牟方政 李榮亨 (三峽中心醫(yī)院中醫(yī)科，重慶 404000)

胰島素樣生長因子-1與骨關節(jié)炎研究進展

牟方政 李榮亨1(三峽中心醫(yī)院中醫(yī)科，重慶 404000)

胰島素樣生長因子-1;細胞因子;骨關節(jié)炎

胰島素樣生長因子(IGFs)是一類進化上十分保守的復雜多肽系統(tǒng)，由胰島素樣生長因子(IGF)-1，IGF-2、IGF-1受體(IGF-1R)、IGF-2受體(IGF-2R)及6種胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBPs)共同組成。IGF-1是IGFs系統(tǒng)中的主要因子之一，可由多種組織細胞合成，通過內(nèi)分泌、旁分泌或自分泌方式作用于靶器官，調(diào)節(jié)糖原和蛋白質(zhì)的合成與分解，參與個體的新陳代謝、細胞增殖、分化及凋亡過程，對機體多個系統(tǒng)的損傷及修復也具有十分重要的作用。骨關節(jié)炎(OA)是以軟骨退變?yōu)橹饕±肀憩F(xiàn)的骨骼運動系統(tǒng)疾病，目前研究認為盡管OA的病因病機不十分清楚，但是IGF-1在OA發(fā)病過程中所起到的作用越來越引起人們重視。本文就IGF-1對OA影響的研究作一綜述。

1 IGF-1

1.1 IGF-1結構特點

IGF-1是人體內(nèi)的一種重要細胞因子，與胰島素原結構相似，不同動物種屬間有高度的保守性。1976年由Rinderknecth及Humbel首次從人血清中分離得到。IGF-1由70個氨基酸殘基組成，相對分子量7 649 D，等電點pI約8.2，鏈間6～48、47～52、18～61位置上由 3個二硫鍵交聯(lián)，與胰島素原高度同源，其分子中有約60%的氨基酸序列與胰島素原相同，其基因位于第12號染色體長臂上，三維結構與胰島素原非常相似〔1〕。不同動物種屬來源的IGFs蛋白質(zhì)序列具有高度同源性，牛與人、豬和羊的完全相同，而牛與鼠僅有4個氨基酸殘基不同，他們的遺傳保守性很強。

1.2 IGF-1功能特性

IGF-1主要存在于血液中。大部分來源于肝臟，且絕大多數(shù)IGF-1結合于IGFBP-3和1個酸不穩(wěn)定亞基，形成1個150 kD的3分子復合體，被運送到周圍組織發(fā)揮內(nèi)分泌作用。垂體分泌的生長激素和胰島分泌的胰島素入血液調(diào)節(jié)肝細胞分泌IGF-1。生長激素與肝細胞表面的生長激素受體結合后，促進肝細胞分泌IGF-1。目前普遍認為，在脊椎動物的生長發(fā)育階段，這種生長激素/胰島素樣生長因子(GH/IGFs)軸起重要作用。另外，體內(nèi)有很多組織如骨組織、肌肉組織等都可合成IGF-1，只是所合成的IGF-1不進入血液循環(huán)，而是在組織中直接反應發(fā)揮旁分泌或自分泌作用。這種局部組織細胞分泌的IGF-1與組織細胞表面IGF-1R結合后，誘導其受體的β亞基在酪氨酸殘基上自身磷酸化，這種磷酸化又進一步激活了受體本身的酪氨酸蛋白激酶的活性，并依次再催化一個或多個底物的磷酸化，激活磷酸酰肌醇3激酶-絲/蘇氨酸蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白系統(tǒng)(PI3K-PKB-TOR)和絲/蘇氨酸激酶-絲裂原活化蛋白激酶系統(tǒng)(RAF-MAPK)通路發(fā)揮多種生物學效應，可以促進細胞增殖、細胞分化、細胞遷移、抑制細胞凋亡，起到調(diào)節(jié)機體代謝，生長發(fā)育，生殖免疫，抗衰老等作用〔2〕。IGF-1這些生理效應受IGFBPs調(diào)控，IGFBPs與IGF-1結合可以降低IGF-1與IGF-R1結合的親和力，從而抑制了IGF-1的生物活性。

2 IGF-1對軟骨的作用

軟骨主要由軟骨細胞和基質(zhì)組成。軟骨細胞是軟骨中唯一細胞，在IGF-1的作用下可以增殖，并合成軟骨基質(zhì)蛋白多糖和基質(zhì)膠原。在生理情況下，嬰兒、兒童、青春期，IGF-1通過刺激軟骨細胞的增殖和塑形使骨呈線性生長。在成人，IGF-1通過刺激軟骨細胞合成基質(zhì)蛋白，抑制軟骨細胞衰老和死亡。

