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编号:10272173
韧带愈合与生长因子
http://www.100md.com 《中国运动医学杂志》 1999年第1期
     作者:白玉龙

    单位:白玉龙 (上海医科大学附属华山医院运动医学科 200040)

    关键词:

    韧带愈合与生长因子许胜文 审校

    韧带损伤是膝部的常见运动创伤,尤以内侧副韧带(MCL)和前十字韧带(ACL)多见。临床和实验研究表明[1—3]:MCL和ACL损伤后的愈合能力存在着显著差异。在中央实质部完全断裂后,MCL可自然愈合,有时不需手术介入;而ACL损伤后,即使手术缝合断端,其愈合率也很低。两者的差异除与它们的血供和营养因素有关[4]外,还与其力学特性有关[5],但这些都不足以解释两者愈合能力的差异。近年来,对MCL和ACL的细胞生物学、生物化学及分子生物学等方面的研究不断深入,现就目前的研究现状综述如下。
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    1 MCL和ACL愈合能力的差异

    韧带损伤后的愈合过程与一般结缔组织相似,都经过急性炎症期、修复再生期和重塑或成熟期三个阶段[6],其中韧带成纤维细胞的游走、附着、增殖、蛋白质合成及胞外基质形成是韧带损伤后修复和重塑的重要过程。组织形态学研究发现[7]:MCL成纤维细胞呈长纺缍形,胞浆有伪足样突起,且与胶原纤维密切接触,便于细胞游走;而ACL细胞呈卵圆形,有无形态基质将细胞和胶原纤维分隔开。ACL组织的波状结构波幅(5μm)亦较MCL(10μm)短[8],而波幅的大小对成纤维细胞发育和生长过程中的游走活动有显著影响。体外细胞培养研究发现[7,9]:MCL细胞游走速度明显快于ACL细胞,为ACL细胞的10倍。在活体ACL损伤模型的研究也观察到:ACL断端细胞数相对较低[10]。在体外培养时,ACL细胞增殖速度显著低于MCL,且随着传代次数的增加,其差异愈加明显[7,11]。Amiel[7]还发现:ACL细胞的DNA合成〔3H—胸腺嘧啶脱氧核苷(3H—TdR)掺入〕不到MCL细胞的50%。另外,ACL和MCL细胞均显示出成纤维细胞表型,但随着传代次数增加,ACL细胞出现较多的微丝束,说明ACL细胞老化较快[12]。ACL细胞合成的Ⅲ型胶原亦少于MCL,而Ⅲ型胶原可以稳定胞外胶原网格结构,利于胞外基质形成[13]
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    MCL和ACL的环境亦可影响其愈合过程。MCL属关节外韧带;而ACL位于关节内,损伤后即暴露于滑膜液中。许多学者对滑膜液及其主要成分透明质酸对成纤维细胞的影响进行了研究。Balaz[14]发现透明质酸阻碍成纤维细胞的游走和附着,但细胞一旦附着后,透明质酸即不再发生作用。而Doillon[15]报道低浓度的纯化透明质酸具有促进成纤维细胞生长和胶原合成的作用。Andrish[16]在研究低浓度的人类病理性滑膜液对正常的人MCL和ACL成纤维细胞的影响中发现,在含有10%滑膜液的环境中,细胞的接种率下降。近来的研究则表明[17]:滑膜液对兔正常的MCL和ACL细胞及MCL疤痕成纤维细胞的增殖具有明显的促进作用,尤以20%滑膜液的作用最为显著,且MCL细胞比其他二种细胞更为敏感;随着滑膜液浓度的升高,其促进作用下降。透明质酸对MCL细胞增殖有轻度的促进作用,但对ACL和疤痕细胞则无影响。他们认为:低浓度的滑膜液对韧带和疤痕细胞的增殖具有促进作用,而这种作用的机制可能不涉及透明质酸;三种细胞不同反应可能与其受体上的差异有关。
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    2 生长因子对韧带愈合的影响

