FGFs及其受體與后囊膜混濁的研究進展

丁芝祥，陳 陽(綜述)，彭燕一(審校)

(桂林醫學院附屬醫院眼科，廣西 桂林 541001)

近年來，由于白內障手術技術和人工晶體的發展，白內障術后后囊膜混濁(posterior capsule opacification，PCO)的發生率較20世紀90年代有所下降，但仍然是影響術后視力恢復的主要并發癥。文獻報道，成人白內障術后2～5年PCO的發生率為14.7%～42.7%[1]，術后5年摻釹釔鋁石榴石激光后囊膜切開率高達24%[2]。而且PCO的發生率往往與年齡相關，年齡越輕，發生率越高，兒童白內障術后PCO的發生率為43.7%～100%[3]。研究已證實，白內障術后前囊膜周邊部和赤道部殘留的晶狀體上皮細胞過度增殖、移行并化生為成纖維樣細胞是PCO發生的主要生物學基礎[4-5]。白內障術后眼內多種細胞因子水平發生變化，它們是調節晶狀體上皮細胞各種作用的重要物質。許多學者對成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factors，FGFs)及成纖維細胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptors，FGFRs)在PCO形成中的作用進行了深入研究。

1 FGFs的種類及其分子生物學

FGFs是1973年從垂體和大腦提取物中獲得的一種多肽，因其對成纖維細胞有促有絲分裂作用而得名。后來發現這類因子廣泛表達于多種細胞和組織，在促進胚胎發育、細胞增殖、移行、分化、創傷愈合、腫瘤發生與轉移等生理及病理過程中起重要作用。

FGFs家族至少包括23個成員(FGF1～23)，它們的氨基酸序列有一定的同源性，部分成員有類似的生物學功能。依據序列同源性和系統發育不同,人FGFs家族有七個亞家族：FGF1(包括FGF1、FGF2)、FGF4(包括FGF4、FGF5、FGF6)、FGF7(包括FGF3、FGF7、FGF10、FGF22)、FGF8(包括FGF8、FGF17、FGF18)、FGF9(包括FGF9、FGF16、FGF20)、FGF11(包括FGF11、FGF12、FGF13、FGF14)、FGF19(包括FGF19、FGF21、FGF23)等[6]。脊椎動物FGFs的相對分子質量為(17～34)×103，而果蠅FGFs的相對分子質量為84×103。從結構上來說，FGFs相對保守，所有家族成員共享一個由120氨基酸組成的保守序列，具有16%～65%的同源性[7]。FGFs基因包含三種編碼外顯子，其中一個外顯子含有蛋氨酸起始密碼。正是這三個外顯子編碼的β平行鏈折疊成獨特的β三葉草結構域，這種結構決定了其功能特異性。大多數FGFs(FGF3～8、FGF10、FGF17～19、FGF21和FGF23)有N端信號肽，從而能分泌到細胞外。FGF9、FGF16和FGF20沒有明顯的可剪接的N端信號肽，但仍能分泌出細胞。FGF1和FGF2沒有信號肽，不能像FGF9、FGF16和FGF20一樣分泌到胞外，但能通過細胞損傷和胞外的內質網-高爾基途徑釋放到胞外。FGF22有一個可剪接的N端信號肽，但僅附著于細胞表面并不分泌。FGF11～14沒有信號肽存在，不以受體依賴的方式作用于細胞內。

多種FGFs在眼部組織廣泛分布，其表達具有時間和空間差異性。在脊椎動物胚胎發育過程中，FGF1和FGF2主要分布在外胚層，而FGF8、FGF9、FGF15(在人和雞為FGF19)主要在視泡部位[8]。FGF2在人眼組織中廣泛分布，在晶狀體及其周圍組織中均可表達，被認為是參與晶狀體上皮細胞各種生命活動最重要的一種FGFs。夏朝霞等[9]將正常人及白內障患者晶狀體上皮細胞體外培養，后者生長緩慢，有絲分裂能力差，FGF2表達明顯增多，推測白內障患者術后殘留的上皮細胞引起損傷修復過程，合成并釋放FGF2，造成細胞的增生、移行和纖維化，可能成為后囊混濁的原因之一。

