轉化生長因子-β參與骨骼肌損傷修復的機制探討及研究進展

宋寧靜 周晶 曹必偉 趙焰 余韻揚 雷函莉 羅昱君

1湖北中醫藥大學針灸骨傷學院（武漢 430065）；2湖北省中醫院（武漢 430061）；3湖北中醫藥大學附屬醫院（武漢 430061）；4湖北省中醫藥研究院（武漢 430074）

人的骨骼肌約占體重的40%，對維持人體穩定、完成運動、促進血液循環至關重要［1-2］。骨骼肌由肌纖維束（多核、橫紋收縮肌肉細胞）、結締組織、細胞外基質以及供應肌肉的毛細血管和神經組成（圖1），再生肌纖維的形成和成熟是骨骼肌功能修復的關鍵［3］。肌源性干細胞是骨骼肌中一組特定的細胞，能通過對稱增殖和分裂產生新的干細胞和成肌細胞，重建肌肉纖維，促進骨骼肌再生［4］。骨骼肌損傷和修復過程涉及復雜的生物學機制。無論是由于創傷、手術還是慢性疾病引起的骨骼肌損傷，都會對患者的生存質量和運動功能產生較大的負面影響。因此，對于骨骼肌損傷修復機制的深入研究成為當今生物醫學領域的一個重要議題。在這一領域中，轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）引起了廣泛關注，TGF-β在人體各種細胞中都有表達，可以影響肌源性干細胞的增殖和分化。在細胞信號傳導、基因表達和組織再生中發揮關鍵作用，也因此，TGF-β對于骨骼肌的生長發育、損傷再生以及病理生理均具有重要的調節作用［5］。本文將對TGF-β在骨骼肌損傷修復中的作用機制進行全面而深入的探討。通過回顧TGF-β的基本特征和功能，詳細解析其在骨骼肌損傷不同階段的作用，重點關注其在炎癥調節、肌肉干細胞活動、膠原合成和纖維化過程中的調控。并以此展望TGF-β在骨骼肌損傷修復中的潛在臨床應用前景，旨在深化我們對這一生物學過程的理解，為未來開發更有效的治療方法提供理論基礎。

圖1 骨骼肌結構圖Fig.1 Structure of skeletal muscle

1 骨骼肌損傷機制及其修復進程

骨骼肌損傷后自我修復過程可劃分為3個階段，即損傷階段，修復階段以及組織重塑階段。在損傷期，組織處于壞死與炎癥狀態，眾多炎癥因子聚集到受損處啟動促炎反應，吸引單核細胞及巨噬細胞，機體應激反應激活。修復期主要涉及衛星細胞（satellite cells，SCs），活化的SCs可增殖分化并遷移游走到受損組織部位，融合成為新的肌纖維或者與殘存肌纖維蔓延融合［6-7］。重塑期為肌肉纖維的成熟和瘢痕組織纖維化階段。成纖維細胞會被激活并向受損組織遷移，并合成和分泌膠原蛋白，通過膠原沉積，成纖維細胞幫助修復受損組織并取代結締組織。除此之外，神經突起和血管形成亦是該階段的一個重要部分，血管形成是肌肉再生的關鍵［8］。

2 TGF-β的基本特征與功能

TGF-β由一個信號肽、一個拉鏈結構和一個活性區域組成。這一活性區域包括一個左手螺旋結構，這種結構在TGF-β的生物學功能中起著至關重要的作用［9-10］。透過其活性區域，TGF-β與相應受體發生結合，啟動復雜的信號傳導路徑，對下游基因表達施加調控影響。在哺乳動物中存在3個TGF-β亞型，分別為TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3。TGF-β1在骨骼肌纖維化中起著關鍵的作用，它能夠誘導肌細胞在橫向上轉化為肌成纖維細胞［11］；TGF-β2的缺失可能影響上皮-間充質的相互作用、細胞生長、細胞外基質的產生，并導致組織重塑障礙，導致四肢脊柱、心肺等方面的缺陷［12］。TGF-β3具有參與上皮-間充質的相互作用［13］。TGF-β有3個受體，即TGF-βⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型受體（TβRⅠ、TβRⅡ、TβRⅢ）。TβR含有一個保守的富含絲氨酸/甘氨酸的序列（TTSGSGLP，也稱為GS區），在TβRI的激活過程中起著關鍵作用［14-15］。根據配體分子激活的下游特異性通路不同，可以將TGF-β家族分為2個家族通路：TGF-β/Activin/Nodal和BMP/GDF/MIS（表1）［16］，TGF-β的信號傳導主要通過Smad依賴和非依賴兩個主要通路，這些通路在多種細胞層面上調控增殖、分化、凋亡、附著和遷移，從而促進各器官發育和生物整體生長［17］。

