IGF-1促进肌腱愈合研究进展

史晓伟,张新定,龙碧波,周学兰,石硕,何茹



IGF-1促进肌腱愈合研究进展

史晓伟1,2,张新定1,龙碧波1,周学兰1,石硕1,何茹1

从离体肌腱细胞培养、肌腱组织工程、在体动物实验等角度探索IGF-1促进肌腱愈合的作用，指出IGF-1应用于肌腱研究的方向，这对未来肌腱愈合机制的探索起到重要的推动作用。

IGF-1；肌腱；愈合

胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是生长因子家族里的重要一员，它在人体中分布广泛，对细胞增殖、机体生长发育等起着重要的调控作用。近年来在研究中发现IGF-1同样在肌腱修复和愈合中扮演着重要的角色，并受到越来越多的关注，本文对IGF-1促进肌腱愈合进行综述。

1　IGF-1在肌腱愈合中的表达

损伤肌腱在愈合过程中，IGF-1的表达多以升高为主。Ahmed研究了糖尿病Goto-Kakizaki鼠的跟腱，将其右侧跟腱切断，左侧不做处理，在伤后2周时，右侧跟腱中IGF-1的表达显著高于左侧对照组跟腱[1]。Chen切断鸡的屈趾肌腱后并进行手术修复，在术后进行为期3周的观察，发现肌腱愈合早期IGF-1的表达显著升高[2]。Berglund将新西兰兔的屈肌腱切断后观察3、6、21、42天的愈合状况，IGF-1表达在兔屈肌腱中表现出晚点增高的现象，即修复期内缓慢增高，直到第21天才达到峰值，且呈现出明显的差异性[3]。陈亮对21只大鼠切断单侧跟腱后立即以丝线修复，术后第1、3、5、7、14、21和28天分别进行观察，发现在损伤修复过程中，术后第1天跟腱内IGF-1即开始高表达，但在第7天时显著降低[4]。在以上报道中，肌腱愈合时IGF-1的表达均升高，但是升高起始的时间节点并不一致，这可能与实验动物物种、实验方法和肌腱所处部位不同有关。IGF-1在肌腱愈合过程中均呈现出明显升高的特征，这表明IGF-1在肌腱愈合中起着极其重要的作用，是一个不能忽视的生长因子。

2　IGF-1在肌腱愈合中的作用

为了探究IGF-1在肌腱愈合中的作用，目前人们常使用离体肌腱细胞培养、肌腱组织工程和在体动物实验等方法来进行研究。

2.1IGF-1对体外培养肌腱细胞的作用

早在2003年，程昌志[5]就进行了IGF-1转染对离体培养肌腱细胞分裂增殖作用的研究，发现IGF-1 mRNA 和活性蛋白在转染细胞内正确表达，转染组的每分钟闪烁值(CPM)和I型胶原荧光强度均显著高于对照组，证实IGF-1基因转染能够促进腱细胞的分裂增殖及I型胶原的分泌，由于腱细胞的分裂增殖和I型胶原的分泌对肌腱愈合过程有着重要的影响，提示IGF-1可能对肌腱愈合产生积极的作用。

近些年来，由于干细胞等再生医学逐渐成为研究热点，有关IGF-1对离体肌腱细胞的研究多涉及IGF-1促使干细胞向腱细胞分化等具体研究方向。Holladay[6]指出在肌腱干细胞中补充IGF-1可维持肌腱干细胞多向分化潜能达28天，对其增殖和表型维持起到积极的促进作用。除了肌腱干细胞，IGF-1对间充质干细胞也有促进作用，Schneider[7]证实了IGF-1和TGF-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)联合使用可以诱导间充质干细胞分化为腱细胞。间充质干细胞在再生医学中有很大潜力，可能会是肌腱愈合和再生的一种重要方法。

