474 临床与病理杂志 J Clin Pathol Res 2015, 35(3) http://www.lcbl.net doi: 10.3978/j.issn.2095-6959.2015.03.027 View this article at: http://dx.doi.org/10.3978/j.issn.2095-6959.2015.03.027 生长因子用于软骨修复的研究进展 胡伟全综述赵建宁, 徐海栋, 张雷审校 ( 南京大学医学院临床学院 ( 南京军区南京总医院 ) 骨科, 南京 210093) [ 摘要 ] 各种原因导致的关节软骨损伤或软骨退行性变是临床的常见病, 目前尚缺乏有效的治疗方法 随着组织工程技术的发展, 组织工程为软骨损伤修复提供了新的方法 生长因子是软骨组织工程的一个基本要素, 近年来已成为软骨修复的研究热点, 其在软骨形成和软骨细胞基质的合成 代谢方面发挥重要的作用 本文就转录生长因子 -β 骨形态发生蛋白 胰岛素样生长因子等的最新研究做一综述, 以期发现理想的生长因子及其组合用于促进软骨修复 [ 关键词 ] 软骨修复 ; 细胞因子 ; 综述 Research advances of growth factors in cartilage repair HU Weiquan, ZHAO Jianning, XU Haidong, ZHANG Lei (Department of Orthopedics, Clinical College of Medical Nanjing University, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing 210093, China) Abstract Keywords Articular cartilage injury and degeneration, caused by a variety of reasons, is a common disease in clinic and lack of effective therapy so far. Yet with the development of tissue engineering, a new method is gradually applied for the cartilage renovation. Growth factor, as a basic factor of cartilage tissue engineering, have been a hot spot in recent researches, since it plays a significant role in not only chondrogenesis but also the formation of matrix and metabolism of cartilage chondrocyte. This article reviews the current advances of transforming growth factor-β, bone morphogenetic protein, insulin growth factor to find ideal growth factors as well as their combinations, in order to promote the cartilage renovation. cartilage repair; growth factor; review 由于缺乏血管, 关节软骨组织受损或退变后常难以自行修复 目前针对软骨组织损伤的治疗方法包括保守治疗及外科手术治疗, 尽管均能取得短期疗效, 但长期疗效不确切, 且外科手术治疗存在的有创性 对于较大的软骨缺损治疗效果 不理想, 使得其在临床上应用受到了限制 [1-4] 近年来, 组织工程在软骨修复方面显示出明显的优越性, 引起了越来越多研究者的关注, 已成为软骨损伤修复的热点研究方向 组织工程修复软骨损伤包括种子细胞 生长因子 支架材料和局部 收稿日期 (Date of reception):2014-12-23 通信作者 (Corresponding author): 赵建宁,Email: zhaojianning.0207@163.com 基金项目 (Foundation item): 江苏省临床医学科技专项资助 (BL2012002), 南京市科研课题 (201402007) This work was supported by Medical Scientific Research Foundation of Jiangsu Province(BL2012002), Research Project of Nanjing (201402007), P. R. China.