2 FGFRs種類及其分子生物學

FGFs的生物學效應是通過與FGFRs結合而實現的。FGFRs家族中高親和力的酪氨酸激酶受體由四個成員組成：FGFR1～4，分別位于染色體8p12、10q26、4p16.3和5q35.1-qter[10]。

FGFRs結構由胞外配體結合區、跨膜區、胞內酪氨酸激酶區三部分組成。胞外區有三個免疫球蛋白樣結構域：第一個免疫球蛋白樣結構域的作用是調節FGFRs與FGFs結合的親和力；第二個免疫球蛋白樣結構域是FGFs低親和力受體硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(heparin sulfate proteoglycans，HSPGs)結合的部位；第三個免疫球蛋白樣結構域是與FGFs結合的部位。目前已知23種FGFs均分別作用于HSPGs鏈的不同特異性部位，HSPGs與FGFs結合可提高FGFs與FGFRs的親和力及穩定性。同時Klotho家族蛋白也可通過與FGFRs結合，增加FGFs與FGFRs的親和力，能促進FGFs-FGFRs的相互作用。FGFR1～3的第三個免疫球蛋白樣結構域有兩個剪接變異體，產生Ⅲb和Ⅲc兩種亞型。Ⅲb亞型分布于上皮細胞，而Ⅲc亞型在間充質細胞表達[11]。FGFs和相應受體的分布具有組織特異性，其親和力亦存在差異。每個FGFRs亞型可以與多個FGFs 配體結合，一些FGFs配體也可以結合多個受體[12]。

FGFR1～3在晶狀體和其他組織中廣泛分布，而FGFR4只在晶狀體等組織的發育早期大量表達。成人和胚胎晶狀體上皮細胞都表達FGFR1基因，且胚胎的表達水平高于成人，提示其表達具有年齡相關性，這可能是兒童后發性白內障發生率高的原因之一[13]。Bhuyan等[14]用反轉錄聚合酶鏈反應和免疫印跡分析法檢測人正常晶狀體多種生長因子信使RNA(mRNA)和蛋白質表達，發現60歲以上人晶狀體上皮細胞中FGFR2表達水平降低，但顯著高于晶狀體纖維細胞中的蛋白質表達水平，這可能是晶狀體對赤道部上皮細胞終身增殖、分化為纖維細胞的代償性反應。

3 FGFs/FGFRs信號通路

FGFs與FGFRs結合后連同HSPGs構成FGFs-FGFRs-HSPGs二聚體復合物，激活胞內結構區的酪氨酸激酶，進而受體末端的酪氨酸也被激活觸發一系列信號轉導通路，導致特定的細胞反應。目前理解最清楚的FGFs信號轉導通路包括小G蛋白/絲裂原激活蛋白激酶信號通路、磷酸肌醇3-激酶/絲蘇氨酸蛋白激酶信號通路、磷脂酶Cγ信號通路。FGFRs的酪氨酸殘基磷酸化后激活FGFRs底物2α，后者與鳥嘌呤核苷酸交換因子2、酪氨酸磷酸酶、鳥嘌呤核苷酸交換因子2的相關結合蛋白1形成信號復合物，進而激活小G蛋白/絲裂原激活蛋白激酶信號通路、磷酸肌醇3-激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶信號通路[15-16]。c-Jun氨基端激酶、細胞外信號調節激酶、p38絲裂原激活蛋白激酶是絲裂原激活蛋白激酶信號通路下游的效應分子，與多種細胞的生長和分化有密切關系。磷酸肌醇3-激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶信號通路與細胞存活、凋亡和細胞極性控制有關。磷酸化的FGFRs酪氨酸亦可激活磷脂酶Cγ，后者水解三磷酸肌醇和二酰甘油，進而激活蛋白激酶C，但這一信號通路的生理意義并不明顯。

