关节软骨修复和骨关节炎发病机制中的生长因子

由于生物技术，特别是克隆技术的进步，作为合成代谢因子，在骨关节炎发病机制中发挥重要但尚未完全了解的作用的生长因子列表最近得到了广泛的扩展。

下面讨论的第一组生长因子是IGF。它们大量存在于血清中，并具有许多与胰岛素相同的特性。IGF-2在胚胎发育阶段更为常见，而IGF-1则是该组在成人中的主要代表。IGF-2和IGF-1均通过与IGF I型受体结合发挥作用。虽然IGF-2的功能尚不清楚，但IGF-1的重要性已被确定——它能够刺激软骨细胞合成蛋白聚糖，并显著抑制关节软骨的分解代谢过程。IGF-1是软骨细胞合成蛋白聚糖的主要合成代谢刺激物，存在于血清和滑液中。IGF-1是体外骨关节病实验模型中培养软骨细胞的重要因素。据推测，IGF-1是从血浆进入滑液的。此外，正常的软骨细胞也能产生这两种因子——在骨关节病患者的滑膜和软骨中发现了IGF-1和IGF-2的表达。在正常的软骨中，IGF-1不具有促有丝分裂特性，但能够刺激受损基质中的细胞增殖，这表明它参与了修复过程。

刺激修复和抑制关节软骨退化的生物活性物质

• 胰岛素
• γ干扰素
• 生长激素、雄激素
• 生长因子（IPF-1和-2）
• TGF-β（组织生长因子）
• 血小板衍生生长因子
• 碱性成纤维细胞生长因子
• 紧急使用许可
• IL-1受体拮抗剂
• TNF-a结合蛋白
• 金属蛋白酶的组织抑制剂
• α2-_巨球蛋白
• 抗胰蛋白酶
• RG巨球蛋白
• Rg-抗糜蛋白酶

IGF-1 和 IGF-2 的作用受各种 IGF 结合蛋白 (IGF-BP) 的控制，这些蛋白也由软骨细胞产生。IGF-BP 既可以作为载体，又具有 IGF 阻断活性。从骨关节病患者关节软骨中分离的细胞会产生过量的 IGF-BP，这表明它们可以阻断 IGF 的作用。J. Martel-Pelletier 等人 (1998) 的研究表明，尽管骨关节病患者软骨中 IGF-1 的合成增加，但软骨细胞对 IGF-1 刺激的反应较弱。结果表明，这种现象至少部分与 IGF-BP 水平升高有关。IGF-BP 对 IGF 具有高亲和力，是其活性的重要生物调节剂。迄今为止，已对七种类型的 IGF-BP 进行了研究，其中 IGF-BP-3 和 IGF-BP-4 的失调在骨关节炎中起着重要作用。

另一类对软骨细胞有不同作用的生长因子包括血小板衍生生长因子 (PDGF)、成纤维细胞生长因子 (FGF) 和转化生长因子-β (TGF-β)。这些因子不仅由软骨细胞产生，也由活化的滑膜细胞产生。FGF 具有合成代谢和分解代谢的特性，具体取决于关节软骨的浓度和状态。PDGF 参与维持关节软骨细胞外基质 (ECM) 的稳态，但不具有明显的促有丝分裂特性。已知这种生长因子能够增强蛋白聚糖的合成并减少其降解。

TGF-β因其在骨关节炎发病机制中的作用而备受关注。它是TGF超家族的成员之一，与最近发现的BMP（骨形态发生蛋白）生长因子具有相同的功能和信号传导特性。

TGF-β是一种多效因子：一方面，它具有免疫抑制特性；另一方面，它是一种趋化因子，能够强力刺激成纤维细胞增殖。TGF-β的独特之处在于它能够抑制各种细胞释放酶，并显著增加酶抑制剂（例如TIMP）的产生。TGF-β被认为是炎症导致组织损伤的重要调节因子。因此，在关节软骨组织中，TGF-β显著刺激软骨细胞产生基质，尤其是在预先暴露于该因子之后。正常软骨对TGF-β不敏感。在OA患者中，TGF-β刺激关节软骨中聚集蛋白聚糖和小蛋白聚糖的产生。

