胰岛素样生长因子-Ⅰ对骨髓间充质干细胞的影响作用

彭 莉，李双庆

(1上海市杨浦区安图医院，上海 200093;2四川大学华西金卡医院)

胰岛素样生长因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)是含有70个氨基酸残基的单链碱性多肽，近年来随着重组人IGF-Ⅰ(rhIGF-Ⅰ)的研制成功，极大地促进了IGF-Ⅰ的临床应用开发;目前IGF-Ⅰ已试验性用于治疗各种骨质疏松症。骨髓间充质干细胞(MSCs)是具有多向分化潜能的原始骨髓细胞，在特定条件下可向成骨细胞(OB)、软骨细胞、肌腱细胞、神经细胞和脂肪细胞等分化。由于MSCs具有很强的增殖能力和多向分化潜能，且具有迁移定居到损伤组织的能力，已经用于多种临床疾病的治疗。研究证实，IGF-Ⅰ可对MSCs产生多种影响，现综述如下。

1 IGF-Ⅰ促进MSCs增殖

研究证实，IGF-Ⅰ可通过两条信号转导通路促进MSCs增殖。主要通路是MAPK信号通路，IGF-Ⅰ通过激动MAPK，使细胞外信号调节激酶(Erk)活化，表现为Erk1/Erk2磷酸化，继而调节下游效应分子的转录，促使MSCs分裂、增殖［1］。另一个信号传导通路是磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)通路，IGF-Ⅰ与IGF-I受体(IGF-ⅠR)结合后，IGF-Ⅰ R自身磷酸化，其上具有PI3K结合位点，可直接活化PI3K，也可通过使IRS-1磷酸化，间接激活PI3K，PI3K被活化后，催化磷脂酰肌醇(PI)的肌醇环上3位羟基发生磷酸化反应，得到脂质产物 PI(3、4、5)P3，丝/苏氨酸激酶(Akt)通过与PI(3、4、5)P3结合而聚集到PI3K活化部位，并被磷酸化，然后调节下游效应物的磷酸化反应，产生促进MSCs增殖的作用。PI3K特异性抑制剂LY294002可抑制Akt磷酸化，细胞的有丝分裂停滞于G0/G1期，MSCs增殖受到抑制。

Zhang等［2］在hMSCs促进神经系统修复的研究中发现:对大鼠实施永久性中脑动脉闭塞术(MCAo)，造成中风老鼠模型，术后1 d分别静脉给予hMSCs和生理盐水，同时以未行MCAo术的大鼠作为空白对照。于术后第2、7、14、30天分批处死各组大鼠，取脑组织作成石蜡切片，发现治疗组MAB1281标记的hMSCs在局部缺血脑组织数量随时间而逐渐增加，双重免疫荧光标记显示经校正后MAB1281(+)细胞的IGF-ⅠmRNA表达增加，与对照组和空白组比较差异具统计学意义，推测IGF-Ⅰ在hMSCs定居在缺血区域后的存活和增殖中发挥了重要作用。Imberti等［3］从顺铂诱导大鼠急性肾损伤模型中提取肾小管上皮细胞与MSCs共培养，发现 MSCs的 IGF-ⅠmRNA及蛋白表达较静止MSCs增高，IGF-Ⅰ以旁分泌形式作用于肾小管上皮细胞和MSCs，促进肾小管上皮细胞和MSCs增殖，抑制细胞凋亡，有助于修复肾小管结构，恢复受损的肾功能。但如果用IGF-Ⅰ的特异抗体或RNA干扰技术干扰IGF-Ⅰ表达，则肾小管上皮细胞和MSCs增殖能力受到抑制。将敲除IGF-Ⅰ基因的MSCs与受损肾小管上皮细胞共培养，细胞增殖能力明显减弱，表明IGF-Ⅰ可促进肾小管上皮细胞和MSCs增殖。国内研究者发现，体外培养人胚MSCs增殖速度较其他细胞相对缓慢，给予IGF-Ⅰ(10～200 μg/L，1～7 d)干预后，能明显促进MSCs增殖。也有学者发现，IGF-Ⅰ(0～20 ng/mL，0 ～48 h)并不能改变BMSCs在细胞分裂周期中的分布，BrdU分析显示IGF-Ⅰ(0～20 ng/mL，0～48 h)不能使 BMSCs增殖，可能的解释为IGF-Ⅰ促进细胞增殖与IGF-Ⅰ的浓度、作用时间与细胞类型有关［4］。IGF-Ⅰ与MSCs增殖的关系尚需进一步深化的系列研究。

