成都华西华科研究所研发生产定量CT QCT骨密度体模软件分析系统

膜岛素样生长因子与QCT骨密度体模软件检测方法

膜岛素样生长因子（丨nsulin- like Growth factor, IG- Fs)是骨组织中含贵极为丰富的一组生长因子、也是最重 要的讶骼生长因子之一（图7- 11)。当垂体分泌生长激 素促进人体骨骼生长时，主要是通过软骨、肝脏等绾织产 生的胰岛索样生长因子来介导的^:ll，IGF_S能适当剌激成 讶细胞有丝分裂，促进其增殖、分化，剌激丨塑胶原合成，通 过抑制胶原酶的表达来减少骨胶原的降解。这对形成新 骨和维持#基质是非常关键的^[2]。现已证实：丨GF对成骨 细胞和破骨细胞的作用及在骨质疏松发生发展中的作用 不可忽视。

(一）丨GFs的生物学特性

组织特异性丨GF判节系统UGFs)由两种IGF配体 UGFI』）、两个IGF受体（IGFR)、六种IGF特异结合 蛋白（丨GFWM -6)及蛋闩酶构成⑴。

1S7-11可溶性人胰岛素样生长因子-1结构图

IGFs是由Salmon和丨)aughaday于20世纪50年代 末发现.儿乎存在于哺乳动物所有组织和血液中，大部分 由肝脏合成，骨绀织产生较少。丨GF与胰岛索有相似的 结构，且具袍胰岛素样活性作用，能促进细胞分化和增殖 活性作用的多肽蛋白。人们在研究这一组生长因子时发 现其具有促进许多组织和细胞的生长，因此，开始被人们 称为生长调节索（somatomedin〉。IGFs由生长激索 (growth hormone, GH)介导产生，成骨细胞合成和分泌， (H通常悄况下局部丨GFs又通过旁分泌和S分泌方式刺 激成骨细胞的复制、渊节成骨细胞功能和剌激竹基质的 合成。血淸屮丨GFI、11水平由遗传因素决定，Commuzz- ie和Kurlaml注意到26个血统的526个墨两哥裔美闽人 血淸屮丨GF水平具有强烈遗传性。丨GFI、丨丨分别由70、 67个氨基酸残基组成的单链多肽，由3个二硫腱交连而 成，又分A、BX和D四个区，其中丨GFI的八、BK中的 70%的氨苺酸序列与丨GFH相N, 50%与胰岛索相同。 山不同的苺因产生，其生理作用是通过其受体实现。嵌 初丨GFI处从有条件的成骨细胞培养液中分离出来的， 而KiFIl是从骨苺质的分离液中分离和提取的。IGF I、 II都是单箪W产物，笔因分别位f第丨2号染色体的长锊 和11号染色体的短臂上。丨GFI、丨丨对竹代谢有相似的 作用，但前荇史布效。丨GF丨、丨丨均能增强前成骨细胞的 复制，在转录上也增强I型胶原蛋白的合成，并促进骨基 质沉积。它们在竹形成中有相似的效应，但前荇强于后 #。许多激索和局部产生的生长因子在成竹细胞中调节 IGFI的合成。LPTH及其相关肽和其他在骨细胞中 cAMP的诱导剂主耍剌激剂成骨细胞的丨GF I合成 IGF I是调竹fj•细胞功能和代谢的重要闪矛，它能减少背 的胶职退化，增加针质沉积，促进成骨细胞分化、成熟及 补充。丨(iFl、n对破骨细胞的影响还不大淸楚，可能是

作用于破骨细胞分化过程的某个环节。

人丨GF-丨基因定位于12q22-q23,含6个外显子和 5个内含子，跨区长85547bp(图7 - 12)。哺乳动物的 1GF-丨mRNA存在多种异构体，被腺苷酞化（adenyla- tion)的程度也不一样。在第丨号外显子和2号外显子的 5’端之间存在两个启动子（P1和P2),外显子1编码倌号 肽的前20个氨基酸。P1是所有衣达丨GF- 1组织中的 活性启动子.外M子2编码另一信号肽的前6个氨基酸。 P2主要控制肝脏IGF-1基因的转录水平。丨GF-2基 因含10个外显子，和丨GF- 1基因的转录一样，丨GF - 2 转录物也有各种形式和不同程度的腺苷酰化^[31。但丨GF -2基因含4个启动子，在胎儿期，丨GF-2的衣达远比 IGF- 1活跃。

m 7-12 IGF - 1

IGF-丨的主要生物学作用有：①促进细胞的有丝分 裂，并与EGF, PDGF有协同作川；②促进细胞的分化与 增殖，其中对肌细胞、脂肪细胞、成纤维细胞的作用较明 显，成骨细胞、卵巢颗粒细胞及间质细胞、胰岛细胞的分 化均潘IGF- 1的作用；③促进神经细胞的分化和增殖； ④作为GH的介导因子（或靶激家）而发挥GH的间接作 用；⑤在肿瘤组织中，IGF-1可促进肿瘤生长；⑥丨GF- 1 是垂体G丨丨分泌的主要负反馈抑制因子，对下丘脑的 GHRH也有抑制作叩，垂体GH细胞含IGF - 1受体， IGF-1抑制GH基因的转■ GH的分泌;⑦IGF-1与 受体结合后，激活受体P业基的内源性酪扠酸激朐活性， 促发胰岛素受体底物一1URS- 1)磷酸化，启动信号转 导与扩增，从而发挥丨GF-丨的生物学作用^14]。

