碱性成纤维细胞生长因子对骨组织的生物学效应
作者：沈红雷 吴军正
单位：沈红雷(解放军第23医院骨科，乌鲁木齐市，830006)；吴军正(第四军医大学口腔医学院口腔生物学教研室，西安市 710032)
关键词：碱性成纤维细胞生长因子；检索；成骨作用
中国矫形外科杂志000225
摘 要：目的：通过本文的综述，使读者了解碱性成纤维细胞生长因子的生物学特性及对骨组织的生物学效应。方法：采用光盘检索及查询有关中外文献。结果：碱性成纤维细胞生长因子是一种生物因子，其可以诱导骨组织及血管组织细胞的分裂。结论：碱性成纤维细胞生长因子有诱导成骨作用及诱导血管的形成。
分类号：R322.71 文献标识码：A
文章编号：1005-8478(2000)02-0181-03
, 百拇医药
The Biological Function of bFGF to Bone Tissue
SHEN Hong-lei.
(the 23td Hospital of PLA, Urumqi, 830006.)
Abstract：Aim:To understand the biological characterization of the basic fibroblast growth factor (bFGF)and the biological effects to bone tissue.Methods:Using medical document disc rerieval and referring the documents of Chinese and foreign.Results:bFGF is a biological factor,which can induce cellular proliferation of bone tissue and vascular tissue.Conclusion:bFGF has the functions of inducing the bone formation and the vascularization.
, http://www.100md.com
Key words：Basic fibroboast growth factor Rerieval Bone formation▲
Hoftman等在1940年从垂体和脑组织的抽提物中发现一种能够促进成纤维细胞生长的物质。1974年该物质被分离纯化，并命名为成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)，并测出分子量为16-18kd。接着人们又发现一种与之同源的物质，因其等电点为酸性(5.6)，故被命名为酸性FGF(aFGF),先发现的FGF等电点呈碱性(9.6)，则被命名为碱性FGF(bFGF)。目前还发现了int-2、FGF-5、KGF/FGF-7、hst-1/kfgf、FGF-6基因表达产物等共9个成员组成FGF家族，现通过基因工程已克隆出高度纯化的重组FGF，使对bFGF的研究进入了一个新阶段。现在的资料表明，bFGF对创伤与组织修复、血管形成、促进组织再生等起着重要作用。现就其分布、作用机制、对骨组织的作用和与其它生物因子的相互作用作如下综述。
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1 bFGF的分布
bFGF主要分布于垂体、脑、神经、视网膜、肾上腺和胎盘等组织中，尤其以垂体含量最高(0.5mg/kg)，其它组织中含量很少，约为垂体中的1/10～1/50，在血清和体液中浓度极低。
2 bFGF的作用机制
bFGF通过与靶细胞上的受体结合而发生作用，因此细胞内合成的bFGF需分泌到细胞外才能发挥生物学作用。但bFGF的mRNA翻译产物中缺乏引导它们向细胞外分泌的信号序列，其分泌途径与经典途径不同，可能是细胞受损或死亡后释放以及通过自分泌和旁分泌来释放的。
bFGF与高亲和力受体结合时需低亲和力受体的参与，提示低亲和力受体的结合使高亲和力受体结合更容易、更牢固。bFGF与受体结合后可能通过以下途径将信号传至胞核：(1)激活腺苷酸环化酶与鸟苷酸环化酶，磷脂酶c磷酸化，又使磷脂酰肌醇-4，5二磷酸分解为甘油二脂和三磷酸肌醇，导致蛋白激酶c激活和Ca离子内流；(2)与受体结合后定位于细胞核，影响RNA聚合酶Ⅰ，加强核蛋白体基因的转录，以加速细胞由GO至G1和G1至S期的转换，刺激细胞的DNA合成增加，促进细胞的分裂与增殖[1]；(3)bFGF与FGFR复合体的内部化。
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3 bFGF对骨组织的生物学效应
