碱性成纤维生长因子在椎间盘退变中作用的研究进展

康新桂，吴小涛

(1.东南大学医学院，江苏 南京 210009；2.东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

·综 述·

碱性成纤维生长因子在椎间盘退变中作用的研究进展

康新桂1，吴小涛2

(1.东南大学医学院，江苏 南京 210009；2.东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

椎间盘变性、突出等退行性改变是临床腰腿痛的常见病因，严重影响患者生活质量。尽管手术摘除突出的椎间盘能在一定程度上缓解腰腿痛的症状，但不能从根本上逆转椎间盘退行性改变。近年来，基于基因调控生物学修复的研究为早期从病因学层面治疗椎间盘退变打开崭新思路。碱性成纤维生长因子在椎间盘退变中有重要的生物学作用，能够促进血管形成、干预细胞增殖、分化、基质合成等。作者就碱性成纤维生长因子在椎间盘退变中的作用作一综述。

碱性成纤维生长因子；椎间盘；文献综述

近80%的成人一生中至少经历一次腰腿痛，其中持续性腰腿痛症状约占18%，严重影响生活质量[1]。以往认为，神经根受压所产生的相应神经分布区疼痛是下腰疼(low back pain，LBP)主要原因。近期研究发现，在纤维环破裂后的损伤再修复进程中，炎症反应对神经根的损伤才是LBP的主要原因[2]。有研究[3]发现，椎间盘性LBP患者椎间盘有血管化肉芽组织形成，在纤维环破裂处有广泛的神经浸润，这也支持上述观点。目前以神经减压为目标的手术治疗虽能在一定程度上缓解疼痛症状，但都不能逆转椎间盘退变的病理生理进程，且术后复发率较高，再手术的原因主要为复发突出(残移)、瘢痕粘连和继发性腰椎不稳[4-5]。近年来，应用生物学方法修复退变椎间盘发展迅速，通过对相关基因的转染，阻碍或延缓椎间盘退变成为新的研究课题[6]。作者现对碱性成纤维生长因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)在椎间盘相关疾病中的作用作一综述。

1 椎间盘的组分及功能

椎间盘中细胞数目较少，位于外层纤维环中的是与胶原纤维平行排列的梭形成纤维样细胞，位于内层的是圆形软骨样细胞。髓核组织区域主要为脊索细胞和髓核软骨样细胞[3]，这些细胞在正常椎间盘可使细胞外基质趋于稳定状态。当椎间盘发生退变时，合成代谢与分解代谢的平衡被打破，新陈代谢失衡[7]。相关研究发现，退变椎间盘中bFGF表达增加，促进椎间盘细胞增殖[8]。正常椎间盘中的聚集蛋白聚糖含量较高，约占髓核的70%，占纤维环的25%。聚集蛋白聚糖提供的高电荷密度可使髓核区域处于高渗透压状态，使髓核区域处于富水状态[3]。相关研究已证实椎间盘退变开始于髓核区域，与蛋白多糖丢失有关[4]。bFGF可促进聚集蛋白聚糖及Ⅱ型胶原的表达，说明bFGF能延缓甚至逆转椎间盘的退变进程[10]。

2 bFGF在椎间盘中的生物学作用

成纤维生长因子(fibroblast growth factor，FGF)家族中的bFGF也称作成纤维生长因子-2(fibroblast growth factor-2，FGF-2)，分布广泛，可作用于不同的靶细胞，具有血管形成、肿瘤发生、细胞增殖、细胞分化、创伤修复、组织重塑等多种生物学功能[11-12]。bFGF在退变椎间盘组织中显著增高，被认为是可靠的退变标记物之一[13]。

2.1 bFGF刺激新生血管形成

血管的形成非常复杂，是组织生长、再生必不可少的条件。血管在形成过程中主要经历细胞外基质水解、内皮细胞扩增与迁移、细胞外基质改变等过程[12]。bFGF处理兔椎间盘后，巨噬细胞、淋巴细胞等炎症细胞数目增加，bFGF处理区域出现血管组织。硬膜外注射bFGF能促进兔突出椎间盘重吸收，这与血管形成密切相关[6-7]。Melrose等[14]对羊纤维环作环形切口制作纤维环损伤模型，发现在纤维环损伤部位有血管长入。纤维环病变部位的细胞中bFGF、TGF-β及骨粘连蛋白染色明显。而正常羊椎间盘中，只有纤维环中有稀疏分布的bFGF、TGF-β及骨粘连蛋白染色阳性的细胞。

