关节软骨的自分泌调节
作者：沈是铭 毛宾尧
单位：宁波市第一医院骨科，宁波市骨科研究所，315010
关键词：关节软骨；软骨细胞；自分泌；调节
关节软骨的自分泌调节
摘 要：目的：综述关节软骨自分泌调节的进展。方法：通过研究在局部环境中，关节软骨的主要自分泌因子在细胞分子水平对关节软骨的代谢、修复等方面的调控。结果：IGF-1，TGF-β，FGFs和BMPs是病损致软骨基质降解时调节关节软骨细胞表型的最重要自分泌因子。PTHrP为软骨自分泌/旁分泌因子，在介调软骨损伤和修复过程中的细胞变化起作用。结论：关节软骨依靠大量的自分泌因子维持软骨细胞的表型和正常基质的代谢，因子间的协同刺激和反馈调节，是关节软骨细胞功能的最重要局部调节者。
分类号：R322.72 文献标识码：A
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文章编号：1005-8478(2000)02-0173-04
Autocrine Regulate of Articular Cartilage
SHEN Shi-ming,MAO Bin-yao
(Ningbo the First Hospital and Institute of Ningbo Orthopaedic Surgery,Ningbo,Zhejiang 315010)
Abstract：Objective：Synthesize the relevant progressive studies about autocrine regulate of articular cartilage.Methods：Through experiments to study how the main autocrine cytokines regulate the articular cartilage metabolism,repairing and other aspects in regional circumstance Results：IGF-1,TGF-β，FGFs and BMPs are the main autocrine cytokines to regulate chondrocyte phenotype during degradation of matrix for cartilage diseases. PTHrP acts on the repair of injured cartilage as an autocrine/paracrine cytokine. Conclusion： A lot of autocrine cytokines keep the chondrocyte phenotype and normal metabolism of matrix,regulate the chondrocyte functions by their synergetic interactions and feedbacks,so become the most important regional regulators.
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Key words：Articular cartilage Chondrocyte Autocrine Regulate▲
关节软骨在一定环境下软骨细胞表型发生可逆，如在退行性关节炎中关节表面软骨细胞重演软骨内成骨；当软骨细胞移植到关节软骨缺损面时表现为关节软骨的外形和表型。这些过程受到许多生长因子和细胞激动因子(cytokines)在时间和空间上相互协调的调控。软骨细胞表型的调节在局部水平起着重要作用，起局部调节的分子列表在不断增加。目前研究中最重要的生长因子包括胰岛素样生长因子(insulin-like growth factors,IGFs),转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β),成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors,FGFs).甲状旁腺激素有关蛋白(parathyroid hormone related protein,PTHrP)，血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF),表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)，和骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)。