FGF21在神经系统疾病中的研究进展

李勇，陈树春，孙正文，王昊，杨贵彬

(1.华北理工大学研究生院，河北 唐山 063000；2.河北省人民医院内分泌科，河北 石家庄 050000)

0 引言

人类成纤维细胞生长因子(FGF)超家族由22个结构相关的信号分子组成，可分为旁分泌型FGFs(包括FGF1～10、FGF16～18、FGF20/22)、内分泌型 FGFs(包括 FGF15/19/21/23)和胞内型FGFs(包括FGF11～14)[1]。根据序列同源性和系统发育，FGF21属于内分泌型FGFs，其分离的cDNA编码的蛋白质包含209个氨基酸，分子量约为22.3 kDa，每个氨基酸序列在哺乳动物中高度保守[2]。FGF21主要表达于肝脏，肝外组织如白色和棕色脂肪组织、胸腺、胰腺细胞、骨骼肌、心脏内皮细胞、下丘脑也有表达。旁分泌型和内分泌型FGFs家族的不同成员可以与不同的FGF受体(FGFR)结合，从而发挥调节多种代谢的作用。旁分泌型的FGFs与FGFR结合，需要肝素或硫酸肝素的参与。FGF21由于缺乏与肝素相关的特异性结合位点，主要通过内分泌相关组织释放进入血液，而不是自分泌。进一步的研究表明，人类FGF21作用的分子机制是通过辅助受体β-Klotho的C端，与FGFR的N端相结合，最终形成一个稳定的FGF21/β-Klotho/FGFR复合物从而激活下游信号转导通路[3]。近年来，FGF21在抑制神经细胞凋亡、改善神经功能缺损、促进血管生长、逆转抑郁、抗焦虑等方面的作用得到逐步证实。

1 FGF21在神经系统疾病中的作用

1.1 FGF21与缺血性中风

缺血性中风是指由动脉血栓引起的脑血流量减少。全世界每年约有79.5万人患有缺血性中风，且中风患者的数量正在逐渐上升[4]。发生中风时，位于中枢神经系统的小胶质细胞是脑缺血的第一个反应者，它们在几分钟内被激活[5]。随后，浸润的免疫细胞，包括单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、自然杀伤细胞，通过破坏血脑屏障和分泌大量的细胞因子促进炎症的进展[6]。炎症细胞因子的分泌在脑卒中后的炎症级联反应和神经元损伤中发挥独特的作用。研究发现中风后24-48小时，炎症因子包括白介素-6、肿瘤坏死因子-α、白介素-1β、环氧合酶-2、单核细胞趋化蛋白-1的水平显著升高，而经rhFGF21治疗的小鼠，这些炎症因子被抑制。Wang等发现，与大脑中动脉闭塞(MCAO)小鼠相比，MCAO+rhFGF21的小鼠，几乎所有的炎症细胞因子在中风后立即上调，然而，从24小时开始，特别是在中风后24-48小时，rhFGF21显著抑制了中风诱发的细胞因子水平增强。rhFGF21减弱了小胶质细胞向M1(一种产生促炎细胞因子的炎症表型)方向的极化，但对M2(一种抗炎表型)没有影响。rhFGF21减少免疫细胞在中枢神经系统的浸润和M1巨噬细胞的积累。Wang等还证实rhFGF21显著降低了小鼠脑梗死的面积，改善了受中风影响的小鼠的神经功能缺陷[7]。Zheng等发现，在MCAO延迟3天再通的大鼠模型中，血清FGF21水平升高，且FGF21可通过血脑屏障进入中枢神经组织，半暗区内源性FGF21和磷酸化FGFR1 (pFGFR1)的表达水平升高。然而，使用FGFR1 siRNA敲除FGFR1可消除FGF21的抗凋亡作用，梗死体积增加，小鼠的脑出血率和死亡率也显著增加。Zheng等进一步证实了FGF21和pFGFR1通过激活PI3K/Caspase-3信号通路来减弱再通后半暗区神经元凋亡，从而起到神经保护作用[8]。以上研究表明FGF21在缺血性卒中的治疗中发挥了重要的作用，尤其可以减少脑卒中后的梗死面积、抗凋亡抑制炎症反应改善卒中后的神经行为缺陷。

