中国生物工程杂志  2016, Vol. 36 Issue (8): 99-104 |
FGF家族共由23个成员组成，分为7个亚家族，，它们具有高度同源性[1](图 1)，并在生物体的生长发育过程中发挥多种功能，包括细胞增殖，分化和迁移[2]，在胚胎发育，毛发生长，皮肤再生中也发挥重要作用，研究发现，成纤维细胞生长因子及其受体通过不同信号在骨骼生长发育和成年后骨稳态维持中起重要作用。每个通路调节特定的细胞行为, 异常信号传导可导致多种骨骼异常相关疾病，包括软骨发育不全和颅缝早闭等[3]。所以，FGF对骨相关疾病的研究越来越受到人们的关注。
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| 图 1 FGF家族成员 Figure 1 FGF family members |
FGF对骨作用的信号传导通过结合FGFR启动。图 2显示FGF与多个下游信号通路相关联，主要是RAS/ MAP激酶途径，PI3/ AKT途径，和PLCγ通路。此外，FGF信号也能刺激STAT1/ p21的通路[4]。研究发现，FGFR1和FGFR3是主要受体(表 1)。FGF2特异性结合FGFR1而没有结合FGFR3，发挥分解代谢和抗合成作用[5]。而FGF18主要结合FGFR3发挥增殖作用。
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| 图 2 FGF的信号通路图 Figure 2 FGF signaling pathway |
| FGF | 受体 | 相关病理 | 相关信号通路 |
| FGF1 | FGFR1 | 骨折修复的早期发挥作用 | MAPK信号通路 |
| FGF2 | FGFR1、FGFR3 | 破骨细胞分化，骨关节炎调节 | MAPK信号通路 |
| FGF6 | FGFR4 | 成骨细胞和破骨细胞的分化 | ERK信号通路 |
| FGF8 | FGFR2 | 成骨分化，骨关节治疗 | MAPK信号通路 |
| FGF9 | FGFR3 | 生长板的血管化和成骨过程 | MAPK信号通路 |
| FGF18 | FGFR3IIIc | 促软骨增殖、分化 | ERK信号通路 |
| FGF21 | FGFR1 | 抑制骨形成 | MAPK/ERK信号通路 |
| FGF23 | FGFR1 | 促成骨细胞增生 | RANKL信号通路 |
骨质疏松是以骨量降低和骨组织微结构退化为特征，导致骨脆性增加、骨强度降低而易骨折的一种全身系统性疾病，在老年人和绝经妇女中较多见[6]。骨质疏松的发病机制是由于成骨细胞负责的骨形成和破骨细胞负责的骨吸收失去动态平衡, 造成骨吸收量大于骨形成量，进而引起骨折。
2.1 FGF2对破骨细胞的调节作用在FGFs中，成纤维细胞生长因子2(FGF2)是骨和软骨形成的重要调节因子。体外研究发现, FGF2一方面是通过促进成骨细胞分泌RANKL间接调控破骨细胞的活动, 另外一方面是直接作用于破骨细胞, 通过激活MAPK信号通路促进破骨细胞的分化与功能[7]。Lu等[8]报道有研究发现FGF2敲除抑制了PTH促进骨形成的作用，FGF2功能缺失小鼠RANKL表达水平降低, 阻碍了破骨细胞前体细胞在PTH或RNAKL诱导下向成熟破骨细胞分化。这些结果都显示了FGF2正向调控破骨细胞分化。
在体外, FGF2可以结合于破骨细胞表面的FGFR1, 并且通过激活下游的MAPK信号通路促进破骨细胞分化与功能[9]。也有研究表明，FGF2可能通过FGFR3调控破骨细胞。研究发现[8]条件性敲除FGFR3导致FGF2对于破骨细胞的促进作用减弱, 这表明了FGFR3参与了FGF2对于破骨细胞的调控作用, 并且该作用和下游的ERK信号通路有关。
