IGF-1及其受體(IGF-1R)在牙髓干細(xì)胞中的研究現(xiàn)狀

武玉鳳，李 勛，李文月，張志民，楊瑤瑤,杜奧博

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 牙體牙髓病科，吉林 長(zhǎng)春130021)

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)及其受體(IGF-1R)是能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)分化的有效生物遞質(zhì)，對(duì)細(xì)胞的增殖分化、組織再生等有重要作用。IGF-1可通過(guò)激活其受體IGF-1R的下游信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的一系列生理活動(dòng)，同時(shí)也參與了多種疾病的發(fā)生發(fā)展，因此近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。本文就IGF-1及其受體(IGF-1R)在牙髓干細(xì)胞中的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 IGF-1及其受體IGF-1R

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1是由70個(gè)氨基酸組成、3對(duì)二硫鍵鏈接而成的單鏈多肽，主要由肝臟合成、存在于血清中，最初于1976年由 Rinderknecth 從人的血清中提取得到。此外，局部組織也可產(chǎn)生少量IGF-1，以自分泌、旁分泌等形式作用于靶細(xì)胞。IGF-1是具有調(diào)節(jié)代謝、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)作用很強(qiáng)的多肽因子，通過(guò)有絲分裂刺激和DNA合成控制細(xì)胞的生長(zhǎng)分化。IGF-1生物學(xué)特性受IGF結(jié)合蛋白(IGFBP)及其受體IGF-1R的調(diào)節(jié)[1]，以調(diào)控各種細(xì)胞功能活動(dòng)。因此IGF-1/IGF-1R通路又被稱為IGF-1/IGF-1R軸。IGF-1R是細(xì)胞表面的跨膜受體蛋白，由兩個(gè)α亞單位和兩個(gè)β亞單位組成，α亞單位位于膜外，有與IGF-1肽結(jié)合的位點(diǎn)，β亞單位位于膜內(nèi)，完成透膜信號(hào)。IGF-1R同樣在細(xì)胞有絲分裂、促進(jìn)細(xì)胞轉(zhuǎn)化和抗細(xì)胞凋亡等方面具有重要作用。IGF-1R與胰島素受體家族同源，有50%氨基酸序列相似,IGF-1R在人類牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞中表現(xiàn)出多能性，研究證實(shí)，IGF-1R被認(rèn)為是胚胎干細(xì)胞(ESC)的自我更新和多能性標(biāo)記物[2,3]。

2 牙髓干細(xì)胞(DPSCs)

DPSCs是由牙髓衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞，經(jīng)證實(shí)其具有成牙本質(zhì)，成骨，成脂，神經(jīng)源性，成軟骨等多向分化的潛能[4]。Gronthos S等[5]于2000年第1次提出了牙髓干細(xì)胞的概念,并在體外成功分離和培養(yǎng)。牙髓組織中的神經(jīng)嵴細(xì)胞衍生的多能干細(xì)胞具有神經(jīng)源性分化的能力，包括外胚層和間充質(zhì)組分[6]。臨床研究顯示，DPSCs一般來(lái)源于臨床上拔除的第三磨牙或正畸原因拔除的前磨牙，能夠分化為成熟的細(xì)胞類型，包括成骨細(xì)胞，神經(jīng)元和肝細(xì)胞[7]等，在疾病治療中， 因其容易獲得且來(lái)源于自體細(xì)胞，可避免免疫排斥反應(yīng)[8]，因此DPSCs是替代骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的替代方法，可用于再生治療。

牙髓中多能干細(xì)胞的存在對(duì)于成牙本質(zhì)細(xì)胞分化是必需的，并且參與許多牙髓疾病的愈合過(guò)程。在研究牙髓干細(xì)胞是否存在于臨床上不可逆性牙髓炎的牙髓中，通過(guò)提取不可逆性牙髓炎和健康牙的牙髓進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，證實(shí)在炎癥牙髓組織中同樣有干細(xì)胞標(biāo)記物(STRO-1)的表達(dá)和細(xì)胞成骨分化能力，但其增殖速率和分化能力相對(duì)降低[9]。

3 IGF-1、IGF-1R及其信號(hào)通路與DPSCs

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)BMMSCs會(huì)加速骨組織再生，除了干細(xì)胞和仿生材料之外，合適的生長(zhǎng)因子(GFs)也是組織再生所必需的。且有關(guān)報(bào)道顯示，與成纖維細(xì)胞或人骨髓來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞相比，DPSCs含有較多的IGF-1[10]生長(zhǎng)因子。DPSCs具有一定的成骨分化和增殖等功能，細(xì)胞生長(zhǎng)因子可以通過(guò)激活相關(guān)通路進(jìn)行DPSCs增殖分化的調(diào)控。研究顯示,IGF-1 與IGF-1R結(jié)合發(fā)生磷酸化，從而激活下游多種介質(zhì)[11]，引起胰島素受體底物-1(IRS-1) 磷酸化,IRS-1磷酸化后可啟動(dòng)PI3K/Akt信號(hào)通路與MAPK-Erk信號(hào)通路。

