IGF-1 通过 BMP2-Smad1/5 信号通路助力骨髓间充质干细胞修复软骨损伤的关键发现

为探究 IGF-1 对骨髓间充质干细胞（BMSCs）软骨损伤的影响，研究发现其可促进修复，机制与激活 BMP2-Smad1/5 通路有关。

　　骨关节炎是一种在临床上极为常见的退行性骨关节疾病，就像一位悄无声息的 “破坏者”，在我国的发病率约为 15%。它主要的 “破坏手段” 包括破坏关节软骨，使其失去原本的光滑和弹性，还会促使骨赘形成，改变关节的正常结构。从病理特征来看，它会让关节软骨的细胞外基质流失，出现纤维化和退化现象。目前，临床常用的非甾体抗炎药等治疗方法，效果就像给 “破坏者” 挠痒痒，十分有限。而且，膝关节置换术后假体的使用寿命也有限，患者往往需要承受多次手术的痛苦和高昂的医疗费用。因此，如何修复关节软骨损伤，找到更有效的骨关节炎治疗方案，成为了医学领域亟待攻克的难题。

为了探索解决这些问题的方法，杭州富阳中医骨伤医院和瑞安中医医院的研究人员开展了一项关于 “胰岛素样生长因子 - 1（IGF-1）对骨髓间充质干细胞（BMSCs）软骨损伤影响及 BMP2-Smad1/5 信号通路调节机制” 的研究。该研究成果发表在《In Vitro Cellular & Developmental Biology - Animal》杂志上，为骨关节炎的治疗带来了新的希望。

研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是细胞培养与鉴定技术，培养大鼠 BMSCs 并对其进行鉴定，确认其符合实验要求；其次是构建细胞模型和动物模型，用 IL-1β 诱导大鼠软骨细胞 ATDC5 构建软骨损伤模型，同时建立大鼠骨关节炎模型；然后使用了多种检测技术，如 qRT-PCR 检测基因表达水平、Western blot 检测蛋白水平、CCK-8 实验检测细胞增殖、流式细胞术检测细胞凋亡和细胞表面抗原表达、ELISA 检测炎症因子水平，还通过 HE 染色观察组织病理变化，利用 O’Driscoll 评分系统和 Mankin’s 评分系统评估软骨修复程度 。

下面来看具体的研究结果：

• BMSCs 的形态与鉴定：经过 48 小时换液后，少量 BMSCs 开始贴壁生长，呈散在的小团状。到了第三代，成熟的 BMSCs 分布规律，体积较大，细胞核呈梭形。流式细胞术检测结果显示，BMSCs 中 CD73、CD90 和 CD105 呈阳性，CD34 和 HLA-DR 呈阴性，符合 BMSCs 的表型特征。
• IGF-1 过表达对软骨细胞增殖和凋亡的影响：与对照组相比，IL-1β 组的 IGF-1 mRNA 和蛋白水平下降，细胞存活率降低，凋亡率上升，Bax 和 Cleaved Caspase-3 蛋白水平升高，Bcl-2 蛋白水平降低。而 BMSCs 组、BMSCs + 空载体组和 BMSCs + IGF-1 组与 IL-1β 组相比，IGF-1 水平升高，细胞存活率提高，凋亡率和相关促凋亡蛋白水平降低，抗凋亡蛋白 Bcl-2 水平升高。其中，BMSCs + IGF-1 组的效果最为显著。
• IGF-1 过表达对软骨细胞炎症因子水平的影响：IL-1β 组的 IL-6、TNF-α 和 IL-8 水平明显高于对照组。经过 BMSCs 处理后，这些炎症因子水平下降，BMSCs + IGF-1 组下降得更为明显。这表明 IGF-1 过表达能有效抑制炎症反应。
• IGF-1 过表达对软骨细胞损伤相关蛋白水平的影响：IL-1β 组中 Aggrecan 和 Col II 蛋白水平降低，MMP-1 和 MMP-13 蛋白水平升高，说明软骨细胞受到损伤。BMSCs 处理后，损伤相关蛋白水平有所改善，BMSCs + IGF-1 组的改善效果更突出，表明 IGF-1 过表达有助于减轻软骨细胞损伤。
• IGF-1 过表达对 BMP2-Smad1/5 信号通路相关蛋白水平的影响：IL-1β 组的 BMP2 和 p-Smad1/5 蛋白水平低于对照组。BMSCs 组、BMSCs + 空载体组和 BMSCs + IGF-1 组的这两种蛋白水平升高，且 BMSCs + IGF-1 组升高幅度最大，说明 IGF-1 过表达可激活 BMP2-Smad1/5 信号通路。
• 各组软骨修复和缺损程度的比较：模型组的关节软骨表面不平整，有细胞坏死和排列紊乱的情况。BMSCs 组和 BMSCs + 空载体组的软骨退变程度较轻，关节面相对平整。BMSCs + IGF-1 组的软骨几乎完好无损。从评分来看，与对照组相比，模型组的 O’Driscoll 评分降低，Mankin’s 评分升高；与模型组相比，BMSCs 组、BMSCs + 空载体组和 BMSCs + IGF-1 组的 O’Driscoll 评分升高，Mankin’s 评分降低，BMSCs + IGF-1 组的变化最为显著，表明 IGF-1 过表达能有效促进软骨修复。
• 各组大鼠软骨组织中与软骨修复相关基因的比较：模型组的 OC、GSK-3β 和 Runx2 表达水平高于对照组。BMSCs 组、BMSCs + 空载体组和 BMSCs + IGF-1 组的这些基因表达水平下降，BMSCs + IGF-1 组下降得最多，说明 IGF-1 过表达可能通过降低这些基因的表达来促进软骨修复。

综合研究结果和讨论部分，研究发现 BMSCs 可改善软骨损伤，而 IGF-1 在其中发挥了重要作用。IGF-1 过表达于 BMSCs 中，能够促进软骨细胞增殖，抑制细胞凋亡和炎症反应，减轻软骨细胞损伤，促进软骨组织修复。其作用机制可能是激活了 BMP2-Smad1/5 信号通路。这一研究成果为骨关节炎的治疗提供了新的理论依据和潜在的治疗靶点，有望推动骨关节炎治疗领域的发展，为众多患者带来新的希望。不过，研究也指出，IGF-1 对其他信号通路的影响以及 BMSCs 的作用机制仍有待进一步深入探索 。