岳海楠 董曉宇 佡劍非

?

·綜 述·

生長分化因子-15與急性腦梗死關系的研究進展

岳海楠 董曉宇 佡劍非

急性腦梗死是威脅人類健康，具有較高病死率和致殘率的重要疾病之一，急性腦梗死的診斷和治療是目前心腦血管疾病研究的重要內(nèi)容?？焖贉蚀_的診斷和及時治療對減輕腦組織損傷、改善預后、降低急性腦梗死相關病死率和致殘率有重要意義。在急性腦梗死診斷及預后的評估中患者血液生化標志物檢測方便、快速，在臨床工作中應用廣泛。

GDF-15在1997年被Bootcov等學者首次發(fā)現(xiàn)[1]，最初命名為巨噬細胞抑制因子-1( macrophage inhibitory cytokine-1，MIC-1 )，1999年Bottner等將其重新命名為 GDF-15[2]。近年有研究文獻表明，GDF-15在心肌缺血或缺血再灌注損傷時表達顯著增高，也有研究發(fā)現(xiàn)GDF-15水平增高與急性冠脈綜合征、心力衰竭等心血管疾病相關，通過減少心肌細胞壞死的數(shù)量，抑制缺血心肌細胞的凋亡，發(fā)揮心肌保護性作用[3-6]。國內(nèi)外有研究報道GDF-15在急性腦梗死后顯著升高，并且與腦梗死嚴重程度呈正相關，并且是急性腦梗死患者預后不良的獨立預測因素[7-10]。本研究就GDF-15的生物學特點及其在急性缺血性腦卒中的研究進展進行綜述。

1 GDF-15的結(jié)構和表達

GDF-15基因染色體位點是19p12-13.1，共有2746個堿基對，包含2個外顯子和1個內(nèi)含子，具有典型的轉(zhuǎn)化生長因子a超家族(transforming growth factor-β ，TGF-β)的結(jié)構特點[11]。其前體蛋白是相對分子質(zhì)量為40 kD的多肽，經(jīng)蛋白水解酶剪切后成為相對分子質(zhì)量為28000kD的成熟蛋白，然后通過二硫鍵連接成具有生物活性的同源二聚體[2]。

在正常人體內(nèi)GDF-15在前列腺和胎盤中高表達, 在多數(shù)其他組織中表達微弱。在病理和應激如手術、缺血、缺氧以及腫瘤病灶部位以及動脈粥樣硬化等情況下經(jīng)P53、AP1等轉(zhuǎn)錄因子誘導，GDF-15表達水平明顯上調(diào)[12-16]。關于GDF-15在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表達水平存在兩種觀點，有研究顯示在成熟大鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達程度很低，其中表達水平最高的部位是脈絡叢，分泌至腦脊液中。不過Strelau 等報道GDF-15在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)里高表達，主要表達部位在脈絡叢，并分泌至腦脊液中，與前述觀點一致[17]。

關于血清 GDF-15水平,Wiklund等研究了429名健康個體的血清GDF-15水平，成為目前公認的標準，即正常范圍<1200 ng/L，輕度升高1200～1800 ng/L，顯著升高>1800 ng/L[18]。

2 GDF-15在心血管疾病中的信號傳導通路和生物學作用

在急性冠脈綜合征、心力衰竭等心血管疾病的炎癥反應發(fā)生、細胞凋亡過程以及動脈粥樣硬化發(fā)展中GDF-15都發(fā)揮重要作用。目前研究認為GDF-15細胞胞內(nèi)傳導通路包括Smad(small mother against decapentaplegic)依賴通路和非Smad依賴的信號通路[19]。關于GDF-15的細胞起源、上游調(diào)節(jié)因子、代謝途徑以及功能效應的研究尚未十分明確，其信號傳導通路研究也不透徹?？紤]到GDF-15是TGF-β超家族的成員, 所以GDF-15在受體結(jié)合、信號分子傳導以及結(jié)合受體后的生物學效應方面和TGF-β的作用機制存在相似之處[20]。

