胰岛素样生长因子-1和阿尔茨海默病的关系研究进展

廖联明,杨 渐,俞昌喜,许 盈

(福建医科大学 药学院 药理系,福建 福州 350001)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是老年人常见的神经系统退行性疾病,以痴呆为主要表现,其典型的病理特征是老年斑和神经纤维缠结及神经元原发变性、坏死。AD的病因和发病机制尚不完全清楚,目前认为是多种发病因素共同参与的异质性疾病[1]。近年来,胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)与AD的关系日益受到重视。许多研究显示,IGF-1在AD的发病机制中发挥非常重要的作用。现就这方面的研究进展作一综述。

1 AD的发病机制

目前认为β淀粉样蛋白(amyloid beta,Aβ)在脑组织中的沉积可能是AD发生、发展的中心环节。Aβ是淀粉样前体蛋白的水解产物。淀粉样前体蛋白是一种大分子跨膜糖蛋白,在神经元和星形胶质细胞中表达丰富。β-分泌酶和γ-分泌酶对淀粉样前体蛋白进行剪切加工。根据分泌酶水解位点不同,产生的Aβ可能含有39～43个氨基酸,其中AD患者的神经元中以Aβ 42为主,具有更高成纤维性,更易聚集。淀粉样蛋白级联反应假说认为各种原因引起的Aβ增加和聚集,尤其是Aβ 42在脑组织沉积所形成的老年斑具有神经毒性,导致广泛的神经元变性或死亡,记忆和认知功能障碍,产生AD症状[1]。

Tau蛋白是一种在神经系统中很丰富的微管相关蛋白,可促进管蛋白组装成微管和维持微管的结构。Tau蛋白过度磷酸化后发生构象改变,其维持微管结构的功能丧失。此外磷酸化可中和Tau蛋白的基础电荷,促进Tau蛋白自我聚集成双股螺旋细丝/直线状细丝,也可导致神经元功能异常。变性Tau蛋白与Aβ淀粉样蛋白之间可能存在相互作用[2]。

2 IGF-1对神经系统的作用

IGF-1是一广谱性的促生长因子,其化学结构与胰岛素原类似,是由70个氨基酸组成的单链多肽。它通过与IGF-1受体结合发挥生理作用,并受IGF结合蛋白(IGFBP)调控。肝脏是合成IGF-1的主要器官,神经组织也表达IGF-1,特别是黑质纹状体的多巴胺神经元[3]。IGF-1可调节神经细胞的生长、发育和分化。大量实验证实IGF-1能抑制多种因素导致的神经细胞凋亡,其抑制凋亡的机制主要涉及抗凋亡基因的激活等方面。如IGF-1可以增加Bcl-2的表达,降低 caspase-3活性从而抑制依托泊苷诱导的胶质细胞瘤细胞凋亡[4]。Gao等[5]发现IGF-1对神经系统的保护作用也和调节Ca2+通道活性有关。体内试验也得到了与细胞试验一致的结果。如在成年Lewis侏儒鼠,如果短期缺乏IGF-1,虽然齿状回仍可有幼稚神经细胞增殖、分化,但新生细胞发育不成熟,存活率明显下降[6]。

3 IGF-1和AD密切关系的临床证据

鉴于IGF-1对神经细胞的广泛作用,研究人员对IGF-1在AD发病中可能起到的作用的推测也就不足为奇。瑞士的Mustafa等[7]最早检测了家族性淀粉样前体蛋白670/671突变的AD患者血清IGF-1水平,结果发现在家族性AD成员的IGF-I水平明显低于家族中的正常成员。随后意大利学者Murialdo等[8]也报道AD患者的总IGF-1水平以及IGF-1/IGFBP比值明显低于正常对照,而IGFBP-1则高于对照。而且IGF-1水平和认知能力具有明显的正相关性。如Watanabe等[9]对436名日本老年人进行了血清IGF-1水平的测定,并和致动脉粥样硬化性脂蛋白(atherogenic lipoproteins)的水平、颈动脉内膜中层厚度进行相关性分析。此外还采用简易智力状况量表(mini-mental state examination)进行认知功能评定。436名老年人中106名为AD患者,103名为血管性痴呆,其它227名为智力正常的老年人。结果发现老年人的认知功能评分和血清IGF-1浓度成正相关,而和年龄、血清低密度脂蛋白、胆固醇及颈动脉内膜中层厚度成负相关。AD和血管性痴呆老年人的血清IGF-1浓度明显低于正常老年人。AD患者血清IGF-1下降的同时其炎症因子TNF-α升高,两者成负相关[10]。在最近发表的一项随机、双盲的对照临床研究中,当给AD患者输注脑蛋白水解物注射液(脑活素)时,随着患者症状的改善,其血清IGF-1明显比治疗前升高,而TNF-α则下降[11]。AD患者的大脑组织中IGF-1受体也有异常的变化。Rivera等[12]报道,AD患者的大脑IGF-1及其受体的表达明显比对照组低,IGF-1受体阳性的细胞明显较少,且和疾病的严重程度有明显的相关性。此外,IGF-1及其受体的表达下降者其脑组织内的淀粉样前体蛋白含量则升高,两者成负相关。研究还发现治疗AD的胆碱酯酶抑制剂Donepezil可能部分通过增加IGF-1的分泌起作用[13]。在这个随机对照试验中,24名61～70岁的老年人被随机分配到实验组和对照组。实验组的老人先每天口服Donepezil 5 mg,连续4周,然后改为10 mg,继续服用4周。结果在8周后实验组老年人的IGF-1水平从(84±19)ng/mL上升到了(110±21)ng/mL,增加了31%(P=0.007)。

