堿性成纖維生長因子在椎間盤退變中作用的研究進展

康新桂，吳小濤

(1.東南大學醫(yī)學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫(yī)院 骨科，江蘇 南京 210009)

·綜 述·

堿性成纖維生長因子在椎間盤退變中作用的研究進展

康新桂1，吳小濤2

(1.東南大學醫(yī)學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫(yī)院 骨科，江蘇 南京 210009)

椎間盤變性、突出等退行性改變是臨床腰腿痛的常見病因，嚴重影響患者生活質(zhì)量。盡管手術(shù)摘除突出的椎間盤能在一定程度上緩解腰腿痛的癥狀，但不能從根本上逆轉(zhuǎn)椎間盤退行性改變。近年來，基于基因調(diào)控生物學修復的研究為早期從病因?qū)W層面治療椎間盤退變打開嶄新思路。堿性成纖維生長因子在椎間盤退變中有重要的生物學作用，能夠促進血管形成、干預細胞增殖、分化、基質(zhì)合成等。作者就堿性成纖維生長因子在椎間盤退變中的作用作一綜述。

堿性成纖維生長因子；椎間盤；文獻綜述

近80%的成人一生中至少經(jīng)歷一次腰腿痛，其中持續(xù)性腰腿痛癥狀約占18%，嚴重影響生活質(zhì)量[1]。以往認為，神經(jīng)根受壓所產(chǎn)生的相應神經(jīng)分布區(qū)疼痛是下腰疼(low back pain，LBP)主要原因。近期研究發(fā)現(xiàn)，在纖維環(huán)破裂后的損傷再修復進程中，炎癥反應對神經(jīng)根的損傷才是LBP的主要原因[2]。有研究[3]發(fā)現(xiàn)，椎間盤性LBP患者椎間盤有血管化肉芽組織形成，在纖維環(huán)破裂處有廣泛的神經(jīng)浸潤，這也支持上述觀點。目前以神經(jīng)減壓為目標的手術(shù)治療雖能在一定程度上緩解疼痛癥狀，但都不能逆轉(zhuǎn)椎間盤退變的病理生理進程，且術(shù)后復發(fā)率較高，再手術(shù)的原因主要為復發(fā)突出(殘移)、瘢痕粘連和繼發(fā)性腰椎不穩(wěn)[4-5]。近年來，應用生物學方法修復退變椎間盤發(fā)展迅速，通過對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)染，阻礙或延緩椎間盤退變成為新的研究課題[6]。作者現(xiàn)對堿性成纖維生長因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)在椎間盤相關(guān)疾病中的作用作一綜述。

1 椎間盤的組分及功能

椎間盤中細胞數(shù)目較少，位于外層纖維環(huán)中的是與膠原纖維平行排列的梭形成纖維樣細胞，位于內(nèi)層的是圓形軟骨樣細胞。髓核組織區(qū)域主要為脊索細胞和髓核軟骨樣細胞[3]，這些細胞在正常椎間盤可使細胞外基質(zhì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當椎間盤發(fā)生退變時，合成代謝與分解代謝的平衡被打破，新陳代謝失衡[7]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，退變椎間盤中bFGF表達增加，促進椎間盤細胞增殖[8]。正常椎間盤中的聚集蛋白聚糖含量較高，約占髓核的70%，占纖維環(huán)的25%。聚集蛋白聚糖提供的高電荷密度可使髓核區(qū)域處于高滲透壓狀態(tài)，使髓核區(qū)域處于富水狀態(tài)[3]。相關(guān)研究已證實椎間盤退變開始于髓核區(qū)域，與蛋白多糖丟失有關(guān)[4]。bFGF可促進聚集蛋白聚糖及Ⅱ型膠原的表達，說明bFGF能延緩甚至逆轉(zhuǎn)椎間盤的退變進程[10]。

