胰島素樣生長因子-1對骨代謝調(diào)節(jié)的研究進展

李琳，李琪，張林忠

(1.山西醫(yī)科大學麻醉學院，山西 太原 030012；2.山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院麻醉科，山西 太原 030001)

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是一種活性蛋白多肽物質(zhì)，具有舒張血管、促生長、創(chuàng)傷修復、促進骨合成代謝等多種生理功能。IGF-1通過與成骨細胞、軟骨細胞、破骨細胞及骨細胞的同源受體結(jié)合，引起一系列介導細胞增殖、遷移、分化和基因的激活，在骨代謝過程中發(fā)揮著重要作用[1]。

1 生物學性質(zhì)

1.1 結(jié)構(gòu)特點 IGF-1屬于胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF)家族成員之一，其基因位于12號染色體上，包含6個外顯子[2]。其中，4、5、6號外顯子選擇性剪接產(chǎn)生3種mRNA亞型，即IGF-1 Ea、IGF-1 Eb和IGF-1 Ec，信使RNA(messenger RNA，mRNA)翻譯產(chǎn)生IGF-1前蛋白。這些前蛋白羧基端延伸域的結(jié)構(gòu)存在差異，Ea肽由IGF-1基因的4和6號外顯子編碼，Eb肽由4和5號外顯子編碼，Ec肽由4、5和6號的部分外顯子編碼。Ec肽的產(chǎn)生是由于一個閱讀框移位導致其羧基末端肽段序列與IGF-1Ea和Eb肽不同。成熟的IGF-1被認為是該基因唯一具有生物活性的分子[3]。

IGF-1是由70個氨基酸通過3個二硫鍵交聯(lián)組成的小肽段，分子量為7 649 Da[4]。IGF-1的結(jié)構(gòu)與胰島素原有50%的同源性。與胰島素原類似，IGF-1被分為A、B、C和D四個結(jié)構(gòu)域，A、B結(jié)構(gòu)域都由2個域間二硫鍵和1個域內(nèi)二硫鍵連接，并且都與C結(jié)構(gòu)域連接；而C結(jié)構(gòu)域在結(jié)構(gòu)成熟過程中不會發(fā)生蛋白水解，這與胰島素原不同。IGF-1的1-29基因位點與胰島素B鏈同源，42-62基因位點與胰島素A鏈同源[5]。

1.2 產(chǎn)生及分布 IGF-1不僅是一種內(nèi)分泌分子，在許多組織中也以旁分泌、自分泌的方式發(fā)揮作用。IGF-1的主要內(nèi)分泌來源是肝臟，其他器官或組織則以旁分泌或自分泌起作用，如心臟、脾臟、腎臟、大腦、骨骼、肌肉與脂肪組織等[2，6]。IGF-1作為一種旁分泌因子，可由骨祖細胞、成骨細胞、骨細胞和破骨細胞等合成。IGF-1具有胰島素樣代謝作用(短期)和生長因子樣作用(長期)，影響細胞增殖和分化[7]。內(nèi)分泌與旁分泌性IGF-1都有助于調(diào)節(jié)骨量，內(nèi)分泌性IGF-1主要影響皮質(zhì)骨，旁分泌性IGF-1對小梁骨起主要作用[8]。

1.3 作用機制及調(diào)控 IGF-1主要通過與胰島素樣生長因子-1受體(insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-1R)特異性結(jié)合發(fā)揮生理作用，其中多種胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白(insulin-like growth factor binding proteins，IGFBPs)可調(diào)控IGF表達釋放。IGF-1R是一種異四聚體，由兩個α和兩個β亞基組成。α亞基位于細胞外，β亞基位于細胞內(nèi)，兩者通過二硫鍵連接。β亞基包含一個酪氨酸激酶域，其對大部分生物學效應(yīng)的發(fā)揮至關(guān)重要。IGF-1通過與IGF-1R α亞基結(jié)合，使β亞基發(fā)生交叉磷酸化并激活酪氨酸激酶，從而發(fā)揮生物學效應(yīng)[2，9]。