3.1IGF-1通過(guò)mTOR通路促進(jìn)DPSCs增殖和成骨分化

PI3K/Akt/mTOR是一條經(jīng)典的生物學(xué)信號(hào)通路，在細(xì)胞增殖、分化和凋亡中起重要作用[12]，以往在細(xì)胞突變和腫瘤方面研究較多，且IGF-1可通過(guò)不同的信號(hào)傳導(dǎo)途徑促進(jìn)胎盤間充質(zhì)干細(xì)胞(PMSCs)的增殖[13]。近來(lái)研究顯示，IGF-1通過(guò)PI3K / Akt途徑激活mTOR誘導(dǎo)DPSCs向成骨細(xì)胞分化。細(xì)胞在接受激素或生長(zhǎng)因子等刺激后，激活PI3K，活化的PI3K通過(guò)3-磷?；姿峒〈减ズ土姿峒〈家蕾囆约っ?PDK) 共同作用而激活A(yù)kt(Akt是PI3K最主要的下游靶酶因子，且依賴于PI3K而被細(xì)胞外因子激活)，磷酸化的PI3K / Akt可以抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞增殖[14]。

有研究表明，體外提取DPSCs進(jìn)行增殖分化顯示：DPSCs的增殖活性與IGF-1劑量有關(guān)，20-200 ng/mL時(shí)DPSCs增殖能力增加，但在100 ng/mL時(shí)DPSCs增殖能力最強(qiáng)，即最適濃度；在分化過(guò)程中用IGF-1(100 ng/mL)處理DPSCs 21天，在這21天成骨分化過(guò)程中，上調(diào)了ARS/ALP陽(yáng)性細(xì)胞率和成骨細(xì)胞標(biāo)志物(RUNX2[15],OSX[16],OCN[17])表明IGF-1是干細(xì)胞骨組織再生的有效成分；同時(shí)，檢測(cè)到DPSCs 在IGF-1處理5分鐘后，磷酸化的mTOR增加，且磷酸化水平在15分鐘達(dá)到高峰，30分鐘后明顯下降，在加入mTOR通路抑制劑雷帕霉素后，mTOR活化被抑制，說(shuō)明DPSCs經(jīng)過(guò)IGF-1刺激后激活mTOR通路。同時(shí)，當(dāng)加入PI3K抑制劑LY294002時(shí)，活化的PI3K、Akt、mTOR蛋白表達(dá)均減少，而僅加入mTOR通路抑制劑雷帕霉素后，只有mTOR活化被抑制，證實(shí)了IGF-1通過(guò)PI3K /Akt/mTOR通路促進(jìn)DPSCs增殖和成骨分化[18]。

3.2IGF-1通過(guò)MAPK通路促進(jìn)DPSCs增殖和成骨分化

MAPK家族的信號(hào)通路主要包括細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控的蛋白激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、P38MAPK 以及ERK5四條通路,且通路間互相聯(lián)系。

有研究顯示[19]，經(jīng)外源性IGF-1處理的DPSCs中，成骨基因(例如RUNX2，OSX和OCN)和成牙本質(zhì)細(xì)胞特異性標(biāo)記物(DSPP)的表達(dá)水平顯著上調(diào)與未處理組細(xì)胞相比；同時(shí)，在IGF-1處理的DPSCs中檢測(cè)到，磷酸-ERK1/2和磷酸-P38的表達(dá)水平隨時(shí)間上調(diào)，且磷酸-ERK1/2表達(dá)水平顯著上調(diào)90分鐘，而對(duì)照組未表現(xiàn)出ERK1/2和P38磷酸化和磷酸化水平的變化。表明MAPK信號(hào)通路在DPSCs的成骨分化期間被激活，即IGF-1可以通過(guò)激活MAPK通路調(diào)控DPSCs的增殖和骨/牙源性分化。

在DPSCs中IGF-1誘導(dǎo)的RUNX2，OSX，OCN和DSPP的上調(diào)表明IGF-1可能在成骨和牙齒形成過(guò)程中作為重要的生長(zhǎng)刺激因子[20]。許多臨床和動(dòng)物研究表明生長(zhǎng)因子，包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)[21]，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)[22]，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)[23]和胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)[24]，可誘導(dǎo)牙髓干細(xì)胞分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞，繼而形成牙本質(zhì)或修復(fù)性牙本質(zhì)[25,26]，這對(duì)未來(lái)牙髓疾病的治療提供依據(jù)。最新研究，IGF-1受體信號(hào)傳導(dǎo)通路抑制劑的實(shí)驗(yàn)顯示，抑制 MAPK途徑抑制EphB2表達(dá)和抑制PI3K / Akt / mTOR通路特異性抑制ephrinB1基因表達(dá)[25][Eph受體屬于受體酪氨酸的亞家族，通過(guò)跨膜配體(ephrins)活化]，Wang 等學(xué)者已經(jīng)證實(shí)EphB2 / ephrinB1的相互作用在體外成牙本質(zhì)細(xì)胞增殖和分化中發(fā)揮重要作用[27]，大量研究表明IGF- 1可以觸發(fā)至少兩個(gè)信號(hào)通路，包括MAPK和Akt通路[28]，且在過(guò)程中也會(huì)有下游信號(hào)因子的會(huì)聚。