细胞激动因子也正在研究，并在许多方面发现了这些信息传递分子与生长因子的区别。在关节软骨中被发现的细胞激动因子包括表型的效应物和软骨细胞自分泌产物，其中细胞自分泌产物包括肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α),白介素(包括IL1,IL4,IL6,IL8,IL10,和IL11)，和克隆刺激因子(colony-stimulating factors,CSF)。在损伤或疾病致软骨基质降解时出现并调节关节软骨细胞表型的最重要自分泌生长因子是IGF-1，TGF-β，FGFs和BMPs。
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1 IGFs(胰岛素样生长因子)
在各种生长因子中第一个被确认对关节软骨有自分泌调节作用的是IGF-I。IGF-I有生长激素依赖性，机体受生长激素刺激在软骨处产生IGF-I，在组织中IGF-I介调生长激素的合成代谢作用。IGF-I的调节相当复杂，伴随一些IGF结合蛋白在软骨中生成，在细胞外基质中IGF结合蛋白在受体竞争。帮助控制IGF-I在细胞上作用的水平。大多数报道IGF-I在关节软骨的作用是蛋白聚糖的合成和细胞的分裂增殖刺激作用。这些作用无疑在生长和发育期间是重要的，帮助刺激关节表面的有控增大。IGF-I的一个额外合成代谢作用是刺激Ⅱ型胶原的合成。IGF-I也阻止基质中金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表达，该酶能降解蛋白聚糖[1]。又如在生长骺板，软骨细胞执行软骨内骨化途径时IGF-I也成为DNA和蛋白聚糖合成的一个重要介质[2]。无论细胞已趋成熟或终止了关节功能的分化，软骨细胞的IGF-I合成代谢作用是相似的。在肢端肥大症患者中机体产生过多的生长激素，也同样地在组织中提高IGF-I水平，加快IGF-I的合成代谢作用。引起成年人关节软骨的肥大和增厚。软骨中的IGF-Ⅱ也有相同的合成代谢作用。PDGF和EGF对关节软骨细胞同样具有促分裂增殖作用，且存在于关节软骨组织中，但这些分子在软骨细胞调节作用中扮演次要角色[3,4]
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2 TGF-β(转化生长因子-β)
TGF-β是一个普遍存在的、多向性的，在关节软骨中表达的调控蛋白，并在软骨细胞表型中有作用。TGF-β大家庭中包含5个TGF-β独立形式，TGF-β的特征是以潜在前肽形式分泌，前肽需要细胞外分裂来激化。BMPs、激活素(activins)和一些生长分化因子(growth and differentiation factors,GDFs)也是这大家庭的成员。活性TGF-β蛋白是二硫化物结合的二聚体分子，分子量在20～30kd左右，该二聚体与一定量的细胞表面受体结合。90%以上所分泌的TGF-β是以潜在形式存在。在软骨的细胞外基质中也存在潜在的TGF-β结合蛋白，该蛋白与潜在的TGF-β一起可抑制其激活[5，6]。TGF-β能够被热或酸激活，在体内软骨内，可被MMPs激活。TGF-β的一个有效部分保留在软骨细胞周围的软骨基质中。在软骨细胞中TGF-β的主要作用是合成代谢，刺激蛋白多糖和DNA合成。此外，TGF-β在软骨基质降解中抵抗分解代谢作用，对基质中金属蛋白酶的组织抑制剂(tissue in hibitors of matrix metalloproteinases,TIMPs)有很强的调控作用，抑制MMPs的表达。当外源TGF-β注射进机体的关节内，TGF-β在软骨上刺激蛋白多糖合成，但也导致了滑膜炎，使得关节经过一段时间后继发性软骨退变[3]。TGF-β在关节软骨修复的应用因其对滑膜的副作用可能受限制，但近来已有报道TGF-β在有脂质体的特殊基质中成功修复了关节软骨缺损[7]。
