《Bioengineering》：Unravelling the Impact of Diabetes on Insulin-like Growth Factor (IGF) Axis Signalling in Mesenchymal Stem Cells Isolated from the Bone of Knee Joints
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摘要：糖尿病（T2DM）是一个重大的健康问题，伴有多种潜在危及生命的并发症，包括心血管疾病和骨病。骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）是骨再生的有前景的候选细胞，胰岛素样生长因子（IGF）轴在骨再生和干细胞生物学中均发挥基础性作用。然而，其在糖尿病BM-MSCs
摘要：糖尿病（T2DM）是一个重大的健康问题，伴有多种潜在危及生命的并发症，包括心血管疾病和骨病。骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）是骨再生的有前景的候选细胞，胰岛素样生长因子（IGF）轴在骨再生和干细胞生物学中均发挥基础性作用。然而，其在糖尿病BM-MSCs中的表达谱尚未被评估。本研究调查了从糖尿病和非糖尿病供体膝关节分离的BM-MSCs中IGF轴基因和蛋白的表达。BM-MSCs在基础条件和成骨条件下培养1、2、3周。使用qPCR评估IGF轴基因的相对表达水平，同时使用ELISA评估IGFBP-2、-3和-4的蛋白浓度。糖尿病BM-MSCs显示出较低水平的IGF结合蛋白（IGFBP）-2、-3和-4 mRNA水平，但两种细胞群体表现出相当的蛋白水平。此外，糖尿病和非糖尿病BM-MSCs的成骨培养均同样表现出IGFBP-2上调以及IGF-1和IGFBP-5下调的趋势。非糖尿病BM-MSCs在基础培养和成骨培养中分别显示出IGFBP-3和-4浓度随时间显著增加。这些分子可被用于提高BM-MSCs的再生潜力，尤其是在糖尿病条件下，并且有必要进一步研究IGFBPs蛋白酶及其抑制剂在骨生物学中的可能作用。
论文解读：糖尿病对膝关节骨髓间充质干细胞IGF轴信号的影响
研究背景与问题：
2型糖尿病（T2DM）以慢性高血糖和胰岛素抵抗引起的高胰岛素血症为特征，这种胰岛素信号和葡萄糖代谢的紊乱还会导致脂质和蛋白质代谢异常。全球成人糖尿病患病率在2021年估计为10.5%（约5.37亿人），预计到2045年将增至12.2%（约7.83亿人），其中T2DM占绝大多数。糖尿病是脆性骨折及骨折后并发症（如延迟愈合和感染）以及牙周炎的主要危险因素。骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）是具有免疫调节和促血管生成潜力的多能细胞，已广泛用于再生医学，包括肝脏、软骨、骨骼和心脏再生。然而，糖尿病患者来源的BM-MSCs功能受损已有报道，主要归因于骨髓中脂肪沉积增加和微血管病变导致的BM-MSCs微环境结构破坏。胰岛素样生长因子（IGF）轴由两种配体（IGF-1和-2）、两种受体（IGF1-R和IGF2-R）和六种结合蛋白（IGFBP-1至-6）组成，在骨骼生长和维持中发挥重要作用。目前，关于糖尿病状态下BM-MSCs中IGF轴表达谱的研究尚属空白。因此，本研究旨在探讨非糖尿病（ND）和糖尿病（D）BM-MSCs在基础及成骨培养条件下，经过1、2、3周培养后IGF轴基因的表达情况。
研究内容与结论：
