骨骼肌生长因子、肌球蛋白及骨骼肌胶原与骨骼肌的损伤与修复

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.37.019

摘要/Abstract

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文题释义：
肌球蛋白：肌原纤维粗丝的组成单位。存在于横纹肌和平滑肌中。在肌肉运动中起重要作用。其分子形状如豆芽状，由2条重链和多条轻链构成。2条重链的大部分相互螺旋形地缠绕为杆状，构成豆芽状的杆;重链的剩余部分与轻链一起，构成豆芽的瓣。被激活后，具有活性的、能分解ATP的ATP酶。其分子量约为51万。在粗丝中，都是分子的头朝向粗丝的两端，呈纵向线性缔合排列。
肝细胞生长因子：存在于骨骼肌，通过激活静止卫星细胞刺激卫星细胞增殖并促进骨骼肌再生。

摘要
背景：骨骼肌损伤的再生与修复能力受多种因素的影响和调节，已知骨骼肌的肌球蛋白重链、骨骼肌胶原成分与骨骼肌损伤修复有关。
目的：总结骨骼肌生长因子、肌球蛋白及胶原在骨骼肌损伤后再生与修复过程中的变化及作用。
方法：检索PubMed和万方数据库2002至2015年有关骨骼肌生长因子、肌球蛋白和骨骼肌胶原与骨骼肌损伤修复的相关中文和英文文献。通过文献资料综合运动与骨骼肌损伤修复有关的影响因素，并对骨骼肌损伤修复过程中参与骨骼肌损伤后再生的生长因子进行归纳，分析骨骼肌生长因子、肌球蛋白重链及胶原在骨骼肌损伤修复中的作用。
结果与结论：胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子和肝细胞生长因子等骨骼肌生长因子对骨骼肌损伤后炎症反应起多效性调节；肌球蛋白重链可作为再生骨骼肌的特异性标记物；Ⅰ、Ⅲ型胶原及其纤连蛋白mRNA表达作为再生肌纤维的支持骨架，对骨骼肌损伤后的再生与修复质量有着十分重要的意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0001-6615-2312(冯剑)

关键词: 组织构建, 组织工程, 骨骼肌, 骨骼肌生长因子, 肌球蛋白, 胶原蛋白

Abstract:

BACKGROUND: Regeneration and repair of injured skeletal muscle are influenced by a variety of factors. Skeletal muscle myosin heavy chain and skeletal muscle collagen content are known to be involved in the repair of injured skeletal muscle.
OBJECTIVE: To summarize the changes and roles of skeletal muscle growth factors, myosin, and collagen in the repair of injured skeletal muscle.
METHODS: A computer-based online search was conducted in PubMed and Wanfang databases from 2002 to 2015 to screen the relevant literatures. Roles of skeletal muscle growth factors, myosin, and collagen in the repair of injured skeletal muscle was summarized by collecting the data regarding the factors influencing exercise and the repair of injured skeletal muscle, and growth factors involved in the regeneration and repair of injured skeletal muscle.
RESULTS AND CONCLUSION: Insulin-like growth factor, fibroblast growth factor and hepatocyte growth factor regulate inflammation after skeletal muscle injury extensively. Myosin heavy chain is considered as a specific marker for skeletal muscle regeneration. Types I and III collagen and fibronectin functioning as a skeleton for skeletal muscle fiber play critical roles in the regeneration and repair of injured skeletal muscle.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Muscle, Skeletal, Somatomedins, Myosins, Collagen

中图分类号:

R318

冯剑. 骨骼肌生长因子、肌球蛋白及骨骼肌胶原与骨骼肌的损伤与修复[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(37): 5602-5608.

Feng Jian. Roles of skeletal muscle growth factors, myosin, and collagen in the repair of injured skeletal muscle[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(37): 5602-5608.

