史曉偉,張新定,龍碧波,周學(xué)蘭,石碩,何茹

?

IGF-1促進(jìn)肌腱愈合研究進(jìn)展

史曉偉1,2,張新定1,龍碧波1,周學(xué)蘭1,石碩1,何茹1

從離體肌腱細(xì)胞培養(yǎng)、肌腱組織工程、在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等角度探索IGF-1促進(jìn)肌腱愈合的作用，指出IGF-1應(yīng)用于肌腱研究的方向，這對(duì)未來(lái)肌腱愈合機(jī)制的探索起到重要的推動(dòng)作用。

IGF-1；肌腱；愈合

胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是生長(zhǎng)因子家族里的重要一員，它在人體中分布廣泛，對(duì)細(xì)胞增殖、機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育等起著重要的調(diào)控作用。近年來(lái)在研究中發(fā)現(xiàn)IGF-1同樣在肌腱修復(fù)和愈合中扮演著重要的角色，并受到越來(lái)越多的關(guān)注，本文對(duì)IGF-1促進(jìn)肌腱愈合進(jìn)行綜述。

1　IGF-1在肌腱愈合中的表達(dá)

損傷肌腱在愈合過(guò)程中，IGF-1的表達(dá)多以升高為主。Ahmed研究了糖尿病Goto-Kakizaki鼠的跟腱，將其右側(cè)跟腱切斷，左側(cè)不做處理，在傷后2周時(shí)，右側(cè)跟腱中IGF-1的表達(dá)顯著高于左側(cè)對(duì)照組跟腱[1]。Chen切斷雞的屈趾肌腱后并進(jìn)行手術(shù)修復(fù)，在術(shù)后進(jìn)行為期3周的觀察，發(fā)現(xiàn)肌腱愈合早期IGF-1的表達(dá)顯著升高[2]。Berglund將新西蘭兔的屈肌腱切斷后觀察3、6、21、42天的愈合狀況，IGF-1表達(dá)在兔屈肌腱中表現(xiàn)出晚點(diǎn)增高的現(xiàn)象，即修復(fù)期內(nèi)緩慢增高，直到第21天才達(dá)到峰值，且呈現(xiàn)出明顯的差異性[3]。陳亮對(duì)21只大鼠切斷單側(cè)跟腱后立即以絲線修復(fù)，術(shù)后第1、3、5、7、14、21和28天分別進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在損傷修復(fù)過(guò)程中，術(shù)后第1天跟腱內(nèi)IGF-1即開(kāi)始高表達(dá)，但在第7天時(shí)顯著降低[4]。在以上報(bào)道中，肌腱愈合時(shí)IGF-1的表達(dá)均升高，但是升高起始的時(shí)間節(jié)點(diǎn)并不一致，這可能與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物物種、實(shí)驗(yàn)方法和肌腱所處部位不同有關(guān)。IGF-1在肌腱愈合過(guò)程中均呈現(xiàn)出明顯升高的特征，這表明IGF-1在肌腱愈合中起著極其重要的作用，是一個(gè)不能忽視的生長(zhǎng)因子。

2　IGF-1在肌腱愈合中的作用

為了探究IGF-1在肌腱愈合中的作用，目前人們常使用離體肌腱細(xì)胞培養(yǎng)、肌腱組織工程和在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等方法來(lái)進(jìn)行研究。

2.1IGF-1對(duì)體外培養(yǎng)肌腱細(xì)胞的作用

早在2003年，程昌志[5]就進(jìn)行了IGF-1轉(zhuǎn)染對(duì)離體培養(yǎng)肌腱細(xì)胞分裂增殖作用的研究，發(fā)現(xiàn)IGF-1 mRNA 和活性蛋白在轉(zhuǎn)染細(xì)胞內(nèi)正確表達(dá)，轉(zhuǎn)染組的每分鐘閃爍值(CPM)和I型膠原熒光強(qiáng)度均顯著高于對(duì)照組，證實(shí)IGF-1基因轉(zhuǎn)染能夠促進(jìn)腱細(xì)胞的分裂增殖及I型膠原的分泌，由于腱細(xì)胞的分裂增殖和I型膠原的分泌對(duì)肌腱愈合過(guò)程有著重要的影響，提示IGF-1可能對(duì)肌腱愈合產(chǎn)生積極的作用。

近些年來(lái)，由于干細(xì)胞等再生醫(yī)學(xué)逐漸成為研究熱點(diǎn)，有關(guān)IGF-1對(duì)離體肌腱細(xì)胞的研究多涉及IGF-1促使干細(xì)胞向腱細(xì)胞分化等具體研究方向。Holladay[6]指出在肌腱干細(xì)胞中補(bǔ)充IGF-1可維持肌腱干細(xì)胞多向分化潛能達(dá)28天，對(duì)其增殖和表型維持起到積極的促進(jìn)作用。除了肌腱干細(xì)胞，IGF-1對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞也有促進(jìn)作用，Schneider[7]證實(shí)了IGF-1和TGF-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)聯(lián)合使用可以誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化為腱細(xì)胞。間充質(zhì)干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)中有很大潛力，可能會(huì)是肌腱愈合和再生的一種重要方法。