在疼痛椎间盘中有血管化肉芽组织形成，伴随bFGF、TGF-β等因子的显著表达；在无疼痛症状的退变椎间盘中没有血管化的肉芽组织，只有少量生长因子[3]。组织损伤后机体迅速启动损伤修复机制，炎症反应是机体和细胞对损伤的最初反应。在LBP患者的椎间盘组织中可发现血管化肉芽组织从纤维环破裂处向位于中心部位的髓核组织生长，在这些血管化肉芽组织中有大量巨噬细胞和肥大细胞浸润，巨噬细胞不仅是炎症反应期主要的吞噬细胞，还可以分泌大量生长因子和细胞因子如bFGF、TGF-β、IL-1和TNF-α。这些因子可以调节细胞的扩增与分化，促进肉芽组织和新血管的形成[1]。

Kokubo等[15]研究发现，椎间盘突出与椎关节强硬的退变进程不同：椎间盘突出物上调肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、bFGF、血管内皮生长因子(VEGF)的表达，引发椎间盘退变；而椎关节强硬有较厚的骨化终板，影响营养物质的吸收，是由营养障碍引发的退变。同时还发现，突出椎间盘并有肉芽组织的纤维环外层退变程度比椎关节强硬的纤维环外层高，而软骨终板和内层纤维环退变程度比椎关节强硬标本低。突出椎间盘和椎关节强硬样本中均有明显的血管形成，可能与bFGF、VEGF表达增高有关。相关研究发现，吸烟、过度劳累与新血管形成之间有显著的相关性，肥胖和久坐也会增加新血管的形成。戒烟、控制体重、锻炼腹部和椎旁肌肉、避免过度劳累后新血管形成的百分比分别下降32%、21%、16%和31%，因此，可以通过上述减少新血管形成的方法来预防血管形成型椎间盘退变的发生[12]。

2.2 bFGF促进细胞增殖

当椎间盘发生退变时，椎间盘细胞常表现出增殖的特性。正常椎间盘常量表达的生长因子及其受体在退变组织中过表达[8]。在正常未退变的椎间盘组织中，细胞因子及其受体的释放主要依赖自分泌与旁分泌方式；而在退变的椎间盘中，尤其是有新生血管长入的椎间盘，外源性生长因子可能为主要的致有丝分裂因素，而且在退变的椎间盘中表达增强的生长因子主要是血小板衍生因子(PDGF)、IGF-1和bFGF[16]。bFGF作为重要的促有丝分裂原，可直接作用于组织修复细胞的有丝分裂周期，缩短G1期，延长G2和M期，缩短有丝分裂周期的时间，加速细胞分裂增殖[1]。Pratsinis等[8, 16]发现，PDGF、bFGF、IGF-1这3种经典的促有丝分裂原，经MEK/ERK和PI-3K/Akt信号转导通路，刺激人和牛椎间盘纤维环与髓核细胞增殖。尽管这3种生长因子有明显的促有丝分裂效应，但对椎间盘内稳态的总效应不尽相同。牛髓核中的bFGF与IGF-1对细胞外基质的表达作用截然相反，这可能是物种差异和(或)培养条件不同所致[16]。Heqewald等[17]分别从有症状患者的椎间盘突出区和髓核区分离细胞，并添加人血清和bFGF培养，发现椎间盘突出区域分离的细胞去分化现象明显，Ⅱ型胶原与聚集蛋白聚糖的表达显著下降。说明椎间盘组织突出区和髓核区的椎间盘细胞对细胞外基质的表达效果不同。