1.2 FGF21与创伤性脑损伤

创伤性脑损伤(Traumatic brain injury，TBI)是指由于外力对大脑造成的损伤，破坏了大脑的正常功能，损害了神经发生的多个方面，包括神经干细胞的增殖、未成熟神经元的存活、树突的发育和分枝化，以及海马神经的功能整合，从而导致短期或长期的感觉和运动功能缺失、认知障碍以及精神和记忆损伤，发病率和死亡率高[9]。TBI的机制十分复杂，主要涉及机械应力和多种继发过程，包括神经血管功能障碍、炎症、氧化应激和凋亡。有研究发现FGF21在促进神经细胞存活和增强脑外伤后神经胶质的相互作用中发挥重要作用。Ahmad Shahror等分别将MSC-FGF21(表达FGF21的间充质干细胞)、MSC-mCherry (单纯间充质干细胞)和vehicle(媒介物)注入TBI小鼠的脑室内，研究发现经媒介物治疗的TBI小鼠的未成熟的海马神经元的树突长度和复杂性大大降低，而MSC-FGF21可以增加未成熟海马神经元的树突的分支数量和总长度，经MSC- mCherry治疗可以抑制树突长度损伤但不增加分支的数量。在TBI后的慢性阶段，MSC-FGF21治疗增强了同侧海马新生神经元的神经形成和成熟，而MSC-mCherry治疗的创伤性脑损伤小鼠比MSC-FGF21治疗的创伤性脑损伤小鼠表现出较少的神经新生。从而证明，MSCFGF21治疗的小鼠的同侧海马中观察到的神经改善，很可能是由于FGF21水平的提高而非MSC分泌体的活动。他们还通过水迷宫测试证明：MSC-FGF21移植可减轻TBI诱导的空间学习和记忆缺陷[10]。越来越多的证据表明，血脑屏障破坏引起的脑出血和脑水肿是TBI患者死亡的主要原因[11]。Chen等研究发现FGF21通过FGF21/FGFR1/ klotho复合物的形成激活PPAR，进一步抑制TNF-α，上调紧密连接和黏附连接蛋白，从而保护了血脑屏障，改善了TBI小鼠的神经功能行为缺陷和脑水肿程度，恢复了脑组织损伤和神经元凋亡[12]。综上所述，这些结果表明FGF21可能是TBI的一种潜在的治疗方法。

1.3 FGF21与神经退行性疾病

1.3.1 FGF21与阿尔茨海默病

阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病之一，主要临床表现为认知功能受损、学习能力下降和行为能力逐渐下降。阿尔茨海默病有两个显著的病理特征，即β淀粉样蛋白肽(Aβ)异常沉积引起的老年斑和由过度磷酸化的tau蛋白组成的神经纤维缠结[13]。Aβ可能引起中枢神经系统毒性，最终导致神经元死亡，还有神经毒性导致tau蛋白过度磷酸化和随后的聚合，造成了稳定的神经元微管结构的破坏，损伤轴突的传输功能，导致神经细胞死亡，认知能力下降。线粒体氧化损伤与AD的发病机制密切相关，甚至是AD最早的表现之一[14]。研究表明，当氧化应激发生时，ROS的过量产生会对线粒体造成明显的生物损伤。同时，受损的线粒体会进一步促进氧自由基的形成。两个因素相辅相成，最终导致突触减少，细胞凋亡和记忆障碍[15]。既往研究表明，FGF21受体在大脑中也有表达，并且已经证实FGF21可以通过简单扩散通过血脑屏障[16]。Chen等通过向大鼠腹腔内注射Aβ25-35(β淀粉样蛋白肽)和Aβ25-35+FGF21(β淀粉样蛋白肽和FGF21)发现Aβ25-35可以诱导细胞凋亡，ROS积累和线粒体形态异常，而FGF21可以预防这些现象的发生。经FGF21处理后，大鼠的学习记忆能力增强，海马组织中磷酸化tau蛋白的水平降低，ROS的产生被抑制[17]。有研究发现MAPKs/HIF-1，以及线粒体氧化损伤通路可能在神经元凋亡中发挥关键作用，已经有报道称，Aβ诱导MAPKs异常激活[18]。MAPKs家族成员主要包括ERK1/2、JNK和p38。PP2A是负调控MAPK磷酸化的主要磷酸酶之一，它的活性可以被Aβ抑制。Chen等发现FGF21可以增强PP2A的磷酸化水平，他们进一步研究了PP2A/MAPKs/HIF-1通路，发现FGF21至少部分通过ERK1/2途径发挥其对神经元的保护作用[17]。

1.3.2 FGF21与帕金森病

帕金森病(PD)是继阿尔茨海默病之后的第二种常见的神经退行性疾病。PD的特征性表现为黑质多巴胺能神经元的丢失和大脑不同区域的某些神经元胞浆内核蛋白的异常沉积[19]。Chen等通过比较MPTP(单纯帕金森)小鼠和MPTP+rhFGF21(脑内注射rhFGF21)的帕金森小鼠，发现通过小鼠进行系统的、连续的脑室内注射重组FGF21，可以改善小鼠的运动能力、协调能力和探索能力，避免多巴胺能神经元的退化，并改善PD模型的神经元-突触核蛋白的病理特征。此外，Chen等还研究了FGF21对MPTP诱导的PD样病理的保护作用的可能分子机制[20]。SIRT是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的去乙酰化酶，可以延缓衰老。已有报道称SIRT1或SIRT1-自噬轴参与了FGF21的多种功能。SIRT1通过LC3和PGC-1发挥作用，Guo等人研究表明SIRT1的激活通过LC3去乙酰化促进了偶联核蛋白的自噬降解，通过SIRT1/PGC-1的配对通路增强人类多巴胺能神经元的线粒体功能[21]。Chen等发现rFGF21可以通过提高SIRT1的蛋白水平，增强偶联核蛋白的自噬，并可能通过促进毒性蛋白的清除而发挥神经保护作用[20]。

