胰岛素样生长因子1与糖尿病视网膜病变关系的研究进展

张浩 尚利晓 魏菁

(河南科技大学第一附属医院眼科 洛阳 471003)

在我国糖尿病患者中，糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)的患病率为23.0%～ 43.0%[1-2]。DR的患病率和糖尿病的病程密切相关，病程为5年内的糖尿病患者DR的患病率为44.4%，7年后为56.0%[3]。1型和2型糖尿病患者致盲率分别为3.6%和1.6%[4]，并且随着我国经济的发展和人民生活水平日益提高，糖尿病的患病率也呈逐年增长趋势。

治疗高血糖是预防DR发生和进展的主要方法，胰岛素类似物是控制血糖水平的重要药物。尽管血糖控制严格，但几乎所有糖尿病患者都会发生DR。一项研究报告，高血糖对DR的进展作用仅占11%，另外89%的风险属于未知因素[5]。鉴别这些因素对于预防DR的发生和进展非常重要，这些危险因素之一就是生长激素(growth hormone，GH)及其介体胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)。

有证据表明GH和IGF-1加速DR的进展，第1个提出这种观点的人是Poulsen，在1953年他报告了1例自发性垂体梗死后DR消退的病例[6]。临床观察显示青春期DR进展较快，尽管同样的血糖控制水平，青春期受试者的DR进展明显高于青春期前的受试者[7]。一项持续12年的前瞻性研究[8]发现，GH缺乏的糖尿病侏儒没有进展为DR。另外一项临床试验显示，垂体消融术后DR可得到改善，这可能与垂体消融程度呈正相关[9]。并且生长抑制素类似物奥曲肽已被证明可以延缓晚期DR的进展[10]。以上研究表明GH与DR之间似乎有很强的关系，而IGF-1可以介导GH的许多作用[11]。

1 IGF-1的结构及生物作用

1957年Salmonhe和Daughaday在研究GH的作用时，发现GH的促生长作用是由另一类物质所介导的，这类物质具有不受抑制的胰岛素样作用及多重的促细胞增殖作用，其后来被命名为IGF-1[12]。IGF-1是由70个氨基酸组成的多肽，相对分子质量为7 649 kDa，属于生长因子及其相关分子的IGF家族成员。IGF家族由3种配体(IGF-1、IGF-2和胰岛素)、至少6种结合蛋白(IGFBP-1～6)和介导配体作用的细胞表面受体[IGF-1受体(IGF-1R)、胰岛素受体及IGF-2甘露糖-6-磷酸(M6P)受体]组成[13]。GH和胰岛素可增加IGF-1的表达，营养不良和衰老可降低IGF-1的表达。

IGF-1的结构有45 % 与胰岛素相似，尤其是亲水表面的部分相似性，使 IGF-1具有胰岛素样活性，能与胰岛素竞争胰岛素受体的结合部位。IGF-1是机体生长发育的主效基因，人IGF-1基因由6个外显子组成，位于12号染色体中，具有与肌肉性状、身体组成和生长性状相关的位点[14]。IGF-1可在全身各处表达，血液中IGF-1大部分由肝脏合成，小部分由肝外组织合成，肾、结缔组织、肺、胸腺、脾、心、骨骼肌、睾丸以及大肠中都能检测到IGF-1的存在[15]。IGF-1通过酪氨酸激酶受体(IGF-1R)作用于多种细胞类型的生长、分化和代谢。IGF-1虽然是GH促进生长和代谢的主要介质，但它也具有与GH水平无关的自分泌和旁分泌效应。事实上，在施行垂体切除术的大鼠体内发现IGF-1在包括视网膜在内的多种组织中均有表达[16]。此外，GH还能产生由GH受体(GHR)介导的直接效应，而不涉及IGF-1。这2方面的观察表明，GH对生长有直接和间接(通过IGF-1)作用，并强调了IGF-1的局部、自分泌或旁分泌作用。