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TGF-β受体存在于所有细胞的表面，对信息传递起重要作用。关节软骨内有3个主要TGF-β受体。Ⅰ型和Ⅱ型受体形成带信号的异二聚体(heterodimers)；Ⅲ型受体是一种细胞表面蛋白聚糖，可能涉及信息受体蛋白的贮藏或表达。异二聚体受体随着配体结合自磷酸化，其功能作为丝氨酸/苏氨酸激酶[6]，具体传递信号途径尚不完全清楚。已有报道在软骨中TGF-β调节蛋白激酶C(protein kinaseC)和有丝分裂活性蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)。近来发现称为SMADs的信号蛋白家族，其与TGF-β受体结合而激活，被转译至细胞核内，在核内作为转录调节蛋白[8]。软骨中存在4种主要TGF-β异型，各个异型受生长因子的调节不同。如在研究中发现PDGF仅刺激TGF-β2和TGF-β3，而不刺激TGF-β1[9]；IL6刺激TGF-β1mRNA，对TGF-β3仅有极其微小的影响，而对TGF-β2根本没有作用；IL1抑制TGF-β1，但在软骨细胞中对TGF-β3却有很强调节作用[10]TGF-β在骨与软骨组织内调节作用非常复杂。TGF-β调节中激活，使潜在的TGF-β结合蛋白表达，维生素D代谢可能作为这些功能的介调者。目前已建立无TGF-β1和TGF-β3作用的实验鼠，除了发现无TGF-β3作用鼠存在腭源性缺损，还没有发现其他任何重要骨骼或软骨表型异常。这可能反应了TGF-β家族成员功能过多，使得对关节软骨中TGF-β特殊异型角色的评价更加困难。但可发现无TGF-β1作用鼠在多器官系统出现渐进的炎性病灶，无TGF-β3作用鼠显示肺发育缺陷[11，12]
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3 FGFs(成纤维细胞生长因子)
关节软骨中另一个重要自分泌生长因子是FGFs为一组肝素粘合多肽，FGF-1(酸性成纤维细胞生长因子)和FGF-2(碱性成纤维细胞生长因子)调节软骨的形成，但FGF-2可能是主要的异型，在软骨基质中被肝素样分子高结合。FGF作为关节软骨的有丝分裂原，促进软骨细胞增殖，使增殖细胞稳定地向成熟软骨细胞分化，并已表明与IGF-I有协同作用。然而，与IGF-I和TGF-β不同的是FGF抑制而不是刺激蛋白聚糖的合成。在一项IGF-I和FGF-2在软骨外植体中作用的研究中，IGF-I在培养基中维持软骨正常的机械性，而FGF-2的加入导致了外植软骨机械特性的降低[13]。当FGF被注射入幼鼠关节内，可刺激关节肥大。在关节软骨细胞中FGF刺激了TGF-β释放，但不影响mRNA的水平[8]。FGF受体家族牵涉一定量骨骼发育不良症，累及生长骺板功能和软骨内骨化，但不累及关节软骨缺损。FGF受体作为酪氨酸激酶，但如何传递信号尚不清楚。FGF受体3的突变导致连续激活受体，可引起软骨发育不全(achondroplasia)和其他致命的发育不全[14]。在突变的模型中，FGF过分表达也引起骨畸形，但关节软骨结构破坏还未见报道。FGF在关节软骨中的角色当前还不清楚，因在过分表达模型的软骨内骨化途径中，FGF表现出对软骨细胞有很深广的影响。但在动物关节面缺损模型中，FGF-2在关节内能刺激软骨细胞增殖和间充质干细胞游走至关节面缺损处，使软骨面修复[15]
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4 BMPs(骨形态发生蛋白)
BMPs是TGF-β大家族的一个分支，为一类重要的自分泌因子。BMPs跟TGF-β一样为二聚体的信号分子，但不以潜在的形式分泌。近来，细胞外结合蛋白Noggin和Chordin抑制BMP功能并可能因此调节BMP的活性[16]。Ⅰ型和Ⅱ型BMP受体形成带信号的异二聚体作为丝氨酸/苏氨酸激酶，但如何传递信号尚未被阐明[17]。BMPs对非分化间充质细胞的作用是诱发软骨发生，当BMPs异位移植时，软骨内骨化完全链锁反应诱发。BMP-1不同于其他成员，它不诱发软骨内骨化，具有MMPs活性。BMP-1的功能作为Ⅰ型和可能为Ⅱ型和Ⅲ型胶原的C-前肽酶(C-propeptidase)[18]。BMP-1主要在关节软骨中表达，在关节软骨中BMP-1的蛋白溶解活性可能在细胞外胶原处理中起一定作用。
除了BMPs在未分化间质细胞中具有软骨生成分化作用。这些生长因子还展示了对分化的软骨细胞表型有调节作用。在一项研究中，BMP-2和BMP-3维持了在体外移植的关节软骨中的蛋白聚糖合成，其合成水平与用TGF-β和IGF-I所维持的一样[19]且其他研究也表明了BMP-3和BMP-4刺激蛋白聚糖合成和维持关节软骨的表型。BMP受体在关节软骨细胞中表达。BMP-6在鼠中的同源性物质为Vgr-1，可在肥大的软骨细胞中表达；BMP-7可在X型胶原的刺激下提高软骨细胞的分化，使软骨细胞趋于成熟。但BMP-7在关节软骨细胞中不刺激软骨细胞中肥大表型的表达。关节软骨中BMP的表达和作用仍需更深入研究。
