《Discover Neuroscience》：Erythropoietin mediated neuroprotection across neurological disorders through molecular signaling and cellular repair
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促红细胞生成素（EPO）已成为一种多功能的、显著的神经保护和抗炎剂，其作用超越了传统的造血功能。本综述强调了EPO在治疗神经退行性和神经精神疾病方面的治疗潜力，如阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化（ALS）、多发性硬化（MS）、自闭症和创伤性脑损伤（TBI
促红细胞生成素（EPO）已成为一种多功能的、显著的神经保护和抗炎剂，其作用超越了传统的造血功能。本综述强调了EPO在治疗神经退行性和神经精神疾病方面的治疗潜力，如阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化（ALS）、多发性硬化（MS）、自闭症和创伤性脑损伤（TBI）。通过调节关键信号通路，包括JAK2/STAT5、PI3K/Akt和MAPK/ERK，EPO减少氧化应激、凋亡和炎症，同时增强神经发生、突触可塑性和血管生成。临床前证据显示，EPO能够保护阿尔茨海默病（AD）中的认知功能、减少tau病理并减轻神经炎症，以及在帕金森病（PD）模型中保护多巴胺能神经元。此外，EPO在MS和脊髓损伤模型中促进髓鞘再生，同时改善神经精神疾病中的行为和认知结果。然而，临床转化面临挑战，主要由于EPO有限的血脑屏障（BBB）穿透性，需要高全身剂量，导致造血副作用，如红细胞增多症和血栓栓塞。药物递送的创新，包括鼻内制剂、纳米颗粒系统和受体特异性类似物，如氨甲酰化EPO（CEPO）和NeuroEPO，旨在增强中枢神经系统靶向和安全性。尽管有希望的临床前发现，不一致临床试验结果强调了需要优化给药策略、个性化医疗方法和严格的安全性评估。展望未来，亚型选择性靶向和联合治疗为扩展EPO应用提供了令人兴奋的途径，将其定位为神经治疗干预的变革性剂。
1 引言
中枢神经系统（CNS）疾病涵盖多种病因和临床表现不同的病症，但常共享氧化应激、线粒体功能障碍、兴奋毒性和慢性神经炎症等共同病理机制。根据病理特征，这些疾病可分为神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化、多发性硬化）、急性CNS损伤（如创伤性脑损伤、脊髓损伤、卒中和缺氧缺血损伤）、神经发育障碍（如自闭症谱系障碍）以及神经精神疾病（包括抑郁症、精神分裂症）。尽管这些疾病临床各异，它们共享多个重叠的分子和细胞通路，导致神经元功能障碍和进行性神经功能损害。持续神经炎症、氧化损伤、线粒体功能障碍和受损神经元修复是这些疾病的共同病理特征，因此能够同时靶向多种疾病机制的治疗剂引起了广泛关注。EPO最初被认为是红细胞生成的主要调节因子，促进红系祖细胞存活、增殖、成熟和分化为成熟红细胞。过去二十年来，其生物学意义已大大扩展，除造血功能外，EPO现被认为是一种多功能细胞因子，具有有效的神经保护、抗炎、抗氧化和神经再生特性。研究表明EPO及其受体（EPOR）不仅表达于造血组织，也表达于心脏、肾脏、肝脏、血管内皮和CNS等非造血器官。在脑内，EPO和EPOR存在于神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞和内皮细胞，尤其在海马、皮层和中脑等区域，其表达在神经损伤时增加。EPO信号激活触发多种保护性通路，抑制凋亡、氧化应激、兴奋毒性和神经炎症，同时促进神经发生、血管生成、突触可塑性和组织修复。这些多样的生物效应使EPO成为广泛CNS疾病的有希望治疗候选。然而，尽管有令人信服的临床前证据，其临床转化受限于血脑屏障穿透性差、剂量依赖性造血不良反应和临床试验结果不一致等挑战。本综述全面概述EPO的生物学和分子机制，并严格审查其在神经退行性疾病、急性CNS损伤、神经发育障碍和神经精神疾病中的治疗潜力，同时讨论当前临床证据、转化挑战、安全性和给药考虑以及可能改善未来EPO疗法临床应用的新兴策略。
