IGF-1及其受体(IGF-1R)在牙髓干细胞中的研究现状

武玉凤，李 勋，李文月，张志民，杨瑶瑶,杜奥博

(吉林大学口腔医院 牙体牙髓病科，吉林 长春130021)

胰岛素样生长因子-1(IGF-1)及其受体(IGF-1R)是能够调节细胞生长分化的有效生物递质，对细胞的增殖分化、组织再生等有重要作用。IGF-1可通过激活其受体IGF-1R的下游信号传导途径来调节细胞的一系列生理活动，同时也参与了多种疾病的发生发展，因此近年来受到广泛关注。本文就IGF-1及其受体(IGF-1R)在牙髓干细胞中的研究现状作一综述。

1 IGF-1及其受体IGF-1R

胰岛素样生长因子-1是由70个氨基酸组成、3对二硫键链接而成的单链多肽，主要由肝脏合成、存在于血清中，最初于1976年由 Rinderknecth 从人的血清中提取得到。此外，局部组织也可产生少量IGF-1，以自分泌、旁分泌等形式作用于靶细胞。IGF-1是具有调节代谢、促进细胞生长作用很强的多肽因子，通过有丝分裂刺激和DNA合成控制细胞的生长分化。IGF-1生物学特性受IGF结合蛋白(IGFBP)及其受体IGF-1R的调节[1]，以调控各种细胞功能活动。因此IGF-1/IGF-1R通路又被称为IGF-1/IGF-1R轴。IGF-1R是细胞表面的跨膜受体蛋白，由两个α亚单位和两个β亚单位组成，α亚单位位于膜外，有与IGF-1肽结合的位点，β亚单位位于膜内，完成透膜信号。IGF-1R同样在细胞有丝分裂、促进细胞转化和抗细胞凋亡等方面具有重要作用。IGF-1R与胰岛素受体家族同源，有50%氨基酸序列相似,IGF-1R在人类牙髓间充质干细胞中表现出多能性，研究证实，IGF-1R被认为是胚胎干细胞(ESC)的自我更新和多能性标记物[2,3]。

2 牙髓干细胞(DPSCs)

DPSCs是由牙髓衍生的间充质干细胞，经证实其具有成牙本质，成骨，成脂，神经源性，成软骨等多向分化的潜能[4]。Gronthos S等[5]于2000年第1次提出了牙髓干细胞的概念,并在体外成功分离和培养。牙髓组织中的神经嵴细胞衍生的多能干细胞具有神经源性分化的能力，包括外胚层和间充质组分[6]。临床研究显示，DPSCs一般来源于临床上拔除的第三磨牙或正畸原因拔除的前磨牙，能够分化为成熟的细胞类型，包括成骨细胞，神经元和肝细胞[7]等，在疾病治疗中， 因其容易获得且来源于自体细胞，可避免免疫排斥反应[8]，因此DPSCs是替代骨髓间充质干细胞的替代方法，可用于再生治疗。

牙髓中多能干细胞的存在对于成牙本质细胞分化是必需的，并且参与许多牙髓疾病的愈合过程。在研究牙髓干细胞是否存在于临床上不可逆性牙髓炎的牙髓中，通过提取不可逆性牙髓炎和健康牙的牙髓进行对照试验，证实在炎症牙髓组织中同样有干细胞标记物(STRO-1)的表达和细胞成骨分化能力，但其增殖速率和分化能力相对降低[9]。

3 IGF-1、IGF-1R及其信号通路与DPSCs

近年来研究发现BMMSCs会加速骨组织再生，除了干细胞和仿生材料之外，合适的生长因子(GFs)也是组织再生所必需的。且有关报道显示，与成纤维细胞或人骨髓来源的间充质干细胞相比，DPSCs含有较多的IGF-1[10]生长因子。DPSCs具有一定的成骨分化和增殖等功能，细胞生长因子可以通过激活相关通路进行DPSCs增殖分化的调控。研究显示,IGF-1 与IGF-1R结合发生磷酸化，从而激活下游多种介质[11]，引起胰岛素受体底物-1(IRS-1) 磷酸化,IRS-1磷酸化后可启动PI3K/Akt信号通路与MAPK-Erk信号通路。