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5 PTHrP(甲状旁腺激素相关蛋白)
PTHrP近来作为一种软骨重要的自分泌/旁分泌生长因子，最初与软骨内骨发育有关。在胚胎骨发育过程中，PTHrP作为旁分泌因子功能，不但在软骨膜细胞中，而且在关节和骨骺软骨细胞中高水平地被分泌。在这些部位分泌PTHrP作用在发育中的生长骺板的PTHrP受体，刺激细胞增殖，抑制细胞肥大。生长骺板增生带中的软骨细胞在尚未肥大成熟前产生相关基因IHH(Indian hedgehog)作为信号，IHH间接控制基质中软骨细胞向肥大表型转化的速率，使软骨膜带信号，同时诱发了骨骺PTHrP的表达，PTHrP则直接地减慢软骨细胞从增殖向肥大转化，且PTHrP反过来抑制IHH的产生，产生了一个IHH-PTHrP旁分泌的负反馈环[20，21]。在利用遗传创造的大鼠中，PTHrP基因被丢弃，大鼠软骨内骨化发生紊乱，阻碍了长骨生长，在生长骺板上可见软骨细胞增殖减少，且未成熟的软骨细胞肥大[22]。出生不久因肋骨不能充分发育形成胸廓而致呼吸衰竭。然而，在关节软骨中未见明显的缺陷，提示关节软骨不是PTHrP作用的是靶器官。关节软骨和骨骺的PTHrP的表达随着出生后年龄增加而减少，成年关节软骨中不表达PTHrP[23]。在骺板中软骨内骨化的调节在很大程度上依靠骺板中下层的增殖带和上层的肥大带所自分泌的PTHrP表达的水平。有报道幼鸡关节软骨细胞对于PTHrP或PTH的作用缺乏表型变化，也无环腺一磷(c-AMP)的提高，而幼鼠的关节软骨显示了反应性[24]。年龄和种属依赖性解释了这些报道的差异。在缺乏PTHrP作用的鼠模型中未出现关节异常，支持PTHrP在退行的关节软骨中存在再表达。因此，PTHrP在这些组织中介调有关组织损伤和修复过程中的细胞变化起一定作用。
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6 生长因子和关节软骨退变
关节软骨受到各种刺激，软骨细胞会合成和分泌各种细胞因子包括前列腺素，TGF-β，TNF，TIMPs等进入软骨基质，这些细胞因子可与细胞表面各自受体相结合或在基质中直接起作用，引起IL1，纤维蛋白溶酶，胶原酶，凝聚酶等的激活或抑制，同时细胞因子间的相互作用极其复杂。在关节软骨损伤和修复过程中，生长因子和细胞激酶的表达类型发生一定量的变化。尽管关节炎软骨增加了IGF-I的产生和IGF-I受体的表达，但是细胞对外源性IGF-I的反应减少了[25]。这可能归因于明显提高的IGF结合蛋白的表达，特别是IGF结合蛋白3(IGF Binding protein 3,IGFBP3)和IGFBP5，IGFBP3和IGFBP5减少了对受体作用的IGF-I量[4]。IL6在关节炎软骨中被表达，但在正常软骨中不被表达，且IL6的表达能被由滑膜产生的IL1和TNF所提高[26]，IL1和TNF可能是在炎性关节炎中软骨分解代谢的主要介调者，也是软骨基质的介调者，IL1先诱发MMP的表达，MMP能降解基质巨分子并在转录水平阻碍基质多糖蛋白的合成。此外，退行软骨的软骨细胞对IL1和TNF的内源性表达，通过一个自分泌机制，IL1和TNF的内源性表达归功于MMP的刺激和基质的降解。IL6对抗IL1介调的软骨降解，且IL6在关节炎的软骨的表达代表了一个修复反应。关节软骨机械载重也刺激了IL6的表达，这个细胞激酶功能用于基质代谢对压力的反应的调节作用。在损伤或关节炎的条件下，关节软骨细胞表达了其他细胞激酶包括IL4、IL8、IL10、IL11、白细胞抑制因子(leukemia inhibitory factor ,LIF)，巨噬细胞克隆刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,MCSF),但这许多因子的功能目前还不清楚。
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关节软骨依靠大量的自分泌因子去维持软骨细胞的表型和正常基质的代谢。正常软骨表达了IGF-I，FGF2和所有TGF-β的4个主要异型，这些因子可能是关节软骨细胞功能的最重要局部调节者。TFG-β和IGF-1的主要作用是合成代谢，用于刺激蛋白聚糖的合成，Ⅱ型胶原的合成和细胞的增殖。FGF促有丝分裂，但抑制蛋白聚糖合成，可能涉及软骨修复或软骨基质中分离形成自己的损伤反应。在正常软骨中这些生长因子的调节相当复杂，起相互作用的效果，包括各种生长因子之间表达的协同刺激，协同调节，PTHrP在胚胎和未成熟关节软骨中产生，但它不是直接影响关节软骨细胞，而以旁分泌形式作用在邻近的生长骺板去刺激增殖和阻止早熟的软骨细胞肥大。在成人关节软骨，PTHrP表达消失。PTHrp可能在软骨退变或创伤反应中再表达。BMPs近来在软骨中被确认，总的来说显示合成代谢作用，尽管BMPs在正常软骨的代谢功能损伤和修补中的调节作用仍不清楚。细胞激酶如IL1和TNF促进软骨基质退化降解。在正常软骨中IL1和TNF没有显著水平的表达，但仅有极其微量的表达在关节炎或损伤软骨中产生。这些因子诱发其他细胞激酶如IL6的表达，IL6对软骨基质的分解代谢作用进行调节。在关节软骨细胞中其他细胞激酶和生长因子的生理和病理功能仍未明确。■
