廖聯(lián)明,楊 漸,俞昌喜,許 盈

(福建醫(yī)科大學 藥學院 藥理系,福建 福州 350001)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,以癡呆為主要表現(xiàn),其典型的病理特征是老年斑和神經(jīng)纖維纏結(jié)及神經(jīng)元原發(fā)變性、壞死。AD的病因和發(fā)病機制尚不完全清楚,目前認為是多種發(fā)病因素共同參與的異質(zhì)性疾病[1]。近年來,胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)與AD的關(guān)系日益受到重視。許多研究顯示,IGF-1在AD的發(fā)病機制中發(fā)揮非常重要的作用。現(xiàn)就這方面的研究進展作一綜述。

1 AD的發(fā)病機制

目前認為β淀粉樣蛋白(amyloid beta,Aβ)在腦組織中的沉積可能是AD發(fā)生、發(fā)展的中心環(huán)節(jié)。Aβ是淀粉樣前體蛋白的水解產(chǎn)物。淀粉樣前體蛋白是一種大分子跨膜糖蛋白,在神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞中表達豐富。β-分泌酶和γ-分泌酶對淀粉樣前體蛋白進行剪切加工。根據(jù)分泌酶水解位點不同,產(chǎn)生的Aβ可能含有39～43個氨基酸,其中AD患者的神經(jīng)元中以Aβ 42為主,具有更高成纖維性,更易聚集。淀粉樣蛋白級聯(lián)反應(yīng)假說認為各種原因引起的Aβ增加和聚集,尤其是Aβ 42在腦組織沉積所形成的老年斑具有神經(jīng)毒性,導致廣泛的神經(jīng)元變性或死亡,記憶和認知功能障礙,產(chǎn)生AD癥狀[1]。

Tau蛋白是一種在神經(jīng)系統(tǒng)中很豐富的微管相關(guān)蛋白,可促進管蛋白組裝成微管和維持微管的結(jié)構(gòu)。Tau蛋白過度磷酸化后發(fā)生構(gòu)象改變,其維持微管結(jié)構(gòu)的功能喪失。此外磷酸化可中和Tau蛋白的基礎(chǔ)電荷,促進Tau蛋白自我聚集成雙股螺旋細絲/直線狀細絲,也可導致神經(jīng)元功能異常。變性Tau蛋白與Aβ淀粉樣蛋白之間可能存在相互作用[2]。

2 IGF-1對神經(jīng)系統(tǒng)的作用

IGF-1是一廣譜性的促生長因子,其化學結(jié)構(gòu)與胰島素原類似,是由70個氨基酸組成的單鏈多肽。它通過與IGF-1受體結(jié)合發(fā)揮生理作用,并受IGF結(jié)合蛋白(IGFBP)調(diào)控。肝臟是合成IGF-1的主要器官,神經(jīng)組織也表達IGF-1,特別是黑質(zhì)紋狀體的多巴胺神經(jīng)元[3]。IGF-1可調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的生長、發(fā)育和分化。大量實驗證實IGF-1能抑制多種因素導致的神經(jīng)細胞凋亡,其抑制凋亡的機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的表達,降低 caspase-3活性從而抑制依托泊苷誘導的膠質(zhì)細胞瘤細胞凋亡[4]。Gao等[5]發(fā)現(xiàn)IGF-1對神經(jīng)系統(tǒng)的保護作用也和調(diào)節(jié)Ca2+通道活性有關(guān)。體內(nèi)試驗也得到了與細胞試驗一致的結(jié)果。如在成年Lewis侏儒鼠,如果短期缺乏IGF-1,雖然齒狀回仍可有幼稚神經(jīng)細胞增殖、分化,但新生細胞發(fā)育不成熟,存活率明顯下降[6]。

