转化生长因子-β参与骨骼肌损伤修复的机制探讨及研究进展

宋宁静 周晶 曹必伟 赵焰 余韵扬 雷函莉 罗昱君

1湖北中医药大学针灸骨伤学院（武汉 430065）；2湖北省中医院（武汉 430061）；3湖北中医药大学附属医院（武汉 430061）；4湖北省中医药研究院（武汉 430074）

人的骨骼肌约占体重的40%，对维持人体稳定、完成运动、促进血液循环至关重要［1-2］。骨骼肌由肌纤维束（多核、横纹收缩肌肉细胞）、结缔组织、细胞外基质以及供应肌肉的毛细血管和神经组成（图1），再生肌纤维的形成和成熟是骨骼肌功能修复的关键［3］。肌源性干细胞是骨骼肌中一组特定的细胞，能通过对称增殖和分裂产生新的干细胞和成肌细胞，重建肌肉纤维，促进骨骼肌再生［4］。骨骼肌损伤和修复过程涉及复杂的生物学机制。无论是由于创伤、手术还是慢性疾病引起的骨骼肌损伤，都会对患者的生存质量和运动功能产生较大的负面影响。因此，对于骨骼肌损伤修复机制的深入研究成为当今生物医学领域的一个重要议题。在这一领域中，转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）引起了广泛关注，TGF-β在人体各种细胞中都有表达，可以影响肌源性干细胞的增殖和分化。在细胞信号传导、基因表达和组织再生中发挥关键作用，也因此，TGF-β对于骨骼肌的生长发育、损伤再生以及病理生理均具有重要的调节作用［5］。本文将对TGF-β在骨骼肌损伤修复中的作用机制进行全面而深入的探讨。通过回顾TGF-β的基本特征和功能，详细解析其在骨骼肌损伤不同阶段的作用，重点关注其在炎症调节、肌肉干细胞活动、胶原合成和纤维化过程中的调控。并以此展望TGF-β在骨骼肌损伤修复中的潜在临床应用前景，旨在深化我们对这一生物学过程的理解，为未来开发更有效的治疗方法提供理论基础。

图1 骨骼肌结构图Fig.1 Structure of skeletal muscle

1 骨骼肌损伤机制及其修复进程

骨骼肌损伤后自我修复过程可划分为3个阶段，即损伤阶段，修复阶段以及组织重塑阶段。在损伤期，组织处于坏死与炎症状态，众多炎症因子聚集到受损处启动促炎反应，吸引单核细胞及巨噬细胞，机体应激反应激活。修复期主要涉及卫星细胞（satellite cells，SCs），活化的SCs可增殖分化并迁移游走到受损组织部位，融合成为新的肌纤维或者与残存肌纤维蔓延融合［6-7］。重塑期为肌肉纤维的成熟和瘢痕组织纤维化阶段。成纤维细胞会被激活并向受损组织迁移，并合成和分泌胶原蛋白，通过胶原沉积，成纤维细胞帮助修复受损组织并取代结缔组织。除此之外，神经突起和血管形成亦是该阶段的一个重要部分，血管形成是肌肉再生的关键［8］。

2 TGF-β的基本特征与功能

TGF-β由一个信号肽、一个拉链结构和一个活性区域组成。这一活性区域包括一个左手螺旋结构，这种结构在TGF-β的生物学功能中起着至关重要的作用［9-10］。透过其活性区域，TGF-β与相应受体发生结合，启动复杂的信号传导路径，对下游基因表达施加调控影响。在哺乳动物中存在3个TGF-β亚型，分别为TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3。TGF-β1在骨骼肌纤维化中起着关键的作用，它能够诱导肌细胞在横向上转化为肌成纤维细胞［11］；TGF-β2的缺失可能影响上皮-间充质的相互作用、细胞生长、细胞外基质的产生，并导致组织重塑障碍，导致四肢脊柱、心肺等方面的缺陷［12］。TGF-β3具有参与上皮-间充质的相互作用［13］。TGF-β有3个受体，即TGF-βⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型受体（TβRⅠ、TβRⅡ、TβRⅢ）。TβR含有一个保守的富含丝氨酸/甘氨酸的序列（TTSGSGLP，也称为GS区），在TβRI的激活过程中起着关键作用［14-15］。根据配体分子激活的下游特异性通路不同，可以将TGF-β家族分为2个家族通路：TGF-β/Activin/Nodal和BMP/GDF/MIS（表1）［16］，TGF-β的信号传导主要通过Smad依赖和非依赖两个主要通路，这些通路在多种细胞层面上调控增殖、分化、凋亡、附着和迁移，从而促进各器官发育和生物整体生长［17］。

