Matrix IGF-1 maintains bone mass by activation of mTOR in mesenchymal stem cells

doi:10.1038/nm.2793

.2012年7月；18(7):1095-101.

doi:10.1038/nm.2793。

基质IGF-1通过激活间充质干细胞中的mTOR维持骨量

零陵县¹, 吴向伟, 庞丽娟, 迈克尔·卢, 克利福德·J·罗森, 陶秋, 珍妮特·克雷恩, 弗兰克·弗雷西卡, 张利民, 胡安·巴勃罗·罗德里格斯, 贾晓峰, Shoshana Yakar公司, 首红轩, Argiris Efstratiadis公司, 梅湾, 徐曹

附属公司

PMID： 22729283
预防性维修识别码：项目经理3438316
内政部： 1993年10月10日

基质IGF-1通过激活间充质干细胞中的mTOR维持骨量

零陵县等。自然·医学. 2012年7月.

.2012年7月；18(7):1095-101.

doi:10.1038/nm.2793。

作者

零陵县¹, 吴向伟, 庞丽娟, 迈克尔·卢, Clifford J Rosen公司, 陶秋, 珍妮特·克雷恩, 弗兰克·弗雷西卡, 张利民, 胡安·巴勃罗·罗德里格斯, 贾晓峰, 肖莎娜·雅卡尔, 首红轩, Argiris Efstratiadis公司, 梅湾, 徐曹

附属

¹约翰霍普金斯大学医学院整形外科，美国马里兰州巴尔的摩。

PMID： 22729283
预防性维修识别码：项目经理3438316
内政部： 10.1038/2793海里

摘要

胰岛素样生长因子1（IGF-1）是骨基质中最丰富的生长因子，可维持成年期的骨量。我们现在报道，在骨重塑过程中从骨基质中释放的IGF-1通过激活哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）刺激招募的间充质干细胞（MSCs）向成骨细胞分化，从而保持适当的骨微结构和质量与野生型小鼠相比，它们的前成骨细胞显示出较低的骨量和矿物质沉积率。此外，体外Igf1r被Cre腺病毒删除的Igf1rflox/flox小鼠的MSC虽然在植入后被招募到骨表面，但无法分化为成骨细胞。我们还发现，老龄大鼠骨基质和骨髓中IGF-1的浓度低于年轻大鼠，并且与年龄相关性骨量减少直接相关。同样，在人类年龄相关性骨质疏松症中，我们发现骨质疏松患者的骨髓IGF-1浓度比无骨质疏松患者低40%。值得注意的是，注射IGF-1和IGF结合蛋白3（IGFBP3），而不是单独注射IGF-1，增加了老年大鼠骨基质中IGF-1的浓度，并刺激了新骨形成。总之，这些结果提供了IGF-1如何维持成人骨量的机制性见解，同时也为其治疗老年性骨质疏松症的靶向性提供了进一步的理论依据。

PubMed免责声明

数字

**图1。骨重塑过程中骨形成减少*免疫球蛋白1r*^−/−（Osx-Cre；*免疫球蛋白1r^{飞行/飞行}*)老鼠**
(一)一名3个月大女性股骨的典型μCT图像*免疫球蛋白1r*^−/−（Osx-Cre；*Igf1r抗体^{飞行/飞行}*)鼠与野生型同窝动物*免疫球蛋白1r^+/+*鼠标（Osx-Cre）。比例尺：1 mm(**b–e类**)胫骨近端继发性海绵体的定量μCT分析。骨密度（BMD）(b条)，骨小梁体积分数（TBV/TV）(**c（c）**)，小梁数（Tb.N）(天)和小梁分离（Tb.Sp）(**e（电子）**). (**（f）**)3个月大的胫骨H&E组织切片*免疫球蛋白1r^+/+*和*免疫球蛋白1r*^−/−老鼠。比例尺：1 mm(克)股骨远端干骺端小梁骨钙化蛋白双重标记（比例尺：1 mm）。(小时)每个骨表面的骨形成率（BFR/BS）。数据表示平均值±SEM。n个= 10. *第页<0.05。

