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编号:10244437
大鼠下颌功能前伸后激活髁突胰岛素样生长因子1基因表达
http://www.100md.com 《中华口腔医学杂志》 1998年第6期
     作者:周征 罗颂椒 刘聪

    单位:610041 成都,华西医科大学口腔医学院(周征、罗颂椒);华西医科大学第一附属医院(刘聪)

    关键词:基因;胰岛素样生长因子1;下颌骨髁突

    中华口腔医学杂志980617 【摘要】 目的 研究用功能矫治器前伸生长期大鼠下颌后,髁突软骨中胰岛素样生长因子(IGF-1)基因表达的变化规律,探讨功能矫形治疗的分子机理。方法 将60只雄性5周龄SD大鼠分为对照组和实验组,按1天、3天、1周、2周、3周和4周6个阶段,应用原位杂交技术研究髁突软骨中IGF-1 mRNA的表达变化。结果 正常生长期大鼠下颌髁突软骨有IGF-1 mRNA表达;前伸大鼠下颌使髁突软骨细胞中IGF-1 mRNA阳性强度和阳性细胞数目均增加。这一变化具有时间性,即实验3天后开始升高,实验后1周~2周达最高值,3周~4周时逐渐降低。结论 功能前伸下颌后IGF-1 mRNA转录升高,表明功能矫形后髁突软骨的生长改建可能是由于咀嚼肌牵张激活了IGF-1的基因表达。
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    Activation of insulin-like growth factor 1 gene expression in growing rat condyle by functional mandibular protrusion

    Zhou Zheng*, Luo Songjiao, Liu Cong.*School of Stomatology, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041

    【Abstract】 Objective We studied the changes of the IGF-1 mRNA expression in condylar cartilage to elucidate the biomolecular mechanism of mandibular advancement. Methods Sixty 5-week-old male rats were randomly divided into experimental and control groups. The mimic functional appliances were used in experimental group. The rats were sacrificed after 1, 3, 7, 14, 21 and 28 days to study the expression of IGF-1 mRNA by in situ hybridization. Results The results showed IGF-1 mRNA expression in the condylar cartilage. The transitional and maturational layers had the most abundant IGF-1 mRNA, and the IGF-1 mRNA abundance of germinal layer is higher than that of synovial and fibrous layers. Functional mandibular protrusion activated the IGF-1 mRNA expression and it began to increase after 3 days of the experiment, and the changes were most significant in 7~14 days. Conclusion This suggested that the condylar cartilage growth and remolding after functional protrusion might be caused by IGF-1 gene expression activation.
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    【Key words】 Gene Insulin-like growth factor 1, IGF-1 Mandibular condyle

    许多研究表明,在生长发育高峰期,功能矫形前伸下颌可促进下颌的生长改建;而在生长发育高峰期后,则不能引起髁突适应性生长改建[1,2]。这种生长改建是由全身和局部因素相互作用进行调控的。但功能矫形本身仅为一种局部剌激并不影响全身的生长发育。Graber等[1,2]的颅面生长伺服系统理论(servosystem theory)认为,髁突的生长改建受内分泌调控,生长激素-生长介素复合体对髁突软骨的生长有直接和间接的作用。这与Salmon等[3]提出的生长介素假说(somatomedin hypothesis)一致,该假说认为,生长激素本身不能剌激软骨生长,其对软骨生长的剌激作用是通过生长介素即胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)介导的。
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    Maor等[4]的研究发现,下颌髁突软骨中也有IGF-1分布且对髁突软骨细胞有促增生和分化作用。大鼠下颌前伸后髁突软骨中IGF-1的分布范围和含量均增高[5]。IGF-1主要来源于肝脏,其对软骨细胞的作用主要由局部合成者引起[6]。这些局部合成的IGF-1可通过自分泌和旁分泌作用促进细胞增殖,增加胶原和蛋白多糖的合成。IGF-1的局部合成需通过IGF-1 mRNA的信使作用完成,因此,有无后者在一定程度上可以反映局部能否合成IGF-1。故髁突中IGF-1的来源和髁突软骨细胞自身能否合成IGF-1,是目前学者们关注的焦点。

    本项研究的目的,是用核酸原位杂交技术研究生长期大鼠髁突软骨中能否自身合成IGF-1,以及功能矫形力能否活化髁突软骨中IGF-1 mRNA的表达,从基因水平探讨功能矫形治疗的机理。