TGF-β超家族包含30種配體，所有的配體通過跨膜的絲氨酸 /蘇氨酸激酶(AKT)信號通路起作用，成熟的GDF-15通過旁分泌或自分泌, 作用于細胞表面的轉(zhuǎn)化生長因子受體。與配體結(jié)合的TGF受體分為Ⅰ型和Ⅱ型，通過磷酸化激活Smad1、2、3、5、8蛋白，被I型受體直接磷酸化,與Smad4蛋白形成具有活性的異源二聚體，引起信號傳遞，執(zhí)行調(diào)控轉(zhuǎn)錄功能，其中GDF-15可能主要誘導Smad2 、3蛋白的磷酸化[ 21]。非Smad依賴信號通路激活的分子包括轉(zhuǎn)化生長因子-β激酶(transforming growth factor-β kinase，TAKs)、3-羥基磷酸肌醇激酶( phosphoinositide 3-kinase，PI3K)和AKT它們分別與不同的TGF-β家族成員結(jié)合發(fā)揮抑制心肌細胞凋亡、抑制心肌肥大和心肌重塑的生物學效應[22-23]。

在小鼠心肌缺血模型中發(fā)現(xiàn)GDF-15的高水平表達可以持續(xù)到心肌損傷后1周[13]。ST 段抬高型心肌梗死(STEM I)患者的血清 GDF-15水平在3 d內(nèi)無明顯差別, 可持續(xù)至心肌梗死后5 d[14]。說明GDF-15與心肌損傷相關，可以作為心肌缺血相關疾病診斷的臨床生化標志物。另外，有研究顯示GDF-15可以激活P53通路，從而抑制腫瘤細胞增殖、黏附，促進腫瘤細胞凋亡的作用[12]

3 GDF-15與急性腦梗死的關系

3.1 GDF-15與急性腦梗死動物模型

GDF-15在急性心肌缺血的研究比較清晰，鑒于GDF-15在腦血管病的研究較少，GDF-15為多種心血管疾病臨床和生化標志物對腦血管疾病也具有一定指導意義。

Schindowski在急性腦梗死小鼠模型研究顯示，誘導小鼠大腦中動脈閉塞后GDF-15水平顯著上調(diào)。阻塞小鼠大腦中動脈后3 h和24 h，大腦中動脈中的GDF-15 mRNA水平明顯升高，免疫組織化學研究發(fā)現(xiàn)病變部位附近的神經(jīng)元結(jié)合有大量的GDF-15，在沒有發(fā)生病變的組織基本檢測不到GDF-15的存在。該研究認為GDF-15在腦梗死發(fā)生后迅速升高，與腦梗死的發(fā)展、組織損傷嚴重程度密切相關，即腦組織損傷越重，GDF-15水平越高[20，24]。

Rossaint等研究白細胞GDF-15水平在血小板整合素的活化和血栓形成中的作用時發(fā)現(xiàn)通過GDF-15基因敲除(GDF-15-/-)小鼠模型實驗和體外實驗，在人工誘導血栓形成過程中GDF-15基因敲除的小鼠血栓進程加快，生存率下降，GDF-15降低血小板的凝集，并且血小板P選擇素的表達和致密顆粒的分泌不受GDF-15的影響，GDF-15可以作為評估血小板整合素活化的獨立指標[7]。

GDF-15在急性腦梗死中的的作用機制研究很少，具體作用機制、生物學效應尚不明確，具體扮演保護因素還是損傷因素也不確切。雖然Rossaint等研究認為白細胞中GDF-15可以抑制血小板整合素的活化和血栓形成，不過GDF-15作為一種應激反應細胞因子，在急性腦梗死發(fā)生后血漿GDF-15水平就相應升高，可能在缺血、缺氧、炎癥反應等急性腦梗死發(fā)生發(fā)展的復雜機理中發(fā)揮影響。

