基質細胞衍生因子-1及其受體CXCR4在骨髓干細胞治療腦梗死中的作用

陸 琳，楊萬章

腦梗死是最常見的腦血管疾病。以往認為，腦梗死致殘的主要原因在于成熟神經系統的神經元不能再生，導致腦組織功能下降，進而影響肢體功能。但隨著基礎和臨床研究的不斷深入，越來越多的證據表明，胚胎腦和成年腦內均存在一定數量能增殖分化和修復大腦功能的神經干細胞［1］。腦梗死雖然可誘導大腦內源性神經干細胞增殖分化，但由此產生的神經元數量及修復能力遠遠不足［2］。因此，異體干細胞移植和自體干細胞動員迅速成為治療腦梗死的較有希望的治療方法。有研究［3］發現，成體骨髓干細胞（bone marrow stem cell，BMSC）可以分化出包括神經細胞、神經膠質細胞、髓磷脂形成細胞等腦組織所有主要類型的細胞。分化的神經細胞可以有效傳導沖動，神經膠質細胞可為神經細胞提供支持，髓磷脂形成細胞可以增強神經細胞的電沖動傳導等。提示骨髓干細胞可應用于治療腦缺血。基質細胞衍生因子-1（stromal cell derived factor-1，SDF-1）及其特異性受體CXCR4構成的SDF-1／CXCR4軸，在骨髓干細胞定向遷移治療腦梗死的過程中發揮關鍵作用。

1 骨髓干細胞治療腦梗死的研究現狀

目前臨床上利用干細胞技術治療腦梗死有兩類方法。一種是通過藥物激活位于大腦室管膜下區或骨髓等區域的內源性干細胞，使其遷移至腦組織受損部位，發揮替代作用；另一方法是將來源于胚胎或新生兒臍帶血和臍帶的間充質干細胞，通過靜脈、腰穿或直接移植到腦受損的部位，發揮治療作用［4，5］。骨髓干細胞是一類具有自我更新和多向分化潛能的原始骨髓細胞，至少含有三種干細胞，即造血干細胞（hematopoietic stem cell，HSC）、間充質干細胞（mesenchymal stem cell，MSC）和內皮祖細胞（endothelial precursor cell，EPC）等。在某些環境下［6-9］，骨髓干細胞可以被誘導分化成神經干細胞、神經元樣細胞、心肌細胞及肝、肺、骨、血管內皮等多種組織細胞。局部損傷后在多種細胞黏附分子、生長因子和趨化因子的作用下，骨髓干細胞可定向遷移至損傷部位或者其鄰近部位，以對受損組織行結構修復和功能重塑［10］。在骨髓干細胞治療腦梗死的過程中，無論干細胞是否發生定向分化，它們首先必須募集并在受損部位停留，以發揮它們的治療作用。

2 SDF-1／CXCR4軸在干細胞治療腦梗死中的作用

2.1 SDF-1／CXCR4的結構與分布 趨化因子是一組相對分子質量為8×103～14×103的具有趨化活性的細胞因子，是一類分泌型小分子多肽，一般由70個～90個氨基酸組成。根據半胱氨酸的數量和位置在氨基酸序列中的不同，將其分為CXC、CC、C和CX3C四個亞族。1994年Nagasawa等在小鼠骨髓基質細胞系pA6分泌的細胞因子中發現SDF-1，根據其結構和功能屬性，將其歸為趨化因子CXC亞族，并被命名為CXCL12［11］。SDF-1有SDF-1α、SDF-1β和 SDF-1γ三個亞型，其中SDF-1α基因編碼89個氨基酸，SDF-1β基因編碼93個氨基酸。人的SDF-1種群間保守性極強，人源性SDF-1和鼠源性SDF-1高度同源，僅相差1個氨基酸，同源性高達99%。SDF-1在骨髓、大腦、心、肺、脾、肝、腎、胸腺等器官中持續表達。SDF-1的特異性受體CXCR4是通過功能性的cDNA克隆技術獲得的趨化因子受體，又稱為融合素（fusin），由352個氨基酸組成α螺旋7次跨膜結構，分胞外區、跨膜區和胞內區。主要在造血干細胞、神經干細胞、一些組織前體細胞、原精細胞、骨骼肌衛星前體細胞、視網膜色素上皮前體、鼠類胚胎干細胞表面表達。