图/表（结果） 1

2.1 影响骨骼肌损伤后修复质量的生长因子

2.1.1 胰岛素样生长因子骨骼肌损伤后再生能力有限，自然愈合质量不可靠，易发生再次损伤，而依靠成肌细胞增殖获得的修复常常是不完全的，严重影响了肌肉运动功能。近年来研究发现胰岛素样生长因子与骨骼肌的损伤修复有密切联系。在胰岛素样生长因子的作用下，成肌细胞加速增殖和分化，促进骨骼肌再生修复，同时增强再生肌肉的收缩力。胰岛素样生长因子因其化学结构与胰岛素相似而得名，它是一类既具有促细胞分化和增殖活性又具有胰岛素样作用的多肽。胰岛素样生长因子由具有特定功能的配体胰岛素样生长因子Ⅰ和胰岛素样生长因子Ⅱ、受体和结合蛋白组成，在个体生长和细胞分化方面有着重要的作用，在正常生理活动中也有极为重要的意义。体内外研究表明，它们调控着细胞的生长和增殖。胰岛素样生长因子是一种强力的促细胞分裂素，其作用决定于胰岛素样生长因子与其受体的相互作用。现已发现，许多疾病如心血管疾病、代谢综合征、骨质疏松等与胰岛素样生长因子系统密切相关^[15-16]。研究和利用这一因子，解决与之密切相关的多种疾病，将为临床医学提供新的思路。许多组织在不同阶段都有胰岛素样生长因子的表达。胰岛素样生长因子不仅是内分泌因子，还能在组织局部起作用，使许多组织的功能进一步分化。近期研究表明，运动对骨骼肌组织内胰岛素样生长因子的分泌有调节作用，从而引起骨骼肌形态及代谢方面的运动性变化适应^[15]。

胰岛素样生长因子是与组织形态维持以及预防细胞死亡的重要因素，也是在局部肌肉修复过程中激活肌肉卫星细胞并且调节蛋白合成。胰岛素样生长因子Ⅰ和Ⅱ通过两种主要的细胞表面受体Ⅰ型和Ⅱ型和许多结合蛋白发挥生物学作用。骨骼肌损伤后再生过程中，胰岛素样生长因子Ⅰ或胰岛素样生长因子Ⅱ的表达水平升高^[15]。在成肌细胞整个增生过程中，胰岛素样生长因子Ⅱ一直呈低水平表达，在分化阶段升高到巅峰状态。如果外源给予胰岛素样生长因子Ⅰ，可能可以延缓肌萎缩进展，延缓衰老。但局部直接注射胰岛素样生长因子效应往往短暂，效果并不理想。

胰岛素样生长因子Ｉ是生长激素发挥促生长作用的重要调节因子。其与胰岛素结构相似并具有细胞分化和增殖功能的多肽，其生物学活性受胰岛素样生长因子Ｉ受体及胰岛素结合蛋白的调节。胰岛素样生长因子Ｉ具有调控细胞凋亡、影响蛋白质的合成、调节骨骼肌生长和修复、保护神经系统等生物学功能。生长激素具有促进体内蛋白质沉积、骨骼生长等功能。虽然许多组织都能表达胰岛素样生长因子Ⅰ，但它们各自的功能不同。骨骼肌组织表达的胰岛素样生长因子Ⅰ对骨骼肌损伤后的再生、修复非常重要，也是通过适当干预保持肌肉质量的重要调节因素。骨量的获得或丢失受遗传和环境因素调节，胰岛素样生长因子Ⅰ在这两个过程中起着关键性的作用。在过去的10余年中，关于胰岛素样生长因子Ｉ在细胞生长及其生命过程中的作用的研究已取得了巨大的进步，研究者们目前已确定组织特异性胰岛素样生长因子调节系统的结构和特性。骨骼肌能够根据环境刺激的变化改变其质量，可以通过细胞融合或提高蛋白质水平来增加它的大小。在骨骼肌中，力刺激诱导胰岛素样生长因子Ⅰ发生选择性剪接，产生能够激活卫星细胞而使细胞增殖的生长因子^[16]。

