先 仙, 姚 昊

(南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院心血管中心, 江蘇 南京 210011)

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是目前導致認知能力下降最常見的原因,它已經(jīng)成為世界大部分地區(qū)一個緊迫的公共衛(wèi)生問題。它是一種神經(jīng)退行性疾病,全世界有超過4500萬人患病,65歲后患病率每5年增加一倍,其中大約1%的人在60歲以上,8%的人在85歲以上[1]。對AD生物學機制的認識主要來自分子和細胞生物學,包括β淀粉樣蛋白(amyloid beta,Aβ)和tau蛋白的聚集。此外,炎癥過程在其病理生理中也起著關(guān)鍵作用。近來對神經(jīng)退行性疾病發(fā)展和進展的研究也越來越多,而巨噬細胞遷移抑制因子在其中起到一定的引導與調(diào)控作用。所以,本文重點介紹巨噬細胞遷移抑制因子在AD的形成過程中表現(xiàn)出的一系列作用,并對其展開深入性地探究,針對性地尋找以巨噬細胞遷移抑制因子為靶點治療阿爾茲海默癥的方法。

1 MIF概述

巨噬細胞遷移抑制因子(Macrophage migration inhibitory factor,MIF)是一種同源三聚體蛋白,分子量為12.5kDa,由114個氨基酸殘基組成,是一種發(fā)揮著多效促炎作用的細胞因子。MIF基因位于人類基因組第22染色體(22q11.23),包含3個外顯子(107、172和66bp)和2個內(nèi)含子(188和94bp)。MIF是四種膜受體的配體,即CD74,CXCR 2,CXCR4和CXCR7,基于炎癥環(huán)境和細胞類型,MIF結(jié)合到一個單獨的受體或受體復合物,決定了MIF的功能活性。它參與多種功能,包括白細胞招募、炎癥、免疫應答、細胞增殖、腫瘤發(fā)生和糖皮質(zhì)激素的反調(diào)節(jié)等。MIF的表達和分泌譜表明,它在幾乎所有哺乳動物細胞中普遍和組成性地表達,如免疫和神經(jīng)系統(tǒng)細胞,垂體細胞,上皮細胞,內(nèi)皮細胞,平滑肌細胞,滑膜成纖維細胞和間充質(zhì)細胞等,并對許多生理病理過程至關(guān)重要。越來越多的研究者注意到MIF在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的不同作用[2],早在21世紀初,就有學者發(fā)現(xiàn)在AD患者腦脊液和腦組織中,MIF的濃度高于健康腦,很多動物研究也逐漸證實了MIF與AD之間的聯(lián)系,使其成為AD的理想候選分子。

2 MIF對AD的作用

2.1MIF與Aβ:淀粉樣斑塊存在于細胞外間隙,它們由含有40或42個氨基酸的Aβ(Aβ40和Aβ42)異常折疊而成。Aβ在神經(jīng)元細胞內(nèi)聚集可啟動促炎細胞因子風暴,并伴隨小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的活化,引起免疫系統(tǒng)的慢性激活和神經(jīng)變性。從組織病理學的角度來看,AD的主要特征是大腦皮質(zhì)萎縮和神經(jīng)元丟失,與Aβ淀粉樣斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)相關(guān)。有趣的是,MIF表現(xiàn)出類似于Aβ1-42的神經(jīng)毒性,這與MIF誘導的Bad表達增加有關(guān)。Bad在機體中是一種促凋亡蛋白,其升高可引起SH-SY5Y細胞的細胞毒性。體外實驗也觀察到MIF呈現(xiàn)劑量依賴性的二分效應,低濃度的MIF增加了p-Bad/Bad的比值,而高水平的MIF誘導了Bad的表達并觸發(fā)細胞凋亡,因此,MIF可能參與AD神經(jīng)元凋亡的調(diào)控[3]。Bacher等[4]使用轉(zhuǎn)基因小鼠模型,觀察到轉(zhuǎn)基因小鼠的腦切片與Aβ斑塊相關(guān)的小膠質(zhì)細胞中存在MIF免疫標記。此外,小鼠和人神經(jīng)細胞系的體外研究表明MIF小分子抑制劑(ISO-1)可顯著逆轉(zhuǎn)Aβ誘導的毒性。另外,Oyama等[5]也報道了MIF與Aβ在AD患者大腦中共定位,因此Aβ的毒性似乎可以歸因于MIF表達的上調(diào)。

