胰島素樣生長因子-Ⅰ對骨髓間充質干細胞的影響作用

彭 莉，李雙慶

(1上海市楊浦區安圖醫院，上海 200093;2四川大學華西金卡醫院)

胰島素樣生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)是含有70個氨基酸殘基的單鏈堿性多肽，近年來隨著重組人IGF-Ⅰ(rhIGF-Ⅰ)的研制成功，極大地促進了IGF-Ⅰ的臨床應用開發;目前IGF-Ⅰ已試驗性用于治療各種骨質疏松癥。骨髓間充質干細胞(MSCs)是具有多向分化潛能的原始骨髓細胞，在特定條件下可向成骨細胞(OB)、軟骨細胞、肌腱細胞、神經細胞和脂肪細胞等分化。由于MSCs具有很強的增殖能力和多向分化潛能，且具有遷移定居到損傷組織的能力，已經用于多種臨床疾病的治療。研究證實，IGF-Ⅰ可對MSCs產生多種影響，現綜述如下。

1 IGF-Ⅰ促進MSCs增殖

研究證實，IGF-Ⅰ可通過兩條信號轉導通路促進MSCs增殖。主要通路是MAPK信號通路，IGF-Ⅰ通過激動MAPK，使細胞外信號調節激酶(Erk)活化，表現為Erk1/Erk2磷酸化，繼而調節下游效應分子的轉錄，促使MSCs分裂、增殖［1］。另一個信號傳導通路是磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)通路，IGF-Ⅰ與IGF-I受體(IGF-ⅠR)結合后，IGF-Ⅰ R自身磷酸化，其上具有PI3K結合位點，可直接活化PI3K，也可通過使IRS-1磷酸化，間接激活PI3K，PI3K被活化后，催化磷脂酰肌醇(PI)的肌醇環上3位羥基發生磷酸化反應，得到脂質產物 PI(3、4、5)P3，絲/蘇氨酸激酶(Akt)通過與PI(3、4、5)P3結合而聚集到PI3K活化部位，并被磷酸化，然后調節下游效應物的磷酸化反應，產生促進MSCs增殖的作用。PI3K特異性抑制劑LY294002可抑制Akt磷酸化，細胞的有絲分裂停滯于G0/G1期，MSCs增殖受到抑制。

Zhang等［2］在hMSCs促進神經系統修復的研究中發現:對大鼠實施永久性中腦動脈閉塞術(MCAo)，造成中風老鼠模型，術后1 d分別靜脈給予hMSCs和生理鹽水，同時以未行MCAo術的大鼠作為空白對照。于術后第2、7、14、30天分批處死各組大鼠，取腦組織作成石蠟切片，發現治療組MAB1281標記的hMSCs在局部缺血腦組織數量隨時間而逐漸增加，雙重免疫熒光標記顯示經校正后MAB1281(+)細胞的IGF-ⅠmRNA表達增加，與對照組和空白組比較差異具統計學意義，推測IGF-Ⅰ在hMSCs定居在缺血區域后的存活和增殖中發揮了重要作用。Imberti等［3］從順鉑誘導大鼠急性腎損傷模型中提取腎小管上皮細胞與MSCs共培養，發現 MSCs的 IGF-ⅠmRNA及蛋白表達較靜止MSCs增高，IGF-Ⅰ以旁分泌形式作用于腎小管上皮細胞和MSCs，促進腎小管上皮細胞和MSCs增殖，抑制細胞凋亡，有助于修復腎小管結構，恢復受損的腎功能。但如果用IGF-Ⅰ的特異抗體或RNA干擾技術干擾IGF-Ⅰ表達，則腎小管上皮細胞和MSCs增殖能力受到抑制。將敲除IGF-Ⅰ基因的MSCs與受損腎小管上皮細胞共培養，細胞增殖能力明顯減弱，表明IGF-Ⅰ可促進腎小管上皮細胞和MSCs增殖。國內研究者發現，體外培養人胚MSCs增殖速度較其他細胞相對緩慢，給予IGF-Ⅰ(10～200 μg/L，1～7 d)干預后，能明顯促進MSCs增殖。也有學者發現，IGF-Ⅰ(0～20 ng/mL，0 ～48 h)并不能改變BMSCs在細胞分裂周期中的分布，BrdU分析顯示IGF-Ⅰ(0～20 ng/mL，0～48 h)不能使 BMSCs增殖，可能的解釋為IGF-Ⅰ促進細胞增殖與IGF-Ⅰ的濃度、作用時間與細胞類型有關［4］。IGF-Ⅰ與MSCs增殖的關系尚需進一步深化的系列研究。

