SDF-1/CXCR4信号轴在调节干细胞迁移及发育中的作用

孟晨，吴小涛

(1．东南大学医学院，江苏南京 210009;2．东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

在高等生物的生长过程中，干细胞及其他定向发育的祖细胞必须从他们产生的区域迁移至特定的区域并增殖分化成特定的器官或组织。在成体许多组织中的干细胞池内存储有许多多能干细胞和定向祖细胞，当需要组织再生和修复时，这些细胞就会扩增并迁移至特定区域。Kucia等［1］的研究发现，在胚胎发育的过程中就有一部分干细胞被储存起来以便将来需要时被动员起来发挥作用。另外，干细胞的定向迁移也是许多疾病的特征，如肿瘤转移就是依靠肿瘤干细胞(tumor stem cell，TSC)的定向迁移实现的。因此，理解这种干细胞的定向迁移是怎样产生及在这些机制中是否存在一些共同特征相当重要。

1 SDF-1及其受体CXCR4的结构

SDF-1也叫作基质细胞衍生因子1或CXCL12，属于CXC趋化因子家族成员，其分子结构为N端两个半胱氨酸(CY)之间被另一个氨基酸残基X所分隔，由骨髓基质细胞产生，其最初被认为是B系祖细胞的生长因子。SDF-1的两个异构体SDF-1α和SDF-1β在调节表达和功能方面均相同［2］。CXCR4为SDF-1的特异性受体，其基因编码352个氨基酸。在人体内，其编码基因位于人染色体2q21，是高度保守的G蛋白偶联的第7跨膜区受体。CXCR4表达于骨髓、脐血和动员的外周血来源的CD34+细胞表面，还可在多种非造血细胞和器官上表达［3］。SDF-1与CXCR4具有高度的亲和力，两者特异性结合，形成SDF-1/CXCR4轴，启动细胞内信号转导系统，发挥多种生物学功能，与胚胎发育、炎症反应、HIV感染、造血细胞调控以及干细胞的迁移等有密切关系。

2 SDF-1/CXCR4信号轴在胚胎发育各系统中的作用

McGrath等［4］发现，SDF-1和 CXCR4广泛表达于胚胎发育的整个过程中。在胚胎发育还处于胚泡阶段时，在青蛙、鸡、斑马鱼及老鼠的胚胎中就已经有SDF-1及CXCR4的表达。SDF-1及CXCR4都表达于内胚层来源的胚胎干细胞，而且SDF-1能够增强这些细胞的生存率并促使其发生迁移［5］。因此，SDF-1/CXCR4信号轴在发育早期就已经在干细胞中发挥重要作用。除了在干细胞迁移、发育及器官形成中发挥作用，对各个不同的组织而言，SDF-1/CXCR4信号轴也发挥着一些组织特异性的作用。在神经系统的发育过程中，SDF-1/CXCR4信号轴也可以作为轴突导向线索［6］。

通过比较敲除SDF-1/CXCR4基因老鼠的表型发现，最主要的异常表现在小脑的发育上［7］。在这部分脑组织的发育过程中，小脑颗粒细胞祖细胞定植于软膜下一个被称为外颗粒细胞层的区域并不断增殖。一旦祖细胞库扩张到一定程度，有丝分裂后细胞便向内迁移并形成内颗粒细胞层。内颗粒细胞层是成熟颗粒细胞正常所在的区域。然而，在SDF-1或CXCR4缺陷的老鼠中，颗粒细胞祖细胞在早期就向内迁移，并异位定植于Purkinje细胞层。CXCR4表达于在外颗粒层中分化的祖细胞，而SDF-1则由脑膜合成和分泌。因此，SDF-1介导的化学诱导作为一个信号可以使祖细胞存在于外颗粒细胞层［6］。如果SDF-1/CXCR4信号轴被阻断，则祖细胞不再仅仅固定在外颗粒细胞层，并且对其他趋化因子产生反应从而导致其不适当的早期向内迁移。

