胰島素樣生長因子-1與骨關節炎研究進展

牟方政 李榮亨 (三峽中心醫院中醫科，重慶 404000)

胰島素樣生長因子-1與骨關節炎研究進展

牟方政 李榮亨1(三峽中心醫院中醫科，重慶 404000)

胰島素樣生長因子-1;細胞因子;骨關節炎

胰島素樣生長因子(IGFs)是一類進化上十分保守的復雜多肽系統，由胰島素樣生長因子(IGF)-1，IGF-2、IGF-1受體(IGF-1R)、IGF-2受體(IGF-2R)及6種胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBPs)共同組成。IGF-1是IGFs系統中的主要因子之一，可由多種組織細胞合成，通過內分泌、旁分泌或自分泌方式作用于靶器官，調節糖原和蛋白質的合成與分解，參與個體的新陳代謝、細胞增殖、分化及凋亡過程，對機體多個系統的損傷及修復也具有十分重要的作用。骨關節炎(OA)是以軟骨退變為主要病理表現的骨骼運動系統疾病，目前研究認為盡管OA的病因病機不十分清楚，但是IGF-1在OA發病過程中所起到的作用越來越引起人們重視。本文就IGF-1對OA影響的研究作一綜述。

1 IGF-1

1.1 IGF-1結構特點

IGF-1是人體內的一種重要細胞因子，與胰島素原結構相似，不同動物種屬間有高度的保守性。1976年由Rinderknecth及Humbel首次從人血清中分離得到。IGF-1由70個氨基酸殘基組成，相對分子量7 649 D，等電點pI約8.2，鏈間6～48、47～52、18～61位置上由 3個二硫鍵交聯，與胰島素原高度同源，其分子中有約60%的氨基酸序列與胰島素原相同，其基因位于第12號染色體長臂上，三維結構與胰島素原非常相似〔1〕。不同動物種屬來源的IGFs蛋白質序列具有高度同源性，牛與人、豬和羊的完全相同，而牛與鼠僅有4個氨基酸殘基不同，他們的遺傳保守性很強。

1.2 IGF-1功能特性

IGF-1主要存在于血液中。大部分來源于肝臟，且絕大多數IGF-1結合于IGFBP-3和1個酸不穩定亞基，形成1個150 kD的3分子復合體，被運送到周圍組織發揮內分泌作用。垂體分泌的生長激素和胰島分泌的胰島素入血液調節肝細胞分泌IGF-1。生長激素與肝細胞表面的生長激素受體結合后，促進肝細胞分泌IGF-1。目前普遍認為，在脊椎動物的生長發育階段，這種生長激素/胰島素樣生長因子(GH/IGFs)軸起重要作用。另外，體內有很多組織如骨組織、肌肉組織等都可合成IGF-1，只是所合成的IGF-1不進入血液循環，而是在組織中直接反應發揮旁分泌或自分泌作用。這種局部組織細胞分泌的IGF-1與組織細胞表面IGF-1R結合后，誘導其受體的β亞基在酪氨酸殘基上自身磷酸化，這種磷酸化又進一步激活了受體本身的酪氨酸蛋白激酶的活性，并依次再催化一個或多個底物的磷酸化，激活磷酸酰肌醇3激酶-絲/蘇氨酸蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白系統(PI3K-PKB-TOR)和絲/蘇氨酸激酶-絲裂原活化蛋白激酶系統(RAF-MAPK)通路發揮多種生物學效應，可以促進細胞增殖、細胞分化、細胞遷移、抑制細胞凋亡，起到調節機體代謝，生長發育，生殖免疫，抗衰老等作用〔2〕。IGF-1這些生理效應受IGFBPs調控，IGFBPs與IGF-1結合可以降低IGF-1與IGF-R1結合的親和力，從而抑制了IGF-1的生物活性。

2 IGF-1對軟骨的作用

軟骨主要由軟骨細胞和基質組成。軟骨細胞是軟骨中唯一細胞，在IGF-1的作用下可以增殖，并合成軟骨基質蛋白多糖和基質膠原。在生理情況下，嬰兒、兒童、青春期，IGF-1通過刺激軟骨細胞的增殖和塑形使骨呈線性生長。在成人，IGF-1通過刺激軟骨細胞合成基質蛋白，抑制軟骨細胞衰老和死亡。

在軟骨細胞培養中，軟骨細胞既可以分泌IGF-1，又可以受IGF-1的調節。在復合培養基系統中軟骨細胞可以表達TGF-β1 mRNA和IGF-1 mRNA〔3〕，說明這些生長因子可以由軟骨細胞分泌，且可能參與了軟骨細胞增殖。將外源性IGF-1加入到體外培養的兔關節軟骨細胞中，軟骨細胞增殖能力增強，且呈劑量依賴性促進細胞增殖〔4〕。進一步研究表明，IGF-1在10 g/L濃度時即可明顯促進軟骨細胞增殖，IGF-1作用于培養的人關節軟骨細胞后，呈劑量依賴性方式促進軟骨細胞增殖，IGF-1劑量達50 g/L時，細胞的增殖活性達最高值〔5〕。IGF-1聯合透明質酸(HA)對人軟骨細胞的增殖具有協同效應，能夠有效維持軟骨細胞表型穩定，促軟骨細胞增殖能力顯著增強，且促增殖作用時間后延〔5〕。