2.1.2 成纤维细胞生长因子刘建华等^[17]利用大鼠坐骨神经钳夹损伤模型，观察碱性成纤维细胞生长因子对大鼠坐骨神经损伤后腓肠肌功能恢复的作用。结果显示治疗组大鼠受损神经所支配之骨骼肌诱发电位及骨骼肌收缩力的恢复率较对照组明显加快，表明碱性成纤维细胞生长因子能促进大鼠坐骨神经损伤后骨骼肌功能恢复。同样柏志全等^[18]观察碱性成纤维细胞生长因子对大鼠坐骨神经损伤后腓肠肌功能恢复的作用，研究人员以钳夹损伤左侧坐骨神经大鼠为模型，治疗组肌肉注射碱性成纤维细胞生长因子，对照组注射等渗盐水，结果与对照组相比，治疗组腓肠肌诱发电位幅值恢复率明显加快；腓肠肌单收缩力和强直收缩力的恢复率也显著加强。说明碱性成纤维细胞生长因子能促进大鼠坐骨神经损伤后骨骼肌运动功能的恢复。

成纤维细胞生长因子2是具有成肌细胞增殖的特性的多效细胞因子。L8-成肌细胞遗传修饰藻酸盐包封的成纤维细胞生长因子2修复骨骼肌损伤后细胞增殖增加，细胞凋亡减少。脂联素表达增加， p75(NTR) 表达也有变化，成肌球细胞计数增加，成纤维细胞生长因子2的过度表达成肌细胞不能显着地改善肌肉力量，但能够调节受伤肌肉组织的细胞增殖以及凋亡，调节脂肪生成^[19]。骨骼肌损伤骨骼肌变性包括早微血管改变和炎症细胞浸润，而且受多种生长因子的控制。碱性成纤维细胞生长因子，胰岛素样生长因子1和转化生长因子β1在骨骼肌损伤血管发生和炎症反应中起不同的作用。在损伤端注入特异性抗生长因子的中和抗体，碱性成纤维细胞生长因子的免疫中和减少毛细管、巨噬细胞和肥大细胞的数量，和延迟坏死的肌纤维细胞吞噬；胰岛素样生长因子1和转化生长因子β1免疫中和促进肌肉重建，巨噬细胞浸润和坏死的肌纤维吞噬。胰岛素样生长因子1中和减少肥大细胞的数量，并没有修改T细胞或嗜中性粒细胞，转化生长因子β1的中和增加所有这些细胞的数量^[16]。

2.1.3 肝细胞生长因子肝细胞生长因子存在于骨骼肌，通过激活静止卫星细胞刺激卫星细胞增殖并促进骨骼肌再生。骨骼肌损伤1 h后可以检测到肝细胞生长因子的表达，同时激活肝细胞生长因子蛋白酶，骨骼肌损伤后肝和脾中肝细胞生长因子mRNA有表达，脾脏肝细胞生长因子蛋白的水平增加，说明内分泌肝细胞生长因子诱导因子的骨骼肌再生中起重要作用，非肌肉器官衍生的肝细胞生长因子在卫星细胞活化/增殖等骨骼肌再生过程中起重要作用^[20]。

肝素结合生长因子在肌管形成阶段起重要作用，肝细胞生长因子是由相对分子质量35 000和70 000的2条多肽链组成的蛋白因子，存在于肝脏与肝外多种组织和细胞，能刺激肝细胞的DNA合成，它还参与多种细胞的增殖、迁移，对各类肿瘤的侵袭转移有着重要的诱导作用。肝细胞生长因子不同于再生肝和胚胎肝细胞胞棱中的肝刺激物质，具有刺激肝细胞分裂、促进细胞运动、启动肝再生等多种生理作用，是一个具有强烈丝裂原活性以及细胞运动与形态调节的多效性细胞因子。目前的研究表明，能够特异性促进肝细胞生长的因子分为两种血源性肝细胞生长因子和肝源性肝细胞刺激因子^[21]。

