IGF-1和IGFBP-3在代谢性疾病中的研究*

朱梦迪，杨 杨

武汉科技大学附属天佑医院内分泌科，武汉 430064

1 胰岛素样生长因子轴

胰岛素样生长因子轴是由胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、胰岛素样生长因子-2(IGF-2)及其受体(IGF-1R、IGF-2R)、6种胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBP1、IGFBP2、IGFBP3、IGFBP4、IGFBP5、IGFBP6)、胰岛素、胰岛素受体(insulin receptor，IR)和分解IGFBPs的蛋白酶类共同组成的复杂网络。还有一些与IGFBPs相关，但与IGF的亲和力较低的蛋白，被称为IGFBP-RPS(IGF-binding protein related proteins)[1-2]。IGF-1与IGFBP-3分别是体内含量最多的胰岛素样生长因子与结合蛋白，IGF-1/2的主要效应由具有酪氨酸酶活性的IGF-1R介导。

IGF-1是一个由70个氨基酸组成的单链多肽，是生长激素的主要效应激素，能以内分泌、旁分泌、自分泌3种形式作用于靶细胞和靶器官[3]。肝脏是合成IGF-1的主要组织器官，除肝脏外，心、脑、肾、肌肉等组织器官也可少量生成IGF-1。IGFBPs是由6个结构相似、与IGF高结合力的多功能蛋白组成。IGFBPs既能通过调节IGF-1活性参与细胞功能，又有不依赖于IGFs的生物学效应[4]。

血液循环中绝大多数的IGF-1、IGFBP-3及一个不稳定的酸性不稳定亚单位(acid-labile subunit，ALS)结合组成一个三元化合物，这种储存形式受到生长激素的调控[5]。IGF-1与IGFBP-3的结合能够保护胰岛素样生长因子，使其不容易被分解，同样会使结合的胰岛素样生长因子丧失活性，不能激活下游受体，这种双重特性使IGFBPs成为IGF-1活性的调控器。IGF-1R有4个亚基，两个具有特异性的α亚基位于细胞外，负责与配体(IGF-1/IGF-2)结合，两个β亚基则能够跨膜且具有酪氨酸激酶活性，游离的IGF-1与IGF-1R结合后受体自身磷酸化，再通过PI3K/Akt(磷酸酰肌醇3激酶/蛋白激酶B)途径、MAPK(丝裂原活化蛋白激酶)途径等下游通路发挥生物学效应[5]。

2 IGF-1与代谢性疾病

IGF-1参与了多种细胞功能活动，IGF-1及其相关受体、通路也成为了代谢性疾病的治疗靶点。虽然IGF-1及其类似物在动物实验和人体试验中的应用存在不可忽略的副作用，但在代谢性疾病中有一定的治疗效果。以下将从糖尿病、脂质代谢、肥胖、骨质代谢4个方面对IGF-1进行综述。

2.1 IGF-1与2型糖尿病

40年以来，我国糖尿病患病率已经从0.67%上升到11.2%[6]。慢性高血糖状态会诱发和加重糖尿病并发症的发生发展，损伤视网膜、肾脏、神经等多个靶器官及系统，明显降低患者生活质量。IGF-1有降糖、促细胞组织分化功能，在2型糖尿病中的研究主要集中在降糖作用与并发症两方面。

2.1.1 IGF-1的降糖作用 与胰岛素相比，IGF-1与IR的亲和力相对较低，不是调节血糖的主要细胞因子，但同样可以参与调节葡萄糖稳态。IGF-1不仅可以激活自身受体IGF-1R和IR，还能激活IGF-1R与IR的杂交受体来增加葡萄糖转运[7]。敲除IGF-1基因的小鼠会出现葡萄糖耐量异常[8]，在给予2型糖尿病患者外源性的超剂量IGF-1/rhIGF-1后可以观察到实验对象血糖降低。Moses等[9]对12名2型糖尿病患者进行了4.5～6周的rhIGF-1注射，对比实验对象在干预前后的血糖、糖化血红蛋白、胰岛素水平，证实了rhIGF-1能够降低血糖，改善胰岛素抵抗。这一结论同样得到了Zenobi、Usala等人的证明[10-11]。IGF-1是通过促进外周葡萄糖的摄取，抑制肝糖原生成与蛋白质、脂类的分解来降低血糖，并通过抑制胰岛素和生长激素分泌、调节胰岛素信号传导的方式来提高胰岛素敏感性[12]。IGF-1是通过激活Ras/RAF/MEK和PI3K/AKT等信号通路参与葡萄糖调节[13]。

