胰岛素样生长因子-1对骨代谢调节的研究进展

李琳，李琪，张林忠

(1.山西医科大学麻醉学院，山西 太原 030012；2.山西医科大学第二医院麻醉科，山西 太原 030001)

胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是一种活性蛋白多肽物质，具有舒张血管、促生长、创伤修复、促进骨合成代谢等多种生理功能。IGF-1通过与成骨细胞、软骨细胞、破骨细胞及骨细胞的同源受体结合，引起一系列介导细胞增殖、迁移、分化和基因的激活，在骨代谢过程中发挥着重要作用[1]。

1 生物学性质

1.1 结构特点 IGF-1属于胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor，IGF)家族成员之一，其基因位于12号染色体上，包含6个外显子[2]。其中，4、5、6号外显子选择性剪接产生3种mRNA亚型，即IGF-1 Ea、IGF-1 Eb和IGF-1 Ec，信使RNA(messenger RNA，mRNA)翻译产生IGF-1前蛋白。这些前蛋白羧基端延伸域的结构存在差异，Ea肽由IGF-1基因的4和6号外显子编码，Eb肽由4和5号外显子编码，Ec肽由4、5和6号的部分外显子编码。Ec肽的产生是由于一个阅读框移位导致其羧基末端肽段序列与IGF-1Ea和Eb肽不同。成熟的IGF-1被认为是该基因唯一具有生物活性的分子[3]。

IGF-1是由70个氨基酸通过3个二硫键交联组成的小肽段，分子量为7 649 Da[4]。IGF-1的结构与胰岛素原有50%的同源性。与胰岛素原类似，IGF-1被分为A、B、C和D四个结构域，A、B结构域都由2个域间二硫键和1个域内二硫键连接，并且都与C结构域连接；而C结构域在结构成熟过程中不会发生蛋白水解，这与胰岛素原不同。IGF-1的1-29基因位点与胰岛素B链同源，42-62基因位点与胰岛素A链同源[5]。

1.2 产生及分布 IGF-1不仅是一种内分泌分子，在许多组织中也以旁分泌、自分泌的方式发挥作用。IGF-1的主要内分泌来源是肝脏，其他器官或组织则以旁分泌或自分泌起作用，如心脏、脾脏、肾脏、大脑、骨骼、肌肉与脂肪组织等[2，6]。IGF-1作为一种旁分泌因子，可由骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞等合成。IGF-1具有胰岛素样代谢作用(短期)和生长因子样作用(长期)，影响细胞增殖和分化[7]。内分泌与旁分泌性IGF-1都有助于调节骨量，内分泌性IGF-1主要影响皮质骨，旁分泌性IGF-1对小梁骨起主要作用[8]。

1.3 作用机制及调控 IGF-1主要通过与胰岛素样生长因子-1受体(insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-1R)特异性结合发挥生理作用，其中多种胰岛素样生长因子结合蛋白(insulin-like growth factor binding proteins，IGFBPs)可调控IGF表达释放。IGF-1R是一种异四聚体，由两个α和两个β亚基组成。α亚基位于细胞外，β亚基位于细胞内，两者通过二硫键连接。β亚基包含一个酪氨酸激酶域，其对大部分生物学效应的发挥至关重要。IGF-1通过与IGF-1R α亚基结合，使β亚基发生交叉磷酸化并激活酪氨酸激酶，从而发挥生物学效应[2，9]。

