的随访观察，mRS评分≥2分的急性脑梗死患者血清GDF-15水平(2411 ng/L)明显高于mRS评分<2分的患者(1128 ng/L)，表明急性脑梗死患者血清GDF-15水平高提示患者90 d预后差[10]。何改平等研究急性脑梗死患者、健康体检者的血清GDF-15水平与脑梗死严重程度的关系，参照《脑卒中患者临床神经功能缺损程度评分分型标准(1995年)》，据神经功能评分结果将患者分为轻型、中型、重型3组，结果显示重型和中型急性脑梗死患者GDF-15的水平均明显高于健康体检者和轻型急性脑梗死患者GDF-15的水平[25]。

3.3 GDF-15与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是急性脑梗死的重要危险因素，GDF-15与动脉硬化的关系也有相关研究。血管壁的内皮损伤、炎性反应与脂质浸润是目前公认的动脉粥样硬化发展过程中的使动因素，目前研究认为细胞因子在调节动脉硬化斑块的微环境中起重要作用[24，26-27]。其中内皮细胞活化后能够释放多种细胞因子，通过黏附分子使单核细胞黏附数量增多，迁移至内膜下成为巨噬细胞，摄取脂质蛋白，变成泡沫细胞后参与粥样斑块的形成[28]。另外，血管平滑肌细胞在生长因子和细胞因子的作用下发生表型改变，在内膜大量分裂增殖，同时伴有巨噬细胞、T 细胞浸润，结缔组织增生，导致血管重构。血管的局部炎症可使血管内皮细胞凋亡,在炎性细胞因子刺激下斑块内胶原酶增多,降解细胞外基质中的胶原纤维,导致斑块破裂、出血，从而进一步导致继发性的血栓形成[29]。

在这些细胞因子中TGF-β超家族成员与血管炎症反应密切。Kempf等发现GDF-15缺乏时CCR2 (C-C chemokine receptor type 2)介导的巨噬细胞趋化作用减弱，动脉粥样硬化的进程被抑制，胶原蛋白沉积加强，以维持斑块稳定性。以上作用通过激活PI3K、AKT通路实现[30]。Bonaterra等发现GDF-15通过调节白介素6依赖的炎症反应引起血管损伤，加速动脉粥样硬化进程[31]。

在诱导的动脉粥样硬化小鼠模型中敲除基因 PI3Kγ或用抑制剂抑制 PI3Kγ活性能缩小动脉粥样硬化斑块的面积和有利于斑块稳定。GDF-15可以通过PI3K信号通路来调节白细胞的迁移和功能的影响动脉粥样硬化进程[32]。Bonaterra等研究显示，动脉粥样硬化斑块破裂时GDF-15水平显著升高，这些都提示GDF-15促进动脉粥样硬化的发展，并且是急性脑梗死的危险因素[31]。

4 小结和展望

急性脑梗死是威胁人类健康、影响人类生活质量的最大杀手之一，其较高的致残、致死率给社会和家庭带来了沉重的负担。据估算，我国每年新发脑血管病患者约为200万人，70%属于缺血性脑卒中。目前累计存活的患者大约在600～700万人，存活者中病残率约为76%[33]。GDF-15是转化生长因子β超家族的成员，可以作为一种反映心血管生理和病理过程的独立性生化标志物，与急性冠脉综合症、心力衰竭的相关性已比较明确。有研究表明GDF-15水平在急性脑梗死患者中明显升高，并提示预后不良，有望作为一种急性脑梗死诊断和预后评估的有效生物标志物，并对治疗提供指导。

[1] Bootcov MR,Bauskin AR,Valenzuela SM,et al.MIC-1, a novel macrophage inhibitory cytokine, is a divergent member of the TGF-beta superfamily[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1997,94(21):11514-11519.

[2] Bottner M,Suter CC,Schober A,et al.Expression of a novel member of the TGF-beta superfamily,growth/differentiation factor15/m acrophage inhibiting cytokine1(GDF15/MIC1)in adult rat tissues[J].Cell Tissue Res,1999,297(11):103-110.

[3] World Health Organization.World health statistics 2012,World Health Organization,Geneva,Switzerland[Z],2012.

[4] 武德梅,周琪,陈超.急性心肌梗死患者生长分化因子-15、心肌梗死标志物水平表达及其相关性研究[J].疑难病杂志,2014,13(8):790-792.

[5] Task Force on the Management of ST-segment Elevation Acute Myocardial Infarction of the European Society of Cardiology (ESC),Steg PG,James SK,et al.ESC guidelines for the management of acute myocardial infarction in patients presenting with ST-segment elevation[J].Eur Heart J,2012,33(20):2569-2619.

[6] Farhan S,Freynhofer MK,Brozovic I,et al.Determinants of growth differentiation factor 15 in patients with stable and acute coronary artery disease. A prospective observational study[J].Cardiovasc Diabetol,2016,15(1):60.

[7] J Rossaint DV,A.ZARBOCK.GDF-15 prevents platelet integrin activation and thrombus formation[J].Journal of Thrombosis and Haemostasis,2013,11(2):335-344.

[8] Gröschel K,Schnaudigel S,Edelmann F,et al.Growth-differentiation factor-15 and functional outcome after acute ischemic stroke[J].J Neurol,2012,259(8):1574-1579.

[9] 耿爽,王运良,尹红蕾,等.急性脑梗死患者血浆生长分化因子15表达与预后的关系[J].中国实用神经疾病杂志,2015,18(2):45-47.