SDF-1调控干细胞迁移也是外周神经系统的一项特征。因CXCR4是由神经嵴衍生的DRG祖细胞分泌，而这些祖细胞由背侧神经管迁移而来;SDF-1则由间充质细胞表达并沿着他们迁移的路径分布［8］。当SDF-1/CXCR4信号轴被阻断时，DRG神经元的迁移也被阻断，进而导致在小鼠中形成异常的DRG细胞［9］。胚胎DRG神经元既表达SDF-1又表达 CXCR4，这表明SDF-1/CXCR4信号轴对这些细胞有某种潜在的自分泌作用［10］。实际上，在体外培养环境中，当SDF-1/CXCR4信号轴被阻断时，能显著降低这些神经元的存活率。因此，在发育的不同阶段，SDF-1能够对祖细胞迁移、轴突生长及DRG神经元的生长产生各自不同的作用。

SDF-1介导的信号通路在造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)的发育过程中也发挥着重要作用。在哺乳动物中，最原始的HSC在卵黄囊中就已出现，并且在几天后局限在一个称为“主动脉-性腺-中肾(AGM)”的结构内。在妊娠第二期，HSC从AGM迁移到胎肝，并成为这一时期主要的造血器官。在妊娠第二期末的时候，HSC离开胎肝并移居到骨髓内。在缺乏SDF-1或CXCR4的小鼠中，HSC能够正常从AGM迁移到胎肝，但却不能进一步迁移至骨髓内［11］。这提示HSC从胎肝迁移至骨髓需要SDF-1/CXCR4信号轴的作用，这与在骨髓细胞中观察到的SDF-1的广泛表达一致。除此之外，SDF-1/CXCR4信号轴对白细胞的发育有着组织特异性的作用，在CXCR4敲除小鼠中存在B淋巴细胞生成缺陷［12］。一个有趣的现象是，在SDF-1或CXCR4敲除的小鼠中存在血管发育缺陷，这最初是在消化系统中发现的［13］。与这一现象一致的是，在卵黄囊血岛中的成血管细胞以及胚胎干细胞来源的内皮细胞中，已经发现有CXCR4受体的表达。在后一种情况中，表达CXCR4的内皮细胞能够沿着SDF-1浓度梯度进行迁移。因此，SDF-1/CXCR4信号轴对胚胎中血管形成的发育有着重要作用。