**图2。抑制成骨细胞成熟*免疫球蛋白1r*^−/−（奥斯克-克里；*免疫球蛋白1r^{飞行/飞行}*)老鼠**
(一)对3个月龄女性股骨远端小梁骨切片进行Runx2、Osterix和Osteocalcin的免疫组织化学分析*免疫球蛋白1r*^−/−（Osx-Cre；*免疫球蛋白1r^{飞行/飞行}*)小鼠与野生型同窝小鼠*免疫球蛋白1r^+/+*（Osx-Cre）。通过直接荧光显微镜观察到的Osx-GFP表达细胞呈绿色，骨钙素的免疫荧光染色呈红色(**最右侧面板**). 比例尺：100µm。(**b–d**)骨表面Runx2、Osterix和Osteocalcin阳性细胞的数量，以截面中每毫米周长的细胞数进行测量。n个= 5. *第页< 0.05. (**e（电子）**,**（f）**)小鼠股骨远端骨小梁切片上进行的抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色的光镜照片。测量每个组织面积的破骨细胞数量（N.Oc/T，Ar）。数据代表平均值±SEM。n个= 10. *第页< 0.05. （比例尺：100µm）(克)如图所示，从小鼠骨髓中提取CFU-F和CFU-Ob进行分析。结晶紫染色CFU-F的代表性图像(**顶部面板**). 茜素红染色CFU-Obs的代表性图像(**底部面板**). (**h、我**)CFU-F和CFU-Ob分析的定量。数据表示五只小鼠骨髓有核细胞三次培养的平均值±SEM*第页<0.05。

**图3。IGF-1通过IRS-PI3K-Akt-mTOR途径诱导MSCs向成骨细胞分化**
(一)茜素红染色显示Sca-1成骨细胞分化⁺如图所示，IGF-1诱导的MSCs(**顶部面板**). 苏木精染色法测定活细胞数(**底部面板**). 比例尺：100µm。(b条)IGF-1诱导Sca-1中IGF1R、IRS1、PI3K、Akt和mTOR磷酸化的Western blot分析⁺IGF-1治疗的MSCs（20 ng ml⁻¹)或车辆在有或无LY294002（10µM）或雷帕霉素（20 nM）的情况下保持15分钟，如图所示。(**c（c）**)IGF-1诱导的Sca-1中IRS1、PI3K、Akt和mTOR磷酸化的蛋白质印迹分析⁺转染IGF-1后经IGF-1处理的MSCsIrs1 siRNA或控制*小干扰RNA。*(天)IGF-1诱导的Sca-1⁺肾包膜下MSCs分化。肾切片采用直接GFP荧光显示、H&E染色、茜素红染色或骨钙素免疫组织学分析。比例尺：100µm。(**e–g**)雷帕霉素破坏小梁骨形成。Golder三色染色、骨钙素或TRAP染色的小鼠股骨远端切片的代表性图像(**e（电子）**). 比例尺：100µm。雷帕霉素治疗后重建小梁骨的组织形态计量学分析：每骨周长的成骨细胞数量(f左)，每骨周长破骨细胞数量(**f中心**)，类骨体积/骨体积(f右)，μCT股骨远端代表性图像(**g顶部**)，比例尺：1 mm。CFU-F分析(**g、小时**)，骨小梁体积分数（TBV/TV）(我)骨小梁密度(j个). 数据代表平均值±扫描电镜n=5*第页<0.05。

