IGF-1及其受體(IGF-1R)在牙髓干細(xì)胞中的研究現(xiàn)狀

武玉鳳，李 勛，李文月，張志民，楊瑤瑤,杜奧博

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 牙體牙髓病科，吉林 長春130021)

胰島素樣生長因子-1(IGF-1)及其受體(IGF-1R)是能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞生長分化的有效生物遞質(zhì)，對細(xì)胞的增殖分化、組織再生等有重要作用。IGF-1可通過激活其受體IGF-1R的下游信號傳導(dǎo)途徑來調(diào)節(jié)細(xì)胞的一系列生理活動，同時也參與了多種疾病的發(fā)生發(fā)展，因此近年來受到廣泛關(guān)注。本文就IGF-1及其受體(IGF-1R)在牙髓干細(xì)胞中的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 IGF-1及其受體IGF-1R

胰島素樣生長因子-1是由70個氨基酸組成、3對二硫鍵鏈接而成的單鏈多肽，主要由肝臟合成、存在于血清中，最初于1976年由 Rinderknecth 從人的血清中提取得到。此外，局部組織也可產(chǎn)生少量IGF-1，以自分泌、旁分泌等形式作用于靶細(xì)胞。IGF-1是具有調(diào)節(jié)代謝、促進細(xì)胞生長作用很強的多肽因子，通過有絲分裂刺激和DNA合成控制細(xì)胞的生長分化。IGF-1生物學(xué)特性受IGF結(jié)合蛋白(IGFBP)及其受體IGF-1R的調(diào)節(jié)[1]，以調(diào)控各種細(xì)胞功能活動。因此IGF-1/IGF-1R通路又被稱為IGF-1/IGF-1R軸。IGF-1R是細(xì)胞表面的跨膜受體蛋白，由兩個α亞單位和兩個β亞單位組成，α亞單位位于膜外，有與IGF-1肽結(jié)合的位點，β亞單位位于膜內(nèi)，完成透膜信號。IGF-1R同樣在細(xì)胞有絲分裂、促進細(xì)胞轉(zhuǎn)化和抗細(xì)胞凋亡等方面具有重要作用。IGF-1R與胰島素受體家族同源，有50%氨基酸序列相似,IGF-1R在人類牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞中表現(xiàn)出多能性，研究證實，IGF-1R被認(rèn)為是胚胎干細(xì)胞(ESC)的自我更新和多能性標(biāo)記物[2,3]。

2 牙髓干細(xì)胞(DPSCs)

DPSCs是由牙髓衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞，經(jīng)證實其具有成牙本質(zhì)，成骨，成脂，神經(jīng)源性，成軟骨等多向分化的潛能[4]。Gronthos S等[5]于2000年第1次提出了牙髓干細(xì)胞的概念,并在體外成功分離和培養(yǎng)。牙髓組織中的神經(jīng)嵴細(xì)胞衍生的多能干細(xì)胞具有神經(jīng)源性分化的能力，包括外胚層和間充質(zhì)組分[6]。臨床研究顯示，DPSCs一般來源于臨床上拔除的第三磨牙或正畸原因拔除的前磨牙，能夠分化為成熟的細(xì)胞類型，包括成骨細(xì)胞，神經(jīng)元和肝細(xì)胞[7]等，在疾病治療中， 因其容易獲得且來源于自體細(xì)胞，可避免免疫排斥反應(yīng)[8]，因此DPSCs是替代骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的替代方法，可用于再生治療。

牙髓中多能干細(xì)胞的存在對于成牙本質(zhì)細(xì)胞分化是必需的，并且參與許多牙髓疾病的愈合過程。在研究牙髓干細(xì)胞是否存在于臨床上不可逆性牙髓炎的牙髓中，通過提取不可逆性牙髓炎和健康牙的牙髓進行對照試驗，證實在炎癥牙髓組織中同樣有干細(xì)胞標(biāo)記物(STRO-1)的表達和細(xì)胞成骨分化能力，但其增殖速率和分化能力相對降低[9]。