4 IGF-1在AD发病机制中的作用

IGF-1作为重要的神经细胞调节因子,它对神经细胞的作用非常广泛,它在AD的发病机制中的许多环节都有可能起作用,这种作用既表现在分子水平,也表现在细胞和机体水平上。如Aβ和冈田酸诱导的人神经母细胞瘤细胞SHSY5Y是常用的AD细胞模型。在SH-SY5Y细胞模型中,IGF-1可以抑制A β诱导的tau及 JNK蛋白磷酸化,抑制 SH-SY5Y细胞死亡。将SH-SY5Y细胞用10 ng/mL IGF-1预处理24 h后还能抑制冈田酸诱导的细胞凋亡[14]。presenilin 1(PS1)V97L和A136G突变是在中国2个早发性AD家族中发现的。为了研究V97L和A136G突变体的病理作用,Fang等[15]将这2个突变体转入SH-SY5Y细胞中,发现它们可以降低细胞的活性,促进细胞的凋亡,而IGF-1可以抵抗V97L和A136G突变体的作用。Lafay-Chebassier等[16]在A β处理的神经母细胞瘤细胞中发现Aβ可以激活p70S6K,使之磷酸化。磷酸化的p70S6K又激活caspase-3,导致细胞的凋亡。而IGF-1可以抑制p70S6K的激活和caspase-3的活化,保护神经细胞。在肝脏组织特异性IGF-1基因敲除小鼠,外周血中的IGF-1水平可下降80%～85%。在Morris水迷宫试验中这些基因敲除小鼠在6个月龄的时候其学习能力、记忆力和正常小鼠没有差异。但当这些小鼠进入老龄期(15～18月)时,IGF-1敲除小鼠的空间识别能力和记忆力明显不如对照组。组织学检查发现这些小鼠海马区的脑啡肽、强啡肽和谷氨酸受体含量明显增加,有明显的星形细胞增生,取代了正常的神经元细胞,提示IGF-1的减少可以导致大脑神经细胞突触功能异常和神经元变异[17]。此外Sharma等[18]发现高胆固醇饲料喂养的兔子海马部位的Aβ含量明显升高,而且伴随海马 IGF-1含量的下降,因此作者认为高胆固醇诱发的Aβ堆积也可能涉及IGF-1信号通道。

5 结论和展望

无论从流行病学、细胞和分子水平的研究还是整体动物模型的研究都显示了IGF-1在AD的发病过程中起着很重要的作用。目前IGF-1已获准上市用于治疗矮小症,充分说明了IGF-1作为治疗用药的安全性。我国也有单位对IGF-1的基因重组产品进行了研发[19-21]。我们希望不久即有临床试验对IGF-1治疗AD的效果进行评价,以造福人类。

[1]Chiang P K,Lam M A,Luo Y.The many faces of amyloid beta in Alzheimer′s disease[J].Curr Mol Med,2008,8(6):580-584.

[2]Ballatore C,Lee V M,Trojanowski JQ.Tau-mediated neurodegeneration in Alzheimer′s disease and related disorders[J].Nat Rev Neurosci,2007,8(9):663-672.

[3]Quesada A,Romeo H E,Micevych P.Distribution and localization patterns of estrogen receptor-beta and insulin-like growth factor-1 receptors in neurons and glial cells of the female rat substantia nigra:localization of ERbeta and IGF-1R in substantia nigra[J].J Comp Neurol,2007,503(1):198-208.