2.3 bFGF促进细胞外基质降解

正常髓核组织中Ⅱ型胶原明显高于Ⅰ型，当前者表达量的下降会影响椎间盘组织负重载荷的弹性和强度，加速椎间盘退变[18]。相关研究发现，bFGF能刺激牛椎间盘髓核细胞Ⅰ、Ⅱ型胶原的合成，但Ⅰ型胶原合成量明显高于Ⅱ型胶原，Ⅱ型胶原与Ⅰ型胶原的比值下降，有异于正常健康椎间盘中Ⅱ型胶原富集状态[7]。Tolonen等[19-20]研究发现，人退变椎间盘组织中细胞形态发生改变，正常未退变状态下梭形的纤维环细胞逐渐变得浑圆，形似软骨样细胞，而且这种细胞容易形成细胞集落从而影响基质的更新。退变椎间盘组织不同区域的不同细胞中相关生长因子的表达情况不同，bFGF在突出椎间盘纤维环前后缘软骨样细胞中的表达最明显。这说明bFGF不仅能通过改变细胞形态影响基质更新，还能促进水解酶活性促进基质的降解。

2.4 bFGF在细胞分化中的作用

在椎间盘退变早期，可以采用向退变髓核区域注入有活性的髓核细胞的方法治疗。这种方法的顺利实行需要大量的髓核细胞，然而人髓核细胞的数目及增殖活性较低，不能满足细胞疗法的需求[2]。Tsai等[21]研究发现，bFGF可维持TGF-β1对牛髓核软骨样细胞的表型分化作用。Ehlicke等[2]又发现，在缺少TGF-β3条件下，IGF-1、bFGF、和PDGF-BB能诱导人间充质干细胞(hMSCs)分化为髓核样细胞，这样就解决了细胞数目缺乏的难题，促进椎间盘生物细胞疗法的发展。说明bFGF不仅可以维持TGF-β1对髓核细胞的表型分化作用，其本身也有诱导分化作用。

3 bFGF对椎间盘损伤再修复的积极与消极作用

某些生长因子如bFGF、TFG-β可能是组织修复的促进者，然而这些生长因子又能诱导产生非正常改变，如基质纤维化、异常细胞分化等。bFGF在损伤椎间盘中有修复作用还是促进椎间盘退变仍不清楚[1]。

叶冬平等[23]研究发现，在退变人椎间盘髓核细胞中，bFGF注射试验组在短期内(实验第7天)可明显促进软骨糖胺多糖(GAG)及Ⅱ型胶原mRNA的表达，增加细胞外基质中GAG及Ⅱ型胶原的含量。虽然在实验第14天和21天GAG及Ⅱ型胶原mRNA的表达量显著降低，但在细胞外基质中的含量仍高于对照组，说明bFGF注射后的短期内能刺激退变的椎间盘修复。Hegewald等[9]研究发现，bFGF处理纤维环细胞后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原及MMP-13的合成增加，蛋白聚糖总量增加。这也可以解释在以前对牛纤维环细胞的实验研究中，由于bFGF对细胞增殖的促进作用，当标准化细胞数目后，蛋白多糖含量下降的现象[7]。说明bFGF的总效应是纤维软骨组织的合成代谢调解者，可作为纤维环生物学修复因子。Walsh等[24]对鼠尾施压静态压诱导椎间盘退变，然后在椎间盘内注射物分化诱导因子-5(GSF-5)、TGF-β、IGF和bFGF，与注射生理盐水的对照组相比，外源性生长因子注射组纤维环细胞数目增多，聚集蛋白聚糖及Ⅱ型胶原表达增强，椎间盘高度增加。髓核中蛋白多糖的增加可改善髓核的抗压能力，纤维环中胶原的增加有利于纤维环结构的修复，说明bFGF对退变椎间盘有修复作用。抗炎药如地塞米松(DEX)能降低移植物相关炎症反应，并可促进细胞分化，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly-lactic-co-glycolic acid，PLGA)无细胞毒性[10]。Liang等[10]将DEX/bFGF加载到PLGA微球支架上，发现DEX/bFGF加载组与非加载组相比，Ⅱ型胶原及GAG含量增加，聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖及Ⅱ型胶原表达增加。应用DEX/bFGF加载的PLGA支架能显著提高兔骨髓间充质干细胞(rMSCs)增殖，促进rMSCs分化为髓核样细胞，且能降低椎间盘生物疗法的炎症反应。上述研究说明bFGF在椎间盘修复或再生方面有积极作用，能促进椎间盘修复。