3 IGF-1、IGF-1R及其信號通路與DPSCs

近年來研究發(fā)現(xiàn)BMMSCs會加速骨組織再生，除了干細(xì)胞和仿生材料之外，合適的生長因子(GFs)也是組織再生所必需的。且有關(guān)報道顯示，與成纖維細(xì)胞或人骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞相比，DPSCs含有較多的IGF-1[10]生長因子。DPSCs具有一定的成骨分化和增殖等功能，細(xì)胞生長因子可以通過激活相關(guān)通路進行DPSCs增殖分化的調(diào)控。研究顯示,IGF-1 與IGF-1R結(jié)合發(fā)生磷酸化，從而激活下游多種介質(zhì)[11]，引起胰島素受體底物-1(IRS-1) 磷酸化,IRS-1磷酸化后可啟動PI3K/Akt信號通路與MAPK-Erk信號通路。

3.1IGF-1通過mTOR通路促進DPSCs增殖和成骨分化

PI3K/Akt/mTOR是一條經(jīng)典的生物學(xué)信號通路，在細(xì)胞增殖、分化和凋亡中起重要作用[12]，以往在細(xì)胞突變和腫瘤方面研究較多，且IGF-1可通過不同的信號傳導(dǎo)途徑促進胎盤間充質(zhì)干細(xì)胞(PMSCs)的增殖[13]。近來研究顯示，IGF-1通過PI3K / Akt途徑激活mTOR誘導(dǎo)DPSCs向成骨細(xì)胞分化。細(xì)胞在接受激素或生長因子等刺激后，激活PI3K，活化的PI3K通過3-磷酰化磷酸肌醇酯和磷酸肌醇依賴性激酶(PDK) 共同作用而激活A(yù)kt(Akt是PI3K最主要的下游靶酶因子，且依賴于PI3K而被細(xì)胞外因子激活)，磷酸化的PI3K / Akt可以抑制細(xì)胞凋亡和促進細(xì)胞增殖[14]。

有研究表明，體外提取DPSCs進行增殖分化顯示：DPSCs的增殖活性與IGF-1劑量有關(guān)，20-200 ng/mL時DPSCs增殖能力增加，但在100 ng/mL時DPSCs增殖能力最強，即最適濃度；在分化過程中用IGF-1(100 ng/mL)處理DPSCs 21天，在這21天成骨分化過程中，上調(diào)了ARS/ALP陽性細(xì)胞率和成骨細(xì)胞標(biāo)志物(RUNX2[15],OSX[16],OCN[17])表明IGF-1是干細(xì)胞骨組織再生的有效成分；同時，檢測到DPSCs 在IGF-1處理5分鐘后，磷酸化的mTOR增加，且磷酸化水平在15分鐘達到高峰，30分鐘后明顯下降，在加入mTOR通路抑制劑雷帕霉素后，mTOR活化被抑制，說明DPSCs經(jīng)過IGF-1刺激后激活mTOR通路。同時，當(dāng)加入PI3K抑制劑LY294002時，活化的PI3K、Akt、mTOR蛋白表達均減少，而僅加入mTOR通路抑制劑雷帕霉素后，只有mTOR活化被抑制，證實了IGF-1通過PI3K /Akt/mTOR通路促進DPSCs增殖和成骨分化[18]。

3.2IGF-1通過MAPK通路促進DPSCs增殖和成骨分化

MAPK家族的信號通路主要包括細(xì)胞外信號調(diào)控的蛋白激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、P38MAPK 以及ERK5四條通路,且通路間互相聯(lián)系。

有研究顯示[19]，經(jīng)外源性IGF-1處理的DPSCs中，成骨基因(例如RUNX2，OSX和OCN)和成牙本質(zhì)細(xì)胞特異性標(biāo)記物(DSPP)的表達水平顯著上調(diào)與未處理組細(xì)胞相比；同時，在IGF-1處理的DPSCs中檢測到，磷酸-ERK1/2和磷酸-P38的表達水平隨時間上調(diào)，且磷酸-ERK1/2表達水平顯著上調(diào)90分鐘，而對照組未表現(xiàn)出ERK1/2和P38磷酸化和磷酸化水平的變化。表明MAPK信號通路在DPSCs的成骨分化期間被激活，即IGF-1可以通過激活MAPK通路調(diào)控DPSCs的增殖和骨/牙源性分化。