表1 TGF-β家族成员及相关受体信号分子Tab.1 TGF-β family members and related receptor signaling molecules

3 TGF-β与骨骼肌再生

3.1 炎症阶段TGF-β在炎症阶段的最初阶段发挥着抗炎作用，通过调节炎症介质的释放，降低炎症的强度，有助于维持适度的炎症反应，避免过度损伤，并为后续修复阶段创造适宜的环境。TGF-β与多种免疫细胞之间建立了复杂的相互作用网络［18］。它能够调节巨噬细胞的活化状态，抑制炎症性巨噬细胞的活性，减少炎症介质的释放［19］。同时，TGF-β也能够影响其他免疫细胞，如T细胞和B细胞，调控它们在炎症阶段的功能，形成一个平衡的免疫环境。

3.2 SCs的激活SCs在骨骼肌损伤后被激活并增殖，能分化融合产生新的成肌细胞，而TGF-β可抑制SCs的增殖分化参与肌肉质量的调节［20］。且TGF-β可帮助优化SCs的激活，影响成肌细胞的融合和肌管形成，而成肌调节因子（myogenicregulatory factors，MRFs）可诱导与控制SCs的增殖和分化，MRFs包括Myf5、MyoD、MRF4和myogenin 4种基因，Myf5和MyoD的激活增殖使其向具备组织特异性的成肌细胞演变，是SCs进入肌肉分化过程中的关键调节基因。myogenin和MRF4则在成肌细胞进一步分化为肌纤维和肌管时发挥关键调控功能。这些MRFs通过不同的调控机制促进肌肉的形成和发育［21］。TGF-β则主要通过调节MRFs来影响SCs的分阶段繁殖，减弱其基因转录的活跃度，从而抑制骨骼肌特异性表达。然而SCs的过早增殖、分化和融合会中断肌肉的再生，并可能导致肌肉纤维结构再生不全。因此，TGF-β和SCs的及时激活也被认为是肌肉正常和最大限度恢复的关键。

3.3 细胞外基质的重塑MMPs是一类酶，能够分解细胞外基质分子并参与细胞外基质的重塑过程，MMP2和MMP9是TGF-β靶点的两种MMPs，已被证明参与了再生过程中细胞外基质的重组［22］。Smad3、Smad4是参与TGF-β1影响骨骼肌再生的重要蛋白，在细胞外基质的重建中发挥无可替代的作用。Smad3能够与MyoD的bHLH区域结合，阻止MyoD与E蛋白结合，从而抑制肌肉特异基因的表达，降低肌肉细胞分化能力。研究［23］发现，Smad4的下调可促进肌源性分化，并且在受损的小鼠骨骼肌中Smad4的基因沉默与对照组而言可更多的促进再生肌肉纤维的形成，有利于再生的过程。

另外，TGF-β亦被证实会减弱肌肉干细胞再生功能，阻断TGF-β信号可减少中性粒细胞聚集和纤维化，并提高肌肉比力［9］。在容积性肌肉损失（volumetric muscle loss，VML）损伤中，中性粒细胞的持续浸润是肌肉干细胞再生功能受损的原因之一，为了评估TGF-β信号对再生的影响，LAROUCHE等［24］通过肌肉注射用TGF-β受体Ⅱ抑制剂（ITD1）局部阻断了退行性VML损伤后的TGF-β信号轴，证实了在退行性VML损伤后阻断TGF-β信号可减少胶原沉积并帮助恢复肌肉力量。这可能与TGF-β在骨骼肌损伤修复中的双重作用有关。

综上所述，TGF-β可能通过典型信号通路的因子来调节SCs的活化、增殖、分化或凋亡来调控骨骼肌再生过程。TGF-β在骨骼肌损伤修复中的发挥着双重作用，多层次、多方向的调节不同细胞类型的功能，形成一个协调的信号网络，推动骨骼肌损伤的完整修复。深入了解TGF-β在骨骼肌损伤修复中的精准调控机制，将有助于制定更有效的治疗策略和干预手段。