2 文献检索策略
为全面概述EPO的神经保护和治疗潜力，使用PubMed/MEDLINE、Scopus、Web of Science和Google Scholar进行了结构化文献检索。检索了2000年1月至2025年3月之间发表的相关出版物，关键词包括“erythropoietin”、“EPO”、“EPOR”、“neuroprotection”、“neurodegenerative diseases”、“Alzheimer’s disease”、“Parkinson’s disease”、“multiple sclerosis”、“stroke”、“traumatic brain injury”、“spinal cord injury”、“neuropsychiatric disorders”、“oxididative stress”、“neuroinflammation”和“clinical trials”。纳入了原创研究文章、临床前和临床研究、系统评价、荟萃分析和相关综述文章，排除社论、会议摘要、重复出版物和方法学信息不足的研究。更强调近期高质量且具有明确机制或转化相关性的研究。由于本手稿是叙述性综述，证据进行定性综合，未进行正式系统评价方案或荟萃分析。
3 促红细胞生成素的生物学
EPO是一种关键的糖蛋白激素和造血细胞因子，主要通过促进骨髓红系祖细胞的存活、增殖和分化来调节红细胞产生和稳态。通过刺激红细胞生成，EPO维持全身氧稳态并确保外周组织有效氧输送。EPO的调节独特地受组织氧可用性控制，上调缺氧诱导因子（HIFs），特别是HIF-2α，其在缺氧应激条件下作为EPO的主要分子传感器和转录调节因子。在成人中，EPO的主要来源是肾脏皮质肾小管线周围成纤维细胞样细胞的特殊区域，而肝脏代表胎儿胚胎发生期间的主要产生部位。除系统产生外，EPO也可在多个组织局部合成，包括CNS。神经元和星形胶质细胞在缺氧或代谢应激条件下表达EPO，表明局部产生的EPO通过自分泌和旁分泌信号支持神经元存活。慢性肾脏病的病理生理学是系统失调的典型例子，其中肾间质中纤维胶原-1沉积激活黏着斑激酶（FAK），进一步导致HIF-2α降解，抑制EPO生物合成，引起肾性贫血和蛋白酶体活性增加。除造血功能外，EPO还在非造血组织中表现出多效性生物活性，包括神经保护、抗凋亡和抗氧化信号、免疫调节和血管生成。这些不同功能突出了EPO在细胞适应损伤和组织修复中的广泛生理作用。
3.1 EPO的结构和合成
EPO是一种分子量约30–34 kDa的糖蛋白激素。它包含多肽骨架和复杂碳水化合物结构域，对其生物活性重要。EPO由单条多肽链组成，折叠成I型细胞因子的四螺旋束。成熟人类蛋白包含165个氨基酸，由193个残基的前体生成，经翻译后加工中信号肽蛋白酶切割产生活性形式。这通过两个分子内二硫键和β-折叠结构增强，通常连接Cys7-Cys161和Cys29-Cys33，对维持受体结合、结构稳定性和生物活性至关重要。碳水化合物部分约占EPO分子量的40%。糖基化发生在三个N-连接位点（Asn24、Asn38和Asn83）和一个O-连接位点（Ser126），共同调节蛋白稳定性、循环半衰期和受体相互作用。这些糖蛋白的末端唾液酸化特别重要，因为去唾液酸化EPO从循环中快速清除。内源性和重组EPO由于碳水化合物组成和分支变化而作为异质糖形混合物存在。糖蛋白工程的进展使得能够生成具有确定糖基化模式的合成EPO变体，改善结构均匀性和药代动力学特性。EPO合成主要在转录水平受缺氧反应通路调节。