2.1.2 IGF-1与糖尿病视网膜病变 糖尿病视网膜病变与视网膜微血管损害相关，是成年人失明的重要原因之一，我国大陆居民的糖尿病视网膜病变患病率为23%[14]。视网膜新生血管的形成和血-视网膜屏障的破坏是糖尿病视网膜病变的特征性损害。IGF-1参与了正常状态及异常状态下视网膜血管的发育与成熟，能促进内皮细胞增殖分化，抑制其凋亡[15]，IGF-1的慢性缺乏会导致视网膜毛细血管退化缺血[16]。而由于高糖毒性所导致的血-眼屏障破坏，会引起眼内IGF-1水平的升高，导致视网膜内皮细胞趋化及视网膜胶原酶形成增加，最终造成新生血管的生成[17-18]。IGF-1对VEGF(血管内皮生长因子)的活性具有调节作用，后者是一种强有力的血管通透剂，能直接作用于血管内皮细胞，刺激新生血管生成，破坏视网膜屏障[19-20]。除了血管损伤，IGF-1还能诱导慢性胶质增生和视网膜应激导致神经变性[21]。Koriyama等[22]在体外实验中也观察到IGF-1可以显著诱导视网膜中神经轴突的生长。在动物实验中，给猪和兔子注射rhIGF-1后可以观察到视网膜微血管病变的形成，抑制糖尿病视网膜病变的大鼠体内异常的IGF-1则可以阻止或者逆转糖尿病视网膜病变的进展[23-25]。

2.1.3 IGF-1与糖尿病肾病 糖尿病肾病是导致终末期肾病和透析的重要原因，也是糖尿病患者死亡的主要原因。目前我国糖尿病的肾病患病率尚缺乏大规模的流行病学调查，不同的文献报道数据不同，在1991年到2000年的住院病历回归分析中发现有33.6%的糖尿病患者有肾脏疾病[6，26]。在糖尿病肾病中也能观察到IGF-1对视网膜影响的类似现象。在糖尿病肾病早期，IGF-1能够提高肾血流量及肾小球滤过率，参与修复被高血糖毒性损伤的肾小球。健康成年志愿者注射rhIGF-1后也能观察到血肌酐、尿素氮、尿酸水平的降低，肌酐清除率的升高[27]。而在修复过程中导致的系膜细胞增生、系膜外基质堆积又可能会进一步加重肾脏损害。IGF-1可以通过促有丝分裂作用刺激系膜细胞增生，并通过促进舒血管物质一氧化氮的生成和诱导肾脏缓激肽和肾素的mRNA表达水平增加，以实现血流量增加，改变血流动力学的效果[28-29]。IGF-1引起细胞外基质堆积与系膜细胞基质合成增多、降解减少有关。系膜细胞基质的合成增多与IGF-1增加系膜细胞摄取葡萄糖有关，基质降解减少是通过持续降低金属酶蛋白2(MMP-2)的活性来实现的[30-31]。在动物实验中，增加早期糖尿病肾病大鼠体内的IGF-1会引起大鼠肾脏的肥大和超滤[32]，抑制大鼠体内的IGF-1和(或)IGF-1R表达则可以抑制糖尿病肾病大鼠的肾脏纤维化、改善肾脏功能[33-35]。

2.1.4 IGF-1与糖尿病足 IGF-1与糖尿病足溃疡发病机制的相关研究较少，现有研究认为低IGF-1水平与糖尿病足创面愈合不佳相关。糖尿病周围神经病变和糖尿病周围血管病变是糖尿病足溃疡发生的重要原因，IGF-1水平的下降可能会引起神经细胞增生、再生修复障碍。在动物实验中，给予大鼠外源性IGF-1能改善大鼠的周围神经病变[36]。血液供应对创面的愈合十分关键，Jacobo等[37]发现IGF-1可以通过ERK通路稳定新生毛细血管。IGF-1能促进一氧化氮的生成，后者的的舒张血管作用可以改善血液供应，促进创面愈合。在动物实验中，可以观察到血管内皮细胞内的胰岛素/IGF-1信号丧失会影响IGF-1R和血管素的活性，导致血管生成受抑，肉芽组织形成受影响[38]。在糖尿病患者的皮肤创面中，不仅IGF-1水平会下降，介导IGF-1效应的IGF-1R的受体表达也会减少，生物活性会降低，IGF-1R整体或特异性缺失时会影响新生血管生成[39]。糖尿病足患者创面的IGF-1水平下降可能与免疫细胞功能失调、高血糖、糖尿病引起的内皮损害有关。已经在成纤维神经细胞、角质形成细胞、皮肤基底层、免疫细胞中发现了IGF-1表达的下降[40]。

