生長因子對肌腱細胞表型及分化的影響

邱軼偉(綜述)，朱理瑋(審校)

(天津醫科大學總醫院普通外科，天津300052)

肌腱斷裂是外科難題，不但修復起來很困難而且人們對肌腱的愈合過程知之甚少。依靠對細胞的生化過程進行操控，組織工程可以改善目前肌腱和韌帶損傷后外科手術效果［1-3］。目前肌腱組織工程中的關鍵因素有三個:細胞支架、肌腱細胞和宿主反應［4，5］。本篇綜述將對肌腱細胞研究中的幾個難點進行討論。目前肌腱細胞體外培養中的難點在于，首先，從肌腱中提取的肌腱細胞非常稀少，然而過多的傳代培養將導致肌腱細胞表型的變異［6］;其次，肌腱細胞的體外培養依賴大量的動物血清添加于培養基中以達到細胞的存活和增殖，而動物血清的使用會增加未來移植時對宿主的疾病傳播的可能性。

肌腱細胞存在于肌腱中，沿肌腱膠原纖維的長軸平行排列，這些細胞可以依靠特異的細胞突起和間隙連接形成的壓力感受系統以達到細胞之間的互相交流，這樣肌腱細胞就可以調控它們的細胞外基質。對于組織工程來講，能夠維持細胞表型是最基本的要求［7］。然而，有研究顯示［8］，兔的肌腱細胞數次傳代培養后即出現了表型的變異，人跟腱提取的肌腱細胞在體外培養8次傳代后即出現了明顯的表型變異。這些表型變異體現在肌腱細胞的生長特性和細胞外基質成分的變化。細胞外基質的纖絲樣和非纖絲樣成分，基質-細胞相互作用的遞質均可作為肌腱細胞的表型變異以及肌腱細胞應激反應的標志物。

已有學者試圖在肌腱細胞的體外培養的培養基中加入生長因子以達到促進肌腱細胞增殖和分化的目的，然而，多種生長因子的相互作用在無血清條件下對于肌腱細胞的作用人們仍不清楚。在這篇綜述中，首先對肌腱細胞的表形標志物進行討論，然后討論那些有可能在無血清狀態下維持肌腱細胞表型的生長因子。

1 肌腱表型標志物

1.1 Ⅰ型膠原 正常肌腱內的主要結構的組成就是Ⅰ型膠原，Ⅰ型膠原占超過肌腱干重量的70%。在肌腱內，膠原纖維的分布是縱行層結構分布，也就是說從最纖細的微纖維，次纖維和纖維分層有序的排列以形成肌腱的組織架構。Ⅲ型膠原是膠原纖維家族成員之一，其與Ⅰ型膠原結構類似但其為同源三聚體分子(Ⅰ型膠原為異源三聚體分子)。Ⅲ型膠原的單體鏈依靠永久性二硫鍵結合在一起，而在Ⅰ型膠原中，其單體鏈依靠暫時性C-前肽二硫鍵結合。有研究認為，Ⅲ型膠原在Ⅰ型膠原纖維的形成過程中起重要作用，因為Ⅲ型膠原能夠經常與Ⅰ型膠原共存，甚至有研究報道在同一個肌腱纖維里同時發現Ⅰ型和Ⅲ型膠原［9］。Ⅲ型膠原在肌腱中存在的量非常小，然而，一旦出現肌腱損傷或者斷裂，Ⅲ型膠原的比例就會顯著增加，Ⅲ型膠原增加后的結果就是肌腱的力學特性嚴重變差。使用兔肌腱細胞進行體外單層長期培養的結果就是，Ⅰ型膠原的產生隨傳代次數的增加明顯減少。