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作者简介：沈是铭(1970-)，男，浙江宁波人，主治医师，硕士学位。研究方向：脊柱，关节，骨质疏松。电话：(0574)7294181-2101
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收稿日期：1999-01-05
修回日期：1999-05-14, 百拇医药
单位：宁波市第一医院骨科，宁波市骨科研究所，315010
关键词：关节软骨；软骨细胞；自分泌；调节
关节软骨的自分泌调节
摘 要：目的：综述关节软骨自分泌调节的进展。方法：通过研究在局部环境中，关节软骨的主要自分泌因子在细胞分子水平对关节软骨的代谢、修复等方面的调控。结果：IGF-1，TGF-β，FGFs和BMPs是病损致软骨基质降解时调节关节软骨细胞表型的最重要自分泌因子。PTHrP为软骨自分泌/旁分泌因子，在介调软骨损伤和修复过程中的细胞变化起作用。结论：关节软骨依靠大量的自分泌因子维持软骨细胞的表型和正常基质的代谢，因子间的协同刺激和反馈调节，是关节软骨细胞功能的最重要局部调节者。
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Autocrine Regulate of Articular Cartilage
SHEN Shi-ming,MAO Bin-yao
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关节软骨在一定环境下软骨细胞表型发生可逆，如在退行性关节炎中关节表面软骨细胞重演软骨内成骨；当软骨细胞移植到关节软骨缺损面时表现为关节软骨的外形和表型。这些过程受到许多生长因子和细胞激动因子(cytokines)在时间和空间上相互协调的调控。软骨细胞表型的调节在局部水平起着重要作用，起局部调节的分子列表在不断增加。目前研究中最重要的生长因子包括胰岛素样生长因子(insulin-like growth factors,IGFs),转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β),成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors,FGFs).甲状旁腺激素有关蛋白(parathyroid hormone related protein,PTHrP)，血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF),表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)，和骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)。细胞激动因子也正在研究，并在许多方面发现了这些信息传递分子与生长因子的区别。在关节软骨中被发现的细胞激动因子包括表型的效应物和软骨细胞自分泌产物，其中细胞自分泌产物包括肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α),白介素(包括IL1,IL4,IL6,IL8,IL10,和IL11)，和克隆刺激因子(colony-stimulating factors,CSF)。在损伤或疾病致软骨基质降解时出现并调节关节软骨细胞表型的最重要自分泌生长因子是IGF-1，TGF-β，FGFs和BMPs。
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1 IGFs(胰岛素样生长因子)