在DPSCs中IGF-1誘導(dǎo)的RUNX2，OSX，OCN和DSPP的上調(diào)表明IGF-1可能在成骨和牙齒形成過程中作為重要的生長刺激因子[20]。許多臨床和動物研究表明生長因子，包括轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)[21]，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)[22]，成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)[23]和胰島素樣生長因子1(IGF-1)[24]，可誘導(dǎo)牙髓干細(xì)胞分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞，繼而形成牙本質(zhì)或修復(fù)性牙本質(zhì)[25,26]，這對未來牙髓疾病的治療提供依據(jù)。最新研究，IGF-1受體信號傳導(dǎo)通路抑制劑的實驗顯示，抑制 MAPK途徑抑制EphB2表達和抑制PI3K / Akt / mTOR通路特異性抑制ephrinB1基因表達[25][Eph受體屬于受體酪氨酸的亞家族，通過跨膜配體(ephrins)活化]，Wang 等學(xué)者已經(jīng)證實EphB2 / ephrinB1的相互作用在體外成牙本質(zhì)細(xì)胞增殖和分化中發(fā)揮重要作用[27]，大量研究表明IGF- 1可以觸發(fā)至少兩個信號通路，包括MAPK和Akt通路[28]，且在過程中也會有下游信號因子的會聚。

4 神經(jīng)的恢復(fù)和再生

IGF-1在腦的正常發(fā)育中起到促進和保護神經(jīng)元生長，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡等作用。目前已證實，IGF-1在體內(nèi)和體外神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和成熟中起關(guān)鍵作用[29]，IGF-1可減輕缺氧缺血對腦組織造成的損害，在鼠腦缺血缺氧(NHI)模型中研究發(fā)現(xiàn)，多能IGF-1R + DPSCs的植入不僅增強神經(jīng)元生長、分化和再生失去的神經(jīng)元，還促進NHI腦中的神經(jīng)突再生[6]。Lin S等[30]學(xué)者研究新生鼠缺氧缺血性腦損傷時，通過鼻內(nèi)(iN)給藥途徑，發(fā)現(xiàn)IGF-1在鼻內(nèi)給藥(iN)后30分鐘內(nèi)沿著嗅覺和三叉神經(jīng)途徑擴散到鼠的腦和脊髓中，將IGF-1成功地輸送到新生大鼠的腦中。 iN-rhIGF-1不僅可以減輕缺血誘導(dǎo)的腦損傷，而且可以改善幼年大鼠的神經(jīng)功能。另有實驗證實將體外培養(yǎng)的DPSCs進行神經(jīng)誘導(dǎo)分化并移植入脊髓損傷的大鼠中，能夠減少神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，促進后肢運動功能的恢復(fù)[31]。

Nosrat IV等[32]學(xué)者研究顯示，將牙髓干細(xì)胞DPSCs植入大鼠帕金森病模型的尾狀核中可以保護多巴胺能神經(jīng)元免受6-羥基多巴胺誘導(dǎo)的毒性，此保護可持續(xù)6周，這表明在治療神經(jīng)退行性疾病或者更廣泛地說，神經(jīng)元相關(guān)疾病中使用DPSCs 的可能性。

神經(jīng)功能恢復(fù)的關(guān)鍵機制涉及神經(jīng)營養(yǎng)和免疫調(diào)節(jié)/免疫抑制因子的釋放，重要的是，干細(xì)胞的自體來源，容易承載神經(jīng)分化，可能具有不需要免疫抑制的主要優(yōu)勢[33,34]。近年來，干細(xì)胞和組織工程學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究已經(jīng)證實牙髓干細(xì)胞可在臨床上應(yīng)用于骨再生、神經(jīng)再生等再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[35]。總之，這些結(jié)果表明自體DPSCs可能提供神經(jīng)恢復(fù)和再生的可行戰(zhàn)略。

5 成骨分化

IGF-1在骨形成和礦化中起重要作用,IGF-1和其他GFs的組合可以增強骨形成和組織重建。 Fang Y[36]研究IGF-1對糖尿病大鼠牙槽骨重塑的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過IGF-1處理，增加了拔牙后牙槽骨新形成骨的體積，骨形成速率增大，同時糖尿病大鼠的葡萄糖主要轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT1蛋白)表達正常化，這些結(jié)果表明IGF-1可能是治療糖尿病相關(guān)骨疾病，特別是糖尿病相關(guān)牙科疾病的有效藥物。另有研究IGF-1通過刺激坐骨神經(jīng)切除大鼠的成骨細(xì)胞數(shù)量和活性來增加骨形成，并通過減少破骨細(xì)胞分化來抑制骨丟失[37]，減少骨的吸收，改善骨質(zhì)疏松。這些研究表明IGF-1可能在骨組織工程中發(fā)揮重要作用。

6 小結(jié)

