G-CSF和IGF-1抑制病理性心室重構及改善心功能的作用機制

胡斯楞(綜述)，魏芳晶(審校)

(內蒙古醫科大學附屬醫院保健中心，呼和浩特 010050)

G-CSF和IGF-1抑制病理性心室重構及改善心功能的作用機制

胡斯楞△(綜述)，魏芳晶※(審校)

(內蒙古醫科大學附屬醫院保健中心，呼和浩特 010050)

摘要：粒細胞集落刺激因子(G-CSF)和胰島素樣生長因子1(IGF-1)對心血管系統有保護作用。G-CSF通過趨化因子受體4(CXCR4)基質細胞衍生因子1介導的干細胞動員機制使骨髓干細胞“歸巢”至受損心肌組織，分化成有功能的心肌細胞，并與心肌細胞G-CSF受體結合激活酪氨酸蛋白激酶-信號轉導及轉錄激活蛋白3信號通路實現心血管保護作用。IGF-1除有與G-CSF相似的干細胞動員作用外，還可通過磷脂酰肌醇3-激酶-絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(PI3K-Akt)信號通路抑制心肌梗死后病理性心室重構，改善心功能。

關鍵詞：粒細胞集落刺激因子；基質細胞衍生因子1；胰島素樣生長因子1；心室重構；心功能

隨著冠狀動脈介入、冠狀動脈旁路移植術等治療手段的發展和普及，急性心肌梗死(acute myocardial infraction，AMI)急性期的病死率較之前下降，但心肌梗死后存活患者存在持續的病理性心室重構，并最終導致難治性心力衰竭。粒細胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF)和胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1，IGF-1)有顯著抑制病理性心室重構和改善心功能的作用。隨著G-CSF和IGF-1作用機制的揭示，其有望成為改善心肌梗死臨床預后的新途徑?，F將從干/祖細胞動員、信號轉導通路、對糖代謝的影響等方面介紹G-CSF和IGF-1抑制病理性心室重構和改善心功能的作用機制。

1G-CSF抑制心室重構、改善心功能的作用機制

干/祖細胞動員學說和酪氨酸蛋白激酶-信號轉導及轉錄激活蛋白3(Janus kinase-signal transducer and activator of transcription 3，JAK-STAT3)信號通路學說從不同角度闡述了G-CSF的心血管保護作用。

1.1干/祖細胞動員學說Orlic等[1]在2001年首次報道了G-CSF動員內源性骨髓干/祖細胞釋放入周圍循環池，并隨血流“歸巢”至梗死的心肌組織，最終分化成為有功能的心肌細胞、毛細血管內皮細胞、心臟成纖維細胞等，以修復受損的心肌組織，從而改善心肌梗死后的心功能。這種自體干細胞動員治療與以往的干細胞移植相比具有操作簡單、不需要干細胞供體、避免了傳染性疾病傳播和激活宿主免疫反應等優點，而最重要的是，被動員的干細胞可以分化成功能完整的心肌細胞。Orlic等[1]觀察到新生心肌細胞表達Connexin 43，提示新生心肌細胞不僅參與了心臟的機械活動，而且還能與相鄰的心肌細胞相偶聯完成心臟電活動。

干/祖細胞表面表達趨化因子受體4(C-X-C chemokine receptor 4，CXCR4)，而骨髓基質表達其配體——基質細胞衍生因子1(stromal cell-derived factor 1，SDF-1)，其通過多種黏附分子將干細胞錨定在骨髓基質中。生理狀態下，骨髓中發育成熟的細胞被源源不斷地釋放進入外周循環，而干/祖細胞則被保留在骨髓中。G-CSF通過中性粒細胞彈性蛋白酶及組織蛋白酶G降解SDF-1，并間接增加骨髓干/祖細胞表面CXCR4 的表達量，從而使大量高表達CXCR4的干/祖細胞脫離骨髓進入外周循環。心肌發生缺血性損傷后高表達SDF-1[2]，進而趨化循環中CXCR4陽性的干/祖細胞“歸巢”至梗死的心肌組織中，參與組織修復。骨髓造血干細胞可分化成心肌細胞，部分彌補因缺血壞死和凋亡造成的大量心肌細胞丟失所導致的心臟收縮功能減低和局限性心室壁變薄，而內皮祖細胞可分化成毛細血管內皮細胞，增加梗死周邊區域毛細血管密度，改善心肌微循環障礙。

