胰岛素样生长因子-1与骨关节炎研究进展

牟方政 李荣亨 (三峡中心医院中医科，重庆 404000)

胰岛素样生长因子-1与骨关节炎研究进展

牟方政 李荣亨1(三峡中心医院中医科，重庆 404000)

胰岛素样生长因子-1;细胞因子;骨关节炎

胰岛素样生长因子(IGFs)是一类进化上十分保守的复杂多肽系统，由胰岛素样生长因子(IGF)-1，IGF-2、IGF-1受体(IGF-1R)、IGF-2受体(IGF-2R)及6种胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBPs)共同组成。IGF-1是IGFs系统中的主要因子之一，可由多种组织细胞合成，通过内分泌、旁分泌或自分泌方式作用于靶器官，调节糖原和蛋白质的合成与分解，参与个体的新陈代谢、细胞增殖、分化及凋亡过程，对机体多个系统的损伤及修复也具有十分重要的作用。骨关节炎(OA)是以软骨退变为主要病理表现的骨骼运动系统疾病，目前研究认为尽管OA的病因病机不十分清楚，但是IGF-1在OA发病过程中所起到的作用越来越引起人们重视。本文就IGF-1对OA影响的研究作一综述。

1 IGF-1

1.1 IGF-1结构特点

IGF-1是人体内的一种重要细胞因子，与胰岛素原结构相似，不同动物种属间有高度的保守性。1976年由Rinderknecth及Humbel首次从人血清中分离得到。IGF-1由70个氨基酸残基组成，相对分子量7 649 D，等电点pI约8.2，链间6～48、47～52、18～61位置上由 3个二硫键交联，与胰岛素原高度同源，其分子中有约60%的氨基酸序列与胰岛素原相同，其基因位于第12号染色体长臂上，三维结构与胰岛素原非常相似〔1〕。不同动物种属来源的IGFs蛋白质序列具有高度同源性，牛与人、猪和羊的完全相同，而牛与鼠仅有4个氨基酸残基不同，他们的遗传保守性很强。

1.2 IGF-1功能特性

IGF-1主要存在于血液中。大部分来源于肝脏，且绝大多数IGF-1结合于IGFBP-3和1个酸不稳定亚基，形成1个150 kD的3分子复合体，被运送到周围组织发挥内分泌作用。垂体分泌的生长激素和胰岛分泌的胰岛素入血液调节肝细胞分泌IGF-1。生长激素与肝细胞表面的生长激素受体结合后，促进肝细胞分泌IGF-1。目前普遍认为，在脊椎动物的生长发育阶段，这种生长激素/胰岛素样生长因子(GH/IGFs)轴起重要作用。另外，体内有很多组织如骨组织、肌肉组织等都可合成IGF-1，只是所合成的IGF-1不进入血液循环，而是在组织中直接反应发挥旁分泌或自分泌作用。这种局部组织细胞分泌的IGF-1与组织细胞表面IGF-1R结合后，诱导其受体的β亚基在酪氨酸残基上自身磷酸化，这种磷酸化又进一步激活了受体本身的酪氨酸蛋白激酶的活性，并依次再催化一个或多个底物的磷酸化，激活磷酸酰肌醇3激酶-丝/苏氨酸蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白系统(PI3K-PKB-TOR)和丝/苏氨酸激酶-丝裂原活化蛋白激酶系统(RAF-MAPK)通路发挥多种生物学效应，可以促进细胞增殖、细胞分化、细胞迁移、抑制细胞凋亡，起到调节机体代谢，生长发育，生殖免疫，抗衰老等作用〔2〕。IGF-1这些生理效应受IGFBPs调控，IGFBPs与IGF-1结合可以降低IGF-1与IGF-R1结合的亲和力，从而抑制了IGF-1的生物活性。

2 IGF-1对软骨的作用

软骨主要由软骨细胞和基质组成。软骨细胞是软骨中唯一细胞，在IGF-1的作用下可以增殖，并合成软骨基质蛋白多糖和基质胶原。在生理情况下，婴儿、儿童、青春期，IGF-1通过刺激软骨细胞的增殖和塑形使骨呈线性生长。在成人，IGF-1通过刺激软骨细胞合成基质蛋白，抑制软骨细胞衰老和死亡。