IGF-1不但能促進軟骨細胞分裂增殖，而且增強細胞功能，促進蛋白多糖(PG)及Ⅱ型膠原的合成。在炎癥因子白細胞介素(IL)-1介導的關節軟骨PG減少，IGF-1能明顯地加速PG合成，利于軟骨修復。IGF-1聯合 TGF-β1能夠下調 COX-2和MMP-13，上調基質調節酶(Erk 1/2)和軟骨形成轉移因子(Sox9)表達，刺激軟骨細胞分化，對軟骨細胞合成代謝有疊加效應，有穩定軟骨形成的潛力〔6〕。最近也有人持不同觀點，一項在體實驗研究認為IGF-1呈劑量依賴性維持軟骨形態，但不能刺激軟骨合成〔7〕。

IGF-1還有抑制軟骨凋亡的作用。體外軟骨細胞培養中IGF-1能逆轉地塞米松對軟骨細胞增殖的抑制作用，并阻止膠原酶引起地軟骨細胞凋亡〔8〕。其作用機制可能是IGF-1通過PI3K和MARK信號通路阻止軟骨細胞凋亡〔9〕。而 Yokota等〔10〕研究認為IGF-I可能通過抑制caspase3表達，對下頜骨髁突軟骨細胞凋亡有抑制作用。

3 IGF-1對骨的作用

IGF-1大量儲存在骨組織中，是調節骨細胞功能和代謝的重要因子。成骨細胞和破骨細胞以及某些間充質細胞都可分泌IGF-1，通過自分泌和旁分泌途徑發揮作用。IGF-1對骨代謝有調節作用，可促進骨細胞增殖和分化，刺激成骨細胞生成骨鈣素等非膠原蛋白和Ⅰ型膠原，促進骨基質的形成和骨折愈合。陳藝濤等〔11〕分析認為IGF-1既可增加成骨細胞的功能，又可加強破骨細胞的功能，但對成骨細胞作用更強，刺激骨膠原合成，抑制膠原的降解，增加骨基質沉積，骨密度增加。

4 IGF-1在骨關節炎發病過程中的作用

OA是一種以軟骨退變為主，涉及軟骨下骨病變和滑膜炎癥的骨關節退行性疾病。OA早期的病理改變表現為軟骨的腫脹，軟骨合成的加速，隨后的病理改變為軟骨減少、軟骨下骨硬化、骨贅形成、滑膜炎等。IGF-1在OA軟骨、滑膜、滑液及軟骨下骨中均有不同程度表達，血清中也存在一定濃度的IGF-1，對OA發生發展有重要影響。

IGF-1在兔OA模型軟骨的早期隨病史延長表達增加，軟骨缺損部位與軟骨完整部位相比表達明顯增加〔12〕，說明IGF-1具有促進軟骨基質合成，修復軟骨缺損的作用。在人OA軟骨細胞中的IGF-1及IGF-1 mRNA的數量較正常為高。雖然OA軟骨細胞表面的IGF-1表達增加，但其軟骨細胞利用羥脯氨酸合成蛋白多糖的能力下降，IGF-1和受體之間的結合力也下降〔13〕，表明OA軟骨細胞對IGF-1不敏感，這可能和細胞表面的IGFBPs多于IGF-1受體有關。Hunziker等〔14〕研究發現在人軟骨基質和軟骨細胞內的細胞質和細胞核中IGFBPs特別是IGFBP-3，在OA軟骨細胞內顯著增加。近來國外研究進一步發現，在OA患者有明顯肉眼病理改變的軟骨區取材的軟骨細胞，其IGF-1 mRNA比正常對照3.5倍，IGFBP-3比正常高24倍，IGFBP-5高l6倍，而IGF-2和IGFBP-4無變化。OA軟骨細胞表達IGFBP-3和-5增加，與IGF-1結合增多，降低IGF-1的合成代謝作用，促進軟骨退變〔15〕。因此，OA軟骨喪失的基本原因之一可認為是異常增加的IGFBps阻礙了IGF-1和受體之間的結合。

OA患者骨組織中有較多IGF-1表達。Massicotte等〔16〕通過研究OA患者骨組織發現，IGF-1通過激活軟骨下骨p42/44 MAPK信號途徑，破骨細胞產生更多的細胞增殖，可能導致OA軟骨下骨重塑。這可能是一種抵御骨質疏松的機制 ，這也可能是導致軟骨下骨硬化的原因。在成人的骨贅中，骨細胞有IGF-l和IGF-1受體的mRNA表達，且成骨細胞表達數量最多，軟骨內形成的新骨和破骨細胞也發現有三者的mRNA〔17〕，說明了自分泌的IGF對骨贅形成的作用。

