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類胰島素成長因子能幫助小腦神經元重生嗎

美國印第安那大學醫學博士 Wei-Hua Lee 
以下研究由美國國家運動失調基金會(NAF)贊助

 

  從一出生開始,小腦的神經元就需要一個理想的環境來生長。 在這樣的環境下,小腦的神經元會分化同時移動到最終的目的地,
在那兒它們時時刻刻調控我們肌肉的運動。在這樣的生長環境中,一個很重要的成分是要有許多的蛋白質因子,或所有神經元的生長
都需要的神經營養因子(neurotrophic factor)。【類胰島素成長因子-1】(insulin-like growth factor 1 =>IGF-1)
即為一種神經營養因子。 之要如此命名,是因它的結構頗類似胰島素。 當小腦的神經元生長時,【類胰島素成長因子-1】能確保它
們存活,並幫助它們成熟及建立與其他神經元的功能性連結。 若缺乏【類胰島素成長因子-1】,則這些神經元就會凋亡(apoptosis)
,也就是細胞在發育期中死亡。

 

  此現象可從在人工培養基中培養小腦顆粒狀神經元(cerebellar granule neurons)得到佐證。例如,在一般的培養基中小
腦神經元無法存活,除非培養基中加了血清,高量的鉀,或【類胰島素成長因子-1】。 在動物實驗中,若在老鼠基因組中,額外插
入一組人類【類胰島素成長因子-1】的基因,則老鼠的小腦大約會多出50%的小腦顆粒狀神經元。 在正常發育過程中,起初原有許多
神經元,後來,有大約50%的神經元會經由一選擇性的程式而凋亡。 似乎是【類胰島素成長因子-1】在維持這些沒有凋亡的神經元繼
續存活。總之,【類胰島素成長因子-1】是維持年輕的小腦顆粒狀神經元成長最基本而重要的神經營養因子之一。

 

  雖然,【類胰島素成長因子-1】通常被視為一種小腦神經元的神經營養因子,但是它對人類小腦萎縮症的治療潛力尚未被發掘。
最主要的原因包括我們缺少對【類胰島素成長因子-1】的神經保護機制的了解,及在適當動物實驗中【類胰島素成長因子-1】有神經
保護作用的積極證據。 本研究計畫的目的,是希望看看【類胰島素成長因子-1】是否真能幫助那些實驗動物(weaver實驗鼠)身上
本應退化的小腦神經元存活。

 

  在weaver實驗鼠的小腦中,超過80%的顆粒狀神經元在出生後但尚未成熟前就凋亡。因此,同型結合(homozygous)的weaver
實驗鼠都會發生嚴重的運動失調。正好適合當做研究人類小腦運動失調之機制和治療的絕佳模式,我們整體的策略如下:

 

1) 觀察【類胰島素成長因子-1】是否能促進在培養基中同型結合的weaver實驗鼠的顆粒狀神經元再生。
2) 使weaver實驗鼠與另外帶有一套人類【類胰島素成長因子-1】基因的轉殖基因鼠(transgenic mice)交配(cross-breed)。
  我們的目的是評估【類胰島素成長因子-1】拯救在培養基中以及活體weaver實驗鼠的小腦顆粒 狀神經元使其免於凋零的效果,
  藉此,也評估【類胰島素成長因子-1】治療人類運動失調症的潛力。


  在我們先前的研究中,曾發現【類胰島素成長因子-1】對weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元的的生物活性比預期的少很多。為什
麼呢? 首先,這些神經元含有較高量(增加150%)的類胰島素成長因子結合蛋白5 【IGF binding protein 5 (IGFBP5)】,這
個蛋白是一種能干擾【類胰島素成長因子-1】和它的受體 (receptor)作用的抑制劑。其次,這些神經元有較少的與【類胰島素成
長因子-1】作用的受體。 