3.1IGF-1通过mTOR通路促进DPSCs增殖和成骨分化

PI3K/Akt/mTOR是一条经典的生物学信号通路，在细胞增殖、分化和凋亡中起重要作用[12]，以往在细胞突变和肿瘤方面研究较多，且IGF-1可通过不同的信号传导途径促进胎盘间充质干细胞(PMSCs)的增殖[13]。近来研究显示，IGF-1通过PI3K / Akt途径激活mTOR诱导DPSCs向成骨细胞分化。细胞在接受激素或生长因子等刺激后，激活PI3K，活化的PI3K通过3-磷酰化磷酸肌醇酯和磷酸肌醇依赖性激酶(PDK) 共同作用而激活Akt(Akt是PI3K最主要的下游靶酶因子，且依赖于PI3K而被细胞外因子激活)，磷酸化的PI3K / Akt可以抑制细胞凋亡和促进细胞增殖[14]。

有研究表明，体外提取DPSCs进行增殖分化显示：DPSCs的增殖活性与IGF-1剂量有关，20-200 ng/mL时DPSCs增殖能力增加，但在100 ng/mL时DPSCs增殖能力最强，即最适浓度；在分化过程中用IGF-1(100 ng/mL)处理DPSCs 21天，在这21天成骨分化过程中，上调了ARS/ALP阳性细胞率和成骨细胞标志物(RUNX2[15],OSX[16],OCN[17])表明IGF-1是干细胞骨组织再生的有效成分；同时，检测到DPSCs 在IGF-1处理5分钟后，磷酸化的mTOR增加，且磷酸化水平在15分钟达到高峰，30分钟后明显下降，在加入mTOR通路抑制剂雷帕霉素后，mTOR活化被抑制，说明DPSCs经过IGF-1刺激后激活mTOR通路。同时，当加入PI3K抑制剂LY294002时，活化的PI3K、Akt、mTOR蛋白表达均减少，而仅加入mTOR通路抑制剂雷帕霉素后，只有mTOR活化被抑制，证实了IGF-1通过PI3K /Akt/mTOR通路促进DPSCs增殖和成骨分化[18]。

3.2IGF-1通过MAPK通路促进DPSCs增殖和成骨分化

MAPK家族的信号通路主要包括细胞外信号调控的蛋白激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、P38MAPK 以及ERK5四条通路,且通路间互相联系。

有研究显示[19]，经外源性IGF-1处理的DPSCs中，成骨基因(例如RUNX2，OSX和OCN)和成牙本质细胞特异性标记物(DSPP)的表达水平显著上调与未处理组细胞相比；同时，在IGF-1处理的DPSCs中检测到，磷酸-ERK1/2和磷酸-P38的表达水平随时间上调，且磷酸-ERK1/2表达水平显著上调90分钟，而对照组未表现出ERK1/2和P38磷酸化和磷酸化水平的变化。表明MAPK信号通路在DPSCs的成骨分化期间被激活，即IGF-1可以通过激活MAPK通路调控DPSCs的增殖和骨/牙源性分化。

在DPSCs中IGF-1诱导的RUNX2，OSX，OCN和DSPP的上调表明IGF-1可能在成骨和牙齿形成过程中作为重要的生长刺激因子[20]。许多临床和动物研究表明生长因子，包括转化生长因子(TGF)[21]，骨形态发生蛋白(BMP)[22]，成纤维细胞生长因子(FGF)[23]和胰岛素样生长因子1(IGF-1)[24]，可诱导牙髓干细胞分化为成牙本质细胞，继而形成牙本质或修复性牙本质[25,26]，这对未来牙髓疾病的治疗提供依据。最新研究，IGF-1受体信号传导通路抑制剂的实验显示，抑制 MAPK途径抑制EphB2表达和抑制PI3K / Akt / mTOR通路特异性抑制ephrinB1基因表达[25][Eph受体属于受体酪氨酸的亚家族，通过跨膜配体(ephrins)活化]，Wang 等学者已经证实EphB2 / ephrinB1的相互作用在体外成牙本质细胞增殖和分化中发挥重要作用[27]，大量研究表明IGF- 1可以触发至少两个信号通路，包括MAPK和Akt通路[28]，且在过程中也会有下游信号因子的会聚。