    材料与方法

    1.动物模型:选用60只5周龄生长期雄性SD大鼠,体重90g左右,随机等量分为对照组和实验组。实验组动物配戴作者自制的上颌斜面导板式功能矫治器引导下颌前伸,每日白天戴矫治器12小时;对照组动物不戴。2组动物分别在实验后1天、3天、1周、2周、3周和4周各处死5只。所有动物均定时、定量摄食,自由饮水。
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    2.组织制备:实验动物断颈处死,取其双侧髁突软骨,置于4℃预冷的4%多聚甲醛和2.5%戊二醛中固定18~24小时,在4℃ 0.5M的乙二胺四乙酸(EDTA)中脱钙2周,梯度乙醇脱水,石蜡包埋。髁突组织纵向切片至6μm厚。所有试剂均用二乙基焦碳酸酯(DEPC)处理或用0.1%的DEPC水配制。

    3.原位杂交:用自动合成仪合成与编码大鼠IGF-1的第10~19个氨基酸特定mRNA互补的反意义探针。其序列为5'-GTC TCC ACA CAC GAA CTG AAG AGC ATC CAC -3'。用DNA加尾标记药盒进行末端标记。以大鼠胫骨骺板软骨细胞作阳性对照;用核糖核酸酶(RNase)处理标本后进行杂交,作阴性对照;用预杂交液代替杂交液进行杂交,作空白对照。杂交方法见作者已往的报道[7]

    结果

    1.髁突软骨阳性细胞中胞浆呈紫红或紫蓝色,胞核为甲基绿衬染。在正常生长期,大鼠髁突软骨中除移行层外,其余各层细胞中都有IGF-1 mRNA表达,其中过渡层和成熟层细胞阳性最强,生发层较强,滑膜层和纤维层较弱。对照组和实验组的表达变化,均表现为逐渐增高至实验2周后始逐渐降低的时相特征(附表)。
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    2.与对照组相比,实验1周后实验组髁突的中后份软骨增厚。过渡层和成熟层中阳性细胞数目和阳性程度增加。用网格法对髁突中后份软骨各层细胞中的阳性细胞数目和强度进行分级半定量分析,发现实验后3天,阳性细胞数目开始升高,实验后1周~2周阳性程度达最高值;而在3周~4周后,实验组和对照组的表达均明显减弱。二组之间差异无显著性(图1~4)。

    附表 实验组和对照组不同时间髁突软骨IGF-1原位杂交

    阳性细胞的比率(%) 实验

    时间

    对照组

    实验组

    例数

    阳性细胞比率
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    例数

    阳性细胞比率

    1天

    5

    34.72±7.73

    5

    33.81±6.98

    3天

    5

    34.66±8.79*

    5

    43.14±6.38*
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    1周

    5

    41.80±12.17**

    5

    59.67±10.66**

    2周

    5

    45.29±17.35**

    5

    64.88±18.33**

    3周

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    38.69±8.64

    5

    44.72±7.40

    4周

    5

    30.07±5.07

    5

    32.86±9.35

    注:表中*、**为2组比较的概率值,*0.01
    一、下颌髁突软骨中IGF-1 mRNA在细胞和组织中的表达及分布规律
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    本项研究首次在下颌髁突软骨细胞中发现有IGF-1 mRNA表达,与国外学者在骺板软骨中的研究和我们对IGF-1多肽在髁突软骨中分布和表达的观察结果一致[5,6]

    我们还发现,IGF-1 mRNA在髁突中的分布具有一定的规律性,但与IGF-1多肽主要分布于生发层和过渡层细胞的情况有所不同。提示在同一组织内,合成IGF-1的细胞与它所作用的靶细胞是不同的细胞群。在髁突软骨中,过渡层和成熟层细胞(主要是成软骨细胞和成熟的软骨细胞)分化程度较高,细胞功能强于生发层的前成软骨细胞。过渡层和成熟层细胞表达IGF-1 mRNA,转录成多肽(即IGF-1),通过自分泌和旁分泌方式,作用于生发层和过渡层细胞,发挥其促进细胞增殖的生物学作用。骺板软骨中局部产生的IGF-1,也是通过剌激幼稚的增殖软骨细胞生长而促进骨纵向生长[6]

    二、大鼠下颌功能性前伸后髁突IGF-1 mRNA表达的变化
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    我们的研究表明,髁突软骨中不仅存在着IGF-1 mRNA表达,而且其强弱与前伸下颌所引起的髁突软骨细胞增生和改建有关。结果显示,从实验后3天开始,髁突软骨过渡层和成熟层细胞中IGF-1 mRNA阳性细胞的比例和阳性强度开始增加,实验1周~2周达到最高,实验4周时实验组和对照组的IGF-1 mRNA表达均明显降低。IGF-1 mRNA与IGF-1多肽在下颌前伸后的变化规律基本一致[5]