2 bFGF在椎間盤中的生物學作用

成纖維生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)家族中的bFGF也稱作成纖維生長因子-2(fibroblast growth factor-2，F(xiàn)GF-2)，分布廣泛，可作用于不同的靶細胞，具有血管形成、腫瘤發(fā)生、細胞增殖、細胞分化、創(chuàng)傷修復、組織重塑等多種生物學功能[11-12]。bFGF在退變椎間盤組織中顯著增高，被認為是可靠的退變標記物之一[13]。

2.1 bFGF刺激新生血管形成

血管的形成非常復雜，是組織生長、再生必不可少的條件。血管在形成過程中主要經(jīng)歷細胞外基質(zhì)水解、內(nèi)皮細胞擴增與遷移、細胞外基質(zhì)改變等過程[12]。bFGF處理兔椎間盤后，巨噬細胞、淋巴細胞等炎癥細胞數(shù)目增加，bFGF處理區(qū)域出現(xiàn)血管組織。硬膜外注射bFGF能促進兔突出椎間盤重吸收，這與血管形成密切相關(guān)[6-7]。Melrose等[14]對羊纖維環(huán)作環(huán)形切口制作纖維環(huán)損傷模型，發(fā)現(xiàn)在纖維環(huán)損傷部位有血管長入。纖維環(huán)病變部位的細胞中bFGF、TGF-β及骨粘連蛋白染色明顯。而正常羊椎間盤中，只有纖維環(huán)中有稀疏分布的bFGF、TGF-β及骨粘連蛋白染色陽性的細胞。

在疼痛椎間盤中有血管化肉芽組織形成，伴隨bFGF、TGF-β等因子的顯著表達；在無疼痛癥狀的退變椎間盤中沒有血管化的肉芽組織，只有少量生長因子[3]。組織損傷后機體迅速啟動損傷修復機制，炎癥反應是機體和細胞對損傷的最初反應。在LBP患者的椎間盤組織中可發(fā)現(xiàn)血管化肉芽組織從纖維環(huán)破裂處向位于中心部位的髓核組織生長，在這些血管化肉芽組織中有大量巨噬細胞和肥大細胞浸潤，巨噬細胞不僅是炎癥反應期主要的吞噬細胞，還可以分泌大量生長因子和細胞因子如bFGF、TGF-β、IL-1和TNF-α。這些因子可以調(diào)節(jié)細胞的擴增與分化，促進肉芽組織和新血管的形成[1]。

Kokubo等[15]研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤突出與椎關(guān)節(jié)強硬的退變進程不同：椎間盤突出物上調(diào)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、bFGF、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的表達，引發(fā)椎間盤退變；而椎關(guān)節(jié)強硬有較厚的骨化終板，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，是由營養(yǎng)障礙引發(fā)的退變。同時還發(fā)現(xiàn)，突出椎間盤并有肉芽組織的纖維環(huán)外層退變程度比椎關(guān)節(jié)強硬的纖維環(huán)外層高，而軟骨終板和內(nèi)層纖維環(huán)退變程度比椎關(guān)節(jié)強硬標本低。突出椎間盤和椎關(guān)節(jié)強硬樣本中均有明顯的血管形成，可能與bFGF、VEGF表達增高有關(guān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，吸煙、過度勞累與新血管形成之間有顯著的相關(guān)性，肥胖和久坐也會增加新血管的形成。戒煙、控制體重、鍛煉腹部和椎旁肌肉、避免過度勞累后新血管形成的百分比分別下降32%、21%、16%和31%，因此，可以通過上述減少新血管形成的方法來預防血管形成型椎間盤退變的發(fā)生[12]。