2.2 IGF-1与高脂血症、肥胖

我国儿童青少年的血脂异常患病率为25.3%，在成年人中血脂异常的患病率为40.4%[41]。IGF-1既可以调节前脂肪细胞分化，又能降低血脂。在体外实验中，IGF-1的缺乏会导致前体脂肪细胞分化受阻，脂肪组织中缺乏IGF-1R和IR会导致全身性脂肪应用不良[42-43]。在动物实验中，使用rhIGF-1能使手术应激的大鼠在不改变能量消耗的情况下，脂肪氧化增加[44]。人体实验中也能观察到类似现象，如Hussain等[45]在健康受试者中使用IGF-1治疗，发现受试者体内的游离脂肪酸含量增加，提示IGF-1治疗可以增加脂质氧化。Oscarsson等[46]在健康受试者身上注射了1周的rhIGF-1后发现绝大多数受试者血液中的血清脂蛋白(a)、血清脂蛋白(b)、三酰甘油、胆固醇浓度的下降，而Schalch等[47]在短期使用rhIGF-1治疗2型糖尿病患者的过程中，同样发现了患者循环中胆固醇、三酰甘油的下降。IGF-1降低血脂的原理尚不清楚，可能与IGF-1受体相关。此外IGF-1也与肝脂肪酶、脂蛋白酯酶、血浆胆固醇酯转运蛋白活性有关，还能促进脂肪酸在肌肉中的运输[48-50]。

我国超重和肥胖的比例占监测人数的40%以上，有10%～20%的儿童存在肥胖或超重的问题[51]。多项动物研究和人类研究都认为炎症状态会引起IGF-1水平的下降，IGF-1本身的抗炎作用能够在肥胖中保护组织免受促炎介质的影响，在使用地塞米松等药物抗炎后IGF-1水平能得到提高和恢复[52-53]。IGF-1联合其他指标，如IGFBP-3、环状甘氨酸-脯氨酸(cGP)也成为了预测肥胖的新方式。梁辉标等[54]应用ELISA法测量了正常产妇和糖尿病产妇脐带血中IGF-1、IGFBP-3水平，并将其与新生儿体重结合分析，发现两者与巨大儿形成有关。在新西兰，一项研究招募了妊娠15周的妇女，并随访到产后6年，测量了这些妇女体内的IGF-1、cGP、IGFBP-3从妊娠到产后的变化，并用数学模型分析，提出用IGF-1/cGP联合IGFBP-3来预测人类肥胖状态变化的可行性[55]。

2.3 IGF-1与代谢性骨病

骨质疏松是人类最常见的全身性骨代谢疾病之一，我国50岁以上人群骨质疏松患病率为19.2%[56]。骨质疏松过程会出现骨量降低、骨的微组织结构损害及骨脆性的增加，导致骨强度的下降，增加骨折风险[57]。骨质疏松可以分为原发性骨质疏松和继发性骨质疏松，在本文中简述的是原发性骨质疏松这一部分。

IGF-1参与了骨代谢，可以联合其他指标作为早期诊断骨质疏松的标志物，也有部分的研究尝试使用rhIGF-1或者IGF-1基因产物来治疗骨质疏松。IGF-1可以直接作用于骨细胞的IGF受体，刺激成骨细胞的增殖、抑制破骨细胞分化[58]，促进Ⅰ型胶原和骨基质的生成[59]。在动物实验中，干扰小鼠体内编码IGF-1R的基因后，可以观察到携带该基因的小鼠松质骨体积下降，骨小梁数量减少、间距增大[60]。在肾脏中，IGF-1能通过两种形式来调节钙磷代谢，其一是增加肾脏生成1，25-二羟基维生素D，另一方面是作用于肾小管，增加肾小管对磷的吸收[61]。Bikle等[62]的研究指出甲状旁腺激素的合成和分解代谢依赖于IGF-1，IGF-1可能是甲状旁腺激素促进成骨细胞和破骨细胞功能的效应介质。

