独家原创|成纤维细胞生长因子在小鼠胰腺发育中的作用

博士，温州医科大学特聘教授。在美国 Mayo Clinic 从事肿瘤生物学及转化医学研究 20 余年。在肿瘤基因分析、信号转导、表观遗传学、干细胞调控、新靶点发现以及高通量测序应用等领域积累了丰富经验。曾获得梅奥癌症中心与美国癌症学会联合新人奖（2012）、美国胰腺学会 2001 年会Hirshberg 奖（唯一获奖人）。2015 年起在温州医科大学药学院任特聘教授、附属第一医院精准医学中心特聘教授及技术主任、温州医科大学国际生长因子联合研究院执行院长。目前研究方向是肺脏发育和肺组织损伤修复/再生机制 , 以及肿瘤转化及精准医学研究。

陈雯 ¹ ，许会静 ² ，张金三 ^1* ，李校堃 ¹

（1. 温州大学生命科学研究院 , 浙江 温州 , 325000；2. 温州医科大学药学院 , 浙江 温州 , 325000）

[摘要] 成纤维细胞生长因子（FGFs）家族与胰腺的发育密切相关。小鼠胰腺发育期间， FGFs 与胰腺发育相关的转录因子协同调控祖细胞的增殖、分化，对祖细胞的分化方向具有极大的指导性。同时，对腺泡、导管和胰岛的形态演变及功能成熟也具有一定的调控作用。其中，FGF21 主要调控胰岛功能成熟，FGF2、FGF4、FGF7 以及 FGF10 在胰腺发育前期发挥主要作用，调控胰腺谱系形成。通过对胰腺发育与 FGFs 之间的相互作用及其研究进展展开综述，为胰腺相关疾病的研究提供参考。

成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factors，FGFs）广泛存在于生物体中，是一种高度保守的多肽，通过激活成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growthfactors receptor，FGFR) 发挥其生物学功能 , 如调节细胞信号转导，控制细胞增殖、分化和迁移，参与胚胎发育 , 组织损伤修复 , 新生血管形成 , 干细胞增殖分化 , 神经再生 , 钙磷代谢等，成为不同器官中上皮 -间质相互作用的介体 [1-3]。同时，在创伤修复、心血管系统疾病、神经系统疾病以及软骨再生中均扮演重要角色 [4]。目前已发现 23 个 FGFs 家族成员和 4 个FGFR 家族成员。FGFR 主要由 1 个胞质酪氨酸激酶结构域、2 个或 3 个 Ig 样结构域（称为环Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ）组成，其中环Ⅲ的 C 端部分决定了受体的特异性 [5]。FGFR1、FGFR2 和 FGFR3 在第 3 外显子处进行剪接，产生 “b”或“c”亚型 [4]。其中“b”亚型主要在上皮细胞表达，“c”亚型主要存在于间充质组织。

胚胎发育过程中，FGFs 广泛表达在胰腺前体细胞周围的间充质中，通过旁分泌机制刺激胰腺前体细胞向间质细胞迁移从而启动胰腺发育过程 [3]，并参与调控内分泌胰腺细胞的精准分化 [6-7]。为更好地了解 FGFs 及其受体调控胰腺发育的研究现状，本文将对 FGFs 在胰腺发育中的相关研究进展进行综述。

1 小鼠胰腺发育概述

胰腺的器官发生可分为 3 个阶段。第 1 阶段为胚 胎 期（embryo, E）8.5 d—E12.5 d，胰腺以 2 个独立胰芽的形式出现；E10.5 d—E11.5 d，背芽和腹芽不断延伸，分布在十二指肠两侧；E12.5 d，2 个胰芽融合在一起，进行分支和扩张，胰腺祖细胞形成内外分泌簇（见图 1a）。第 2 阶段为 E13.5 d—E16.5 d，此时胰腺祖细胞增殖能力降低并开始分化，E14.5 d 时，导管和腺泡（即外分泌部分）形成，呈现出独特的分支形态；而内分泌前体细胞则通过分层的方式从分支中脱离，聚集在主干中 [8-9]（见图1b）。E16.5 d 至出生后为第 3 阶段，此阶段胰腺的内外分泌部得到重塑趋于成熟，E17.5 d，成熟的细胞聚集，形成具有腺泡、导管和胰岛的胰腺雏形（见图 1b）。

