神经生长因子(nerve gowth factor,NGF)于1953年被Levi-Montalcini等发现,属于神经营养因子家族,能够促进神经元的分化,维持神经元的存活,其发现是现代生物学发展的重要里程碑。为此,Levi-Montalcini等在1986年被授予诺贝尔生理或医学奖。

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NGF前体(proNGF)及成熟NGF

NGF在体内以前体形式合成,前体氨基酸序列可分为信号肽和成熟肽。信号肽有助于蛋白分泌;成熟肽经进一步加工可生成具有生物学功能的NGF。NGF链内共有6个半胱氨酸残基,可对应形成3对链内二硫键,二硫键的形成是NGF具有活性的必要条件。自由的NH2末端为NGF结合受体所必需,而NGF-C末端112~115位残基的突变能够明显影响NGF结构的稳定性及NGF的活性。

NGF前体及NGF蛋白氨基酸序列

NGF受体和信号通路

在哺乳动物体内存在4种神经营养因子,即NGF、BDNF、NT-3和NT-4/5,它们通过结合4种受体(p75NTR、TrkA、TrkB及TrkC)发挥作用。4种神经营养因子均可结合p75NTR受体, 却选择性地与Trk受体结合。NGF结合两种跨膜受体:酪氨酸激酶受体TrkA和肿瘤坏死因子受体p75NTR。TrkA是成熟NGF的高亲和力受体;p75NTR是成熟NGF的低亲和力受体。 TrkA受体通过PI3-Akt和Ras-MAP激酶途径促进神经突起的生长和存活。p75NTR受体通过神经酰胺、p53和JNK途径介导细胞凋亡。当TrkA与p75NTR共表达时,p75NTR能够增加TrkA受体对NGF的结合力,通过NF-kB和Rho信号途径促进神经突起的生长和存活;然而,如果NGF仅与p75NTR结合,会促进细胞凋亡。

神经生长因子及其受体相互作用类型

NGF功能研究

参与血管生成:内皮细胞与血管平滑肌细胞上有NGF受体,能与NGF结合;NGF还能促使细胞分泌VEGF。

NGF与免疫细胞功能:NGF促进B细胞、T细胞的增殖及IgM、IgA、IgG等抗体的生成,是记忆B细胞的自分泌因子。在中枢神经系统受损部位的NGF能协调神经细胞及免疫细胞,有助于神经系统的修复。NGF能促进肥大细胞分化及成熟等等。

 

NGF对不同类型细胞的影响

 

NGF影响神经内分泌:NGF抗体处理幼鼠,会导致甲状腺发育不全、神经内分泌免疫缺乏综合症;能通过钠离子通道的表达调控胰岛素分泌,对糖尿病导致的心脏类疾病具有保护功能。

NGF与自身免疫疾病:神经生长因子在急性和慢性疼痛中都起了关键作用,且会随着类风湿性关节炎,强制性关节炎,骨关节炎,间质膀胱炎的发展而增多。骨头的伤害感受器受体原肌球蛋白相关激酶A(TrKA)和因炎症介质刺激释放的肥大细胞受到到损伤或疼痛刺激,而释放神经营养因子β-神经生长因子(NGF),激活细胞内激酶信号通路,疼痛信号最终从外周传递至脊髓和脑部。Anti-NGF是治疗关节炎类疾病的潜在药物。而在神经系统中。NGF能防止自身免疫的发生,对神经系统疾病如老年性痴呆、脑发育不良、帕金森氏病等具有具有改善作用。

NGF功能复杂,协调血液循环系统、免疫系统、神经系统等系统间的相互作用,若其平衡被打破,则会导致内分泌失调、自身免疫病等。

市场应用

NGF目前主要用于神经系统疾病的治疗。鼠NGF(mNGF)与人NGF(hNGF)同源性达90%,并且从鼠颌下腺中提取NGF的工艺比较简便,提取所得NGF活性较高,因此鼠NGF成为第一个上市的NGF,广泛应用于临床治疗视神经损伤以及促进神经损伤的恢复,疗效显著。礼来和辉瑞公司开发了tanezumab,是一种NGF抗体,能阻断神经系统对于痛觉的产生起到止痛作用,但其药物安全性仍受质疑,目前处于临床三期。

