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(1.南华大学附属第一医院检验科，湖南 衡阳421001；2.中国科学院分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所,上海 200031；3.南华大学衡阳医学院转化医学研究室,湖南 衡阳421001)

成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factor，FGF) 家族是一组多功能信号分子，由22种结构相关蛋白质组成，其中的18种能够作为配体结合到4种酪氨酸激酶受体上，另外4种(FGF11-14)属于胞内蛋白不与受体反应。FGF存在于多种动物中，包括线虫、斑马鱼、老鼠和人类等，能调控细胞的增殖、分化和迁移，与机体的器官形成、组织重塑、神经调控、血管生成和代谢调节有着密切的关系。FGF家族成员虽然结构相似，但表现出不同的分泌方式、作用机制和生物学效应。因此，它们被进一步分成几个亚家族。FGF18由Ohbayashi等人首先发现，它在结构上与FGF8和FGF17最为相似，归属于一个亚型，是成人肺和正在发育的组织中的一种分泌信号分子。FGF18作为FGF家族中具有代表性的因子，在骨骼发育、软骨形成和关节软骨修复中起着关键作用。

1 FGF18的受体

目前已知的有四种FGF受体(Fibroblast growth factor receptor，FGFR)，FGF配体能与细胞表面FGFR的硫酸乙酰肝素链结合，诱导受体二聚化，传递下游信号。FGF的功能与FGF受体表达的时间和空间密切相关。

FGFR1和FGFR2表达于发育的肢芽和骨中，并表现出相似的信号传递效应。肢体间充质FGFR1和FGFR2的失活将会导致严重的骨骼发育不全。FGFR3则在增殖和预肥大的软骨细胞中表达，抑制出生后软骨发育。软骨细胞FGFR3功能失活后的小鼠、绵羊和人表现出骨骼的过度生长，而FGFR3激活则会导致软骨的发育不全和异常[1]。在成骨前体细胞中特异性敲除Fgfr1和Fgfr2后，该小鼠出现严重的出生后缺陷，包括体重减轻、骨量减少、纵骨生长受损，生长板总长度和增殖软骨细胞带的长度明显缩短[1]。另外，该小鼠出现的软骨发育受损的表型，包括软骨细胞增殖减少，基质破坏，肥大区缩小等，作者认为这是由于FGF9和FGF18的代偿性上调，从而激活FGFR3负调控软骨发育导致的。但也有研究认为FGFR3能被FGF18激活，促进未成熟的增殖软骨细胞分裂，而缺乏FGF18的小鼠软骨增殖则受到抑制[2]。

FGF18通过作用于FGFR4来调节自噬，进而影响软骨基质的产生。生长板软骨细胞在出生后的发育过程中会诱发自噬，自噬能调节Ⅱ型胶原(Collagen typeⅡ,Col2)的分泌，而Col2是软骨细胞外基质的主要成分[3]。而缺乏自噬相关基因7小鼠的前Ⅱ型胶原(typeⅡ procollagen，PC2)大量存储于内质网中未释放，而导致软骨细胞外基质中的Col2纤维网形成缺陷。 这些结果说明自噬参与了软骨细胞的发育，接着他们证明了FGF18通过影响自噬，参与了这一过程。随后他们发现沉默Fgfr3和Fgfr4可以抑制FGF18对自噬的诱导作用，但是沉默Fgfr1和Fgfr2没有出现这一现象，并且只有Fgfr4敲除小鼠LC3水平降低。

2 FGF18相关信号通路

FGF与受体结合后会在质膜上形成一个三分子复合物，从而激活下游分子并传递信号。FGF信号通路是脊椎动物骨骼发育的重要调节因子，对骨和软骨发育、骨矿化的动态平衡等都起着关键作用[2]。FGF18相关信号通路总结于表1。

表1 FGF18相关信号通路

有研究发现，PHLPP1能抑制软骨细胞的增殖、分化和基质的产生，从而影响软骨内骨化。Phlpp1-/-小鼠Akt2活性增强，转录因子FoxO1水平降低，促进FGF18表达，从而通过FGFR2刺激ERK1/2的磷酸化，促进软骨细胞的增殖[4]。关节间区细胞的Hedgehog信号能选择性地抑制β-catenin诱导的FGF18表达，从而引起一系列关节形态的改变，影响关节软骨发育并诱发相关疾病[5]。小鼠软骨细胞中选择性敲除核转录因子7类似物2(transcription factor 7 like 2，TCF7L2)显性负性突变亚型(也称为dnTCF7L2)基因可以消除Hedgehog信号诱导的FGF18下调，故Hedgehog信号可能通过dnTCF7L2来调节β-catenin基因。另外，在小鼠骨关节炎(OA)模型中，β-catenin的激活可以削弱Hedgehog信号诱导的或手术诱导的关节软骨退化。这些结果说明，Hedgehog通过选择性抑制β-catenin靶基因的表达，直接影响了关节间区细胞以及关节软骨的发展和疾病。