在氧可用性降低条件下，HIF转录因子稳定诱导肾间质成纤维细胞和肝细胞中EPO基因表达。除内源性产生外，重组人EPO（rhEPO）已广泛开发用于治疗慢性肾病和化疗相关贫血。工业生产通常使用哺乳动物表达系统如中国仓鼠卵巢（CHO）细胞，实现生物活性所需的适当翻译后糖基化。替代表达系统包括细菌、昆虫和植物平台及果蝇S2细胞，尽管糖基化保真度限制仍是主要挑战。由于其他哺乳动物宿主如HEK293用于提高EPO产生，通过操纵增加内质网应激和细胞代谢级联如ATF6B调节因子。化学生物学和化学酶促合成的最新进展使得能够使用固相肽合成和天然化学连接等策略生成结构均一的EPO糖形。尽管天然EPO和rhEPO具有相同的氨基酸序列和生物活性，但当代EPO衍生物在结构和药代动力学上不同。NeuroEPO唾液酸较少，减少造血活性并改善鼻内递送和脑靶向。化学修饰的氨甲酰化EPO（CEPO）没有红细胞生成功能，但通过受体连接保留组织和神经保护特性。无唾液酸EPO缺乏末端唾液酸残基，具有强效组织保护活性但血浆清除快且红细胞生成效应最小。这些结构和药代动力学变异影响基于EPO的神经保护治疗的治疗效果、全身副作用和临床转化。
3.2 EPO受体：类型、在CNS和外周的分布
新出现数据表明EPOR存在于中枢和周围神经系统组织，但其在非造血组织中的表达程度和功能相关性依赖于背景且仍在检查中。几项研究显示EPOR在神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞、内皮细胞和脉络丛表达，在胚胎脑发育期间表达较高，但报告的表达模式因研究和实验模型而异。EPOR最初在红系祖细胞鉴定，许多研究指出其在多种非造血器官表达，可能在各种生理和组织保护功能中起作用。然而，其在造血系统外的表达模式和功能相关性仍是积极研究的主题。生理条件下，受体水平在成人组织中相对较低，但在缺氧、缺血或炎症性损伤后迅速增加。在脆弱神经元群体如小脑浦肯野细胞、黑质多巴胺能神经元和视网膜神经节细胞中报道EPOR增加，实验证据表明EPO信号可能有助于保护对抗兴奋毒性和缺血性损伤。在周围神经系统，EPOR也在背根神经节神经元、施万细胞和血管内皮细胞报道，实验研究表明EPO信号可能支持轴突存活和神经损伤后再生。经典受体作为同源二聚体EPOR复合物主要表达于骨髓红系祖细胞。配体结合诱导构象变化，激活相关的Janus激酶-2（JAK2），导致通过PKC或钙依赖性级联、JAK/STAT、PI3K/Akt、MAPK和NF-κB的通路下游信号。这些信号级联共同促进红系细胞存活、增殖和分化，同时防止凋亡。除经典同源二聚体受体外，异二聚体EPOR/β-共同受体（βcR）复合物，常被称为组织保护受体（TPR）或先天修复受体，已被提出介导EPO的几种组织保护、非造血效应。然而，该受体的存在、分子组成和功能意义仍是正在研究的主题，支持其作用的证据因实验模型而异。实验研究表明该受体可能对EPO亲和力较低，并可能在细胞应激或组织损伤条件优先激活。实验研究表明EPOR/βcR复合物激活可启动细胞保护信号，增强线粒体稳定性、抑制凋亡和调节炎症反应。额外EPOR亚型和可溶性受体变体的存在进一步扩展了EPO信号的复杂性，并允许不同组织中的背景特异性调节。尽管许多实验研究支持组织保护受体概念，关于受体表达、组成和信号的冲突发现表明其在介导EPO非造血效应中的精确作用仍不完全清楚。该受体主要表达于骨髓的红细胞集落形成单位（CFUe）细胞，由两个相同预二聚化EpoR亚基组成，对循环EPO具有高亲和力。可变剪接和转录变化产生具有结构和信号差异的受体变体。剪接变体EV-3据报道具有神经保护作用而不诱导红细胞生成。截短EPOR亚型在神经组织鉴定，特别是在黑质多巴胺能神经元。这些截短受体变体常与全长EPOR共存，可能作为显性负调节因子影响EPO信号的幅度和特异性。新出现研究还表明EPO信号可能涉及其他受体系统和调节蛋白。