2 IGF-Ⅰ促进MSCs分化

研究显示，较高浓度的IGF-Ⅰ可协同其他细胞因子发挥促进 MSCs分化的作用，此时，IGF-Ⅰ促MSCs增殖的作用受到相对抑制。IGF-Ⅰ协同促进MSCs分化与细胞所处的分化阶段有关。IGF-Ⅰ促增殖作用与促分化作用之间的关系仍需进一步的系列研究。也有学者认为，IGF-Ⅰ仅是促进已有分化倾向的MSCs增殖，并不促进MSCs分化。Rodriguez等［5］发现，从骨质疏松症的绝经后妇女骨髓中提取的BMSCs尽管具有正常的细胞形态，与同龄健康妇女均表达相同的细胞表面抗原，但其对IGF-Ⅰ的反应低下，因此不能有效地分化为骨细胞。Zhang等认为，FGF-2可作用于 BMSCs，增加 BMSCs中的IGF-ⅠmRNA表达，使碱性磷酸酶活性升高，矿化集落增加，促使BMSCs的成骨分化并促进其成熟。IGF-Ⅰ与BMP2共同作用会上调BMSCs上成骨分化转录因子Osx的表达，促进BMSCs向OB分化并矿化，同时IGF-Ⅰ可促进OB分化、成熟的主控基因RunX2基因表达和 RunX2蛋白磷酸化，活化的RunX2可激活OB标志基因(如骨钙素)的表达，促进 BMSCs向 OB 分化［6］。Indrawattana等［7］在利用hBMSCs体外定向诱导成软骨细胞的过程中发现，单独使用转化生长因子-β(TGF-β)可以使细胞具有软骨细胞样形态，增加软骨组织基因表达的转录因子(sox 9)、aggrecan、Ⅰ型胶原和Ⅱ型胶原的基因表达。但是Ⅰ型胶原表达上升明显，而软骨组织特异性Ⅱ型胶原的表达升高幅度较小，说明单独使用TGF-β不能使hBMSCs分化成为完全的软骨细胞，而加入IGF-Ⅰ能显著提高 TGF-β诱导 hBMSCs向软骨细胞分化的能力，明显升高sox 9及Ⅱ型胶原的表达，使细胞形态上更成熟，分化成完全的软骨细胞。Fukumoto等［8］也证实 IGF-Ⅰ在软骨形成过程中能显著提高TGF-β促进BMSCs增殖和向软骨细胞分化的能力。

3 IGF-Ⅰ抑制MSCs凋亡

IGF-Ⅰ与IGF-ⅠR结合后，主要通过两条细胞信号传导通路发挥抗MSCs凋亡的作用，作用最强的通路是PI3K途径，IGF-Ⅰ可以直接促使其受体上的PI3K活化，也可以通过使IRS-1磷酸化间接活化PI3K，最终使Akt蛋白激酶增加，Akt被活化。活化的Akt诱导叉头状转录因子磷酸化和核转录因子(NF-κB)活化，信号转移到细胞核内，产生了抗凋亡的信号［9］。另一个通路是 MAPK途径，IGF-Ⅰ与IGF-ⅠR结合后使得IRS-1和Shc磷酸化，它们与生长因子结合蛋白2、鸟苷酸交换因子形成复合物，一系列信号传导后导致Erk活化，活化信号转入核内，启动相应的基因转录系统发挥对抗细胞凋亡的作用［10］。有研究者发现，IGF-Ⅰ可使Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白Bcl-X表达增加，而Bcl-2家族中的前凋亡蛋白Bad、BaX表达下降。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一种重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，mTOR信号突变会抑制Akt底物AS160的磷酸化，从而抑制 PI3K/Akt途径，促进细胞凋亡。IGF-Ⅰ通过激活mTOR而发挥抗MSCs凋亡作用。同时IGF-Ⅰ-Akt-mTOR信号途径激活，导致细胞生存素(Survivin)mRNA表达增加，从而发挥抗MSCs凋亡的作用。Matsouka等［11］用射线局部照射Wistar大鼠腹部，从其股骨中提取BMSCs，发现BMSCs数量减少，核酸内切酶活性增强，DNA和RNA碎片增加，BMSCs凋亡增加，而实验组大鼠给予rIGF-Ⅰ(0.1 mg/g ，Bid)+rGH(0.25 mg/g ，Qd)处理后，会完全逆转这种现象。

4 IGF-Ⅰ增强MSCs的定向迁移能力

BMSCs的迁移能力是受众多生长因子和趋化因子调控的。体外实验发现，在众多因子中，IGF-Ⅰ和血小板源性生长因子-AB(PDGF-AB)调节BMSCs迁移的能力最强。基质细胞衍生因子-1(SDF-1)和其特异受体CXCR4是MSCs定向趋化迁动的必需因子。Li等从Lewis大鼠胫骨和股骨中提取BMSCs进行研究，发现IGF-Ⅰ与IGF-Ⅰ R结合后，引起一系列反应，参与SDF-1/CXCR4介导的BMSCs定向迁移和定居的行为。与对照组比较，IGF-Ⅰ(10 ng/mL，0～48 h)能显著增加BMSCs上 CXCR4 mRNA表达(P＜0.01)及CXCR4蛋白水平(IGF-Ⅰ vs control=29.8% ±3.4%vs 10.5% ±2.1%，P ＜0.01)，并且使用IGF-Ⅰ抗体能抑制这一现象。IGF-Ⅰ(10 ng/mL)能增强SDF-1(100 nM)诱导的BMSCs迁移能力，这种作用能被 PI3K抑制剂 LY294002(5 μmmol/L)和 Wortmannin(20 μmmol/L)所抑制，而MAP/Erk 激酶抑制剂 PD98059(2、10、50 nmmol/L)对其无影响，说明IGF-Ⅰ诱导BMSCs定向迁移的能力是通过PI3K/Akt通路介导的，并不涉及MAP/Erk激酶通路。Guo等［12］在体外用 IGF-Ⅰ预处理MSCs 48 h后流式细胞仪显示MSCs表面的CXCR4表达增加，而未经预处理的MSCs表面CXCR4表达不增加;再将两种的MSCs通过尾静脉注入急性心肌梗死老鼠模型中，观察4周后发现与对照组比较，实验组梗死心肌周围有更多MSCs聚集定居并存活下来，梗死区域面积缩小，TnT蛋白表达增加，毛细血管密度增加，左室功能得到改善，说明IGF-Ⅰ能增加MSCs表面CXCR4表达，提高MSCs的迁移能力。IGF-Ⅰ在hMSCs定向迁徙中有重要作用。

综上所述，IGF-Ⅰ与MSCs细胞膜上的 IGF-ⅠR结合后，激活多种信号传导通路，调节MSCs的生物学行为，促进MSCs增殖、定向迁移、抑制MSCs凋亡，还可协同其他细胞因子发挥促进MSCs分化的作用。

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