  因此,【類胰島素成長因子-1】不能提供小腦顆粒狀神經元足夠的神經營養支持物(neurotrophic support)。 缺乏此種支
持,可能導致它們的凋亡。 若此推論正確,則增加【類胰島素成長因子-1】的濃度,或減少IGFBP5的活性,應該可使weaver實驗鼠
的小腦顆粒狀神經元再生。 因此我們決定在以培養基中的weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元來測試這種假設。在正常培養狀況下,產
後第五日的weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元很快就死亡。 但當我們在培養基中加三倍的【類胰島素成長因子-1】時,較多的weaver
實驗鼠的小腦顆粒狀神經元可存活下來。 更有趣的是,當我們在培養基中加入正常濃度的des (1-3) IGF-1 (這是一種氨端截短三
個胺基酸Gly-Pro-Glu的人類【類胰島素成長因子-1】),甚至更多的weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元活下來。這種缺損使得des
(1-3) IGF-1對類胰島素成長因子結合蛋白 (IGFBPs) 的結合力較差,但對【類胰島素成長因子-1】受體的親和力不受影響。 這些
實驗清楚的顯示【類胰島素成長因子-1】能直接促進原本會死亡的weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元的存活。 目前,我們正在研究
【類胰島素成長因子-1】如何能幫助weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元存活的分子機制。

 

  在我們能評估【類胰島素成長因子-1】對行動失調病人的臨床效果之前,我們必須先測試它對小腦運動失調的實驗動物的效果。
要完成這項工作,我們決定讓小腦基因突變的weaver鼠與另外帶有一套人類【類胰島素成長因子-1】基因的轉殖基因鼠交配。理論
上,交配產下的幼鼠腦中的小腦顆粒狀神經元的環境應比weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元有更高的【類胰島素成長因子-1】濃度
。 若【類胰島素成長因子-1】能幫助它們存活,就應有更多的小腦顆粒狀神經元成熟,並和其他神經元建立功能性的連接。希望因
此能夠改善運動失調症. 雖然這個實驗尚未完成,我們已清楚地看到有更多的weaver實驗鼠的小腦顆粒狀神經元存活到成熟,特別
是在雙異型結合double-heterozygous)的鼠身上。 
   

  目前,我們已著手詳細地分析這些交配鼠的形態(morphology),行為(behavior)和其他方面的變化。 我們深深期望,
這個交配鼠的實驗能提供【類胰島素成長因子-1】有治療潛力的証據。.

 

  如果我們能証明【類胰島素成長因子-1】對小腦神經元的確是絕對必要的神經營養因子,我們如何能運用【類胰島素成長因子-1
】治療運動失調的病人呢? 這個問題非常複雜,要解答它,須要多重技術,牽涉到許多學門。 因為在小腦顆粒狀神經元存在的環境
中,有高量的類胰島素成長因子結合蛋白(IGFBPs)和蛋白分解脢(proteolytic enzymes),要在這樣的環境中運送【類胰島素
成長因子-1】,其難度比運送其他神經營養因子更困難。 

    
  此外,【類胰島素成長因子-1】只在神經退化過程之前/中使用才有效,但是大部分小腦神經元在運動失調症發生時已經死亡
(vanished)。更糟的是,神經元無法再生,為了克服這些障礙,我們目前正測試下列策略:

 

1) 我們已製造出一種設計過(engineered)的哺乳動物細胞株 (mammalian cell line),它能被誘使生產及釋放大量的【類
  胰島素成長因子-1】。當被植入小腦中,這些細胞能成為依需要釋放【類胰島生長素1號】的生化工廠(bio-factory)。

 

2) 我們將嘗試配合這些設計過的哺乳動物細胞株,也移植胚胎小腦神經元(embryonic cerebellar neurons)。 因為這些胚
  胎小腦神經元尚未成熟,有增殖(proliferation)的潛力。這些設計過的哺乳動物細胞株能提供【類胰島素成長因子-1】,
  促進植入的胚胎小腦神經元成熟及替換已死亡的神經元。

 

3) 我們也將嘗試伴隨這些設計過的哺乳動物細胞株,同時移植人類 【幹細胞 】(stem cell),這將幫助解決人類胚胎小腦神經
  元來源有限的困境。依定義,在特定情況下,【幹細胞】能變成任何型式的細胞,包括小腦神經元。 最近,從人類大腦中已找到
  【幹細胞】,而且這些細胞能在細胞培養中持續培養,同時維持【幹細胞】的特性。希望這些移植的【幹細胞】能分化
  (differentiate)成小腦神經元,以替換那些已經退化的細胞。 還是一樣,設計過的哺乳動物細胞株提供的【類胰島素成長
  因子-1】將保持這些在運動失調病人小腦中的【新】神經元存活和功能上的成熟。

 

  總之,我們已跨出了第一步,朝向新治療方法的發展,最終將帶給小腦運動失調病患希望。 就此而論,若無國家運動失調基金
會的支持,我們的工作不可能完成。

 

張忠慶譯自【美國國家運動障礙基金會2000年秋季刊】/ 宋秉文醫師協助校訂