2 IGF-Ⅰ促進MSCs分化

研究顯示，較高濃度的IGF-Ⅰ可協同其他細胞因子發揮促進 MSCs分化的作用，此時，IGF-Ⅰ促MSCs增殖的作用受到相對抑制。IGF-Ⅰ協同促進MSCs分化與細胞所處的分化階段有關。IGF-Ⅰ促增殖作用與促分化作用之間的關系仍需進一步的系列研究。也有學者認為，IGF-Ⅰ僅是促進已有分化傾向的MSCs增殖，并不促進MSCs分化。Rodriguez等［5］發現，從骨質疏松癥的絕經后婦女骨髓中提取的BMSCs盡管具有正常的細胞形態，與同齡健康婦女均表達相同的細胞表面抗原，但其對IGF-Ⅰ的反應低下，因此不能有效地分化為骨細胞。Zhang等認為，FGF-2可作用于 BMSCs，增加 BMSCs中的IGF-ⅠmRNA表達，使堿性磷酸酶活性升高，礦化集落增加，促使BMSCs的成骨分化并促進其成熟。IGF-Ⅰ與BMP2共同作用會上調BMSCs上成骨分化轉錄因子Osx的表達，促進BMSCs向OB分化并礦化，同時IGF-Ⅰ可促進OB分化、成熟的主控基因RunX2基因表達和 RunX2蛋白磷酸化，活化的RunX2可激活OB標志基因(如骨鈣素)的表達，促進 BMSCs向 OB 分化［6］。Indrawattana等［7］在利用hBMSCs體外定向誘導成軟骨細胞的過程中發現，單獨使用轉化生長因子-β(TGF-β)可以使細胞具有軟骨細胞樣形態，增加軟骨組織基因表達的轉錄因子(sox 9)、aggrecan、Ⅰ型膠原和Ⅱ型膠原的基因表達。但是Ⅰ型膠原表達上升明顯，而軟骨組織特異性Ⅱ型膠原的表達升高幅度較小，說明單獨使用TGF-β不能使hBMSCs分化成為完全的軟骨細胞，而加入IGF-Ⅰ能顯著提高 TGF-β誘導 hBMSCs向軟骨細胞分化的能力，明顯升高sox 9及Ⅱ型膠原的表達，使細胞形態上更成熟，分化成完全的軟骨細胞。Fukumoto等［8］也證實 IGF-Ⅰ在軟骨形成過程中能顯著提高TGF-β促進BMSCs增殖和向軟骨細胞分化的能力。

3 IGF-Ⅰ抑制MSCs凋亡

IGF-Ⅰ與IGF-ⅠR結合后，主要通過兩條細胞信號傳導通路發揮抗MSCs凋亡的作用，作用最強的通路是PI3K途徑，IGF-Ⅰ可以直接促使其受體上的PI3K活化，也可以通過使IRS-1磷酸化間接活化PI3K，最終使Akt蛋白激酶增加，Akt被活化。活化的Akt誘導叉頭狀轉錄因子磷酸化和核轉錄因子(NF-κB)活化，信號轉移到細胞核內，產生了抗凋亡的信號［9］。另一個通路是 MAPK途徑，IGF-Ⅰ與IGF-ⅠR結合后使得IRS-1和Shc磷酸化，它們與生長因子結合蛋白2、鳥苷酸交換因子形成復合物，一系列信號傳導后導致Erk活化，活化信號轉入核內，啟動相應的基因轉錄系統發揮對抗細胞凋亡的作用［10］。有研究者發現，IGF-Ⅰ可使Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白Bcl-X表達增加，而Bcl-2家族中的前凋亡蛋白Bad、BaX表達下降。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，mTOR信號突變會抑制Akt底物AS160的磷酸化，從而抑制 PI3K/Akt途徑，促進細胞凋亡。IGF-Ⅰ通過激活mTOR而發揮抗MSCs凋亡作用。同時IGF-Ⅰ-Akt-mTOR信號途徑激活，導致細胞生存素(Survivin)mRNA表達增加，從而發揮抗MSCs凋亡的作用。Matsouka等［11］用射線局部照射Wistar大鼠腹部，從其股骨中提取BMSCs，發現BMSCs數量減少，核酸內切酶活性增強，DNA和RNA碎片增加，BMSCs凋亡增加，而實驗組大鼠給予rIGF-Ⅰ(0.1 mg/g ，Bid)+rGH(0.25 mg/g ，Qd)處理后，會完全逆轉這種現象。