未退变的人椎间盘髓核和纤维环获取的聚集蛋白聚糖有抑制内皮细胞黏附和迁移的作用，而且这种作用存在浓度依赖关系。未退变椎间盘中高浓度的聚集蛋白聚糖有阻碍血管及神经浸润性生长的能力，聚集蛋白聚糖含量的下降是引起椎间盘血管及神经浸润性生长的重要原因。软骨细胞受到机械损伤后释放的bFGF可促进MMP-13的表达、抑制蛋白多糖的合成、对有软骨细胞合成代谢活性的骨形态发生蛋白-7(bone morphogenetic protein-7，BMP-7)有拮抗作用[7]。Nagano等[25]研究发现，鼠退变椎间盘组织中正常梭形的纤维环细胞变成圆形的软骨细胞，而且bFGF在这些细胞中的免疫反应性及其受体的mRNA表达增强，bFGF可能是椎间盘退变相关的软骨细胞增殖刺激因子，在椎间盘退变进程中逐步取代正常的纤维环细胞引起椎间盘退变，而正常鼠椎间盘组织中bFGF免疫反应性及其受体mRNA不表达，即正常椎间盘不表达bFGF及其受体。上述研究又说明bFGF在椎间盘修复和再生方面有消极作用，能促进椎间盘退变。

4 问题与展望

退变椎间盘的修复有两个主要目标：修复椎间盘的结构、消除疼痛。椎间盘结构恢复后能否缓解疼痛仍不清楚[26]。大量动物实验研究证实，体内注射生长因子能缓解疼痛，然而生长因子的最佳治疗注射量及注射时机的把握仍需进一步研究。由于缺乏足够的人体临床试验数据，注射到退变椎间盘组织后是否会引发癌变也不清楚[27]。基因转染技术治疗椎间盘退变还需要找到合适的转染载体，这样才能实现基因的持久性表达[28]。生长因子注射疗法目前正在临床试验中，生长因子注射疗法在临床试验中的不断开展，有望从根本上解决椎间盘退变问题[3]。在这些治疗方法实现之前，bFGF在椎间盘病理生理方面作用的深入研究是必不可少的。

[1] PENG B,HAO J,HOU S,et al.Possible pathogenesis of painful intervertebral disc degeneration[J].Spine,2006,31(5):560-566.

[2] EHLICKE F,FREIMARK D,HEIL B,et al.Intervertebral disc regeneration:influence of growth factors on differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSC)[J].Int J Artif Organs,2010,33(4):244-252.

[3] PENG B G.Pathophysiology,diagnosis,and treatment of discogenic low back pain[J].World J Orthop,2013,4(2):42-52.

[4] LI X,PHILLIPS F M,AN H S,et al.The action of resveratrol,a phytoestrogen found in grapes,on the intervertebral disc[J].Spine,2008,33(24):2586-2595.

[5] 张德春，尹庆水，吴峰，等.腰椎间盘突出症术后复发的原因及防治[J].现代医学，2010，38(5):544-547.

[6] CABRAJA M,ENDRES M,ABBUSHI A,et al.Effect of degeneration on gene expression of chondrogenic and inflammatory marker genes of intervertebral disc cells:a preliminary study[J].J Neurosurg Sci,2013,57(4):307-316.

[7] LI X,AN H S,ELLMAN M,et al.Action of fibroblast growth factor-2 on the intervertebral disc[J].Arthritis Res Ther,2008,10(2):R48.

[8] PRATSINIS H,KLETSAS D.PDGF,bFGF and IGF-I stimulate the proliferation of intervertebral disc cellsinvitrovia the activation of the ERK and Akt signaling pathways[J].Eur Spine J,2007,16(11):1858-1866.

[9] HEGEWALD A A,ZOUHAIR S,ENDRES M,et al.Towards biological anulus repair:TGF-beta3,FGF-2 and human serum support matrix formation by human anulus fibrosus cells[J].Tissue Cell,2013,45(1):68-76.

[10] LIANG C Z,LI H,TAO Y Q,et al.Dual delivery for stem cell differentiation using dexamethasone and bFGF in/on polymeric microspheres as a cell carrier for nucleus pulposus regeneration[J].J Mater Sci Mater Med,2012,23(4):1097-1107.

[11] ELLMAN M B,AN H S,MUDDASANI P,et al.Biological impact of the fibroblast growth factor family on articular cartilage and intervertebral disc homeostasis[J].Gene,2008,420(1):82-89.

[12] DAVID G,CIUREA A V,IENCEAN S M,et al.Angiogenesis in the degeneration of the lumbar intervertebral disc[J].J Med Life,2010,3(2):154-161.