在对骨发育的研究中，FGF18通过上调成骨层骨形态发生蛋白2(Bone morphogenetic protein2，BMP2)加速成骨过程[6]。他们在小鼠胎儿体内植入重组人成纤维细胞生长因子18(Recombinant human fibroblast growth factor18, rhFGF18)后发现BMP2特异性上调，而BMP拮抗剂rmNoggin可以抑制rhFGF18对成骨标志物的刺激作用。Mahapatra，等提出胶原蛋白中一种介孔性质的生物活性玻璃纳米载体能大量稳定地释放FGF18，FGF18能与间充质干细胞表面的BMP2结合，刺激下游信号分子Smad1/5/8的分泌，从而加速骨发育和骨基质的形成[7]。

前文已经提到自噬影响软骨细胞外基质形成，且FGF18参与了这一过程。有研究发现，Fgf18半敲小鼠与WT小鼠MAPK通路中各因子的活性，结果发现只有c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)的活性减低。之前文献已经报导过活性的JNK1可以磷酸化B-cell lymphoma-2(bcl-2)，使bcl-2与beclin-1分离，形成vps34-beclin-1复合物。研究者通过一些实验对这一通路进行了验证，随后对Fgf18半敲小鼠腹腔注射beclin-1激活剂，发现该小鼠的自噬恢复了正常。这表明FGF18能够通过调节MAPK通路中的JNK1来影响自噬，从而影响软骨细胞外基质的形成。

3 FGF18和骨骼发育

3.1 骨发育

脊椎动物有膜内骨化和软骨内骨化两种成骨方式，膜内骨化是由间充质干细胞直接分化成骨原细胞，而软骨内骨化则是先在肢芽中形成初级骨化中心和次级骨化中心，再逐渐由骨组织取代。FGF18在这两种机制中都起着重要作用。

大部分研究认为FGF18对骨发育起正向刺激作用。Fgf18全敲小鼠骨骼发育异常，骨化延迟，且出现胚胎致死，且该小鼠肱骨骨桥蛋白和骨钙素表达降低，股骨核心结合因子a1在骨小梁处表达降低，提示FGF18参与成骨细胞的成熟和增殖[8]，且该小鼠表现出的延迟骨化与软骨细胞肥大延迟启动、软骨形成早期增殖减少、骨骼血管化延迟、破骨细胞和成骨细胞向生长板聚集过慢等有关。有观察发现[9]，在大鼠骨髓间充质干细胞(rat bone marrow mesenchymal stem cells，rBMSCs)中加入rhFGF18后，碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)的水平和矿化水平明显上升，成骨分化标志Col1a1,Bmp4,Runx2的表达增加，这说明FGF18诱导了rBMSCs的成骨分化。细胞活力分析显示，FGF18提高了rBMSCs的增殖活性，且随剂量上升。Nagayama等[6]采用子宫手术将rhFGF18植入到小鼠胎儿的冠状缝上以探讨促成骨作用的机制。冠状缝区包括发育中的额骨和顶骨的边缘部分，且由缝隙间充质隔开。rhFGF18通过促进额骨与顶骨结构域的连接而加速了骨的形成，使得缝隙间充质消失。

与之前观点相反的是Zhai等[10]认为FGF18对骨发育起负调节作用。他们在含有FGF18的成骨培养基中培养MC3T3-E1细胞，第7天和第14天时ALP活性明显降低，成骨相关基因包括Alp, Col1a1,骨钙蛋白(Ocn)，骨唾液蛋白(Bsp)等的表达明显被抑制。另外，该细胞的矿物沉积也明显降低。

3.2 软骨发育

软骨是一种由软骨细胞组成的特殊结缔组织，这些软骨细胞嵌入在含有胶原、蛋白多糖和非胶原蛋白的细胞外基质中。根据软骨类型的不同，细胞外基质的含量也不同，透明软骨和弹性软骨主要含有Ⅱ型胶原(Collagen typeⅡ,Col2)，而纤维软骨主要含有Ⅰ型胶原(Collagen type Ⅰ，Col1a1)。

一些研究表明FGF18能促进软骨细胞的增殖和基质的产生。Mori等[11]用微阵列分析比较了大鼠四种软骨基因表达的差异，其中包括成年鼠的关节软骨(Adult articular cartilage，AA)、成年鼠的生长板软骨(Adult growth plate cartilage，AG)、幼鼠的表层软骨(Infant superficial layer，IS)和幼鼠的深层软骨(Infant deep layer，ID)。结合逆转录-定量聚合酶链反应(Reverse transcriptionquantitative polymerase chain reaction, RTqPCR)结果，他们筛选出16种基因在AA和IS中的表达高于AG和ID。在这些基因中同源异型盒基因D10、内皮细胞特异性分子-1和FGF18在AA中的表达高于IS。它们中FGF18的AA/AG比最高，且FGF18能明显降低小鼠股骨头软骨黏多糖(Glycosaminoglycan，GAG)的释放与耗竭，提高关节软骨细胞的增殖能力。