    实验组软骨IGF-1 mRNA阳性细胞数目和阳性强度升高,可能是由于前伸下颌激活了髁突软骨中部分未表达或表达较弱的细胞,使组织中基因表达的效率增高。研究证明,机械力可以调控骨组织和其他组织中IGF-1 mRNA的表达[8]。Lazowski等[9]发现在胫骨骺板的边缘区软骨细胞的IGF-1 mRNA表达高于中央区,边缘区是肌肉附着牵张的部位,表明较高的机械应力可激活IGF-1 mRNA的表达。本研究中,下颌前伸后髁突IGF-1及其基因表达增高,可能系咀嚼肌牵张所致。
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    此外,在实验后3天IGF-1 mRNA即开始升高,早于IGF-1的变化。这可能是由于IGF-1 mRNA的转录先于它“翻译”成蛋白质的过程。本项研究中,实验动物每天戴矫治器12小时,是间断性的剌激。同时,颞下颌关节本身对外界环境的改变也有一定的适应能力。所以,在实验后一天组中,IGF-1基因表达的变化未达到可探测到的水平,实验后3天IGF-1 mRNA表达开始升高。其后所表现出的随时间变化的规律性,可能是由于局部组织改建已逐渐适应了外界力的剌激。

    除机械剌激外,许多全身和局部因素也可调控骨组织中IGF-1 mRNA的表达。生长激素是通过IGF-1的介导而剌激软骨生长的,所以生长激素是IGF-1 mRNA的主要调控物[6]。性激素也具有调控IGF-1基因表达的作用[10]。而功能矫形前伸大鼠下颌后,髁突中雌二醇的含量和分布都有变化[11]。生长激素和性激素都是发动青春生长高峰期的重要物质,而功能矫形治疗正是在青春高峰期中疗效显著。可以推测,上述激素可能是青春期功能矫形治疗的内分泌基础。
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    图1 对照组3天组髁突软骨IGF-1 mRNA分布 (×200) 图2 实验组3天组髁突软骨IGF-1 mRNA分布 (×200),可见软骨厚度无明显增强,但阳性细胞(箭头所示)数目和强度均明显增加,阳性信号位于胞浆内,胞核阴性感染 图3 对照组2周组髁突软骨IGF-1 mRNA分布 (×200) 图4 实验组2周组髁突软骨IGF-1 mRNA分布 (×200),可见软骨厚度、阳性细胞数目和强度均高于对照组,主要位于过渡层(T)和成熟层(M)

    国家自然科学基金资助课题(39470760)

    参考文献

    1 Graber TM, Rakosi T, Petrovic AG, ed. Dentofacial orthopedics with functional appliances. Louis: Mosby, 1985.10.
, 百拇医药
    2 罗颂椒,主编.当代实用口腔正畸技术与理论.北京:北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社,1995. 15.

    3 Salmon Jr WD, Daughaday WH. A hormonally controlled serum factor which stimulates sulfate incorporation in vitro. J Lab Clin Med, 1957, 49: 825-836.

    4 Maor G, Laron Z, Eshet R. The early postnatal development of the murine mandibular condyle is regulated by endogenous insulin-like growth factor-I. J Endocrinol, 1993, 137: 21-26.

    5 罗颂椒,周征.功能矫形前伸大鼠下颌后髁突IGF-I表达变化的研究.华西口腔医学杂志,1998, 16:161-163.
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    6 Schlechter NL, Russell SM, Spencer EM, et al. Evidence suggesting that the direct growth-promoting effect of growth hormone on cartilage in vivo is mediated by local production of somatomedin. Proc Natl Acad Sci, 1986, 83:7932-7934.

    7 周征,欧国敏,刘聪,等.骨组织地高辛标记寡核苷酸探针原位杂交方法的建立.华西口腔医学杂志, 1998,16:43-44.

    8 Lean, JM, Jagger CJ, Chambers TJ, et al. Increased insulin-like growth factor I mRNA expression in rat osteocytes in response to mechanical stimulation. Am J Physiol, 1995,268:E318-E327.
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    9 Lazowski LA, Fraher LJ, Hodsman A, et al. Regional variation of insulin- like growth factor-I gene expression in mature rat bone and cartilage. Bone, 1994, 15:563-576.

    10 Ernst M, Rodan GA. Estradiol regulation of and insulin-like growth factor-I expression in osteoblastic cells: evidence for transcriptional control. Mol Endocrinol, 1991, 5:1081-1089.

    11 白玉兴, 罗颂椒. 功能矫形前伸下颌后大鼠髁突软骨雌激素免疫组化分析. 中华口腔医学杂志, 1997, 32:161-163.

    (收稿:1997-06-19 修回:1998-08-16), 百拇医药