IGFBP-1至IGFBP-6通過與IGF-1相互作用進行調(diào)節(jié)。IGFBPs儲存IGF-1，并在裂解后激活I(lǐng)GF-1。雖然循環(huán)中IGF-1的含量相對較高，但高達75%的IGF-1存在于含有IGFBP-3和酸性不穩(wěn)定亞基(acid-labile subunit，ALS)的三元復合物中。IGFBP-3在循環(huán)中是最豐富的，但成骨細胞表達IGFBP-4和IGFBP-5居多?？傮w來說，IGFBP-3、IGFBP-5刺激成骨細胞功能，IGFBP-1、IGFBP-2、IGFBP-4、IGFBP-6抑制成骨細胞功能。IGFBP-3、IGFBP-5與IGF-1結(jié)合形成的三元復合物可延長IGF-1在循環(huán)中的半衰期，IGFBP-5與細胞表面蛋白結(jié)合，可提高局部IGF-1濃度；而IGFBP-1、IGFBP-2、IGFBP-4、IGFBP-6與IGF-1結(jié)合可阻斷其與IGF-1R的相互作用[10]。IGF-1表達的系統(tǒng)性調(diào)控還受多種激素的影響。甲狀旁腺激素、雌激素和甲狀腺激素可使成骨細胞中IGF-1表達上調(diào)[11]，而糖皮質(zhì)激素和1，25-(OH)2D3可下調(diào)IGF-1的表達[12]。

2 IGF-1對骨代謝的調(diào)節(jié)

2.1 IGF-1對骨代謝調(diào)節(jié)的機制 IGF-1是胚胎時期和出生后促進骨骼發(fā)育的主要合成代謝物質(zhì)，在哺乳動物骨骼的正常發(fā)育中起著至關(guān)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水平顯著下降，可能與骨丟失相關(guān)。IGF-1通過與成骨細胞、軟骨細胞、破骨細胞及骨細胞的同源受體結(jié)合，引起一系列介導細胞分化和其功能基因的激活，可參與調(diào)節(jié)骨代謝發(fā)展過程。

IGF-1對正常成骨細胞的發(fā)育和功能非常重要，能刺激成骨細胞的活化、增殖、分化和基質(zhì)生成[14]。Xian等[15]報道，骨基質(zhì)中釋放的IGF-1通過活化哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamyoin，mTOR)，刺激募集的間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)向成骨分化，從而維持適當?shù)墓俏⒔Y(jié)構(gòu)和骨量。敲除骨祖細胞中IGF-1R的小鼠骨量和骨礦物質(zhì)沉積率均低于野生型小鼠。Bakker等[16]的研究結(jié)果也表明，IGF-1和機械刺激通過激活蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)-mTOR通路，促進成骨細胞mRNA翻譯，使成骨細胞骨基質(zhì)蛋白合成增多。Sasanuma等[17]支持磷酸肌醇依賴激酶1-叉頭轉(zhuǎn)錄因子1(phosphoinositol dependent kinase 1-forkhead box protein O1，PDK1-FoxO1)信號在下丘腦弓狀核刺鼠相關(guān)蛋白(agouti-related protein，AgRP)神經(jīng)元磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K，PI3K)/AKT通路下游發(fā)揮作用，通過促生長激素釋放激素-生長激素-IGF-1軸調(diào)控骨代謝，促進骨的形成。

IGF-1在軟骨內(nèi)骨形成過程中起著重要作用。Wang等[18]研究表明，在出生后骨發(fā)育過程中，IGF-1信號通路能促進表達鋅指結(jié)構(gòu)骨形成轉(zhuǎn)錄因子的軟骨膜細胞增殖和軟骨基質(zhì)降解，刺激血管內(nèi)皮生長因子的表達和血管化。這些過程是次級骨化中心建立時正常軟骨管形成所必需的。Zhang等[19]經(jīng)研究證實，不同劑量的IGF-1在兔關(guān)節(jié)軟骨缺損組織中誘導不同的基因表達譜。高劑量IGF-1可顯著上調(diào)缺損鄰近軟骨層Ⅱ型膠原纖維α1基因表達，改變細胞外基質(zhì)組成，從而改善新軟骨的形成和完整性；低劑量IGF-1可使金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13，MMP-13)和纖維母細胞生長因子-2(fibroblast growth factor-2，F(xiàn)GF-2)的表達明顯上調(diào)。早期MMP-13的增加可能導致軟骨下骨的吸收，促進MSCs遷移到缺損部位；FGF-2是關(guān)節(jié)軟骨再生的促進劑。因此，低劑量IGF-1能更有效地調(diào)控軟骨下骨的基因表達，促進軟骨下骨的改造和重建。

IGF-1通過調(diào)節(jié)骨吸收與骨形成的耦合來維持正常的骨量。在骨重塑過程中，骨基質(zhì)釋放轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming-growth-factor，TGF-β1)和IGF-1來應(yīng)對破骨細胞性骨吸收。TGF-β1誘導MSCs遷移，IGF-1誘導成骨細胞分化，增強成骨細胞功能。而成骨細胞又通過胰島素受體底物應(yīng)答IGF-1信號，上調(diào)核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κBligand，RANKL)的表達及分泌，促進破骨細胞形成和活化[6]。因此，IGF-1可以促進骨形成及骨吸收，使骨周轉(zhuǎn)率增加。

