酸性成纤维细胞生长因子与肾缺血再灌注损伤

作者：许华   

作者单位：暨南大学药学院，广东 广州 510632 【摘要】  肾缺血再灌注损伤（RIRI）疾病死亡的主要原因之一，而RIRI由基、细胞内钙离子超载、细胞坏死和凋亡、内皮细胞的激活、中性粒细胞的黏附及浸润等关系密切。近年来酸性成纤维细胞生长因子(aFGF)在内脏缺血再灌注损伤中的作用越来越受到重视，其抗肾缺血再灌注损伤作用可能与其抗细胞凋亡作用、调节细胞内外Ca2+浓度、参与缺血再灌注状态下血管张力调节以及减轻脂质过氧化引发的组织损伤等作用有关。因此作者就RIRI的机制及aFGF对RIRI的影响作一综述。

【关键词】  酸性成纤维细胞生长因子 缺血再灌注损伤 肾

   成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factors,FGFs）是一类由23个成员组成的蛋白质家族，酸性成纤维细胞生长因子（acid fibroblast growth factor,aFGF）是该家族的重要成员之一，广泛分布于体内多种组织，对中胚层及神经外胚层来源的细胞具有促分裂作用，是促进细胞分化、增殖的重要因子［1］。近年来的研究认为，aFGF对心肌、肠道、肾脏等内脏缺血再灌注损伤具有拮抗作用。作者概述了肾缺血再灌注损伤(renal ischemiareperfusion injury,RIRI)的机制及aFGF对RIRI的影响。

　　1  aFGF及其受体的结构与功能

　　1.1  aFGF的结构

　　aFGF基因位于第4号染色体上，为单拷贝基因，由2个大的内含子和3个外显子组成。aFGF蛋白由154个氨基酸残基组成，等电点5～7。其三维晶体结构测定显示，aFGF由3组相似的折叠模式组成，每组又包含4个反平行的β折叠，即共有12个β折叠,但不含α螺旋结构，整个分子呈β三叶草型结构，也因此确定了aFGF和其受体的高亲和力结合部位、低亲和力结合部位及疏水核的氨基酸组成及空间构型。目前的研究认为，aFGF的功能区主要包括肝素结合区、酪氨酸受体结合区和核转位区，其中核转位区对于促分裂作用极为重要，并认为N端23～27位氨基酸是控制核转位的关键氨基酸，切去此段虽然同样可以激活酪氨酸激酶，不影响上游信号分子的表达，但不引起DNA合成和细胞的增殖和分化［2］。但Kiyota等［3］认为，aFGF的作用部位由99～108位氨基酸的1个线形肽段（peptide 1）和类似环形的肽段（peptide 2）组成。肽链1在成纤维细胞中并不活跃，而肽链2具有促有丝分裂的作用，引起细胞的增殖效应。只有抑制肽段2才能抑制细胞的活性，表明肽段2的结构与aFGF引起的aFGF一序列的生化级联反应有着密切的关系。

　　1.2  aFGF受体的结构

　　aFGF受体分为3个类型：FGF高亲和性受体（一类具有自身磷酸化活性的跨膜酪氨酸激酶受体，FGF receptors，FGFRs）、富胱氨酸FGF受体（Cysteinerich FGF receptor，CFR）和FGFs低亲和力受体（又称肝素结合型FGF受体，heparin binding FGFR,HB FGFR)。现已经发现5种FGFRs：FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4 和FGFR5。FGFRs结构由胞外区、跨膜区和胞内区组成。FGFR胞外区由3个免疫球蛋白样环状结构域D1、D2和D3构成。D1在FGFR活性中起辅助作用，该区结构高度变异，对于与FGF的结合是非必需的，可调节FGFR和FGF的亲和力；D2在FGFR中高度保守，尤其是其近膜端呈完全一致性，是与肝素硫酸蛋白多糖（heparan sulfate proteoglycan，HSPG）的结合部位；D3是与FGF结合的部位。各种FGFR结构上的高度特异性，决定着配体的结合特异性。跨膜区为保守的疏水性区段，长约21个氨基酸。胞内区长约410～425个氨基酸，包括高度变异的近膜区和酪氨酸激酶活性区,酪氨酸激酶活性区被一段14个氨基酸的插入序列分为2个完整的高度保守的TPK结构域。FGFR的C端由59～69个氨基酸组成，是信号分子的结合部位。富胱氨酸FGF受体是具有高度亲和性的FGF受体，由于其结构中富含胱氨酸而被称为富胱氨酸受体［1］。CFR蛋白拥有1个信号肽，能与多种FGFs家族成员结合。低亲和力受体HSPGs因能与肝素紧密连接，又称肝素结合型FGF受体（HBFGFR)，它与CFR有很强的同源性。据推测，HSPGs在FGFs与FGFR的结合中起着重要的微调作用［4］。