表1 TGF-β家族成員及相關受體信號分子Tab.1 TGF-β family members and related receptor signaling molecules

3 TGF-β與骨骼肌再生

3.1 炎癥階段TGF-β在炎癥階段的最初階段發揮著抗炎作用，通過調節炎癥介質的釋放，降低炎癥的強度，有助于維持適度的炎癥反應，避免過度損傷，并為后續修復階段創造適宜的環境。TGF-β與多種免疫細胞之間建立了復雜的相互作用網絡［18］。它能夠調節巨噬細胞的活化狀態，抑制炎癥性巨噬細胞的活性，減少炎癥介質的釋放［19］。同時，TGF-β也能夠影響其他免疫細胞，如T細胞和B細胞，調控它們在炎癥階段的功能，形成一個平衡的免疫環境。

3.2 SCs的激活SCs在骨骼肌損傷后被激活并增殖，能分化融合產生新的成肌細胞，而TGF-β可抑制SCs的增殖分化參與肌肉質量的調節［20］。且TGF-β可幫助優化SCs的激活，影響成肌細胞的融合和肌管形成，而成肌調節因子（myogenicregulatory factors，MRFs）可誘導與控制SCs的增殖和分化，MRFs包括Myf5、MyoD、MRF4和myogenin 4種基因，Myf5和MyoD的激活增殖使其向具備組織特異性的成肌細胞演變，是SCs進入肌肉分化過程中的關鍵調節基因。myogenin和MRF4則在成肌細胞進一步分化為肌纖維和肌管時發揮關鍵調控功能。這些MRFs通過不同的調控機制促進肌肉的形成和發育［21］。TGF-β則主要通過調節MRFs來影響SCs的分階段繁殖，減弱其基因轉錄的活躍度，從而抑制骨骼肌特異性表達。然而SCs的過早增殖、分化和融合會中斷肌肉的再生，并可能導致肌肉纖維結構再生不全。因此，TGF-β和SCs的及時激活也被認為是肌肉正常和最大限度恢復的關鍵。

3.3 細胞外基質的重塑MMPs是一類酶，能夠分解細胞外基質分子并參與細胞外基質的重塑過程，MMP2和MMP9是TGF-β靶點的兩種MMPs，已被證明參與了再生過程中細胞外基質的重組［22］。Smad3、Smad4是參與TGF-β1影響骨骼肌再生的重要蛋白，在細胞外基質的重建中發揮無可替代的作用。Smad3能夠與MyoD的bHLH區域結合，阻止MyoD與E蛋白結合，從而抑制肌肉特異基因的表達，降低肌肉細胞分化能力。研究［23］發現，Smad4的下調可促進肌源性分化，并且在受損的小鼠骨骼肌中Smad4的基因沉默與對照組而言可更多的促進再生肌肉纖維的形成，有利于再生的過程。

另外，TGF-β亦被證實會減弱肌肉干細胞再生功能，阻斷TGF-β信號可減少中性粒細胞聚集和纖維化，并提高肌肉比力［9］。在容積性肌肉損失（volumetric muscle loss，VML）損傷中，中性粒細胞的持續浸潤是肌肉干細胞再生功能受損的原因之一，為了評估TGF-β信號對再生的影響，LAROUCHE等［24］通過肌肉注射用TGF-β受體Ⅱ抑制劑（ITD1）局部阻斷了退行性VML損傷后的TGF-β信號軸，證實了在退行性VML損傷后阻斷TGF-β信號可減少膠原沉積并幫助恢復肌肉力量。這可能與TGF-β在骨骼肌損傷修復中的雙重作用有關。

綜上所述，TGF-β可能通過典型信號通路的因子來調節SCs的活化、增殖、分化或凋亡來調控骨骼肌再生過程。TGF-β在骨骼肌損傷修復中的發揮著雙重作用，多層次、多方向的調節不同細胞類型的功能，形成一個協調的信號網絡，推動骨骼肌損傷的完整修復。深入了解TGF-β在骨骼肌損傷修復中的精準調控機制，將有助于制定更有效的治療策略和干預手段。

