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编号:10253163
多肽生长因子与肌腱修复
http://www.100md.com 《中国矫形外科杂志》 2000年第8期
     作者:王尉

    单位:第一军医大学中心实验室,广州 510515

    关键词:

    中国矫形外科杂志000821 王尉 综述 朴英杰 裴国献 审校

    中图分类号 R686.1 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000)08-0796-04

    肌腱缺损和肌腱粘连是导致手部创伤后功能障碍的一个重要原因,也是手部创伤与功能 重建领域一个亟待解决的重要课题。有关肌腱愈合机制的研究已有很多报道,诸多研究表明 ,肌腱愈合存在内源性愈合和外源性愈合两种机制[1],何种机制能够发挥正常的 生理作用及何种机制是发生粘连的病理基础仍有争论。自从生长因子被发现以来,生长因子 就被证实在创伤修复中发挥着调控细胞增殖、分化、基质合成等多种功能。在肌腱等软组织 损伤修复中,相关生长因子起关键的调控作用[2]。在肌腱愈合中,如何通过生长 因子调控细胞的增殖和基质合成,以从根本上解决肌腱手术后的粘连。现就肌腱修复的机制 作简要概述,并着重介绍相关生长因子及近年兴起的转基因技术在该领域的应用。
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    1 肌腱组织再生的修复机制

    肌腱是最为典型的规则致密结缔组织,它的细胞间质主要由成自致密而平行排列的胶原纤维 束,纤维之间主要借少量无定行排列基质相连接。其固有形态主要是形态发生改变的成纤维 细胞,称腱细胞。根据肌腱的来源不同,可将肌腱分为滑膜内肌腱和滑膜外肌腱,滑膜内肌 腱表面包裹着滑膜脏层,由一层扁平腱外膜细胞构成,多位于滑液鞘内,而滑膜外肌腱被特 殊的疏松结缔组织包裹。Greenlee[3]用电镜观察肌腱发育过程中各种成份的形态 时,证实了在生长发育过程中,未分化的间充质细胞逐步分化为表层的腱外膜细胞和固有肌 腱细胞,两者均属成纤维细胞。而不同区域的肌腱组成细胞在肌腱修复过程中的增殖能力及 行为存在差异。肌腱细胞损伤早期腱外膜细胞即开始增殖,迁移到修复部位,继之,以腱组 织实质区域内的腱细胞也开始增殖,参与修复。肌腱体内愈合中,存在着由腱细胞增殖联接 修复处的内源性愈合和由腱外膜细胞增殖产生的外源性愈合的双重愈合机制。Matthews [4]发现腱外膜细胞参与肌腱愈合,腱外膜细胞向肌腱断裂处迁移、聚集并分泌胶原纤 维以连接缺损处,最后塑形成平滑的肌腱。但单纯以腱外膜细胞增殖而愈合的肌腱,产生的 胶原纤维十分紊乱,不能完全适应肌腱生理的需要。这种愈合方式是肌腱粘连发生的病理基 础。肌腱的“内愈”机制,即肌腱固有细胞可以分裂、增殖,并分泌胶原、蛋白质等修复损 伤。自Lundborg和Rank[5]于七十年代观察到剥离外膜的屈肌腱在兔膝关节滑液 囊内愈合,许多学者[6,7]都通过实验研究和临床观察证实以腱细胞为主的自身 愈合,在肌腱修复中起重要作用Abrahamsson[8]应用兔背部皮下透析膜观察完全 去除腱外膜的肌腱段愈合,发现没有腱外膜的肌腱段,肌腱仅靠腱细胞恢复了光滑的表面及 连续性,最后塑形成完整的肌腱。Fujita[9]发现肌腱细胞分泌的胶原纤维,比腱 外膜细胞更多、更成熟,而且胶原纤维排列规则,方向与肌腱细胞原来的纤维方向一致,并 与其相互穿插,形成牢固连接。因此Mass[10]认为通过激发由腱细胞参与的内在 愈合机制,以提高愈合质量并有希望克服肌腱修复后的粘连。
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    2 肌腱相关生长因子及转基因技术与肌腱修复

    近年来,随着研究的深入,肌腱的内源性愈合机制已被揭示,然而肌腱细胞的增殖较周围 结缔组织缓慢。调控肌腱细胞的增殖,使肌腱的内在愈合机制在愈合过程中占优势,在人工 肌腱的构建和防止肌腱术后粘连等方面均有十分重要的作用。

    2.1 生长因子的分布、作用机制及活性调控

    生长因子主要由造血系统、免疫系统或炎症反应中的细胞分泌,主要贮存在细胞外的基质 内 ,可以是游离的,也可以与基质的胶原蛋白或非胶原蛋白结合,呈无活性状态。生长因子的 生物学活性是由受体介导的,主要通过旁分泌或自分泌在近距离发挥局部作用。