IGF-1及IGF-1R具有促進細(xì)胞增殖分化的特點，且生理作用廣泛。目前諸多國內(nèi)外學(xué)者研究顯示，IGF-1/IGF-1R與腫瘤、糖尿病、周圍神經(jīng)病變等疾病發(fā)生發(fā)展均有一定程度的聯(lián)系，這為以后疾病的發(fā)病機制、診治提供重要依據(jù)。目前，牙髓干細(xì)胞已成為組織工程領(lǐng)域的熱點干細(xì)胞之一，因其具有多向分化潛能，能夠誘導(dǎo)組織再生，但多數(shù)研究都處于實驗階段，需要進行長期的臨床研究。因此，對于IGF-1和DPSCs的研究前景十分廣泛，對未來牙髓及全身疾病的治療提供可靠的依據(jù)。

[1]Varewijck AJ,Janssen JA.Insulin and its analogues and their affinities for the IGF1 receptor[J].Endocr Relat Cancer,2012,19(5):F63.

[2]Bendall SC,Stewart MH,Menendez P,et al.IGF and FGF cooperatively establish the regulatory stem cell niche of pluripotent human cells in vitro[J].Nature,2007,448(7157):1015.

[3]Lee HT,Chang HT,Lee S,et al.Role of IGF1R(+) MSCs in modulating neuroplasticity via CXCR4 cross-interaction[J].Sci Rep,2016,6:32595.

[4]Kabir R,Gupta M,Aggarwal A,et al.Imperative role of dental pulp stem cells in regenerative therapies:a systematic review[J].Niger J Surg,2014,20(1):1.

[5]Gronthos S,Mankani M,Brahim J,et al.Postnatal human dental pulp stem cells (DPSCs) in vitro and in vivo[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2000,97(25):13625.

[6]Chiu HY,Lin CH,Hsu CY,et al.IGF1R+ Dental Pulp Stem Cells Enhanced Neuroplasticity in Hypoxia-Ischemia Model[J].Mol Neurobiol,2017,54(10):8225.

[7]Ikeda E,Yagi K,Kojima M,et al.Multipotent cells from the human third molar:feasibility of cell-based therapy for liver disease[J].Differentiation,2008,76(5):495.

[8]Mitsiadis TA,Feki A,Papaccio G,et al.Dental pulp stem cells,niches,and notch signaling in tooth injury[J].Adv Dent Res,2011,23(3):275.

[9]Wang Z,Pan J,Wright JT,et al.Putative stem cells in human dental pulp with irreversible pulpitis:an exploratory study[J].J Endod,2010,36(5):820.

[10]Morsczeck C,G?tz W,Schierholz J,et al.Isolation of precursor cells (PCs) from human dental follicle of wisdom teeth[J].Matrix Biol,2005,24(2):155.

[11]Li Y,Higashi Y,Itabe H,et al.Insulin-like growth factor-1 receptor activation inhibits oxidized LDL-induced cytochrome C release and apoptosis via the phosphatidylinositol 3 kinase/Akt signaling pathway[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2003,23(12):2178.

[12]Le Belle JE,Orozco NM,Paucar AA,et al.Proliferative neural stem cells have high endogenous ROS levels that regulate self-renewal and neurogenesis in a PI3K/Akt-dependant manner[J].Cell stem cell,2011,8(1):59.

[13]Youssef A,Iosef C,Han VK.Low-oxygen tension and IGF-I promote proliferation and multipotency of placental mesenchymal stem cells (PMSCs) from different gestations via distinct signaling pathways[J].Endocrinology,2014,155(4):1386.

[14]Wang L,Gai P,Xu R,et al.Shikonin protects chondrocytes from interleukin-1beta-induced apoptosis by regulating PI3K/Akt signaling pathway[J].Int J Clin Exp Pathol,2015,8(1):298.

[15]Kaback LA,Soung do Y,Naik A,et al.Osterix/Sp7 regulates mesenchymal stem cell mediated endochondral ossification[J].J Cell Physiol,2008,214(1):173.

[16]Baek WY,Lee MA,Jung JW,et al.Positive regulation of adult bone formation by osteoblast-specific transcription factor osterix[J].J Bone Miner Res,2009,24(6):1055.

[17]Neve A,Corrado A,Cantatore FP.Osteocalcin:skeletal and extra-skeletal effects[J].J Cell Physiol,2013,228(6):1149.