胰岛素样生长因索UIGF- U及其受体（丨GF- 1 R) 具有强大的促增殖信号调节体系，能刺激多种细胞增殖， 抑制凋亡。在体内，丨GF-1可以作为多种激索的媒介物 而发挥作用，刺激一些类型的癌组织生长。而且可能剌 激一些类甩癌的生长。丨GF-丨作为揖中生长因子，也促 进许多组织细胞分裂增殖的位号分子。丨GF-1行使促 冇祅分裂的作用与受体酩氨酸激酶Shc、Grb2和Sos- 1 功能相关，激活ras和Map激酶级连反应（_raf, Mek,Erk)。Map激酶转导通路的末端受转录因子激活的

调节.例如ELK转录因子。许多因子可促进血淸应答因 子（SRF)及AP- 1的活性。丨RS- 1和P丨3激酶可以通 过磷酸化的形式瀲活，此种情况存在于丨GF-丨和胰岛素 信号转导通路中。

IGF-2的主要生物学作用有：①增加细胞Ca Z'内 流，促进细胞的有丝分裂；②竞争IGF M受体，具有拮抗 IGF-1的作用；③在胎儿期，各组织中的IGF-2以自分 泌或旁分泌形式作用于胚胎组织，促进胚胎发育；④在胚 胎肢体发W、软骨生长、软骨细胞成熟与凋亡中存重要调 节作用；⑤癌细胞产生的IGF-2及血宵内皮生长因子 (vascular endothe丨id growth factor, VEGF)等能促进癌细 胞迅速生长与扩敗.丨GF-2分泌过多还可引起低血糖 症;(SHGF-2 mRNA可作为Wilm细胞肉瘤的标忐物。

(二）         IGF受体

IGF两种受体均由成骨细胞合成，其结构和功能差 异很大。成熟的丨GFR是由两个a链（100〜丨35ku〉和两 个择链（90~95ku)通过二硫键结合而成的四聚体。

在成骨细胞合成的骨基质中，贮存的IGF-1和 IGF- 2可促进成骨细胞的活件，IGFs与各自的受体结合 而发挥匕述作用。IGF-1受体与丨GF-1及胰岛索的亲 和力均较高，丨GF-1受体表达和受体功能受丨GF-1的 降调节，而PDGF、bFGF上调其表达。丨GF-1主要促进 细胞周期循环，对细胞增殖和分化有明显促进作用， IGF-丨和受体形成的复合物还可能与细胞的恶性转型有 关。IGF-2与其受体及溶酶体酶均可呈商亲和性结合， IGF-2受体还是蛋白分解代谢的抑制剂，故与骨质疏松 有关^:56]。

IGF-丨受体与胰岛素受体的结构相似。丨GF-1受 体由两分子BAD的a亚基和两分子90ku的p亚基组成， 由二硫键连接成异四聚体。a亚基位于细胞外，P亚基包 括穿膜段、ATP结合位点及酪氨酸激醵活性段。丨GF-2 的受体结构不同，为单穿膜直链肽，无亚基结构，与非阳 离子依赖性甘摒醉-6-磷酸麻（M6P)结合。IGF-2受 体无激酶活性，但含有酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸磷酸化 位点。

IGF- 1受体基因突变（如952 stop, 950Y)可引起生 长障碍，最明M的变化为脂肪组织缺乏。选择性敲除成 骨细胞丨GF- 1受体基因的小M钟体积和®世无变化，但 松质骨骨容S下降，骨的连续性和骨小梁数目减少，骨小 梁腔隙增大，类骨质矿化障碍（尽管成骨细胞和破胥细胞 的活性增强）。因而，丨GF-1受体是骨基质生物合成和 维持正常矿化的一种偶联因子

(三）         IGFBP、IGFBP酶和1GFBP相关蛋白

IGFBPs和IGFI —样，也由成骨细胞产生，都受GH

调节。游离的丨GFI、D很少，均与IGFBP及一个不耐酸 的亚单位形成大分子复合物。IGFBPs的功能还不完全 淸楚，巳知它们既能抑制又能增加丨GFI、D的活性。 IGFBP_S能阻断IGFs与其受体结合，通过竞争芄受体以 抑制其生理活性，延长其半衰期，以及通过引导丨GFs至 特殊类甩的细胞或固定丨GFs于相邻区域以增强靶组织