2 成纤维细胞生长因子在胰腺发育中的作用

根据 FGFs 家族成员的序列同源性和功能不同可将其分为 7 个亚家族（见图 2）。分别是 FGF1、FGF4、FGF7、FGF8、FGF9、FGF11 和 FGF15/19亚家族。FGF1 和 FGF2 是最早发现的 FGF 家族成员，它们属于 FGF1 亚家族。FGF1 亚家族通过调控下游信号通路，对组织器官的形成、血管生成等具有重要作用。研究表明，重组 FGF1 具有胰岛素致敏作用，对于胰岛素抵抗和 2 型糖尿病的治疗具有重要的指导意义 [10]。FGF4、FGF5、FGF6 共同组成了 FGF4 亚家族，FGF4 在胚胎和组织干细胞的增殖分化过程中发挥主要的调控作用；FGF5 主要作用于毛囊生长周期；FGF6 对肌肉修复和心肌保护起主要作用 [11]。FGF3、FGF7、FGF10 以 及FGF22 组成了 FGF7 亚家族，其中，FGF7 可以促进骨骼的形成 [12]；FGF10 在多种器官发育中发挥调控作用，并与肿瘤的发生发展以及创面修复和干细胞的增殖分化有关 [13]。FGF8 亚家族由 FGF8、FGF17、FGF18 组成，其中 FGF17 参与神经形成，脑部以及动脉、骨骼的发育，在胚胎发育和肿瘤形成中具有一定的作用；FGF18 在骨骼发育中也起着重要作用 [14]。FGF9 亚家族成员有 FGF9、FGF16、FGF20，它们主要与受体 FGFR1c、FGFR2c、FGFR3c、FGFR3b 以 及 FGFR4 结 合，FGF9 在 多种组织中表达，与人类肥胖相关 [15]。FGF11 亚家族主要由 FGF11、FGF12、FGF13、FGF14 组成，属于胞内蛋白，无法分泌到细胞外，因此不能与FGFR 结合。FGF15/19 亚家族由 FGF15/19、FGF21和 FGF23 组成，这个亚家族成员主要调控机体胆汁酸平衡、调节葡萄糖和脂质代谢等过程。本文重点对小鼠胰腺发育中 FGF2、FGF4、FGF7、FGF10、FGF21 和 FGF23 的作用机制进行综述。

2.1 成纤维细胞生长因子 2 在小鼠胰腺发育中的作用

FGF2 主要通过 FGFR1、FGFR2 和 FGFR3 的IIIc 亚型起作用。同时，它也以较低的亲和力与FGFR1b 和 FGFR4 结合 [2-3]。大量证据表明内分泌表型由胰腺前体激活，FGF2 是诱导人胰腺前体细胞定向迁移和聚集以形成胰岛细胞聚集体的有效趋化剂，促进肠管形成和胰腺分化过程 [4]。在内胚层中，FGF2 是胰腺前体细胞启动形成的趋化因子 [16-17]，通过丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated proteinkinase，MAPK）信号通路激活胰腺十二指肠同源盒 1（pancreatic and duodenal homeobox 1，Pdx1）的表达（见图 3）[18]。此外，FGF2 可以激活内分泌、自分泌、旁分泌的甘露聚糖，刺激细胞聚集和细胞簇形成的初始过程，这是内分泌胰腺发育和分化的重要步骤。

FGF2 将人胚胎干细胞分化形成的定型内胚层以浓度依赖的方式指定为前肠和中肠的特定谱系，例如肝、胰、肺和肠的祖细胞，保留了在前肠内胚层中的功能 [19-20]。最近， Dettmer 等 [21] 利用人多能干细胞（human pluripotent stem cells，hPSCs）探究了 FGF2、FGF7、FGF10 和表皮生长因子（epidermalgrowth factor，EGF） 对 人 胰 腺 发 育 的 影 响， 发现 FGF2 在人类胰腺中的作用与动物模型不同。人体胰腺早期发育时，FGF2 刺激音猥因子（sonichedgehog，Shh）的表达，同时以剂量依赖的方式抑制 Pdx1 的表达。然而，小鼠胰腺发育的早期阶段，新生的胰腺内胚层分泌 FGF2，抑制脊索 Shh 的表达 [22-23]。因此，FGF2 在动物和人体中的具体作用还需要进一步探究。

2.2 成纤维细胞生长因子 4 在小鼠胰腺发育中的作用

FGF4 信号传导在内胚层中对 Pdx1+ 细胞所在区域的前肠内胚层的分化进行调控 [24-25]，主要通过FGFR1c 和 FGFR2c 发出信号，与维甲酸（retinoicacid，RA）共同促进内胚层的形成和胰腺的扩增（见图 3），同时诱导胰腺标志物的表达。此外，FGF4可以主导形成导管样上皮的增生，阻遏外分泌的分化，这可能是由于间充质细胞为适应 FGF4 信号传导改变特性而引起的间接作用。已有研究表明，FGF4 的异常表达导致上皮结构散乱分布于基质组织中，破坏胰腺形态的发生。同时，FGF4 对 Pdx1 的表达调控呈现剂量依赖性，中等水平的 FGF4 表达量是维持 Pdx1 表达的重要条件之一，高水平的表达量则会抑制 Pdx1 的表达。因此，FGF4 对内胚层的形成起一定的调控作用，进而影响胰腺早期发育过程 [26]。