2.2IGF-1在肌腱組織工程中的作用

IGF-1不僅在肌腱干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞中起重要作用，而且在肌腱組織工程中也扮演了重要角色。組織工程通過(guò)生物材料設(shè)計(jì)適用于人體相似的機(jī)體器官或組織，為再生醫(yī)學(xué)所用，在此過(guò)程中常常需要生物分子諸如一些生長(zhǎng)因子來(lái)誘導(dǎo)所要分化細(xì)胞的活性[8]，而IGF-1恰恰是類(lèi)似的生長(zhǎng)因子之一。膠原——糖胺聚糖支架在肌腱組織工程研究中有較多報(bào)道，利用IGF-1處理可以調(diào)節(jié)該支架肌腱細(xì)胞的活力、生存力和代謝活性，為完成組織工程整個(gè)過(guò)程起到“畫(huà)龍點(diǎn)睛”的作用。目前研究經(jīng)常使用IGF-1和其他一些生長(zhǎng)因子共同處理，如PDGF-BB(platelet-derived growth factor-BB, PDGF-BB)、bFGF(basic fibroblast growth factor, bFGF)、GDF-5(growth differentiation factor-5, GDF-5)等，以增加組織工程肌腱“活性”的實(shí)際效果[9-11]。現(xiàn)階段肌腱組織工程是再生醫(yī)學(xué)界普遍的研究熱點(diǎn)，仍在不斷發(fā)展之中，不僅給人們對(duì)肌腱愈合在方法學(xué)上提供了新的思路，而且在傳統(tǒng)肌腱愈合的基礎(chǔ)之上提出了新的挑戰(zhàn)和進(jìn)行了不斷的開(kāi)拓創(chuàng)新。

2.3IGF-1在在體肌腱愈合中的作用

雖然上述離體研究有了一定的進(jìn)展，給人們開(kāi)拓了一種新的思路，但是離體研究與在體研究在本質(zhì)上還是有較大的區(qū)別。此外，離體實(shí)驗(yàn)雖然能夠得到腱細(xì)胞活性升高等一些令人滿意的結(jié)果，但是由細(xì)胞構(gòu)成的組織再到組織構(gòu)成的器官是否還會(huì)擁有相應(yīng)的功能，這才是能否真正替代之前損傷組織或器官的關(guān)鍵所在，成為較為可靠的替代物。從某種意義上來(lái)看，離體到在體的研究還有很長(zhǎng)的路要走，因此，在體研究就顯得格外重要。

除了倫理道德等因素外，肌腱修復(fù)和愈合機(jī)制的研究較難在人體開(kāi)展，因而主要在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)完成。目前常通過(guò)外源性添加IGF-1探討其對(duì)肌腱愈合的作用。Tang利用超聲靶向微泡破壞技術(shù)(ultrasound-targeted microbubble destruction , UTMD)將IGF-1 cDNA轉(zhuǎn)染至大鼠受傷的跟腱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組大鼠的跟腱粘連評(píng)分最低、肉芽組織和炎性細(xì)胞浸潤(rùn)程度最輕，IGF-1表達(dá)在轉(zhuǎn)染后2至8周最高，組織再生能力增強(qiáng)，并從生物力學(xué)角度分析了IGF-1轉(zhuǎn)染能提高大鼠跟腱的最大載荷、剛度和強(qiáng)度，表明IGF-1對(duì)愈合跟腱的功能起到積極的促進(jìn)作用[12]。Zumstein[13]在總結(jié)了白細(xì)胞和富血小板纖維蛋白釋放多種生長(zhǎng)因子的基礎(chǔ)之上，研究發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞和富血小板纖維蛋白處理肩袖損傷后，其儲(chǔ)存并提供的局部特異性愈合生長(zhǎng)因子(主要為IGF-1)至少維持28天，因而指出白細(xì)胞和富血小板纖維蛋白對(duì)肩袖損傷的治療有較好的輔助作用，同時(shí)也間接說(shuō)明IGF-1可能參與肩袖損傷中肌腱的修復(fù)和愈合。除了補(bǔ)充IGF-1對(duì)損傷肌腱的愈合作用之外，還可以探討其他方法(如運(yùn)動(dòng))對(duì)肌腱IGF-1表達(dá)的影響。Keller[14]對(duì)大鼠實(shí)施每天20分鐘，一周5次，共5周的高、低強(qiáng)度全身振動(dòng)訓(xùn)練后，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度全身振動(dòng)訓(xùn)練可使大鼠髕腱膠原顯著增加、IGF-1表達(dá)趨勢(shì)性上調(diào)，表明高強(qiáng)度全身振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)髕腱起潛在的合成作用，能有效的預(yù)防髕腱損傷。雖然Keller的研究并未從損傷髕腱愈合的角度出發(fā)，但他的研究結(jié)果可能揭示出IGF-1表達(dá)的上調(diào)與髕腱的潛在合成作用增加有關(guān)，這不僅為繼續(xù)探索IGF-1促進(jìn)肌腱愈合的作用機(jī)制提供了基礎(chǔ)，而且也對(duì)人們從肌腱損傷的愈合到肌腱損傷的預(yù)防指出了思路和方向上的轉(zhuǎn)變。

