武玉鳳，李 勛，李文月，張志民，楊瑤瑤,杜奧博

(吉林大學口腔醫(yī)院 牙體牙髓病科，吉林 長春130021)

胰島素樣生長因子-1(IGF-1)及其受體(IGF-1R)是能夠調節(jié)細胞生長分化的有效生物遞質，對細胞的增殖分化、組織再生等有重要作用。IGF-1可通過激活其受體IGF-1R的下游信號傳導途徑來調節(jié)細胞的一系列生理活動，同時也參與了多種疾病的發(fā)生發(fā)展，因此近年來受到廣泛關注。本文就IGF-1及其受體(IGF-1R)在牙髓干細胞中的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 IGF-1及其受體IGF-1R

胰島素樣生長因子-1是由70個氨基酸組成、3對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，局部組織也可產生少量IGF-1，以自分泌、旁分泌等形式作用于靶細胞。IGF-1是具有調節(jié)代謝、促進細胞生長作用很強的多肽因子，通過有絲分裂刺激和DNA合成控制細胞的生長分化。IGF-1生物學特性受IGF結合蛋白(IGFBP)及其受體IGF-1R的調節(jié)[1]，以調控各種細胞功能活動。因此IGF-1/IGF-1R通路又被稱為IGF-1/IGF-1R軸。IGF-1R是細胞表面的跨膜受體蛋白，由兩個α亞單位和兩個β亞單位組成，α亞單位位于膜外，有與IGF-1肽結合的位點，β亞單位位于膜內，完成透膜信號。IGF-1R同樣在細胞有絲分裂、促進細胞轉化和抗細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在人類牙髓間充質干細胞中表現(xiàn)出多能性，研究證實，IGF-1R被認為是胚胎干細胞(ESC)的自我更新和多能性標記物[2,3]。

2 牙髓干細胞(DPSCs)

DPSCs是由牙髓衍生的間充質干細胞，經證實其具有成牙本質，成骨，成脂，神經源性，成軟骨等多向分化的潛能[4]。Gronthos S等[5]于2000年第1次提出了牙髓干細胞的概念,并在體外成功分離和培養(yǎng)。牙髓組織中的神經嵴細胞衍生的多能干細胞具有神經源性分化的能力，包括外胚層和間充質組分[6]。臨床研究顯示，DPSCs一般來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胞類型，包括成骨細胞，神經元和肝細胞[7]等，在疾病治療中， 因其容易獲得且來源于自體細胞，可避免免疫排斥反應[8]，因此DPSCs是替代骨髓間充質干細胞的替代方法，可用于再生治療。

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

3 IGF-1、IGF-1R及其信號通路與DPSCs

近年來研究發(fā)現(xiàn)BMMSCs會加速骨組織再生，除了干細胞和仿生材料之外，合適的生長因子(GFs)也是組織再生所必需的。且有關報道顯示，與成纖維細胞或人骨髓來源的間充質干細胞相比，DPSCs含有較多的IGF-1[10]生長因子。DPSCs具有一定的成骨分化和增殖等功能，細胞生長因子可以通過激活相關通路進行DPSCs增殖分化的調控。研究顯示,IGF-1 與IGF-1R結合發(fā)生磷酸化，從而激活下游多種介質[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PI3K/Akt信號通路與MAPK-Erk信號通路。

3.1IGF-1通過mTOR通路促進DPSCs增殖和成骨分化

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

有研究表明，體外提取DPSCs進行增殖分化顯示：DPSCs的增殖活性與IGF-1劑量有關，20-200 ng/mL時DPSCs增殖能力增加，但在100 ng/mL時DPSCs增殖能力最強，即最適濃度；在分化過程中用IGF-1(100 ng/mL)處理DPSCs 21天，在這21天成骨分化過程中，上調了ARS/ALP陽性細胞率和成骨細胞標志物(RUNX2[15],OSX[16],OCN[17])表明IGF-1是干細胞骨組織再生的有效成分；同時，檢測到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，說明DPSCs經過IGF-1刺激后激活mTOR通路。同時，當加入PI3K抑制劑LY294002時，活化的PI3K、Akt、mTOR蛋白表達均減少，而僅加入mTOR通路抑制劑雷帕霉素后，只有mTOR活化被抑制，證實了IGF-1通過PI3K /Akt/mTOR通路促進DPSCs增殖和成骨分化[18]。