目前可以使用骨密度测定、骨转换标志物血清Ⅰ型原胶原N-端前肽(P1NP)等生化指标来诊断骨质疏松。虽然这些诊断方法已经比较成熟，但是骨质疏松的早期诊断仍然存在困难。已经有许多研究证实IGF-1下降与骨质疏松相关，也有研究提出使用IGF-1联合其他指标，来达到早期诊断骨质疏松的目的，改善患者预后的可能性。如在申红梅[63]的研究中可以看到IGF-1联合TRACP56(抗酒石酸性磷酸酶)、BALP(骨特异性碱性磷酸酶)检测的临床价值；其他研究同样指出可以使用IGF-1联合FGF23(血清成纤维细胞生长因子23)、PINP(Ⅰ型前胶原蛋白氨基端前肽)等指标来监测骨量，及早诊断绝经期妇女骨质疏松[64-65]。

目前直接使用IGF-1及其类似物治疗骨质疏松的相关研究并不多见，可能与目前骨质疏松的治疗较为成熟有关。Johansson等[66]和Ebeling等[67]在对特发性骨质疏松和正常绝经后妇女使用rhIGF-1后均发现了骨生成标志物的增加。在动物实验中，Liu等[68]通过基因转移技术将IGF-1基因转染到去除卵巢的大鼠体内，发现实验组体内的IGF-1表达增强，骨代谢指标、腰椎骨小梁面积百分比、骨小梁厚度、数量等指标较对照组有明显改善。

3 cGP与IGF-1

综上所述，IGF-1作为一种代谢因子，能够降糖降脂，参与血管新生、重塑，修复神经系统损伤，参与骨质代谢，在代谢性疾病中具有一定的治疗潜力及预测价值。准确测量IGF-1至关重要，但目前IGF-1的测量方法尚有不足，常用的放射免疫法、酶联免疫吸附法误差较大，HPLC-MS法(高效液相质谱-色谱分析法)虽然是测量的金标准但成本过高，不利于推广。在这种背景下，许多研究者试图将目光投向了其他的指标，试图用IGF-1联合其他指标来表示有生物活性的IGF-1并分析其与疾病的关联性，cGP就是其中之一。

cGP是IGF-1的代谢产物之一，属于含脯氨酸的调节性肽家族(regulatory proline-containing peptides，pcps)的一员。血液中游离的IGF-1首先被酶分解为GPE(甘氨酸-脯氨酸-谷氨酸)，GPE是一种不稳定的中间代谢产物，会迅速降解为游离谷氨酸和二肽GP，GP进行环化以增加其稳定性，以保护分子免受酶水解并增加其亲脂性，最终形成cGP[69]。cGP能够与IGF-1竞争性结合IGFBP-3，调控IGF-1活性，即cGP/IGF-1比值越高，游离的有生物活性的IGF-1越多，可以使用cGP/IGF-1代表有生物活性的IGF-1[70]。体外实验作用分析和HPLC分析发现，cGP仅在血液循环中的IGF-1水平低于cGP时才会释放IGF-1/IGFBP-3结合复合物中的IGF-1，相反，当cGP和IGF-1浓度相近时，cGP不改变IGF-1与IGFBP-3的结合[70]。

cGP具有修复神经系统损伤、提高记忆和认知能力、预测体重变化的潜力。在动物实验中，给予急性脑缺血损伤的老鼠外源性cGP能够促进内源性IGF-1诱导的血管重塑[71]；给予母鼠外源性cGP可以提高子代老鼠体内IGF-1的生物利用度和认知能力[72]。人类研究中发现母乳cGP含量与婴儿从出生到5岁的体重和BMI相关[73]，cGP/IGF-1比值的增加与妊娠妇女生产后肥胖有关[74]。

4 展望

目前IGF-1及其类似物的使用存在着使用不便的弊端和明显的副作用，IGF-1半衰期短，无口服制剂，需要多次皮下注射，而rhIGF-1价格高昂，治疗需求剂量较大，两者的使用都存在增加肿瘤发生率的风险。在使用过程中rhIGF-1带来的不良反应也不容忽视，已经报道的比较常见的副作用有低血糖、水肿、心率增快、面部疼痛、脂肪组织增生肥大等，这些副作用大多数都能在停止治疗后消失[75-76]，也有研究尝试将rhIGF-1与IGFBP-3联合使用来减少副作用的发生[77]。动物实验中已有研究在尝试IGF-1基因疗法，但后者的长期安全性及有效性尚无法估计。根据上述研究我们可以推测cGP/IGF-1比值能够成为预测2型糖尿病并发症发生发展的新型指标，而cGP的使用能提高生物体内的IGF-1值，也可能成为治疗代谢性疾病的新方法。