成纤维细胞生长因子对骨生长修复的调节作用
李亚非综述　

成纤维细胞生长因子(FGF)在体内生物学效应广泛，本文就近年来FGF对骨的直接作用和其它生长因子介导的间接作用综述如下。

　　FGF以两种密切相关的形式存在，即碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和酸性成纤维细胞生长因子(aFGF)。它们的结构具有高度同源性(>55%)。bFGF与aFGF的基本翻译产物由155个氨基酸组成。bFGF分子量约18K，等电点pH为9.6，而aFGF分子量为15.9K，等电点为5.6。

　　bFGF与aFGF均以一种剂量依赖的饱和形式与相同的膜受体结合，两者的生物学效应相同，在肝素存在情况下，两者效应强度相等。如果缺乏肝素，则aFGF的效应强度要比bFGF低30—100倍，据认为肝素能增加aFGF与细胞表面受体的亲合力并减少其降解。体外实验中在肝素存在情况下，使上皮系细胞分化约需aFGF或bFGF1—10ng。

　　FGF能诱导某些间充质细胞复制，包括成纤维细胞、成软骨细胞、平滑肌细胞、成骨细胞、神经外胚层、骨骼肌细胞等。FGF最初是从牛脑垂体中纯化出来，后来发现它在人体各组织中也广泛存在。FGF也存在于骨组织，牛骨细胞合成的bFGF的量是aFGF的10倍，两种形式的FGF储存于骨组织的细胞外基质，虽然它们在骨中的含量很低，但在组织损伤、坏死、伤口愈合、组织改建及某些发育过程中释放出来，对骨均有明显的作用。

　　大多数研究认为，FGF 对很多种属骨细胞是一种潜在的丝裂原。在体外实验中，两种FGF都能刺激分离大鼠颅盖骨成骨细胞样细胞的DNA合成，增加细胞内DNA含量，同时bFGF能刺激分化软骨细胞在琼脂的集落形成，起丝裂原和形态原作用。FGF 在活体内能增加分化较差的前成骨细胞样细胞的数量。将FGF加入鸡胚，则可发现成骨细胞、软骨细胞的增殖及骨基质形成。体内研究还观察到FGF促进了关节软骨的修复，小鼠骨折摸型中，通过免疫组化的方法也发现了骨痂中有FGF的表达。

　　FGF 对骨的作用还与其它多种生长因子密切关联、互相调节。TGF—β就是FGF的调节物之一。在创伤愈合过程中，TGF—β活化巨噬细胞，释放诸如FGF这类的血管生长因子，协调血管的增殖，从而促进创伤愈合。 TGF─β还能同FGF一起，维持软骨特异的蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成。 多肽BMP—2A和BMP—3是属于TGF—β超基因属。近期的研究观察到鼠胚有BMP—2和FGF—4的基因表达。FGF—4刺激胚胎早期肢芽间充质细胞的增殖，而BMP—2却显示抑制间充质细胞增殖与肢体生长。认为肢体和骨包括脊柱的生长发育，受这两种来源于外胚层的刺激和抑制混合分子信号的调节。FGF家族属能刺激肢体间充质细胞增殖，而其它生长因子(EGF、PDGF、TGF—β超家族、IGF)却不能，或作用相反。

　　TGF对骨的影响还与胰岛素样生长因子(IGF)有关。IGF—I在体外实验中刺激骨的细胞复制及基质合成，在活体内能加强骨骼的生长，而免疫组化和分子原位杂交显示在人的骨折骨痂中，在骨和软骨形成阶段，成骨细胞与非肥大性的软骨细胞都有IGF—I和Ⅱ的mRNA表达。而在骨再建阶段则破骨细胞有IGF—ⅡmRN表达，在生长骺板，IGF—I受体局限在软骨细胞 。IGF是少数几个具有维持软骨细胞表型能力的生长因子之一。将bFGF与IGF—I分别加入牛骨骺软骨培养物中，3H胸腺嘧啶掺入率分别是空白对照组的8.3和2.5倍。在IGF—I组，35S掺入率是空白对照的2.6倍，而bFGF对35S掺入无明显影响。但当两种生长因子同时加入后，则显示了协同作用，即3H胸腺嘧啶掺入率是这两种生长因子单独加入时效应强度总和的2倍，并且是空白对照的20.5倍。bFGF对6日龄鼠的骺软骨细胞的丝裂原作用较IGF—I明显，而对28日龄的鼠则IGF—I较b FGF有更强的作用。这两种生长因子还对软骨细胞形态有明显影响。IGF—I刺激细胞的分裂复制和细胞外基质合成，而bFGF主要影响未成熟的增殖状态的细胞表型。

　　FGF对骨的作用也与PDGF密切相关。PDGF能在骨及软骨细胞中刺激DNA及蛋白合成。由于PDGF增加间充质细胞的IGF—I产量，其刺激软骨细胞的蛋白聚糖合成，很可能是通过 IGF—I的作用。PDGF据认为能活化巨噬细胞，使其合成、释放bFGF和TGF—β。bFGF、PDGF、TGF—β与EGF不同，仅一次给药即可诱发出相应生物学效应。在整个骨修复过程中，成骨细胞和软骨细胞合成TGF—β1和PDGF，主要作用骨修复初期和骨痂初始的软骨和膜间骨的形成。aFGF由软骨细胞、软骨前质细胞和巨噬细胞形成，它可以刺激未成熟的软骨细胞及其前质的增生，从而间接调节和促进软骨细胞的成熟和软骨基质出现可能。骨痂晚期中的生长因子可以调节骨折后其它修复阶段。