2.2 bFGF促進細胞增殖

當椎間盤發(fā)生退變時，椎間盤細胞常表現(xiàn)出增殖的特性。正常椎間盤常量表達的生長因子及其受體在退變組織中過表達[8]。在正常未退變的椎間盤組織中，細胞因子及其受體的釋放主要依賴自分泌與旁分泌方式；而在退變的椎間盤中，尤其是有新生血管長入的椎間盤，外源性生長因子可能為主要的致有絲分裂因素，而且在退變的椎間盤中表達增強的生長因子主要是血小板衍生因子(PDGF)、IGF-1和bFGF[16]。bFGF作為重要的促有絲分裂原，可直接作用于組織修復細胞的有絲分裂周期，縮短G1期，延長G2和M期，縮短有絲分裂周期的時間，加速細胞分裂增殖[1]。Pratsinis等[8, 16]發(fā)現(xiàn)，PDGF、bFGF、IGF-1這3種經(jīng)典的促有絲分裂原，經(jīng)MEK/ERK和PI-3K/Akt信號轉(zhuǎn)導通路，刺激人和牛椎間盤纖維環(huán)與髓核細胞增殖。盡管這3種生長因子有明顯的促有絲分裂效應，但對椎間盤內(nèi)穩(wěn)態(tài)的總效應不盡相同。牛髓核中的bFGF與IGF-1對細胞外基質(zhì)的表達作用截然相反，這可能是物種差異和(或)培養(yǎng)條件不同所致[16]。Heqewald等[17]分別從有癥狀患者的椎間盤突出區(qū)和髓核區(qū)分離細胞，并添加人血清和bFGF培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)椎間盤突出區(qū)域分離的細胞去分化現(xiàn)象明顯，Ⅱ型膠原與聚集蛋白聚糖的表達顯著下降。說明椎間盤組織突出區(qū)和髓核區(qū)的椎間盤細胞對細胞外基質(zhì)的表達效果不同。

2.3 bFGF促進細胞外基質(zhì)降解

正常髓核組織中Ⅱ型膠原明顯高于Ⅰ型，當前者表達量的下降會影響椎間盤組織負重載荷的彈性和強度，加速椎間盤退變[18]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，bFGF能刺激牛椎間盤髓核細胞Ⅰ、Ⅱ型膠原的合成，但Ⅰ型膠原合成量明顯高于Ⅱ型膠原，Ⅱ型膠原與Ⅰ型膠原的比值下降，有異于正常健康椎間盤中Ⅱ型膠原富集狀態(tài)[7]。Tolonen等[19-20]研究發(fā)現(xiàn)，人退變椎間盤組織中細胞形態(tài)發(fā)生改變，正常未退變狀態(tài)下梭形的纖維環(huán)細胞逐漸變得渾圓，形似軟骨樣細胞，而且這種細胞容易形成細胞集落從而影響基質(zhì)的更新。退變椎間盤組織不同區(qū)域的不同細胞中相關(guān)生長因子的表達情況不同，bFGF在突出椎間盤纖維環(huán)前后緣軟骨樣細胞中的表達最明顯。這說明bFGF不僅能通過改變細胞形態(tài)影響基質(zhì)更新，還能促進水解酶活性促進基質(zhì)的降解。

2.4 bFGF在細胞分化中的作用

在椎間盤退變早期，可以采用向退變髓核區(qū)域注入有活性的髓核細胞的方法治療。這種方法的順利實行需要大量的髓核細胞，然而人髓核細胞的數(shù)目及增殖活性較低，不能滿足細胞療法的需求[2]。Tsai等[21]研究發(fā)現(xiàn)，bFGF可維持TGF-β1對牛髓核軟骨樣細胞的表型分化作用。Ehlicke等[2]又發(fā)現(xiàn)，在缺少TGF-β3條件下，IGF-1、bFGF、和PDGF-BB能誘導人間充質(zhì)干細胞(hMSCs)分化為髓核樣細胞，這樣就解決了細胞數(shù)目缺乏的難題，促進椎間盤生物細胞療法的發(fā)展。說明bFGF不僅可以維持TGF-β1對髓核細胞的表型分化作用，其本身也有誘導分化作用。

3 bFGF對椎間盤損傷再修復的積極與消極作用

某些生長因子如bFGF、TFG-β可能是組織修復的促進者，然而這些生長因子又能誘導產(chǎn)生非正常改變，如基質(zhì)纖維化、異常細胞分化等。bFGF在損傷椎間盤中有修復作用還是促進椎間盤退變?nèi)圆磺宄1]。