3.2 GDF-15與急性腦梗死的臨床研究

目前關于GDF-15與急性腦梗死的臨床研究顯示，GDF-15水平在急性腦梗死發(fā)生后顯著升高，隨著時間推移逐漸緩慢降低，并且與腦梗死嚴重程度呈正相關，即其水平越高，急性腦梗死患者90 d預后越差[8-10]。Hans Worthmann等在一項關于急性腦梗死的臨床研究中GDF-15在起病6 h升高，24 h穩(wěn)定，7 d后下降8%，隨著時間推移逐漸降低，也提示GDF-15與腦組織損傷程度相關，所以GDF-15可以作為急性腦梗死的血清學診斷指標。Worthmann等對入組的63例急性腦梗死患者進行了隨訪研究，分別于癥狀出現(xiàn)后7和90 d對患者進行mRS評分，發(fā)現(xiàn)7和90 d神經(jīng)功能預后較差患者GDF-15水平高于神經(jīng)功能預后較好的患者[25]。在264例急性腦梗死患者的預后研究中Groscher發(fā)現(xiàn)，GDF-15可以作為急性腦梗死患者90 d預后的獨立預測指標，mRS評分≥2分的急性缺血性腦卒中患者血清GDF-15水平高于mRS≤1分的(1372 ng/L，1056 ng/L)，并且GDF-15與NIHSS評分呈正相關[8]。

國內(nèi)盧昌均等通過對急性性腦梗死患者和健康體檢者血清GDF-15水平的研究發(fā)現(xiàn)，急性缺血性腦卒中患者血清GDF-15水平高于健康體檢者，應用mRS量表評分對所有入組者進行3個月的隨訪觀察，mRS評分≥2分的急性腦梗死患者血清GDF-15水平(2411 ng/L)明顯高于mRS評分<2分的患者(1128 ng/L)，表明急性腦梗死患者血清GDF-15水平高提示患者90 d預后差[10]。何改平等研究急性腦梗死患者、健康體檢者的血清GDF-15水平與腦梗死嚴重程度的關系，參照《腦卒中患者臨床神經(jīng)功能缺損程度評分分型標準(1995年)》，據(jù)神經(jīng)功能評分結(jié)果將患者分為輕型、中型、重型3組，結(jié)果顯示重型和中型急性腦梗死患者GDF-15的水平均明顯高于健康體檢者和輕型急性腦梗死患者GDF-15的水平[25]。

3.3 GDF-15與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是急性腦梗死的重要危險因素，GDF-15與動脈硬化的關系也有相關研究。血管壁的內(nèi)皮損傷、炎性反應與脂質(zhì)浸潤是目前公認的動脈粥樣硬化發(fā)展過程中的使動因素，目前研究認為細胞因子在調(diào)節(jié)動脈硬化斑塊的微環(huán)境中起重要作用[24，26-27]。其中內(nèi)皮細胞活化后能夠釋放多種細胞因子，通過黏附分子使單核細胞黏附數(shù)量增多，遷移至內(nèi)膜下成為巨噬細胞，攝取脂質(zhì)蛋白，變成泡沫細胞后參與粥樣斑塊的形成[28]。另外，血管平滑肌細胞在生長因子和細胞因子的作用下發(fā)生表型改變，在內(nèi)膜大量分裂增殖，同時伴有巨噬細胞、T 細胞浸潤，結(jié)締組織增生，導致血管重構。血管的局部炎癥可使血管內(nèi)皮細胞凋亡,在炎性細胞因子刺激下斑塊內(nèi)膠原酶增多,降解細胞外基質(zhì)中的膠原纖維,導致斑塊破裂、出血，從而進一步導致繼發(fā)性的血栓形成[29]。

在這些細胞因子中TGF-β超家族成員與血管炎癥反應密切。Kempf等發(fā)現(xiàn)GDF-15缺乏時CCR2 (C-C chemokine receptor type 2)介導的巨噬細胞趨化作用減弱，動脈粥樣硬化的進程被抑制，膠原蛋白沉積加強，以維持斑塊穩(wěn)定性。以上作用通過激活PI3K、AKT通路實現(xiàn)[30]。Bonaterra等發(fā)現(xiàn)GDF-15通過調(diào)節(jié)白介素6依賴的炎癥反應引起血管損傷，加速動脈粥樣硬化進程[31]。

在誘導的動脈粥樣硬化小鼠模型中敲除基因 PI3Kγ或用抑制劑抑制 PI3Kγ活性能縮小動脈粥樣硬化斑塊的面積和有利于斑塊穩(wěn)定。GDF-15可以通過PI3K信號通路來調(diào)節(jié)白細胞的遷移和功能的影響動脈粥樣硬化進程[32]。Bonaterra等研究顯示，動脈粥樣硬化斑塊破裂時GDF-15水平顯著升高，這些都提示GDF-15促進動脈粥樣硬化的發(fā)展，并且是急性腦梗死的危險因素[31]。