Gigout等在细胞水平上分析了rhFGF18(又称Sprifermin)对关节软骨细胞的作用[12]，发现不同浓度的Sprifermin培养猪软骨细胞后，软骨细胞数量明显增加，总GAG、Sox9的水平随剂量增加，而Col1a1水平降低。且随着Sprifermin浓度的增加，软骨细胞不再表现为拉长的形态，而是逐渐变成了圆形，通过间歇性给药、持续性给药以及仅一次给药三种方式比较，间歇性给药能使细胞数量、细胞外基质产量、两种胶原的比例、Sox9的表达得到的更明显的改善，在人受损关节软骨，按受损程度轻重分为三组，Sprifermin处理后与之前实验结果基本相一致，而受损最严重的一组Sprifermin治疗效果相比之下不如受损较轻的组好。这些结果可以说明FGF18正向调节软骨细胞的增殖。但也有研究认为FGF18负调控软骨发育。Liu等[8]发现Fgf18全敲小鼠胚胎生长板增殖区和肥大区扩大，增殖区Brdu掺入量增加和肥大区COLX表达增加，提示FGF18对软骨细胞的增殖和分化的作用是负向的。

4 FGF18与软骨相关疾病的治疗

关节软骨主要由无血管的Col2和蛋白多糖基质组成，成人的这种基质是由相对较少的软骨细胞分泌和维持的，因此关节软骨的修复能力非常有限。创伤或感染引起的局灶性病变如果不能完全痊愈，就很容易迅速发展为骨关节炎。生长因子是机体产生的一组具有生物活性的多肽，能刺激细胞分裂、生长和分化。生长因子为局部关节软骨缺损或更广泛的软骨缺损(如骨关节炎)的软骨再生提供了新的治疗方法。许多生长因子在软骨的损伤修复和骨关节炎的发展种起着非常重要的作用，其中就包括FGF18。

4.1 骨关节炎的治疗

Reker等[13]用牛关节软骨和临床试验证明Sprifermin确实能影响关节软骨的代谢，包括细胞的增殖，增加代谢活性和Col2的产生。但在关节软骨预先激活炎症反应后这一效果就消失了，因此他们推测Sprifermin对骨关节炎的治疗依赖于炎症发生之前。Mori[11]等对大鼠施行半月板撕裂术诱发骨关节炎，术后三周开始进行关节内注射rhFGF18。实验组分为两类，一类每周注射一次持续三周，另一类仅注射一次。对照组从术后6周开始出现关节损害，至9周更加严重。连续注射组与对照组相比软骨受损程度明显减低，但单次注射组与对照组相比无明显差别。且关节内给药后，血液中总rhFGF18水平极低，这表明rhFGF18对全身的潜在影响很小。Dahlberg等[14]首次将Sprifermin应用于临床试验，Sprifermin治疗的病人没有出现严重的安全问题，但还需要更广泛的研究来证实。Lohmander等[15]对192位有症状的骨关节炎患者做了临床试验，结果显示股骨胫骨中间室的关节软骨厚度与安慰剂组相比没有明显改变，但Sprifermin能剂量性依赖地降低股骨胫骨侧面处软骨厚度和体积以及关节间隙宽度的减少。Eckstein等[16]的临床试验结果显示Sprifermin不仅能降低关节软骨的磨损，还能增加关节软骨的厚度。

4.2 手术损伤治疗

在软骨损伤修复的其他方面，FGF18也起着非常重要的作用。研究者对母羊施行微骨折手术，术后关节内注射rhFGF18治疗的山羊组织填充百分比和O’Driscol评分有明显改善，软骨样组织增多。IHC染色结果显示，Col2的修复组织染色比Col1a1更强，这表明关节内已经产生了成熟的透明软骨修复组织[17-18]，且关节内和膜内注射无明显差异，这表明Sprifermin在注射后可能通过胶原膜运输以促进微骨折治疗软骨缺损的愈合。另有研究，在幼牛膝盖软骨中央区域制造了一个3mm的损伤，并在Sprifermin中培养后发现其胶原含量增加、核心软骨与环状软骨的接触面积增大[19]。这些结果说明FGF18对关节软骨损伤的修复起着积极促进的作用。但最近也有研究认为FGF18对软骨损伤后的合成代谢起负作用。但也有研究发现，未受损伤的人软骨外植体在FGF18处理后，软骨代谢相关基因的表达增加，而ACAN和COL2A1的表达降低。受损的人软骨外植体在FGF18处理后，创伤诱导的MMP2、COL1A1、ACAN、COL2A1的表达都被明显抑制[20]。两组研究者者的结果为什么存在差异值得进一步探讨。

5 展 望

随着人们对FGF18的结构、性质的日益明确，研究认为FGF18能对骨和软骨发育起到正向调节的作用，这可能为骨关节炎的治疗提供了新的契机，但其作用机制还需要进一步研究。