3.2IGF-1通過MAPK通路促進DPSCs增殖和成骨分化

MAPK家族的信號通路主要包括細胞外信號調控的蛋白激酶(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)和成牙本質細胞特異性標記物(DSPP)的表達水平顯著上調與未處理組細胞相比；同時，在IGF-1處理的DPSCs中檢測到，磷酸-ERK1/2和磷酸-P38的表達水平隨時間上調，且磷酸-ERK1/2表達水平顯著上調90分鐘，而對照組未表現(xiàn)出ERK1/2和P38磷酸化和磷酸化水平的變化。表明MAPK信號通路在DPSCs的成骨分化期間被激活，即IGF-1可以通過激活MAPK通路調控DPSCs的增殖和骨/牙源性分化。

在DPSCs中IGF-1誘導的RUNX2，OSX，OCN和DSPP的上調表明IGF-1可能在成骨和牙齒形成過程中作為重要的生長刺激因子[20]。許多臨床和動物研究表明生長因子，包括轉化生長因子(TGF)[21]，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)[22]，成纖維細胞生長因子(FGF)[23]和胰島素樣生長因子1(IGF-1)[24]，可誘導牙髓干細胞分化為成牙本質細胞，繼而形成牙本質或修復性牙本質[25,26]，這對未來牙髓疾病的治療提供依據。最新研究，IGF-1受體信號傳導通路抑制劑的實驗顯示，抑制 MAPK途徑抑制EphB2表達和抑制PI3K / Akt / mTOR通路特異性抑制ephrinB1基因表達[25][Eph受體屬于受體酪氨酸的亞家族，通過跨膜配體(ephrins)活化]，Wang 等學者已經證實EphB2 / ephrinB1的相互作用在體外成牙本質細胞增殖和分化中發(fā)揮重要作用[27]，大量研究表明IGF- 1可以觸發(fā)至少兩個信號通路，包括MAPK和Akt通路[28]，且在過程中也會有下游信號因子的會聚。

4 神經的恢復和再生

IGF-1在腦的正常發(fā)育中起到促進和保護神經元生長，抑制神經細胞凋亡等作用。目前已證實，IGF-1在體內和體外神經元和少突膠質細胞的增殖和成熟中起關鍵作用[29]，IGF-1可減輕缺氧缺血對腦組織造成的損害，在鼠腦缺血缺氧(NHI)模型中研究發(fā)現(xiàn)，多能IGF-1R + DPSCs的植入不僅增強神經元生長、分化和再生失去的神經元，還促進NHI腦中的神經突再生[6]。Lin S等[30]學者研究新生鼠缺氧缺血性腦損傷時，通過鼻內(iN)給藥途徑，發(fā)現(xiàn)IGF-1在鼻內給藥(iN)后30分鐘內沿著嗅覺和三叉神經途徑擴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的腦損傷，而且可以改善幼年大鼠的神經功能。另有實驗證實將體外培養(yǎng)的DPSCs進行神經誘導分化并移植入脊髓損傷的大鼠中，能夠減少神經細胞的凋亡，促進后肢運動功能的恢復[31]。

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

神經功能恢復的關鍵機制涉及神經營養(yǎng)和免疫調節(jié)/免疫抑制因子的釋放，重要的是，干細胞的自體來源，容易承載神經分化，可能具有不需要免疫抑制的主要優(yōu)勢[33,34]。近年來，干細胞和組織工程學技術的飛速發(fā)展，研究已經證實牙髓干細胞可在臨床上應用于骨再生、神經再生等再生醫(yī)學領域[35]?？傊?，這些結果表明自體DPSCs可能提供神經恢復和再生的可行戰(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的組合可以增強骨形成和組織重建。 Fang Y[36]研究IGF-1對糖尿病大鼠牙槽骨重塑的影響，發(fā)現(xiàn)經過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，同時糖尿病大鼠的葡萄糖主要轉運蛋白(GLUT1蛋白)表達正?；?，這些結果表明IGF-1可能是治療糖尿病相關骨疾病，特別是糖尿病相關牙科疾病的有效藥物。另有研究IGF-1通過刺激坐骨神經切除大鼠的成骨細胞數(shù)量和活性來增加骨形成，并通過減少破骨細胞分化來抑制骨丟失[37]，減少骨的吸收，改善骨質疏松。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

IGF-1及IGF-1R具有促進細胞增殖分化的特點，且生理作用廣泛。目前諸多國內外學者研究顯示，IGF-1/IGF-1R與腫瘤、糖尿病、周圍神經病變等疾病發(fā)生發(fā)展均有一定程度的聯(lián)系，這為以后疾病的發(fā)病機制、診治提供重要依據。目前，牙髓干細胞已成為組織工程領域的熱點干細胞之一，因其具有多向分化潛能，能夠誘導組織再生，但多數(shù)研究都處于實驗階段，需要進行長期的臨床研究。因此，對于IGF-1和DPSCs的研究前景十分廣泛，對未來牙髓及全身疾病的治療提供可靠的依據。

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