2.2 FGF对成骨细胞的调节作用FGF家族成员中，大量研究显示FGF23对成骨细胞有一定的作用。现有数据显示，在肾功能正常的老年人中，高水平循环FGF23与骨折风险的发病率有关[10]。另外研究发现，FGF23敲除小鼠血清钙、磷含量和1, 25(OH)2D水平升高并伴发骨质疏松症状。Wang等[11]研究表明体外小鼠胎儿颅骨细胞过表达FGF23会抑制基质矿化；Shalhoub等[12]研究表明外源FGF23和可溶性Klotho细胞可抑制MC3T3-E1细胞矿化。以上实验都说明，FGF23的过量表达对骨增生有一定作用。
关于FGF23作用的机制，有报道显示，FGF23在胞内与Klotho和FGF受体(FGFR)结合形成三聚体复合物，并随后激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应，而发挥调节作用。此外研究显示，在小鼠颅骨和长骨检测到Klotho的mRNA和蛋白表达水平[13]，也在猪仔的生长板和骨髓中检测到[14]。这些结果表明FGF23对骨骼组织存在局部直接影响。
2.3 FGF21对骨的调节作用与FGF23为同一亚家族的FGF21，同样也对骨有着明显的调节作用。Wei等[15]通过动物实验发现，小鼠体内FGF21水平增高和功能增强均能引起明显骨丢失；同时能够影响OPG与RANKL之比。此外，FGF21转基因小鼠体内FGF21水平比野生型小鼠高5倍，成骨特定基因减少；破骨细胞分化因子mRNA/破骨细胞抑制因子mRNA升高。这些结果表明，骨形成减少和骨再吸收增加共同导致了FGF21转基因小鼠骨量减少[16]。
3 FGF与骨关节炎骨关节炎(osteoarthritis, OA)是一种以炎症和关节疼痛为主要症状并伴有软骨变性和丢失以及关节边缘和软骨下骨质增生为特征的慢性关节疾病，多发于膝关节，且在中老年人群中最为常见[17]。软骨细胞凋亡和细胞外基质降解是软骨退变的主要诱因。细胞基质的主要成分是蛋白多糖和胶原。MMPs是一组能够降解细胞外基质的内肽酶，在OA软骨基质降解期发挥重要作用。
迄今为止，对骨关节炎基本的细胞分子机制仍然不完全了解，所以尚未发现可完全治疗骨关节炎的药物。现已知，调节失调和代谢过量是主要因素，主要包括基质金属蛋白酶(MMPs)，蛋白聚糖酶(ADAMTS)，和软骨细胞破坏性因子和生长因子导致软骨细胞基质变性，其中MMP和ADAMTS起主要作用[18]。而现有大量的报道显示FGF家族成员在骨细胞的分化、增殖、凋亡中有重要作用[19]。
3.1 FGF2对骨关节炎的作用研究发现，FGF2在OA细胞中的含量明显多于正常软骨细胞，在OA滑膜液表达异常高，并可能加剧软骨退化[20]。已有研究证明，FGF2主要通过结合FGFR1促进MMP13和ADAMTS5表达并抑制蛋白多糖的合成和聚集，从而加速软骨退化[21]。研究发现[5]，在关节软骨和半月板软骨细胞中，FGF2改变Ⅰ型胶原和II型胶原的比例，从而导致纤维软骨形成。又有研究发现[22]，在猪关节软骨细胞中，FGF2对IGF-1/TGF-b介导的II型胶原和蛋白多糖的生成有拮抗作用。此外，FGF-2通过激活PKCδ介导的MAPK通路(ERK1/2，p38和JNK)信号通路有效地抑制了IGF-1/BMP-7介导的人关节软骨细胞蛋白多糖聚集和合成，并激活了MMP13表达。也有研究显示可能是通过激活NF-κB通路，激活转录因子Elk-1从而促进MMP-13转录。
对于FGF2作用受体及机制也有大量研究报道，FGF-2对所有FGFR亚型都有亲和性，但是对FGFR1和FGFR3有高亲和性[23]。在OA细胞中FGFR1/FGFR3的百分比明显大于正常软骨细胞[22]。Yan等[5]获取人软骨细胞，分别加入FGF2、FGFR1和FGFR3基因沉默。结果显示，FGF2主要通过FGFR1来促细胞增殖及促MPP13和ADAMTS5表达增加。此外，FGF2能通过FGFR1-ERK/MAPK信号通路抑制FGFR3的表达。FGFR3缺失导致MMP13表达增加和软骨退化[21]。