然而,Zhang等的研究發(fā)現(xiàn),在雙轉(zhuǎn)基因小鼠中可以觀察到MIF的表達,這些小鼠出現(xiàn)了大量的斑塊和認知障礙。為了評估內(nèi)源性MIF降低對疾病過程的影響,這些小鼠在C57/BL6背景下與MIF+/-小鼠交配,雖然MIF的半合子敲除不影響小鼠的移動能力和視力,但小鼠出現(xiàn)了顯著的記憶障礙,表明MIF缺陷影響了空間學習能力;作者進一步研究發(fā)現(xiàn),Aβ處理SH-SY5Y細胞可誘導培養(yǎng)液中MIF濃度顯著增加,提示Aβ可觸發(fā)神經(jīng)元分泌MIF,在穩(wěn)定過表達MIF的SH-SY5Y細胞系中,Aβ引起細胞存活率顯著降低的毒性完全被抑制,表明MIF分泌升高可以保護神經(jīng)元免受Aβ誘導的細胞毒性[6]。Hu等[7]也觀察到與年輕野生型小鼠異種共生后,MIF在AD小鼠大腦中的表達增加,同時淀粉樣斑塊減少,研究發(fā)現(xiàn)MIF通過L1-70/Top1復合物間接減少了AD大腦中Aβ的沉積,在淀粉樣斑塊附近觀察到大量的小膠質(zhì)細胞,表明MIF與離子鈣結(jié)合適配器分子1((Ionized calcium binding adapter molecule 1,Iba1)表達和Aβ清除相關(guān),Iba1是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的小膠質(zhì)細胞中特異性表達約 17kDa 的鈣結(jié)合蛋白,已被廣泛用作小膠質(zhì)細胞標記物。基于已知的小膠質(zhì)細胞在清除Aβ沉積中的作用,MIF介導的小膠質(zhì)細胞激活可能在AD大腦中發(fā)揮作用。Carlred等[8]免疫染色顯示MIF和Iba1在海馬區(qū)高度共定位,這進一步證實了MIF在斑塊附近的身份和定位。因此,MIF的表達上調(diào)在AD中也可能具有保護作用。

由此可見,在AD中,MIF對Aβ的作用存在兩種明顯矛盾的假說,未來的研究需要拆解內(nèi)源性MIF在AD中的作用,從而在AD的轉(zhuǎn)基因模型中使用特定的MIF抑制劑和外源性MIF,為針對MIF及Aβ而設計的干預AD的靶向療法提供了理論基礎。

2.2MIF與tau蛋白:神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillarytangles,NFTs)是AD的病理特征之一,這種纏結(jié)可引起細胞損傷,導致神經(jīng)變性,而NFTs由過度磷酸化的tau蛋白組成。tau蛋白是大腦中最常見的微管蛋白,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達,主要分布于神經(jīng)元軸突,能夠促進微管的組裝,維持神經(jīng)元骨架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并參與軸突的正常運轉(zhuǎn)[9]。異常過度磷酸化tau蛋白的堆積以及沉降,引起神經(jīng)元變性或死亡,從而導致認知障礙。Oikonomidi等[10]研究發(fā)現(xiàn),腦脊液中MIF水平與腦脊液中總tau蛋白和磷酸化的tau蛋白水平呈正相關(guān)。Bacher等[4]的一項研究也顯示,AD患者和輕度認知障礙受試者的腦脊液中MIF水平顯著升高。這些體外研究預測MIF的致病潛力在MIF敲除(knockout,KO)的轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中得到了證實,Li等[11]通過免疫熒光染色,與野生型(wild type,WT)小鼠相比,發(fā)現(xiàn)MIF-KO減弱了腦室內(nèi)注射鏈脲佐菌素(intracerebroventricular streptozotocin,ICV-STZ)小鼠tau蛋白的過度磷酸化。此外,作者在高糖環(huán)境下培養(yǎng)MIF-KO小鼠和WT小鼠的原代星形膠質(zhì)細胞,以模擬STZ的功能,他們在體外用兩種條件培養(yǎng)基處理神經(jīng)元,高糖培養(yǎng)的WT星形膠質(zhì)細胞原代神經(jīng)元中tau蛋白的過度磷酸化,MIF抑制劑ISO-1可抑制該作用;以類似的方式培養(yǎng)MIF-KO星形膠質(zhì)細胞的原代神經(jīng)元,未觀察到tau蛋白的過度磷酸化,而檢測直接暴露于MIF和MIF抑制劑ISO-1的神經(jīng)元,未發(fā)現(xiàn)tau磷酸化水平有明顯變化,并且MIF增加膠質(zhì)纖維酸性蛋白的表達表明MIF激活星形膠質(zhì)細胞。因此,MIF可能主要通過激活星形膠質(zhì)細胞調(diào)節(jié)tau蛋白磷酸化。但是,目前MIF激活的星形膠質(zhì)細胞介質(zhì)的性質(zhì)尚不清楚。潛在的候選介質(zhì)包括已知從星形膠質(zhì)細胞釋放并基于細胞培養(yǎng)的實驗中誘導tau蛋白過度磷酸化的一氧化氮和S100B。未來的研究將集中在這些介質(zhì)通過星形膠質(zhì)細胞參與MIF導致的tau蛋白過度磷酸化。另外,Brosseron等[12]觀察到MIF水平也與tau蛋白和衰老相關(guān),這進一步支持了MIF在AD中的病理作用,表明它可能成為一個有用的診斷標志物和治療靶點。