3.2.1 新证据表明EphB4可能参与EPO介导的神经发生
EphB4可能参与神经元和内皮细胞中EPO介导的神经发生和血管生成。此外，CRLF3可能通过进化保守受体在 invertebrates中介导EPO诱导的神经保护。转铁蛋白受体-1（TFR1）也被提出在红系细胞中影响下游MAPK和PI3K通路以修饰EPOR信号。大量研究证实非造血组织中存在EPOR，但记录的表达水平、受体亚型和功能作用因组织类型、生理状态和实验方法而异。因此，EPOR信号在造血系统外的确切作用取决于背景，需要未来实验和临床研究进一步确认。
3.3 促红细胞生成素的非造血作用
EPO经典上被认为在红细胞生成中起作用，现被确立为具有多种非造血功能（包括组织保护、免疫调节和代谢调节）的多效性细胞因子。这些效应主要通过EPOR/β-共同受体（CD131）异源受体介导，不同于经典红细胞生成EPOR同源二聚体，使得细胞保护信号而不刺激红细胞产生。在CNS中，EPO在皮层和海马等区域局部表达，在生理和病理条件下有助于神经元存活和组织修复。实验研究已证明EPO在多种神经疾病中的组织保护潜力，引起对其治疗应用的日益关注。此外，非红细胞生成衍生物如NeuroEPO已开发以改善脑递送同时最小化造血效应。除CNS外，EPO在多个外周器官发挥广泛细胞保护效应，并涉及调节炎症、组织修复和代谢稳态。实验证据也支持其在肝和肾损伤以及葡萄糖和脂质代谢中的有益作用，突出其在红细胞生成外的治疗潜力。这些发现共同确立EPO作为超越造血的多功能细胞因子，在神经退行性疾病、炎症和代谢疾病中具有显著治疗潜力。
4 EPO在中枢神经系统中的作用机制
EPO通过其同步的细胞内信号通路阵列展示其神经保护特性，而非依赖单一化学机制。EPOR激活触发一系列相关信号通路，如JAK2/STAT5、PI3K/Akt、MAPK/ERK和NF-κB，共同抑制凋亡和氧化应激、调节神经炎症、增强神经发生和血管生成并维持突触完整性。以下部分概括这些生物效应，然后深入检查涉及的主要信号通路。
4.1 EPO在CNS中的生物作用
4.1.1 EPO和EPO-R在脑中的表达
EPO及其受体系统广泛表达于CNS，有助于神经发育、神经保护和损伤反应。脑内EPO局部产生由多种细胞类型执行，包括神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞和周细胞，表明其作为旁分泌或自分泌信号机制。星形胶质细胞是脑EPO的主要来源，周细胞被鉴定为缺氧期间EPO产生关键部位。早期发育中，EPO主要表达于神经嵴和神经上皮细胞，而成年脑主要产生位点包括海马、皮层、中脑和内囊。脑源性EPO与肾脏分泌的系统激素结构不同，因为它几乎完全没有延长血浆半衰期的唾液酸修饰，使其能在CNS内操作，尽管循环EPO通过血脑屏障能力有限。CNS中EPO表达通过缺氧诱导因子（HIF-1α和HIF-2α）强烈受缺氧调节，星形胶质细胞在缺氧条件下能够增加EPO产生超过100倍。额外调节刺激包括炎性细胞因子（TNF-α、IL-1α、IL-6）、极端神经元去极化和代谢应激，而慢性应激显示抑制海马EPO表达。在多种神经疾病包括卒中、缺血和MS中观察到EPO表达上调，表明脑源性EPO作为应激反应细胞因子促进神经元存活和组织修复。EPOR广泛表达于CNS多种神经元和胶质群体，包括皮层和海马神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞、神经祖细胞和内皮细胞。EPOR表达在胚胎发育期间特别高，在神经细胞存活和脑成熟中起关键作用，EPO或EPOR缺乏导致神经元凋亡增加和脑发育异常。在成年脑，生理条件下EPOR水平相对较低，但在应激或损伤如癫痫、缺血或创伤期间显著上调。经典上，EPO通过同源二聚体EPOR（EPOR2）信号，而非造血组织中的组织保护效应由EPOR和β-共同受体（CD131）组成的异源受体复合物介导。已描述额外EPO相互作用受体如EphB4和细胞因子受体样因子-3（CRLF3），表明CNS中EPO多效性作用背后存在复杂受体网络。这些发现共同为以下部分讨论的EPO神经保护和神经再生作用提供生物学基础。