生长因子用于软骨修复的研究进展胡伟全, 等 475 微环境 4 大要素 生长因子以其可调节软骨细胞基 质的合成 代谢以及软骨形成, 引起了人们的重 视, 但理想的生长因子及其组合用于软骨修复尚 处于探索中 本文就转录生长因子 - β 骨形态发 生蛋白 胰岛素样生长因子等的最新研究做一综 述, 探索各生长因子及其组合在软骨修复中的可 能扮演的作用 1 转录生长因子 -β(transfroming growth factor β,tgf-β) TGF-β 家族能调节多种细胞的生长与分化, 生 物学活性非常广泛, 既往研究表明其可以诱导充质 干细胞 (mesenchylmal stem cells,mscs) 向软骨分 化 目前学者主要从分子机制和细胞外基质合成 两方面研究 TGF-β1 和 TGF-β3 对软骨合成的影响 TGF-β 诱导 MSCs 向软骨分化主要通过经典 的 Smad(drosophila mothers against decapentaplegic protein) 信号通路和非 Smad 信号通路 [5] Chen [6] 等在实验中证实 TGF-β1 可以通过 Smad3 诱导 II 型胶原合成, 同时抑制核心结合因子 (runt related gene-two,runx2) 诱导的基质金属蛋白酶 3(matrix metalloproteinase3,mmp-3) 表达, 从而阻止关节 软骨退变 这一通路同时也受 Smad7 的负反馈调 节 [7] 这表明 Smad 蛋白除了可以激活 TGF-β 基因 表达外, 同时具有调控 TGF-β 诱导合成软骨合成 的作用, 避免软骨合成失控 当实验中使用特异 性抑制剂抑制 AKT 活性时, 细胞外基质合成相关 基因 [II 型胶原 SOX9 (SRY-related high mobility group box 9) 蛋白聚糖 ] 表达明显降低 [8], 这表明 除了经典的 Smad 信号通路外,TGF-β 同样可以激活 其他信号旁路, 这些信号通路称为非 Smad 信号通路 也有学者单纯从细胞外基质的合成研究 TGF-β 对软骨合成的影响 将骨髓间充质干细胞 (bone mesenchylmal stem cells,bmscs) 经 TGF-β3 处理 后, 可见合成代谢基因表达增加 分解代谢相关 基因表达下降 [9] 目前体外实验表明 TGF-β 可以有效的促进 MSCs 向软骨分化, 但尚无体内实验证明, 这或 许是下一个研究方向 进行体内实验时, 安全 [10] 性是人们考虑的一个重要问题,Kim 等将编码 TGF-β1 的逆转录病毒转染 SMSCs, 发现过度表 达 TGF-β1 并不会影响滑 SMSCs 表型且可以促进 SMSCs 增殖及成软骨能力, 这或许可以打消人们 的部分顾虑 2 骨形态发生蛋白 (bone morphogenetic protein,bmp) BMP 是 TGF-β 超家族中的一员, 包括同源二聚 体和异质二聚体两种活性形式, 同样可以通过经 典 Smad 通路和非 Smad 通路诱导未分化的间充质细 胞分化形成软骨及促进软骨基质合成 [11] 目前实 验是主要研究 BMP-2 BMP-4 BMP-7 对软骨基质 合成的影响 [12] Liao 等通过腺病毒转染 HEK 293 细胞, 发现 BMP2 可以促进软骨相关蛋白合成 BMP-4/-7 在体 外实验中同样表现出其促软骨形成的能力 将 BMP- [13-15] 4/-7 与关节软骨或兔滑膜 MSCs 共同培养, 发现 II 型胶原及粘多糖合成明显增加 BMP 和其他生长 因子一样, 除了可以促进软骨基质合成外, 也可以 [16] 抑制分解代谢相关蛋白合成 Forriol 等将 BMP-7 分别加入软骨细胞及滑膜 MSCs 中, 发现 II 型胶原 表达增加而 MMP-2 MMP-13 表达明显下降 BMP 在实验中常联用其他生长因子促进软 骨生成, 较常见的为 BMP 与 TGF-β 的联合使用 [17] Iwakura 等发现同时加入 TGF-β1 和 BMP-7 或经 TGF-β1 培养后加入 BMP-7 均可以有效促进滑膜组 织软骨生成和浅表层蛋白表达 事实上,BMP 与 TGF-β 的联合使用除了可以促进软骨生成外, 还 可以在早期抑制软骨细胞向肥大细胞分化 [18] 当 BMP 与 3 种或 3 种以上促软骨形成物质共同使用 时, 其促进软骨生成能力将得到进一步加强 陈 [19] 松等使用 TGF-β3 BMP-2 和 DEX 诱导兔滑膜 间充质干细胞 (synovial mesenchymal stem cells, SMSCs), 当三者联合使用时, 软骨微球直径最 大 重量最重 蛋白聚糖及 II 型胶原合成量最多 以上实验表明 BMP 在促进软骨修复方面具有很大 的潜在价值, 但应与多种生长因子共同使用, 而 体内实验时当前研究的空白 3 胰岛素样生长因子 (insulin-link growth factor,igf) IGF 在体内及体外实验中均证明其能可以促进 软骨细胞增殖 刺激细胞分泌细胞外基质及抑制 细胞外基质降解酶, 从而促进软骨修复 在实验 中,IGF-1 较 IGF-2 能更好的促进软骨修复 目前, 研究人员更关注 IGF-1 对软骨修复的影响 将 IGF-1 单独或与 BMP-2 共同处理间充质干细 胞时, 均可见软骨样细胞及软骨小颗粒合成, 同 时细胞外基质合成增加 [20-21] 在促进合成代谢增