    生长因子之间多存在基因表达及活性的相互调控。TGF-β能促进PDGF的A链和B链的mRNA的 表达和分泌;bFGF能促进TGF-β mRNA的表达,增强TGF-β对细胞的促增殖和基质合成的 作 用。生长因子之间还存在受体水平的调控,胰岛素不影响IGF-Ⅱ受体的亲和力,但引起Ⅱ 型受体数目的上调效应,从而Ⅱ型受体与Ⅰ型受体竞争,使胰岛素与Ⅰ型受体的结合减少。
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    2.2 相关生长因子在肌腱愈合中的作用

    肌腱损伤愈合中,肌腱细胞在内源性的生长因子作用下增殖分化,生长因子在肌腱愈合早期 阶段中能起刺激肌腱细胞增殖和基质合成的关键作用。生长因子的最大刺激效应取决于 作用肌腱片段解剖位点、生长因子的浓度和时间。多种生长因子如类胰岛素生长因子(IGFs) 表皮生长因子(EGF)、血小板源性生长因子(PDGF)均在肌腱愈合中发挥作用,并存在着一定 的剂量效应关系[11]

    IGF于1953年Salmon和Daughaday研究表明IGFs家族由两种相关多肽组成,即IGF-Ⅰ和IGF- Ⅱ,两者有相似的结构和体外活性,但体内生物学效应不同。IGF-Ⅰ在细胞增殖及细胞外 基质合成代谢中具有重要作用。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ与肌腱细胞增殖和基质合成存在量效 关系[12,13],Murphy等[14]用IGF-Ⅰ刺激肌腱细胞,发现IGF- Ⅰ能胶原合成并促进包括腱细胞、腱鞘细胞及血管周的结缔组织细胞在内的多种细胞增殖。 而刺激效用因作用肌腱的不同解剖部位而异[15]。这种作用可能是通过蛋白质酪 氨酸残基 的磷酸化发挥作用,包括pp60src(一种使受体蛋白酪氨酸激酶活化的蛋白激酶)[16 ]。Nurminskaya[17]研究肌腱细胞胶原纤维合成相关基因的表达时,认为由 生长因子基因上调而产生的诱导信号通过ras蛋白激活IGF,并进而激活诸如TSC-22的同族 物和锌指蛋白的转录因子,最终上调结构蛋白如胶原、蛋白多糖和Decorin的表达。
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    PDGF是由A、B两条同源多肽链连接形成二聚体,能刺激间叶来源的细胞分裂、生长。PDGF- AB是人急性创伤渗出液中的主要PDGF,能诱导成纤维细胞、中性粒细胞和活化的淋巴细胞趋 化,对创伤愈合和组织修复都是有利的。Spindler[2]用50ng/mL、 100ng/mL的PD GF-AB刺激腱细胞DNA合成,作用72h和96h后,DNA的合成与PDGF呈显著量效关系。而 PDGF需在其它生长因子如EGF的协同下才能充分发挥作用[18]。Frederick[ 1 9]用琼脂糖层析比较正常和愈合肌腱蛋白差异时,发现PDGF和EGF在修复过程中显著升 高,因此通过创伤刺激而诱导PDGF和EGF的产生,从而参与肌腱修复。

    bFGF(碱性成纤维细胞生长因子)是一种能诱导外胚层和中胚层来源的细胞增殖和分化的细 胞因子,并在血管形成中起关键作用。它能促进肌腱细胞生长,加速肌腱损伤的愈合[ 20]。正常腱细胞和腱鞘细胞低水平表达bFGF,在创伤环境中bFGF mRNA不但在腱细胞 和 腱鞘细胞中,而且在周围的炎性细胞中都有上调[21]。最近研究工作发现在一个 无粘连的肌腱损伤愈合模型中有新生血管的形成,证实粘连的形成并非肌腱愈合中的营养供 应必需,而Frederick[19]认为bFGF在其中起着血管形成的作用,从而发挥滋润 新生肌腱的作用。
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    GDFs(生长分化因子)-5、6、7是TGF-β/骨形态发生蛋白(BMP)基因超家族的一种亚群。Asp enberg[22]发现GDFs-5、6能改善肌腱的愈合,愈合肌腱的抗张强度与施用的GDF s呈明显的量效关系。这类因子能影响连接组织的前体分化为肌腱形成细胞,Wolfman[ 23]用GDFs-5、6、7异位诱导腱样组织的形成,并从形态学、组织学、Nothern杂交和P CR扩增mRNA等现有的比较标准证实与肌腱是一致的。