4 神經(jīng)的恢復(fù)和再生

IGF-1在腦的正常發(fā)育中起到促進(jìn)和保護(hù)神經(jīng)元生長(zhǎng)，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡等作用。目前已證實(shí)，IGF-1在體內(nèi)和體外神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和成熟中起關(guān)鍵作用[29]，IGF-1可減輕缺氧缺血對(duì)腦組織造成的損害，在鼠腦缺血缺氧(NHI)模型中研究發(fā)現(xiàn)，多能IGF-1R + DPSCs的植入不僅增強(qiáng)神經(jīng)元生長(zhǎng)、分化和再生失去的神經(jīng)元，還促進(jìn)NHI腦中的神經(jīng)突再生[6]。Lin S等[30]學(xué)者研究新生鼠缺氧缺血性腦損傷時(shí)，通過(guò)鼻內(nèi)(iN)給藥途徑，發(fā)現(xiàn)IGF-1在鼻內(nèi)給藥(iN)后30分鐘內(nèi)沿著嗅覺(jué)和三叉神經(jīng)途徑擴(kuò)散到鼠的腦和脊髓中，將IGF-1成功地輸送到新生大鼠的腦中。 iN-rhIGF-1不僅可以減輕缺血誘導(dǎo)的腦損傷，而且可以改善幼年大鼠的神經(jīng)功能。另有實(shí)驗(yàn)證實(shí)將體外培養(yǎng)的DPSCs進(jìn)行神經(jīng)誘導(dǎo)分化并移植入脊髓損傷的大鼠中，能夠減少神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)后肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)[31]。

Nosrat IV等[32]學(xué)者研究顯示，將牙髓干細(xì)胞DPSCs植入大鼠帕金森病模型的尾狀核中可以保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元免受6-羥基多巴胺誘導(dǎo)的毒性，此保護(hù)可持續(xù)6周，這表明在治療神經(jīng)退行性疾病或者更廣泛地說(shuō)，神經(jīng)元相關(guān)疾病中使用DPSCs 的可能性。

神經(jīng)功能恢復(fù)的關(guān)鍵機(jī)制涉及神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和免疫調(diào)節(jié)/免疫抑制因子的釋放，重要的是，干細(xì)胞的自體來(lái)源，容易承載神經(jīng)分化，可能具有不需要免疫抑制的主要優(yōu)勢(shì)[33,34]。近年來(lái)，干細(xì)胞和組織工程學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究已經(jīng)證實(shí)牙髓干細(xì)胞可在臨床上應(yīng)用于骨再生、神經(jīng)再生等再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[35]?？傊@些結(jié)果表明自體DPSCs可能提供神經(jīng)恢復(fù)和再生的可行戰(zhàn)略。

5 成骨分化

IGF-1在骨形成和礦化中起重要作用,IGF-1和其他GFs的組合可以增強(qiáng)骨形成和組織重建。 Fang Y[36]研究IGF-1對(duì)糖尿病大鼠牙槽骨重塑的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)IGF-1處理，增加了拔牙后牙槽骨新形成骨的體積，骨形成速率增大，同時(shí)糖尿病大鼠的葡萄糖主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT1蛋白)表達(dá)正?；?，這些結(jié)果表明IGF-1可能是治療糖尿病相關(guān)骨疾病，特別是糖尿病相關(guān)牙科疾病的有效藥物。另有研究IGF-1通過(guò)刺激坐骨神經(jīng)切除大鼠的成骨細(xì)胞數(shù)量和活性來(lái)增加骨形成，并通過(guò)減少破骨細(xì)胞分化來(lái)抑制骨丟失[37]，減少骨的吸收，改善骨質(zhì)疏松。這些研究表明IGF-1可能在骨組織工程中發(fā)揮重要作用。

6 小結(jié)

IGF-1及IGF-1R具有促進(jìn)細(xì)胞增殖分化的特點(diǎn)，且生理作用廣泛。目前諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究顯示，IGF-1/IGF-1R與腫瘤、糖尿病、周圍神經(jīng)病變等疾病發(fā)生發(fā)展均有一定程度的聯(lián)系，這為以后疾病的發(fā)病機(jī)制、診治提供重要依據(jù)。目前，牙髓干細(xì)胞已成為組織工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)干細(xì)胞之一，因其具有多向分化潛能，能夠誘導(dǎo)組織再生，但多數(shù)研究都處于實(shí)驗(yàn)階段，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的臨床研究。因此，對(duì)于IGF-1和DPSCs的研究前景十分廣泛，對(duì)未來(lái)牙髓及全身疾病的治療提供可靠的依據(jù)。

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