NGF的给药途径

NGF为水溶性,且相对分子质量较大,在自然状态下几乎不能透过血脑屏障。目前上市的鼠颌下腺提取的NGF以肌肉注射方式给药,无法穿透血眼屏障和血脑屏障,用于治疗眼部疾病和中枢神经系统疾病。通过更改给药途径使NGF穿过血脑屏障和血眼屏障的研究主要如下:

①脑室注射;②局部给药缓释;③载体偶联穿过血脑屏障(NGF偶联抗转铁蛋白受体抗体);④直接将NGF基因导入脑内特定细胞中;

⑤将表达NGF的转基因细胞移植入脑内表达NGF。

其他给药方法还有:NGF-PBCA纳米粒、静脉快速滴注甘露醇可逆性暂时开放血脑屏障、NGF-脂质体、NGF滴眼液等

NGF临床研究

NGF基因疗法临床试验:对于典型的中枢神经系统疾病,如阿尔茨海默病(Alzheimerdisease,AD),NGF是潜在的治疗药物。AD的发生会导致基底前胆碱能神经元的退变,降低皮质胆碱能神经递质的传递功能,而在基底核中,TrkA和p75NTR专有地存在于胆碱神经元,因此,可以通过NGF维持神经元的存活,增强皮质胆碱能神经递质的传递功能。

目前,被批准用于AD治疗的5种药品中,有4种为乙酰胆碱酯酶抑制剂,这些制剂只能促使极少数的AD初期患者改善认知能力;另外一种药物为NMDA受体非竞争型激动剂,通过NGF作用减少基底前胆碱能神经元细胞的死亡,也是治疗AD的一种途径,但是成熟的NGF蛋白不能通过血脑屏障,这是临床应用的一个障碍。

Mandel通过立体定位注射将表达人NGF的AAV2载体导入到基底核中,用于治疗AD,已完成Ⅰ期临床试验,正在进行Ⅱ期临床试验;通过长时间的研究表明,该方法比较安全,副作用小,临床研究中的AD患者的认知能力以及大脑皮质代谢均有改善,但是可能会存在局部NGF过量表达的潜在问题。

重组人NGF蛋白临床试验:重组人NGF用于治疗HIV引起的感觉神经病变的Ⅱ期临床试验结果显示,NGF能有效缓解神经性头疼。本次临床试验采取双盲法,但由于局部注射NGF引起的局部疼痛,导致39%的受试者破盲。

重组人NGF用于治疗糖尿病引起的神经病变的Ⅲ期临床试验,证明了重组人NGF的安全性,但却未能证明其有效性,最终宣告Ⅲ期临床试验失败。失败的原因可能是给药剂量不足,安慰剂起到了很好的作用,两次试验受试人群结构组成不同,以及注射用重组人NGF配方的区别等造成。

NGF的临床应用:鼠颌下腺提取的NGF能够有效治疗外周神经损伤,持续性角膜缺损、角膜溃疡、干燥性角膜结膜炎、白内障术后愈合、青光眼等,并成功治愈鼻咽癌放疗引起的放射性颞叶坏死。颅脑损伤 (traumaticbraininjury,TBI)是目前一种高发病率、高致残及高死亡的创伤性疾病,死亡率高达26%~50%。包括原发性和继发性颅脑损伤,目前医疗措施主要针对继发性颅脑损伤进行干预。大量临床试验均表明NGF在颅脑外伤治疗上有确切疗效。

展 望

NGF在神经系统疾病方面有广阔的应用前景,而NGF抗体是潜在的止痛药、治疗关节炎药物,市场容量巨大。生物技术及生物工程的发展,使得重组NGF可以大量生产,但其应用到临床还需继续研究。

 

参考文献

1. Skaper SD. Nerve growth factor: a neuroimmune crosstalk mediator for all seasons. Immunology. 2017 May;151(1):1-15.

2. 徐莉. 神经生长因子的研究进展. 中国生物制品学杂志2014年1月第27卷第1期