机械应力诱导的IGF-1通过IGF-1R / AKT / mTORC1信号通路促进col-I和col-III的合成

目前，越来越多的老年人患有腰椎管狭窄症（LSS）。LSS的临床症状包括下肢麻木伴疼痛、腰痛和跛行。LSS通常是由黄韧带肥厚（LFH）引起的。先前的研究表明，机械应力会促进胶原纤维I（col-I）和胶原纤维III（col-III）的合成，从而有助于LFH。然而，确切的机制尚不清楚。

根据先前的一项研究，胰岛素样生长因子-1（IGF-1）对合成代谢很重要，并刺激IGF-1R/AKT/mTORC1信号通路，导致肌肉或骨骼形成。此外，IGF-1升高可促进各种组织的肥大，机械应力在IGF-1形成中起着至关重要的作用。然而，在LFH中，机械应力和IGF-1的关系尚未得到充分研究。

在南方医科大学第三附属医院脊柱外科、足踝外科、创伤骨科等团队的一项研究中， 假设机械应力在 IGF-1 合成中起着关键作用。此外，IGF-1 可能通过 IGF-1R/AKT/mTORC1 信号通路促进 col-I 和 col-III 的合成。为了验证这些假设，检测col-I和col-III作为LFH的重要指标，并检查IGF-1R / AKT / mTORC1信号通路的相关标志物激活。此外，还研究了LFH中机械应力与IGF-1的关系以及所涉及的潜在机制。

首先，免疫荧光染色显示LFCs表达高水平的col-I和波形蛋白（vimentin），这表明培养了高度纯化的LFCs。在没有机械应力的情况下，大多数LFCs是多边形的（图1 a）。在机械应力作用下，LFCs呈梭形并沿应力方向排列（图1 b）。

图1 有或没有机械应力的LFCs的形态。

（a）LFCs在没有机械应力的情况下培养。（b）使用细胞牵拉系统对实验组细胞施加周期性牵拉应力，以20% 的牵拉强度牵拉黄韧带细胞 10 s，然后停止牵拉10 s。

然后，在应力组和非应力组中通过RT-qPCR在6 h、12 h和24 h检查IGF-1，col-I和col-III的 mRNA。结果表明，机械应力以时间依赖性方式上调IGF-1，col-I和col-III mRNA的产生（图2 e-g）。此外，通过ELISA在6 h、12 h和24 h检查IGF-1，col-I和col-III的蛋白水平。结果表明，机械应力以时间依赖性方式增加IGF-1，col-I和col-III蛋白的产生（图2 h-j）。在应力组和非应力组中，通过蛋白质印迹分析在6 h、12 h和24 h评估pIGF-1R、pAKT和pS6的激活情况。结果表明，机械应力以时间依赖性方式增加pIGF-1R（图2 a、b）、pAKT（图2 a、c）和 pS6（图2 a、d）的激活。

图2 LFCs中IGF-1R/AKT/mTORC1信号通路相关的mRNA和蛋白质变化在有或没有机械应力作用下。机械应力以时间依赖性方式上调了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）的蛋白质水平。

接下来，分别在24 h时通过RT-qPCR和ELISA检查无应力组，应力组和应力+ 10 μg/ml IGF-1中和抗体组的IGF-1，col-I和col-III的mRNA和蛋白质水平。结果表明，IGF-1中和抗体降低了col-I/col-III的mRNA水平（图3 f、g），但 IGF-1 没有降低（图3 e）。此外，IGF-1、col-I 和 col-III 蛋白水平被 IGF-1 中和抗体降低（图3 h-j）。此外，IGF-1中和抗体抑制了pIGF-1R（图3 a、b）、pAKT（图3 a、c）和 pS6（图3 a、d）的活化。

图3 IGF-1中和抗体治疗。

IGF-1中和抗体降低了col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平，但没有降低IGF-1（e）。IGF-1中和抗体还降低了IGF-1（h），col-I（i）和col-III（j）的蛋白质表达。此外，pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化被IGF-1中和抗体降低。

此外，在无应力组、应力组和应力+100ng/ml NVP-AEW541（IGF-1R抑制剂）组分别在24 h时通过RT-qPCR和ELISA检测IGF-1，col-I和col-III mRNA和蛋白质水平。结果表明，NVP-AEW541降低了col-I/col-III 的mRNA水平（图4 f、g），但 IGF-1 没有降低（图4 e），并降低了col-I/col-III的蛋白质水平（图4 i、j），但 IGF-1 没有降低（图4 h），而且pIGF-1R（图4 a、b）、pAKT（图4 a、c）和 pS6（图4 a、d）） 的激活被 NVP-AEW541 降低。

图4 NVP-AEW541治疗。

NVP-AEW541降低了col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平，但没有降低IGF-1（e）的水平。NVP-AEW541降低了col-I（i）和 col-III（j）蛋白水平，但不影响 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，在无应力组、应力组和应力+10 ng/ml雷帕霉素组24 h分别采用RT-qPCR和ELISA检测IGF-1、col-I和col-III 的mRNA和蛋白水平。结果表明，雷帕霉素降低了col-I/col-III的mRNA水平（图5 d、e），但不影响 IGF-1 （图5 c），并降低了col-I/col-III的蛋白质水平（图5 g、h），但不影响 IGF-1 （图5 f）。此外，pS6的诱导被雷帕霉素抑制（图5 a、b）。

图5 雷帕霉素治疗。

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

图6 机械应力促进胶原纤维I和胶原纤维III合成的潜在机制。

总之，该研究表明，机械应力上调了IGF-1，col-I和col-III的蛋白和mRNA产生。IGF-1中和抗体、NVP-AEW541、雷帕霉素阻断了IGF-1R / AKT / mTORC1信号通路，并减少了LFCs中col-I和col-III的产生。这些发现表明，循环机械应力促进LFCs分泌IGF-1，通过IGF-1R / AKT / mTORC1信号通路诱导col-I和col-III合成（图6）。这些结果提供了对LFH的新理解，并可能有助于开发治疗LSS的新方法。

参考文献：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.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34912459/

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