IL-6在骨骼肌损伤和修复中的作用

李男左群于新凯屈芳

1上海体育学院运动科学学院（上海 200438）

2上海体育科学研究所

细胞因子是由免疫细胞或非免疫细胞合成分泌的能调节细胞生理功能、介导炎症反应、参与免疫应答和组织修复等多种生物学效应的小分子多肽或糖蛋白。 白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）是重要的细胞因子之一，生物学功能非常广泛，参与机体组织细胞的生长、分化和功能调节。作为重要的细胞免疫因子之一，IL-6在炎症反应中激活与调节免疫细胞，介导T、B细胞活化、增殖和分化。越来越多的研究发现，在骨骼肌损伤和修复过程中，IL-6除了介导损伤后的免疫反应，更重要的是与损伤修复相关。同时，除了炎症细胞，骨骼肌细胞也能分泌IL-6，肌源性IL-6在骨骼肌损伤和修复中的生肌调节作用不容忽视。

1 IL-6与肌肉损伤

运动过程中IL-6的产生和释放，早期认为主要与肌纤维受到机械性牵拉损伤有关。肌肉损伤刺激机体细胞大量分泌和释放IL-6等细胞因子，诱导白细胞向局部损伤部位聚集，发挥对异物的吞噬作用[1]。运动后即刻IL-6在血浆中的水平显著升高[2]，部分实验证明与肌酸激酶（creatine kinase，CK）相关。如Bruunsgaard等[3]发现离心收缩运动后IL-6的释放与运动强度和持续时间无关，而与CK有关。但其后却有实验证明[4，5]，IL-6 与 CK 水平不存在相关关系，认为离心运动产生的IL-6与肌肉损伤的关联不大。Mary等[6]通过对离心运动后炎性因子的观察发现，8 h的IL-6同24 h、96 h的肌肉肿胀相关 （r>0.282）。该作者认为肿胀和酸痛不是与CK和力量损失相关，而是与离心训练后炎症反应低度相关。Jonsdotir等[7]电刺激（100 Hz）大鼠单侧腓肠肌，使之产生向心收缩或离心收缩，刺激结束后30 min发现，两组不同的收缩肌肉中IL-6 mRNA水平无显著差异，但与未受刺激的对侧肌肉IL-6 mRNA水平相比具有显著性差异。由于离心运动通常会造成损伤，而两种运动均导致了IL-6的表达，但是两种表达之间没有差异，似乎表明运动后IL-6的增加并非源于损伤肌肉本身。

那么如何解释这种结果的矛盾呢？可能与运动后检测时间有关，因为离心收缩导致的肌肉损伤具有延迟性出现的特征。苏全生等[8]对运动后血液IL-6、CK及其同工酶CK-MM含量进行研究后认为，运动应激可能是运动后即刻IL-6增高的重要原因，此时的IL-6水平较难反映肌纤维微结构变化；但运动应激消退后，血浆IL-6的增高与运动引起的肌肉损伤（Exercise-induced muscle damege，EIMD）有重要关联，可作为EIMD检测指标之一。华冰[9]采用急性离心运动，通过IL-6与CK的比较得出结论，认为IL-6可作为运动性骨骼肌损伤检测的一个重要指标。同样是电刺激肌肉产生离心收缩，Tomiya等的研究[10]发现，运动后8 h至3 d出现肿胀的肌纤维，24 h至7 d有断裂的肌纤维出现，其中第3 d达到峰值；12 h在肌细胞胞质发现IL-6，随后在炎症细胞和增殖的卫星细胞中也检测到IL-6。该研究认为，IL-6出现在纤维肿胀开始后到断裂开始前的特征可能反映了IL-6与肌肉损伤的密切关系。Yamin等[11]通过测定肘屈肌最大离心收缩前后血清CK活性，发现IL-6 G-174C基因和CK活性具有很强的相关，提示IL-6-174C等位基因的纯和性是训练导致的骨骼肌损伤的一个重要风险因素，进一步支持IL-6在骨骼肌损伤和修复导致的炎症反应过程中的重要作用。