 　1.3  aFGF的生物学效应

　　aFGF没有信号肽，其分泌途径主要是自分泌和旁分泌。aFGF与细胞的作用及发挥生物学效应，是通过与酸性成纤维细胞生长因子受体（FGFR或酪氨酸激酶受体家族）及HSPG的结合完成。首先，aFGF与肝素结合，在HSPG的协助下，再与FGFR结合。FGFR、FGF、HSPG形成的明显的三重复合结构对促进细胞有丝分裂起着重要的作用［5］。大量的研究证实aFGF参与正常机体的生长发育过程和病理性组织损伤的修复过程［6］。近几年研究表明，aFGF在缺血再灌注损伤防治方面发挥重要作用。

　　2  RIRI的机制

    目前对RIRI机制的研究主要集中在自由基、细胞内钙离子超载和钙震荡、细胞坏死和凋亡、内皮细胞的激活、中性粒细胞介导的损伤、浸润以及细胞因子和转录因子等所引起的损伤。

    自由基理论目前已经有直接证据，即再灌注时富氧血液重新灌注缺血组织时引起氧压迫,部分氧还原为活性氧。这种活性氧可以攻击生物膜中的多不饱和脂肪酸，引发脂质过氧化作用，形成脂质过氧化物，从而导致细胞代谢及功能障碍，甚至死亡；再灌注晚期细胞膜泵功能降低，钙池内Ca2+释放入细胞质，组织液中的Ca2+可通过细胞膜受损部位进入细胞内，而使细胞内Ca2+浓度进一步升高，加重肾损害；RIRI后能量耗竭、生长因子缺乏等原因导致细胞坏死和凋亡也是加重再灌注损伤的重要原因［7］；研究表明，缺血性急性肾功能衰竭时，血浆内皮素（endothelin,ET）水平明显升高，ET受体上调；RIRI时，由于内皮细胞受损，内皮源性舒张因子NO减少，降低血管的扩张性能，增加血小板和粒细胞的黏附和聚集，从而直接或间接的加重RIRI；动物实验表明，缺血再灌注后早期首先有中性粒细胞的浸润，再灌注后6 h达高峰。中性粒细胞通过一系列复杂的反应黏附到内皮细胞，这些反应可能有几类黏附分子参与，这些黏附分子包括选择素家族、黏附素、整合素和免疫球蛋白超家族［8］。如细胞间黏附分子1（intercellular adhesion molecule1，ICAM1）在缺血再灌注时其表达上调，介导内皮细胞与白细胞黏附，是RIRI中增强粒细胞、内皮细胞相互作用的关键介质。而抗ICAM1抗体及ICAM1的反义寡核苷酸均可显著减轻组织损伤及肾功能受损。

　　3  aFGF在RIRI中的作用

　　3.1  aFGF对多种内脏缺血再灌注损伤的影响

　　已有许多关于aFGF可以有效的拮抗和预防多种内脏组织缺血再灌注损伤的报道，如用大鼠左冠状动脉结扎20 min再灌注24 h模型，发现aFGF可显著改善再灌注损伤所诱发的心功能降低和心肌组织的病理学改变，其机制可能和其诱发一氧化氮合酶的表达有关［9］；对大鼠肠缺血再灌注模型，证明aFGF 可改善肠上皮细胞损伤，其保护作用可能和其调节肠道上皮细胞Bcl2/Bax表达、抑制肠上皮细胞凋亡、促进细胞增殖有关［1011］；对骨骼肌缺血再灌注模型，发现aFGF用药可明显减轻组织水肿，使损伤组织活力增加，肌纤维琥珀酸脱氢酶和ATP酶含量增加，其保护机制可能和其调节细胞内外Ca2+浓度及Ca2+依赖性酶转换过程，以及参与调节缺血再灌注状态下血管张力有关［12］。