4 TGF-β与骨骼肌纤维化

4.1 TGF-β的激活纤维化是由细胞外基质蛋白的沉淀与积累所形成的，是组织损伤修复功能失调的结果［25］。TGF-β是被广泛报道的促纤维化细胞因子之一［26］，激活的TGF-β能够介导SMAD信号通路，并激活PI3K-AKT-mTOR信号通路，促进上皮间充质转化并引发细胞外基质的聚集［27］，这保证了TGF-β信号通路的精准调控和控制，因此，TGF-β的激活是其诱导纤维化的第一步。TGF-β前体被胞内蛋白水解酶呋喃裂解，产生2种蛋白质，通过非共价结合组装成LAP-TGF-β二聚体，亦称为潜伏TGF-β，研究［10］表明，潜伏TGF-β的激活是其信号和功能调控的重要生物检验点，可被整合素、凝血酶敏感蛋白、糖蛋白A重复优势蛋白（GARP）和其他TGF-β结合蛋白激活，激活的TGF-β可与TβR复合物或其他细胞因子相互作用以发挥其生物学功能。

4.2 纤维化在纤维化过程中（图2），肌成纤维细胞是关键的效应细胞，其活化受到TGF-β信号转导的影响，激活的Smad复合体可以诱导细胞核内多种转录因子的表达，从而促进成纤维细胞的激活［28］。同时，整合素介导的TGF-β激活会促进IL-17A的表达，从而增加成纤维细胞TGF-β受体的表达，进而促进成纤维细胞对TGF-β信号的反应。成纤维细胞还可合成许多细胞外基质分子，这有助于填补损伤区域，为后续肌肉再生提供支持。据报道［29］，肌成纤维细胞可以通过上皮-间质转化（EMT）产生。在EMT过程中，上皮细胞标志物表达下调，而间质细胞标志物的表达则上调，这些变化使得细胞能够执行与肌成纤维细胞相似的功能。

图2 TGF-β诱导骨骼肌纤维化机制图Fig.2 The mechanism of skeletal muscle fibrosis induced by TGF-β

以纤维脂肪前体细胞（FAPs）为媒介的纤维及脂肪组织的沉积，对肌肉纤维的成熟和重塑具有促进作用［30-31］。在慢性损伤条件下，巨噬细胞表达TGF-β，从而避免了FAPs的凋亡，并诱导其向激活的成纤维细胞分化［32］。在TGF-β信号通路中，Smads蛋白可以直接与TGF-β相互作用［33］。TGF-β介导的最典型的信号轴是基于Smad-2/3，Smad3的激活，在促纤维化和抑制细胞增殖进展中起核心作用，有研究［34］证实，MDX小鼠经TGF-β诱导的Smad3磷酸化的抑制剂常青藤酮治疗8周后可以防止肌肉中纤维化的积累。而作为TGF-β非Smads信号通路的一种，PI3K/Akt信号通路的激活可以调节细胞外基质合成和细胞外基质-细胞信号转导通路，从而影响肌肉的修复和再生过程。

TGF-β还可以抑制骨骼肌特异性基因表达，骨骼肌特异miRNAs与骨骼肌发育及肌源性分化相关［35-36］，TGF-β1是骨骼肌纤维化的核心调控因子，与其相关的纤维化与miRNA介导的表观遗传学机制有关［37-38］，如miR-21的表达主要通过TGF-β1诱导的Smad/DROSHA依赖机制在成纤维细胞中诱导，以促进受损骨骼肌的纤维化形成［39］，ARDITE［40］表示，一方面，使用miR-21可以增加纤维化反应，沉默miR-21可以防止或减少肌肉中的纤维化。另一方面，TGF-β1可下调miR-29（一种诱导肌肉生成的miRNA），并促进成肌细胞转化介导的纤维化发展。NELSON等［41］发现经泛TGF-β抗体（1D11）长期治疗可以明显改善MDX小鼠的呼吸功能，并将横隔膜纤维化减少20%，这无疑为一些纤维化疾病的治疗提供了新的干预思路。

综上所述，TGF-β可以通过激活成纤维细胞、促纤维化因子的表达、细胞外基质沉积、激活典型和非典型通路来诱导骨骼肌纤维化。而TGF-β的过度活化也可能导致异常的纤维组织形成和瘢痕组织生成，因此在治疗和干预中需要精确控制其水平，以确保最佳的修复效果。