2.2 肌球蛋白在骨骼肌中的表达与作用肌球蛋白是一种多功能的蛋白是一个六聚体的生物大分子，由2条相对分子质量为19 400-21 200的重链亚基和2对相对分子质量20 000左右的的轻链亚基构成。肌球蛋白轻链是肌球蛋白的组成成分之一，作为结构和调节蛋白在肌纤维的发生分化、肌肉运动和代谢等过程中发挥重要生理功能。而肌球蛋白重链具有肌球蛋白分子运动马达和细丝形成的作用，可以分为2个功能性结构域即氨基端具有马达功能的头部球状区域和羧基端具有丝状形成能力的一个具有α双螺旋长杆状结构域。而ATPase酶解和肌动蛋白结合位点都位于重链头部区域Subfragment-1部位的2个表面环附近。肌球蛋白重链是横纹肌收缩蛋白的重要组成成分。已发现肌球蛋白重链有多种亚型，在不同的机械负荷下可相互转化，呈现出对外界机械信号的高度适应性^[22]。机械生长因子可能在机械负荷和肌球蛋白重链亚型转变间发挥化学桥梁的功能。骨骼肌的收缩特性部分是由肌球蛋白重链亚型决定的。

骨骼肌肌纤维类型的构成比较复杂，呈单一性分布的较少。有研究在通过肌球蛋白重链的亚型的分类方法检测家兔半膜肌各亚部的肌纤维型的构成情况^[23]，结果显示家兔半膜肌4个亚部中，固有半膜肌只含有Ⅰ型肌纤维，表达肌球蛋白重链Ⅰ型和少量肌球蛋白重链Ⅱa型基因。副半膜肌腹侧含有少量Ⅰ型肌纤维，表达少量肌球蛋白重链Ⅰ型基因，其余主要含有Ⅱ型肌纤维，表达肌球蛋白重链Ⅱa、肌球蛋白重链Ⅱb和肌球蛋白重链Ⅱx型基因；而其背侧和外侧只含有快肌，仅表达肌球蛋白重链Ⅱa、肌球蛋白重链Ⅱb和肌球蛋白重链Ⅱx型基因(图2)。同样蔡永清等^[24]家兔的半腱肌由近侧亚部和远侧亚部连续排列组成，各有一条肌神经的第一级分支支配。家兔的半膜肌则由固有半膜肌和副半膜肌两部分组成，其中副半膜肌又分为背侧，腹侧和外侧3个平行排列的亚部。

不同物种、不同肌肉肌球蛋白重链转化的程度与速度不同。骨骼肌的肌球蛋白重链成分与其功能特性有关。Andrew等^[25]研究了草原田鼠的肱三头肌、胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌肌球蛋白重链表达的性别特性。结果表明与雌鼠相比，雄鼠的比目鱼肌湿重较大，胫骨前肌的肌球蛋白重链Ⅱa蛋白量表达较高。未见骨骼肌重量及肌球蛋白重链表达含量在雌雄鼠间的性别差异。然而，与过去在大鼠、兔和小鼠中的已报道的结果相比，草原田鼠骨骼肌肌球蛋白重链的表达显示了更多异质性。推测这可能与草原田鼠和其它小型哺乳类动物生存的自然环境和功能需要有关。大量文献报道运动的影响主要表现在肌球蛋白重链各亚型之间的相互转化上，当外界刺激条件变化时，骨骼肌纤维肌球蛋白重链亚型组成可以改变，骨骼肌纤维收缩特性在肌球蛋白重链组成改变时发生显著变化，骨骼肌纤维的收缩特性取决于肌球蛋白重链的组成。根据国内外的最新相关研究报道，失神经支配后，肌球蛋白重链会发生一系列的转型以适应功能变化的需要，反映了肌纤维对神经损伤的适应性重塑^[26-27]。目前肌球蛋白磷酸化是研究的一个热点，它对细胞的迁移、收缩、胞质分裂以及其他未知功能都有着至关重要的作用。

