成纖維細胞生長因子2、18與軟骨細胞增殖的研究進展

陳 園 楊華瑞 陳江水 鮑同柱

(三峽大學第一臨床醫學院骨科，湖北 宜昌 443003)

軟骨組織工程主要通過對軟骨種子細胞、軟骨支架、細胞因子的研究，來解決修復關節軟骨損傷、退變這一難題〔1〕。多肽生長因子如轉化生長因子(TGF)-β、骨形態發生蛋白(BMP)、甲狀旁腺相關蛋白(PTHrP)、成纖維細胞生長因子(FGF)等對關節軟骨的內環境穩態及修復起十分重要作用。經典的FGF信號通路包含18個信號蛋白與4個酪氨酸激酶分子蛋白受體(FGFRs)〔2〕。在胚胎發育時期FGFs在大多數組織中差異表達，在器官形成與功能發育的早期階段具有重要調節作用。在成年個體不同組織中，FGFs主要承擔調節生長與組織修復再生的作用。目前FGF-2、FGF-18等在調節軟骨細胞分化、維持關節軟骨內環境穩態及促進骨關節炎(OA)發生發展中起重要作用。本文總結以上細胞因子在關節軟骨中的作用。

1 FGF-2

FGF-2來源于關節軟骨細胞外基質中的一種硫酸乙酰肝素蛋白多糖,目前FGF-2 對軟骨代謝的具體作用仍存在爭議〔3〕。人骨髓間充質干細胞(hMSC)屬于多能干細胞，具有增殖與分化能力。在hMSC分化時期單獨給予FGF-2，可增強hMSC的增殖能力，并延緩細胞的衰老，促進hMSC向軟骨細胞分化〔4，5〕。研究發現FGF-2可選擇性地激活FGFR1，通過上調基質金屬蛋白酶(MMPs)，抑制細胞外基質(ECM)積累和蛋白多糖合成，產生分解代謝的作用，最終表現出骨關節炎樣特征〔6〕。體內和體外的實驗中發現，FGF-2引起軟骨外植體蛋白多糖耗竭，并抑制蛋白多糖在關節軟骨細胞的長期蓄積。而且，FGF-2有力地拮抗骨形態發生蛋白(BMP)-7和胰島素樣生長因子(IGF)-1介導的人關節軟骨中的蛋白多糖的生產。FGF-2也抑制了蛋白聚糖聚集的基因，并能促進蛋白聚糖酶蛋白聚糖酶(ADAMTS)-5、腫瘤壞死因子(TNF)受體的表達〔7,8〕。人關節軟骨細胞表達FGFR的所有亞型(FGFR1～4)。Yan等〔8〕發現，FGF-2 對FGFR1和FGFR3激活顯著高于FGFR2和FGFR4， 并且由FGFR1介導進行分解代謝活動。FGF-2與FGFR1結合后導致受體磷酸化，從而激活兩個關鍵信號傳導介質Ras和蛋白激酶(PK)Cδ表達增加，隨后這些分子的信號整合到Raf-絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/2-細胞外信號調節激酶(ERK)1/2的級聯調控靶基因表達〔9〕。與此同時，PKCδ還激活p38和C-J終端激酶(JNK)途徑〔10〕。ERK，p38和JNK是MAPK的3個亞組，三者的轉錄因子匯合于ELK-1而激活MMP-13，最終促進軟骨退化〔11〕。在人源T/C-28a2細胞中， FGF-2通過激活PI3-K/AKT和p38通路，上調MMP-1的表達〔12〕。FGF-2信號也導致激活蛋白(AP)-1和Runt相關轉錄因子(RUNX)2參與ADAMTS-5誘導的活化人類的OA細胞與健康的細胞相比，FGFR1的表達增加伴隨著FGFR3的表達受到抑制〔7〕。相對于FGF-2在人軟骨組織中的誘導代謝作用，FGF-2在其他動物關節軟骨中則表現出相反的作用。研究發現，在缺乏FGF-2的小鼠軟骨中，可加速自發或手術誘導的關節炎的發展，給予重組FGF-2后可得到明顯緩解〔13〕。FGF-2可促進蛋白多糖在小鼠股骨和脛骨軟骨的沉積。與人類FGFR1高表達相反，局部注入FGF-2明顯誘發FGFR3表達。

