胰島素樣生長因子1對糖尿病大鼠伴骨折模型骨折愈合的影響

林洪明

(湖北醫藥學院附屬襄陽醫院，湖北 襄陽 441000)

胰島素樣生長因子1對糖尿病大鼠伴骨折模型骨折愈合的影響

林洪明

(湖北醫藥學院附屬襄陽醫院，湖北 襄陽 441000)

目的探討胰島素生長因子(IGF)-1對糖尿病(DM)模型大鼠骨折后骨折愈合的影響及其機制。方法選取健康成年雄性SD大鼠40只，對所有大鼠進行編號后采用隨機數字表法選取10只作為正常組、其余30只大鼠采用腹腔注射鏈脲佐菌素建造糖尿病大鼠模型，建模成功后采用隨機數字表法分為IGF-1組、胰島素組、模型組各10只，各組大鼠均建立左脛骨上段骨折模型，分別給予對應的處理措施，分別于骨折后第1、2、4、6周觀察四組大鼠的骨折愈合情況、骨痂組織中相關指標的變化差異、血清骨鈣素等指標的含量差異。結果各組大鼠第1、2、4、6周血清骨鈣素含量差異顯著(P<0.05)，模型組顯著低于正常組、IGF-1組和胰島素組(P<0.05)，正常組、IGF-1組和胰島素組間比較無統計學差異(P>0.05)。各組大鼠第1、2、4、6周血鈣、血清骨形態發生蛋白(BMP)-2、堿性磷酸酶(ALP)含量差異顯著(P<0.05)，模型組顯著低于正常組、IGF-1組和胰島素組(P<0.05)，在第1、2周時IGF-1組和胰島素組血鈣值、血清BMP-2、ALP水平明顯低于正常組(P<0.05)，在第4、6周無顯著差異(P>0.05)。結論IGF-1對DM模型大鼠骨折具有促進骨折愈合的作用，其機制可能與提高血清骨鈣素、BMP-2、ALP及血鈣水平有關。

胰島素生長因子1；糖尿病；骨折；骨鈣素；骨細胞

糖尿病(DM)患者骨折后骨折部位不愈合或愈合延遲顯著高于正常人群，認為DM患者體內的高負荷血糖干擾了成骨細胞活性，而血糖升高又可導致體內鈣磷代謝紊亂且影響骨折愈合甚至延遲愈合〔1〕。胰島素生長因子(IGF)-1被認為能夠促進成骨細胞增殖，進而促進骨折部位骨質愈合，并有利于骨小梁重建，而DM患者體內IGF-1對于骨折后骨質愈合的促進作用闡述較少〔2〕。本研究觀察IGF-1對DM鼠骨折后相關骨質愈合及骨質代謝的影響。

1 資料與方法

1.1實驗動物 選取健康成年雄性SD大鼠40只，SPF級，體重200～250〔平均(220±10)〕g；實驗大鼠均喂養于22～25℃、濕度40%～60%、光照12 h的環境中，均自由進食進水。對所有大鼠進行編號后采用隨機數字表法選取10只作為正常組、其余30只大鼠采用腹腔注射鏈脲佐菌素建造DM大鼠模型，建模成功后采用隨機數字表法分為IGF-1組、胰島素組、模型組各10只。

1.2造模方法 采用鏈脲佐菌素40 mg/kg腹腔內注射，注射完成后測定大鼠體重，并隨機測定大鼠血糖，以隨機血糖>13.5 mmol/L為造模成功標準。模型組大鼠右側脛骨上端骨折，并進行夾板外側固定，X線檢查確認骨折模型效果，IGF-1組采用IGF-1治療，30 μg/kg，胰島素組用胰島素治療，7 U，模型組未予治療，正常組未予造模。所有大鼠均給予正常飲食。