2.3 骨骼肌损伤后修复过程中Ⅰ、Ⅲ型胶原的表达及作用胶原蛋白约占人体总蛋白的1/3，占皮肤干质量的3/4，是细胞质基质中最普遍的成分。胶原蛋白主要分布在动物的肌鞘、腱、软骨、韧带和皮肤中，它是韧带和肌腱的主要成份，具有很强的伸张能力，在细胞质基质中胶原蛋白起到支架作用。它是动物体内细胞间隙中最重要，也是含量最多、最丰富的蛋白质，起着支撑器官保护机体的功能。已经报道的胶原蛋白有28种不同类型，它们在动物体内的分布也有所不同。其中Ⅲ型胶原蛋白主要存在血管、皮肤和肠道中^[28-31]。

胶原蛋白所持有的许多优良特性使其在各领域中的应用具有极大的潜质。水解胶原蛋白由于交联结构的解体和分子量明显降低使其溶解性和口服吸收利用率明显的提高。Ⅰ型胶原的主要存在于大多数结缔组织如皮肤，骨骼，肌腱，韧带和心脏中。是最普遍存在的纤维形成胶原，是多细胞生物的细胞外基质的主要结构大分子，能活化上皮细胞，促进上皮细胞增生，也可促进胶原酶生成，使皮肤有张力和弹性。此外Ⅰ型胶原是一种纤维状胶原，由2条相同的α1和1条α2链组成。这是一种最丰富的胶原，除了骨骼仅由Ⅰ型胶原构成，许多组织都含有异性纤维，由2种或多种不同类型的胶原并存^[32-33]。

胶原蛋白应用领域广泛，利用传统的胶原蛋白生产方法远远不能满足需求，从动物体中提取的胶原蛋白，可能存在病毒隐患；化学合成法周期长、成本较高；而利用生物技术方法制备胶原蛋白能克服以上困难。羟化酶是胶原蛋白合成中的关键酶，在维系胶原蛋白结构稳定起着重要作用。另外通过实验利用毕赤酵母共表达人源Ⅲ型胶原蛋白及关键酶P4H，以期制备具有应用价值的Ⅲ型蛋白^[34]。研究人员尝试用不同的方法分离纯化胶原蛋白，盐析、分子筛、离子交换等，最后发现盐析的方法得到高纯度的胶原蛋白。首先利用质谱分析胶原蛋白的羟基化水平；其次以标准蛋白作对照，分析胶原蛋白的三股螺旋结构；同时，利用非还原胶检测目的蛋白形成三聚体的特性；最后通过扫描电镜观察，确定胶原蛋白形成胶原纤维，以上性质均与标准Ⅲ型胶原蛋白的特征相符。

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引言

骨骼肌损伤多由周期性耐力运动所致，比较常见的有撕裂性、顿挫性、牵拉性等，骨骼肌损伤后往往因为愈合时间长、局部瘢痕组织形成而影响最终愈合质量，容易再次损伤。如何快速有效地修复骨骼肌损伤，并提高伤后的愈合质量是目前研究的热点。然而在近些年的一些研究中也可以看到骨骼肌损伤后可迅速启动修复过程，这也受到多种因子单独或联合作用的调控^[1-2]。在骨骼肌损伤与修复过程中主要通过靶向抑制一些转录因子、转录激活途径关键酶、细胞通讯连接重要蛋白以及各种信号通路中关键蛋白的翻译而发挥调控作用。骨骼肌在损伤阶段有肌纤维坏死和炎症因子的浸润，修复阶段有骨骼肌卫星细胞的激活增殖分化^[3-4]。骨骼肌损伤后卫星细胞被激活，进而增殖分化，与原来肌纤维融合完成修复过程。近年来，已有研究证实多种细胞因子、骨骼肌肌球蛋白重链参与了骨骼肌各项生命生理活动的调节^[5-8]。