476 临床与病理杂志, 2015, 35(3) http://www.lcbl.net 加的同时,IGF-1 也抑制分解代谢 在创伤性骨关节炎的发生机制中, 白介素 -1 升高可以抑制细胞外基质合成, 诱导细胞凋亡, 而 IGF-1 可以阻止这一过程 [22] 体内实验中同样证明 IGF-1 具有促进软骨修复的能力, 将转染 IGF-1 的质粒注射入兔或老鼠的关节腔内时, 在滑液中可见粘多糖 II 型胶原合成增加, 同时抑制细胞凋亡及一氧化氮合成, 延缓关节软骨损伤 [23-24] IGF-1 也可以与其他方法共同使用促进软骨修复 当将 IGF-1 与自体软骨移植技术或微骨折技术联合使用时, 与对照组相比, IGF-1 具有明显促进软骨愈合的能力 [25-26] IGF-1 在体内及体外实验中均表现为可以明显促进软骨修复, 与其他技术联合使用时取得满意的效果, 在组织工程用于软骨修复中具有潜在的应用价值, 但目前缺少 IGF-1 与其他生长因子在体内共同促进软骨修复的报告, 多种生长因子共同作用及体内实验或许是下一个研究方向 growth factor,vegf), 这些生长因子在体内外实验 中均证明可有效的促进软骨细胞增殖及细胞外基 质合成 近年来越来越多学者开始使用 PRP 用于软 骨修复 在体外培养中, 自体 PRP [32] 证实可以促进脂肪 [33] 干细胞增殖同时诱导其向软骨分化 临床应用亦 表明 PRP 可以有效的促进软骨修复, 当将软骨下钻 孔技术与 PRP 联合使用用于治疗局限性软骨缺损, 在 5 年的随访中, 发现较对照组,PRP 可以明显的 [34] 刺激软骨愈合 然而 Lee 等在含富血小板血浆培 养基中培养滑膜间充质干细胞发现其会抑制滑膜 间充质干细胞分化为软骨 骨 脂肪的能力 在使 用 PRP 治疗骨关节炎时, 临床与试验中的疗效亦不 一致, 这可能与 PRP 使用方法及浓度不同有关 [35] 目前对 PRP 用于软骨修复的疗效的报道不一 致, 在临床与试验中 PRP 中各生长因子的浓度亦不一 致, 下一步实验应探究最佳 PRP 浓度用于软骨修复 4 成纤维细胞生长因子 (fibroblast growth factor,fgf) FGF 包括碱性成纤维细胞生长因子 (bfgf) 和 酸性成纤维细胞生长因子 (afgf) 两种, 两者的生 物学效应大致相同, 均能诱导成软骨细胞转化为 软骨细胞, 并保持软骨细胞的分化形态, 促进软 骨细胞合成 II 型胶原和蛋白聚糖, 其中 bfgf 常用 于组织工程软骨修复 在体外实验中, 将软骨细胞或间充质干细胞 经 bfgf 处理后, 发现 bfgf 可以明显促进软骨细胞 及间充质干细胞增殖 [27-28] bfgf 还可以上调 SOX9 表达, 启动间充质干细胞向软骨分化 [29], 促进 II 型 胶原等细胞外基质合成 [30] bfgf 在体内实验中亦 [31] 取得满意的结果,Komura 等经气管镜往新西兰 大白兔颈部气管注射 bfgf 后发现其可以明显促进 气管软骨形成 FGF 作用机制与 IGF 相似, 在体内外均表现出 明显的软骨修复能力, 同样是组织工程修复软骨 的重要生长因子, 但 FGF 与其他生长因子共同作用 对软骨损伤修复的效果尚不确定 6 展望由于不含血管, 成熟的软骨修复能力很低, 软骨组织损伤修复长期困扰着医学界 随着组织工程技术的发展, 组织工程为软骨损伤修复提供了新的方法 软骨组织修复是受多种因素影响的复杂过程, 生长因子在软骨修复中扮演着重要的作用, 目前, 许多学者正从不同水平研究生长因子促进软骨形成 然而, 随着研究的进展, 目前对生长因子的研究不足亦表现出来 :1) 多使用单一的生长因子用于软骨修复 ;2) 大多研究为体外实验, 体内实验研究较少 ;3) 软骨在体内受多种生长因子的作用, 目前对新的生长因子的探索较少 展望未来, 随着不利生长因子的排除, 新的生长因子的发现, 及对各种生长因子最适浓度 剂量及各种生长因子的组合使用的探索, 生长因子在软骨修复中的作用将越来越清晰, 这将给组织工程修复软骨损伤的临床应用带来新的希望 参考文献 5 富血小板血浆 (platelet rich plasma,prp) 将自体全血经离心后得到的浓聚物即为 PRP, 其含有丰富的生长因子, 包括血小板源性生长因子 (platelet-derived growth factor,pdgf),bfgf, IGF,TGF-β 和血管内皮生长因子 (vascular endothelial 1. Sato M, Yamato M, Hamahashi K, et al. Articular cartilage regeneration using cell sheet technology[ J]. Anat Rec (Hoboken), 2014, 297(1): 36-43. 2. Reyes R, Delgado A, Solis R, et al. Cartilage repair by local delivery of TGF-β1 or BMP-2 from a novel, segmented polyurethane/polylacticco-glycolic bilayered scaffold[ J]. J Biomed Mater Res A, 2013. [Epub ahead of print].
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