1.2JAK-STAT3信號通路學說日本學者Harada等[3]從分子水平揭示了G-CSF的作用機制。心肌細胞表達G-CSF受體，G-CSF與G-CSF受體結合后激活下游的JAK-STAT3信號通路：①STAT3與細胞核內特異性反應元件結合促進復制和轉錄，促使抗凋亡蛋白Bcl-2及Bcl-xL表達，進而減少心肌梗死后心肌細胞及血管內皮細胞的凋亡；②促進血管內皮生長因子的表達，增加梗死周邊區毛細血管密度，改善心肌微循環；③調控基質金屬蛋白酶的表達[4]，加速梗死區域瘢痕愈合，抑制非梗死區域心肌間質膠原纖維沉積；④調節線粒體膜滲透性、穩定線粒體膜電位[5]，進一步減少心肌細胞凋亡，增加ATP合成，改善心肌細胞能量代謝。STAT3通過激活蛋白激酶B-一氧化氮合酶信號通路增加一氧化氮的合成[6]，一氧化氮能保護內皮細胞功能，擴張血管，增加梗死區及周邊區的血流灌注。綜上所述，G-CSF通過減少心肌細胞和血管內皮細胞凋亡、抑制心肌間質纖維化、增加新生毛細血管密度、增加一氧化氮合成、改善心肌細胞能量代謝等多條途徑抑制心肌梗死后心室不良重構，進而改善心功能。

1.3臨床研究AMI后，G-CSF是否能通過抑制心室重構改善患者的臨床預后還存在爭議。

Achilli等[7]的研究共納入60例前壁心肌梗死伴左心室射血分數≤45%，且發病后2～12 h內成功開通阻塞血管者，其中治療組(n=30)給予G-CSF(15 μg/kg，每日2次)治療，連續5 d，隨后進行為期3年的隨訪，隨訪結束時進行增強對比磁共振檢查，治療組患者左心室舒張末期容積較安慰劑組(n=30)顯著減少[(170.1±8.1) mL比(197.2±8.9) mL]。

Hibbert等[8]的研究共納入86例患者，其中治療組患者(n=43)在發病3～4 d后給予G-CSF 10 μg/(kg·d)治療，連續4 d；對照組予以安慰劑治療。6個月后進行放射性核素造影檢查發現，治療組左心室射血分數較對照組(n=43)顯著降低 (40.8%比46.0%)，但心血管不良事件的發生率未增加。

Shim等[9]認為，不同研究所采用的給藥劑量、給藥方式、給藥時間不同以及研究對象的性別、年齡的差異是導致G-CSF 干預治療效果不同的主要原因。有研究認為，AMI發病后盡早給藥是發揮G-CSF抑制心室不良重構，改善心功能的關鍵[1,9]，但另一些研究則認為，發病5日后再進行G-CSF干預才能最大程度地發揮抑制心室重構，改善心功能的作用[10]，這可能是因為AMI發病早期心肌組織中SDF-1、G-CSF受體、血管內皮生長因子等表達較低，隨著病程進展，表達量增高。G-CSF與雌激素均可激活蛋白激酶B (protein kinase B，PKB/Akt)信號通路，產生心血管保護作用，這種協同作用可能與納入對象性別構成比有關[11]。G-CSF對老年患者干/祖細胞的動員能力較年輕患者弱[12]，且老年患者基礎心肌細胞凋亡量較年輕患者高。可見納入對象年齡對研究結果有影響。

2IGF-1抑制心室重構、改善心功能的作用

IGF-1是胰島素家族的主要成員，其有促進機體生長發育、調節糖代謝等多種生理作用。IGF-1與G-CSF有相似的心血管保護作用，作用機制也有相似之處。

2.1促進干/祖細胞“歸巢”及增殖分化IGF-1與其受體(IGF-1 receptor，IGF-1R)結合后激活膜受體酪氨酸蛋白激酶(rat sarcoma-rapidly accelerated fibrosarcoma-mitogen activated protein kinases,Ras-Raf-MAPK)信號傳遞途徑促進干細胞分化，并使多種類型的細胞從G0期進入S期[13]。心肌干細胞表達IGF-1R，IGF-1與IGF-1R結合后促進心肌干細胞增殖分化，進而修復受損的心肌組織。