[18]Feng X,Huang D,Lu X,et al.Insulin-like growth factor 1 can promote proliferation and osteogenic differentiation of human dental pulp stem cells via mTOR pathway[J].Dev Growth Differ,2014,56(9):615.

[19]Lv T,Wu Y,Mu C,et al.Insulin-like growth factor 1 promotes the proliferation and committed differentiation of human dental pulp stem cells through MAPK pathways[J].Arch Oral Biol,2016,72:116.

[20]Ma S,Liu G,Jin L,et al.IGF-1/IGF-1R/hsa-let-7c axis regulates the committed differentiation of stem cells from apical papilla[J].Sci Rep，2016,6:36922.

[21]Nie X,Tian W,Zhang Y,et al.Induction of transforming growth factor-beta 1 on dentine pulp cells in different culture patterns[J].Cell Biol Int，2006,30(4):295.

[22]Chen S,Gluhak-Heinrich J,Martinez M,et al.Bone morphogenetic protein 2 mediates dentin sialophosphoprotein expression and odontoblast differentiation via NF-Y signaling[J].J Biol Chem,2008,283(28):19359.

[23]Sagomonyants K,Mina M.Stage-specific effects of fibroblast growth factor 2 on the differentiation of dental pulp cells[J].Cells Tissues Organs,2014,199(5-6):311.

[24]Wang S,Mu J,Fan Z,et al.Insulin-like growth factor 1 can promote the osteogenic differentiation and osteogenesis of stem cells from apical papilla[J].Stem Cell Res,2012,8(3):346.

[25]Matsumura S,Quispe-Salcedo A,Schiller CM,et al.IGF-1 Mediates EphrinB1 Activation in Regulating Tertiary Dentin Formation[J].J Dent Res,2017,96(10):1153.

[26]Magnucki G,Schenk U,Ahrens S,et al.Expression of the IGF-1,IGFBP-3 and IGF-1 receptors in dental pulp stem cells and impacted third molars[J]. J Oral Sci,2013,55(4):319.

[27]Wang X,Jong G,Lin LM,et al.EphB-EphrinB interaction controls odontogenic/osteogenic differentiation with calcium hydroxide[J].J Endod,2013,39(10):1256.

[28]Jeong W,Song G,Bazer FW,et al.Insulin-like growth factor I induces proliferation and migration of porcine trophectoderm cells through multiple cell signaling pathways,including protooncogenic protein kinase 1 and mitogen-activated protein kinase[J].Mol Cell Endocrinol,2014,384(1-2):175.

[29]Joseph D'Ercole A,Ye P.Expanding the mind:insulin-like growth factor I and brain development[J].Endocrinology,2008,149(12):5958.

[30]Lin S,Fan LW,Rhodes PG,et al.Intranasal administration of IGF-1 attenuates hypoxic-ischemic brain injury in neonatal rats[J].Exp Neurol,2009,217(2):361.

[31]胡資兵，曾 榮，魏 波，等.牙髓干細(xì)胞移植治療大鼠脊髓損傷的實驗研究[J].中國脊柱脊髓雜志，2014,24(9):839.

[32]Nosrat IV,Smith CA,Mullally P,et al.Dental pulp cells provide neurotrophic support for dopaminergic neurons and differentiate into neurons in vitro; implications for tissue engineering and repair in the nervous system[J].Eur J Neurosci,2004,19(9):2388.

[33]Sun J,Allison J,McLaughlin C,et al.Differences in quality between privately and publicly banked umbilical cord blood units:a pilot study of autologous cord blood infusion in children with acquired neurologic disorders[J].Transfusion,2010,50(9):1980.

[34]Escolar ML,Poe MD,Provenzale JM,et al.Transplantation of Umbilical-cord blood in babies with infantile Krabbe’s disease[J].N Engl J Med,2005,352(20):2069.

[35]Yamamoto A,Sakai K,Matsubara K,et al.Multifaceted neuro-regenerative activities of human dental pulp stem cells for functional recovery after spinal cord injury[J]. Neurosci Res,2014,78:16.

[36]Fang Y,Wang LP,Du FL,et al.Effects of insulin-like growth factor I on alveolar bone remodeling in diabetic rats[J].J Periodontal Res,2013,48(2):144.

[37]Sun HB,Chen JC.Prevention of bone loss by injection of insulin-like Growth factor-1 after sciatic neurectomy in rats[J].Chin J Traumatol,2013,16(3):158.