4 FGFs/FGFRs在PCO形成中的作用

白內障手術后，由于手術創傷及人工晶體植入的異物反應等導致眼內轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)、表皮生長因子、FGFs等多種生長因子水平升高，引起殘留晶狀體上皮細胞過度增殖、向后囊膜移行、化生為成纖維樣細胞，并伴有細胞外基質和膠原產生，最終導致PCO的形成。研究表明，FGFs/FGFRs信號通路可能是導致PCO形成的關鍵性因素之一。

4.1FGFs/FGFRs信號對細胞增殖的作用 在白內障手術后，由于手術創傷造成晶狀體上皮細胞、囊膜及其周圍組織損傷使細胞內和細胞外基質間的FGF2釋放，局部高濃度的FGF2與殘留晶狀體上皮細胞上相應受體結合，通過FGFs/FGFRs信號途徑將信號傳遞到細胞內，最終導致細胞增殖。

研究已證實，FGF2能顯著促進晶狀體上皮細胞增殖，其效應呈劑量依賴性，濃度在10 μg/L時作用達到高峰[17]。最近，Hu等[18]運用蛋白質組學技術將重組人FGF2作用于人晶狀體上皮細胞HLE-B3后，與對照組比較，獲得5個差異表達的蛋白質點。Iyengar等[19]應用鼠晶狀體體外培養，比較房水、胰島素樣生長因子1、血小板源性生長因子A、表皮生長因子、FGF2對晶狀體上皮細胞增殖的影響，發現FGF2的作用與房水相似，可持續激活細胞外信號調節激酶1/2達6 h，而胰島素樣生長因子1、血小板源性生長因子A、表皮生長因子只能一過性激活細胞外信號調節激酶1/2，給予FGFR抑制劑，房水誘導的細胞外信號調節激酶1/2持續激活受到干擾，而給予其他的生長因子受體抑制劑，房水保持其對細胞外信號調節激酶1/2的持續激活，證實阻斷FGFs/FGFRs信號通路后能抑制房水誘導的晶狀體上皮細胞增殖，FGF2在房水誘導的信號通路和晶狀體上皮細胞增殖中起關鍵性作用。

4.2FGFs/FGFRs信號對細胞遷移的作用 FGFs對晶狀體上皮細胞的作用具有多重性，在不同的濃度和培養條件下,表現出對于細胞的增殖、遷移、黏附的作用不同。王欣玲等[20]應用5 μg/L 的FGF2作用于人晶狀體上皮細胞，細胞劃痕試驗顯示FGF2促進了細胞的遷移速度,同時黏著斑激酶 mRNA的表達水平上調；但是隨濃度升高,此種作用消失。高濃度FGF2 (15 μg/L)反而對細胞遷移起明顯的抑制作用,此時黏著斑激酶mRNA表達也抑制，推測黏著斑激酶在FGF2引起的人晶狀體上皮細胞遷移的雙相調節中起重要作用。Liu等[21]則用transwell(一種研究細胞侵襲的實驗模型)細胞侵襲實驗證明，FGF2可誘導兔晶狀體上皮細胞的遷移，并伴有細胞外基質成分纖維結合蛋白的合成增加，而免疫抑制劑雷帕霉素能抑制這種作用，但具體機制尚不明確。

4.3FGFs/FGFRs信號對細胞轉分化的作用 白內障術后遷移到后囊膜的晶狀體上皮細胞化生為成纖維樣細胞，稱為上皮-間質轉化，形成PCO的主要病理改變。有多種調控因子參與晶狀體上皮細胞上皮-間質轉化的發生、發展過程，其中TGF-β、FGF2等生長因子在此過程中發揮著關鍵性的作用。