在各种生长因子中第一个被确认对关节软骨有自分泌调节作用的是IGF-I。IGF-I有生长激素依赖性，机体受生长激素刺激在软骨处产生IGF-I，在组织中IGF-I介调生长激素的合成代谢作用。IGF-I的调节相当复杂，伴随一些IGF结合蛋白在软骨中生成，在细胞外基质中IGF结合蛋白在受体竞争。帮助控制IGF-I在细胞上作用的水平。大多数报道IGF-I在关节软骨的作用是蛋白聚糖的合成和细胞的分裂增殖刺激作用。这些作用无疑在生长和发育期间是重要的，帮助刺激关节表面的有控增大。IGF-I的一个额外合成代谢作用是刺激Ⅱ型胶原的合成。IGF-I也阻止基质中金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表达，该酶能降解蛋白聚糖[1]。又如在生长骺板，软骨细胞执行软骨内骨化途径时IGF-I也成为DNA和蛋白聚糖合成的一个重要介质[2]。无论细胞已趋成熟或终止了关节功能的分化，软骨细胞的IGF-I合成代谢作用是相似的。在肢端肥大症患者中机体产生过多的生长激素，也同样地在组织中提高IGF-I水平，加快IGF-I的合成代谢作用。引起成年人关节软骨的肥大和增厚。软骨中的IGF-Ⅱ也有相同的合成代谢作用。PDGF和EGF对关节软骨细胞同样具有促分裂增殖作用，且存在于关节软骨组织中，但这些分子在软骨细胞调节作用中扮演次要角色[3,4]
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2 TGF-β(转化生长因子-β)
TGF-β是一个普遍存在的、多向性的，在关节软骨中表达的调控蛋白，并在软骨细胞表型中有作用。TGF-β大家庭中包含5个TGF-β独立形式，TGF-β的特征是以潜在前肽形式分泌，前肽需要细胞外分裂来激化。BMPs、激活素(activins)和一些生长分化因子(growth and differentiation factors,GDFs)也是这大家庭的成员。活性TGF-β蛋白是二硫化物结合的二聚体分子，分子量在20～30kd左右，该二聚体与一定量的细胞表面受体结合。90%以上所分泌的TGF-β是以潜在形式存在。在软骨的细胞外基质中也存在潜在的TGF-β结合蛋白，该蛋白与潜在的TGF-β一起可抑制其激活[5，6]。TGF-β能够被热或酸激活，在体内软骨内，可被MMPs激活。TGF-β的一个有效部分保留在软骨细胞周围的软骨基质中。在软骨细胞中TGF-β的主要作用是合成代谢，刺激蛋白多糖和DNA合成。此外，TGF-β在软骨基质降解中抵抗分解代谢作用，对基质中金属蛋白酶的组织抑制剂(tissue in hibitors of matrix metalloproteinases,TIMPs)有很强的调控作用，抑制MMPs的表达。当外源TGF-β注射进机体的关节内，TGF-β在软骨上刺激蛋白多糖合成，但也导致了滑膜炎，使得关节经过一段时间后继发性软骨退变[3]。TGF-β在关节软骨修复的应用因其对滑膜的副作用可能受限制，但近来已有报道TGF-β在有脂质体的特殊基质中成功修复了关节软骨缺损[7]。
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TGF-β受体存在于所有细胞的表面，对信息传递起重要作用。关节软骨内有3个主要TGF-β受体。Ⅰ型和Ⅱ型受体形成带信号的异二聚体(heterodimers)；Ⅲ型受体是一种细胞表面蛋白聚糖，可能涉及信息受体蛋白的贮藏或表达。异二聚体受体随着配体结合自磷酸化，其功能作为丝氨酸/苏氨酸激酶[6]，具体传递信号途径尚不完全清楚。已有报道在软骨中TGF-β调节蛋白激酶C(protein kinaseC)和有丝分裂活性蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)。近来发现称为SMADs的信号蛋白家族，其与TGF-β受体结合而激活，被转译至细胞核内，在核内作为转录调节蛋白[8]。软骨中存在4种主要TGF-β异型，各个异型受生长因子的调节不同。如在研究中发现PDGF仅刺激TGF-β2和TGF-β3，而不刺激TGF-β1[9]；IL6刺激TGF-β1mRNA，对TGF-β3仅有极其微小的影响，而对TGF-β2根本没有作用；IL1抑制TGF-β1，但在软骨细胞中对TGF-β3却有很强调节作用[10]TGF-β在骨与软骨组织内调节作用非常复杂。TGF-β调节中激活，使潜在的TGF-β结合蛋白表达，维生素D代谢可能作为这些功能的介调者。目前已建立无TGF-β1和TGF-β3作用的实验鼠，除了发现无TGF-β3作用鼠存在腭源性缺损，还没有发现其他任何重要骨骼或软骨表型异常。这可能反应了TGF-β家族成员功能过多，使得对关节软骨中TGF-β特殊异型角色的评价更加困难。但可发现无TGF-β1作用鼠在多器官系统出现渐进的炎性病灶，无TGF-β3作用鼠显示肺发育缺陷[11，12]