2.2 IGF-1的治療作用 臨床研究和動物模型均發(fā)現(xiàn)，敲除IGF-1基因后會抑制各階段的發(fā)育和骨骼生長，甚至導致身材矮小、消瘦和骨骼脆性增加。Courtland等[20]發(fā)現(xiàn)，血清IGF-1的減少會影響骨骼發(fā)育，導致骨骼變細，也影響皮質(zhì)內(nèi)骨重塑和衰老過程中骨強度的維持。在發(fā)育早期，IGF-1的缺乏會造成骨密質(zhì)部分、皮質(zhì)厚度和骨密度更大程度地降低，使骨的最大強度、最大彎矩降低。因此，早期IGF-1減少會導致骨干方向皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)和強度下降[21]。Huang等[22]指出小鼠牙根成牙細胞中IGF-1信號減弱可影響上皮根鞘的伸長和成牙細胞分化，破壞牙根的形成。Elis等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在組織IGF-1基因表達下降的情況下，長期維持血清IGF-1高水平足以建立正常的體型和骨骼結(jié)構(gòu)。

Luginbuehl等[24]研究發(fā)現(xiàn)，將IGF-1聚乳酸微球?qū)牍侨睋p處可上調(diào)不同生長因子基因，使缺損部位新骨形成得到改善。也有學者指出，IGF-1治療會刺激拔牙窩成骨細胞分化，促進新骨形成，減少拔牙后牙槽嵴的損失[25]。Poudel等[26]經(jīng)研究證實，局部給予IGF-1能促進成骨細胞轉(zhuǎn)錄因子核心結(jié)合蛋白因子2、成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子和骨形成蛋白-2的表達，增強成骨細胞特異性標志物堿性磷酸酶、骨鈣素、骨橋蛋白、骨涎蛋白等的表達，且抑制破骨細胞的形成。此外，利用植物懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的IGF-1處理可促進小鼠胚胎骨祖細胞的礦化，同時伴有成骨標記基因的上調(diào)。Fukaya等[27]的研究結(jié)果表明，單側(cè)髁突腔局部注射IGF-1可廣泛上調(diào)軟骨Ⅱ型膠原蛋白、印度豪豬蛋白的表達，且細胞增殖標志物抗原Ki67、蛋白激酶的表達也增強，從而誘導小鼠單側(cè)下頜軟骨內(nèi)成骨生長。Sundstrom等[28]指出，重組人IGF-1治療可增加皮質(zhì)骨量，但不能進一步提高經(jīng)重組人生長激素治療的健康雌性大鼠的骨生長。另有研究發(fā)現(xiàn)，皮下注射重組人IGF-1可提高妊娠相關(guān)血漿蛋白A2缺乏癥患者體內(nèi)游離和總的IGF-1濃度，使全身骨密度增加[29]。由上可見，IGF-1治療可以促進成骨，增加骨量及骨密度。

目前研究結(jié)果顯示通過上調(diào)IGF-1的表達可促進骨生長。例如，腸道微生物群可提高肝臟、脂肪組織及血清中IGF-1水平，從而提高生長板活性，促進縱向和徑向骨生長[30]。石榴籽油可顯著增加骨長、骨形成率、生物力學參數(shù)、骨密度和骨微結(jié)構(gòu)。這種效應(yīng)機制是石榴籽油可調(diào)節(jié)肝臟IGF-1基因，釋放大量IGF-1，并刺激骨內(nèi)IGF-1信號通路傳導，從而促進骨形成[31]。Moon等[32]指出，半胱氨酸可促進肝臟IGF-1 mRNA表達，促進血清IGF-1高表達，并通過酪氨酸激酶2-信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活子5磷酸化上調(diào)IGF-1來增加生長板的厚度，改善骨參數(shù)，誘導縱向骨生長。

綜上所述，隨著對IGF-1研究的深入，已經(jīng)可知IGF-1在促進成骨細胞、軟骨細胞和破骨細胞的形成及分化，促進骨的形成和重建等方面發(fā)揮著不可忽視的作用，提示我們應(yīng)重視IGF-1在骨代謝性疾病的治療意義。雖然IGF-1的臨床應(yīng)用還處于實驗階段，但隨著對這一領(lǐng)域的深入研究，它將會為今后臨床工作中精確調(diào)節(jié)骨代謝和防治骨代謝疾病提供新的思路和方法。