    TGF-β(转化生长因子-β)在调节细胞增殖、分化、调节细胞粘附分子的表达、创伤修复 等方面发挥重要作用[24、25]。TGF-β促进细胞基质成分分泌并提高基质蛋白 的膜受体转录和表达,增加胶原酶抑制剂a-2巨球蛋白和金属蛋白酶组织抑制 剂(TIMP)的合 成,进而发挥其调节基质的作用。TGF-β通过上调其它丝裂原及其受体的表达而发挥作用 [26]。目前在人类只发现TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三种同族体,它们有高 度(60%~80%)同源氨基酸序列。其中对TGF-β1的研究最为广泛和活跃。TGF-β1是在创伤 愈合中具有多种生物学功能的多肽生长因子,参与最初的炎性反应、血管形成、胶原沉积以 及最终组织塑形。Chang等发现正常肌腱细胞和腱鞘细胞基础表达TGF-β1,创伤愈合 过程中肌腱细胞、腱鞘细胞及炎性细胞TGF-β1的mRNA表达有显著上调。Robbins[2 7]发现TGF-β1刺激腱基质成分中蛋白多糖如biglycan和aggrecan、胶原和纤粘连蛋白 的合成,并能自我诱导TGF-β mRNA表达提高40%。认为TGF-β1虽然在创伤愈合中发挥多 种生物学功能,但在肌腱粘连形成的病理过程起关键作用。因此施用TGF-β的中和抗体及 蛋 白多糖Decorin等拮抗剂,能控制过多的肌腱粘连的形成[28]
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    肌腱起源于侧板中胚层。TGF-β在肌腱发生过程中亦发挥作用,D′Souza[29] 在胚胎发生过程中用TGF-β1能诱导Eph-A4和Follistatin基因的表达,它们的表达产 物则定位于肌腱形成相关区域,而运用TGF-β的拮抗剂则使肌腱发生缺如。

    2.3 转基因技术与肌腱修复

    最近,国外一些学者尝试利用转基因技术,将细胞因子基因转入一定的细胞(加肌腱细胞、 软骨细胞、骨髓细胞、骨膜成骨细胞等),使其能高效表达细胞因子,发挥细胞因子的生物 学效应,以促进骨、肌腱、软骨损伤修复。EGF和PDGF是肌腱细胞增殖的有效刺激剂,TGF- β1则显著促进蛋白多糖的分泌,因此可以设想通过将生长因子基因导入肌腱细胞以促进修复[30]。Gerich[31]用腺病毒和逆转录病毒作为载体,分别在体内和 体外对肌腱细胞导入lacZ基因,β-半乳糖苷酶能持续表达约6周,将逆转录病毒转染后的 肌腱细胞回输体内后,这些细胞迁移并与受损组织融会。能够满足临床愈合的需要。Ozkan [32]用日本血细胞凝集病毒(HVJ)-脂质体复合物作为载体将lacZ基因转入修复中 的鼠肌腱细胞,目的基因的表达在第7天达最高峰,并能持续表达56天。Nakamura[3 3 ]将PDGF-B用HVJ-脂质体复合物直接注射入14周的Wistar鼠膝韧带中,PDGF稳定表达4周 ,从而促进最初的新生血管形成,并加速胶原等基质合成。
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    利用转基因技术和组织工程技术相结合来修复肌腱损伤时,转基因细胞一方面能持续大量分 泌生长因子,在局部产生高浓度的生长因子,促进肌腱细胞损伤修复。另一方面,细胞本身 也可增生、分化,形成ECM,完成修复过程。这样,不仅改善了局部利用生长因子的缺点, 而且具有后者不可比拟的优越性。有关这方面的研究将会是组织工程领域今后研究的重点。

    3 小结

    目前,组织工程发展所面临的主要问题仍然是细胞生物学问题。体外诱导肌腱细胞的生长、 增殖并分泌基质,从而最终形成肌腱,此调控信号尚不清楚。如何在实际中实施肌腱细胞生 长的正负调控以防止肌腱术后粘连和构建人工肌腱,是一个十分重要的课题。进一步开展生 长因子的临床基础研究必定会给肌腱损伤修复提供一种新的观念和手段。

    国家自然科学基金资助项目 39830390

    作者简介:王尉(1975-),男,江西省南昌人,医师,硕士在 读。研究方向:肌腱损伤修复的组织工程。
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    作者单位:朴英杰(第一军医大学中心实验室,广州 510515)

    裴国献(第一军医大学南方医院创伤骨科)

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    (收稿:2000-01-24 修回:2000-03-15), http://www.100md.com