3 SDF-1/CXCR4信号轴与成体干细胞迁移

SDF-1/CXCR4信号轴在胚胎发育器官形成过程中对调节干细胞的迁移和发育有着重要作用。但是，在成体组织中也有干细胞存在，当机体处于创伤、感染等应激条件下，这些细胞可以被动员起来发挥修复作用以维持机体内环境稳定。绝大多数血细胞的寿命比较短，因此，HSC就要不断被动员起来并分化成各种血细胞以维持内环境的稳定，或是在应激条件下，如创伤、感染等，迅速动员起来产生大量白细胞。正如前述，成人骨髓中的HSC处在SDF-1/CXCR4信号轴的调控之下，当这一信号轴被阻断后，HSC可以迁移至外周血中。这是成人体内许多干细胞介导的修复程序的基本模式。实际上，除了HSC以外，在成体骨髓中还有其他类型的干细胞可以用来发挥组织修复作用［14］。这些干细胞都表达 CXCR4受体并能沿着SDF-1浓度梯度迁移至损伤区域并发挥修复作用。以内皮细胞修复损伤血管为例，血管损伤部位的血小板释放SDF-1，在骨髓或机体其他部位的内皮细胞祖细胞就可以沿SDF-1浓度梯度迁移至损伤区域［15］。陈中璞等［16］研究发现，猪骨髓间充质细胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC)在体外条件下生长稳定，传代后仍保持未分化状态，有分化成心肌样细胞的潜能。在心肌梗死中，梗死部位的SDF-1表达明显升高，骨髓中的BMSC能够迁移至损伤区域发挥修复作用。有研究表明，表达CXCR4的BMSC甚至可以在中风后穿过血脑屏障进入脑组织［17］。实际上在骨髓中，一部分表达CXCR4的细胞也可以表达一些神经标记物如巢蛋白，在中风发生后，这些细胞可以迁移至外周血内［18］。在这种情况下，脑组织中SDF-1的表达由血管周的星形细胞上调［19］。从骨髓中迁移出的这些细胞很可能为新生神经元的来源。但是一般来说，由于血脑屏障的存在，骨髓并不是最合适的神经祖细胞的储存池，除非当损伤以后血脑屏障变得暂时性的通透性增加。人们一直认为，高等动物一旦成熟以后，脑组织中就不再有新的神经元产生，但目前有研究表明并不是这样。在室下区(subventricular zone，SVZ)和齿状回的亚颗粒区及可能的其他的一些区域，仍有一部分的神经祖细胞可以分化成新的神经元、少突胶质细胞和颗粒细胞［20］。实际上在SVZ和齿状回的神经干细胞表达各种趋化因子受体，包括高水平的CXCR4受体［21］。以齿状回为例，绝大多数CXCR4是由幼稚的神经胶质干细胞及其子细胞包括快增殖细胞、神经母细胞及幼稚颗粒神经元所表达。此外，齿状回的神经细胞还表达SDF-1［22］。在成人齿状回中SDF-1与CXCR4的紧密联系提示，SDF-1/CXCR4信号轴是调节成人这部分脑组织神经再生的重要因素。近期的研究表明，SDF-1实际上储存在齿状回神经元的神经递质囊泡中，包括齿状回的γ氨基丁酸能中间神经元例如篮状细胞和颗粒细胞［23］。

在脑的一些病理情况下，SDF-1/CXCR4信号轴对脑的神经再生也有重要作用。例如对中风后发生的神经变性，大脑会尝试自我修复。这一过程包括从SVZ来源的内源性神经祖细胞迁移至需要修复的部位例如脑梗死区周围［24］。脑损害区附近被激活的星形细胞分泌趋化因子如SDF-1作用于内源性神经祖细胞表达的趋化因子受体之上，并刺激它们定向迁移至损害区域［25］。此外，治疗中风的方法之一是引进外源性神经祖细胞到脑组织内，这些细胞可能能够参与脑组织的修复过程。这些可以通过体外培养而扩增的神经祖细胞同样可以表达趋化因子受体，因此它们可以循趋化因子浓度梯度而归巢至脑组织中特定的区域［26］。人们已经在中风导致脑损害的区域内发现表达CXCR4的神经祖细胞，并且当SDF-1/CXCR4信号轴受干扰后能够阻断这一募集反应［27］。神经祖细胞的迁移不仅在神经变性的修复过程中发挥作用，而且在脑组织脱髓鞘后的脑修复过程中也产生重要作用。有人认为，伴随脱髓鞘损害而来的炎症反应可以作为趋化因子的来源，并吸引祖细胞形成少突胶质细胞来促使髓鞘再生。有研究表明，少突胶质细胞祖细胞能够表达如CXCR4之类的趋化因子受体，趋化因子能够对这些细胞产生趋化作用［28］。当向侧脑室内注入少突胶质细胞祖细胞以后，这些细胞能够迁移至发生脱髓鞘损害的部位并发育成少突胶质细胞。