骨骼肌损伤后的T细胞和NK细胞共同作用抑制保护性Th1免疫^[9]。骨骼肌损伤后48h内将发生促炎性过程，如趋化因子信号传导和白细胞浸，微阵列分析发现骨骼肌损伤后有14种趋化因子基因表达上调，其中12种参与了巨噬细胞或嗜中性粒细胞趋化作用，巨噬细胞有关的趋化因子CCL2和CCL7相对定量水平在损伤后8 h达到峰值，且在损伤后8-48 h上调达到峰值。巨噬细胞相关的趋化因子和它们的受体在损伤后48 h上调达到峰值。

白细胞介素1β、白细胞介素6和肿瘤坏死因子α促炎性细胞因子水平表达增加。骨骼肌生长因子对纤维化和炎症起多效性调节，在骨骼肌损伤后肌肉收缩性能恢复加速损伤骨骼肌的修复中起重要作用。巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)是一种造血生长因子，在骨骼肌损伤中起重要作用^[7]。转化生长因子β是一个促炎性细胞因子，调节多种组织的损伤，转化生长因子β抑制促进骨骼肌损伤的修复^[10-11]。

肌球蛋白是一种普通的真核细胞运动性蛋白，能和肌动蛋白结合形成细胞如胞质分裂和肌肉收缩等所需的物质，在肌细胞中表达非常丰富，是骨骼肌细胞重要的结构和功能蛋白，主要由2条重链和2对不对称的轻链组成^[12]。其中肌球蛋白重链在肌肉细胞中表达有多种同功异构型，同功型之间在一定条件下的相互转换和骨骼肌的收缩性能之间有密切的关系。肌球蛋白重链同功型被认为是决定肌纤维快、慢类型的主要因素^[13-14]。骨骼肌肌损伤后损伤水平以下的骨骼肌肌球蛋白重链各亚型mRNA和蛋白水平发生适应性变化，表现为慢肌球蛋白重链亚型表达下调，快肌球蛋白重链亚型表达上调。肌球蛋白重链-mRNA的适应性变化先于蛋白的变化。文章将对骨骼肌生长因子、肌球蛋白及骨骼肌胶原与骨骼肌损伤修复的作用进行综述。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

讨论

3 小结 Conclusion

机体进行的任何一种运动都离不开骨骼肌，骨骼肌结构和功能的发展变化与肌肉工作负荷有密切的关系。随着骨骼肌运动增加骨骼肌承受过度负荷而导致损伤，骨骼肌损的发生率增加，其发生率从10%-55%不等。骨骼肌损伤后愈合能力较差，严重影响骨骼肌功能，因此修复骨骼肌损伤一直是国内外研究的焦点。

骨骼肌的损伤、愈合是一个复杂的过程，骨骼肌损伤后修复涉及到骨骼肌再生与胶原纤维组织形成。骨骼肌修复过程常伴随着纤维化的发生，多种细胞和系列调控分子参与骨骼肌纤维化过程，特别是肌卫星细胞来源的肌成纤维细胞等相关的生长因子。肌球蛋白是肌原纤维粗丝的组成单位，由多条重链与多条轻链组成，被视为一种分子马达。肌球蛋白重链是骨骼肌收缩蛋白的重要组成成分，其主要功能就是为肌肉收缩提供力量，肌肉收缩是由于肌动蛋白与肌球蛋白发生相对滑动的结果。骨骼肌的损伤修复过程中，某些结构和功能蛋白如肌球蛋白重链及Ⅰ、Ⅲ型胶原等会进行不同程度的再合成，实现骨骼肌损伤后的修复再生。

因此，寻求一种既能促进骨骼肌再生指标肌球蛋白重链的表达增高，又能提高其愈合质量，使骨骼肌再生过程与胶原纤维形成过程达到一定的优化组合的有效治疗方法，无疑具有很重要的实用价值，今后的重点将趋向于研究生长因子使用剂量与愈合质量的关系。然而目前对肌球蛋白重链亚型转变的分子机制尚不明晰，其对骨骼肌损伤后的调控过程还有待进一步深入的研究和探讨。

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