4 TGF-β與骨骼肌纖維化

4.1 TGF-β的激活纖維化是由細胞外基質蛋白的沉淀與積累所形成的，是組織損傷修復功能失調的結果［25］。TGF-β是被廣泛報道的促纖維化細胞因子之一［26］，激活的TGF-β能夠介導SMAD信號通路，并激活PI3K-AKT-mTOR信號通路，促進上皮間充質轉化并引發細胞外基質的聚集［27］，這保證了TGF-β信號通路的精準調控和控制，因此，TGF-β的激活是其誘導纖維化的第一步。TGF-β前體被胞內蛋白水解酶呋喃裂解，產生2種蛋白質，通過非共價結合組裝成LAP-TGF-β二聚體，亦稱為潛伏TGF-β，研究［10］表明，潛伏TGF-β的激活是其信號和功能調控的重要生物檢驗點，可被整合素、凝血酶敏感蛋白、糖蛋白A重復優勢蛋白（GARP）和其他TGF-β結合蛋白激活，激活的TGF-β可與TβR復合物或其他細胞因子相互作用以發揮其生物學功能。

4.2 纖維化在纖維化過程中（圖2），肌成纖維細胞是關鍵的效應細胞，其活化受到TGF-β信號轉導的影響，激活的Smad復合體可以誘導細胞核內多種轉錄因子的表達，從而促進成纖維細胞的激活［28］。同時，整合素介導的TGF-β激活會促進IL-17A的表達，從而增加成纖維細胞TGF-β受體的表達，進而促進成纖維細胞對TGF-β信號的反應。成纖維細胞還可合成許多細胞外基質分子，這有助于填補損傷區域，為后續肌肉再生提供支持。據報道［29］，肌成纖維細胞可以通過上皮-間質轉化（EMT）產生。在EMT過程中，上皮細胞標志物表達下調，而間質細胞標志物的表達則上調，這些變化使得細胞能夠執行與肌成纖維細胞相似的功能。

圖2 TGF-β誘導骨骼肌纖維化機制圖Fig.2 The mechanism of skeletal muscle fibrosis induced by TGF-β

以纖維脂肪前體細胞（FAPs）為媒介的纖維及脂肪組織的沉積，對肌肉纖維的成熟和重塑具有促進作用［30-31］。在慢性損傷條件下，巨噬細胞表達TGF-β，從而避免了FAPs的凋亡，并誘導其向激活的成纖維細胞分化［32］。在TGF-β信號通路中，Smads蛋白可以直接與TGF-β相互作用［33］。TGF-β介導的最典型的信號軸是基于Smad-2/3，Smad3的激活，在促纖維化和抑制細胞增殖進展中起核心作用，有研究［34］證實，MDX小鼠經TGF-β誘導的Smad3磷酸化的抑制劑常青藤酮治療8周后可以防止肌肉中纖維化的積累。而作為TGF-β非Smads信號通路的一種，PI3K/Akt信號通路的激活可以調節細胞外基質合成和細胞外基質-細胞信號轉導通路，從而影響肌肉的修復和再生過程。

TGF-β還可以抑制骨骼肌特異性基因表達，骨骼肌特異miRNAs與骨骼肌發育及肌源性分化相關［35-36］，TGF-β1是骨骼肌纖維化的核心調控因子，與其相關的纖維化與miRNA介導的表觀遺傳學機制有關［37-38］，如miR-21的表達主要通過TGF-β1誘導的Smad/DROSHA依賴機制在成纖維細胞中誘導，以促進受損骨骼肌的纖維化形成［39］，ARDITE［40］表示，一方面，使用miR-21可以增加纖維化反應，沉默miR-21可以防止或減少肌肉中的纖維化。另一方面，TGF-β1可下調miR-29（一種誘導肌肉生成的miRNA），并促進成肌細胞轉化介導的纖維化發展。NELSON等［41］發現經泛TGF-β抗體（1D11）長期治療可以明顯改善MDX小鼠的呼吸功能，并將橫隔膜纖維化減少20%，這無疑為一些纖維化疾病的治療提供了新的干預思路。

綜上所述，TGF-β可以通過激活成纖維細胞、促纖維化因子的表達、細胞外基質沉積、激活典型和非典型通路來誘導骨骼肌纖維化。而TGF-β的過度活化也可能導致異常的纖維組織形成和瘢痕組織生成，因此在治療和干預中需要精確控制其水平，以確保最佳的修復效果。