2.3MIF與神經(jīng)炎癥:神經(jīng)炎癥是AD神經(jīng)變性的重要過程,參與了淀粉樣蛋白沉積、神經(jīng)元損傷、神經(jīng)纖維纏結(jié)形成和死亡的惡性循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn),這種神經(jīng)炎癥會抑制海馬某些區(qū)域(如齒狀回)的神經(jīng)再生,從而夸大疾病的嚴重程度和AD癡呆的發(fā)生。流行病學證據(jù)和在不同小鼠模型中的研究表明,阻斷與中樞神經(jīng)系統(tǒng)先天性免疫反應相關(guān)的慢性炎癥可以減弱AD樣病理。隨著神經(jīng)炎癥事件的上調(diào)被明確定義為AD病理的關(guān)鍵機制,MIF已成為研究AD病理生理學的理想靶點。研究表明,MIF與有神經(jīng)炎癥成分的疾病(如帕金森病和肌萎縮側(cè)索硬化)有關(guān),在這些疾病中MIF具有保護作用[13],但在AD中,關(guān)于保護作用和損害作用的數(shù)據(jù)不一致。在AD患者的腦脊液和死后大腦中,MIF水平顯著增加。然而,MIF表達的增加僅出現(xiàn)在AD患者中,而不出現(xiàn)在輕度認知障礙或血管性癡呆患者中,臨床上,在控制了腦脊液Aβ1-42和tau水平等潛在混雜因素后,腦脊液MIF水平可獨立預測認知障礙老年人的認知功能下降率[10]。在死后的AD腦小膠質(zhì)細胞和纖維纏結(jié)的神經(jīng)元中,MIF受體CD74的表達也增加。在機制上,MIF可以通過促進其他炎癥介質(zhì)的表達來影響tau蛋白磷酸化,例如活化的星形膠質(zhì)細胞釋放的可溶性細胞因子。此外,MIF抑制劑ISO-1顯著減少了這些炎癥因子的分泌,表明MIF可能是誘導細胞因子產(chǎn)生所必需的。MIF由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞表達,由于其在炎癥中的核心作用,MIF代表了抗炎治療的相關(guān)靶點。Nasiri等[14]提出了細胞內(nèi)MIF在ICV-STZ模型中啟動神經(jīng)變性中的作用,在體內(nèi)和體外試驗中觀察到MIF-KO細胞和動物,接受刺激后細胞因子水平?jīng)]有上調(diào),并且改善了小鼠的認知行為。ICV-STZ可導致海馬依賴性認知功能損害,MIF抑制劑ISO-1顯著改善了這種情境記憶障礙,表明MIF相關(guān)炎癥是ICV-STZ誘導記憶障礙的主要原因。

不同類型的細胞釋放MIF是由脂多糖、DNA損傷等的促炎刺激觸發(fā)的,作為啟動炎癥反應的早期細胞因子和維持炎癥反應的介質(zhì)發(fā)揮作用。MIF的增加也與其他細胞因子的釋放相關(guān),促進慢性神經(jīng)炎癥,并可能加速神經(jīng)退行性變過程。最初促炎細胞因子激活小膠質(zhì)細胞,隨后增強病理過程中的碎屑清除。然而,小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的主要介質(zhì),這些免疫介質(zhì)的長期表達可能對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。因此,在炎癥級聯(lián)中找到一個合適的靶點是至關(guān)重要的,理想的治療策略應該抑制炎癥反應的有害方面,而不影響有益的抗炎反應。

2.4MIF與胰島素:高胰島素血癥和胰島素抵抗對AD期間的認知損害有顯著影響。最近,一種新的糖尿病亞型-“3型”糖尿病被認為是與AD相關(guān)的腦-胰島素抵抗狀態(tài)[15]。雖然大腦中產(chǎn)生胰島素抵抗的確切細胞類型尚未被確定,但一項研究表明,皮質(zhì)神經(jīng)元在長時間暴露于高胰島素濃度后形成對胰島素的抵抗,這是通過抑制Akt、p70S6K和GSK-3β的磷酸化來實現(xiàn)的。由于已知MIF可以抑制Akt磷酸化,因此其在腦病理過程中的高表達可能加劇神經(jīng)元的胰島素抵抗。在神經(jīng)退行性疾病中,腦內(nèi)高血糖的存在可能導致蛋白質(zhì)的糖基化,最終導致氧化應激。