1.3材料與方法 采用同濟醫科大學研發的HPIAS-1000高倍清晰病理圖像分析軟件，選取質量較好的模型鼠右側脛骨上段骨折病理HE染色切片。相關血清指標的檢測使用日本日立公司IMMUNLIFE全自動生化檢測儀器，相關配套試劑為南京凱基生物科技有限公司生產，血清骨鈣素、血鈣、血清骨形態發生蛋白(BMP-2)、堿性磷酸酶(ALP)的測定均按說明書進行。實驗第1、2、4、6周采用X片觀察骨痂生長情況，處死模型鼠后，取出骨折段采用10%甲醛固定骨痂，石蠟包埋切片，片厚5 μm左右，HE染色后行病理學相關檢查。

1.4統計學方法 采用SPSS17.0統計軟件進行方差分析。

2 結 果

2.1一般情況觀察 正常組大鼠始終未見異常反應，可見大鼠體重逐漸增加、毛色光亮、飲食及大小便正常；IGF-1組、胰島素組和模型組大鼠精神萎靡、毛色光亮性較差、反應遲緩、體重減輕或未見增加、飲食和飲水量均增加、多尿癥狀明顯。

2.2各組的骨痂組織病理學觀察 第1周，正常組可見骨斷端成骨細胞數量增多，纖維性骨痂生成；IGF-1組和胰島素組成骨細胞數量、纖維性骨痂數量形成多于模型組，但較正常組略少。第2周，正常組可見纖維性骨痂、軟骨痂混合形成，較多新生血管形成；IGF-1組和胰島素組纖維性骨痂、軟骨痂、新生血管也有形成但少于正常組，多于模型組。第4周，正常組的成纖維細胞、骨痂數量有所減少較第2周；IGF-1組和胰島素組的成纖維細胞、骨痂數量略多于正常組，少于模型組。第6周，正常組纖維性骨痂消失、成骨細胞減少、軟骨骨痂大量形成，形成骨性骨痂；IGF-1組和胰島素組成骨細胞減少、軟骨骨痂形成、骨性骨痂開始形成，模型組軟骨骨痂數量較少，暫時未見骨性骨痂形成。見圖1。

2.3各組血清骨鈣素、血鈣、血清BMP-2、ALP水平比較 各組第1、2、4、6周血清骨鈣素含量差異顯著(P<0.05)，模型組顯著低于正常組、IGF-1組和胰島素組(P<0.05)，正常組、IGF-1組和胰島素組間比較無統計學差異(P>0.05)。各組第1、2、4、6周血鈣含量差異顯著(P<0.05)，模型組顯著低于正常組、IGF-1組和胰島素組(P<0.05)，在第1、2周時IGF-1組和胰島素組血鈣低于正常組(P<0.05)，在第4、6周無顯著差異(P>0.05)。見表1。各組第1、2、4、6周血清BMP-2含量差異顯著(P<0.05)，模型組顯著低于正常組、IGF-1組和胰島素組(P<0.05)，在第1、2周時IGF-1組和胰島素組BMP-2含量顯著低于正常組(P<0.05)，在第4、6周無顯著差異(P>0.05)。各組第1、2、4、6周血清ALP含量差異顯著(P<0.05)，模型組顯著的低于正常組、IGF-1組和胰島素組(P<0.05)，在第1、2周時IGF-1組和胰島素組的顯著低于正常組(P<0.05)，在第4、6周無顯著差異(P>0.05)。見表2。

圖1 各組第4周骨病組織病理學觀察(HE，×40)

組別骨鈣素(μg/L)第1周第2周第4周第6周血鈣(mmol/L)第1周第2周第4周第6周正常組2.21±0.191)2.53±0.211)2.55±0.221)1.98±0.121)2.35±0.151)2.40±0.172.44±0.151)2.23±0.131)模型組1.71±0.131.82±0.151.84±0.131.40±0.131.54±0.111.62±0.161.67±0.141.37±0.15IGF-1組2.13±0.171)2.46±0.221)2.48±0.201)1.91±0.161)2.21±0.111)2)2.23±0.161)2)2.37±0.181)2.15±0.181)胰島素組2.15±0.181)2.43±0.241)2.50±0.211)1.89±0.171)2.23±0.121)2)2.26±0.141)2)2.39±0.201)2.19±0.161)