研究人员从接受膝关节置换手术的原发性骨关节炎（OA）患者（ND和D各3例）的膝关节骨样本中分离人BM-MSCs。ND供体年龄64-86岁，D供体年龄81-85岁，其中两名D供体HbA1c分别为45和47 mmol/mol。样本采集获得约克郡和亨伯赛德国家研究伦理委员会批准（编号14/YH/0087）并取得患者书面知情同意。细胞经酶消化法分离、扩增并通过多参数流式细胞术鉴定。研究人员将第2-4代的ND和D BM-MSCs分别在基础培养基（含20%胎牛血清、1%青霉素/链霉素和1%L-谷氨酰胺的αMEM）和成骨培养基（基础培养基添加10 nM地塞米松、50 μg/mL L-抗坏血酸和5 mM β-甘油磷酸）中培养1、2、3周。通过qPCR检测IGF轴基因表达（以HPRT-1为内参基因），通过ELISA检测条件培养基中IGFBP-2、-3和-4的蛋白浓度。统计分析采用配对/非配对t检验、重复测量方差分析（RM-ANOVA）和三因素方差分析。
主要结果：
1. 糖尿病和非糖尿病BM-MSCs中IGF轴基因表达：IGF-1、IGF-2及其受体在ND和D BM-MSCs之间无显著差异或趋势差异。但在成骨培养中，ND和D细胞群体均表现出IGF-1下调趋势，其中ND BM-MSCs培养2周时成骨培养与基础培养的差异具有统计学意义（p < 0.05）。D BM-MSCs在Wk1基础培养中IGFBP-2表达显著低于ND细胞（p < 0.05），在Wk3基础培养中IGFBP-3表达显著降低，在Wk1基础培养中IGFBP-4表达显著降低（p < 0.05）。IGFBP-2在成骨培养中呈上调趋势（D细胞在Wk1和Wk3，ND细胞在Wk2和Wk3）。ND BM-MSCs培养3周后，成骨培养中IGFBP-3较基础培养显著下调（p < 0.05）。IGFBP-5在两种细胞群体的成骨培养中均呈下调趋势。三因素方差分析显示，供体糖尿病状态显著影响IGF-1、IGF1-R、IGFBP-1和-3的表达；培养基影响IGF-1、IGFBP-2、-3和-5的表达；培养时间显著影响IGFBP-4的表达。
2. 非糖尿病和糖尿病BM-MSCs培养上清中IGFBPs的定量：尽管D BM-MSCs在某些时间点的IGFBP-2、-3和-4转录水平显著降低，但两种细胞群体在任一时间和培养条件下的蛋白浓度均无显著差异。IGFBP-2在ND和D BM-MSCs的成骨培养中均呈现高于基础培养的趋势。ND细胞基础培养中，IGFBP-3浓度在Wk3显著高于Wk1和Wk2（p < 0.05）。ND细胞在Wk2基础培养中IGFBP-4浓度显著高于Wk1，在成骨培养中Wk3显著高于Wk1和Wk2（p < 0.05）。D BM-MSCs在培养1周后，成骨培养上清中IGFBP-4含量显著高于基础对照（p < 0.05）。ND BM-MSCs培养3周时，成骨培养上清中IGFBP-4浓度显著高于基础培养（p < 0.05）。
讨论与结论：
本研究首次评估了T2DM患者膝关节来源BM-MSCs中IGF轴的表达。结果显示，D BM-MSCs中IGFBP-2、-3和-4的mRNA水平降低，但蛋白释放水平与ND细胞相当。这种转录组与蛋白组的不一致可能源于翻译后调控、蛋白降解或IGFBPs与细胞表面受体/细胞外基质结合等因素。IGFBP-2在成骨培养中的上调趋势与既往研究一致，可能与其促成骨分化作用有关。IGFBP-3在成骨培养基中的下调可能归因于地塞米松，且可能增加游离IGFs的可用性。IGFBP-4的升高可能涉及PAPP-A等蛋白酶的抑制。研究还观察到IGFBP-5在成骨培养中的下调趋势，与既往部分研究存在差异，可能受地塞米松影响。研究局限性包括样本量较小、供体年龄较大及骨关节炎状态。总体而言，调节IGFBP-2、-3和-4等分子可能改善糖尿病BM-MSCs的骨和牙周再生潜力，未来需进一步研究IGFBPs蛋白酶及其抑制剂在BM-MSCs成骨分化中的作用。