骨愈合是骨折或骨缺损的修复过程，其实质是骨损伤后的再生过程；也是骨组织形成过程。现在从细胞水平上把骨愈合分成下列3个过程[2]，即骨折部的骨祖细胞聚集、调节作用和骨传导作用。其中调节作用是细胞受刺激后激活的一种生理过程，有许多调节因子参与，bFGF在骨组织中的表达及对成骨细胞、成软骨细胞和血管内皮细胞的作用包括以下几方面：
3.1 bFGF在骨组织中的表达和释放
通过体外成骨细胞培养试验证实[3]：成骨细胞可以合成bFGF，而细胞合成的bFGF大量存在于胞质中，骨基质含量甚少，这与bFGF结构中无分泌信号的特点相一致，使bFGF无法通过常规途径分泌至细胞外，但bFGF对其靶细胞要发挥作用，必须与其表面的受体相结合。因而又有人用bFGF的cDNA传染3T3细胞，观察到bFGF对单个细胞的趋化作用，而用抗bFGF的mcAb可中和这一活性，说明bFGF可经自分泌方式释放，另外还可以经旁分泌释放。
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3.2 bFGF对成骨细胞的作用
成骨细胞起源于中胚层，在其表面存在着FGFR，而成骨细胞本身合成的bFGF通过自分泌或旁分泌存在于骨基质中，当bFGF与成骨样细胞表面的受体相结合后，可以促使其向成骨细胞转化。Ernesto canalis等人[4]经体外实验证实，bFGF可直接刺激大鼠颅骨成骨细胞内的DNA合成增加，从而增加了合成胶原蛋白的成骨细胞数量，但实验中又发现bFGF可以抑制Ⅰ型胶原蛋白的合成和碱性磷酸酶的活性。又有人在体外培养成骨细胞过程中发现bFGF可以刺激成骨细胞内骨钙素增加，加快骨的矿化，使新骨形成增加[3]。
3.3 bFGF对成软骨细胞的作用
成软骨细胞在骨组织修复中起着非常重要的作用。人体内有2种骨形成方式，即膜内化骨和软骨内化骨。在体外试验中发现bFGF可以直接刺激培养中的成软骨细胞的增殖和分化，使其转化成软骨细胞或使成软骨细胞自身数量增加[5，6]，发展到一定阶段又通过第二种成骨方式，使钙盐沉积，转化成骨性结构，使新骨形成增加。同时bFGF又可以促使软骨细胞合成和释放硫酸软骨素糖蛋白和Ⅱ型胶原蛋白，使其本身被包埋在具有软骨特征的细胞外基质中[7]。
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3.4 bFGF对血管内皮细胞的作用
近来已清楚，bFGF可能是器官发生或肿瘤发展过程中控制毛细血管内皮细胞增殖的血管生长因子。R Montesano等人在体外血管内皮细胞培养中发现bFGF可以诱导血管发生和形成[8]。Risau等发现胚胎肾的血管生成因子与bFGF和aFGF相关。近期的研究发现，人胫骨骨不连组织中软骨细胞的超微结构及功能是正常的，但血管数量减少、栓塞，认为缺乏将足量钙质输送到断端的血供，导致软骨痂钙化障碍，是骨不连的真正原因[9]，因此设法改善骨断端血供状态至关重要。bFGF作为一种毛细血管增殖刺激剂，能促使毛细血管向断端内以及移植物中长入，使骨修复早期的组织中软骨岛数量增多，并使断端骨痂和骨移植物中提前血管重建时限，从而促进了需要血供的软骨内化骨，加速了软骨痂的成熟和骨化。
4 bFGF与其它骨生长因子的相互作用
骨生长因子均存在于骨组织中，且由骨细胞产生，因而任何时候骨细胞的微环境中都不是只出现某一种因子，也即骨组织代谢是由多种因子同时参与调节。现从骨基质中和骨细胞及骨器官培养基中分离出多种骨源性生长因子(bone-derived growth factor,BDGF),如：IGF-Ⅰ,Ⅱ、TGF-β、PDGF、aFGF、bFGF和BMP等。因而探讨FGF与其它因子的相互作用对骨细胞增殖分化的影响意义相当重要。目前这方面的研究较少。目前已明确aFGF与bFGF具有同源性和相互协调作用。另有研究表明：TGF-β是成纤维细胞生长因子的调节物，根据细胞类型，bFGF和aFGF的生物活性受TGF-β的正向或负向调节。十年前有人在胎牛骨和鼠颅盖骨中发现FGF和TGF-β有协同作用。Kasperk等在新生鼠颅盖骨中发现，FGF和IGF-Ⅱ、IGF-Ⅱ和TGF-β之间有协同作用。近期李亚非等在作兔桡骨缺损修复动物实验中证实bFGF和BMP有协同作用，促使新骨形成增加，骨缺损提前修复。
, 百拇医药
总之，随着对bFGF的深入研究，因其生物活性的多效性，尤其在骨修复中起的作用，目前国内第二代基因重组h-bFGF的问世，展示着bFGF在骨科领域的广阔应用前景。■
作者简介：沈红雷(1967-)，男，江苏锡山市人，主治医师，硕士学位。电话：(0991)5857996(宅)
参考文献：
[1]Jaye M, Schlessinger J, Craig A, et al.FGFR tyrosine kinases moolecular analysis and signal transduction[J]. Biochem Biochem Acta,1992,1 135:185.