4.1.2 神经保护作用（抗凋亡、抗氧化、抗炎）
EPO的主要神经保护作用之一是其在缺血、创伤和神经退行性疾病等病理条件下对神经元和胶质细胞凋亡的强效抑制。EPO结合EPOR激活Janus激酶-2（JAK2），随后触发下游生存通路包括JAK2/STAT5、PI3K/Akt和NF-κB信号。STAT转录因子激活诱导抗凋亡基因如Bcl-2、Bcl-xL和凋亡抑制蛋白（IAPs）如XIAP和c-IAP2表达，从而将细胞平衡转向存活。PI3K/Akt通路进一步通过抑制促凋亡蛋白如Bad、caspase-9和糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）增强神经元存活，最终防止线粒体膜去极化和细胞色素c释放。这些信号事件共同抑制执行caspase特别是caspase-3激活，从而在CNS损伤和神经退行性疾病模型中保留神经元活力。EPO也发挥强抗氧化效应，保护神经元免受氧化应激，这是神经疾病中继发性损伤的主要因素。EPO信号激活增强内源性抗氧化防御主要通过刺激Nrf2-ARE通路，导致细胞保护酶如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、过氧化氢酶和血红素加氧酶-1（HO-1）表达增加。这些反应显著减少活性氧（ROS）和脂质过氧化产生，同时恢复细胞内谷胱甘肽水平。一个关键机制是Nrf2-ARE通路激活，其中EPO信号（常通过MAPK/ERK通路）促进转录因子Nrf2转位入核。在那里，Nrf2结合抗氧化反应元件（ARE）并触发众多细胞保护和抗氧化基因的协调表达。EPO的抗氧化效应部分受SH-SY5Y神经元样细胞中miR-885-5p调节，因其过表达逆转EPO抑制ROS产生的能力。此外，EPO的抗氧化作用包括抑制诱导型一氧化氮合酶（i-NOS），导致一氧化氮和过氧亚硝酸盐产生减少，并有证据表明EPO也作为直接ROS清除剂。神经炎症在继发性脑损伤中起重要作用，EPO作为炎症信号的重要调节剂。EPO通过抑制促炎细胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6产生减轻神经炎症，同时增强抗炎介质如IL-10表达。这些效应主要通过抑制NF-κB信号通路和调节JAK/STAT和PI3K/Akt信号级联介导。此外，它诱导系统性抗炎状态，通过增加调节性T细胞（Tregs）数量并扩增产生IL-10的M2样巨噬细胞。而且，EPO抑制小胶质细胞活化和限制外周免疫细胞浸润CNS，从而减少神经炎症和继发性组织损伤。通过这些组合机制，EPO有助于在CNS损伤后维持神经保护抗炎环境。
4.1.3 神经再生效应（神经发生、突触可塑性、血管生成）
EPO显著促进CNS中的神经发生和结构可塑性。在神经发生生态位如脑室下区（SVZ）和齿状回，EPO增强神经干细胞和祖细胞增殖，并促进其分化为成熟神经元。它也促进神经母细胞迁移至损伤部位，有助于长期神经元再生和功能恢复。EPO进一步通过促进可塑性相关基因包括BDNF、Arc和Egr2表达增强突触可塑性，这些基因促进树突发育、突触形成和神经连接。结构增强如树突分支和棘密度增加已在许多实验模型记录，证实其在功能恢复和认知增强中的重要性。EPO的一个关键修复作用是在少突胶质发生和髓鞘再生中。EPO刺激少突胶质祖细胞（OPCs）增殖和分化，从而增强髓鞘产生并改善CNS损伤后白质再生。EPO也支持其分化和成熟为功能性、有髓鞘能力的少突胶质细胞。除促进脑再生外，EPO是强效血管生成剂。它促进内皮细胞增殖、迁移和毛细血管形成，同时增强损伤脑区的脑微血管密度。