在軟骨細胞培養(yǎng)中，軟骨細胞既可以分泌IGF-1，又可以受IGF-1的調(diào)節(jié)。在復合培養(yǎng)基系統(tǒng)中軟骨細胞可以表達TGF-β1 mRNA和IGF-1 mRNA〔3〕，說明這些生長因子可以由軟骨細胞分泌，且可能參與了軟骨細胞增殖。將外源性IGF-1加入到體外培養(yǎng)的兔關節(jié)軟骨細胞中，軟骨細胞增殖能力增強，且呈劑量依賴性促進細胞增殖〔4〕。進一步研究表明，IGF-1在10 g/L濃度時即可明顯促進軟骨細胞增殖，IGF-1作用于培養(yǎng)的人關節(jié)軟骨細胞后，呈劑量依賴性方式促進軟骨細胞增殖，IGF-1劑量達50 g/L時，細胞的增殖活性達最高值〔5〕。IGF-1聯(lián)合透明質(zhì)酸(HA)對人軟骨細胞的增殖具有協(xié)同效應，能夠有效維持軟骨細胞表型穩(wěn)定，促軟骨細胞增殖能力顯著增強，且促增殖作用時間后延〔5〕。

IGF-1不但能促進軟骨細胞分裂增殖，而且增強細胞功能，促進蛋白多糖(PG)及Ⅱ型膠原的合成。在炎癥因子白細胞介素(IL)-1介導的關節(jié)軟骨PG減少，IGF-1能明顯地加速PG合成，利于軟骨修復。IGF-1聯(lián)合 TGF-β1能夠下調(diào) COX-2和MMP-13，上調(diào)基質(zhì)調(diào)節(jié)酶(Erk 1/2)和軟骨形成轉(zhuǎn)移因子(Sox9)表達，刺激軟骨細胞分化，對軟骨細胞合成代謝有疊加效應，有穩(wěn)定軟骨形成的潛力〔6〕。最近也有人持不同觀點，一項在體實驗研究認為IGF-1呈劑量依賴性維持軟骨形態(tài)，但不能刺激軟骨合成〔7〕。

IGF-1還有抑制軟骨凋亡的作用。體外軟骨細胞培養(yǎng)中IGF-1能逆轉(zhuǎn)地塞米松對軟骨細胞增殖的抑制作用，并阻止膠原酶引起地軟骨細胞凋亡〔8〕。其作用機制可能是IGF-1通過PI3K和MARK信號通路阻止軟骨細胞凋亡〔9〕。而 Yokota等〔10〕研究認為IGF-I可能通過抑制caspase3表達，對下頜骨髁突軟骨細胞凋亡有抑制作用。

3 IGF-1對骨的作用

IGF-1大量儲存在骨組織中，是調(diào)節(jié)骨細胞功能和代謝的重要因子。成骨細胞和破骨細胞以及某些間充質(zhì)細胞都可分泌IGF-1，通過自分泌和旁分泌途徑發(fā)揮作用。IGF-1對骨代謝有調(diào)節(jié)作用，可促進骨細胞增殖和分化，刺激成骨細胞生成骨鈣素等非膠原蛋白和Ⅰ型膠原，促進骨基質(zhì)的形成和骨折愈合。陳藝濤等〔11〕分析認為IGF-1既可增加成骨細胞的功能，又可加強破骨細胞的功能，但對成骨細胞作用更強，刺激骨膠原合成，抑制膠原的降解，增加骨基質(zhì)沉積，骨密度增加。

4 IGF-1在骨關節(jié)炎發(fā)病過程中的作用

OA是一種以軟骨退變?yōu)橹鳎婕败浌窍鹿遣∽兒突ぱ装Y的骨關節(jié)退行性疾病。OA早期的病理改變表現(xiàn)為軟骨的腫脹，軟骨合成的加速，隨后的病理改變?yōu)檐浌菧p少、軟骨下骨硬化、骨贅形成、滑膜炎等。IGF-1在OA軟骨、滑膜、滑液及軟骨下骨中均有不同程度表達，血清中也存在一定濃度的IGF-1，對OA發(fā)生發(fā)展有重要影響。

