MIF在阿爾茲海默病中的研究進(jìn)展

先 仙, 姚 昊

(南京醫(yī)科大學(xué)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(dǎo)致認(rèn)知能力下降最常見(jiàn)的原因,它已經(jīng)成為世界大部分地區(qū)一個(gè)緊迫的公共衛(wèi)生問(wèn)題。它是一種神經(jīng)退行性疾病,全世界有超過(guò)4500萬(wàn)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(duì)AD生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自分子和細(xì)胞生物學(xué),包括β淀粉樣蛋白(amyloid beta,Aβ)和tau蛋白的聚集。此外,炎癥過(guò)程在其病理生理中也起著關(guān)鍵作用。近來(lái)對(duì)神經(jīng)退行性疾病發(fā)展和進(jìn)展的研究也越來(lái)越多,而巨噬細(xì)胞遷移抑制因子在其中起到一定的引導(dǎo)與調(diào)控作用。所以,本文重點(diǎn)介紹巨噬細(xì)胞遷移抑制因子在AD的形成過(guò)程中表現(xiàn)出的一系列作用,并對(duì)其展開深入性地探究,針對(duì)性地尋找以巨噬細(xì)胞遷移抑制因子為靶點(diǎn)治療阿爾茲海默癥的方法。

1 MIF概述

巨噬細(xì)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(gè)氨基酸殘基組成,是一種發(fā)揮著多效促炎作用的細(xì)胞因子。MIF基因位于人類基因組第22染色體(22q11.23),包含3個(gè)外顯子(107、172和66bp)和2個(gè)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(xì)胞類型,MIF結(jié)合到一個(gè)單獨(dú)的受體或受體復(fù)合物,決定了MIF的功能活性。它參與多種功能,包括白細(xì)胞招募、炎癥、免疫應(yīng)答、細(xì)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(dá)和分泌譜表明,它在幾乎所有哺乳動(dòng)物細(xì)胞中普遍和組成性地表達(dá),如免疫和神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞,垂體細(xì)胞,上皮細(xì)胞,內(nèi)皮細(xì)胞,平滑肌細(xì)胞,滑膜成纖維細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞等,并對(duì)許多生理病理過(guò)程至關(guān)重要。越來(lái)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(jì)初,就有學(xué)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(dòng)物研究也逐漸證實(shí)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(duì)AD的作用

2.1MIF與Aβ:淀粉樣斑塊存在于細(xì)胞外間隙,它們由含有40或42個(gè)氨基酸的Aβ(Aβ40和Aβ42)異常折疊而成。Aβ在神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)聚集可啟動(dòng)促炎細(xì)胞因子風(fēng)暴,并伴隨小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)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(xué)的角度來(lái)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(dǎo)的Bad表達(dá)增加有關(guān)。Bad在機(jī)體中是一種促凋亡蛋白,其升高可引起SH-SY5Y細(xì)胞的細(xì)胞毒性。體外實(shí)驗(yàn)也觀察到MIF呈現(xiàn)劑量依賴性的二分效應(yīng),低濃度的MIF增加了p-Bad/Bad的比值,而高水平的MIF誘導(dǎo)了Bad的表達(dá)并觸發(fā)細(xì)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(xì)胞中存在MIF免疫標(biāo)記。此外,小鼠和人神經(jīng)細(xì)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(dǎo)的毒性。另外,Oyama等[5]也報(bào)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(dá)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(dá),這些小鼠出現(xiàn)了大量的斑塊和認(rèn)知障礙。為了評(píng)估內(nèi)源性MIF降低對(duì)疾病過(guò)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(dòng)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(xué)習(xí)能力;作者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),Aβ處理SH-SY5Y細(xì)胞可誘導(dǎo)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(guò)表達(dá)MIF的SH-SY5Y細(xì)胞系中,Aβ引起細(xì)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(hù)神經(jīng)元免受Aβ誘導(dǎo)的細(xì)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(dá)增加,同時(shí)淀粉樣斑塊減少,研究發(fā)現(xiàn)MIF通過(guò)L1-70/Top1復(fù)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(xì)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(dá)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(xì)胞中特異性表達(dá)約 17kDa 的鈣結(jié)合蛋白,已被廣泛用作小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記物。基于已知的小膠質(zhì)細(xì)胞在清除Aβ沉積中的作用,MIF介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)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(jìn)一步證實(shí)了MIF在斑塊附近的身份和定位。因此,MIF的表達(dá)上調(diào)在AD中也可能具有保護(hù)作用。