[4]Yin D,Tamaki N,Parent A D,et al.Insulin-like growth factor-1 decreased etoposide-induced apoptosis inglioma cells by increasing Bcl-2 expression and decreasing CPP32 activity[J].Neurol Res,2005,27(1):27-30.

[5]Gao L,Blair L A,Salinas G D,et al.IGF-1 modulation of CaV1.3 calcium channels depends on Ca2+release from IP3-sensitive stores and calcium/calmodulin kinaseⅡphosphorylation of the alpha1subunit EF hand[J].J Neurosci,2006,26(23):6259-6264.

[6]Lichtenwalner R J,Forbes M E,Sonntag W E,et al.Adult onset deficiency in growth hormone and IGF-1 decreases survival of dentate granule neurons:insights into the regulation of adult hippocampal neurogenesis[J].J Neurosci Res,2006,83(2):199-204.

[7]Mustafa A,Lannfelt L,Lilius L,et al.Decreased plasma insulin-like growth factor-Ⅰ level in familial Alzheimer′s disease patients carrying the Swedish APP 670/671 mutation[J].Dement Geriatr Cogn Disord,1999,10(6):446-451.

[8]Murialdo G,Barreca A,Nobili F,et al.Relationships between cortisol,dehydroepiandrosterone sulphate and insulin-like growth factor-Ⅰsystem in dementia[J].J Endocrinol Invest,2001,24(3):139-146.

[9]Watanabe T,Miyazaki A,Katagiri T,et al.Relationship between serum insulin-like growth factor-1 levels and Alzheimer′s disease and vascular dementia[J].J Am Geriatr Soc,2005,53(10):1748-1753.

[10]Alvarez A,Cacabelos R,Sanpedro C,et al.Serum TNF-alpha levels are increased and correlate negatively with free IGF-Ⅰin Alzheimer disease[J].Neurobiol Aging,2007,28(4):533-536.

[11]Anton X,Sampedro C,Cacabelos R,et al.Reduced TNF-alpha and increased IGF-Ⅰ levels in the serum of Alzheimer′s disease patients treatedwith the neurotrophic agent Cerebrolysin[J].Int J Neuropsychopharmacol,2009,17(1):1-6.

[12]Rivera E J,Goldin A,Fulmer N,et al.Insulin and insulin-like growth factor expression and function deteriorate with progression of Alzheimer′s disease:link to brain reductions in acetylcholine[J].J Alzheimers Dis,2005,8(3):247-268.

[13]Obermayr R P,Mayerhofer L,KnechtelsdorferM,et al.The age-related down-regulation of the growth hormone/insulin-like growth factor-1 axis in the elderly male is reversed considerably by donepezil,a drug for Alzheimer′s disease[J].Exp Gerontol,2005,40(3):157-163.

[14]Xing C,Peng Y,Chang R,et al.Effects of insulin-like growth factor-1 on okadaic acid-induced apoptosis in SH-SY5Y cells[J].Cell Biol Int,2005,29(9):803-808.

[15]Fang B Y,Jia J P.Human neuroblastoma cells transfected with two Chinese presenilin 1 mutations are sensitized to trophic factor withdrawal and protected by insulin-like growth factor-1[J].Chin Med J(Engl),2008,121(10):910-915.

[16]Lafay-ChebassierC,Pérault-PochatM C,Page G,et al.The immunosuppressant rapamycin exacerbates neurotoxicity of Abeta peptide[J].J Neurosci Res,2006,84(6):1323-1334.

[17]Svensson J,DiezM,Engel J,et al.Endocrine,liver-derived IGF-Ⅰis of importance for spatial learning and memory in old mice[J].J Endocrinol,2006,189(3):617-627.

[18]Sharma S,Prasanthi R P J,Schommer E,et al.Hypercholesterolemia-induced Abeta accumulation in rabbit brain is associatedwith alteration in IGF-1 signaling[J].Neurobiol Dis,2008,32(3):426-432.

[19]刘侃,汪炬,谢秋玲,等.重组类胰岛素样生长因子-1的纯化与复性[J].中国生物工程杂志,2006,26(2):29-33.

[20]陈蔚青,陈虹,胡文浪.重组人胰岛素样生长因子-Ⅰ工程菌高密度发酵工艺优化[J].中国生化药物杂志,2008,29(2):121-124.

[21]廖联明,杨渐,俞昌喜,等.人胰岛素样生长因子-l的原核表达和纯化[J].中国生化药物杂志,2009,30(4):226-229.