1.2 Scleraxis Scleraxis是堿性螺旋-環-螺旋結構的轉錄因子，它是非常特異的結締組織標志物，而這些結締組織正是調控雞和鼠的肌肉與骨的連接部位，包括四肢的肌腱。最早小鼠Scleraxis基因的發現是在尋找一種新的組織特異的螺旋-環-螺旋蛋白的過程中發現的，借助于這些蛋白易與廣泛存在的螺旋-環-螺旋蛋白易于形成異源二聚體的優勢發現的小鼠Scleraxis基因。Scleraxis選擇性地表達于肌腱細胞，而且不但調控肌腱細胞內的Ⅰ型膠原的基因表達［10］，而且還調控肌腱細胞分化標志物Tenomodulin的基因表達［11］。Scleraxis基因剔除的研究顯示，Scleraxis在肌腱發育過程中起到至關重要的作用。Scleraxis基因缺失的小鼠不但嚴重缺乏肌腱導致腿，背和尾部的活動受限，同時肌腱內肌腱細胞和細胞基質混亂排列?；谏鲜鼋Y果，有理由認為，Scleraxis通過調控Ⅰ型膠原在肌腱細胞分化和肌腱組織形成過程中起到至關重要的作用［12］。

1.3 Decorin Decorin是存在于包括肌腱在內的多種結締組織中細胞外基質中的低分子量蛋白多糖。從肌腱中提取的Decorin對于Ⅰ型和Ⅱ型膠原纖維的形成有抑制作用，并且可以降低膠原纖維的直徑［11］。然而，Decorin不僅僅抑制膠原纖維的形成，有研究顯示Decorin同時具有調控膠原纖維形成的作用。目前還無法清晰闡述Decorin調控膠原纖維生成的機制，但有學者提出假說認為，Decorin減緩平行生長的膠原纖維融合以得到肌腱內更均勻、更細的膠原纖維［12］。Decorin不但能夠使得肌腱內的膠原纖維更有序排列，而且還能穩定膠原纖維的形成過程［13］。更重要的是，Decorin借助其在肌腱中的膠原纖維表面的相互作用以影響肌腱的強度和彈性。

1.4 Tenomodulin Tenomodulin是一個Ⅱ型跨膜糖蛋白家族中的一員，它主要表達于肌腱，韌帶和眼，這個家族的其他成員ChondromodulinⅠ主要表達于軟骨，只有少量表達于眼和胸腺［12］。克隆小鼠Tenomodulin全長cDNA后顯示其與小鼠ChondromodulinⅠ全長cDNA的前體有33%相同［12］。然而，Tenomodulin缺乏Chondromodulin所具備的激素處理信號，提示Tenomodulin是具有細胞表面的Ⅱ型跨膜蛋白的功能。Shukunami等［14］的研究發現，雖然肌肉纖維和肌腱外膜都被定義為少血管的致密結締組織，但Tenomodulin的mRNA基因表達與肌肉纖維無關聯性，但與肌腱外膜關聯密切。有研究顯示，Tenomodulin缺陷小鼠的新生肌腱中嚴重缺乏可增殖的肌腱細胞，所以Tenomodulin對于肌腱細胞的增殖和成熟是必不可少的［15］。Shukunami等［11］認為在雞的發育過程中，Tenomodulin的表達與肌腱細胞密切相關，而且被Scleraxis正向調控，研究結果提示，Tenomodulin是肌腱形成的后期標志物，而且 Scleraxis對于Tenomodulin的表達的調控是依賴于肌腱細胞系的。有研究顯示，在肌肉生長抑制素基因剔除的小鼠肌腱細胞內的Scleraxis和Tenomodulin的表達較未剔除的小鼠明顯降低，但這些肌腱細胞再給予了能夠激活p38MAPK和Smad2/3信號級聯系統肌肉生長抑素處理后，Scleraxis和Tenomodulin的表達均得到了提高［16］。

2 可促進肌腱細胞增殖和分化的生長因子

2.1 胰島素樣生長因子1 胰島素樣生長因子最早被發現的時候被稱為“硫酸化因子”，因為它是一種具備生長激素下游反應的能夠刺激軟骨硫酸化的血清因子。后來因為其能夠刺激細胞增長又被命名為促生長因子。與此同時，其他學者的研究發現一種血清因子具有胰島素樣活性，但是其活性不能被抗胰島素抗體所抑制，所以被命名為“不可抑制的胰島素樣活性”。局部作用的胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor，IGF-1)可以直接與其受體結合，而進入循環的IGF-1要與血清中的六種IGF結合蛋白(IGFBP-1～6)中的一種相結合，主要是IGFBP-3［17］。當IGF結合蛋白裂解后，IGF與其分離，在其他結合蛋白的幫助下離開血管進入目標組織，再與其細胞表面的IGF-1酪氨酸激酶受體結合后引發一系列細胞內信號轉導通路［17］。