体内大部分IGF-1与IGF结合蛋白(IGF binding proteins，IGFBPs)结合，只有不到1%的IGF-1以游离形式存在。可能游离的IGF-1才具有生物活性，实际上，它是抑制垂体GH产生的主要因素[17]。迄今为止，已确认6种主要的IGFBPs，并且已克隆和测序了它们的互补DNA。IGF-1对6种IGFBPs的亲和力比对IGF-1R的亲和力高5～50倍，因此，体内平衡有利于IGF-1与IGFBPs的结合。在血清中，大部分IGF-1以相对分子质量约为150 kDa的三元复合物形式存在。此复合物由IGF-1(γ亚基)结合IGFBP-3(β亚基)及不稳定氨基酸亚基(ALS)(α亚基)组成[18]。IGFBPs主要在肝脏中合成，在IGF-1基本的生物活性的协调与调控中有4种主要功能：①在血浆中起转运蛋白的作用，并控制IGF-1从血管间隙流出；②延长IGF-1的半衰期并调节其代谢清除率；③为组织和细胞提供特异性结合的位点；④通过直接调节IGF-1与其受体的相互作用，从而间接控制其生物效应。应当注意的是，在某些情况下，IGFBPs抑制IGF-1R对IGF的刺激，而在其他条件下，它们可增强IGF-1R对IGF的刺激[19]。

2 IGF-1与DR

(1) IGF-1通过激活缺氧诱导因子(hypoxia-inducible facfor，HIF)增加眼中VEGF及促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)的表达。视网膜中很多细胞可以分泌IGF-1，如血管内皮细胞、周细胞、胶质细胞、视网膜神经节细胞和视 网 膜 色 素 上 皮(retinal pigment epithelium，RPE)[20]。此外，多项体外研究表明，IGF-1R在人视网膜血管内皮细胞和RPE细胞的培养中也有表达，并且IGFBPs也可以由视网膜细胞合成的。IGF-1对IGF-1R的激活刺激HIF-1α蛋白质合成并增加VEGF的表达，IGF-1参与了VEGF在人类RPE细胞中的活化[21]。VEGF是促进新生毛细血管形成的重要因素。这些发现提示IGF-1/IGF-1R/IGFBPs复合物参与视网膜中发生的生理变化。事实上，在缺氧或血清饥饿的情况下，IGF-1在体外能延长神经视网膜细胞的存活时间[22]。此外，IGF-1(10 ng/mL)还保护人视网膜血管内皮细胞免受高血糖和血清饥饿诱导的凋亡[23]。在眼中，IGF-1R存在于许多细胞，并被一种IGF-1R拮抗剂所抑制，以阻断IGF-1的作用，从而阻碍视网膜微血管改变的进展[24-25]。与IGF-1对VEGF的作用一样，IGF-1诱导HIF-1，导致其mRNA水平升高和EPO过量产生[26]，这个过程可能参与新生血管的进展。IGF-1的生物学功能是作用于IGF-1R和磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)和几种细胞内激酶的活化，PI3K在诱导血管平滑肌细胞的生长和增殖中起重要作用。IGF-1的有丝分裂作用是血管内皮细胞生长和增殖的主要原因。在这种情况下，使用重组IGF-1作为治疗剂可能会导致糖尿病患者发生DR，IGF-1和IGF-1R参与增生型DR(proliferative DR，PDR)的发病机制或进展[27]。