[2]Brighton CT. Principles of fracture healing . In: cornell CN,Lane JM. Newest factors in fracture healing[J]. Clin Orthop,1992,277:297.
, 百拇医药
[3]Globus R, Plouet J. Gospodarowicz D. Cultured bovine bone cells synthesize fibroblast growth factor and store it in their extracellular matrix[J]. Endocrinology,1989,124:1 539.
[4]Canalis E, Centrella M, Mccarthy T. Effects of basic figbroblast growth factor on bone format i on in vitro[J]. J Clin Invest,1988,81:1 572.
[5]Bolander ME. Regulation of fracture repair by growth factors[J]. Prooc Soc Exo Bio Med,1992,200:165.
, 百拇医药
[6]Niswander L, Martin Gr. FGF-4 and BMP-2 have opposite effects on limb growth[J]. Nature,1993,361:68.
[7]Kato Y, Gospodarowicz D. Effect of extracellular matrices on proeoglycan synthesis by cultured rabbit costal chondrocyte cultures maintained in serum-free medium[J]. J Cell Physiol,1984,120:354.
[8]Montesano R,Vassalli JD,Baird A,et al. Basic fibrobast growth factor induces angiogenesis in vitro[J]. Proc Natl Acad Sci(USA),1996,83:7297.
[9]Guacci D. UItrastructural aspect of human nonuion[J]. Histopathol,1991,6:87.
收稿日期：1999-01-09
修回日期：1999-08-23, 百拇医药
单位：沈红雷(解放军第23医院骨科，乌鲁木齐市，830006)；吴军正(第四军医大学口腔医学院口腔生物学教研室，西安市 710032)
关键词：碱性成纤维细胞生长因子；检索；成骨作用
中国矫形外科杂志000225
摘 要：目的：通过本文的综述，使读者了解碱性成纤维细胞生长因子的生物学特性及对骨组织的生物学效应。方法：采用光盘检索及查询有关中外文献。结果：碱性成纤维细胞生长因子是一种生物因子，其可以诱导骨组织及血管组织细胞的分裂。结论：碱性成纤维细胞生长因子有诱导成骨作用及诱导血管的形成。
分类号：R322.71 文献标识码：A
文章编号：1005-8478(2000)02-0181-03
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The Biological Function of bFGF to Bone Tissue
SHEN Hong-lei.
(the 23td Hospital of PLA, Urumqi, 830006.)
Abstract：Aim:To understand the biological characterization of the basic fibroblast growth factor (bFGF)and the biological effects to bone tissue.Methods:Using medical document disc rerieval and referring the documents of Chinese and foreign.Results:bFGF is a biological factor,which can induce cellular proliferation of bone tissue and vascular tissue.Conclusion:bFGF has the functions of inducing the bone formation and the vascularization.