2 IL-6对肌肉修复的影响

损伤的肌肉中出现的IL-6可来源于单核巨噬细胞、成纤维细胞和内皮细胞等多种细胞，但越来越多的研究发现，骨骼肌细胞也可以生成IL-6[12-14]，局部肌肉的工作负荷增加和训练中的骨骼肌收缩可以使 IL-6 的表达增加[7，13-15]。 对 IL-6 mRNA 予以干扰后，培养的C2C12成肌细胞中肌肉特异基因成肌素和肌动蛋白的表达减少，提示IL-6具有潜在的生肌作用[16]。 此外，通过双标染色发现，IL-6 和 Pax7（卫星细胞特异标记）出现的位置一致，证明卫星细胞也会生成 IL-6[10，17]。 Cantini等[18]通过将单核细胞与骨骼肌细胞共同培养，发现肌原细胞的增殖与单核细胞的激活以及卫星细胞自分泌的IL-6相关。结果提示，由生长因子激活的单核细胞刺激肌原细胞生成IL-6，并且进一步调节卫星细胞的增殖。Baeza-Raja等[16]的研究证实，在C2C12成肌细胞中IL-6以依赖于p38和NF-κB的方式诱导生成。干扰IL-6的mRNA表达减少生肌分化的程度，反之则增加。Mckay等[19]通过对8名受试者进行离心训练，在运动前和运动后4、24、72和120 h进行血液和肌肉组织的采样，发现STAT3反应基因和卫星细胞上的IL-6表达增加，并且和细胞周期蛋白D1以及卫星数量增加一致，证明IL-6在肌肉离心收缩后对于卫星细胞的信号有着重要的调节作用。

白血病抑制因子 （leukaemia inhibitory factor，LIF）属于IL-6细胞因子家族。离体研究证实LIF可以促进肌原纤维的增殖[20]，因为向体内注射LIF可以导致肌纤维再生率的增加。IL-6与LIF同源，在损伤的骨骼肌中有相似的表达，在体外也有相似的作用。有研究发现LIF和IL-6 mRNA在单核的细胞和损伤的肌肉细胞表达，不仅如此，肌肉神经的施万细胞中也可以检测到IL-6 mRNA的表达。此结果提示，损伤肌肉和神经修复的早期活动也许被这些细胞因子所触发。有研究发现[21]，正常大鼠挤压伤后和杜兴氏肌营养不良小鼠的肌肉均检测到LIF和IL-6 mRNA的表达，非损伤肌肉难以检测到LIF和IL-6 mRNA的表达。肌肉损伤后LIF和IL-6 mRNA的表达显著上调，且与肌肉再生的激活几乎一致，在杜兴氏肌营养不良小鼠中有所加强。由于该疾病不断进行肌肉坏死和再生的循环，结果提示再生肌肉本身局部生成的LIF分子在肌肉再生过程中可能具有重要的作用。

Serrano等[17]在一系列研究中利用基因敲除以及细胞培养等技术证实，IL-6对于卫星细胞调节骨骼肌肥大有重要作用。首先，通过一定的肌肉负荷刺激，观察野生型和IL-6敲除大鼠生长能力的差异。接下来，通过野生型和IL-6敲除大鼠肌肉中提取的卫星细胞，研究其在生长能力方面的差异。结果显示，骨骼肌能够诱发局部和短暂的IL-6的表达和释放，来适应肥大刺激。在体研究中骨骼肌产生的IL-6能够调节肌肉生长。在IL-6基因缺失大鼠模型中，IL-6的基因缺失阻碍了肌纤维面积的增长。同时，外源性增加IL-6能够减少这些不足。更重要的是，生长的卫星细胞产生的IL-6同样刺激肌原纤维增殖和移行，说明IL-6在肌肉生长过程中以自分泌和旁分泌方式起作用。在体内由于IL-6不仅在增殖的卫星细胞产生，同样生长的肌纤维也产生，提示IL-6可能在肌肉肥大过程中对卫星细胞的增殖和移行产生作用，特别在肌肉代偿性肥大过程以旁分泌的形式发挥作用，而IL-6缺失会导致肌纤维生长受阻。在TNF-α和IL-6对C2C12成肌细胞增殖和分化的相互作用研究中，通过提前24 h用TNF-α（10 ng/ml）和推后 24 h 用 IL-6（2.5 ng/ml）进行联合处理，能最大化地促进成肌细胞增殖[22]。值得一提的是，这些研究都是在体外进行，是TNF-α和IL-6局部和短暂的对机体产生的有利作用。

在体注射IL-6能引起肌肉萎缩，表现为肌原纤维蛋白流失17%，核糖体p70S6K的磷酸化水平下降60%，STAT5的磷酸化水平下降33%，而STAT3的磷酸化水平提升了2倍。这提示生长因子介导的细胞内信号强度下调可能是IL-6诱导肌肉萎缩的机制所在[23]。该研究提示局部、短暂的IL-6生成对机体有益，它同浸入IL-6的肌肉萎缩以及恶病质引起全身高水平的 IL-6的作用相反[24，25]。 高水平的IL-6可以增强骨骼肌蛋白降解，进而导致肌肉萎缩[26-28]。