4 神经的恢复和再生

IGF-1在脑的正常发育中起到促进和保护神经元生长，抑制神经细胞凋亡等作用。目前已证实，IGF-1在体内和体外神经元和少突胶质细胞的增殖和成熟中起关键作用[29]，IGF-1可减轻缺氧缺血对脑组织造成的损害，在鼠脑缺血缺氧(NHI)模型中研究发现，多能IGF-1R + DPSCs的植入不仅增强神经元生长、分化和再生失去的神经元，还促进NHI脑中的神经突再生[6]。Lin S等[30]学者研究新生鼠缺氧缺血性脑损伤时，通过鼻内(iN)给药途径，发现IGF-1在鼻内给药(iN)后30分钟内沿着嗅觉和三叉神经途径扩散到鼠的脑和脊髓中，将IGF-1成功地输送到新生大鼠的脑中。 iN-rhIGF-1不仅可以减轻缺血诱导的脑损伤，而且可以改善幼年大鼠的神经功能。另有实验证实将体外培养的DPSCs进行神经诱导分化并移植入脊髓损伤的大鼠中，能够减少神经细胞的凋亡，促进后肢运动功能的恢复[31]。

Nosrat IV等[32]学者研究显示，将牙髓干细胞DPSCs植入大鼠帕金森病模型的尾状核中可以保护多巴胺能神经元免受6-羟基多巴胺诱导的毒性，此保护可持续6周，这表明在治疗神经退行性疾病或者更广泛地说，神经元相关疾病中使用DPSCs 的可能性。

神经功能恢复的关键机制涉及神经营养和免疫调节/免疫抑制因子的释放，重要的是，干细胞的自体来源，容易承载神经分化，可能具有不需要免疫抑制的主要优势[33,34]。近年来，干细胞和组织工程学技术的飞速发展，研究已经证实牙髓干细胞可在临床上应用于骨再生、神经再生等再生医学领域[35]。总之，这些结果表明自体DPSCs可能提供神经恢复和再生的可行战略。

5 成骨分化

IGF-1在骨形成和矿化中起重要作用,IGF-1和其他GFs的组合可以增强骨形成和组织重建。 Fang Y[36]研究IGF-1对糖尿病大鼠牙槽骨重塑的影响，发现经过IGF-1处理，增加了拔牙后牙槽骨新形成骨的体积，骨形成速率增大，同时糖尿病大鼠的葡萄糖主要转运蛋白(GLUT1蛋白)表达正常化，这些结果表明IGF-1可能是治疗糖尿病相关骨疾病，特别是糖尿病相关牙科疾病的有效药物。另有研究IGF-1通过刺激坐骨神经切除大鼠的成骨细胞数量和活性来增加骨形成，并通过减少破骨细胞分化来抑制骨丢失[37]，减少骨的吸收，改善骨质疏松。这些研究表明IGF-1可能在骨组织工程中发挥重要作用。

6 小结

IGF-1及IGF-1R具有促进细胞增殖分化的特点，且生理作用广泛。目前诸多国内外学者研究显示，IGF-1/IGF-1R与肿瘤、糖尿病、周围神经病变等疾病发生发展均有一定程度的联系，这为以后疾病的发病机制、诊治提供重要依据。目前，牙髓干细胞已成为组织工程领域的热点干细胞之一，因其具有多向分化潜能，能够诱导组织再生，但多数研究都处于实验阶段，需要进行长期的临床研究。因此，对于IGF-1和DPSCs的研究前景十分广泛，对未来牙髓及全身疾病的治疗提供可靠的依据。

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