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Key words：Basic fibroboast growth factor Rerieval Bone formation▲
Hoftman等在1940年从垂体和脑组织的抽提物中发现一种能够促进成纤维细胞生长的物质。1974年该物质被分离纯化，并命名为成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)，并测出分子量为16-18kd。接着人们又发现一种与之同源的物质，因其等电点为酸性(5.6)，故被命名为酸性FGF(aFGF),先发现的FGF等电点呈碱性(9.6)，则被命名为碱性FGF(bFGF)。目前还发现了int-2、FGF-5、KGF/FGF-7、hst-1/kfgf、FGF-6基因表达产物等共9个成员组成FGF家族，现通过基因工程已克隆出高度纯化的重组FGF，使对bFGF的研究进入了一个新阶段。现在的资料表明，bFGF对创伤与组织修复、血管形成、促进组织再生等起着重要作用。现就其分布、作用机制、对骨组织的作用和与其它生物因子的相互作用作如下综述。
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1 bFGF的分布
bFGF主要分布于垂体、脑、神经、视网膜、肾上腺和胎盘等组织中，尤其以垂体含量最高(0.5mg/kg)，其它组织中含量很少，约为垂体中的1/10～1/50，在血清和体液中浓度极低。
2 bFGF的作用机制
bFGF通过与靶细胞上的受体结合而发生作用，因此细胞内合成的bFGF需分泌到细胞外才能发挥生物学作用。但bFGF的mRNA翻译产物中缺乏引导它们向细胞外分泌的信号序列，其分泌途径与经典途径不同，可能是细胞受损或死亡后释放以及通过自分泌和旁分泌来释放的。
bFGF与高亲和力受体结合时需低亲和力受体的参与，提示低亲和力受体的结合使高亲和力受体结合更容易、更牢固。bFGF与受体结合后可能通过以下途径将信号传至胞核：(1)激活腺苷酸环化酶与鸟苷酸环化酶，磷脂酶c磷酸化，又使磷脂酰肌醇-4，5二磷酸分解为甘油二脂和三磷酸肌醇，导致蛋白激酶c激活和Ca离子内流；(2)与受体结合后定位于细胞核，影响RNA聚合酶Ⅰ，加强核蛋白体基因的转录，以加速细胞由GO至G1和G1至S期的转换，刺激细胞的DNA合成增加，促进细胞的分裂与增殖[1]；(3)bFGF与FGFR复合体的内部化。
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3 bFGF对骨组织的生物学效应
骨愈合是骨折或骨缺损的修复过程，其实质是骨损伤后的再生过程；也是骨组织形成过程。现在从细胞水平上把骨愈合分成下列3个过程[2]，即骨折部的骨祖细胞聚集、调节作用和骨传导作用。其中调节作用是细胞受刺激后激活的一种生理过程，有许多调节因子参与，bFGF在骨组织中的表达及对成骨细胞、成软骨细胞和血管内皮细胞的作用包括以下几方面：
3.1 bFGF在骨组织中的表达和释放
通过体外成骨细胞培养试验证实[3]：成骨细胞可以合成bFGF，而细胞合成的bFGF大量存在于胞质中，骨基质含量甚少，这与bFGF结构中无分泌信号的特点相一致，使bFGF无法通过常规途径分泌至细胞外，但bFGF对其靶细胞要发挥作用，必须与其表面的受体相结合。因而又有人用bFGF的cDNA传染3T3细胞，观察到bFGF对单个细胞的趋化作用，而用抗bFGF的mcAb可中和这一活性，说明bFGF可经自分泌方式释放，另外还可以经旁分泌释放。
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3.2 bFGF对成骨细胞的作用
成骨细胞起源于中胚层，在其表面存在着FGFR，而成骨细胞本身合成的bFGF通过自分泌或旁分泌存在于骨基质中，当bFGF与成骨样细胞表面的受体相结合后，可以促使其向成骨细胞转化。Ernesto canalis等人[4]经体外实验证实，bFGF可直接刺激大鼠颅骨成骨细胞内的DNA合成增加，从而增加了合成胶原蛋白的成骨细胞数量，但实验中又发现bFGF可以抑制Ⅰ型胶原蛋白的合成和碱性磷酸酶的活性。又有人在体外培养成骨细胞过程中发现bFGF可以刺激成骨细胞内骨钙素增加，加快骨的矿化，使新骨形成增加[3]。
3.3 bFGF对成软骨细胞的作用
成软骨细胞在骨组织修复中起着非常重要的作用。人体内有2种骨形成方式，即膜内化骨和软骨内化骨。在体外试验中发现bFGF可以直接刺激培养中的成软骨细胞的增殖和分化，使其转化成软骨细胞或使成软骨细胞自身数量增加[5，6]，发展到一定阶段又通过第二种成骨方式，使钙盐沉积，转化成骨性结构，使新骨形成增加。同时bFGF又可以促使软骨细胞合成和释放硫酸软骨素糖蛋白和Ⅱ型胶原蛋白，使其本身被包埋在具有软骨特征的细胞外基质中[7]。
, http://www.100md.com
3.4 bFGF对血管内皮细胞的作用