　　3.2  aFGF抗RIRI作用

　　近年来生长因子类在RIRI中的作用越来越受到重视。Gobé等［13］用大鼠双侧肾动脉结扎30 min再灌注0～14 d模型，研究了急性肾功能衰竭时表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、胰鸟素样生长因子1(insulinlike growth factor，IGF1)、转化生长因子β（transforming growth factorbeta，TGFβ）等多种生长因子的变化规律及其和抗凋亡蛋白Bcl2的相关性，证明这些因子在再灌注损伤过程中不同程度的表达，和抗凋亡蛋白Bcl2 的表达具有一定的相似性。Cuevas等［14］采用大鼠双侧肾缺血1 h与再灌注7 d动物模型评价aFGF对肾急性缺血与再灌注损伤的治疗作用，发现aFGF能显著改善缺血再灌注损伤大鼠的肾功能，且明显减轻肾组织水肿、间质浸润等。Xu等［15］用大鼠右侧肾切除、左侧肾结扎1 h再灌注24 h模型，观察aFGF对组织和血液中超氧化物歧化酶、丙二醛以及血液和尿液中尿素氮、肌酐变化的影响，并进行肾组织病理学检测。结果表明aFGF组血清超氧化物歧化酶活性增高，丙二醛含量下降，肾功能明显改善；肾组织水肿，肾小管刷状缘脱落和细胞的坏死明显减轻。依据aFGF作用机制的研究，其抗RIRI的机制可能涉及以下几个方面：（1）aFGF可调节肾小血管的张力，促进肾脏血管的血流恢复，从而减少肾缺血再灌注损伤时的“无再流现象”；（2）aFGF有助于开放K+ATP通道，促进内皮细胞分泌释放血浆纤维蛋白溶酶原激活物，进而有助于清除心血管系统的栓塞；（3）aFGF能调节细胞内Ca2+浓度，有助于维持Ca2+依赖性ATP酶的活性，减少自由基的产生；（4）提高细胞膜的稳定性，减轻脂质过氧化引发的组织损伤；（5）可能通过PI3K/AKT途径抑制细胞凋亡，但其确切的机制尚不清楚。

　3.3  aFGF抗RIRI应用前景

　　aFGF的生物学效应包括促分裂效应和非促分裂效应2大类，其促分裂效应包括促进多种细胞增殖分化、促血管生成、神经营养、损伤修复等，而其非促分裂效应包括低血压效应、调节Ca2+平衡、激素分泌、调节摄食及抗凋亡作用等。因此，aFGF具有广泛的应用前景［1617］。但由于其广泛而强大的促分裂和增殖作用，有促进肿瘤生长和组织纤维化的潜在危险［18］，因此成为研究和开发其临床应用的瓶颈。基于aFGF结构中的核转位区对促分裂作用极为重要，并证明N端23～27位氨基酸是控制核转位的关键氨基酸，作者采用基因工程的方法，切除aFGF N端21～26位的AsnTyrLysProLysLeu,即去除了和aFGF促分裂效应密切相关的部分，并将第27位的亮氨酸残基用蛋氨基酸残基来替代，得到了非促分裂型haFGF（nonmitogenic human acidic fibroblast growth factor，nmhaFGF）改构体［19］。研究显示，该改构体的促分裂活性显著降低，同时保留了其对肠道、视网膜、心肌等缺血再灌注损伤的拮抗作用［2023］。作者等进行的nmhaFGF对大鼠RIRI作用的研究也表明，去除其促分裂活性的nmhaFGF仍具有和aFGF同等的改善肾功能作用和拮抗肾组织损伤作用［15,24］。由此可初步判断，aFGF的非促分裂活性可能是其抗RIRI作用的一个关键环节，但具体机制还有待于进一步研究。

    总之，RIRI的治疗已经成为肾脏疾病治疗的一个突破口，aFGF虽然不能完全治疗或防止损伤的发生，但它可以改变早期RIRI的过程，从某种意义上来说，aFGF对急性RIRI的治疗可能具有更深的潜力，可为RIRI的治疗提供新的思路和方法。

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