生理情況下，FGF2是調控晶狀體上皮細胞增殖、遷移和轉分化的主要細胞因子，不同濃度的FGF2分別發揮促增殖、遷移和轉分化作用。FGF2并不直接誘導晶狀體上皮細胞發生轉分化，而是通過增強TGF-β的作用促進細胞的轉分化。Banh等[22]將鼠晶狀體囊膜體外培養，在培養液中分別加入TGF-β2、TGF-β2+FGF2，4 d后TGF-β2+FGF2組發生的PCO樣形態學改變和上皮-間質轉化標志物較TGF-β2組更加顯著。研究表明，FGF2可促進體外培養的晶狀體上皮細胞TGF-β受體(TGF-βR)的表達：用無FGF2的培養液培養鼠齡13 d以下、尚無TGF-βR表達的鼠晶狀體上皮細胞時，鼠晶狀體上皮細胞對TGF-β2無反應，但改用含FGF2的培養液則觀察到細胞發生轉分化現象[23]。此外，FGFs信號可能通過整合素連接激酶增強TGF-β和整合素信號通路的效應，介導TGF-β誘導產生的上皮-間質轉化形態學改變[24]。

5 抑制FGFs/FGFRs信號在預防PCO中的應用

以FGFs/FGFRs信號通路為靶標的抑制劑能夠阻斷FGFs和FGFRs的相互作用，抑制該信號通路的激活，具有預防PCO形成的潛能。近年來研究阻斷FGFs/FGFRs信號通路的策略主要包括：①FGFs反義寡核苷酸。劉宏偉等[25]設計針對大鼠晶狀體上皮細胞FGF2的反義寡核苷酸，體外實驗結果表明FGF2反義寡核昔酸及其脂質體可減少細胞FGF2的mRNA水平，并有效抑制細胞的增殖。②FGFs小干擾RNA。研究者構建FGF2小干擾RNA(FGF2 siRNA)表達質粒并在體外穩定轉染人晶狀體上皮細胞LEC-B3，檢測到細胞FGF2基因和蛋白表達降低，細胞增殖核抗原表達明顯降低，證實干擾bFGF基因表達可有效抑制LEC-B3細胞增殖[26]。③FGFRs抗體或特異性拮抗劑。利用針對FGFRs的抗體或特異性拮抗劑可阻斷FGFs與FGFRs結合，切斷其信號傳遞，如FGFR1特異性拮抗劑SU5402可顯著抑制LEC-B3細胞的增生[27]。

6 結 語

FGFs及FGFRs通過參與晶狀體上皮細胞的增殖、遷移和轉分化等病理生理過程而與PCO的發生、發展有密切關系，成為預防PCO形成和基因治療的一個研究熱點。進一步深入研究FGFs與其他細胞因子的相互作用和FGFs/FGFRs信號通路機制，建立合適的PCO動物模型，并探索體內實驗所需要的安全、高效的基因轉移系統，有助于以FGFs/FGFRs信號為靶標的藥物應用于PCO防治的臨床研究中。

[1] Biber JM,Sandoval HP,Trivedi RH,etal.Comparison of the incidence and visual significance of posterior capsule opacification between multifocal spherical,monofocal spherical,and monofocal aspheric intraocular lenses[J].J Cataract Refract Surg,2009,35(7):1234-1238.

[2] Johansson B.Clinical consequences of acrylic intraocular lens material and design:Nd:YAG-laser capsulotomy rates in 3x300 eyes 5 years after phacoemulsification[J].Br J Ophthalmol,2010,94(4):450-455.

[3] Awasthi N,Guo S,Wagner BJ.Posterior capsular opacification:a problem reduced but not yet eradicated[J].Arch Ophthalmol,2009,127(4):555-562.

[4] Wormstone IM,Wang L,Liu CS.Posterior capsule opacification[J].Exp Eye Res,2009,88(2):257-269.

[5] Walker JL,Wolff IM,Zhang LP,etal.Activation of Src kinases signals induction of posterior capsule opacification[J].Invest Ophthalmol Vis Sci,2007,48(5):2214-2223.

[6] Katoh M,Katoh M.FGF signaling network in the gastrointestinal tract (review)[J].Int J Oncol,2006,29(1):163-168.

[7] Eswarakumar VP,Lax I,Schlessinger J.Cellular signaling by broblast growth factor receptors[J].Cytokine Growth Factor Rev,2005,16(2):139-149.