循環IGF-1大多在肝臟在生長激素的作用下合成［17］。局部作用的IGF-1可以從很多不同的組織中產生，例如，角質形成細胞、成骨細胞和成纖維細胞，在這些細胞中IGF-1的合成是由生長激素和甲狀旁腺激素所調控。性激素可以在子宮中調控IGF-1的合成。在人類胎兒大部分組織中均存在IGF-1，其在胎兒中對發育的作用是極其重要的。有實驗結果顯示，IGF-1對成纖維細胞、軟骨細胞、角質形成細胞、成骨細胞、骨骼肌細胞、平滑肌細胞、乳腺上皮細胞、胸腺細胞、甲狀腺濾泡細胞、神經細胞、腎小球膜網織紅細胞、卵母細胞、顆粒細胞、精原細胞的發育均有重要作用。IGF-1可以與如此多的細胞類型相結合，所以IGF-1具有廣泛的生理和病理作用。局部作用的IGF-1在傷口愈合方面也有相當重要的作用，局部缺乏IGF-1嚴重影響愈合過程，局部外用IGF-1可以逆轉激素的不良反應。

已經有學者研究了IGF-1在肌腱愈合方面的作用。目前尚無發表的研究結果能夠顯示肌腱損傷后存在IGF-1的水平升高。體外兔肌腱細胞培養的研究顯示，重組的IGF-1對于肌腱細胞增殖與基質合成有顯著的刺激作用，此作用在10～250 μg/L的范圍內為劑量依賴性。在膠原酶誘導的肌腱炎的動物模型中，局部注射IGF-1的肌腱愈合效果要優于注射生理鹽水對照組。經過了3～4周的治療，與對照組相比，注射IGF-1的實驗組水腫較輕，肌腱強度加大，缺損較小，肌腱細胞增殖和膠原產生增加。

2.2 堿性成纖維細胞生長因子 堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)最早是從牛垂體提純出來的具有對成纖維細胞促有絲分裂作用的物質。后來這種物質還具有對于細胞的其他特性，例如，促進血管再生、促進傷口愈合及胚胎發育的作用。從傷口愈合的角度講，bFGF對于角質形成細胞的增殖和遷移有促進作用［18］。還能促進成纖維細胞合成膠原酶［19］，刺激毛細血管內皮細胞的增殖，不但這些都對新生血管的產生是必要的，而且還能夠促進肉芽組織的產生。堿性成纖維細胞生長因子參與了各個器官的發育、重建，包括新生血管的產生、動脈粥樣硬化的形成、血管損傷后的內皮修復、肺的發育、神經的發育、眼睛的發育、前列腺的發育、肌肉的發育以及傷口愈合［20］。有研究報道，外用bFGF可加速髕韌帶肌腱損傷模型的愈合，其機制可能為bFGF有效刺激了肌腱細胞的增殖。這個結果與其他研究人員的研究結果相一致，將bFGF注入損傷髕韌帶肌腱損傷模型中，其Ⅲ型膠原與肌腱細胞的增殖均有明顯的提高［21］。有研究指出，屈肌腱受損后修復過程中的第1～56天，肌腱內的bFGF的水平明顯升高;腱鞘內的肌腱細胞，成纖維細胞以及炎性細胞內的bFGF水平達到了最高，這些結果均顯示bFGF在肌腱愈合過程中起到了相當重要的作用［20］。外用bFGF可導致肌腱細胞的Integrin表達增加，而Integrin調控細胞之間，細胞與基質之間的聯系，提示肌腱損傷后bFGF協調肌腱的愈合過程。體外培養實驗顯示，與小劑量(3 μg/L)bFGF相比，大劑量(30 μg/L)的bFGF對于肌腱細胞的的增殖，細胞密度和基因表達均有強烈的抑制作用。應用大劑量的bFGF 14和28 d后，肌腱細胞的Ⅰ型膠原，Ⅲ型膠原和纖連蛋白的表達較對照組明顯降低。所以，可以假設bFGF對于細胞的影響是劑量依賴性的。