3 IL-6在肌肉损伤修复中的通路

IL-6通过一个双链系统作用于靶细胞，其受体由两部分组成，分别是80 kDa的受体IL-6R和信号转导分子gp130，后者是IL-6家族共用的受体。IL-6与受体结合后形成异六聚体模式，通过gp130的二聚化引起胞内信号转导。有研究指出，IL-6和可溶性IL-6受体通过gp130二聚受体结合，支持胚胎干细胞自我更新[29]。 Kami等[30]通过原位杂交的方法检测IL-6受体的表达，发现gp130在肌核、肌前体细胞的细胞核以及位于肌纤维间隙的单核的细胞中均可检测到，而IL-6R mRNA的表达也在单核细胞中检测到。研究证实，IL-6在不同的细胞群受体亚基的上调对于肌纤维的再生具有重要作用。

IL-6在胞内通过Jak-Stats信号转导通路和Ras-MAPK级联途径发挥各种生物学效益。在Jak-Stats信号转导通路中，JAK激酶通过激活相应的STAT，特别是STAT3来进一步激活核内相应基因的转录。研究证实，该信号通路在激活的卫星细胞、增殖的肌原细胞和再生的肌纤维中被激活。免疫组织化学研究发现在受伤导致炎症和再生的肌肉中STAT3 被激活，且依赖于 IL-6 的作用[31，32，37]。STAT3的激活对于肌肉再生十分重要，对激活的卫星细胞、增生的肌原细胞和已存在的肌纤维起到保护作用，同时阻碍肌原纤维在增生早期分化[33]。Serrano等在系列研究中证实，敲除IL-6基因的肌肉中卫星细胞的STAT3活性减少，而且STAT3在体外IL-6缺乏的肌管中显著减少。STAT3的活性减少导致IL-6基因敲除组卫星细胞增殖和移行的不足[17]。 Guerra 等[34]通过对皮肤反复切口实验进行肌肉活检发现，IL-6 mRNA和STAT3磷酸化增强，认为STAT3参与肌肉愈合过程中的早期活动，而且可能由自分泌的IL-6来调节。与此相一致的是，通过IL-6家族的另一成员LIF激活的STAT3显示出对于卫星细胞的自我更新也具有重要作用[35]。

已知STAT3的作用靶点包括细胞周期蛋白D1、c-fos、JunB、Bcl-2 和 Bcl-xL，通过它们行使调节细胞增殖、分化或肌原纤维的存活等生物学功能。Bcl-2在肌肉生成早期阶段的表达可以阻止程序性死亡。有研究发现，在发育的骨骼肌中，Bcl-2的表达局限在小的单核细胞群，与结蛋白（desmin）阳性和成肌调节因子myogenin阴性共表达，而在分化的肌管中并不表达[33]。细胞周期蛋白D1是STAT3的靶基因蛋白，细胞周期蛋白D1对于细胞增殖和分化非常重要，包括成肌细胞。肌原细胞增殖和细胞分裂周期的存在依赖细胞周期蛋白D1基因对细胞生长信号的调节。不仅如此，移行功能已经被证实归因于细胞周期蛋白 D1 的作用[36]。 Serrano 等证实[17]，在体内和体外IL-6敲除组的肌肉卫星细胞，细胞周期蛋白D1可下调STAT3靶基因产物。肌原细胞在缺乏IL-6情况下的减少可以归咎于细胞周期蛋白D1表达的减少。在IL-6缺失的肌管中，被迫激活STAT3可使得细胞增殖能力和细胞周期蛋白D1表达增强。研究结果提示，在体内或体外，细胞周期蛋白D1基因的表达是通过IL-6导致的STAT3激活的结果。

IL-6的信号通路可能还和IGF系统有关。Al-Shanti等[22]研究发现TNF-α和 IL-6的联合处理对C2C12成肌细胞增殖有作用，而且胰岛素样因子连接蛋白-5、胰岛素样生长因子-2、胰岛素样生长因子-1受体和胰岛素样生长因子-2受体的mRNA表达分别显著增加1600、1.6、27、6倍，提示联合作用可能通过调整IGF系统来影响骨骼肌成肌细胞数量。另外，也有研究发现运动过程中IL-6的生成是通过神经钙蛋白的调节实现的[17]，并且钙是骨骼肌收缩时神经活动重要的调节器，提示IL-6的上游信号通路可能与钙离子的激活有关。

总之，IL-6在骨骼肌中的出现不是偶然的，它能贯穿于肌肉损伤及修复的整个过程，特别是骨骼肌产生的IL-6对于卫星细胞的增殖和融合具有重要作用。卫星细胞增殖对肌肉再生过程的调节可能通过IL-6/STAT3轴起作用。对IL-6信号通路的进一步探讨将对了解细胞因子在肌肉损伤修复过程中的作用具有重要意义。

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