2.3 成纤维细胞生长因子 9 在小鼠胰腺发育中的作用

FGF9 在胰腺间质中表达，可诱导胰腺间质中潜在的 Sprouty 相关的酪氨酸激酶结合蛋白 1（Sprouty-related enabled/vasodilator-stimulatedphosphoprotein homology 1 domain 1，Spred1）的表达。Sylvestersen 等 [27] 在细胞实验中已经证明 Spred和 受 体 酪 氨 酸 激 酶 的 胞 内 负 调 节 器（Sprouty，Spry）家族的一些成员在胚胎小鼠胰腺中表达，并发现 Spred1/2 以及 Spry2/4 主要表达于胰腺间质，由多种受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK） 途 径 诱 导。利 用 胚 胎 胰 腺 外 植 体 培 养，Sylvestersen 等 [27] 证明 Spred1/2 和 Spry2/4 在 FGF9的下游表达，通过 FGF9 的调控而增加。同时 FGF2和 FGF9 可以激活 FGFR 的“c”亚型诱导间质Spred1/2 和 Spry2/4 的表达，这是因为间质可以直接或间接对具有“c”亚型特异性的 FGF 信号作出反应。上皮-间质相互作用对胰腺的正常发育很重要，然而目前关于 FGF 向间质发出信号的研究依然很少，包括信号作用靶点、作用方式等，这些问题仍需要继续探索。

2.4 成纤维细胞生长因子 7 在小鼠胰腺发育中的作用

FGF7 和 FGF10 促进胚胎胰腺上皮细胞的增殖和形态发生并参与胰腺上皮细胞的分化程序。尽管它们不改变从无间充质胰腺残基分化出的内分泌细胞的数量，但仍会诱导外分泌组织的发育。转基因小鼠中，在载脂蛋白启动子的控制下，FGF7 的过表达会引起胰岛素表达的增加，这表明 FGF7 可能诱导内分泌细胞的分化 [5, 10]。另外，表达 FGFR2b的胰腺上皮细胞的生长速度受到 FGF7 浓度的调控，同时抑制内分泌组织的发育，其中 FGF7 仅与FGFR2b 结合，激活胰腺上皮细胞增殖，抑制内分泌细胞分化（见图 3）[7]。

2.5 成纤维细胞生长因子 10/FGFR2b/Sox9 信号在小鼠胰腺发育中的作用

通过前期研究发现，FGF10-/- 的小鼠出生致死，FGF10+/- 的小鼠四肢和肺部发育异常，同时还表现出胰岛素表达细胞明显减少，这表明 FGF10 对胰岛功能具有调控作用。

Sry相关组蛋白9（SRY-related HMG-box gene 9，Sox9）是维持胰腺祖细胞中 FGFR2b 表达所需的细胞自主因子。FGFR2b 通过细胞聚集以及自分泌和旁分泌作用形成簇进而调节内分泌胰腺的发育和分化 [28]。Sox9 形成了基因调控网络的核心，该基因调控网络对于正常器官生长和维持器官身份至关重要。在胰腺早期发育期间，Sox9+ 祖细胞特异性消融会引起胰腺到肝细胞命运的转换。Sox9 缺乏则会导致FGFR2b+ 细胞自主丢失，而 FGFR2b 是转导间充质FGF10 信号所必需的 [29-30]。同时，又需要 FGF10 维持上皮祖细胞中 Sox9 和 FGFR2b 的表达。这表明Sox9、FGFR2b 和 FGF10 在早期胰腺发育中形成前馈表达环 [31]。这种自我促进的 Sox9/FGF10/FGFR2b反馈环可在广泛的发育和再生环境中调节细胞身份和器官大小。有研究表明 EGF、FGF10 是胰腺再生期间的形态发生原，能够在体外刺激 MAPK 和蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB 或 AKT）的表达 [32]。胰腺再生时，FGF10 可以激活 AKT，AKT 再激活下游通路（见图 3），通过保护导管祖细胞免受程序性死亡促进再生，这对导管细胞体外扩增以及 β细胞置换的治疗过程具有一定的指导意义。目前的研究中发现，早期 FGF10 缺失会抑制祖细胞的分化，影响内分泌腺的形成和成熟。对FGF10 的理解和探究将有助于推动胚胎胰腺发育不良的治疗，但此过程中 FGF10 影响的具体路径和作用机制还需要深入挖掘。