葉冬平等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在退變?nèi)俗甸g盤髓核細胞中，bFGF注射試驗組在短期內(nèi)(實驗第7天)可明顯促進軟骨糖胺多糖(GAG)及Ⅱ型膠原mRNA的表達，增加細胞外基質(zhì)中GAG及Ⅱ型膠原的含量。雖然在實驗第14天和21天GAG及Ⅱ型膠原mRNA的表達量顯著降低，但在細胞外基質(zhì)中的含量仍高于對照組，說明bFGF注射后的短期內(nèi)能刺激退變的椎間盤修復。Hegewald等[9]研究發(fā)現(xiàn)，bFGF處理纖維環(huán)細胞后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原及MMP-13的合成增加，蛋白聚糖總量增加。這也可以解釋在以前對牛纖維環(huán)細胞的實驗研究中，由于bFGF對細胞增殖的促進作用，當標準化細胞數(shù)目后，蛋白多糖含量下降的現(xiàn)象[7]。說明bFGF的總效應是纖維軟骨組織的合成代謝調(diào)解者，可作為纖維環(huán)生物學修復因子。Walsh等[24]對鼠尾施壓靜態(tài)壓誘導椎間盤退變，然后在椎間盤內(nèi)注射物分化誘導因子-5(GSF-5)、TGF-β、IGF和bFGF，與注射生理鹽水的對照組相比，外源性生長因子注射組纖維環(huán)細胞數(shù)目增多，聚集蛋白聚糖及Ⅱ型膠原表達增強，椎間盤高度增加。髓核中蛋白多糖的增加可改善髓核的抗壓能力，纖維環(huán)中膠原的增加有利于纖維環(huán)結(jié)構(gòu)的修復，說明bFGF對退變椎間盤有修復作用。抗炎藥如地塞米松(DEX)能降低移植物相關(guān)炎癥反應，并可促進細胞分化，聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly-lactic-co-glycolic acid，PLGA)無細胞毒性[10]。Liang等[10]將DEX/bFGF加載到PLGA微球支架上，發(fā)現(xiàn)DEX/bFGF加載組與非加載組相比，Ⅱ型膠原及GAG含量增加，聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖及Ⅱ型膠原表達增加。應用DEX/bFGF加載的PLGA支架能顯著提高兔骨髓間充質(zhì)干細胞(rMSCs)增殖，促進rMSCs分化為髓核樣細胞，且能降低椎間盤生物療法的炎癥反應。上述研究說明bFGF在椎間盤修復或再生方面有積極作用，能促進椎間盤修復。

未退變的人椎間盤髓核和纖維環(huán)獲取的聚集蛋白聚糖有抑制內(nèi)皮細胞黏附和遷移的作用，而且這種作用存在濃度依賴關(guān)系。未退變椎間盤中高濃度的聚集蛋白聚糖有阻礙血管及神經(jīng)浸潤性生長的能力，聚集蛋白聚糖含量的下降是引起椎間盤血管及神經(jīng)浸潤性生長的重要原因。軟骨細胞受到機械損傷后釋放的bFGF可促進MMP-13的表達、抑制蛋白多糖的合成、對有軟骨細胞合成代謝活性的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7(bone morphogenetic protein-7，BMP-7)有拮抗作用[7]。Nagano等[25]研究發(fā)現(xiàn)，鼠退變椎間盤組織中正常梭形的纖維環(huán)細胞變成圓形的軟骨細胞，而且bFGF在這些細胞中的免疫反應性及其受體的mRNA表達增強，bFGF可能是椎間盤退變相關(guān)的軟骨細胞增殖刺激因子，在椎間盤退變進程中逐步取代正常的纖維環(huán)細胞引起椎間盤退變，而正常鼠椎間盤組織中bFGF免疫反應性及其受體mRNA不表達，即正常椎間盤不表達bFGF及其受體。上述研究又說明bFGF在椎間盤修復和再生方面有消極作用，能促進椎間盤退變。