[8] Kurose H,Okamoto M,Shimizu M,etal.FGF19-FGFR4 signaling elaborates lens induction with the FGF8-L-Maf cascade in the chick embryo[J].Dev Growth Differ,2005,47(4):213-223.

[9] 夏朝霞,吳藝,藍育,等.bFGF在體外培養的正常人及白內障患者LECs中的表達[J].眼科新進展,2008,28(1):21-25.

[10] Turner N,Grose R.Fibroblast growth factor signalling:from development to cancer[J].Nat Rev Cancer,2010,10(2):116-129.

[11] Beenken A,Mohammadi M.The FGF family:biology,pathophysiology and therapy[J].Nat Rev Drug Discov,2009,8(3):235-253.

[12] Fukui L,Henry JJ.FGF signaling is required for lens regeneration in Xenopus laevis[J].Biol Bull,2011,221(1):137-145.

[13] Liu YF,Liu HW,Peng SL.Comparison of FGFR1 expression on lens epithelial cells between adults and fetuses[J].Int J Ophthalmol,2011,4(1):37-39.

[14] Bhuyan DK,Reddy PG,Bhuyan KC.Growth factor receptor gene and protein expressions in the human lens[J].Mech Ageing Dev,2000,113(3):205-218.

[15] Dailey L,Ambrosetti D,Mansukhani A,etal.Mechanisms underlying differential responses to FGF signaling[J].Cytokine Growth Factor Rev,2005,16(2):233-247.

[16] Lamothe B,Yamada M,Schaeper U,etal.The docking protein Gab1 is an essential component of an indirect mechanism for fibroblast growth factor stimulation of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt antiapoptotic pathway[J].Mol Cell Biol,2004,24(13):5657-5666.

[17] Kampmeier J,Baldysiak-Figiel A,Jong-Hesse Y,etal.Effect of growth factors on proliferation and expression of growth factor receptors in a human lens epithelial cell line[J].J Cataract Refract Surg,2006,32(3):510-514.

[18] Hu YH,Huang XR,Qi MX,etal.Curcumin inhibits proliferation of human lens epithelial cells:a proteomic analysis[J].J Zhejiang Univ Sci B,2012,13(5):402-407.

[19] Iyengar L,Patkunanathan B,McAvoy JW,etal.Growth factors involved in aqueous humour-induced lens cell proliferation[J].Growth Factors,2009,27(1):50-62.

[20] 王欣玲,于韜,張國剛,等.bFGF 對人晶狀體上皮細胞中 FAK表達的影響[J].國際眼科雜志,2007,7(2):336-338.

[21] Liu H,Feng G,Wu L,etal.The effects of rapamycin on lens epithelial cell proliferation,migration,and matrix formation:an in vitro study[J].Mol Vis,2010,16:1646-1653.

[22] Banh A,Deschamps PA,Vijayan MM,etal.The role of Hsp70 and Hsp90 in TGF-beta-induced epithelial-to-mesenchymal transition in rat lens epithelial explants[J].Mol Vis,2007,13:2248-2262.

[23] de Iongh RU,Gordon-Thomson C,Chamberlain CG,etal.TGFβ receptor expression in lens:implications for differentiation and cataractogenesis[J].Exp Eye Res,2001,72(6):649-659.

[24] Iongh RU,Wederell E,Lovicu FJ,etal.Transforming growth factor-beta-induced epithelial-mesenchymal transition in the lens:a model for cataract formation[J].Cells Tissues Organs,2005,179(1/2):43-55.

[25] 劉宏偉,王香蘭,彭淑玲,等.堿性成纖維細胞生長因子反義寡核昔酸及其脂質體對體外培養的大鼠晶狀體上皮細胞增殖的抑制作用[J].中華眼科雜志，2004,40(8):528-532.

[26] 徐慶，賈仁兵.bFGF小干擾RNA表達質粒抑制人晶狀體上皮細胞增殖的實驗研究[J].中華眼科雜志,2008,44(12):1078-1082.

[27] 徐慶，賈仁兵.FGFR1特異性拮抗劑SU5402抑制人源晶狀體上皮細胞增生的研究[J].眼科研究，2009,27(10):870-873.