    使用生长因子促进韧带愈合是近年来研究的焦点。研究表明[18,19]:在韧带损伤局部存在着多种生长因子,它们被认为是韧带正常愈合过程的重要调节者。生长因子是一些具有生物活性的多肽,具有趋化性、促有丝分裂和促进胞外基质合成的作用。它们可与细胞表面特异性受体结合,产生第二信使;第二信使可使细胞核根据特定的基因诱导或抑制基因组DNA向mRNA的转录,改变某些蛋白质的水平,进而促进DNA的复制和有丝分裂[20]。这些生长因子又分为感受态生长因子(Competence growth factor)和促进态生长因子(Progression growth factor),成纤维细胞只有在接触感受态和促进态生长因子后才能进行细胞分裂;前者包括血小板源性生长因子(PDGF)和成纤维细胞生长因子(FGF),它们可促进细胞从细胞周期的G0期(静息期)进入G1期(DNA合成前期),成纤维细胞在G1期受促进态生长因子作用进行分裂。促进态生长因子包括上皮生长因子(EGF)、类胰岛素生长因子—1(IGF—1)和白细胞介素—1(IL—1)等,它们可促进细胞从G1期进入S期(DNA合成期)[21]。在S期,细胞为有丝分裂复制DNA,这时3H—TdR可掺入DNA,因此可用来观察细胞的增殖。
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    生长因子对韧带愈合影响的研究一般在活体动物模型上和体外培养的成纤维细胞系上进行。

    2.1 生长因子促进韧带愈合的活体研究

    有关活体动物模型的研究报道较少[22,23],但与细胞培养比较,活体研究具有更重要的意义,因为体外培养环境可能影响细胞的某些特性。Conti[22]在研究转化生长因子——β1(TGF-β1)对鼠MCL损伤后愈合的影响时发现:TGF—β1可增加韧带的断裂力、刚度和断裂能量,而bFGF和IGF—1则无此作用。不同的生长因子作用于细胞周期的不同阶段,生长因子间可产生协同效应。基于这样的设想,Letson[23]在使用同样方法的研究中报道:PDGF可使韧带的断裂力增加约73%,刚度增加约94%,而PDGF/IGF-1、PDGF/bFGF及IGF—1/bFGF间的联合使用都未显示出协同效应,这可能与使用生长因子的时间有关。当成纤维细胞游走至损伤部位或开始分裂时,加入的生长因子可能已被清除,因而只起到了对细胞的趋化作用,没有促进细胞的增殖。另外,所用生长因子的剂量可能远远大于或小于理想的作用剂量。生长因子对活体韧带组织愈合的影响,尤其是联合使用多种生长因子促进韧带愈合的研究有待于进一步探索。
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    2.2 生长因子对体外培养韧带细胞的影响

    体外细胞培养可观察单一或联合使用多种生长因子对韧带成纤维细胞活动的影响。这方面的报道相对较多,但大多是关于细胞增殖/DNA合成的研究,而生长因子对韧带基质代谢影响的研究则很少。

    2.2.1 生长因子对细胞增殖/DNA合成的影响

    通常采用细胞计数和3H—TdR掺入的方法来探讨生长因子的作用。Amiel[7]用TGF—β和bFGF对第2—6代的MCL和ACL细胞进行研究发现:TGF—β和bFGF对细胞数均无影响;TGF—β对3H—TdR掺入具有抑制作用,尤其在浓度>1ng/ml时更为明显。而bFGF可增加MCL和ACL细胞的3H—TdR掺入,在10—100ng/ml范围内其作用最强。bFGF的促进作用可能是通过促进DNA复制,因为羟基脲(DNA复制抑制剂)可抑制其效应。Schmidt[21]也报道:EGF、bFGF、aFGF和PDGF—BB均可促进MCL和ACL细胞之DNA合成,尤以EGF和bFGF显著。EGF可明显增加MCL(7.6倍)和ACL(5.6倍)的3H—TdR掺入,且随着浓度增高,出现一平台期;bFGF亦可促进MCL(7.6倍)和ACL(6.2倍)的DNA合成,但与EGF不同,bFGF随着浓度升高,其促进作用下降。PDGF—BB和aFGF只有在高浓度时才产生中度的促进作用。与Amiel[7]不同,TGF—β在0.6ng/ml时可促进MCL细胞DNA合成;而PDGF—AA、IGF—1和IL—1a对MCL和ACL细胞均无影响。他们[21]还发现:EGF、TGF—β和aFGF对MCL和ACL细胞的作用不同,EGF和TGF—β对MCL细胞的促进作用较ACL高1.3~1.4倍;而aFGF对ACL的作用高出MCL1.3~1.6倍。Spindler[24]报道了TGF—β1和PDGF—AB对羊ACL和髌键细胞的影响:PDGF—AB对ACL细胞的3H_TdR掺入无影响;但在50—100ng/ml时对培养72小时的髌键细胞具有促进作用,在培养96小时后,1—200ng/ml的PDGF—AB均呈现显著的促进效应。TGF—β1只在10ng/ml时明显促进髌健细胞的DNA合成;ACL细胞培养48小时,TGF—β1可增加其约20%~60%的3H—TdR掺入,但无显著性差异,而在96小时时,TGF—β1却使DNA合成增加100%,这与Schmidt[21]的报道相近。与PDGF—AB不同,TGF—β1无剂量依赖效应,但两者的促进作用均有组织和时间依赖性。不同细胞的效应差异与不同生长因子所结合的基质不同及受体表达有关,ACL细胞对PDGF—AB无反应可能是其愈合能力低下的一个因素[24]
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    Lee[25]和DesRosiers[26]对生长因子间的协同效应进行了探索。Lee[25]报道:单独使用TGF—β、bFGF、PDGF—BB和胰岛素对兔MCL和ACL细胞的增殖无促进作用;联合使用三种不同剂量组合的上述四种生长因子,在培养至3天和6天时,ACL细胞数增加10~20倍,而MCL只增加3倍。他们认为:在无血清培养时,联合使用多种生长因子较单一生长因子对细胞增殖的促进作用效果好。DesRosiers[26]报道:EGF、PDGF—AB、TGF—β1和胰岛素在某一浓度时对狗ACL细胞的增殖都有促进作用;TGF—β1只在0.1—0.9ng/ml时促进细胞增殖,而其它生长因子随养剂量的增加,出现效应平台期。在二二组合使用生长因子时,多数生长因子间具有协同效应,但胰岛素与IGF—1、TGF—β1与EGF、IGF—1和PDGF—AB间呈现拮抗效应。