2.2IGF-1在肌腱组织工程中的作用

IGF-1不仅在肌腱干细胞和间充质干细胞中起重要作用，而且在肌腱组织工程中也扮演了重要角色。组织工程通过生物材料设计适用于人体相似的机体器官或组织，为再生医学所用，在此过程中常常需要生物分子诸如一些生长因子来诱导所要分化细胞的活性[8]，而IGF-1恰恰是类似的生长因子之一。胶原——糖胺聚糖支架在肌腱组织工程研究中有较多报道，利用IGF-1处理可以调节该支架肌腱细胞的活力、生存力和代谢活性，为完成组织工程整个过程起到“画龙点睛”的作用。目前研究经常使用IGF-1和其他一些生长因子共同处理，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，以增加组织工程肌腱“活性”的实际效果[9-11]。现阶段肌腱组织工程是再生医学界普遍的研究热点，仍在不断发展之中，不仅给人们对肌腱愈合在方法学上提供了新的思路，而且在传统肌腱愈合的基础之上提出了新的挑战和进行了不断的开拓创新。

2.3IGF-1在在体肌腱愈合中的作用

虽然上述离体研究有了一定的进展，给人们开拓了一种新的思路，但是离体研究与在体研究在本质上还是有较大的区别。此外，离体实验虽然能够得到腱细胞活性升高等一些令人满意的结果，但是由细胞构成的组织再到组织构成的器官是否还会拥有相应的功能，这才是能否真正替代之前损伤组织或器官的关键所在，成为较为可靠的替代物。从某种意义上来看，离体到在体的研究还有很长的路要走，因此，在体研究就显得格外重要。

除了伦理道德等因素外，肌腱修复和愈合机制的研究较难在人体开展，因而主要在实验动物体内完成。目前常通过外源性添加IGF-1探讨其对肌腱愈合的作用。Tang利用超声靶向微泡破坏技术(ultrasound-targeted microbubble destruction , UTMD)将IGF-1 cDNA转染至大鼠受伤的跟腱，结果发现实验组大鼠的跟腱粘连评分最低、肉芽组织和炎性细胞浸润程度最轻，IGF-1表达在转染后2至8周最高，组织再生能力增强，并从生物力学角度分析了IGF-1转染能提高大鼠跟腱的最大载荷、刚度和强度，表明IGF-1对愈合跟腱的功能起到积极的促进作用[12]。Zumstein[13]在总结了白细胞和富血小板纤维蛋白释放多种生长因子的基础之上，研究发现白细胞和富血小板纤维蛋白处理肩袖损伤后，其储存并提供的局部特异性愈合生长因子(主要为IGF-1)至少维持28天，因而指出白细胞和富血小板纤维蛋白对肩袖损伤的治疗有较好的辅助作用，同时也间接说明IGF-1可能参与肩袖损伤中肌腱的修复和愈合。除了补充IGF-1对损伤肌腱的愈合作用之外，还可以探讨其他方法(如运动)对肌腱IGF-1表达的影响。Keller[14]对大鼠实施每天20分钟，一周5次，共5周的高、低强度全身振动训练后，发现高强度全身振动训练可使大鼠髌腱胶原显著增加、IGF-1表达趋势性上调，表明高强度全身振动训练对髌腱起潜在的合成作用，能有效的预防髌腱损伤。虽然Keller的研究并未从损伤髌腱愈合的角度出发，但他的研究结果可能揭示出IGF-1表达的上调与髌腱的潜在合成作用增加有关，这不仅为继续探索IGF-1促进肌腱愈合的作用机制提供了基础，而且也对人们从肌腱损伤的愈合到肌腱损伤的预防指出了思路和方向上的转变。

3　小结与展望

本文重点从离体肌腱细胞培养、肌腱组织工程、在体动物实验等角度阐述了IGF-1促进肌腱愈合的作用。肌腱损伤的愈合一直是运动医学领域中的难点和热点，未来应在离体研究的基础之上，继续探讨在体肌腱愈合的可行性以丰富肌腱损伤治疗方法的研究，同时继续探索肌腱愈合机制以阐明肌腱愈合的整个过程及其关键因素。

[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]陈亮，尹良军，梁凯路，等.大鼠跟腱损伤修复局部生长因子内源性表达变化的研究[J].重庆医学，2012，41(15):1476-1478.

[5]程昌志，张正治，潘险峰，等.胰岛素样生长因1基因转染对大鼠肌腱细胞生长的促进作用[J].中华实验外科杂志，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

海南省自然科学基金资助项目：艾灸处理对末端病大鼠跟腱作用机制的研究(项目编号：20158361)

史晓伟(1984-)，男，陕西宝鸡人，实验师，在读博士研究生，研究方向：运动医学研究。

1.海南师范大学体育学院，海南 海口571158

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.上海体育学院运动科学学院，上海200438