4 問題與展望

退變椎間盤的修復有兩個主要目標：修復椎間盤的結(jié)構(gòu)、消除疼痛。椎間盤結(jié)構(gòu)恢復后能否緩解疼痛仍不清楚[26]。大量動物實驗研究證實，體內(nèi)注射生長因子能緩解疼痛，然而生長因子的最佳治療注射量及注射時機的把握仍需進一步研究。由于缺乏足夠的人體臨床試驗數(shù)據(jù)，注射到退變椎間盤組織后是否會引發(fā)癌變也不清楚[27]。基因轉(zhuǎn)染技術(shù)治療椎間盤退變還需要找到合適的轉(zhuǎn)染載體，這樣才能實現(xiàn)基因的持久性表達[28]。生長因子注射療法目前正在臨床試驗中，生長因子注射療法在臨床試驗中的不斷開展，有望從根本上解決椎間盤退變問題[3]。在這些治療方法實現(xiàn)之前，bFGF在椎間盤病理生理方面作用的深入研究是必不可少的。

[1] PENG B,HAO J,HOU S,et al.Possible pathogenesis of painful intervertebral disc degeneration[J].Spine,2006,31(5):560-566.

[2] EHLICKE F,FREIMARK D,HEIL B,et al.Intervertebral disc regeneration:influence of growth factors on differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSC)[J].Int J Artif Organs,2010,33(4):244-252.

[3] PENG B G.Pathophysiology,diagnosis,and treatment of discogenic low back pain[J].World J Orthop,2013,4(2):42-52.

[4] LI X,PHILLIPS F M,AN H S,et al.The action of resveratrol,a phytoestrogen found in grapes,on the intervertebral disc[J].Spine,2008,33(24):2586-2595.

[5] 張德春，尹慶水，吳峰，等.腰椎間盤突出癥術(shù)后復發(fā)的原因及防治[J].現(xiàn)代醫(yī)學，2010，38(5):544-547.

[6] CABRAJA M,ENDRES M,ABBUSHI A,et al.Effect of degeneration on gene expression of chondrogenic and inflammatory marker genes of intervertebral disc cells:a preliminary study[J].J Neurosurg Sci,2013,57(4):307-316.

[7] LI X,AN H S,ELLMAN M,et al.Action of fibroblast growth factor-2 on the intervertebral disc[J].Arthritis Res Ther,2008,10(2):R48.

[8] PRATSINIS H,KLETSAS D.PDGF,bFGF and IGF-I stimulate the proliferation of intervertebral disc cellsinvitrovia the activation of the ERK and Akt signaling pathways[J].Eur Spine J,2007,16(11):1858-1866.

[9] HEGEWALD A A,ZOUHAIR S,ENDRES M,et al.Towards biological anulus repair:TGF-beta3,FGF-2 and human serum support matrix formation by human anulus fibrosus cells[J].Tissue Cell,2013,45(1):68-76.

[10] LIANG C Z,LI H,TAO Y Q,et al.Dual delivery for stem cell differentiation using dexamethasone and bFGF in/on polymeric microspheres as a cell carrier for nucleus pulposus regeneration[J].J Mater Sci Mater Med,2012,23(4):1097-1107.

[11] ELLMAN M B,AN H S,MUDDASANI P,et al.Biological impact of the fibroblast growth factor family on articular cartilage and intervertebral disc homeostasis[J].Gene,2008,420(1):82-89.

[12] DAVID G,CIUREA A V,IENCEAN S M,et al.Angiogenesis in the degeneration of the lumbar intervertebral disc[J].J Med Life,2010,3(2):154-161.

[13] 葉冬平，梁偉國，戴麗冰，等.正常與退變椎間盤纖維環(huán)細胞相關(guān)基因的差異表達[J].中國病理生理雜志，2012，28(1):168-172.