4 SDF-1/CXCR4信号轴与疾病

在许多与干细胞不适当的迁移和发育有关的疾病当中，SDF-1/CXCR4信号轴也发挥重要作用。一个最典型的例子就是肿瘤。肿瘤的生长依赖于“TSC”，这些TSC可以引起原位癌，也可以转移种植至机体其他部位形成转移癌。大量的证据表明SDF-1/CXCR4信号轴能够促进肿瘤的生长［29］。许多肿瘤都能产生SDF-1，这些SDF-1可以发挥类似自分泌的作用促进肿瘤的生长，同时还可以促进肿瘤血管的生成以进一步促进肿瘤生长，这也同时提示CXCR4也发挥重要作用。更引人瞩目的是，TSC能够表达CXCR4的可能性使他们可能沿着SDF-1浓度梯度迁移并向远处转移。很显然，这些区域不是随机的，而是像肺、肝、骨髓或淋巴结等能组成性高表达SDF-1的区域。而且，肿瘤内的缺氧环境可以使许多不同的TSC在HIFα的诱导下高表达CXCR4，这一过程可以帮助TSC归巢到像骨髓等高表达 SDF-1的区域［30］。

在肺纤维化中，肺内成纤维细胞样细胞的异常发育产生成纤维样病灶和异常的肺重塑，并最终导致致命的肺功能障碍［31］。造成这种异常成纤维细胞产生的根源为一种被称作纤维细胞的循环成纤维细胞样祖细胞。这种细胞是一种循环间充质细胞，能够表达CXCR4并能归巢到高表达SDF-1的区域［32］。尽管目前原因还不清楚，但是在肺纤维化中肺组织不断表达SDF-1并吸引纤维细胞生长。在动物模型中，CXCR4拮抗剂能够减少肺内纤维细胞的浓集和肺纤维化。

5 前景与展望

SDF-1/CXCR4信号轴在机体正常发育过程、成体的正常修复过程以及与干细胞相关的疾病中都发挥着重要作用。既然SDF-1/CXCR4能介导诸多干(祖)细胞的迁移和归巢，那么BMSC在椎间盘内的迁移是否也同样受控于该信号轴的趋化，以及能否通过SDF-1/CXCR4信号轴调控BMSC在椎间盘内的迁移和分布呢?椎间盘由中胚层脊索细胞和包裹其周的BMSC经过迁移、分化等过程发育而来，并且刚诞生的椎间盘内还存在广泛血供［33-34］。前文的一些证据提示我们SDF-1/CXCR4信号轴可能在早期就潜在调控着椎间盘形成发育过程中的诸多细胞迁移。此外，研究显示，近80%的退变椎间盘会再次出现大量血管长入［33］，特别在椎间盘源性疼痛病例还常伴有感觉神经与淋巴细胞浸润。而目前对此的解释局限于浸润的血管内皮祖细胞可分泌VEGF、神经生长因子等促进血管神经生长［35］，这显然尚未说明神经祖细胞迁移进入退变椎间盘内的始动原因。然而，SDF-1/CXCR4信号轴介导的干(祖)细胞迁移及发育的机制启发我们，退变椎间盘很可能也因局部损伤或加重的缺血缺氧而形成SDF-1的表达梯度，后者趋化高表达CXCR4的血管、神经祖细胞长入退变椎间盘，甚至还潜在调控着移植的BMSC在椎间盘内迁移、分布与归巢。目前，这些假设还有待于进一步研究证实。

随着对SDF-1/CXCR4信号轴的研究不断深入，其在干细胞的定向迁移、归巢及在靶器官内的增殖、存活、分化的整个过程中的作用不断被揭示。而目前干细胞在治疗各种损伤组织再生修复的研究中已取得初步成效。而且研究表明，SDF-1/CXCR4信号轴参与了组织缺血损伤后血管的新生和干细胞的募集过程。因此，SDF-1/CXCR4信号轴与干细胞治疗相结合，将为各种组织损伤的再生修复提供一个新的治疗策略和手段。

［1］KUCIA M，RECA R，MIEKUS K，et al．Trafficking of normal stem cells and metastasis of cancer stem cells involve similar mechanisms:pivotal role of the SDF-1-CXCR4 axis［J］．Stem Cells，2005b，23:879-894．

［2］HUISING M O，STET R J，KRUISWIJK C P，et al．Molecular evolution of CXC chemokines:extant CXC chemokines originate from the CNS［J］．Trends Immunol，2003，24:307-313．