IGFBP-1至IGFBP-6通过与IGF-1相互作用进行调节。IGFBPs储存IGF-1，并在裂解后激活IGF-1。虽然循环中IGF-1的含量相对较高，但高达75%的IGF-1存在于含有IGFBP-3和酸性不稳定亚基(acid-labile subunit，ALS)的三元复合物中。IGFBP-3在循环中是最丰富的，但成骨细胞表达IGFBP-4和IGFBP-5居多。总体来说，IGFBP-3、IGFBP-5刺激成骨细胞功能，IGFBP-1、IGFBP-2、IGFBP-4、IGFBP-6抑制成骨细胞功能。IGFBP-3、IGFBP-5与IGF-1结合形成的三元复合物可延长IGF-1在循环中的半衰期，IGFBP-5与细胞表面蛋白结合，可提高局部IGF-1浓度；而IGFBP-1、IGFBP-2、IGFBP-4、IGFBP-6与IGF-1结合可阻断其与IGF-1R的相互作用[10]。IGF-1表达的系统性调控还受多种激素的影响。甲状旁腺激素、雌激素和甲状腺激素可使成骨细胞中IGF-1表达上调[11]，而糖皮质激素和1，25-(OH)2D3可下调IGF-1的表达[12]。

2 IGF-1对骨代谢的调节

2.1 IGF-1对骨代谢调节的机制 IGF-1是胚胎时期和出生后促进骨骼发育的主要合成代谢物质，在哺乳动物骨骼的正常发育中起着至关重要的作用[13]。血清IGF-1水平在青春期升高，而在衰老期IGF-1水平显著下降，可能与骨丢失相关。IGF-1通过与成骨细胞、软骨细胞、破骨细胞及骨细胞的同源受体结合，引起一系列介导细胞分化和其功能基因的激活，可参与调节骨代谢发展过程。

IGF-1对正常成骨细胞的发育和功能非常重要，能刺激成骨细胞的活化、增殖、分化和基质生成[14]。Xian等[15]报道，骨基质中释放的IGF-1通过活化哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamyoin，mTOR)，刺激募集的间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)向成骨分化，从而维持适当的骨微结构和骨量。敲除骨祖细胞中IGF-1R的小鼠骨量和骨矿物质沉积率均低于野生型小鼠。Bakker等[16]的研究结果也表明，IGF-1和机械刺激通过激活蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)-mTOR通路，促进成骨细胞mRNA翻译，使成骨细胞骨基质蛋白合成增多。Sasanuma等[17]支持磷酸肌醇依赖激酶1-叉头转录因子1(phosphoinositol dependent kinase 1-forkhead box protein O1，PDK1-FoxO1)信号在下丘脑弓状核刺鼠相关蛋白(agouti-related protein，AgRP)神经元磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K，PI3K)/AKT通路下游发挥作用，通过促生长激素释放激素-生长激素-IGF-1轴调控骨代谢，促进骨的形成。

IGF-1在软骨内骨形成过程中起着重要作用。Wang等[18]研究表明，在出生后骨发育过程中，IGF-1信号通路能促进表达锌指结构骨形成转录因子的软骨膜细胞增殖和软骨基质降解，刺激血管内皮生长因子的表达和血管化。这些过程是次级骨化中心建立时正常软骨管形成所必需的。Zhang等[19]经研究证实，不同剂量的IGF-1在兔关节软骨缺损组织中诱导不同的基因表达谱。高剂量IGF-1可显著上调缺损邻近软骨层Ⅱ型胶原纤维α1基因表达，改变细胞外基质组成，从而改善新软骨的形成和完整性；低剂量IGF-1可使金属蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13，MMP-13)和纤维母细胞生长因子-2(fibroblast growth factor-2，FGF-2)的表达明显上调。早期MMP-13的增加可能导致软骨下骨的吸收，促进MSCs迁移到缺损部位；FGF-2是关节软骨再生的促进剂。因此，低剂量IGF-1能更有效地调控软骨下骨的基因表达，促进软骨下骨的改造和重建。

IGF-1通过调节骨吸收与骨形成的耦合来维持正常的骨量。在骨重塑过程中，骨基质释放转化生长因子-β1(transforming-growth-factor，TGF-β1)和IGF-1来应对破骨细胞性骨吸收。TGF-β1诱导MSCs迁移，IGF-1诱导成骨细胞分化，增强成骨细胞功能。而成骨细胞又通过胰岛素受体底物应答IGF-1信号，上调核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κBligand，RANKL)的表达及分泌，促进破骨细胞形成和活化[6]。因此，IGF-1可以促进骨形成及骨吸收，使骨周转率增加。