近来已清楚，bFGF可能是器官发生或肿瘤发展过程中控制毛细血管内皮细胞增殖的血管生长因子。R Montesano等人在体外血管内皮细胞培养中发现bFGF可以诱导血管发生和形成[8]。Risau等发现胚胎肾的血管生成因子与bFGF和aFGF相关。近期的研究发现，人胫骨骨不连组织中软骨细胞的超微结构及功能是正常的，但血管数量减少、栓塞，认为缺乏将足量钙质输送到断端的血供，导致软骨痂钙化障碍，是骨不连的真正原因[9]，因此设法改善骨断端血供状态至关重要。bFGF作为一种毛细血管增殖刺激剂，能促使毛细血管向断端内以及移植物中长入，使骨修复早期的组织中软骨岛数量增多，并使断端骨痂和骨移植物中提前血管重建时限，从而促进了需要血供的软骨内化骨，加速了软骨痂的成熟和骨化。
4 bFGF与其它骨生长因子的相互作用
骨生长因子均存在于骨组织中，且由骨细胞产生，因而任何时候骨细胞的微环境中都不是只出现某一种因子，也即骨组织代谢是由多种因子同时参与调节。现从骨基质中和骨细胞及骨器官培养基中分离出多种骨源性生长因子(bone-derived growth factor,BDGF),如：IGF-Ⅰ,Ⅱ、TGF-β、PDGF、aFGF、bFGF和BMP等。因而探讨FGF与其它因子的相互作用对骨细胞增殖分化的影响意义相当重要。目前这方面的研究较少。目前已明确aFGF与bFGF具有同源性和相互协调作用。另有研究表明：TGF-β是成纤维细胞生长因子的调节物，根据细胞类型，bFGF和aFGF的生物活性受TGF-β的正向或负向调节。十年前有人在胎牛骨和鼠颅盖骨中发现FGF和TGF-β有协同作用。Kasperk等在新生鼠颅盖骨中发现，FGF和IGF-Ⅱ、IGF-Ⅱ和TGF-β之间有协同作用。近期李亚非等在作兔桡骨缺损修复动物实验中证实bFGF和BMP有协同作用，促使新骨形成增加，骨缺损提前修复。
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总之，随着对bFGF的深入研究，因其生物活性的多效性，尤其在骨修复中起的作用，目前国内第二代基因重组h-bFGF的问世，展示着bFGF在骨科领域的广阔应用前景。■
作者简介：沈红雷(1967-)，男，江苏锡山市人，主治医师，硕士学位。电话：(0991)5857996(宅)
参考文献：
[1]Jaye M, Schlessinger J, Craig A, et al.FGFR tyrosine kinases moolecular analysis and signal transduction[J]. Biochem Biochem Acta,1992,1 135:185.
[2]Brighton CT. Principles of fracture healing . In: cornell CN,Lane JM. Newest factors in fracture healing[J]. Clin Orthop,1992,277:297.
, 百拇医药
[3]Globus R, Plouet J. Gospodarowicz D. Cultured bovine bone cells synthesize fibroblast growth factor and store it in their extracellular matrix[J]. Endocrinology,1989,124:1 539.
[4]Canalis E, Centrella M, Mccarthy T. Effects of basic figbroblast growth factor on bone format i on in vitro[J]. J Clin Invest,1988,81:1 572.
[5]Bolander ME. Regulation of fracture repair by growth factors[J]. Prooc Soc Exo Bio Med,1992,200:165.
, 百拇医药
[6]Niswander L, Martin Gr. FGF-4 and BMP-2 have opposite effects on limb growth[J]. Nature,1993,361:68.
[7]Kato Y, Gospodarowicz D. Effect of extracellular matrices on proeoglycan synthesis by cultured rabbit costal chondrocyte cultures maintained in serum-free medium[J]. J Cell Physiol,1984,120:354.
[8]Montesano R,Vassalli JD,Baird A,et al. Basic fibrobast growth factor induces angiogenesis in vitro[J]. Proc Natl Acad Sci(USA),1996,83:7297.
[9]Guacci D. UItrastructural aspect of human nonuion[J]. Histopathol,1991,6:87.
收稿日期：1999-01-09
修回日期：1999-08-23, 百拇医药