    由上述可见,不同作者报道的结果存在较大差异,这可能与细胞的来源、培养条件及生长因子的剂量有关。
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    2.2.2 生长因子对韧带基质合成的影响

    韧带的特性从根本上来讲是由其基质和结构所决定的。目前,有关生长因子对韧带基质代谢活动影响的研究较少。Murphy[27]报道:TGF—β1和IGF—2均可促进MCL疤痕细胞的胶原合成。不同的是:TGF—β1主要促进I型胶原的合成,而IGF—2可同时增加Ⅰ、Ⅲ型胶原的产量。两者对正常MCL和滑膜细胞的胶原代谢无影响。而IGF—1和bFGF对所有三种细胞的胶原合成均无影响。DesRosiers[26]也发现TGF—β1对胶原合成具有强烈的促进作用;但与Murphy[27]不同的是:IGF—1亦有类似TGF—β1的效应,两者均使Ⅰ∶Ⅲ型胶原比例增高。他们还报道:TGF—β1、IGF—1和EGF都可促进ACL细胞的蛋白多糖合成。在研究生长因子的相互作用时,TGF—β1与胰岛素、IGF—1和PDGF—AB间及IGF—1与PDGF—AB间在促进胶原合成时具有协同效应;EGF与胰岛素、IGF—1、TGF—β1和PDGF—AB间,TGF—β1与胰岛素和IGF—1间及IGF—1与胰岛素间在促进蛋白多糖合成时亦有协同效应。
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    在研究生长因子对韧带基质合成代谢作用的同时[26,27],也有生长因子对基质分解代谢酶影响的报道[28,29]。Amiel[10]发现:切断的ACL组织较正常ACL分泌更多的胶原酶。除胶原酶外,纤维蛋白溶酶也参与基质的分解代谢,它可降解基质中的基膜素、纤维联接蛋白和原纤维,并能激活胶原酶等基质分解酶。目前已证实韧带组织中存在脲激酶型纤维蛋白溶酶原激活剂(PA)和PA的抑制剂—1(PAI—1)[30]。PA可促进纤维蛋白溶酶原转化为纤维蛋白溶酶,而PAI—1可抑制PA的活性。TGF—β1和IGF—2可以增加MCL和MCL疤痕成纤维细胞的PAI—1的活性,而对ACL和滑膜细胞则无影响[28,29]。PAI—1活性增加,抑制了PA的作用,利于基质的合成。IGF—1、aFGF和bFGF则不影响PAI—1的活性[28,29]

    总之,生长因子是韧带组织愈合过程中的一个重要调节者,利用生长因子促进韧带愈合具有广阔的前景。但是,由于活体损伤局部的生长因子浓度变化迅速,而且受到许多因素的影响,如结合蛋白、细胞环境中的氨基酸浓度等,所以体外实验中所用的生长因子很难精确模拟体内的状态。在活体上使用这些昂贵且作用时间很短的生长因子仍是一个挑战,比较有前景的方法是通过活体内生长因子的基因转移[31]。另外,体外培养组织重建替代物亦在探索中[32]
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    (1997.03.07收稿)

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