FGF2在人体软骨细胞中的作用是双向的，对于OA患者来说有加速病情的作用。但有研究显示在小鼠中，FGF2对骨关节炎是治疗作用。FGF2敲除小鼠，较之正常小鼠骨关节炎病情加速，而皮下注射FGF2可以减缓这种作用[24]。目前对于FGF2在OA中的作用存在争议，其在不同组织或不同时期(膝关节和踝关节；正常和骨性关节炎；年轻和年老等)作用不同。还有一些动物研究表明FGF2介导膝关节合成[25]。这些明显的生物学差异，可能是由于不同年龄，物种或组织及疾病导致FGF/FGFR表达不同，从而引起FGF2对于软骨细胞的作用不同。
3.2 FGF18对骨关节炎的作用对于骨关节炎的治疗，大部分研究都集中在抗分解以延迟软骨损坏的进展，如目前临床上常用关节腔内注射透明质酸钠(SH)的粘弹性补充疗法[26]。而另一种方法是，以刺激软骨发育和修复。FGF18通过调控FGFR、Twist1和BMP(骨形态发生蛋白)的表达参与整个生命活动过程。因此，临床上应用FGF18对治疗软骨障碍、软骨发育不全及骨骼修复等骨骼性病变，越来越受到人们的关注。目前，德国MERCK公司开发的重组人成纤维细胞生长因子18治疗骨关节炎的新药已完成Ⅱ期临床试验。结果发现，局部关节腔注射FGF18，在软骨修复及缓解疼痛方面都有显著改善，而在安全性方面证实，不会引起局部和全身性的不良反应问题，显示出良好的应用前景[27]。
研究显示，FGF18通过在体内外结合并激活FGFR3来刺激软骨增殖、基质形成及修复[28]。此外，FGF18敲除小鼠表现出软骨和骨发育畸形，包括颅骨缝合延迟闭合，长骨生长板增殖和肥大，并延缓成骨分化[29-30]。文献[31]报告，Shimoaka等证明了FGF18刺激成熟原代猪和人关节软骨细胞生长和蛋白聚糖合成及新生大鼠肋骨软骨细胞的生长；Ellsworth等[31]证明了腺病毒表达FGF18注射到裸鼠中，增加耳廓软骨高表达II型胶原和蛋白聚；Whitsett等[32]证明FGF18给大鼠静脉注射2周，刺激各种软骨表达，包括肋胸骨结，气管，脊柱和关节软骨。Moore等[33]证明了关节内注射FGF18可以促进OA软骨修复，且高剂量FGF18诱导增加软骨下骨重塑。但在正常大鼠膝关节FGF18没有促进软骨细胞增殖和基质积聚，也没有增加关节软骨的厚度；Mithoefer等[34]，Power等[35]证明了在羊软骨损伤模型中，相对于只进行微骨折治疗，微骨折术后关节内注射rhFGF18可以显著提高软骨修复，Barr等[36]也证实了rhFGF18对软骨损伤细胞有合成作用。
FGF18对软骨作用机制还不是很清楚，但已知的是FGF18促进BMP的形成是通过抑制noggin(一种BMP抑制剂)的表达[37]。这种作用是通过FGF18/FGFR3信号通路施行的。在FGFR3基因敲除小鼠，促进OA形成[38], 说明了FGFR3在软骨中的作用。FGF18激活FGFR3的‘III’C部，在骨和软骨生物学发挥主要作用的受体[39-40]。尽管大部分研究显示FGF18对软骨细胞具有合成作用[41]。但在不同部位，FGF18抑制软骨细胞增殖和分化[42-43]。这些作用可能是由于FGF18直接对成熟软骨细胞或祖细胞的分化作用。虽然FGF18对软骨祖细胞的直接作用有待确定，但rhFGF-18确实具有软骨损伤修复作用。
4 结语FGF有多种生物学功能，在生物生长发育过程中发挥多种功能，包括细胞增殖，分化和迁移，对骨骼生长发育有多种调节作用。报道显示，FGF家族成员，如FGF6[44]、FGF8[45]、FGF9[46]都对骨有不同调节作用，但尚未深入研究。大部分研究显示FGF2和FGF18，都表现出促骨细胞增殖和分化作用，可以作为治疗骨相关疾病的潜在药物。
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表1(Table 1)