4 IGF-Ⅰ增強MSCs的定向遷移能力

BMSCs的遷移能力是受眾多生長因子和趨化因子調控的。體外實驗發現，在眾多因子中，IGF-Ⅰ和血小板源性生長因子-AB(PDGF-AB)調節BMSCs遷移的能力最強。基質細胞衍生因子-1(SDF-1)和其特異受體CXCR4是MSCs定向趨化遷動的必需因子。Li等從Lewis大鼠脛骨和股骨中提取BMSCs進行研究，發現IGF-Ⅰ與IGF-Ⅰ R結合后，引起一系列反應，參與SDF-1/CXCR4介導的BMSCs定向遷移和定居的行為。與對照組比較，IGF-Ⅰ(10 ng/mL，0～48 h)能顯著增加BMSCs上 CXCR4 mRNA表達(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抗體能抑制這一現象。IGF-Ⅰ(10 ng/mL)能增強SDF-1(100 nM)誘導的BMSCs遷移能力，這種作用能被 PI3K抑制劑 LY294002(5 μmmol/L)和 Wortmannin(20 μmmol/L)所抑制，而MAP/Erk 激酶抑制劑 PD98059(2、10、50 nmmol/L)對其無影響，說明IGF-Ⅰ誘導BMSCs定向遷移的能力是通過PI3K/Akt通路介導的，并不涉及MAP/Erk激酶通路。Guo等［12］在體外用 IGF-Ⅰ預處理MSCs 48 h后流式細胞儀顯示MSCs表面的CXCR4表達增加，而未經預處理的MSCs表面CXCR4表達不增加;再將兩種的MSCs通過尾靜脈注入急性心肌梗死老鼠模型中，觀察4周后發現與對照組比較，實驗組梗死心肌周圍有更多MSCs聚集定居并存活下來，梗死區域面積縮小，TnT蛋白表達增加，毛細血管密度增加，左室功能得到改善，說明IGF-Ⅰ能增加MSCs表面CXCR4表達，提高MSCs的遷移能力。IGF-Ⅰ在hMSCs定向遷徙中有重要作用。

綜上所述，IGF-Ⅰ與MSCs細胞膜上的 IGF-ⅠR結合后，激活多種信號傳導通路，調節MSCs的生物學行為，促進MSCs增殖、定向遷移、抑制MSCs凋亡，還可協同其他細胞因子發揮促進MSCs分化的作用。

［1］Mourkioti F，Rosenthal N.IGF-Ⅰ，inflammation and stem cells:interactions during muscle regeneration［J］.Trends Immunol，2005，26(10):535-552.

［2］Zhang J，Li Y，Chen J，et al.Expression of insulin-like growth factor-Ι and receptor in ischemic rats treated with human marrow stromal cells［J］.Brain Res，2004，1030(1):19-27.

［3］Imberti B，Morigi M，Tomasona S，et al.Insulin-like growth factor-Ι sustains stem cell mediated renal repair［J］.J Am Soc Nephrol，2007，18(11):2921-2928.

［4］Li Y，Yu X，Lin S，et al.Insulin-like growth factor-Ι enhances the migratory capacity of mesenchymal stem cells［J］.Biochem Biophys Res Commun，2007，356(3):780-784.

［5］Rodriguez JP，Garat S，Gajardo H，et al.Abnormal osteogenesis in osteoporotic patients is reflected by altered mesenchymal stem cells dynamics［J］.J Cell Biochem，1999，75(3):414-423.

［6］Celil AB，Campbell PG.BMP-2 and insulin-like growth factor-Ι mediate Osterix(Osx)expression in human mesenchymal stem cells via the MAPK and protein kinase D signaling pathways［J］.J Biol Chem，2005，280(36):31353-31359.

［7］Indrawattana N，Chen G，Tadokoro M.Growth factor combination for chondrogenic induction from human mesenchymal stem cell［J］.Biochem Biophys Res Commun，2004，320(3):914-919.

［8］Fukumoto T，Sperling JW，Sanyal A，et al.Combined effects of insulin-like growth factor-Ι and transforming growth factor-beta1 on periosteal mesenchymal cells during chondrogenesis in vitro［J］.Osteoarthritis Cartilage，2003，11(1):55-64.

［9］Levine AJ，Feng Z，Mak TW，et al.Coordination and communication between the P53 and IGF-Ι-Akt-TOR signal transduction pathways［J］.Genes Development，2006，20(3):267-275.

［10］Hideshima T，Podar K，Chauhan D，et al.Cytokines and signal transduction［J］.Best Pract Res Clin Haematol，2005，18(4):509-524.

［11］Matsouka P，Mylonas P，Papandoniou E，et al.Abdominal radiation initiates apoptotic mechanism in rat femur bone marrow cells in vivo that is reversed by IGF-Ι administration［J］.J Radiat Res，2008，49(1):41-47.

［12］Guo J，Lin G，Bao C，et al.Insulin-like growth factor-Ι improves the efficacy of mesenchymal stem cells transplantation in a rat model of myocardial infarction［J］.J Biomed Sci，2008，15(1):89-97.