IGF-1在兔OA模型軟骨的早期隨病史延長表達增加，軟骨缺損部位與軟骨完整部位相比表達明顯增加〔12〕，說明IGF-1具有促進軟骨基質(zhì)合成，修復軟骨缺損的作用。在人OA軟骨細胞中的IGF-1及IGF-1 mRNA的數(shù)量較正常為高。雖然OA軟骨細胞表面的IGF-1表達增加，但其軟骨細胞利用羥脯氨酸合成蛋白多糖的能力下降，IGF-1和受體之間的結合力也下降〔13〕，表明OA軟骨細胞對IGF-1不敏感，這可能和細胞表面的IGFBPs多于IGF-1受體有關。Hunziker等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)在人軟骨基質(zhì)和軟骨細胞內(nèi)的細胞質(zhì)和細胞核中IGFBPs特別是IGFBP-3，在OA軟骨細胞內(nèi)顯著增加。近來國外研究進一步發(fā)現(xiàn)，在OA患者有明顯肉眼病理改變的軟骨區(qū)取材的軟骨細胞，其IGF-1 mRNA比正常對照3.5倍，IGFBP-3比正常高24倍，IGFBP-5高l6倍，而IGF-2和IGFBP-4無變化。OA軟骨細胞表達IGFBP-3和-5增加，與IGF-1結合增多，降低IGF-1的合成代謝作用，促進軟骨退變〔15〕。因此，OA軟骨喪失的基本原因之一可認為是異常增加的IGFBps阻礙了IGF-1和受體之間的結合。

OA患者骨組織中有較多IGF-1表達。Massicotte等〔16〕通過研究OA患者骨組織發(fā)現(xiàn)，IGF-1通過激活軟骨下骨p42/44 MAPK信號途徑，破骨細胞產(chǎn)生更多的細胞增殖，可能導致OA軟骨下骨重塑。這可能是一種抵御骨質(zhì)疏松的機制 ，這也可能是導致軟骨下骨硬化的原因。在成人的骨贅中，骨細胞有IGF-l和IGF-1受體的mRNA表達，且成骨細胞表達數(shù)量最多，軟骨內(nèi)形成的新骨和破骨細胞也發(fā)現(xiàn)有三者的mRNA〔17〕，說明了自分泌的IGF對骨贅形成的作用。

另外，OA的滑膜組織中也有IGF-1 mRNA表達，提示滑膜參與了IGFs對軟骨的修復。軟骨細胞和滑膜細胞成為炎癥細胞因子的攻擊目標，但是滑膜表達的IGF-1并不能中和炎癥細胞因子IL-1，TNF-α對基質(zhì)合成的影響，抑制軟骨降解酶，歸咎于軟骨細胞對這些因子的抵抗〔18〕。

OA滑液中IGF-1水平顯著升高。Schmal等〔19〕發(fā)現(xiàn)有軟骨損傷的膝關節(jié)炎患者關節(jié)灌洗液IGF-1濃度顯著升高，手術修復后灌洗液IGF-1濃度也顯著升高，而沒有軟骨損傷的膝關節(jié)炎患者關節(jié)灌洗液bFGF和IGF-1都低水平表達，說明關節(jié)液中IGF-1參與了軟骨合成。盡管關節(jié)滑液中IGF-1水平升高，但是OA軟骨對IGF-1呈低反應，其機制可能也與IGFBPS有關。OA患者滑液中IGF-1升高，IGFBP-3水平上升更高，IGFBP-3/IGF-1比值高于正常，而 IGF-1R表達正?！?0〕，其結果是，大量的IGFBP-3抑制了IGF-1的活性，參與了OA的形成。

血清IGF-1濃度與OA存在一定關系。Lloyd等〔21〕研究結果表明在較嚴重的雙膝OA和遠指關節(jié)(DIP)OA患者中，血清IGF-1水平增加。有相反研究認為OA患者的血清IGF-1水平低于正常對照。Lis〔22〕用ELISA分析25個髖關節(jié)病患者和16個正常人血清中IGF-1和hGH濃度，結果二者血清hGH差異沒有統(tǒng)計學意義，患者組IGF-1濃度顯著低于對照組，認為血清IGF-1濃度可能是OA有用的實驗室指標。上述這種相反的結果還有待于進一步研究。一般認為OA血清中較高水平的IGF-1可能是機體企圖對軟骨進行修復的一種整體反應，而較低水平的IGF-1可能促進OA的形成。

5 IGF-1在骨關節(jié)炎治療中的應用

盡管OA的病因不清楚，但是IGF-1在OA中具有促進軟骨細胞增殖和基質(zhì)合成、抑制軟骨細胞凋亡等作用，進而修復損傷軟骨，已經(jīng)為人們所認識。近年來IGF-1應用于OA動物實驗取得了一定進展。