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3 FGFs(成纤维细胞生长因子)
关节软骨中另一个重要自分泌生长因子是FGFs为一组肝素粘合多肽，FGF-1(酸性成纤维细胞生长因子)和FGF-2(碱性成纤维细胞生长因子)调节软骨的形成，但FGF-2可能是主要的异型，在软骨基质中被肝素样分子高结合。FGF作为关节软骨的有丝分裂原，促进软骨细胞增殖，使增殖细胞稳定地向成熟软骨细胞分化，并已表明与IGF-I有协同作用。然而，与IGF-I和TGF-β不同的是FGF抑制而不是刺激蛋白聚糖的合成。在一项IGF-I和FGF-2在软骨外植体中作用的研究中，IGF-I在培养基中维持软骨正常的机械性，而FGF-2的加入导致了外植软骨机械特性的降低[13]。当FGF被注射入幼鼠关节内，可刺激关节肥大。在关节软骨细胞中FGF刺激了TGF-β释放，但不影响mRNA的水平[8]。FGF受体家族牵涉一定量骨骼发育不良症，累及生长骺板功能和软骨内骨化，但不累及关节软骨缺损。FGF受体作为酪氨酸激酶，但如何传递信号尚不清楚。FGF受体3的突变导致连续激活受体，可引起软骨发育不全(achondroplasia)和其他致命的发育不全[14]。在突变的模型中，FGF过分表达也引起骨畸形，但关节软骨结构破坏还未见报道。FGF在关节软骨中的角色当前还不清楚，因在过分表达模型的软骨内骨化途径中，FGF表现出对软骨细胞有很深广的影响。但在动物关节面缺损模型中，FGF-2在关节内能刺激软骨细胞增殖和间充质干细胞游走至关节面缺损处，使软骨面修复[15]
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4 BMPs(骨形态发生蛋白)
BMPs是TGF-β大家族的一个分支，为一类重要的自分泌因子。BMPs跟TGF-β一样为二聚体的信号分子，但不以潜在的形式分泌。近来，细胞外结合蛋白Noggin和Chordin抑制BMP功能并可能因此调节BMP的活性[16]。Ⅰ型和Ⅱ型BMP受体形成带信号的异二聚体作为丝氨酸/苏氨酸激酶，但如何传递信号尚未被阐明[17]。BMPs对非分化间充质细胞的作用是诱发软骨发生，当BMPs异位移植时，软骨内骨化完全链锁反应诱发。BMP-1不同于其他成员，它不诱发软骨内骨化，具有MMPs活性。BMP-1的功能作为Ⅰ型和可能为Ⅱ型和Ⅲ型胶原的C-前肽酶(C-propeptidase)[18]。BMP-1主要在关节软骨中表达，在关节软骨中BMP-1的蛋白溶解活性可能在细胞外胶原处理中起一定作用。
除了BMPs在未分化间质细胞中具有软骨生成分化作用。这些生长因子还展示了对分化的软骨细胞表型有调节作用。在一项研究中，BMP-2和BMP-3维持了在体外移植的关节软骨中的蛋白聚糖合成，其合成水平与用TGF-β和IGF-I所维持的一样[19]且其他研究也表明了BMP-3和BMP-4刺激蛋白聚糖合成和维持关节软骨的表型。BMP受体在关节软骨细胞中表达。BMP-6在鼠中的同源性物质为Vgr-1，可在肥大的软骨细胞中表达；BMP-7可在X型胶原的刺激下提高软骨细胞的分化，使软骨细胞趋于成熟。但BMP-7在关节软骨细胞中不刺激软骨细胞中肥大表型的表达。关节软骨中BMP的表达和作用仍需更深入研究。
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5 PTHrP(甲状旁腺激素相关蛋白)
PTHrP近来作为一种软骨重要的自分泌/旁分泌生长因子，最初与软骨内骨发育有关。在胚胎骨发育过程中，PTHrP作为旁分泌因子功能，不但在软骨膜细胞中，而且在关节和骨骺软骨细胞中高水平地被分泌。在这些部位分泌PTHrP作用在发育中的生长骺板的PTHrP受体，刺激细胞增殖，抑制细胞肥大。生长骺板增生带中的软骨细胞在尚未肥大成熟前产生相关基因IHH(Indian hedgehog)作为信号，IHH间接控制基质中软骨细胞向肥大表型转化的速率，使软骨膜带信号，同时诱发了骨骺PTHrP的表达，PTHrP则直接地减慢软骨细胞从增殖向肥大转化，且PTHrP反过来抑制IHH的产生，产生了一个IHH-PTHrP旁分泌的负反馈环[20，21]。在利用遗传创造的大鼠中，PTHrP基因被丢弃，大鼠软骨内骨化发生紊乱，阻碍了长骨生长，在生长骺板上可见软骨细胞增殖减少，且未成熟的软骨细胞肥大[22]。出生不久因肋骨不能充分发育形成胸廓而致呼吸衰竭。然而，在关节软骨中未见明显的缺陷，提示关节软骨不是PTHrP作用的是靶器官。关节软骨和骨骺的PTHrP的表达随着出生后年龄增加而减少，成年关节软骨中不表达PTHrP[23]。在骺板中软骨内骨化的调节在很大程度上依靠骺板中下层的增殖带和上层的肥大带所自分泌的PTHrP表达的水平。有报道幼鸡关节软骨细胞对于PTHrP或PTH的作用缺乏表型变化，也无环腺一磷(c-AMP)的提高，而幼鼠的关节软骨显示了反应性[24]。年龄和种属依赖性解释了这些报道的差异。在缺乏PTHrP作用的鼠模型中未出现关节异常，支持PTHrP在退行的关节软骨中存在再表达。因此，PTHrP在这些组织中介调有关组织损伤和修复过程中的细胞变化起一定作用。