在软骨细胞培养中，软骨细胞既可以分泌IGF-1，又可以受IGF-1的调节。在复合培养基系统中软骨细胞可以表达TGF-β1 mRNA和IGF-1 mRNA〔3〕，说明这些生长因子可以由软骨细胞分泌，且可能参与了软骨细胞增殖。将外源性IGF-1加入到体外培养的兔关节软骨细胞中，软骨细胞增殖能力增强，且呈剂量依赖性促进细胞增殖〔4〕。进一步研究表明，IGF-1在10 g/L浓度时即可明显促进软骨细胞增殖，IGF-1作用于培养的人关节软骨细胞后，呈剂量依赖性方式促进软骨细胞增殖，IGF-1剂量达50 g/L时，细胞的增殖活性达最高值〔5〕。IGF-1联合透明质酸(HA)对人软骨细胞的增殖具有协同效应，能够有效维持软骨细胞表型稳定，促软骨细胞增殖能力显著增强，且促增殖作用时间后延〔5〕。

IGF-1不但能促进软骨细胞分裂增殖，而且增强细胞功能，促进蛋白多糖(PG)及Ⅱ型胶原的合成。在炎症因子白细胞介素(IL)-1介导的关节软骨PG减少，IGF-1能明显地加速PG合成，利于软骨修复。IGF-1联合 TGF-β1能够下调 COX-2和MMP-13，上调基质调节酶(Erk 1/2)和软骨形成转移因子(Sox9)表达，刺激软骨细胞分化，对软骨细胞合成代谢有叠加效应，有稳定软骨形成的潜力〔6〕。最近也有人持不同观点，一项在体实验研究认为IGF-1呈剂量依赖性维持软骨形态，但不能刺激软骨合成〔7〕。

IGF-1还有抑制软骨凋亡的作用。体外软骨细胞培养中IGF-1能逆转地塞米松对软骨细胞增殖的抑制作用，并阻止胶原酶引起地软骨细胞凋亡〔8〕。其作用机制可能是IGF-1通过PI3K和MARK信号通路阻止软骨细胞凋亡〔9〕。而 Yokota等〔10〕研究认为IGF-I可能通过抑制caspase3表达，对下颌骨髁突软骨细胞凋亡有抑制作用。

3 IGF-1对骨的作用

IGF-1大量储存在骨组织中，是调节骨细胞功能和代谢的重要因子。成骨细胞和破骨细胞以及某些间充质细胞都可分泌IGF-1，通过自分泌和旁分泌途径发挥作用。IGF-1对骨代谢有调节作用，可促进骨细胞增殖和分化，刺激成骨细胞生成骨钙素等非胶原蛋白和Ⅰ型胶原，促进骨基质的形成和骨折愈合。陈艺涛等〔11〕分析认为IGF-1既可增加成骨细胞的功能，又可加强破骨细胞的功能，但对成骨细胞作用更强，刺激骨胶原合成，抑制胶原的降解，增加骨基质沉积，骨密度增加。

4 IGF-1在骨关节炎发病过程中的作用

OA是一种以软骨退变为主，涉及软骨下骨病变和滑膜炎症的骨关节退行性疾病。OA早期的病理改变表现为软骨的肿胀，软骨合成的加速，随后的病理改变为软骨减少、软骨下骨硬化、骨赘形成、滑膜炎等。IGF-1在OA软骨、滑膜、滑液及软骨下骨中均有不同程度表达，血清中也存在一定浓度的IGF-1，对OA发生发展有重要影响。

IGF-1在兔OA模型软骨的早期随病史延长表达增加，软骨缺损部位与软骨完整部位相比表达明显增加〔12〕，说明IGF-1具有促进软骨基质合成，修复软骨缺损的作用。在人OA软骨细胞中的IGF-1及IGF-1 mRNA的数量较正常为高。虽然OA软骨细胞表面的IGF-1表达增加，但其软骨细胞利用羟脯氨酸合成蛋白多糖的能力下降，IGF-1和受体之间的结合力也下降〔13〕，表明OA软骨细胞对IGF-1不敏感，这可能和细胞表面的IGFBPs多于IGF-1受体有关。Hunziker等〔14〕研究发现在人软骨基质和软骨细胞内的细胞质和细胞核中IGFBPs特别是IGFBP-3，在OA软骨细胞内显著增加。近来国外研究进一步发现，在OA患者有明显肉眼病理改变的软骨区取材的软骨细胞，其IGF-1 mRNA比正常对照3.5倍，IGFBP-3比正常高24倍，IGFBP-5高l6倍，而IGF-2和IGFBP-4无变化。OA软骨细胞表达IGFBP-3和-5增加，与IGF-1结合增多，降低IGF-1的合成代谢作用，促进软骨退变〔15〕。因此，OA软骨丧失的基本原因之一可认为是异常增加的IGFBps阻碍了IGF-1和受体之间的结合。