**图4。破骨细胞骨吸收调节介质（BRCM）诱导MSCs成骨分化**
(一)抗IGF1R抗体对小鼠股骨远端骨小梁切片的免疫组织化学分析(左侧)和p-IGF1R(赖特). 比例尺：200µm。(b条)用GFP抗体标记的小鼠骨髓间充质干细胞移植3月龄小鼠股骨切片的免疫组织化学分析。比例尺：100µm。(**c（c）**,天)GFP的量化⁺移植后2周骨表面细胞或移植后4周骨基质细胞。*n=5*. *第页< 0.05. (**e（电子）**)ALP染色显示在各种条件培养基中培养的MSC的分化潜能。1-仅培养基，2-仅骨切片，3-破骨细胞前体培养，4-破骨细胞前体与骨切片培养，5-破骨细胞培养，6-破骨细胞与骨培养。(**（f）**)BRCM中IGF-1水平的ELISA分析。n个= 3. *第页与Oc+骨组相比，<0.05。(克)Western blot分析不同条件培养基对MSCs中IGF1R、IRS1、PI3K、Akt和mTOR磷酸化的影响。(小时)如图所示，ALP染色用于在BRCM中培养的MSC的分化潜能，并添加单独的中和抗体（Ab）或noggin。(我)ALP染色和(j个)茜素红染色观察BRCM对Sca-1分化潜能的影响⁺MSCs隔离自*Igf1r抗体^{飞行/飞行}*通过腺病毒核心（Ad-Cre-GFP）或Ad-GFP感染(**j、顶部**). MSCs中IGF1R的Western blot分析(**j、底部**).

**图5。大鼠衰老过程中血液、骨髓和骨基质中IGF-1和IGFBP3水平与骨量关系的分析**
(一)1个月、4个月、8个月、12个月和20个月大鼠股骨远端的典型μCT图像。比例尺：1 mm(b条,**c（c）**)股骨远端的定量μCT分析。骨小梁体积分数（TBV/TV）(b条)小梁骨密度（BMD）(**c（c）**). (天)骨基质提取中的IGF-1浓度。(**e（电子）**)骨基质提取中IGFBP3的浓度。(**f、克**)IGF-1水平(**（f）**)和IGFBP3(克)不同年龄段的骨髓和外周血清中。数据表示每个样品和每个时间点10只大鼠重复三次的平均值±SEM*第页与1个月组相比，<0.05。

**图6。骨基质中IGF-1的增加减轻骨丢失**
(一,b条)骨基质提取中IGF-1和IGFBP3的浓度(**a和b左**)和骨髓(**a和b右**)20个月大鼠局部注射载体（Veh）、IGF-1、IGF-1+IGFBP3（IGF-1/IGFBP3）或仅注射IGFBP3。(**c（c）**)注射Veh、IGF-1、IGF-1/IGFBP3或IGFBP3的股骨远端三维μCT的代表性图像。比例尺：1 mm(天,**e（电子）**)股骨远端的定量μCT分析。骨小梁体积分数（TBV/TV）(天)、小梁体积骨密度（TBMD）(**e（电子）**). (**（f）**)健康与环境(顶部)骨钙素的免疫染色(底部)在大鼠股骨切片上进行指定注射。成骨细胞显示为红色箭头。比例尺：100µm。(克)成骨细胞数量(左边)和破骨细胞(**正确的**)通过组织形态计量学分析定量重建小梁骨。(小时)骨表面骨钙素阳性细胞的定量(左边)和总组织面积(**正确的**(我)IGF-1的浓度(左边)和IGFBP3(**正确的**)通过渗透泵向LID小鼠或其同胞注射Veh、IGF-1或IGF-1加IGFBP3进行骨基质提取。所有数据均表示平均值±SEM。n个= 10. *第页< 0.05 (j个)骨重塑过程中骨基质IGF-1诱导MSCs成骨细胞分化示意图。TGF-β1将MSC招募到骨吸收部位，以应对破骨细胞骨吸收，骨基质中释放的IGF-1构成了分化招募MSC的成骨微环境。

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中的注释

骨：调节IGF-1可能预防骨质疏松。
卡尼EF。卡尼EF。 Nat Rev风湿病。2012年8月；8(8):440. doi:10.1038/nrrheum.2012.112。Epub 2012年7月10日。 Nat Rev风湿病。2012 PMID：22782005 没有可用的摘要。

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