心肌組織缺血壞死后SDF-1的表達量顯著升高，趨化循環中少量干/祖細胞“歸巢”至受損心肌組織，但在這種情況下“歸巢”的干/祖細胞數量較少，修復缺血心肌組織的作用非常有限。IGF-1預處理可提高干/祖細胞CXCR4的表達，進而增加“歸巢”干/祖細胞數量[14]，其中IGF-1預處理的內皮祖細胞“歸巢”至心臟后分化成毛細血管內皮細胞，增加梗死周邊區域毛細血管密度[15]。

2.2磷脂酰肌醇3-激酶-絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(phosphatidylinositide 3 kinases- protein kinase B，PI3K-Akt)信號轉導通路IGF-1心血管保護作用的實現依賴于其受體下游多種信號轉導通路的激活，而PI3K-Akt信號轉導通路處于IGF-1信號轉導網絡的核心位置。

IGF-1抑制心肌細胞凋亡。心肌細胞受到有害刺激后線粒體的功能及結構發生改變，促凋亡蛋白Bad和Bax的表達量升高，啟動細胞凋亡程序。IGF-1與心肌細胞表面的IGF-1R 結合激活PI3K-Akt和絲裂原活化蛋白激酶激酶-細胞外信號調節蛋白激酶1/2(mitogen activated protein kinase kinase-extracellular signal regulated kinase 1/2，MAPK-ERK1/2)信號轉導通路，抑制Bad蛋白的過度表達，增加抗凋亡蛋白Bcl-x和Bcl-xL的表達，進而減少心肌細胞凋亡[16]。

IGF-1改善心肌能量代謝。磷酸肌酸作為主要的能源物質在心肌細胞能量代謝中有重要作用， IGF-1通過激活PI3K-Akt 信號通路增加肌酸合成，并促進肌酸轉運體基因表達的上升[17]，從而增加心肌細胞攝取肌酸，進而改善心肌細胞能量代謝。IGF-1還可通過穩定線粒體膜電位、恢復線粒體Na+-Ca2+交換體功能，增加ATP合成，改善缺血心肌細胞能量供應。

IGF-1增加一氧化氮的合成。IGF-1與胰島素受體(insulin receptor，IR)或IGF-1R/IR雜合受體結合，激活下游的 PI3K-Akt信號通路，Akt進一步磷酸化內皮型一氧化氮合成酶，被磷酸化的內皮型一氧化氮合酶催化L-精氨酸向L-瓜氨酸轉化，此過程需要還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide pohosphate，NADPH)傳遞電子，最終使一氧化氮合成增加[18]。

IGF-1可抑制心肌纖維化，促進新生毛細血管形成。IGF-1 激活PI3K-Akt信號通路負向調控主導細胞增殖的MAPK，進而減少心肌病理性組織增生和膠原纖維沉積[19]。IGF-1還可促進血管內皮生長因子的表達，從而增加心肌毛細血管密度[18]。

2.3臨床研究報道稱，IGF-1基礎水平低的個體心血管不良事件的發生率高，而IGF-1基礎水平高的個體發生AMI的危險減少56%，發生急性冠狀動脈綜合征的危險減少45%，并認為IGF-1可能通過動員干/祖細胞、增加一氧化氮合成、保護血管內皮、抑制炎癥反應等途徑發揮心血管保護作用[20]。張明和王曉華[21]選取了64例因AMI入院的患者，并檢測了其血清IGF-1的水平，結果發現，AMI患者發病后48 h和72 h總IGF-1的水平與發病后1周時左心室射血分數呈正相關，與左心室舒張末徑呈負相關。認為這可能與IGF-1抑制心肌細胞凋亡、增強心肌細胞存活能力、調節膠原纖維合成等有關。

IGF-1無組織選擇性，廣泛作用于全身各臟器，長期應用可能會導致身體多個臟器的組織細胞增生、分化，有潛在致癌危險。臨床研究已證實了IGF-1短期應用的安全性，但有可能會出現低血糖、頭痛、肌痛等不良反應[22]。而Koudstaal等[23]發明的智能水凝膠IGF-1持續給藥系統為 IGF-1的靶向治療提供了可能。