2.2 SDF-1／CXCR4的細胞內信號轉導途徑 SDF-1與CXCR4的特異性結合能產生跨膜信號，進一步實現其生物學功能。可通過調控PI3K-MAPK及PI-PLC途徑從而改變骨髓干細胞的遷移能力，其中又以PI-PLC途徑為主，而SDF-1／CXCR4介導的骨髓干細胞遷移與PI3K-MAPK途徑下游所激活的基質金屬蛋白酶（MMP）有關。SDF-1的趨化活性與其他趨化因子相同，可以被百日咳毒素阻斷，提示CXCR4受體通過Gi蛋白轉導信號［12］。PTX處理過的造血干細胞歸巢能力顯著下降［13］，說明SDF-1／CXCR4調節信號的跨膜傳遞，偶聯 PTX敏感的Gi蛋白受體家族。SDF-1只有與CXCR4的第2胞外環ECL2結合后才能啟動下游信號途徑，主要包括激活鈣流、激活黏著斑元件（如銜接蛋白、黏著斑激酶等）、激活絲裂酶原活化蛋白激酶途徑、激活PI-3K-AKT-NF-κB途徑、激活JAK-STAT途徑等，將趨化、生長、增殖或分化信號傳遞至細胞核。Stokman等［14］研究發現，SDF-1／CXCR4結合后可提升環磷腺苷（cAMP）并激活PKA，PKA再通過Ser-188磷酸化而阻斷Rho與Rho激酶的相互作用，或者在細胞毒素T細胞中改變其從胞膜到胞質溶膠的定位使Rho失活，再介導其下游一系列磷酸化／脫磷酸化反應。眾多研究表明，SDF-1／CXCR4軸的趨化作用是通過幾個互補的信號通路相互作用而不是激活某個單一的信號通路而實現的。

2.3 SDF-1／CXCR4的生物學效應和腦梗死治療 隨著實驗者對SDF-1／CXCR4軸的生物學功能研究不斷深入，現已知其功能主要有調控干細胞遷移；介導免疫及炎癥反應；與艾滋病（HIV）病毒感染有關；參與胚胎發育過程；介導惡性腫瘤的生長、浸潤和轉移等［15］。SDF-1與CXCR4結合后對骨髓干細胞在體內的募集和歸巢的影響，主要包括趨化作用、黏附作用和促分泌作用等。目前尚無研究證明SDF-1能否影響干細胞的存活。

2.3.1 SDF-1／CXCR4軸與干細胞的趨化 在缺血、缺氧、損傷或者病理微環境中，SDF-1在細胞表面整合素激酶、低氧誘導因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）的作用下表達釋放增加［16］。CXCR4在正常時幾乎無表達，而在局部缺血時表達明顯增加。Imitola等通過研究發現，在神經干細胞遷移到腦梗死損傷區進行修復的過程中，病灶區殘存或者邊緣區來源的組織內皮細胞和星形膠質細胞SDF-1的表達上調，進而激活神經干細胞表面的受體CXCR4，形成SDF-1／CXCR4軸效應，調控神經干細胞向梗死區遷移［17］。組織器官損傷后產生的炎癥因子可刺激骨髓間充質干細胞內部的CXCR4轉移到細胞表面［18］，趨化因子SDF-1對骨髓間充質干細胞表面的CXCR4具有極強的化學吸引作用，其與CXCR4的特異結合介導骨髓間充質干細胞的定向遷移和歸巢。申明琪等［19］的體外實驗證明，骨髓間充質干細胞向梗死后腦組織上清液發生明顯細胞遷移，用ELISA法檢測出梗死后腦組織上清液中SDF-1水平顯著提高，同時骨髓間充質干細胞表面的CXCR4表達明顯上調。說明骨髓間充質干細胞具有向缺血缺氧腦損傷組織趨化遷移能力，SDF-1／CXCR4軸在該定向遷移過程中可能發揮重要作用。張志堅等［20］體內移植研究顯示，將骨髓間充質干細胞移植到腦梗死大鼠體內2周后，干細胞集中分布于大腦梗死灶周圍，而用AMD3100阻斷CXCR4后，遷移到梗死灶周圍的骨髓間充質干細胞大大減少。此結果說明，在體內骨髓間充質干細胞的遷移行為受CXCR4阻斷的影響，同時提示腦梗死后損傷組織的SDF-1分泌很可能增加。此外，骨髓與外周血之間、外周血與損傷組織之間存在的SDF-1濃度梯度可以誘導造血干細胞的遷移［21］。