OA患者骨组织中有较多IGF-1表达。Massicotte等〔16〕通过研究OA患者骨组织发现，IGF-1通过激活软骨下骨p42/44 MAPK信号途径，破骨细胞产生更多的细胞增殖，可能导致OA软骨下骨重塑。这可能是一种抵御骨质疏松的机制 ，这也可能是导致软骨下骨硬化的原因。在成人的骨赘中，骨细胞有IGF-l和IGF-1受体的mRNA表达，且成骨细胞表达数量最多，软骨内形成的新骨和破骨细胞也发现有三者的mRNA〔17〕，说明了自分泌的IGF对骨赘形成的作用。

另外，OA的滑膜组织中也有IGF-1 mRNA表达，提示滑膜参与了IGFs对软骨的修复。软骨细胞和滑膜细胞成为炎症细胞因子的攻击目标，但是滑膜表达的IGF-1并不能中和炎症细胞因子IL-1，TNF-α对基质合成的影响，抑制软骨降解酶，归咎于软骨细胞对这些因子的抵抗〔18〕。

OA滑液中IGF-1水平显著升高。Schmal等〔19〕发现有软骨损伤的膝关节炎患者关节灌洗液IGF-1浓度显著升高，手术修复后灌洗液IGF-1浓度也显著升高，而没有软骨损伤的膝关节炎患者关节灌洗液bFGF和IGF-1都低水平表达，说明关节液中IGF-1参与了软骨合成。尽管关节滑液中IGF-1水平升高，但是OA软骨对IGF-1呈低反应，其机制可能也与IGFBPS有关。OA患者滑液中IGF-1升高，IGFBP-3水平上升更高，IGFBP-3/IGF-1比值高于正常，而 IGF-1R表达正常〔20〕，其结果是，大量的IGFBP-3抑制了IGF-1的活性，参与了OA的形成。

血清IGF-1浓度与OA存在一定关系。Lloyd等〔21〕研究结果表明在较严重的双膝OA和远指关节(DIP)OA患者中，血清IGF-1水平增加。有相反研究认为OA患者的血清IGF-1水平低于正常对照。Lis〔22〕用ELISA分析25个髋关节病患者和16个正常人血清中IGF-1和hGH浓度，结果二者血清hGH差异没有统计学意义，患者组IGF-1浓度显著低于对照组，认为血清IGF-1浓度可能是OA有用的实验室指标。上述这种相反的结果还有待于进一步研究。一般认为OA血清中较高水平的IGF-1可能是机体企图对软骨进行修复的一种整体反应，而较低水平的IGF-1可能促进OA的形成。

5 IGF-1在骨关节炎治疗中的应用

尽管OA的病因不清楚，但是IGF-1在OA中具有促进软骨细胞增殖和基质合成、抑制软骨细胞凋亡等作用，进而修复损伤软骨，已经为人们所认识。近年来IGF-1应用于OA动物实验取得了一定进展。

在兔关节软骨缺损早期即行关节腔内注射IGF-1，可有效促进关节软骨缺损的修复，并延缓周围软骨的退变，从而预防OA的发生〔23〕。在兔关节截骨术模型中，随着骨折修复，关节内给予外源性IGF-1可以抑制软骨细胞凋亡〔24〕。IGF-1联合bFGF注入IL-1β介导的膝OA中，能够显著促进蛋白多糖的表达，效果优于单纯应用 IGF-1〔25〕。

关节内注射转基因软骨细胞对OA有一定治疗作用。给兔膝OA关节腔中注射TGF-β1和IGF-1双基因联合转染的软骨细胞，能够促进软骨缺损的修复，其效果优于单基因〔26〕。Morisset等〔27〕通过将腺病毒转染的IGF-1与IL-IRa注入12匹全层软骨缺损造成的腕骨轻微骨折的马关节中，观察发现软骨缺损痊愈。IGF-1与IL-1Ra联合治疗OA比单独应用其一更可以减少软骨的退变。可见，IGF-1与IL-1Ra联合控制则可以减少甚至逆转OA软骨的丢失，可能更好地治疗OA。

由于IGF-1不仅对骨组织有作用，而且对其他组织、器官中的细胞增生、分化也有很强的刺激作用，IGF-1会引起低血糖、水肿、颅内高压、晕厥、关节痛甚至致肿瘤等副作用，大大限制了其临床应用，这些副作用可能与血中超生理水平的游离IGF-1有关。然而在局部组织高表达的IGF-1并不会进入循环系统而影响其他组织，因此对这些局部旁分泌的IGF-1功能进行深入研究，利用局部注射重组IGF-1和基因转染软骨细胞促进软骨修复，将有助于治疗OA。

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R684.3

〕 A

1005-9202(2012)22-5089-04;

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1 重庆医科大学附属第一医院中西医结合科

牟方政(1981-)，男，主治医师，硕士，主要从事中西医结合老年病防治研究。

〔2011-10-18收稿 2012-04-11修回〕

(编辑 张 慧)