[10]卢昌均,韦冰心.血清生长分化因子-15水平与急性缺血性脑卒中的相关性研究[J].中国循环杂志,2015,30(9):872-874.

[11]Ago T,Sadoshima J.GDF-15,a cardio-protective TGF-super family protein[J].Circ Res,2006,98(294):342-360.

[13]Ago T,Kuroda J,Pain J,et al.Upregulation of Nox4 by hypertrophic stimuli promotes apoptosis and mitochondrial dysfunction in cardiac myocytes[J].Circ Res,2010,106(7):1253-1264.

[14]Kempf T,Eden M,Strelau J,et al.The transforming growth factor-beta superfamily member growth-differentiation factor-15 protects the heart from ischemia/reperfusion injury[J].Circ Res,2006,98(3):351-360.

[15]Krieg AJ,Rankin EB,Chan D,et al.Regulation of the histone demethylase JMJD1A by hypoxia-inducible factor 1 alpha enhances hypoxic gene expression and tumor growth[J].Mol Cell Biol,2010,30(1):344-353.

[16]吴剑锋,张敏,李元.GDF-15与动脉粥样硬化[J].中南医学科学杂志,2014,42(1):86-89.

[17]Strelau J,Sullivan A,Böttner M,et al.Growth/differentiation factor-15/macrophage inhibitory cytokine-1 is a novel trophic factor for midbrain dopaminergic neurons in vivo[J].J Neurosci,2000,20(23):8597-8603.

[18]Wiklund FE,Bennet AM,Magnusson PK,et al.Macrophage inhibitory cytokine-1 (MIC-1/GDF15): a new marker of all-cause mortality[J].Aging Cell,2010,9(6):1057-1064.

[19]Derynck R,Zhang YE.Smad-dependent and Smad-independent pathways in TGF-beta family signalling[J].Nature,2003,425(6958):577-584.

[20]Schindowski K,Von Bohlen Und Halbach O,Strelau J,et al.Regulation of GDF-15, a distant TGF-β superfamily member, in a mouse model of cerebral ischemia[J].Cell Tissue Res,2011,343(2):399-409.

[21]Xu XY,Nie Y,Wang FF,et al.Growth differentiation factor (GDF)-15 blocks norepinephrine-induced myocardial hypertrophy via a novel pathway involving inhibition of epidermal growth factor receptor transactivation[J].J Biol Chem,2014,289(14):10084-10094.

[22]Xu J,Kimball TR,Lorenz JN,et al.GDF15/MIC-1 functions as a protective and antihypertrophic factor released from the myocardium in association with SMAD protein activation[J].Circ Res,2006,98(3):342-350.

[23]De Jager SC,Berm dez B,Bot I,et al.Growth differentiation factor 15 deficiency protects against atherosclerosis by attenuating CCR2-mediated macrophage chemotaxis[J].J Exp Med,2011,208(2):217-225.

[24]Pant S,Deshmukh A,Gurumurthy GS,et al.Inflammation and atherosclerosis--revisited[J].J Cardiovasc Pharmacol Ther,2014,19(2):170-178.

[25]何改平,张彬,张宝文,等.急性脑梗死患者外周血GDF-15,CRP 水平及相关性研究[J].生物医学工程与临床,2014,18(1):60-63.

[26]Yin K,Deng X,Mo ZC,et al.Tristetraprolin-dependent post-transcriptional regulation of inflammatory cytokine mRNA expression by apolipoprotein A-I: role of ATP-binding membrane cassette transporter A1 and signal transducer and activator of transcription 3[J].J Biol Chem,2011,286(16):13834-13845.

[27]Andersson ],Enserro D,Sullivan L,et al.Relations of circulating GDF-15,soluble ST2,and Troponin-I concentrations with vascular function in the community[J].The Framingham Heart Study Atherosclerosis,2016,248(期缺失):245-251.

[28]Diditchenko S,Gille A,Pragst I,et al.Novel formulation of a reconstituted high-density lipoprotein (CSL112) dramatically enhances ABCA1-dependent cholesterol efflux[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2013,33(9):2202-2211.

[29]Kempf T,Wollert KC.Growth differentiation factor-15: a new biomarker in cardiovascular disease[J].Herz,2009,34(8):594-599.

[30]Bonaterra GA,Zügel S,Thogersen J,et al.Growth differentiation factor-15 deficiency inhibits atherosclerosis progression by regulating interleukin-6-dependent inflammatory response to vascular injury[J].J Am Heart Assoc,2012,1(6):e002550.

[31]Gómez-Guerrero C,Mallavia B,Egido J.Targeting inflammation in cardiovascular diseases. still a neglected field?[J].Cardiovasc Ther,2012,30(4):e189-e197.

[32]Worthmann H,Kempf T,Widera C,et al.Growth differentiation factor 15 plasma levels and outcome after ischemic stroke[J].Cerebrovasc Dis,2011,32(1):72-78.

[33]宋文斌,李淑元,刘颖,等.北京地区与泰州地区缺血性脑卒中患者常见危险因素的比较[J].中国循环杂志,2013,28(4):289-292.

(2016-08-06收稿)

110016 沈阳，中国医科大学附属盛京医院神经内科[岳海楠 董晓宇 佡剑非(通信作者)]

R743.3

A

1007-0478(2017)03-0258-04

10.3969/j.issn.1007-0478.2017.03.026