3　小結(jié)與展望

本文重點(diǎn)從離體肌腱細(xì)胞培養(yǎng)、肌腱組織工程、在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等角度闡述了IGF-1促進(jìn)肌腱愈合的作用。肌腱損傷的愈合一直是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)在離體研究的基礎(chǔ)之上，繼續(xù)探討在體肌腱愈合的可行性以豐富肌腱損傷治療方法的研究，同時(shí)繼續(xù)探索肌腱愈合機(jī)制以闡明肌腱愈合的整個(gè)過(guò)程及其關(guān)鍵因素。

[1]Ahmed AS, Li J, Schizas N, et al. Expressional changes in growth and inflammatory mediators during Achilles tendon repair in diabetic rats: new insights into a possible basis for compromised healing[J]. Cell Tissue Res, 2014, 357(1):109-117.

[2]Chen CH, Cao Y, Wu YF, et al. Tendon healing in vivo: gene expression and production of multiple growth factors in early tendon healing period[J]. J Hand Surg Am, 2008, 33(10):1834-1842.

[3]Berglund ME, Hart DA, Reno C, et al. Growth factor and protease expression during different phases of healing after rabbit deep flexor tendon repair[J]. J Orthop Res, 2011, 29(6):886-892.

[4]陳亮，尹良軍，梁凱路，等.大鼠跟腱損傷修復(fù)局部生長(zhǎng)因子內(nèi)源性表達(dá)變化的研究[J].重慶醫(yī)學(xué)，2012，41(15):1476-1478.

[5]程昌志，張正治，潘險(xiǎn)峰，等.胰島素樣生長(zhǎng)因1基因轉(zhuǎn)染對(duì)大鼠肌腱細(xì)胞生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[J].中華實(shí)驗(yàn)外科雜志，2004，21(1):62-64.

[6]Holladay C, Abbah SA, O'Dowd C, et al. Preferential tendon stem cell response to growth factor supplementation[J]. J Tissue Eng Regen Med, 2014 Jan 29, [Epub ahead of print].

[7]Schneider PR, Buhrmann C, Mobasheri A, et al. Three-dimensional high-density co-culture with primary tenocytes induces tenogenic differentiation in mesenchymal stem cells[J]. J Orthop Res, 2011, 29(9):1351-1360.

[8]Hortensius RA, Harley BA. The use of bioinspired alterations in the glycosaminoglycan content of collagen-GAG scaffolds to regulate cell activity[J]. Biomaterials, 2013, 34(31):7645-7652.

[9]Caliari SR, Harley BA. Composite growth factor supplementation strategies to enhance tenocyte bioactivity in aligned collagen-GAG scaffolds[J]. Tissue Eng Part A, 2013, 19(9-10):1100-1112.

[10]Raghavan SS, Woon CY, Kraus A, et al. Optimization of human tendon tissue engineering: synergistic effects of growth factors for use in tendon scaffold repopulation[J].Plast Reconstr Surg, 2012, 129(2):479-489.

[11]Caliari SR, Harley BA. The effect of anisotropic collagen-GAG scaffolds and growth factor supplementation on tendon cell recruitment, alignment, and metabolic activity[J]. Biomaterials, 2011, 32(23):5330-5340.

[12]Tang Y, Leng Q, Xiang X, et al. Use of ultrasound-targeted microbubble destruction to transfect IGF-1 cDNA to enhance the regeneration of rat wounded Achilles tendon in vivo[J]. Gene Ther, 2015, 22(8):610-618.

[13]Zumstein MA, Berger S, Schober M, et al. Leukocyte- and platelet-rich fibrin (L-PRF) for long-term delivery of growth factor in rotator cuff repair: review, preliminary results and future directions[J]. Curr Pharm Biotechnol, 2012, 13(7):1196-1206.

[14]Keller BV, Davis ML, Thompson WR, et al. Varying whole body vibration amplitude differentially affects tendon and ligament structural and material properties[J]. J Biomech, 2013, 46(9):1496-1500.

Reaserch Progress on Tendon Healing by IGF-1

Shi Xiaowei1,2, Zhang Xinding1, Long Bibo1, Zhou Xuelan1, Shi Shuo1, He Ru1

The role of IGF-1 in promoting tendon healing is explored from the aspects of the culture of the isolated tendon cells, the tissue engineering of tendon, and the animal experiment in vivo. It is pointed that IGF-1 is applied in the direction of tendon study, which plays an important role in promoting tendon healing in the future.

IGF-1; tendon; healing

海南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：艾灸處理對(duì)末端病大鼠跟腱作用機(jī)制的研究(項(xiàng)目編號(hào)：20158361)

史曉偉(1984-)，男，陜西寶雞人，實(shí)驗(yàn)師，在讀博士研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究。

1.海南師范大學(xué)體育學(xué)院，海南 ?？?71158

School of Physical Education, Hainan Normal University，Haikou 571158, Hainan, China.

G804

A

1005-0256(2016)010-0017-2

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2016.010.009

2.上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，上海200438