2.3.2 SDF-1／CXCR4軸與干細胞的黏附 內皮細胞表面表達的SDF-1不僅能捕獲遷移中的骨髓干細胞，同時通過SDF-1／軸CXCR4軸介導的細胞反應，激活干細胞穿越內皮細胞層的遷移運動。SDF-1不但是化學趨化因子，還能使干細胞“滯留”在血管周邊［22］。這些作用的實現都需要黏附分子的參與。SDF-1通過活化干細胞表面的多種黏附分子，調節細胞與纖維蛋白原、纖維連接蛋白、間質細胞及內皮細胞的黏附。SDF-1啟動了細胞間黏附分子-1（ICAM-1）／淋巴細胞功能相關抗原-1（LFA-1）以及血管細胞黏附分子-1（VCAM-1）／超延遲抗原-4（VLA-4）之間的黏附；并引起細胞極性改變和促使干細胞透過內膜下胞外基質跨血管壁運動，若阻斷VLA-4或VCAM-1，干細胞歸巢能力將至少下降90%。SDF-1也通過影響細胞內骨架蛋白的重排，增加絲狀肌動蛋白束的數量和厚度來提高細胞的運動能力。在大鼠腦損傷后骨髓間充質干細胞的體外遷移試驗中，選擇性趨化因子單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）、人巨噬細胞炎性蛋白1α（MIP-1α）和白細胞介素-8（IL-8）也有表達，但這些黏附分子的具體作用機制尚不清楚［23］。

2.3.3 SDF-1／CXCR4軸與干細胞的分泌 CXCR4與SDF-1結合并活化核轉錄因子NF-κB后，可激活干細胞分泌基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）、基質金屬蛋白酶-9（MMP-9）、NO以及某些細胞因子、生長因子等，調節干細胞的部分自／旁分泌作用。Son等［24］研究顯示，造血干細胞、骨髓間充質干細胞、臍帶血干細胞均可分泌活性的 MMP-2、胞膜1型-MMP（MT1-MMP）。在缺氧環境下，干細胞分泌 MMP-2、MMP-9和MT1-MMP增加，與干細胞趨化和毛細血管形成密切相關。同時，SDF-1能促進CD34＋細胞內的鈣離子濃度的增高，且AKT的活化可以使第二信使NO的產生增加，NO能增強SDF-1誘導的骨髓干細胞的趨化性。

2.3.4 SDF-1／CXCR4的其他作用 有研究發現，腦損傷后SDF-1αmRNA表達和SDF-1α蛋白合成沒有增加，但1d～3 d后在腦皮層彌散分布，且CXCR4mRNA以及蛋白合成的增加有顯著性差異，同時Nestin陽性細胞的分布也增加，說明SDF-1α／CXCR4系統能夠促進神經干細胞在腦損傷后的腦區表達［25］。SDF-1在小腦中可以調節突觸的傳遞［26］；離體實驗證實SDF-1能夠通過抑制Rho激酶的活性來促進神經元軸突的延伸［27］；Salvucci等［28］實驗證明 SDF-1能促進內皮細胞表達VEGF，而VEGF等夠誘導內皮細胞表達CXCR4。若阻斷SDF-1／CXCR4軸的功能，可抑制VEGF依賴的血管形成。說明SDF-1能調節內皮細胞遷移及血管新生。

此外，SDF-1α／CXCR-4可作為糖尿病視網膜病變預測指標，阻斷SDF-1α／CXCR-4軸可能可以延緩或阻止糖尿病視網膜病變的發生發展［29］；區文超等［13］通過實驗證明，增加CD34＋細胞CXCR4的表達有助于宮內移植HSC的歸巢，HSC宮內移植歸巢過程依賴CXCR4受體；王軼英［30］的研究結果提示，SDF-1及CXCR4在正常妊娠的不同時期均發揮著重要作用，SDF-1及CXCR4在孕早期表達較強，峰值持續至孕中期，隨著妊娠的繼續，表達逐漸減弱。

3 展 望

就目前的研究認為，SDF-1／CXCR4軸在骨髓干細胞遷移的各個環節均起重要作用。然而，干細胞的歸巢受到多種因素的影響。除SDF-1／CXCR4軸外，腦源性生長因子、肝細胞生長因子、胰島素樣生長因子、血管內皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子等對干細胞的遷移可能都有一定調控作用［31］。

腦組織損傷后修復是一個多因素多環節的過程。由于干細胞領域基礎研究的迅速發展，骨髓干細胞的臨床應用逐漸成為治療缺血性腦血管病變有效方法之一。近幾年來關于SDF-1及其受體CXCR4的研究取得越來越多有價值的成果，SDF-1的作用也日益受到重視，SDF-1／CXCR4軸的生物學效應被視為骨髓干細胞治療腦梗死的過程中的關鍵環節。隨著SDF-1／CXCR4軸作用機制研究的不斷深入，調控SDF-1／CXCR4軸，增加干細胞的治療效果，將成為治療缺血性腦血管病的一個全新的干預靶點。

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