另外，OA的滑膜組織中也有IGF-1 mRNA表達，提示滑膜參與了IGFs對軟骨的修復。軟骨細胞和滑膜細胞成為炎癥細胞因子的攻擊目標，但是滑膜表達的IGF-1并不能中和炎癥細胞因子IL-1，TNF-α對基質合成的影響，抑制軟骨降解酶，歸咎于軟骨細胞對這些因子的抵抗〔18〕。

OA滑液中IGF-1水平顯著升高。Schmal等〔19〕發現有軟骨損傷的膝關節炎患者關節灌洗液IGF-1濃度顯著升高，手術修復后灌洗液IGF-1濃度也顯著升高，而沒有軟骨損傷的膝關節炎患者關節灌洗液bFGF和IGF-1都低水平表達，說明關節液中IGF-1參與了軟骨合成。盡管關節滑液中IGF-1水平升高，但是OA軟骨對IGF-1呈低反應，其機制可能也與IGFBPS有關。OA患者滑液中IGF-1升高，IGFBP-3水平上升更高，IGFBP-3/IGF-1比值高于正常，而 IGF-1R表達正常〔20〕，其結果是，大量的IGFBP-3抑制了IGF-1的活性，參與了OA的形成。

血清IGF-1濃度與OA存在一定關系。Lloyd等〔21〕研究結果表明在較嚴重的雙膝OA和遠指關節(DIP)OA患者中，血清IGF-1水平增加。有相反研究認為OA患者的血清IGF-1水平低于正常對照。Lis〔22〕用ELISA分析25個髖關節病患者和16個正常人血清中IGF-1和hGH濃度，結果二者血清hGH差異沒有統計學意義，患者組IGF-1濃度顯著低于對照組，認為血清IGF-1濃度可能是OA有用的實驗室指標。上述這種相反的結果還有待于進一步研究。一般認為OA血清中較高水平的IGF-1可能是機體企圖對軟骨進行修復的一種整體反應，而較低水平的IGF-1可能促進OA的形成。

5 IGF-1在骨關節炎治療中的應用

盡管OA的病因不清楚，但是IGF-1在OA中具有促進軟骨細胞增殖和基質合成、抑制軟骨細胞凋亡等作用，進而修復損傷軟骨，已經為人們所認識。近年來IGF-1應用于OA動物實驗取得了一定進展。

在兔關節軟骨缺損早期即行關節腔內注射IGF-1，可有效促進關節軟骨缺損的修復，并延緩周圍軟骨的退變，從而預防OA的發生〔23〕。在兔關節截骨術模型中，隨著骨折修復，關節內給予外源性IGF-1可以抑制軟骨細胞凋亡〔24〕。IGF-1聯合bFGF注入IL-1β介導的膝OA中，能夠顯著促進蛋白多糖的表達，效果優于單純應用 IGF-1〔25〕。

關節內注射轉基因軟骨細胞對OA有一定治療作用。給兔膝OA關節腔中注射TGF-β1和IGF-1雙基因聯合轉染的軟骨細胞，能夠促進軟骨缺損的修復，其效果優于單基因〔26〕。Morisset等〔27〕通過將腺病毒轉染的IGF-1與IL-IRa注入12匹全層軟骨缺損造成的腕骨輕微骨折的馬關節中，觀察發現軟骨缺損痊愈。IGF-1與IL-1Ra聯合治療OA比單獨應用其一更可以減少軟骨的退變。可見，IGF-1與IL-1Ra聯合控制則可以減少甚至逆轉OA軟骨的丟失，可能更好地治療OA。

由于IGF-1不僅對骨組織有作用，而且對其他組織、器官中的細胞增生、分化也有很強的刺激作用，IGF-1會引起低血糖、水腫、顱內高壓、暈厥、關節痛甚至致腫瘤等副作用，大大限制了其臨床應用，這些副作用可能與血中超生理水平的游離IGF-1有關。然而在局部組織高表達的IGF-1并不會進入循環系統而影響其他組織，因此對這些局部旁分泌的IGF-1功能進行深入研究，利用局部注射重組IGF-1和基因轉染軟骨細胞促進軟骨修復，將有助于治療OA。

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R684.3

〕 A

1005-9202(2012)22-5089-04;

10.3969/j.issn.1005-9202.2012.22.128

1 重慶醫科大學附屬第一醫院中西醫結合科

牟方政(1981-)，男，主治醫師，碩士，主要從事中西醫結合老年病防治研究。

〔2011-10-18收稿 2012-04-11修回〕

(編輯 張 慧)