與模型組比較：1)P<0.05；與正常組比較：2)P<0.05；下表同

表2 各組血清BMP-2、ALP水平比較

3 討 論

研究發現，在123例1型DM患者骨折后的相關前瞻性臨床研究中，27%患者出現骨折部位不愈合，顯著高于正常人群(5.9%)〔3〕。王占義等〔4〕認為，1型DM患者體內高負荷血糖可能通過以下機制導致了骨折部位的愈合不良：高血糖狀態可能通過抑制血鈣吸收、促進其排泄來發揮其抑制成骨細胞活性的作用；DM患者體內的高血糖通過抑制ALP的活性抑制骨折部位相關膠原纖維的吸收，促進骨折愈合部位膠原分解酶的活性來拮抗骨折愈合。而近幾年來，多數基礎性理論研究認為，IGF-1能通過刺激成骨細胞活性顯著促進骨折部位愈合，但對于其在DM患者骨折體內的相關作用以及機制闡述較少。鄭少濤等〔5〕認為，IGF-1在DM患者體內具有一定的促進骨折愈合的作用，但其在研究了45例DM大鼠骨折模型后發現，其促進骨折愈合及改善相關骨質代謝的作用無統計學差異。

本研究提示IGF-1組和胰島素在骨折早期均能顯著促進骨折愈合，這與 Bonjour等〔6〕學者的觀點一致，認為，IGF-1和胰島素能通過促進血管內皮生長因子的高表達促進骨折部位新生血管形成，從而有利于骨折部位骨質愈合。Fowlkes等〔7〕學者認為，血清骨鈣素作為反映成骨細胞活性的重要指標，在糖尿病骨折大鼠體內顯著升高，并隨著IGF刺激濃度的升高，表現出了一定的濃度依賴性，同時 Sheng等〔8〕發現，在骨折后2 w內，IGF-1組和胰島素組血鈣值低于正常組，提示骨折后早期血鈣代謝較為活躍，血鈣吸收較為充分。

ALP以及BMP-2作為骨質代謝的功能性酶，在骨質代謝中起到了關鍵性的作用，ALP通過水解有機磷脂酶、增加局部磷酸根濃度來促進骨折部位成骨細胞的增殖，而BMP-2通過促進骨髓間充質干細胞的mRNA水平的高表達，促進其向成骨方向轉化、促進Ⅰ型膠原合成以及礦化結節的形成來促進骨質愈合。 本研究提示IGF-Ⅰ可能通過促進ALP以及BMP-2的生成來促進骨折愈合，這與 Mangano等〔9〕觀點一致， 認為胰島素樣生長因子可通過PI3K/AKT信號通路來促進下游轉錄水平調節因子如HES-1的高表達，進而促進ALP以及BMP-2的合成，而 Sroga等〔10〕認為，體內IGF-1通過與受體結合，通過激活非編碼微小RNA如miRNA133來結合ALP及BMP-2基因上游增強子區域，進而促進ALP及BMP-2的轉錄以及表達。2 w及BMP-2表達水平無統計學差異，考慮骨折愈合后期，ALP以及BMP-2的刺激作用不再明顯，而此時骨性骨痂的形成及骨小梁的重塑為這一階段的主要病理過程，提示ALP及BMP-2可能對骨性骨痂形成及骨小梁重塑作用不明顯〔11,12〕。

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〔2016-05-07修回〕

(編輯 苑云杰/曹夢園)

R589

A

1005-9202(2017)18-4491-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2017.18.026

林洪明(1974-)，男，碩士，主治醫師，主要從事骨科疾病研究。