3 IGF-1和AD密切關(guān)系的臨床證據(jù)

鑒于IGF-1對神經(jīng)細胞的廣泛作用,研究人員對IGF-1在AD發(fā)病中可能起到的作用的推測也就不足為奇。瑞士的Mustafa等[7]最早檢測了家族性淀粉樣前體蛋白670/671突變的AD患者血清IGF-1水平,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在家族性AD成員的IGF-I水平明顯低于家族中的正常成員。隨后意大利學者Murialdo等[8]也報道AD患者的總IGF-1水平以及IGF-1/IGFBP比值明顯低于正常對照,而IGFBP-1則高于對照。而且IGF-1水平和認知能力具有明顯的正相關(guān)性。如Watanabe等[9]對436名日本老年人進行了血清IGF-1水平的測定,并和致動脈粥樣硬化性脂蛋白(atherogenic lipoproteins)的水平、頸動脈內(nèi)膜中層厚度進行相關(guān)性分析。此外還采用簡易智力狀況量表(mini-mental state examination)進行認知功能評定。436名老年人中106名為AD患者,103名為血管性癡呆,其它227名為智力正常的老年人。結(jié)果發(fā)現(xiàn)老年人的認知功能評分和血清IGF-1濃度成正相關(guān),而和年齡、血清低密度脂蛋白、膽固醇及頸動脈內(nèi)膜中層厚度成負相關(guān)。AD和血管性癡呆老年人的血清IGF-1濃度明顯低于正常老年人。AD患者血清IGF-1下降的同時其炎癥因子TNF-α升高,兩者成負相關(guān)[10]。在最近發(fā)表的一項隨機、雙盲的對照臨床研究中,當給AD患者輸注腦蛋白水解物注射液(腦活素)時,隨著患者癥狀的改善,其血清IGF-1明顯比治療前升高,而TNF-α則下降[11]。AD患者的大腦組織中IGF-1受體也有異常的變化。Rivera等[12]報道,AD患者的大腦IGF-1及其受體的表達明顯比對照組低,IGF-1受體陽性的細胞明顯較少,且和疾病的嚴重程度有明顯的相關(guān)性。此外,IGF-1及其受體的表達下降者其腦組織內(nèi)的淀粉樣前體蛋白含量則升高,兩者成負相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)治療AD的膽堿酯酶抑制劑Donepezil可能部分通過增加IGF-1的分泌起作用[13]。在這個隨機對照試驗中,24名61～70歲的老年人被隨機分配到實驗組和對照組。實驗組的老人先每天口服Donepezil 5 mg,連續(xù)4周,然后改為10 mg,繼續(xù)服用4周。結(jié)果在8周后實驗組老年人的IGF-1水平從(84±19)ng/mL上升到了(110±21)ng/mL,增加了31%(P=0.007)。

4 IGF-1在AD發(fā)病機制中的作用

IGF-1作為重要的神經(jīng)細胞調(diào)節(jié)因子,它對神經(jīng)細胞的作用非常廣泛,它在AD的發(fā)病機制中的許多環(huán)節(jié)都有可能起作用,這種作用既表現(xiàn)在分子水平,也表現(xiàn)在細胞和機體水平上。如Aβ和岡田酸誘導的人神經(jīng)母細胞瘤細胞SHSY5Y是常用的AD細胞模型。在SH-SY5Y細胞模型中,IGF-1可以抑制A β誘導的tau及 JNK蛋白磷酸化,抑制 SH-SY5Y細胞死亡。將SH-SY5Y細胞用10 ng/mL IGF-1預(yù)處理24 h后還能抑制岡田酸誘導的細胞凋亡[14]。presenilin 1(PS1)V97L和A136G突變是在中國2個早發(fā)性AD家族中發(fā)現(xiàn)的。為了研究V97L和A136G突變體的病理作用,Fang等[15]將這2個突變體轉(zhuǎn)入SH-SY5Y細胞中,發(fā)現(xiàn)它們可以降低細胞的活性,促進細胞的凋亡,而IGF-1可以抵抗V97L和A136G突變體的作用。Lafay-Chebassier等[16]在A β處理的神經(jīng)母細胞瘤細胞中發(fā)現(xiàn)Aβ可以激活p70S6K,使之磷酸化。磷酸化的p70S6K又激活caspase-3,導致細胞的凋亡。而IGF-1可以抑制p70S6K的激活和caspase-3的活化,保護神經(jīng)細胞。在肝臟組織特異性IGF-1基因敲除小鼠,外周血中的IGF-1水平可下降80%～85%。在Morris水迷宮試驗中這些基因敲除小鼠在6個月齡的時候其學習能力、記憶力和正常小鼠沒有差異。但當這些小鼠進入老齡期(15～18月)時,IGF-1敲除小鼠的空間識別能力和記憶力明顯不如對照組。組織學檢查發(fā)現(xiàn)這些小鼠海馬區(qū)的腦啡肽、強啡肽和谷氨酸受體含量明顯增加,有明顯的星形細胞增生,取代了正常的神經(jīng)元細胞,提示IGF-1的減少可以導致大腦神經(jīng)細胞突觸功能異常和神經(jīng)元變異[17]。此外Sharma等[18]發(fā)現(xiàn)高膽固醇飼料喂養(yǎng)的兔子海馬部位的Aβ含量明顯升高,而且伴隨海馬 IGF-1含量的下降,因此作者認為高膽固醇誘發(fā)的Aβ堆積也可能涉及IGF-1信號通道。

5 結(jié)論和展望

無論從流行病學、細胞和分子水平的研究還是整體動物模型的研究都顯示了IGF-1在AD的發(fā)病過程中起著很重要的作用。目前IGF-1已獲準上市用于治療矮小癥,充分說明了IGF-1作為治療用藥的安全性。我國也有單位對IGF-1的基因重組產(chǎn)品進行了研發(fā)[19-21]。我們希望不久即有臨床試驗對IGF-1治療AD的效果進行評價,以造福人類。

[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]劉侃,汪炬,謝秋玲,等.重組類胰島素樣生長因子-1的純化與復(fù)性[J].中國生物工程雜志,2006,26(2):29-33.

[20]陳蔚青,陳虹,胡文浪.重組人胰島素樣生長因子-Ⅰ工程菌高密度發(fā)酵工藝優(yōu)化[J].中國生化藥物雜志,2008,29(2):121-124.

[21]廖聯(lián)明,楊漸,俞昌喜,等.人胰島素樣生長因子-l的原核表達和純化[J].中國生化藥物雜志,2009,30(4):226-229.