4 小結(jié)和展望

急性腦梗死是威脅人類健康、影響人類生活質(zhì)量的最大殺手之一，其較高的致殘、致死率給社會和家庭帶來了沉重的負擔。據(jù)估算，我國每年新發(fā)腦血管病患者約為200萬人，70%屬于缺血性腦卒中。目前累計存活的患者大約在600～700萬人，存活者中病殘率約為76%[33]。GDF-15是轉(zhuǎn)化生長因子β超家族的成員，可以作為一種反映心血管生理和病理過程的獨立性生化標志物，與急性冠脈綜合癥、心力衰竭的相關性已比較明確。有研究表明GDF-15水平在急性腦梗死患者中明顯升高，并提示預后不良，有望作為一種急性腦梗死診斷和預后評估的有效生物標志物，并對治療提供指導。

[1] Bootcov MR,Bauskin AR,Valenzuela SM,et al.MIC-1, a novel macrophage inhibitory cytokine, is a divergent member of the TGF-beta superfamily[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1997,94(21):11514-11519.

[2] Bottner M,Suter CC,Schober A,et al.Expression of a novel member of the TGF-beta superfamily,growth/differentiation factor15/m acrophage inhibiting cytokine1(GDF15/MIC1)in adult rat tissues[J].Cell Tissue Res,1999,297(11):103-110.

[3] World Health Organization.World health statistics 2012,World Health Organization,Geneva,Switzerland[Z],2012.

[4] 武德梅,周琪,陳超.急性心肌梗死患者生長分化因子-15、心肌梗死標志物水平表達及其相關性研究[J].疑難病雜志,2014,13(8):790-792.

[5] Task Force on the Management of ST-segment Elevation Acute Myocardial Infarction of the European Society of Cardiology (ESC),Steg PG,James SK,et al.ESC guidelines for the management of acute myocardial infarction in patients presenting with ST-segment elevation[J].Eur Heart J,2012,33(20):2569-2619.

[6] Farhan S,Freynhofer MK,Brozovic I,et al.Determinants of growth differentiation factor 15 in patients with stable and acute coronary artery disease. A prospective observational study[J].Cardiovasc Diabetol,2016,15(1):60.

[7] J Rossaint DV,A.ZARBOCK.GDF-15 prevents platelet integrin activation and thrombus formation[J].Journal of Thrombosis and Haemostasis,2013,11(2):335-344.

[8] Gr?schel K,Schnaudigel S,Edelmann F,et al.Growth-differentiation factor-15 and functional outcome after acute ischemic stroke[J].J Neurol,2012,259(8):1574-1579.

[9] 耿爽,王運良,尹紅蕾,等.急性腦梗死患者血漿生長分化因子15表達與預后的關系[J].中國實用神經(jīng)疾病雜志,2015,18(2):45-47.

[10]盧昌均,韋冰心.血清生長分化因子-15水平與急性缺血性腦卒中的相關性研究[J].中國循環(huán)雜志,2015,30(9):872-874.

[11]Ago T,Sadoshima J.GDF-15,a cardio-protective TGF-super family protein[J].Circ Res,2006,98(294):342-360.

[13]Ago T,Kuroda J,Pain J,et al.Upregulation of Nox4 by hypertrophic stimuli promotes apoptosis and mitochondrial dysfunction in cardiac myocytes[J].Circ Res,2010,106(7):1253-1264.

[14]Kempf T,Eden M,Strelau J,et al.The transforming growth factor-beta superfamily member growth-differentiation factor-15 protects the heart from ischemia/reperfusion injury[J].Circ Res,2006,98(3):351-360.

[15]Krieg AJ,Rankin EB,Chan D,et al.Regulation of the histone demethylase JMJD1A by hypoxia-inducible factor 1 alpha enhances hypoxic gene expression and tumor growth[J].Mol Cell Biol,2010,30(1):344-353.

[16]吳劍鋒,張敏,李元.GDF-15與動脈粥樣硬化[J].中南醫(yī)學科學雜志,2014,42(1):86-89.

