目前，越來越多的老年人患有腰椎管狹窄癥（LSS）。LSS的臨床癥狀包括下肢麻木伴疼痛、腰痛和跛行。LSS通常是由黃韌帶肥厚（LFH）引起的。先前的研究表明，機械應力會促進膠原纖維I（col-I）和膠原纖維III（col-III）的合成，從而有助于LFH。然而，確切的機制尚不清楚。

根據先前的一項研究，胰島素樣生長因子-1（IGF-1）對合成代謝很重要，并刺激IGF-1R/AKT/mTORC1信號通路，導致肌肉或骨骼形成。此外，IGF-1升高可促進各種組織的肥大，機械應力在IGF-1形成中起著至關重要的作用。然而，在LFH中，機械應力和IGF-1的關系尚未得到充分研究。

在南方醫科大學第三附屬醫院脊柱外科、足踝外科、創傷骨科等團隊的一項研究中， 假設機械應力在 IGF-1 合成中起著關鍵作用。此外，IGF-1 可能通過 IGF-1R/AKT/mTORC1 信號通路促進 col-I 和 col-III 的合成。為了驗證這些假設，檢測col-I和col-III作為LFH的重要指標，并檢查IGF-1R / AKT / mTORC1信號通路的相關標志物激活。此外，還研究了LFH中機械應力與IGF-1的關系以及所涉及的潛在機制。
 

首先，免疫熒光染色顯示LFCs表達高水平的col-I和波形蛋白（vimentin），這表明培養了高度純化的LFCs。在沒有機械應力的情況下，大多數LFCs是多邊形的（圖1 a）。在機械應力作用下，LFCs呈梭形并沿應力方向排列（圖1 b）。

圖1   有或沒有機械應力的LFCs的形態。

（a）LFCs在沒有機械應力的情況下培養。（b）使用細胞牽拉系統對實驗組細胞施加周期性牽拉應力，以20% 的牽拉強度牽拉黃韌帶細胞 10 s，然后停止牽拉10 s。

然后，在應力組和非應力組中通過RT-qPCR在6 h、12 h和24 h檢查IGF-1，col-I和col-III的 mRNA。結果表明，機械應力以時間依賴性方式上調IGF-1，col-I和col-III mRNA的產生（圖2 e-g）。此外，通過ELISA在6 h、12 h和24 h檢查IGF-1，col-I和col-III的蛋白水平。結果表明，機械應力以時間依賴性方式增加IGF-1，col-I和col-III蛋白的產生（圖2 h-j）。在應力組和非應力組中，通過蛋白質印跡分析在6 h、12 h和24 h評估pIGF-1R、pAKT和pS6的激活情況。結果表明，機械應力以時間依賴性方式增加pIGF-1R（圖2 a、b）、pAKT（圖2 a、c）和 pS6（圖2 a、d）的激活。
 

圖2   LFCs中IGF-1R/AKT/mTORC1信號通路相關的mRNA和蛋白質變化在有或沒有機械應力作用下。機械應力以時間依賴性方式上調了pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化，以及IGF-1（e），col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平以及IGF-1（h），col-I（i）和col-III（j）的蛋白質水平。

接下來，分別在24 h時通過RT-qPCR和ELISA檢查無應力組，應力組和應力+ 10 μg/ml IGF-1中和抗體組的IGF-1，col-I和col-III的mRNA和蛋白質水平。結果表明，IGF-1中和抗體降低了col-I/col-III的mRNA水平（圖3 f、g），但 IGF-1 沒有降低（圖3 e）。此外，IGF-1、col-I 和 col-III 蛋白水平被 IGF-1 中和抗體降低（圖3 h-j）。此外，IGF-1中和抗體抑制了pIGF-1R（圖3 a、b）、pAKT（圖3 a、c）和 pS6（圖3 a、d）的活化。
 

圖3   IGF-1中和抗體治療。

IGF-1中和抗體降低了col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平，但沒有降低IGF-1（e）。IGF-1中和抗體還降低了IGF-1（h），col-I（i）和col-III（j）的蛋白質表達。此外，pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化被IGF-1中和抗體降低。

此外，在無應力組、應力組和應力+100ng/ml NVP-AEW541（IGF-1R抑制劑）組分別在24 h時通過RT-qPCR和ELISA檢測IGF-1，col-I和col-III mRNA和蛋白質水平。結果表明，NVP-AEW541降低了col-I/col-III 的mRNA水平（圖4 f、g），但 IGF-1 沒有降低（圖4 e），并降低了col-I/col-III的蛋白質水平（圖4 i、j），但 IGF-1 沒有降低（圖4 h），而且pIGF-1R（圖4 a、b）、pAKT（圖4 a、c）和 pS6（圖4 a、d）） 的激活被 NVP-AEW541 降低。

圖4   NVP-AEW541治療。

NVP-AEW541降低了col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平，但沒有降低IGF-1（e）的水平。NVP-AEW541降低了col-I（i）和 col-III（j）蛋白水平，但不影響 IGF-1 （h）。此外，NVP-AEW541降低了pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化。

最后，在無應力組、應力組和應力+10 ng/ml雷帕霉素組24 h分別采用RT-qPCR和ELISA檢測IGF-1、col-I和col-III 的mRNA和蛋白水平。結果表明，雷帕霉素降低了col-I/col-III的mRNA水平（圖5 d、e），但不影響 IGF-1 （圖5 c），并降低了col-I/col-III的蛋白質水平（圖5 g、h），但不影響 IGF-1 （圖5 f）。此外，pS6的誘導被雷帕霉素抑制（圖5 a、b）。

圖5   雷帕霉素治療。

雷帕霉素降低了col-I（d）和col-III（e）的mRNA水平，但沒有降低IGF-1（c）的水平。雷帕霉素降低了col-I（g）和col-III（h）的蛋白質水平，但沒有降低IGF-1（f）的蛋白質水平。此外，雷帕霉素降低了pS6（a，b）的活化。

圖6   機械應力促進膠原纖維I和膠原纖維III合成的潛在機制。

總之，該研究表明，機械應力上調了IGF-1，col-I和col-III的蛋白和mRNA產生。IGF-1中和抗體、NVP-AEW541、雷帕霉素阻斷了IGF-1R / AKT / mTORC1信號通路，并減少了LFCs中col-I和col-III的產生。這些發現表明，循環機械應力促進LFCs分泌IGF-1，通過IGF-1R / AKT / mTORC1信號通路誘導col-I和col-III合成（圖6）。這些結果提供了對LFH的新理解，并可能有助于開發治療LSS的新方法。

參考文獻：Yan B, Zeng C, Chen Y, Huang M, Yao N, Zhang J, Yan B, Tang J, Wang L, Zhang Z. Mechanical Stress-Induced IGF-1 Facilitates col-I and col-III Synthesis via the IGF-1R/AKT/mTORC1 Signaling Pathway. Stem Cells Int. 2021 Dec 6;2021:5553676. doi: 10.1155/2021/5553676. PMID: 34912459; PMCID: PMC8668368.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34912459/

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