Weng等〔14〕使用FGFR1條件基因敲除小鼠證明，缺乏FGFR1可延緩軟骨退化并發現FGFR1 敲除對關節軟骨的保護作用與MMP-13 表達降低相關聯。對兔軟骨的研究發現，軟骨缺損早期修復過程中FGF-2的mRNA表達明顯增加，當MSC分化成軟骨細胞后，則無法檢測出FGF-2的活性，因此推測FGF-2在MSC向軟骨分化中可能扮演了重要的角色〔15〕。Argün等〔16〕利用骨膜移植術及注射重組FGF-2成功修復了兔關節軟骨全層缺損。通過FGF-2刺激成年牛關節軟骨細胞增殖，使SOX9上調，ECM生成增多〔17〕。綜上，FGF-2在軟骨代謝方面的作用有物種差別。

2 FGF-18

FGF-18與FGF-8、FGF-17屬于同一個亞家族，其編碼基因位于染色體5q34上。FGF-18由207個氨基酸組成，分子質量約為23 kD。敲除小鼠胚胎FGF-18基因后，可觀察到成骨間充質細胞增殖減少，軟骨細胞增殖分化增加。因此推測FGF-18在胚胎軟骨發育中起負向調節作用〔18〕。然而在成熟個體中， FGF-18是著名的合成代謝因子，可促進軟骨細胞增殖并參與軟骨的形成與損傷軟骨的修復。靜脈注射FGF-18至大鼠體內觀察2 w后，發現關節、氣管等多處軟骨增生〔19〕。通過手術制造小鼠半月板撕裂的OA模型，造模后21 d給予FGF-18表現出軟骨增殖，并隨劑量呈遞增關系〔20〕。缺乏FGF-18的小鼠表現出軟骨細胞增殖減少〔3〕。將重組人FGF-18注射到內側股骨髁缺陷的羊關節腔內，關節軟骨得到了很好的修復〔21〕。Zhang等〔22〕將OA患者的軟骨細胞與MSC共培養后，給予FGF-18干預，發現共培養細胞較單獨OA軟骨細胞產生更多Ⅱ型膠原，認為FGF-18可重建修復已損傷的關節軟骨。細胞對 FGF-18的應答，主要通過其他信號通路的激活或抑制來調節。研究發現FGF-18與FGFR3高度親和，與FGFR2適度親和，通過與FGFR3 的相互作用，進而激活IHH信號，負反饋調節甲狀旁腺素相關蛋白(PTHrP)參與軟骨細胞的增殖〔18〕。此外， 蛋白磷酸酶(Phlpp)1缺陷小鼠可引起叉頭蛋白(Fox)O1表達下降，導致FGF-18表達增加，Mek/Erk激活，軟骨細胞合成代謝活躍〔23〕。

1Khan IM,Francis L,Theobald PS，etal.In vitro growth factor-induced bioengineering of mature articular cartilage〔J〕.Biomaterials,2013;34(5):1478-87.

2Ornitz DM,Itoh N.The fibroblast growth factor signaling pathway〔J〕.Wiley Interdiscip Rev Dev Biol,2015;4(3):215-66.

3Ornitz DM,Marie PJ.Fibroblast growth factor signaling in skeletal development and disease〔J〕.Genes Dev,2015;29(14):1463-86.

4Correa D,Somoza RA,Lin P,etal.Sequential exposure to fibroblast growth factors (FGF) 2,9 and 18 enhances hMSC chondrogenic differentiation〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2015;23(3):443-53.

5Handorf AM,Li WJ.Fibroblast growth factor-2 primes human mesenchymal stem cells for enhanced chondrogenesis〔J〕.PLoS One,2011;6(7):3007-24.

6Nummenmaa E,H?m?l?inen M,Moilanen T,etal.Effects of FGF-2 and FGF receptor antagonists on MMP enzymes,aggrecan,and type II collagen in primary human OA chondrocytes.〔J〕.Scand J Rheumatol,2015;44(4):321-30.

7Ellman MB,Yan D,Ahmadinia K,etal.Fibroblast growth factor control of cartilage homeostasis〔J〕.J Cell Biochem,2013;114(4):735-42.