由此可見(jiàn),在AD中,MIF對(duì)Aβ的作用存在兩種明顯矛盾的假說(shuō),未來(lái)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(duì)MIF及Aβ而設(shè)計(jì)的干預(yù)AD的靶向療法提供了理論基礎(chǔ)。

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(xì)胞損傷,導(dǎo)致神經(jīng)變性,而NFTs由過(guò)度磷酸化的tau蛋白組成。tau蛋白是大腦中最常見(jiàn)的微管蛋白,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá),主要分布于神經(jīng)元軸突,能夠促進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)[9]。異常過(guò)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(dǎo)致認(rèn)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(xiàng)研究也顯示,AD患者和輕度認(rèn)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(yù)測(cè)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(shí),Li等[11]通過(guò)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(guò)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(xì)胞,以模擬STZ的功能,他們?cè)隗w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(xì)胞原代神經(jīng)元中tau蛋白的過(guò)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(xì)胞的原代神經(jīng)元,未觀察到tau蛋白的過(guò)度磷酸化,而檢測(cè)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(dá)表明MIF激活星形膠質(zhì)細(xì)胞。因此,MIF可能主要通過(guò)激活星形膠質(zhì)細(xì)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(xì)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(xì)胞釋放并基于細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)tau蛋白過(guò)度磷酸化的一氧化氮和S100B。未來(lái)的研究將集中在這些介質(zhì)通過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞參與MIF導(dǎo)致的tau蛋白過(guò)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(jìn)一步支持了MIF在AD中的病理作用,表明它可能成為一個(gè)有用的診斷標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。

2.3MIF與神經(jīng)炎癥:神經(jīng)炎癥是AD神經(jīng)變性的重要過(guò)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(huì)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(yán)重程度和AD癡呆的發(fā)生。流行病學(xué)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(yīng)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(jī)制,MIF已成為研究AD病理生理學(xué)的理想靶點(diǎn)。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(hù)作用[13],但在AD中,關(guān)于保護(hù)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(dá)的增加僅出現(xiàn)在AD患者中,而不出現(xiàn)在輕度認(rèn)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(dú)立預(yù)測(cè)認(rèn)知障礙老年人的認(rèn)知功能下降率[10]。在死后的AD腦小膠質(zhì)細(xì)胞和纖維纏結(jié)的神經(jīng)元中,MIF受體CD74的表達(dá)也增加。在機(jī)制上,MIF可以通過(guò)促進(jìn)其他炎癥介質(zhì)的表達(dá)來(lái)影響tau蛋白磷酸化,例如活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的可溶性細(xì)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(dǎo)細(xì)胞因子產(chǎn)生所必需的。MIF由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá),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(diǎn)。Nasiri等[14]提出了細(xì)胞內(nèi)MIF在ICV-STZ模型中啟動(dòng)神經(jīng)變性中的作用,在體內(nèi)和體外試驗(yàn)中觀察到MIF-KO細(xì)胞和動(dòng)物,接受刺激后細(xì)胞因子水平?jīng)]有上調(diào),并且改善了小鼠的認(rèn)知行為。ICV-STZ可導(dǎo)致海馬依賴性認(rèn)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(dǎo)記憶障礙的主要原因。

不同類型的細(xì)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(dòng)炎癥反應(yīng)的早期細(xì)胞因子和維持炎癥反應(yīng)的介質(zhì)發(fā)揮作用。MIF的增加也與其他細(xì)胞因子的釋放相關(guān),促進(jìn)慢性神經(jīng)炎癥,并可能加速神經(jīng)退行性變過(guò)程。最初促炎細(xì)胞因子激活小膠質(zhì)細(xì)胞,隨后增強(qiáng)病理過(guò)程中的碎屑清除。然而,小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)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(zhǎng)期表達(dá)可能對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。因此,在炎癥級(jí)聯(lián)中找到一個(gè)合適的靶點(diǎn)是至關(guān)重要的,理想的治療策略應(yīng)該抑制炎癥反應(yīng)的有害方面,而不影響有益的抗炎反應(yīng)。