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6 生长因子和关节软骨退变
关节软骨受到各种刺激，软骨细胞会合成和分泌各种细胞因子包括前列腺素，TGF-β，TNF，TIMPs等进入软骨基质，这些细胞因子可与细胞表面各自受体相结合或在基质中直接起作用，引起IL1，纤维蛋白溶酶，胶原酶，凝聚酶等的激活或抑制，同时细胞因子间的相互作用极其复杂。在关节软骨损伤和修复过程中，生长因子和细胞激酶的表达类型发生一定量的变化。尽管关节炎软骨增加了IGF-I的产生和IGF-I受体的表达，但是细胞对外源性IGF-I的反应减少了[25]。这可能归因于明显提高的IGF结合蛋白的表达，特别是IGF结合蛋白3(IGF Binding protein 3,IGFBP3)和IGFBP5，IGFBP3和IGFBP5减少了对受体作用的IGF-I量[4]。IL6在关节炎软骨中被表达，但在正常软骨中不被表达，且IL6的表达能被由滑膜产生的IL1和TNF所提高[26]，IL1和TNF可能是在炎性关节炎中软骨分解代谢的主要介调者，也是软骨基质的介调者，IL1先诱发MMP的表达，MMP能降解基质巨分子并在转录水平阻碍基质多糖蛋白的合成。此外，退行软骨的软骨细胞对IL1和TNF的内源性表达，通过一个自分泌机制，IL1和TNF的内源性表达归功于MMP的刺激和基质的降解。IL6对抗IL1介调的软骨降解，且IL6在关节炎的软骨的表达代表了一个修复反应。关节软骨机械载重也刺激了IL6的表达，这个细胞激酶功能用于基质代谢对压力的反应的调节作用。在损伤或关节炎的条件下，关节软骨细胞表达了其他细胞激酶包括IL4、IL8、IL10、IL11、白细胞抑制因子(leukemia inhibitory factor ,LIF)，巨噬细胞克隆刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,MCSF),但这许多因子的功能目前还不清楚。
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关节软骨依靠大量的自分泌因子去维持软骨细胞的表型和正常基质的代谢。正常软骨表达了IGF-I，FGF2和所有TGF-β的4个主要异型，这些因子可能是关节软骨细胞功能的最重要局部调节者。TFG-β和IGF-1的主要作用是合成代谢，用于刺激蛋白聚糖的合成，Ⅱ型胶原的合成和细胞的增殖。FGF促有丝分裂，但抑制蛋白聚糖合成，可能涉及软骨修复或软骨基质中分离形成自己的损伤反应。在正常软骨中这些生长因子的调节相当复杂，起相互作用的效果，包括各种生长因子之间表达的协同刺激，协同调节，PTHrP在胚胎和未成熟关节软骨中产生，但它不是直接影响关节软骨细胞，而以旁分泌形式作用在邻近的生长骺板去刺激增殖和阻止早熟的软骨细胞肥大。在成人关节软骨，PTHrP表达消失。PTHrp可能在软骨退变或创伤反应中再表达。BMPs近来在软骨中被确认，总的来说显示合成代谢作用，尽管BMPs在正常软骨的代谢功能损伤和修补中的调节作用仍不清楚。细胞激酶如IL1和TNF促进软骨基质退化降解。在正常软骨中IL1和TNF没有显著水平的表达，但仅有极其微量的表达在关节炎或损伤软骨中产生。这些因子诱发其他细胞激酶如IL6的表达，IL6对软骨基质的分解代谢作用进行调节。在关节软骨细胞中其他细胞激酶和生长因子的生理和病理功能仍未明确。■
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作者简介：沈是铭(1970-)，男，浙江宁波人，主治医师，硕士学位。研究方向：脊柱，关节，骨质疏松。电话：(0574)7294181-2101
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收稿日期：1999-01-05
修回日期：1999-05-14, 百拇医药