2.3 血小板衍生生長因子 血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)最早是從血小板內衍生出來的能夠刺激成纖維細胞和平滑肌細胞增殖的促有絲分裂物質。目前很多研究的方向就是為了闡明PDGF在創傷愈合中發揮作用的機制，特別是因為PDGF是急性創傷后最早出現的生長因子。在早期的創傷愈合中，PDGF誘導其他生長因子的合成，例如，IGF-1，而且PDGF是在成纖維細胞增殖和分化，膠原的沉積以及新生血管的產生的級聯信號轉導中的初始步驟［22］。體外培養實驗中，PDGF刺激肌腱細胞的膠原和蛋白多糖的產生以及DNA合成。因為PDGF上調IGF-1和IGF-1受體的表達，所以PDGF有可能通過非直接的方式對IGF-1的作用進行控制。有研究顯示，1 μg/L PDGFBB可以逆轉10－6mol/L地塞米松所造成的肌腱細胞增殖速率減慢和膠原形成減少［23］。所以，PDGF對于不同的細胞可以有許多不同的作用，包括刺激細胞增殖、膠原產生和新生血管的產生。

2.4 轉化生長因子β 轉化生長因子β(transforming growth factor beta，TGF-β)最早在 1983 年被發現，當初這是一種胎盤衍生物并能夠刺激成纖維細胞在軟凝膠中增殖。自從被發現以后，就廣泛引起關注和作為研究的對象，因為此物質的生物活性作用范圍很廣，而且在全身各個組織中均存在其作用部位。TGF-β幾乎在全身各種細胞中都可以產生，而且幾乎每種細胞均對其有反應［24］。TGF-β在不同的細胞中有不同的作用，有些包括調節細胞周期，胚胎形成及器官發育［16］。在創傷愈合方面，TGF-β從脫顆粒的血小板中釋放出來，同時被各種參與愈合的各種細胞分泌出來，這些細胞包括淋巴細胞、巨噬細胞、內皮細胞、平滑肌細胞、上皮細胞以及成纖維細胞［25］。數個研究表明，外用TGF-β可以逆轉因為年齡和激素的使用造成的傷口愈合不良［20］。然而，TGF-β除了具有促進愈合的作用以外，它的另外一個作用就是過多的無序膠原沉積使其成為組織纖維化和瘢痕形成的主要因子。在傷口愈合，腎小球腎炎和肝硬化的動物模型中，TGF-β水平的升高與病理性瘢痕形成有密切關系。有研究發現，在肌腱損傷以后，肌腱外膜和肌腱內的TGF-β的mRNA水平均有顯著升高，特別是富含肌腱細胞的腱鞘部位，在上述相同部位的TGF-β受體的表達也有升高［25］。體外培養肌腱細胞的研究表明，培養基中加入1～5 μg/L的TGF-β的三種同工型均可使得肌腱細胞的膠原產生增多，但同時也減少細胞數量［26］。

3 小結

該文肌腱細胞外基質的纖維性的和非纖維性的組成部分可以用于作為肌腱細胞表型的標志物以及可能會對肌腱細胞的增殖和分化造成影響的幾種生長因子。這些肌腱細胞表型標志物可以用于判斷肌腱細胞在不同培養條件下的功能性的變化，借此幫助研究者了解各種生長因子及其組合應用于肌腱細胞后對其產生的作用。

目前已有數項研究致力于在體外培養肌腱細胞時在培養基內加入生長因子，以期減少胎牛血清的使用。然而，這些研究所采用的細胞培養時間較短，使用的生長因子較為單一，且所得到的結果不甚統一，無法適用于組織工程學所需要的長期培養。所以，研究方向的假說就是，在肌腱細胞的體外培養中使用多種生長因子的組合使之有可能模擬體內的內環境，使得肌腱細胞可以充分利用培養基內的營養物質以使得胎牛血清變得可有可無。該文所提到的幾種生長因子的正確組合非常有可能幫助建立一個無血清的體外培養肌腱細胞的環境，并能促進細胞增殖和分化，同時對于肌腱細胞表型變化的研究能使人們對肌腱組織工程有進一步的了解。

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