5 討論

5.1 TGF-β在骨骼肌損傷修復中的潛在臨床應用TGF-β作為治療靶點的可能性在骨骼肌損傷修復過程中，TGF-β作為中性粒細胞和單核細胞的潛在趨化因子，通過調控炎癥反應，TGF-β可能成為治療靶點［42］，通過調節TGF-β的表達水平或增強其信號傳導，以實現對炎癥過程的精準調控。利用TGF-β的促進細胞轉化和膠原合成的能力，可將其作為治療手段，這可能包括局部應用TGF-β或其模擬劑。對于一些難治性骨骼肌疾病例如VML，臨床上并沒有可用的抗纖維化治療能夠促進VML損傷后的形態和功能的完全恢復。功能性纖維化（functional fibrosis，FF）可以作為一種替代方法來促進VML損傷后功能結果的改善，DOLAN等［43］通過聚丙烯網片聯合TGF-β的遞送誘導超生理性纖維化反應以模擬FF，結果顯示，FF治療誘導增強的纖維化組織沉積在VML缺損內，其組織學和分子分析證明：與未治療的對照組動物相比，FF治療的動物在損傷后8周表現出更好的體內肌肉功能。這在一定程度上推翻了之前的認知，在動物實驗水平上證實了TGF-β亦可正向調節骨骼肌功能恢復，無疑為TGF-β在今后骨骼肌損傷中的應用提供了新的治療思路。

研究［44］表明，TGF-β過度表達會導致程度不一的功能障礙，并促使上皮間充質轉化及細胞外基質過度沉積，在一定程度上影響肢體運動功能。鑒于TGF-β在過度炎癥和纖維化中的作用，開發可選擇性抑制TGF-β活性的藥物可能有助于防止這些不良反應［45］，此外，TGF-β調控劑可能與其他治療策略結合使用，以實現更全面的治療效果。例如，與抗炎藥物或生長因子聯合使用，以平衡炎癥和促進細胞轉化的效果。

盡管TGF-β在骨骼肌損傷修復中的應用前景十分可觀，但由于其復雜的生物學功能可能導致不良的副作用。因此，確保治療的安全性和有效性是開發TGF-β調控劑時需要解決的重要問題。

5.2 挑戰與展望目前研究中的爭議與不足：TGF-β在骨骼肌損傷修復中的雙重作用可能導致爭議。其既有促進修復的作用，又可能引起過度炎癥和纖維化。需要更深入的分子機制研究，以確定在何種條件下TGF-β發揮正面效應，以及如何避免其負面作用。此外，TGF-β信號通路的復雜性和與其他細胞信號途徑的交叉可能使得精確調控成為挑戰。需要更全面地理解TGF-β信號傳導網絡，并開發針對性的調控方法。而不同個體對TGF-β的反應可能存在差異，這在臨床應用中可能引發不同的治療效果。且目前對于TGF-β的研究仍主要集中于細胞實驗領域，其臨床應用仍需不斷探索與完善，對于TGF-β誘導纖維化的具體機制亦有待進一步考究。

未來研究方向與潛在突破點：近年來，越來越多的下游效應因子被發現可由TGF-β誘導并參與到纖維化中［45］，其研究價值及研究熱度亦在逐年高漲。對TGF-β信號通路更為深入的理解是未來研究的重要方向。研究人員可以探索信號通路中的關鍵節點，發現新的調控因子，并深入研究TGF-β與其他細胞信號通路的交互作用，以揭示更為精細的調控機制。另外，尋找與TGF-β活性相關的生物標志物有助于評估患者的治療反應和預測治療結果。未來的研究可以致力于發現在骨骼肌損傷修復過程中與TGF-β相關的生物標志物，以便更有效地指導治療決策。

綜上所述，TGF-β在骨骼肌中扮演著一個多樣化的角色，它涉及到骨骼肌生長發育、病理生理學和運動功能調節等多個方面。進一步剖析TGF-β在骨骼肌中的作用及調控機制，不僅對機體骨骼肌的功能性演變和穩態維持具有重要的理論和實際意義，而且對于研發針對難治性臨床骨骼肌疾病的治療新方法也是至關重要的。未來的研究將有望為TGF-β在骨骼肌損傷修復中的潛在臨床應用提供更深入的理解和更有效的治療策略。這可能在臨床實踐中開啟新的突破點，有助于開發更加個體化、精準的治療方案，幫助那些飽受骨骼肌疾病折磨的患者重獲健康。