8Yan D,Chen D,Cool SM,etal.Fibroblast growth factor receptor 1 is principally responsible for fibroblast growth factor 2-induced catabolic activities in human articular chondrocytes 〔J〕.Arthritis Res Ther,2011;13(4):R130.

9Yan D,Chen D,Im HJ.Fibroblast growth factor-2 promotes catabolism via FGFR1-Ras-Raf-MEK1/2-ERK1/2 axis that coordinates with the PKCδ pathway in human articular chondrocytes〔J〕.J Cell Biochem,2012;113(9):2856-65.

10Im HJ,Muddasani P,Natarajan V,etal.Basic fibroblast growth factor stimulates matrix metalloproteinase-13 via the molecular cross-talk between the mitogen activated protein kinases and protein kinase c delta pathways in human adult articular chondrocytes 〔J〕.J Biol Chem,2007;282(15):11110-21.

11Muddasani P,Norman JC,Ellman M,etal.Basic fibroblast growth factor activates the MAPK and NFkappaB pathways that converge on Elk-1 to control production of matrix metalloproteinase-13 by human adult articular chondrocytes〔J〕.J Biol Chem,2007;282(43):31409-21.

12Guan PP,Guo JW,Yu X,etal.The role of cyclooxygenase-2,interleukin-1β and fibroblast growth factor-2 in the activation of matrix metalloproteinase-1 in sheared-chondrocytes and articular cartilage 〔J〕.Sci Rep,2015;5:10412.

13Chia SL,Sawaji Y,Burleigh A,etal.Fibroblast growth factor 2 is an intrinsic chondroprotective agent that suppresses ADAMTS-5 and delays cartilage degradation in murine osteoarthritis 〔J〕.Arthritis Rheum,2009;60(7):2019-27.

14Weng T,Yi L,Huang J,etal.Genetic inhibition of fibroblast growth factor receptor 1 in knee cartilage attenuates the degeneration of articular cartilage in adult mice〔J〕.Arthritis Rheum,2012;64(12):3982-92.

15楊 瓊,李 明,曹豫江,等.FGF-2真核表達質粒的構建及對C3H10細胞增殖及成軟骨分化的影響〔J〕.重慶醫科大學學報,2014;38(8):1145-51.

16Argün M,?ner M,Güney A,etal.The healing of full-thickness articular cartilage defects in rabbits:successful results with fibroblast growth factor 〔J〕.Eklem Hastalik Cerrahisi,2010;21(3):147-52.

17Shi S,Wang C,Acton AJ,etal.Role of sox9 in growth factor regulation of articular chondrocytes〔J〕.J Cell Biochem,2015;116(7):1391-400.

18宋林濤,姜 潮,李校堃.成纖維細胞生長因子18(FGF18)的研究進展〔J〕.中國生物工程雜志,2012;32(9):95-100.

19Ellsworth JL,Berry J,Bukowski T,etal.Fibroblast growth factor-18 is a trophic factor for mature chondrocytes and their progenitors 〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2002;10(4):308-20.

20Moore EE,Bendele AM,Thompson DL,etal.Fibroblast growth factor-18 stimulates chondrogenesis and cartilage repair in a rat model of injury-induced osteoarthritis 〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2005;13(7):623-31.

21Howard D,Wardale J,Guehring H,etal.Delivering rhFGF-18 via a bilayer collagen membrane to enhance microfracture treatment of chondral defects in a large animal model 〔J〕.J Orthop Res,2015;33(8):1120-7.

22Zhang Z,Wang Y,Li M,etal.Fibroblast growth factor 18 increases the trophic effects of bone marrow mesenchymal stem cells on chondrocytes isolated from late stage osteoarthritic patients 〔J〕.Stem Cell Int,2014;2014(2014):1-8.

23Bradley EW,Carpio LR,Newton AC,etal.Deletion of the PH-domain and Leucine-rich Repeat Protein Phosphatase 1 (Phlpp1) Increases Fibroblast Growth Factor (Fgf) 18 Expression and Promotes Chondrocyte Proliferation〔J〕.J Biol Chem,2015;290(26):16272-80.