　　FGF在体内可刺激毛细血管内皮细胞迁移和增殖，形成毛细血管芽，同时促进纤溶酶原激活物和胶原酶分泌，对损伤部位的胞外基质部分降解，使毛细血管向创伤区长入，为损伤组织的修复提供营养。在对人胫骨不连组织的亚显微结构研究中发现，成纤维细胞和软骨细胞的分泌装置、基质小泡及ALP酶反应均与正常无明显差异，且在细胞基质和小泡内能观察到羟基磷灰石结晶，但组织的血管血栓形成、栓塞。认为骨不连组织中细胞具有矿化基质能力，但缺乏运输足量钙的血供是骨不连的真正原因。而骨折周围组织丰富血管网和与成骨有关的特殊血管的建立，又有赖于成骨因子的刺激。FGF由于具有促进成骨和毛细血管生成作用，使其在加速骨修复方面的前景非常有吸引力。在骨修复中，血流率是与组织中成骨细胞活性呈正相关的，以软骨化骨替代的骨移植物赖于毛细血管的长入。一般自体皮质骨移植7天后才有新生毛细血管长入，完全血供重建需数月或更久，近两倍于松质骨。松质骨最终可被完全吸收替代，而异质骨移植物则新骨与死骨长期共存。这些差异与骨块大小和宿主受床血管完整程度有关，还与骨的结构相关，即松质骨较皮质骨移植物容易重建血供。而导体骨移植吸收替代逊于自体骨移植，也与初期血管阻塞、透明变性、坏死造成的血供重建延迟有关。因此应设法加速骨移植物的血供重建。将兔自体髂骨板移植修复颌骨缺损，同时通过一小囊向移植骨块与受床间持续输注bFGF，10天时，发现骨块与受床间血管数量多于对照组，并且长入骨块的深度也大于对照，5天时毛细血管即长入骨块内，骨块的血供重建得以提前。将bFGF以羧甲基纤维素为载体，注入小鼠异体脱钙骨基质中，然后植入小鼠肌袋(bFGF的剂量为15或75ng)，结果新骨量比对照组高25%。认为bFGF可能是促进了需要血供的软骨内成骨。进一步的研究中，将同样的异体骨基质/bFGF移植物植入小鼠肌袋，结果显示，含15ngbFGF的骨移植物中，软骨细胞的数量较对照组多，说明bFGF可能刺激了与软骨细胞分化有关的细胞内机制。而3周时bFGF处理组软骨细胞数量少于而成骨量大于对照组，提示bFGF早期促进软骨形成并晚期加速新骨替代。可能是bFGF在骨移植物中造成了较多适于软骨岛形成的位点。由于FGF处理过的移植骨血供重建及骨化较早，含有BMP、FGF等多种骨生长因子的植入物，可能会进一步增加其有效性，并解决某些库骨存在新骨替代慢的问题。

　　由于骨创伤愈合是一个复杂的有多种生长因子参与的过程，特别应该了解宿主受床血供不良时，FGF 的外源使用是否会促进成骨及改善血供。

参考文献

1. Gospodarowicz D. Fibroblast growth factor. Clin Orthop, 1990, 　 257:231
2. Hom DB, Maisel RH. Angiogenic growth factors: Three effects and potential in soft tissue wound healing. Ann Otol Rhinol Laryngol, 1992, 101:349
3. Folkman J, Klagsbrun M. Angiogenic factor. Science,1987, 235:442
4. Goldring MB, Goldring SR. Skeletal tissue response to cytokines. Clin Orthop, 1990, 258:245
5. Frenkel SR, Herskovits MS, Singh IJ. Fibroblast growth factor: effects on osteogenesis and chondrogenesis in the chick embryo. Acta Anat Basel, 1992, 145(3):265
6. Osborn KD, Trippel SB, Mankin HJ. Growth factor stimulation of adult arti Cular cartiage. J Orthop Res, 1989, 7:35
7. Bourque WT, Gross M. Hall BK. A histological processing technique that pr eserves the integrity of calcified tissues (bone, enamel), yolk amphibian em bryos, and growth factor antigens in skeletal tisssue. J Histochem Cytochem,1993, 41(9):1429
8. Wozney JM. The morphogenetic protein family and osteogenesis. Mol Reprod Dev, 1992, 32(2):160
9. Niswander L, Martin GR. FGF-4 and BMP-2 have opposite effects on limb gr owth. Nature, 1993, 361:68
10. Mckinnon RD, Pirs G, Ida JA, et al. A role for TGF —β in oligodendrocyt e differentiation. J Cell Biol, 1993, 121:1397


11. Martinez AJ, Pascual M, larralde J. Acute effects of insulin -like growth factor-I (IGF-I) on bone protein synthesis in rats. Biochin Biophys Acta, 19 94, 1199(1):101
12. Andrew JG, Holand J, Freemont AJ, Marsh D. Insulinlike gowth factor gene expression in human fracture callus. Calcif Tissue Int, 1993, 53:97
13. Trippel SB, Wroblewski J, Makower AM, et al. Regulation of growth-plate chondrocytes by insulin-like growth-factor I and basic fibroblast growth fac tor. J Bone and Joint Surg, 1993, 75A: 177
14. Guacci D. Ultrastructural aspects of human nonunion. Histo Histopathol, 1991, 6(1):87
15. Frost HM. The biology of fracture healing. Clin Orthop, 1989, 248:283
16. Eppley BL, Doucet M, Connolly D, et al. Enhancement of angiogenesis by b FGF in mandibular bone graft healing in the rabbit. J Oral Maxillofac Surg, 1988, 46:391
17. Aspenberg P, Lohmander S. Fibroblast growth factor stimulates bone forma tion. Acta Orthop Scand, 1989, 60(4):d473
18. Wang JS, Aspenberg P. Basic fibroblast growth factor and bone induction in rats. Acta Orthop Scand, 1993, 64(5):557