对丨GFs的应答反应。目前已鉴定出6种分子里不同的 IGFBPs,其中IGFBP1是一个30ku的非糖基化蛋白，受 胰岛索调节，在局部调控IGFs功能。目前认为IGFBP2 -6对骨重建有重要作用。丨GFBP2骨中含M低，主要与 IGFII结合，抑制骨重建。在血循环和骨组织中存在的6 种丨GFBP中，最多的是IGFBP3,占主要生物活性，为 43KD的糖基呔，是血淸中主要的、不耐酸的丨GF结合糖 蛋白，与丨GFs结合后形成140kD复合物，是循环中IGFs 的贮存池。血淸中丨GFBP3随年舲增加而下降，在老年 人骨转换中起重要作用：能刺激成骨细胞产生丨GFI、 D ,并剌激成骨细胞的有丝分裂，能促进丨GFs储存到骨 基质中，并能与羟磚灰石结合。根据细胞类型和周围生 理环境，局部产生的丨GFBP3对丨GF I有兴奋和抑制作 用，以调节丨GFI的生理活性^:9>^。丨GFBP4在老年人血 淸中含M增高，是一种抑制性结合蛋白，抑制IGI•'调节骨 细胞增殖。它与甲状旁腺激素（PTH)冇关，两者随年龄 增加而增高。兴奋型1GFBP5在血和骨中浓度均较高， 主要功能是结合细胞外箪质，特別是羟基磷灰石。它在 骨中结合、贮存丨GFs,并增强IGFs的生物活性，对IGF I、II具有特异性，怛在两者缺乏时能宜接结合至成骨细 胞表面，以刺激其有丝分裂。而抑制性丨GFBP6随年龄 增长而升商，通过阻断IGFs与其受体结合，以抑制丨GFs 活性"m²]。

体外培养的和人体内的骨细胞产生的丨GFBPs蛋甶 酶均可水解IGFBPs,但存在血淸和骨组织中的蛋白酶降 解IGFBPs具有特异性，能改变丨GFs对丨r*FRRs的结合 能力。IGFBPs蛋白酶对作用环境也具冇特异性，仅在一 定条件下（如低pH值）对IGFBPs起作用。丨GFBP蛋白 酶在丨GFs/IGFBPs渊节骨分化过程中起*要作用_e因此 诱导特异性丨GFBP蛋白觭的释放，或通过丨GFBPs抑制 IGFs与其受体结合，可治疗性地应用于调控丨GF_S的生 物利用度。

(四）         丨GFs与骨基质

骨基质中贮存有丰宮的丨GF_S。在人的骨基质中， IGF-2的含贵高于丨GF-1和其他生长因子（骨基质中 IGF-2与1GFBP-5结合）。骨基质与结合们GF-2 (IGF-2- IGFBP-2复合物）的亲和力远尚于游离型 IGF-2。实验表明，这种复合物可促进成骨细胞增殖，提 高废用件骨质疏松大W的骨密度。在骨组织中，丨GF-1 主要分布于小梁骨。基质中的TGF-p、BMP、PDGF和 bFGF等是成骨细胞和骨细胞丨GF - 1表达的调节W子。 PTH提高#量的作用也可能与骨基质中的丨GF-1含最 增岛有关^{~。骨衮老时，小梁骨中的IGF- 1含最明显 下降；而讶关节炎时，局部件组织中的丨GF-1和IGF-2 均增多。破骨细胞#吸收时，基质中的丨GF -丨和 IGF-2释放出来，这些活性生长因子乂可促进骨形成。

(五）         丨GFs与骨骼系统

在骨发台期，骨生成与成骨细胞和背细胞的！GF- 1 表达M有密切关系。丨GF-1和丨GF-2促进成符细胞分 化和成骨细胞的DNA合成，使1甩胶原基因表达上调，

胶原分解减少。在体外实验中，丨GF-1促进前成#细胞 的有丝分裂（自分泌调节），此时的丨GF • 1分泌减少；但 在成骨细胞发育至基质生成和矿化阶段时，丨GF- 1分泌 增多。