1.4 FGF21与抑郁症

重度抑郁症(MDD)是一种情绪障碍，其特征是持续感到悲伤、失去兴趣和无价值感，全球约有3亿人受其影响。促炎细胞因子肿瘤坏死因子-a (TNF-a)和白介素-6 (IL-6)在炎症过程中发挥关键作用，可诱发抑郁症。有研究表明，FGF21具有抗氧化活性、抑制内质网应激诱导的细胞凋亡、抗炎等多种药理活性。且FGF21与肝素结合弱，可通过简单扩散通过血脑屏障，由此推测FGF21可能在情绪调节中发挥作用[22]。Wang等通过向LPS(脂多糖)诱导的抑郁症小鼠腹腔内注射rhFGF21，发现rhFGF21可显著增加抑郁症小鼠的总行走距离和穿线次数，减少不动时间，从而表明rhFGF21具有潜在的抗抑郁作用[23]。NF-kB信号通路在炎症反应中起重要作用，正常情况下，NF-kB与抑制剂IkB结合，并以非活跃的状态存在于细胞的细胞质中。然而，一旦被激活物，如LPS激活，NF-kB被磷酸化成p-NF-kB，然后被释放并转运到细胞核中，促进炎症细胞因子的表达[24]。Wang等发现，FGF21通过与FGFR1结合，可以降低LPS诱导的p-NF-kB/NF-kB比值的升高，降低LPS诱导的核NF-kB的升高水平，提示rhFGF21可以抑制NF-kB的激活和转位进入细胞核[23]。从而表明rhFGF1可能通过介导NF-kB信号通路发挥抗炎作用，是一种新的抗抑郁药物候选药物。

1.5 FGF21与周围神经损伤

周围神经损伤(PNI)是临床上因意外创伤、手术或炎症性疾病而引起的常见慢性疾病，可导致运动和感觉功能障碍和不可逆的组织萎缩。一旦周围神经受损，病变部位及其远端伴有广泛的缺血和炎症反应，导致ROS积累过多，同时，内源性抗氧化剂包括超氧化物歧化酶(SOD)、NADH脱氢酶醌1 (NQO1)和血红素加氧酶1 (HO-1)的水平不足以维持创伤区抗氧化损伤的需求，最终导致细胞凋亡和死亡[25]。在抗氧化防御系统中，核因子红系2相关因子2 (Nrf-2)作为一个调节氧化应激的关键的转录因子，它能从细胞质进入细胞核启动抗氧化基因的转录，包括NQO1基因和HO-1基因，从而恢复细胞正常的生理功能。作为调节Nrf-2的上游信号之一，细胞外调节蛋白激酶(ERK)是一种丝氨酸-苏氨酸激酶，参与调节细胞增殖、分化和细胞骨架动力学[26]。利用成纤维细胞生长因子(FGFs)促进周围神经髓鞘化和再生的分子疗法已被广泛应用。Lu等通过持续向坐骨神经损伤的小鼠注射FGF21溶液1周，通过行走轨迹分析和冯·弗雷测试，评估4周期间的运动和感觉恢复情况，发现在治疗后的第3周小鼠的运动功能得到改善，在治疗后的第1周感觉功能得到改善。修复4周后，他们评估损伤神经纤维的组织学改变，发现FGF21组新生神经纤维致密均匀，而PNI组的再生神经纤维小且不规则。雪旺细胞(SCs)是外周神经系统的髓鞘鞘细胞，是形成髓鞘和维持髓鞘厚度的重要细胞。Lu等将SCs细胞暴露于H2O2 中4小时，模拟PNI氧化损伤状态，结果发现大量SCs细胞死亡，H2O2组产生的ROS明显增加。然而，用FGF21预处理SCs细胞可以显著降低细胞的死亡和ROS的生成。为了探究FGF21促进抗氧化作用、抑制SCs凋亡的机制，Lu等发现FGF21可以明显上调p-ERK/ERK的比率以及Nrf-2、NOQ1和HO-1的表达水平，然而ERK的抑制剂可以逆转这一现象[27]。阻断自噬性细胞死亡也是FGF21在PNI后发挥神经保护和神经发育作用的另一有效途径[28]。Lu等发现FGF21可以促进凋亡蛋白Bax下调，抗凋亡蛋白Bcl-2上调，Bax/Bcl-2比值显著降低，从而阻断自噬[27]。综上所述，证明了FGF21可促进PNI后SCs增殖、神经再生和功能恢复，可能与通过ERK/Nrf-2信号通路抑制过度氧化应激诱导的细胞凋亡和自噬细胞死亡。

2 小结

FGF21在中枢神经系统疾病以及周围神经系统疾病的治疗中发挥了重要作用。它可以通过抑制炎症反应、氧化应激和抗凋亡等多种机制，从而发挥改善神经功能缺损，保护血脑屏障，治疗抑郁，促进神经元的轴突和树突的生长以及抑制髓鞘损伤等多种功能。然而，由于FGF21的生物稳定性较差，目前尚不可以广发应用于临床。此外，FGF21是否会在糖尿病周围神经病变的治疗和预后中发挥作用，也需要我们进一步去研究。