TGF-β由多种细胞产生，尤其是软骨细胞。它以潜伏形式释放，并与一种名为潜伏相关蛋白 (LAP) 的特殊蛋白质结合。蛋白酶会将TGF-β与LAP结合，而LAP在炎症组织中大量产生。除了由活化细胞产生的TGF-β外，潜伏形式的TGF-β储存也是局部损伤后组织中TGF-β反应性的重要组成部分。TGF-β在骨关节病患者的滑液、滑膜和软骨中含量丰富。在炎症浸润的受损组织区域，可检测到TNF和IL-1的共同表达，而在纤维化区域，则仅检测到TGF-β的表达。

将骨关节炎患者的培养软骨细胞与TGF-β一起孵育，可显著增加这些细胞的蛋白多糖合成。而用TGF-β刺激正常软骨细胞，则需要经过数日的孵育才能增加蛋白多糖的合成。或许，这段时间是细胞表型在TGF-β作用下发生改变所必需的（例如，所谓的蛋白多糖区域化作用的改变：新生成的蛋白多糖仅位于软骨细胞周围）。

已知生长因子（尤其是TGF-β）的合成激活是肾脏和肝脏纤维化发病机制以及伤口愈合过程中瘢痕形成的重要环节。体外软骨细胞负荷增加会导致TGF-β过度生成，而肢体固定后蛋白多糖合成减少则可通过TGF-β来平衡。TGF-β诱导关节边缘区骨赘形成，这是适应负荷变化的一种机制。IL-1在关节损伤后引起滑膜中度炎症反应，并促进表型改变的软骨细胞形成，从而产生过量的软骨细胞。

反复局部注射高浓度重组TGF-β导致C57B1小鼠出现骨关节炎——形成骨赘，这是人类骨关节炎的特征，并且“波浪状边界”区域蛋白多糖明显丢失。

要理解过量TGF-β如何导致已知的软骨变化，必须注意TGF-β暴露会诱导特征性软骨细胞表型，导致合成的蛋白聚糖亚类发生变化，并破坏ECM元素的正常整合。IGF-1和TGF-β均刺激在藻酸盐中培养的软骨细胞合成蛋白聚糖，但后者还会诱导所谓的蛋白聚糖区室化。此外，研究发现，TGF-β可增加活化软骨细胞中胶原酶3（MMP-13）的水平，这与TGF-β作为减少破坏性蛋白酶释放的因子的一般观点相矛盾。然而，尚不清楚TGF-β诱导的MMP-13合成是否与OA的发病机制有关。 TGF-β不仅刺激蛋白多糖的合成，而且还促进其在韧带和肌腱中的沉积，从而增加僵硬性并减少关节的活动范围。

骨形态发生蛋白（BMP）是转化生长因子-β（TGF-β）超家族的成员。其中一些（BMP-2、BMP-7和BMP-9）具有刺激软骨细胞合成蛋白聚糖的特性。BMP通过与细胞表面的特定受体结合发挥作用；TGF-β和BMP的信号通路略有不同。与TGF-β一样，BMP通过I型和II型丝氨酸/苏氨酸激酶受体复合物发出信号。在该复合物中，II型受体发生反式磷酸化并激活I型受体，I型受体将信号传递给称为Smads的信号分子。Smads接收到信号后会迅速发生磷酸化。目前已知在BMP信号通路中，Smads-1、Smads-5和Smads-8被磷酸化，而在TGF-β信号通路中，Smads-2和Smad-3被磷酸化。然后，这些被命名的Smad蛋白与Smad-4结合，而Smad-4是TGF-β超家族所有成员信号通路的共同组成部分。这一事实解释了TGF-β超家族成员之间存在交叉功能，以及TGF-β和BMP信号通路通过竞争共同成分而相互抑制的现象。不久前，另一类Smad蛋白被发现，以Smad-6和Smad-7为代表。这些分子作为TGF-β和BMP信号通路的调节器。