據(jù)報道,MIF的糖基化和氧化發(fā)生在AD腦內(nèi)[16],這些過程會對MIF的酶促功能和MIF刺激的神經(jīng)膠質(zhì)細胞ERK磷酸化產(chǎn)生負面影響。在AD期間,MIF參與了神經(jīng)膠質(zhì)細胞對大腦中異常蛋白積聚的反應,研究人員認為,由糖基化引起的MIF活性的抑制和減少可能是疾病進展的“臨界點”。一方面,葡萄糖/胰島素穩(wěn)態(tài)失衡導致MIF蛋白在AD中正常生理功能的缺失。通過熒光苯基硼酸凝膠電泳發(fā)現(xiàn),隨著AD病理的進展,MIF的糖基化水平增加,這種糖基化修飾抑制MIF的酶活性和穩(wěn)定性。除了翻譯后的變化,MIF的過度表達可能與AD的病理有關(guān),因為ISO-1抑制MIF的表達是有益的。然而,在人類中,高產(chǎn)MIF-173G/C等位基因與AD的發(fā)生沒有關(guān)聯(lián)。MIF與腦內(nèi)胰島素抵抗的關(guān)系目前尚未見報道。假設MIF的過度表達可能是通過誘導星形膠質(zhì)細胞的炎癥反應來介導胰島素抵抗,MIF通過ERK磷酸化刺激星形膠質(zhì)細胞中的膽固醇25-羥化酶和磷脂酶A2-ⅡA,并改變其表型為促炎。因此,星形膠質(zhì)細胞分泌或表達的介質(zhì)可能與神經(jīng)元的胰島素觸發(fā)信號通路相互作用,從而傳遞胰島素抵抗。另一方面,MIF可能有利于維持腦內(nèi)正常的胰島素敏感性,因為MIF缺失減弱了海馬的胰島素敏感性,小鼠表現(xiàn)出焦慮樣行為和識別記憶受損,其特征為胰島素受體底物1的Ser307抑制磷酸化增加,并且研究發(fā)現(xiàn)果糖飲食可改善缺乏MIF對雄性小鼠前額皮質(zhì)炎癥、神經(jīng)可塑性和行為的影響[17]。綜上所述,MIF可能具有神經(jīng)保護作用,早期AD病理,即糖基化介導的功能喪失,大腦產(chǎn)生更活躍的MIF信號來補償。在AD發(fā)病機制中的作用,這兩種機制并不相互作用,在某些情況下,這些功能之間完全有可能存在病理性的交互作用。此外,MIF在大腦中的確切功能仍不清楚,因為最近有報道稱,MIF可能有助于中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的再生,并有助于生長因子的增加,而這些生長因子反過來又有利于星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞的增殖、遷移和神經(jīng)保護[18]。

3 展 望

MIF在AD發(fā)病機制中具有神經(jīng)損傷和神經(jīng)保護功能,這兩種機制可能并不相互排斥。如果內(nèi)源性MIF在AD的發(fā)展中起保護作用,則應努力在疾病的早期階段定制由MIF本身或活性肽組成的激動方法。以類似的方式,應在接受針對不同適應癥的特異性MIF抑制劑治療的患者中開展專門的安全性研究,以防止可能促進AD發(fā)生,特別是在具有高危表型的個體中。在這方面,應該進行嚙齒類動物模型的臨床前研究,以確定特異性MIF抑制劑是否危害認知功能。因此,適當調(diào)節(jié)MIF的表達、分泌和功能對AD的成功治療可能至關(guān)重要。另外,MIF家族的第二個成員D-DT,和MIF一樣,D-DT與CD74結(jié)合,但其結(jié)合率比MIF高3倍,解離率比MIF快11倍,并且D-DT不具備與CXCR2結(jié)合的基序。由于它們的相似性,D-DT也稱為MIF-2,經(jīng)常發(fā)揮與MIF功能相協(xié)同和重疊的效應,然而目前尚缺乏D-DT在嚙齒類動物模型和AD患者中的研究,但事實證明D-DT在成年小鼠大腦中廣泛表達,并在異質(zhì)中間神經(jīng)元中強烈表達,這表明D-DT在大腦中也有功能,D-DT在AD發(fā)生發(fā)展中的潛在作用也值得進一步研究?？偟膩碚f,MIF在AD中的作用尚未被完全理解,分離MIF及其受體在AD中的確切作用可能為AD的診斷和治療提供新的機會,需要進一步的研究來闡明其在這些條件下的確切作用模式。