[13] 叶冬平，梁伟国，戴丽冰，等.正常与退变椎间盘纤维环细胞相关基因的差异表达[J].中国病理生理杂志，2012，28(1):168-172.

[14] MELROSE J,SMITH S,LITTLE C B,et al.Spatial and temporal localization of transforming growth factor-beta,fibroblast growth factor-2,and osteonectin,and identification of cells expressing alpha-smooth muscle actin in the injured anulus fibrosus:implications for extracellular matrix repair[J].Spine,2002,27(16):1756-1764.

[15] KOKUBO Y,UCHIDA K,KOBAYASHI S,et al.Herniated and spondylotic intervertebral discs of the human cervical spine:histological and immunohistological findings in 500 en bloc surgical samples.Laboratory investigation[J].J Neurosurg Spine,2008,9(3):285-295.

[16] PRATSINIS H,CONSTANTINOU V,PAVLAKIS K,et al.Exogenous and autocrine growth factors stimulate human intervertebral disc cell proliferation via the ERK and Akt pathways[J].J Orthop Res,2012,30(6):958-964.

[17] HEGEWALD A A,ENDRES M,ABBUSHI A,et al.Adequacy of herniated disc tissue as a cell source for nucleus pulposus regeneration[J].J Neurosurg Spine,2011,14(2):273-280.

[18] 李想，王以朋，洪毅，等.碱性成纤维细胞生长因子对人椎间盘细胞外基质合成及软骨调节素表达的影响[J].中国康复理论与实践，2012，18(6):539-543.

[19] TOLONEN J,GRONBLAD M,VIRRI J,et al.Basic fibroblast growth factor immunoreactivity in blood vessels and cells of disc herniations[J].Spine,1995,20(3):271-276.

[20] TOLONEN J,GRONBLAD M,VANHARANTA H,et al.Growth factor expression in degenerated intervertebral disc tissue.An immunohistochemical analysis of transforming growth factor beta,fibroblast growth factor and platelet-derived growth factor[J].Eur Spine J,2006,15(5):588-596.

[21] TSAI T T,GUTTAPALLI A,OGUZ E,et al.Fibroblast growth factor-2 maintains the differentiation potential of nucleus pulposus cellsinvitro:implications for cell-based transplantation therapy[J].Spine,2007,32(5):495-502.

[22] BURKE J G,RW G W,CONHYEA D,et al.Human nucleus pulposis can respond to a pro-inflammatory stimulus[J].Spine,2003,28(24):2685-2693.

[23] 叶冬平，梁伟国，戴丽冰，等.bFGF对人退变椎间盘髓核细胞影响的临床研究[J].细胞与分子免疫学杂志，2011，27(3)：317-319.

[24] WALSH A J,BRADFORD D S,LOTZ J C.Invivogrowth factor treatment of degenerated intervertebral discs[J].Spine,2004,29(2):156-163.

[25] NAGANO T,YONENOBU K,MIYAMOTO S,et al.Distribution of the basic fibroblast growth factor and its receptor gene expression in normal and degenerated rat intervertebral discs[J].Spine,1995,20(18):1972-1978.

[26] SAKAI D,MOCHIDA J,IWASHINA T,et al.Regenerative effects of transplanting mesenchymal stem cells embedded in atelocollagen to the degenerated intervertebral disc[J].Biomaterials,2006,27(3):335-345.

[27] 王军，吴小涛，王运涛.细胞老化与椎间盘退变关系的研究进展[J].东南大学学报：医学版，2011,30(4):621-625.

[28] 谢志阳，吴小涛.基因和基因修饰的骨髓间充质干细胞治疗椎间盘退变的研究进展[J].东南大学学报：医学版，2012，31(4):516-519.

2014-12-23

2014-12-31

国家自然科学基金资助项目(81272035)

康新桂(1989-)，男，山东青岛人，在读硕士研究生。E-mail:xinguikang@163.com

吴小涛 E-mail:wuxiaotao@medmail.com.cn

康新桂，吴小涛.碱性成纤维生长因子在椎间盘退变中作用的研究进展[J].东南大学学报:医学版，2015,34(3)：425-428.

R681.53

A

1671-6264(2015)03-0425-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.023