(2) IGF-1促进糖尿病黄斑水肿(diabetic macular edema，DME)的产生。DME是糖尿病患者最常见的一种威胁视力的视网膜病变，每15个糖尿病患者中就有一个，在全球范围内有超过2 000万例DME患者[28]。DME的主要结构改变是血 - 视网膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)的破坏。糖尿病对几种细胞间连接蛋白产生有害影响(例如闭锁蛋白，紧密连接蛋白，ZO-1等)，导致高通透性和血管渗漏，VEGF是DME发病机制中所涉及的关键分子介质之一[29]。VEGF通过经典蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)介导的闭锁蛋白磷酸化而破坏BRB，PKC通过内吞过程诱导紧密连接的解体从而导致血管渗漏，引起黄斑水肿[30]。同时，高血糖下调IGF-1R利用的主要信号转导元件IRS-1，导致跨膜蛋白Src同源性2结构域蛋白酪氨酸磷酸酶底物1(src homology 2 domaincontaining protein tyrosine phosphatase substrate1，SHPS-1)在IGF-1的作用下被酪氨酸磷酸化后异常激活促分裂素原活化激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)途径。在高血糖时，IGF-I受体招募一种称为CTK的激酶，使SHPS-1磷酸化，从而形成多组分信号复合物激活AKT和MAPK。在血管内皮细胞中，这就导致细胞功能障碍、细胞间异常接触、减少细胞连接蛋白、增加毛细血管渗漏引起黄斑水肿[31]。

(3) 应用重组IGF-1治疗糖尿病可加速DR的进展。在糖尿病患者中，使用胰岛素类似物或口服降血糖药物治疗是控制血糖水平的经典疗法。有一些试验性治疗，把IGF-1应用于极度胰岛素抵抗或不敏感的患者。人们希望重组IGF-1治疗可能是另一种降低血糖的方法，并能预防糖尿病的急性并发症[32]。然而，IGF-1治疗有明显并发症：球后视神经水肿和头痛。IGF-1另一个应该慎重用于系统治疗的原因是其具有有丝分裂效应。由于IGF-1的治疗，PDR的发病率很高。如今，许多研究已经解释了IGF-1在DR的发病机制中具有重要功能。长期IGF-1治疗可能通过促进视网膜内皮细胞的增殖而加剧DR的恶化。此外，IGF-1还具有增加VEGF和EPO分泌的作用[33]。

通过将IGF-1与IGF-1R偶联，可激活与DR相关的多种信号通路：PI3K /蛋白激酶B通路(PKB)，MAPK和核因子-κB信号传导通路[34]。在动物实验中，玻璃体内或眼内注射IGF-1可加速视网膜和角膜新生血管的改变。在有DR的糖尿病患者中，已经注意到玻璃体液中IGF-1水平增加[35]，这些研究显示了IGF-1的有害活性。

(4) IGF-1在神经视网膜的炎症反应中可能存在双重作用。视网膜可以认为是中枢神经系统的延续，并且在视网膜中，神经炎症过程以与脑中类似的方式发生。事实上，视网膜和大脑由于其共同的神经外胚层起源和前神经管的衍生而具有相似性，因此，2种组织对促炎性损伤的反应相似。基于此，可以想象将视网膜整合为大脑的一部分[36]。在糖尿病抗炎特性的病理过程中，中枢神经系统中的IGF-1/IGF-1R系统发挥了巨大的抗炎作用，其机制是对抗下丘脑小胶质细胞激活所触发的炎症环境[37]。然而，据报道IGF-1在其他病理环境中存在促炎作用，因此其抗炎作用存在争议。最近有研究[38]表明，IGF-1在敲除Abcb4基因的小鼠(慢性胆管炎的临床前模型)的肝星状细胞中过表达，该研究的作者发现随着促炎标志物表达的增加和肝浸润巨噬细胞的存在，这些双突变大鼠的纤维化过程更快。关于IGF-1在炎症中作用的双重性，最近对斑马鱼的一项研究[39]证明，IGF-1、胰岛素及细胞活化因子在müller细胞的修复和视网膜损伤后再生的病理生理过程中有共同的通路。