5 讨论

5.1 TGF-β在骨骼肌损伤修复中的潜在临床应用TGF-β作为治疗靶点的可能性在骨骼肌损伤修复过程中，TGF-β作为中性粒细胞和单核细胞的潜在趋化因子，通过调控炎症反应，TGF-β可能成为治疗靶点［42］，通过调节TGF-β的表达水平或增强其信号传导，以实现对炎症过程的精准调控。利用TGF-β的促进细胞转化和胶原合成的能力，可将其作为治疗手段，这可能包括局部应用TGF-β或其模拟剂。对于一些难治性骨骼肌疾病例如VML，临床上并没有可用的抗纤维化治疗能够促进VML损伤后的形态和功能的完全恢复。功能性纤维化（functional fibrosis，FF）可以作为一种替代方法来促进VML损伤后功能结果的改善，DOLAN等［43］通过聚丙烯网片联合TGF-β的递送诱导超生理性纤维化反应以模拟FF，结果显示，FF治疗诱导增强的纤维化组织沉积在VML缺损内，其组织学和分子分析证明：与未治疗的对照组动物相比，FF治疗的动物在损伤后8周表现出更好的体内肌肉功能。这在一定程度上推翻了之前的认知，在动物实验水平上证实了TGF-β亦可正向调节骨骼肌功能恢复，无疑为TGF-β在今后骨骼肌损伤中的应用提供了新的治疗思路。

研究［44］表明，TGF-β过度表达会导致程度不一的功能障碍，并促使上皮间充质转化及细胞外基质过度沉积，在一定程度上影响肢体运动功能。鉴于TGF-β在过度炎症和纤维化中的作用，开发可选择性抑制TGF-β活性的药物可能有助于防止这些不良反应［45］，此外，TGF-β调控剂可能与其他治疗策略结合使用，以实现更全面的治疗效果。例如，与抗炎药物或生长因子联合使用，以平衡炎症和促进细胞转化的效果。

尽管TGF-β在骨骼肌损伤修复中的应用前景十分可观，但由于其复杂的生物学功能可能导致不良的副作用。因此，确保治疗的安全性和有效性是开发TGF-β调控剂时需要解决的重要问题。

5.2 挑战与展望目前研究中的争议与不足：TGF-β在骨骼肌损伤修复中的双重作用可能导致争议。其既有促进修复的作用，又可能引起过度炎症和纤维化。需要更深入的分子机制研究，以确定在何种条件下TGF-β发挥正面效应，以及如何避免其负面作用。此外，TGF-β信号通路的复杂性和与其他细胞信号途径的交叉可能使得精确调控成为挑战。需要更全面地理解TGF-β信号传导网络，并开发针对性的调控方法。而不同个体对TGF-β的反应可能存在差异，这在临床应用中可能引发不同的治疗效果。且目前对于TGF-β的研究仍主要集中于细胞实验领域，其临床应用仍需不断探索与完善，对于TGF-β诱导纤维化的具体机制亦有待进一步考究。

未来研究方向与潜在突破点：近年来，越来越多的下游效应因子被发现可由TGF-β诱导并参与到纤维化中［45］，其研究价值及研究热度亦在逐年高涨。对TGF-β信号通路更为深入的理解是未来研究的重要方向。研究人员可以探索信号通路中的关键节点，发现新的调控因子，并深入研究TGF-β与其他细胞信号通路的交互作用，以揭示更为精细的调控机制。另外，寻找与TGF-β活性相关的生物标志物有助于评估患者的治疗反应和预测治疗结果。未来的研究可以致力于发现在骨骼肌损伤修复过程中与TGF-β相关的生物标志物，以便更有效地指导治疗决策。

综上所述，TGF-β在骨骼肌中扮演着一个多样化的角色，它涉及到骨骼肌生长发育、病理生理学和运动功能调节等多个方面。进一步剖析TGF-β在骨骼肌中的作用及调控机制，不仅对机体骨骼肌的功能性演变和稳态维持具有重要的理论和实际意义，而且对于研发针对难治性临床骨骼肌疾病的治疗新方法也是至关重要的。未来的研究将有望为TGF-β在骨骼肌损伤修复中的潜在临床应用提供更深入的理解和更有效的治疗策略。这可能在临床实践中开启新的突破点，有助于开发更加个体化、精准的治疗方案，帮助那些饱受骨骼肌疾病折磨的患者重获健康。