2.2 IGF-1的治疗作用 临床研究和动物模型均发现，敲除IGF-1基因后会抑制各阶段的发育和骨骼生长，甚至导致身材矮小、消瘦和骨骼脆性增加。Courtland等[20]发现，血清IGF-1的减少会影响骨骼发育，导致骨骼变细，也影响皮质内骨重塑和衰老过程中骨强度的维持。在发育早期，IGF-1的缺乏会造成骨密质部分、皮质厚度和骨密度更大程度地降低，使骨的最大强度、最大弯矩降低。因此，早期IGF-1减少会导致骨干方向皮质骨结构和强度下降[21]。Huang等[22]指出小鼠牙根成牙细胞中IGF-1信号减弱可影响上皮根鞘的伸长和成牙细胞分化，破坏牙根的形成。Elis等[23]研究发现，在组织IGF-1基因表达下降的情况下，长期维持血清IGF-1高水平足以建立正常的体型和骨骼结构。

Luginbuehl等[24]研究发现，将IGF-1聚乳酸微球导入骨缺损处可上调不同生长因子基因，使缺损部位新骨形成得到改善。也有学者指出，IGF-1治疗会刺激拔牙窝成骨细胞分化，促进新骨形成，减少拔牙后牙槽嵴的损失[25]。Poudel等[26]经研究证实，局部给予IGF-1能促进成骨细胞转录因子核心结合蛋白因子2、成骨细胞特异性转录因子和骨形成蛋白-2的表达，增强成骨细胞特异性标志物碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白、骨涎蛋白等的表达，且抑制破骨细胞的形成。此外，利用植物悬浮培养系统产生的IGF-1处理可促进小鼠胚胎骨祖细胞的矿化，同时伴有成骨标记基因的上调。Fukaya等[27]的研究结果表明，单侧髁突腔局部注射IGF-1可广泛上调软骨Ⅱ型胶原蛋白、印度豪猪蛋白的表达，且细胞增殖标志物抗原Ki67、蛋白激酶的表达也增强，从而诱导小鼠单侧下颌软骨内成骨生长。Sundstrom等[28]指出，重组人IGF-1治疗可增加皮质骨量，但不能进一步提高经重组人生长激素治疗的健康雌性大鼠的骨生长。另有研究发现，皮下注射重组人IGF-1可提高妊娠相关血浆蛋白A2缺乏症患者体内游离和总的IGF-1浓度，使全身骨密度增加[29]。由上可见，IGF-1治疗可以促进成骨，增加骨量及骨密度。

目前研究结果显示通过上调IGF-1的表达可促进骨生长。例如，肠道微生物群可提高肝脏、脂肪组织及血清中IGF-1水平，从而提高生长板活性，促进纵向和径向骨生长[30]。石榴籽油可显著增加骨长、骨形成率、生物力学参数、骨密度和骨微结构。这种效应机制是石榴籽油可调节肝脏IGF-1基因，释放大量IGF-1，并刺激骨内IGF-1信号通路传导，从而促进骨形成[31]。Moon等[32]指出，半胱氨酸可促进肝脏IGF-1 mRNA表达，促进血清IGF-1高表达，并通过酪氨酸激酶2-信号转导与转录激活子5磷酸化上调IGF-1来增加生长板的厚度，改善骨参数，诱导纵向骨生长。

综上所述，随着对IGF-1研究的深入，已经可知IGF-1在促进成骨细胞、软骨细胞和破骨细胞的形成及分化，促进骨的形成和重建等方面发挥着不可忽视的作用，提示我们应重视IGF-1在骨代谢性疾病的治疗意义。虽然IGF-1的临床应用还处于实验阶段，但随着对这一领域的深入研究，它将会为今后临床工作中精确调节骨代谢和防治骨代谢疾病提供新的思路和方法。