2.4MIF與胰島素:高胰島素血癥和胰島素抵抗對(duì)AD期間的認(rèn)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(rèn)為是與AD相關(guān)的腦-胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)[15]。雖然大腦中產(chǎn)生胰島素抵抗的確切細(xì)胞類型尚未被確定,但一項(xiàng)研究表明,皮質(zhì)神經(jīng)元在長(zhǎng)時(shí)間暴露于高胰島素濃度后形成對(duì)胰島素的抵抗,這是通過(guò)抑制Akt、p70S6K和GSK-3β的磷酸化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于已知MIF可以抑制Akt磷酸化,因此其在腦病理過(guò)程中的高表達(dá)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(dǎo)致蛋白質(zhì)的糖基化,最終導(dǎo)致氧化應(yīng)激。

據(jù)報(bào)道,MIF的糖基化和氧化發(fā)生在AD腦內(nèi)[16],這些過(guò)程會(huì)對(duì)MIF的酶促功能和MIF刺激的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞ERK磷酸化產(chǎn)生負(fù)面影響。在AD期間,MIF參與了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)大腦中異常蛋白積聚的反應(yīng),研究人員認(rèn)為,由糖基化引起的MIF活性的抑制和減少可能是疾病進(jìn)展的“臨界點(diǎn)”。一方面,葡萄糖/胰島素穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致MIF蛋白在AD中正常生理功能的缺失。通過(guò)熒光苯基硼酸凝膠電泳發(fā)現(xiàn),隨著AD病理的進(jìn)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(guò)度表達(dá)可能與AD的病理有關(guān),因?yàn)镮SO-1抑制MIF的表達(dá)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(méi)有關(guān)聯(lián)。MIF與腦內(nèi)胰島素抵抗的關(guān)系目前尚未見(jiàn)報(bào)道。假設(shè)MIF的過(guò)度表達(dá)可能是通過(guò)誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)來(lái)介導(dǎo)胰島素抵抗,MIF通過(guò)ERK磷酸化刺激星形膠質(zhì)細(xì)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(xì)胞分泌或表達(dá)的介質(zhì)可能與神經(jīng)元的胰島素觸發(fā)信號(hào)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?yàn)镸IF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(shí)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(duì)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(hù)作用,早期AD病理,即糖基化介導(dǎo)的功能喪失,大腦產(chǎn)生更活躍的MIF信號(hào)來(lái)補(bǔ)償。在AD發(fā)病機(jī)制中的作用,這兩種機(jī)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?yàn)樽罱袌?bào)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(zhǎng)因子的增加,而這些生長(zhǎng)因子反過(guò)來(lái)又有利于星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的增殖、遷移和神經(jīng)保護(hù)[18]。

3 展 望

MIF在AD發(fā)病機(jī)制中具有神經(jīng)損傷和神經(jīng)保護(hù)功能,這兩種機(jī)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(hù)作用,則應(yīng)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(dòng)方法。以類似的方式,應(yīng)在接受針對(duì)不同適應(yīng)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(jìn)AD發(fā)生,特別是在具有高危表型的個(gè)體中。在這方面,應(yīng)該進(jìn)行嚙齒類動(dòng)物模型的臨床前研究,以確定特異性MIF抑制劑是否危害認(rèn)知功能。因此,適當(dāng)調(diào)節(jié)MIF的表達(dá)、分泌和功能對(duì)AD的成功治療可能至關(guān)重要。另外,MIF家族的第二個(gè)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(yīng),然而目前尚缺乏D-DT在嚙齒類動(dòng)物模型和AD患者中的研究,但事實(shí)證明D-DT在成年小鼠大腦中廣泛表達(dá),并在異質(zhì)中間神經(jīng)元中強(qiáng)烈表達(dá),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(jìn)一步研究?？偟膩?lái)說(shuō),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(jī)會(huì),需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明其在這些條件下的確切作用模式。