尽管CMP对蛋白多糖合成的刺激作用早已为人所知，但由于CMP具有诱导细胞去分化、刺激钙化和骨组织形成的能力，其在调节关节软骨功能中的作用仍存在争议。M. Enomoto-Iwamoto等人（1998年）发现，CMP与II型CMP受体的相互作用是维持软骨细胞分化表型以及控制其增殖和肥大所必需的。根据LZ Sailor等人（1996年）的研究，CMP-2可在培养4周内维持软骨细胞的表型，且不引起其肥大。CMP-7（与成骨蛋白-1相同）可在藻酸盐培养中长时间维持成熟关节软骨细胞的表型。

将KMP-2和KMP-9引入小鼠膝关节后，蛋白多糖合成增加了300%，显著高于TGF-β。然而，这种刺激作用是暂时的，几天后合成水平又恢复到初始水平。TGF-β能够更长时间地刺激蛋白多糖合成，这可能是由于TGF-β的自身诱导作用以及软骨细胞对该因子的致敏作用所致。

TGF-beta负责软骨赘的形成，这可以被认为是其作用的不良影响，KMP-2也促进软骨赘的形成，但在关节边缘的不同区域（主要在生长板区域）。

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软骨形态发生蛋白

软骨形态发生蛋白（CMP-1 和 CMP-2）是 TGF-β 超家族的其他成员，对肢体发育过程中软骨组织的形成至关重要。CMP-1 基因突变会导致软骨发育不良。CMP 可能具有更具选择性的软骨靶向特性。尽管 TGF-β 和 CMP 可以刺激软骨细胞，但它们也可以作用于许多其他细胞，因此将其用于软骨修复可能会产生副作用。这两种 CMP 都存在于健康和骨关节炎关节的软骨中，并促进酶促降解后关节软骨 ECM 的修复，从而维持正常的表型。

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生长因子的协同作用

一种生长因子能够诱导自身，也可以诱导其他生长因子，这种相互作用受到精细调控。例如，FGF与其他生长因子联合使用，可以更有效地修复创伤性缺损后的关节软骨。IGF-1与TGF-β联合使用，在体外培养软骨细胞时可显著诱导其恢复正常表型。研究表明，TGF-β可抑制IGF-1和IGF-BP的产生，并使IGF-1受体去磷酸化，刺激IGF-1结合。在完整的小鼠软骨中，发现了IGF-1与多种生长因子的协同作用。然而，软骨细胞对IGF-1的微弱反应无法通过与其他生长因子联合使用来平衡。

合成代谢和破坏性细胞因子的相互作用

生长因子与IL-1之间存在复杂的相互作用。例如，软骨细胞预先暴露于FGF会增加IL-1暴露后蛋白酶的释放，这可能是通过增加IL-1受体表达实现的。PDGF也刺激IL-1依赖性蛋白酶的释放，但它会降低IL-1介导的蛋白聚糖合成抑制。这可能表明某些生长因子可以同时刺激软骨修复并促进其破坏。其他生长因子，例如IGF-1和TGF-β，会刺激关节基质合成并抑制IL-1介导的关节软骨破坏，这表明它们的活性仅与组织修复有关。这种相互作用与软骨细胞预先暴露于IL-1无关。有趣的是，IL-1和TGF-β作用的动力学可能不同：TGF-β抑制关节软骨退化的能力因其对TIMP mRNA的缓慢作用而减弱。另一方面，在没有TGF-β的情况下，观察到hNOC和NO水平升高。鉴于IL-1对软骨细胞蛋白多糖合成的抑制作用依赖于NO，这或许可以解释为什么我们观察到TGF-β对IL-1依赖的蛋白多糖合成抑制的对抗作用显著强于对体内蛋白多糖降解的对抗作用。