[17]Strelau J,Sullivan A,B?ttner M,et al.Growth/differentiation factor-15/macrophage inhibitory cytokine-1 is a novel trophic factor for midbrain dopaminergic neurons in vivo[J].J Neurosci,2000,20(23):8597-8603.

[18]Wiklund FE,Bennet AM,Magnusson PK,et al.Macrophage inhibitory cytokine-1 (MIC-1/GDF15): a new marker of all-cause mortality[J].Aging Cell,2010,9(6):1057-1064.

[19]Derynck R,Zhang YE.Smad-dependent and Smad-independent pathways in TGF-beta family signalling[J].Nature,2003,425(6958):577-584.

[20]Schindowski K,Von Bohlen Und Halbach O,Strelau J,et al.Regulation of GDF-15, a distant TGF-β superfamily member, in a mouse model of cerebral ischemia[J].Cell Tissue Res,2011,343(2):399-409.

[21]Xu XY,Nie Y,Wang FF,et al.Growth differentiation factor (GDF)-15 blocks norepinephrine-induced myocardial hypertrophy via a novel pathway involving inhibition of epidermal growth factor receptor transactivation[J].J Biol Chem,2014,289(14):10084-10094.

[22]Xu J,Kimball TR,Lorenz JN,et al.GDF15/MIC-1 functions as a protective and antihypertrophic factor released from the myocardium in association with SMAD protein activation[J].Circ Res,2006,98(3):342-350.

[23]De Jager SC,Berm dez B,Bot I,et al.Growth differentiation factor 15 deficiency protects against atherosclerosis by attenuating CCR2-mediated macrophage chemotaxis[J].J Exp Med,2011,208(2):217-225.

[24]Pant S,Deshmukh A,Gurumurthy GS,et al.Inflammation and atherosclerosis--revisited[J].J Cardiovasc Pharmacol Ther,2014,19(2):170-178.

[25]何改平,張彬,張寶文,等.急性腦梗死患者外周血GDF-15,CRP 水平及相關性研究[J].生物醫(yī)學工程與臨床,2014,18(1):60-63.

[26]Yin K,Deng X,Mo ZC,et al.Tristetraprolin-dependent post-transcriptional regulation of inflammatory cytokine mRNA expression by apolipoprotein A-I: role of ATP-binding membrane cassette transporter A1 and signal transducer and activator of transcription 3[J].J Biol Chem,2011,286(16):13834-13845.

[27]Andersson ],Enserro D,Sullivan L,et al.Relations of circulating GDF-15,soluble ST2,and Troponin-I concentrations with vascular function in the community[J].The Framingham Heart Study Atherosclerosis,2016,248(期缺失):245-251.

[28]Diditchenko S,Gille A,Pragst I,et al.Novel formulation of a reconstituted high-density lipoprotein (CSL112) dramatically enhances ABCA1-dependent cholesterol efflux[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2013,33(9):2202-2211.

[29]Kempf T,Wollert KC.Growth differentiation factor-15: a new biomarker in cardiovascular disease[J].Herz,2009,34(8):594-599.

[30]Bonaterra GA,Zügel S,Thogersen J,et al.Growth differentiation factor-15 deficiency inhibits atherosclerosis progression by regulating interleukin-6-dependent inflammatory response to vascular injury[J].J Am Heart Assoc,2012,1(6):e002550.

[31]Gómez-Guerrero C,Mallavia B,Egido J.Targeting inflammation in cardiovascular diseases. still a neglected field?[J].Cardiovasc Ther,2012,30(4):e189-e197.

[32]Worthmann H,Kempf T,Widera C,et al.Growth differentiation factor 15 plasma levels and outcome after ischemic stroke[J].Cerebrovasc Dis,2011,32(1):72-78.

[33]宋文斌,李淑元,劉穎,等.北京地區(qū)與泰州地區(qū)缺血性腦卒中患者常見危險因素的比較[J].中國循環(huán)雜志,2013,28(4):289-292.

(2016-08-06收稿)

110016 沈陽，中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科[岳海楠 董曉宇 佡劍非(通信作者)]

R743.3

A

1007-0478(2017)03-0258-04

10.3969/j.issn.1007-0478.2017.03.026