在兔關節(jié)軟骨缺損早期即行關節(jié)腔內(nèi)注射IGF-1，可有效促進關節(jié)軟骨缺損的修復，并延緩周圍軟骨的退變，從而預防OA的發(fā)生〔23〕。在兔關節(jié)截骨術模型中，隨著骨折修復，關節(jié)內(nèi)給予外源性IGF-1可以抑制軟骨細胞凋亡〔24〕。IGF-1聯(lián)合bFGF注入IL-1β介導的膝OA中，能夠顯著促進蛋白多糖的表達，效果優(yōu)于單純應用 IGF-1〔25〕。

關節(jié)內(nèi)注射轉(zhuǎn)基因軟骨細胞對OA有一定治療作用。給兔膝OA關節(jié)腔中注射TGF-β1和IGF-1雙基因聯(lián)合轉(zhuǎn)染的軟骨細胞，能夠促進軟骨缺損的修復，其效果優(yōu)于單基因〔26〕。Morisset等〔27〕通過將腺病毒轉(zhuǎn)染的IGF-1與IL-IRa注入12匹全層軟骨缺損造成的腕骨輕微骨折的馬關節(jié)中，觀察發(fā)現(xiàn)軟骨缺損痊愈。IGF-1與IL-1Ra聯(lián)合治療OA比單獨應用其一更可以減少軟骨的退變?？梢?，IGF-1與IL-1Ra聯(lián)合控制則可以減少甚至逆轉(zhuǎn)OA軟骨的丟失，可能更好地治療OA。

由于IGF-1不僅對骨組織有作用，而且對其他組織、器官中的細胞增生、分化也有很強的刺激作用，IGF-1會引起低血糖、水腫、顱內(nèi)高壓、暈厥、關節(jié)痛甚至致腫瘤等副作用，大大限制了其臨床應用，這些副作用可能與血中超生理水平的游離IGF-1有關。然而在局部組織高表達的IGF-1并不會進入循環(huán)系統(tǒng)而影響其他組織，因此對這些局部旁分泌的IGF-1功能進行深入研究，利用局部注射重組IGF-1和基因轉(zhuǎn)染軟骨細胞促進軟骨修復，將有助于治療OA。

1 張兵兵，王遠亮，范 開.IGF-1基因產(chǎn)物的結構和功能多樣化〔J〕.生理科學進展，2008;39(3)：209-13.

2 Jasminka Pavelic，Tanja Matijevic，Jelena Knezevic.Biological＆ physiological aspects of action of insulin-like growth factor peptide family〔J〕.Indian J Med Res，2007;125：511-22.

3 Gomez-Camarillo MA，Almonte-Becerril M，Vasquez Tort M，et al.Chondrocyte proliferation in a new culture system〔J〕.Cell Prolif，2009;42(2)：207-18.

4 趙 廣，付 勤，沈 濤.IGF-1對成兔關節(jié)軟骨細胞體外增殖的影響〔J〕. 中國醫(yī)科大學學報，2008;37(4)：513-4.

5 黃建榮，李衛(wèi)平，沈慧勇.胰島素樣生長因子I與透明質(zhì)酸對人關節(jié)軟骨細胞的作用〔J〕.中華生物醫(yī)學工程雜志，2008;3(14)：180-4.

6 Seifarth C，Csaki C，Shakibaei M.Anabolic actions of IGF-I and TGF-beta1 on interleukin-1beta treated human articular chondrocytes：evaluation in two and three dimensional cultures〔J〕.Histol Histopathol，2009;24(10)：1245-62.

7 Madsen SH，Sondergaard BC，Bay-Jensen AC，et al.Cartilage formation measured by a novel PIINP assay suggests that IGF-I does not stimulate but maintains cartilage formation ex vivo〔J〕.Scand J Rheumatol，2009;38(3)：222-6.

8 Mushtaq T，Bijman P，Ahmed SF，et al.Insulin-like growth factor-1 augments chondrocyte hypertrophy and reverses glucocorticoid mediated growth retardation in fetal mice metatarsal cultures〔J〕.Endocrinology，2004;145(5)：2478-86.

9 Koike M，Yamanaka Y，Inoue M，et al.Insulin-like growth factor-1 rescues the mutated FGF receptor 3(G380R)expressing ATDC5 cells from apoptosis through phosphatidylinositol 3-kinase and MAPK〔J〕.J Bone Miner Res，2003;18(11)：2043-51.

10 Yokota T，Shimokawa H，Shibata S，et al.Insulin-like growth factor 1 regulates apoptosis in condylar cartilage〔J〕.J Dent Res，2008;87(2)：159-63.

11 陳藝濤，郭 濤，伊培榮，等.血小板衍生性生長因子與胰島素樣生長因子對成骨細胞增殖及分化的影響〔J〕.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2003;4(5)：354.