(5) IGF-1表达水平随衰老而降低。在衰老过程中，具有生物活性的IGF-1循环水平降低，这是一种与人类衰老及认知下降有关的趋势[40]。在视网膜中，已经报道了关于IGF-1及IGF-1R水平对衰老相关退行性疾病的双重作用。关于有害作用，老年糖尿病患者的PDR患病率低于相似糖尿病病程的年轻发病患者，这可能与老年患者IGF-1水平降低有关[37]。因此，老年糖尿病患者不太严格的血糖控制可能不会增加PDR的患病率。对于年轻的糖尿病患者，过早使用胰岛素类似物控制血糖，可能会加速DR的发展。另一方面，用视网膜电图和视网膜细胞选择性标记技术对缺乏IGF-1基因的小鼠进行评价，证实了年龄因素加速了小鼠视觉功能的丧失并伴随光感受器与其突触后细胞之间的细胞接触显著减少，这可能与人类IGF-1缺乏和抵抗的病理生理学有关[41]。

(6) BRB的损伤是IGF-1加剧DR进展的重要事件。神经视网膜具有一个屏障系统，即BRB，这个系统由2部分组成：血-视网膜内屏障由视网膜毛细血管内皮细胞间的闭合小带及周细胞构成；血-视网膜外屏障由视网膜色素上皮、Bruch膜、脉络膜、毛细血管内皮细胞间的闭合小带构成[42]。DR可以引起BRB的渗透性增加，发生视网膜水肿，导致视力下降；同时，BRB渗透性的增加将导致血浆成分(如脂质)渗漏到视网膜中。IGF-1与BRB破裂的发病机制有关，眼内高浓度的IGF-1由于其在视网膜中的过表达而增加了IGF-1R介导的信号，导致VEGF的积累、HIF-1的上调和骨髓源性小胶质细胞的视网膜浸润。总之，这些改变增加了对低分子量化合物和高分子量化合物的血管通透性，并与血管致密结构完整性的损失相关。相反，血清IGF-1长期升高的小鼠未显示视网膜血管结构和渗透性的改变，表明循环IGF-1不会引发BRB破裂。重要的是，在具有显著胶质增生的患者视网膜中，检测到IGF-1R的明显上调，提示旨在抵消局部IGF-1效应的治疗干预措施可能成功预防BRB破裂以阻止DR的进展[43]。

3 展望

IGF-1与DR的进展关系密切，目前DR的治疗主要有3种方式：激光、抗VEGF及手术治疗。IGF-1作为促进DR进展的主要生长因子——VEGF的上游因子，也许玻璃体腔注射抗IGF-1可以替代抗VEGF成为一种新的疗法。糖尿病患者视网膜中的炎症反应是引起导致DR的机制之一，关于IGF-1在视网膜中炎症反应的作用，尚需进一步的研究。生理含量的IGF-1促进视网膜细胞的生长与分裂，但眼内过量的IGF-1会加剧DR进展，这一过程会在BRB损伤后表现明显。循环中的IGF-1含量与GH、胰岛素的含量成正比，与营养状况、衰老程度成反比，与DR的阶段无明显相关，这点与Payne等[44]的临床研究报道相符合。尽管IGF-1有可能加速体内BRB受损后DR的进展，但目前对于糖尿病患者，尚没有替代胰岛素类似物的治疗方案。我们可以在治疗上做一些改变，以减少胰岛素类似物的潜在恶化效应，例如建议在体内BRB受损后应谨慎使用胰岛素类似物。可以开发新的IGF-1R的药物拮抗剂，全身或玻璃体内使用这些拮抗剂可能会阻止DR的进展。

葡萄膜炎、脉络膜视网膜炎可以引起BRB的损伤，接受胰岛素类似物治疗的糖尿病患者也可能患有这些疾病。如病情允许，可在葡萄膜炎或脉络膜视网膜炎的活动期使用口服抗糖尿病药或对IGF-1R受体亲和力更低的胰岛素类似物治疗。糖尿病患者在患有玻璃体视网膜交界面疾病可能会引起BRB损伤时，如玻璃体视网膜牵拉、黄斑前膜等，可以采取更加积极的治疗，以免加剧DR的进展。关于IGF-1或IGF-1R抑制剂能否用于DR的治疗，尚需大量的临床试验去验证其有效性与安全性。