3G-CSF和IGF-1與糖代謝

G-CSF和 IGF-1對糖代謝有多種影響。G-CSF動員骨髓干細胞至受損胰腺，并促使其向胰島β細胞分化，進而改善胰島功能以利于血糖控制[24-25]，而體內高血糖環境會減弱G-CSF 修復胰島細胞的作用。IGF-1與IR和IGF-1R/IR雜合受體均可結合，但對雜合受體的親和力高于IR，IGF-1與IR或IGF-1R/IR結合后激活胰島素受體后，通過PI3K-Akt信號轉導通路促進骨骼肌細胞葡萄糖轉運體4攝取葡萄糖，進而增加胰島素受體敏感性，改善胰島素抵抗。IGF還可負反饋抑制生長激素的分泌，進而減少胰高血糖素的分泌，抑制血糖升高[26]。高血糖狀態可降低血IGF-1的水平，但其確切機制尚不完全清楚，可能與以下有關：高血糖抑制IGF-1 信使RNA的表達；減少IGF-1結合蛋白的生物合成，使IGF-1半衰期縮短，易于被排除體外；減弱生長激素對IGF-1的正向調節作用[27]。

4展望

目前國內外關于G-CSF和IGF-1對心血管疾病作用的研究較多，部分多中心前瞻性臨床對照試驗結果已揭曉。G-CSF 和IGF-1有望成為繼血管緊張素轉換酶抑制劑之后抑制心肌梗死后心室重構及改善心功能的新途徑，但目前心肌梗死發生后給藥時機及給藥劑量尚無統一定論，有關G-CSF和IGF-1是否可改善胰島素抵抗合并AMI患者的臨床預后的報道較少見，這些問題還有待進一步研究。

參考文獻

[1]Orlic D,Kajstura J,Chimenti S,etal.Mobilized bone marrow cells repair the infarcted heart,improving function and survival[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2001,98(18):10344-10349.

[2]Zaruba MM,Franz WM.Role of the SDF-1-CXCR4 axis in stem cell-based therapies for ischemic cardiomyopathy[J].Expert Opin Biol Ther,2010,10(3):321-335.

[3]Harada M,Qin Y,Takano H,etal.G-CSF prevents cardiac remodeling after myocardial infarction by activating the Jak-Stat pathway in cardiomyocytes[J].Nat Med,2005,11(3):305-311.

[4]Kurdi M,Booz GW.JAK redux:a second look at the regulation and role of JAKs in the heart[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2009,297(5):H1545-1556.

[5]Hiraumi Y,Iwai-Kanai E,Baba S,etal.Granulocyte colony-stimulating factor protects cardiac mitochondria in the early phase of cardiac injury[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2009,296(3):H823-832.

[6]Ueda K,Takano H,Hasegawa H,etal.Granulocyte colony stimulating factor directly inhibits myocardial ischemia-reperfusion injury through Akt-endothelial NO synthase pathway[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2006,26(6):e108-113.

[7]Achilli F,Malafronte C,Maggiolini S,etal.G-CSF treatment for STEMI:final 3-year follow-up of the randomised placebo-controlled STEM-AMItrial[J].Heart,2014,100(7):574-581.

[8]Hibbert B,Hayley B,Beanlands RS,etal.Granulocyte colony-stimulating factor therapy for stem cell mobilization following anterior wall myocardial infarction: the CAPITAL STEM MI randomized trial[J].CMAJ,2014,186(11):E427-434.

[9]Shim W,Mehta A,Lim SY,etal.G-CSF for stem cell therapy in acute myocardial infarction: friend or foe?[J].Cardiovasc Res,2011,89(1):20-30.

[10]Wang Y,Johnsen HE,Mortensen S,etal.Changes in circulating mesenchymal stem cells,stem cell homing factor,and vascular growth factors in patients with acute ST elevation myocardial infarction treated with primary percutaneous coronary intervention[J].Heart,2006,92(6):768-774.

[11]Piro M,Della Bona R,Abbate A,etal.Sex-related differences in myocardial remodeling[J].J Am Coll Cardiol,2010,55(11):1057-1065.

[12]Lehrke S,Mazhari R,Durand DJ,etal.Aging impairs the beneficial effect of granulocyte colony-stimulating factor and stem cell factor on post-myocardial infarction remodeling[J].Circ Res,2006,99(5):553-560.

[13]Laviola L,Natalicchio A,Giorgino F.The IGF-I signaling pathway[J].Curr Pharm Des,2007,13(7):663-669.

[14]張愛東,郭軍,李自成.胰島素樣生長因子-1預處理對大鼠骨髓間充質干細胞移植效率及心肌修復的影響[J].中國循環雜志,2011,26(1):57-60.