12 李哲海，武宇赤，張霄雁.TGF-β和IGF-1在兔骨關節(jié)炎模型軟骨中的表達及其意義〔J〕.中國冶金工業(yè)醫(yī)學雜志，2007;24(6)：637-9.

13 Doré S，Abribat T，Rousseau N，et al.Increased insulin-like growth factor 1 production by human osteoarthritic chondrocytes is not dependent on growth hormone action〔J〕.Arthritis Rheum，1995;38(3)：413-9.

14 Hunziker EB，Kapfinger E，Martin J，et al.Insulin-like growth factor(IGF)-binding protein-3(IGFBP-3)is closely associated with the chondrocyte nucleus in human articular cartilage〔J〕.Osteoarthritis Cartilage，2008;16(2)：185-94.

15 Olney RC，Tsuchiya K，Wilson DM，et al.Chondrocytes from osteoar-thritic cartilage have Increased expression of insulin-like growth factor I(IGF-I)and IGF-Binding Protein-3(IGFBP-3)and-5，but not IGF-II or IGFBP-4〔J〕.J Clin Endocrinol Metab，2009;81(3)：1096-103.

16 Massicotte F，F(xiàn)ernandes JC，Martel-Pelletier J，et al.Modulation of insulin-like growth factor 1 levels in human osteoarthritic subchondral bone osteoblasts〔J〕.Bone，2006;38(3)：333-41.

17 Middleton J，Arnott N，Walsh S，et al.Osteoblasts and osteoclasts in adult human osteophyte tissue express the mRNAs for insulin-like growth factors Ⅰ and Ⅱ and the type 1 IGF receptor〔J〕.Bone，1995;16(3)：287-93.

18 Pelletier JP，Martel-Pelletier J.Role of synovial inflammation，cytokines and IGF-1 in the physiopathology of osteoarthritis〔J〕.Rev Rhum Ed Fr，1994;61(9)：103-8.

19 Schmal H，Mehlhorn A，Stoffel F，et al.In vivo quantification of intraarticular cytokines in knees during natural and surgically induced cartilage repair〔J〕.Cytotherapy，2009;11(8)：1065-75.

20 Femihough JK，Billingham ME，Cwyfan-Hughes S，et al.Local disruption of the insulin-like growth factor system in the arthritic joint〔J〕.Arthritis Rheum，1996;39(1)：1556-65.

21 Lloyd ME，Hart DJ，Nandra D，et al.Relation between insulin-like growth factor-1 concentrations，osteoarthritis，bone density，and fractures in the general population：the Chingford study〔J〕.Ann Rheum Dis，1996;55(12)：870-4.

22 Lis K.Insulin-like growth factor 1(IGF-1)and growth hormone(hGH)as the markers of osteoarthritis〔J〕.Chir Narzadow Ruchu Ortop Pol，2008;73(1)：49-52.

23 梅海龍，孔抗美，王 梅.關節(jié)腔內(nèi)注射IGF-1修復關節(jié)軟骨缺損及預防骨關節(jié)炎的實驗研究〔J〕.現(xiàn)代醫(yī)院，2007;7(12)：24-8.

24 Higgins TF，Johnson BD.Effect of exogenous IGF-1 on chondrocyte apoptosis in a rabbit intraarticular osteotomy model〔J〕.J Orthop Res，2010;28(1)：125-30.

25 Hagen Schmal，Alexander Mehlhorn，F(xiàn)abian Stoffe.In vivo quantification of intraarticular cytokines in knees during natural and surgically induced cartilage repair〔J〕.Cytotherapy，2009;11(8)：1065-75.

26 向 川，杜靖遠，翁習生，等.轉(zhuǎn)化生長因子-β1基因和胰島素樣生長因子1基因聯(lián)合轉(zhuǎn)染治療兔膝骨性關節(jié)炎的研究〔J〕.中華實驗外科雜志，2005;22(12)：1540-3.

27 Morisset S，F(xiàn)risbie DD，Robbins PD，et al.IL-lRa/IGF-1 gene therapy modulates repair of microfractured chondral defects〔J〕.Clin Orthop Relat Res，2007;462：221-8.

R684.3

〕 A

1005-9202(2012)22-5089-04;

10.3969/j.issn.1005-9202.2012.22.128

1 重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院中西醫(yī)結合科

牟方政(1981-)，男，主治醫(yī)師，碩士，主要從事中西醫(yī)結合老年病防治研究。

〔2011-10-18收稿 2012-04-11修回〕

(編輯 張 慧)