2.6 成纤维细胞生长因子 21 在小鼠胰腺发育中的作用

FGF21 是葡萄糖稳态的有效调节剂，通过具有酪氨酸激酶活性的细胞表面受体起作用，其合成和分泌可由多种代谢和细胞应激触发，比如饥饿和 ER应激等。FGF21 在调节 β 细胞增殖和胰岛素合成中发挥重要作用，主要通过调节生长激素（growthhormone，GH）信号传导来实现 [33]。已有研究发现，FGF21 抑制了胰岛中 GH 信号的传导，从而抑制 GH 诱导的胰岛素表达、β 细胞增殖等过程 [33]，影响胰腺正常发育。

胰岛是 FGF21 的主要靶标之一，FGF21 的缺失将直接影响胰岛功能和细胞的生长。葡萄糖诱导细胞外调节蛋白激酶 1 / 2 (extracellular regulatedprotein kinases1/2，ERK1/2) 的活化和核易位刺激胰腺 β 细胞中胰岛素基因的转录，FGF21 通过激活ERK 1/2 和 AKT 信号通路调控胰岛素含量，使胰岛素在 2 h 内恢复到基础水平 [16]。研究表明，FGF21可以通过减少胰岛的糖脂毒性和细胞凋亡，进而保护糖尿病小鼠的 β 细胞不受损伤，但并不影响胰岛细胞的增殖，仅抑制因过度生长引起的 β 细胞的扩增 [33]。在健康大鼠分离的胰岛中，FGF21 增加了胰岛素的 mRNA 和蛋白质水平，并没有增强葡萄糖诱导的胰岛素分泌，但会增加糖尿病患者胰岛的胰岛素分泌和胰岛素含量，并通过激活 ERK1/2 保护细胞免于凋亡（见图 3）[34]。以上研究表明 FGF21 是维持胰岛素敏感性、胰岛细胞正常生长、胰岛素合成和胰岛功能的关键因素。此外，FGF21 通过与FGFR 和抗衰老基因编码蛋白 β-Klotho 组成的酪氨酸激酶受体复合物刺激腺泡细胞分泌消化酶 [6, 35]，缓解空腹/进食等生理条件下以及胰腺炎等病理条件下产生的内质网应激。

2.7 成纤维细胞生长因子 23 在小鼠胰腺发育中的作用

FGF10 和 FGF23 是腹侧胰腺正常发育必需的，并通过内胚层发送信号激活 P48 的起始表达。有研究发现，FGF10 和 FGF23 对胰腺和肝脏这 2 个器官具有完全相反的作用，二者共同诱导胰腺标志物的表达，同时抑制肝脏标志物表达。当体内缺乏这 2 种生长因子时，肝脏会向后扩展，损害胰腺中Pdx1+ 细胞，引起发育畸形。胰腺腹侧中胚层（lateralplate mesoderm，LPM），它可以释放调控信号，控制腹芽的规格和生长，从而形成外分泌腺 [14, 36-37]。胚胎发育早期，内胚层表达 FGF23 基因，介导从内胚层到中胚层的信号传导，触发胰腺 LPM 模式。FGF10 与 FGF23 作用于胰腺外侧 LPM，两者共同促进腹胰发育 [38]。当 FGF23 表达缺失，腹芽的发育被推迟但不被阻断，这个过程中背芽的发育基本没有受到影响。因此，FGF23 主要在建立胰腺 LPM的模式和腹芽的规格中发挥作用 [39]。

3 结语和展望

小鼠胰腺发育过程中，存在易受不适条件攻击的关键时期，尤其是体内信号阻断或缺失将会对机体造成不可逆的损伤，包括出生后发育缺陷、器官功能低下，以及成年后潜在疾病的发生发展。本文中，FGFs 及其受体参与调控胰腺发育过程，胰腺发育早期，FGF2促进细胞簇形成，FGF4促进内胚层的分化、形成，并主导导管样上皮的增生，为胰腺的形成和成熟奠定基础，但 FGF2 在人体和动物中的作用机制有差别。FGF7、FGF9、FGF10 表达于胰腺间质，FGF9 调控间质 Spry 和 Sproud 信号传递。而 FGF7和 FGF10 同属于 FGF7 亚家族，主要激活在上皮细胞表达的 FGFR2b 受体，FGF10、FGFR2b 与 SOX9又形成反馈环，调控胰腺祖细胞增殖分化，诱导内外分泌祖细胞准确分化为腺泡、导管和胰岛祖细胞，这是胰腺正常演变的必要条件。FGF21 通过 β-Klotho激活 AKT、ERK 信号通路，保护胰岛正常功能。这些结果表明不同的 FGF 对胰腺内外分泌的调控作用和机制不同，需要对其深入挖掘，明确 FGF 的作用靶点，为疾病的治疗打下坚实基础。