[15]Hynes B,Kumar AH,O′Sullivan J,etal.Potent endothelial progenitor cell conditioned media related anti-apoptotic,cardiotrophic,and pro-angiogenic effects post-myocardial infarction are mediated by insulin-like growth factor-1[J].Eur Heart J,2013,34(10):782-789.

[16]Suleiman MS,Singh RJ,Stewart CE.Apoptosis and the cardiac action of insulin-like growth factor Ⅰ[J].Pharmacol Ther,2007,114(3):278-294.

[17]Scharin T?ng M,Redfors B,Lindbom M,etal.Importance of circulating IGF-1 for normal cardiac morphology,function and post infarction remodeling[J].Growth Horm IGF Res,2012,22(6):206-211.

[18]Gatenby VK,Imrie H,Kearney M.The IGF-1 receptor and regulation of nitric oxide bioavailabili-ty and insulin signalling in the endothelium[J].Pflugers Arch,2013,465(8):1065-1074.

[19]McMullen JR.Role of insulin-like growth factor 1 and phosphoinositide 3-kinase in a setting of heart disease[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2008,35(3):349-354.

[20]Ruidavets JB,Luc G,Machez E,etal.Effects of insulin-like growth factor 1 in preventing acute coronary syndromes:the PRIME study[J].Atherosclerosis,2011,218(2):464-469.

[21]張明,王曉華.血清胰島素樣生長因子1與急性心肌梗死后左室重構的關系[J].臨床心血管病雜志,2013,5:376-378.

[22]Conti E,Musumeci MB,De Giusti M,etal.IGF-1 and atherothrombosis:relevance to pathophysiology and therapy[J].Clin Sci (Lond),2011,120(9):377-402.

[23]Koudstaal S,Bastings MM,Feyen DA,etal.Sustained delivery of insulin-like growth factor-1/ hepatocyte growth factor stimulates endogenous cardiac repairin the chronic infarcted pig heart[J].J Cardiovasc Transl Res,2014,7(2):232-241.

[24]Gol′dberg ED,Dygai AM,Zhdanov VV,etal.Mechanisms of therapeutic effects of granulocytic colony stimulating factor in experimental diabetes mellitus[J].Bull Exp Biol Med,2008,146(4):543-546.

[25]于萍,王春雨,張麗,等.胰島素聯合粒細胞集落刺激因子(G-CSF)治療1型糖尿病的實驗研究[J].預防醫學論壇,2011,17(4):289-291.

[26]Abbas A,Grant PJ,Kearney MT.Role of IGF-1 in glucose regulation and cardiovascular disease[J].Expert Rev Cardiovasc Ther,2008,6(8):1135-1149.

[27]陸靜爾,任躍忠.胰島素樣生長因子與胰島素抵抗研究進展[J].浙江醫學,2008,30(9):1025-1026.

Mechanisms of Granulocyte Colony Stimulating Factor and Insulin-like Growth Factor-1 Inhibition on Pathological Ventricular Remodeling and Improvement of Cardiac Function

HUSi-leng,WEIFang-jing.

(DepartmentofHealthCareCenter,AffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010050,China)

Abstract:Granulocyte colony stimulating factor(G-CSF)and insulin-like growth factor-1(IGF-1)have the effects of protecting cardiovascular system.G-CSF help myeloid stem cells ″homing″ to injured cardiac tissue by C-X-C chemokine receptor 4-stromal cell-derived factor 1 mediated stem cell mobilization and differentiation into functional cardiomyocytes,which then binds to the G-CSF receptor and activates Janus kinase-signal transducer and activator of transcription 3 (JAK-STAT3) signal pathway,and generates cardiovascular protective effects.IGF-1 has similar stem cells mobilizing function as G-CSF,and activates phosphatidyl inositide 3 kinases-protein kinase B(PI3K-Akt) signal pathway to ameliorate pathological post-myocardial infarction cardiac remodeling and improve the cardiac function.

Key words:Granulocyte colony stimulating factor； Stromal cell-derived factor 1; Insulin-like growth factor-1; Ventricular remodeling; Cardiac function

收稿日期：2015-03-10修回日期：2015-04-28編輯：辛欣

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.23.016

中圖分類號:R541.4

文獻標識碼:A

文章編號：1006-2084(2015)23-4269-04