[14] MELROSE J,SMITH S,LITTLE C B,et al.Spatial and temporal localization of transforming growth factor-beta,fibroblast growth factor-2,and osteonectin,and identification of cells expressing alpha-smooth muscle actin in the injured anulus fibrosus:implications for extracellular matrix repair[J].Spine,2002,27(16):1756-1764.

[15] KOKUBO Y,UCHIDA K,KOBAYASHI S,et al.Herniated and spondylotic intervertebral discs of the human cervical spine:histological and immunohistological findings in 500 en bloc surgical samples.Laboratory investigation[J].J Neurosurg Spine,2008,9(3):285-295.

[16] PRATSINIS H,CONSTANTINOU V,PAVLAKIS K,et al.Exogenous and autocrine growth factors stimulate human intervertebral disc cell proliferation via the ERK and Akt pathways[J].J Orthop Res,2012,30(6):958-964.

[17] HEGEWALD A A,ENDRES M,ABBUSHI A,et al.Adequacy of herniated disc tissue as a cell source for nucleus pulposus regeneration[J].J Neurosurg Spine,2011,14(2):273-280.

[18] 李想，王以朋，洪毅，等.堿性成纖維細胞生長因子對人椎間盤細胞外基質(zhì)合成及軟骨調(diào)節(jié)素表達的影響[J].中國康復理論與實踐，2012，18(6):539-543.

[19] TOLONEN J,GRONBLAD M,VIRRI J,et al.Basic fibroblast growth factor immunoreactivity in blood vessels and cells of disc herniations[J].Spine,1995,20(3):271-276.

[20] TOLONEN J,GRONBLAD M,VANHARANTA H,et al.Growth factor expression in degenerated intervertebral disc tissue.An immunohistochemical analysis of transforming growth factor beta,fibroblast growth factor and platelet-derived growth factor[J].Eur Spine J,2006,15(5):588-596.

[21] TSAI T T,GUTTAPALLI A,OGUZ E,et al.Fibroblast growth factor-2 maintains the differentiation potential of nucleus pulposus cellsinvitro:implications for cell-based transplantation therapy[J].Spine,2007,32(5):495-502.

[22] BURKE J G,RW G W,CONHYEA D,et al.Human nucleus pulposis can respond to a pro-inflammatory stimulus[J].Spine,2003,28(24):2685-2693.

[23] 葉冬平，梁偉國，戴麗冰，等.bFGF對人退變椎間盤髓核細胞影響的臨床研究[J].細胞與分子免疫學雜志，2011，27(3)：317-319.

[24] WALSH A J,BRADFORD D S,LOTZ J C.Invivogrowth factor treatment of degenerated intervertebral discs[J].Spine,2004,29(2):156-163.

[25] NAGANO T,YONENOBU K,MIYAMOTO S,et al.Distribution of the basic fibroblast growth factor and its receptor gene expression in normal and degenerated rat intervertebral discs[J].Spine,1995,20(18):1972-1978.

[26] SAKAI D,MOCHIDA J,IWASHINA T,et al.Regenerative effects of transplanting mesenchymal stem cells embedded in atelocollagen to the degenerated intervertebral disc[J].Biomaterials,2006,27(3):335-345.

[27] 王軍，吳小濤，王運濤.細胞老化與椎間盤退變關(guān)系的研究進展[J].東南大學學報：醫(yī)學版，2011,30(4):621-625.

[28] 謝志陽，吳小濤.基因和基因修飾的骨髓間充質(zhì)干細胞治療椎間盤退變的研究進展[J].東南大學學報：醫(yī)學版，2012，31(4):516-519.

2014-12-23

2014-12-31

國家自然科學基金資助項目(81272035)

康新桂(1989-)，男，山東青島人，在讀碩士研究生。E-mail:xinguikang@163.com

吳小濤 E-mail:wuxiaotao@medmail.com.cn

康新桂，吳小濤.堿性成纖維生長因子在椎間盤退變中作用的研究進展[J].東南大學學報:醫(yī)學版，2015,34(3)：425-428.

R681.53

A

1671-6264(2015)03-0425-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.023