IGF- 1和丨GF -2对骨吸收也有调节作用，破骨细 胞表达IGF-1受体。在体外，丨GF-丨促进破#细胞生 成，增强其活性。但一般认为，这种效应通过成骨细胞的 作用而呈间接性。生理里的丨GF-1可下调OPG表达， 但对KANKL无影响。另一方面，丨GF-1也是成骨细胞 一破骨细胞的偶联因子，IGF- 1渊节成廿细胞OPG和 KANKL的表达。在骨审建中，可促进骨形成和骨吸收两 个过程，其中IGF-丨的促进骨吸收作用足通过OPG/ RANKL系统来介导的。因此，IGF-丨促进破骨细胞骨 吸收的作用应该包括直接作用（破骨细胞和破骨细胞前 身细胞的活化）与间接作用（通过分泌过多RANKL而抑 制OPG的活性，使RANKL与破骨细胞上RANK受体的 活性增加）网个方面。这可能是使用®组人GH(rhGH) 或重绀人-丨（rhIGF -1)后导致卄吸收增加的 原因¹

骨组织中所有细胞的活动均与丨GFs杳密切关系，而 且，有的细胞既合成和分泌IGFs，乂对自身分泌的丨GFs 有调节作用，而另一些细胞则至少对丨GFs有相应的反 应，所以在骨代谢和卄修复中起重要作用。*般认为.激 素结合蛋白的主要功能是调竹和缓冲游离组分的水平与 活性。骨组织的丨GFBP_S并非一类单纯的丨GF蛋白.骨 组织局部的丨GFBPs除具Wfl分泌/旁分泌调节10^的 作用外，还存在非IGF•依赖性功能，即可单独调节骨代 谢，是一类重要的#代谢调节因T。例如，丨GFBPs本身 就是一种生长因子，可促进#形成；一些丨GFBPs与靶细 胞膜上的“受体”结合后，可启动非丨GF受体信号转导，诱 导靶基因表达；IGFBPs还可转运到靶细胞核内，激活核 内倌号通路，表现其特异性生物活性。当评价丨GFs的作 用时，必须考虑丨GFBPs的这些特殊作用，因为丨GFs的效 应受丨GFBPs的剁竹。深人理解和研究丨GFBPs萆因表 达、调节及其功能，是背代谢研究的東要领域之一。

骨骼丨GF受GH、雌激素、甲状旁腺素、降钙隶等多 种因家调节：

1.循环中与年龄相关的丨GFI减少，与GH分泌减 少有关GH是阑节IGF I合成的典型激素，GH促进骨 生长的作用足通过丨GF实现的。GH除作用于骨外组织 (主要是肝细胞）合成并释放丨GF外，还可直接作用于成 骨细胞合成并分泌丨GF。丨GF的合成与分泌受血中GH 水平控制，且对GH分泌具有反馈调节作用，这就构成了 GH/ IGF调竹轴体系。体内多数组织的生长及代谢受 GH/〖GF轴调控。GH升离，血淸IGFi的浓度也升离， 抨形成增加；而垂体功能低下致GH慢性缺乏者，血淸 IGF丨的浓度也下降，骨密度降低，在成人引起骨质疏松 性卄折。Kassen¹⁵¹用GH治疗40名52 -73岁具有低骨 里的绝经后妇女，丨GFI、11 ,丨GFBH3、丨GFBP5均增高，而 1GFBP1、IGFBP4 均减少^["^]。

Booner最近研究表明，23岁至92岁人股骨颈皮质 和基质中丨GF浓度下降1/3以上.Nichoals也认为老年人 骨骼中IGF水平显著下降，与血淸中丨GF水平呈年龄相 关性下降相似。这可能与GH分泌减少有关。老年人下 丘肭垂体轴功能下降，GH分泌滅少，血中IGF I水平也 下降。

最近美国 FDA 支持用 rhGH (recombinant human growth hormone)重组人生长因子治疗成人GH缺乏者， 旨在增加数个部位#骼的种里。但研究表明即使血淸和 种骼中丨GFI水平显著下降，GH并不能增加老年人骨 里。或许IGFI缺乏并不是年龄相关性骨质疏松的致病 因索，可能其他因素如丨GFBPs限制了 IGFs在老年人# 骼中的生物活性。

2.      雌瀲素与IGFs关系复杂雌激索能增加啮齿动 物成骨细胞培养液丨GFI的产生，相反，雌激素不增加或 紱少卵巢切除后大鼠的丨GFI水平。Barrett研究了 455 名未使用雌激索治疗的绝经期妇女的BMD和丨GFI，认 为女性丨GFI水平和BMD相关，循环中雌激素水平与 IGF I水平尤关。

3.      甲状旁腺激素（PTH)对骨骼丨GFs系统存明M作 用持续或间断给予PTH,吋分别抑制和剌激骨生长因 子丨GFI、IGFBP5mRNA的表达。实验表明，FTH促进 成骨细胞样细胞增加丨GFI、IGFBP3-5转录，多肽分泌 和骨I型胶原合成，同时加速成骨细胞合成，其中丨GFI 是夯效的促进剂。Harvey认为PTH增加游离丨GFI水 平，娃通过调节IGF/丨GFBP轴起作用的^[|61。成都华西华科研究所研发生产QCT定量CT骨密度体模软件分析系统  
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