一项针对小鼠的研究表明，小鼠在关节内注射IL-1和生长因子后，TGF-β显著抵消了IL-1介导的关节软骨蛋白多糖合成抑制，而CMP-2则无法产生这种抵消作用：即使在高浓度的CMP-2下，其刺激潜力也被IL-1完全抑制。值得注意的是，在没有IL-1的情况下，CMP-2对蛋白多糖合成的刺激作用远强于TGF-β。

TGF-β除了影响蛋白多糖合成外，还显著影响IL-1诱导的软骨蛋白多糖含量降低。蛋白多糖含量的降低或升高可能取决于IL-1和TGF-β的相对浓度。值得注意的是，上述IL-1和TGF-β的抵消作用在软骨厚度中观察到，但在关节面边缘的软骨赘附近并未观察到这种现象。软骨赘的形成是由TGF-β诱导的，TGF-β作用于骨膜中的软骨发生细胞，导致软骨母细胞发育和蛋白多糖沉积。显然，这些软骨母细胞对IL-1不敏感。

HL Glansbeek 等人（1998）研究了 TGF-β 和 KMP-2 对抗酵母多糖诱发的关节炎小鼠（即“纯”IL-1 诱导的炎症模型）关节中蛋白多糖合成抑制的能力。关节内注射 TGF-β 显著抵消了炎症引起的蛋白多糖合成抑制，而 KMP-2 几乎无法抵消这种 IL-1 依赖性过程。向研究动物的膝关节反复注射 TGF-β 显著刺激了软骨细胞的蛋白多糖合成，有助于保留因炎症而耗竭的软骨中现有的蛋白多糖，但并未抑制炎症过程。

在使用动物骨关节病实验模型研究软骨细胞的蛋白多糖合成功能时，通常会观察到骨关节炎早期蛋白多糖含量的增加和合成的刺激，这与炎症模型相反，炎症模型中会观察到合成的显著抑制（IL-1 依赖性过程）。在骨关节病中观察到的合成代谢因子（尤其是生长因子）活性的增加会中和 IL-1 等抑制性细胞因子的作用。在生长因子中，TGF-β 最为重要；KMP-2 不太可能在此过程中发挥重要作用。尽管 IGF-1 能够在体外刺激蛋白多糖的合成，但在体内局部应用 IGF-1 时并未观察到这种特性。这可能是因为这种生长因子的内源性水平已达到最佳。在骨关节炎的后期，出现蛋白多糖合成抑制的迹象，这可能与IL-1的主导作用以及生长因子因活性降低而无法抵消它有关。

对患有自发性骨关节炎的STR/ORT小鼠的生长因子表达进行分析，结果表明受损软骨中TGF-β和IL-1的mRNA水平升高。值得注意的是，从潜伏状态激活TGF-β是组织修复的重要组成部分。一项关于ACL兔TGF-β II型受体表达的研究结果，使得理解TGF-β的作用变得更加复杂。骨关节炎诱发后，立即检测到这些受体的水平降低，表明TGF-β信号传导不足。值得注意的是，缺乏TGF-β II型受体的小鼠出现了自发性骨关节炎的迹象，这也表明TGF-β信号传导在软骨修复恶化和骨关节炎发展中起着重要作用。

类风湿性关节炎或骨关节病患者关节中生长因子的绝对含量可能表明其在这些疾病的发病机制中可能发挥的作用。然而，尽管骨关节病和类风湿性关节炎患者的关节中都发现了高浓度的生长因子，但这两种疾病的退化和修复过程的性质却截然不同。或许还有其他尚未确定的因素在这些疾病的发病机制中发挥着重要作用，或者所研究现象的其他方面决定了关节组织退化和修复过程的进程（例如，软骨细胞表面某些受体的表达、与蛋白质结合的可溶性受体，或合成代谢因子和破坏因子的失衡）。