● 想回顾《药学进展》编委会主办和协办过的精彩活动吗？请戳这里！

聚焦2020南京国际生命健康科技大会

• “铁肩担道义，妙手著文章”——第六届《药学进展》 编委精英研讨会在宁召开
  

• “中国生物医药产业链创新与转化联盟”揭牌成立仪式暨筹备会议纪实

• 2020南京国际生命健康科技大会盛大开幕，开启中国生物医药产业链创新合作新时代！

• 领创生命科技，助力健康未来 | 第六届药学前沿高峰论坛精彩回顾（II）

• 领创生命科技，助力健康未来 | 第六届药学前沿高峰论坛精彩回顾（III）

• 药咖创投荟·中德生命健康创新创业大赛精彩回顾

聚焦2020南京国际新医药与生命健康产业创新投资峰会

• 峰会聚焦：金秋九月，创新名城再度发力，百余位行业大咖共话南京生命健康产业新图景！
  

• 峰会聚焦：后疫情时代，中国新药研发如何逆势而上，做好前瞻性布局？
  

• 峰会聚焦：探索小分子创新药与高端制剂产学研协同合作创新之路
  

• 峰会聚焦：众大咖汇聚2020生物制药产业创新论坛
  

• 峰会聚焦：把脉中医药创新发展，栖霞生物医药“小硅谷”崛起
  

• 峰会聚焦：先进体外诊断与高端医疗器械产业创新论坛
  

• 峰会聚焦：创新药临床开发——“临床试验与药事管理高峰论坛”精彩回顾
  

• 峰会聚焦：五大创新药项目精准对接资本
  

• 峰会聚焦：药咖创投荟项目路演暨中德项目路演专场精彩回顾

  
  

药咖微视

• 药咖微视丨陈凯先院士：我国生物医药产业发展与新药研发步伐加快，未来机遇与挑战并存
  

• 药咖微视 | 南京医科大学沈洪兵院士：医学与药学融合创新，助推南京新医药产业发展

• 药咖微视 | 邓子新院士：中国新药奋起直追，创新路上永无止境

• 药咖微视 | 陆涛教授：凝聚各界智慧，助力健康中国建设

• 药咖微视 | 东南大学附属中大医院副院长邱海波：加强战略储备是应对重大突发公共卫生事件的有力武器

• 药咖微视 | 药渡李靖：药渡医药产业地图，预见中国新药研发下一个十年

• 药咖微视 | 越洋医药闻晓光：科教资源与制剂专家是南京发展二类新药的禀赋与优势

• 药咖微视 | 药明生物陈智胜：赋能初创企业，加速新药的布局与上市

• 药咖微视 | 亚盛医药杨大俊：依托临床资源优势，打造南京生物医药特色产业链

• 药咖微视 | 圆和医疗缪晓辉：科学定位用户群体，积极吸引医疗人才——中高端私立医疗机构发展之道

• 药咖微视 | 东南大学附属中大医院陈宝安：充分协调资源，让在研药物为临床晚期肿瘤患者带来更多生存希望

药咖专访

• 药咖专访 | 朱迅教授：南京生物医药产业如何发挥后发优势？补短板不如拼长板！
  

• 药咖专访 | 张连山博士：打造南京新医药与生命健康产业地标，加强产业要素集聚是关键

• 药咖专访 | 阿斯利康黄彬：依托阿斯利康全球网络，为创新企业打造发展中国市场、链接全球市场的首选入口

• 药咖专访 | 迈胜医疗田源博士：让“校友经济”成为南京发展新医药与生命健康产业的新动力
  

• 药咖专访 | 李靖博士：数据与情报是加速生物医药研发的重要资源和基础

• 药咖专访 | 王劲松博士：专注源头创新与核心技术，打造南京新医药产业独特竞争优势

• 药咖专访 | 亚盛医药杨大俊博士：坚持定位全球创新与瞄准全球市场，做中国自己的全球原创新药
  

• 药咖专访 | 郑维义博士：依托科教与医疗的资源禀赋，将南京打造成全球有影响力的转化医学中心

点一下你会更好看耶