［3］TACHIBANA K，HIROTA S，IIZASA H，et al．The chemokine receptor CXCR4 is essential for vascularization of the gastrointestinal tract［J］．Nature，1998，393:591-594．

［4］McGRATH K E，KONISKI A D，MALTBY K M，et al．Embryonic expression and function of the chemokine SDF-1 and its receptor，CXCR4［J］．Dev Biol，1999，213:442-456．

［5］ GUO Y，HANGOC G，BIAN H，et al．SDF-1/CXCL12 enhances survival and chemotaxis of murine embryonic stem cells and production of primitive and definitive hematopoietic progenitor cells［J］．Stem Cells，2005，23:1324-1332．

［6］CHALASANI S H，SABOL A，XU H，et al．Stromal cell-derived factor-1 antagonizes slit/robo signaling in vivo［J］．J Neurosci，2007，27:973-980．

［7］MA Q，JONES D，BORGHESANI P R，et al．Impaired B-lymphopoiesis，myelopoiesis，and derailed cerebellar neuron migration in CXCR4-and SDF-1-deficient mice［J］．Proc Natl Acad Sci USA，1998，95:9448-9453．

［8］BELMADANI A，TRAN P B，REN D，et al．The chemokine stromal cell-derived factor-1 regulates the migration of sensory neuron progenitors［J］．J Neurosci，2005，25:3995-4003．

［9］KNAUT H，BLADER P，STRAHLE U，et al．Assembly of trigeminal sensory ganglia by chemokine signaling［J］．Neuron，2005，47:653-666．

［10］ODEMIS V，LAMP E，PEZESHKI G，et al．Mice deficient in the chemokine receptor CXCR4 exhibit impaired limb innervation and myogenesis［J］．Mol Cell Neurosci，2005，30:494-505．

［11］ NAGASAWA T．The chemokine CXCL12 and regulation of HSC and B lymphocyte development in the bone marrow niche［J］．Adv Exp Med Biol，2007，602:69-75．

［12］NIE Y，WAITE J，BREWER F，et al．The role of CXCR4 in maintaining peripheral B cell compartments and humoral immunity［J］．J Exp Med，2004，200:1145-1156．

［13］TACHIBANA K，HIROTA S，IIZASA H，et al．The chemokine receptor CXCR4 is essential for vascularization of the gastrointestinal tract［J］．Nature，1998，393:591-594．

［14］FOX J M，CHAMBERLAIN G，ASHTON B A，et al．Recent advances into the understanding of mesenchymal stem cell trafficking［J］．Br J Haematol，2007，137:491-502．

［15］HRISTOV M，ZERNECKE A，LIEHN E A，et al．Regulation of endothelial progenitor cell homing after arterial injury［J］．Thromb Haemost，2007，98:274-277．

［16］陈中璞，李拥军，姚玉宇，等．CXCR4基因转染的猪BMSCs体外诱导分化为心肌样细胞的实验研究［J］．东南大学学报:医学版，2010，29(2):153-158．

［17］HILL W D，HESS D C，MARTIN-STUDDARD A，et al．SDF-1(CXCL12)is upregulated in the ischemic penumbra following stroke:association with bone marrow cell homing to injury［J］．J Neuropathol Exp Neurol，2004，63:84-96．

［18］KUCIA M，WOJAKOWSKI W，RECA R，et al．The migration of bone marrow-derived non-hematopoietic tissue-committed stem cells is regulated in an SDF-1-，HGF-，and LIF-dependent manner［J］．Arch Immunol Ther Exp(Warsz)，2006，54:121-135．

［19］MILLER J T，BARTLEY J H，WIMBORNE H J，et al．The neuroblast and angioblast chemotaxic factor SDF-1(CXCL12)expres-sion is briefly up regulated by reactive astrocytes in brain following neonatal hypoxic-ischemic injury［J］．BMC Neurosci，2005，6:63．

［20］GOULD E．How widespread is adult neurogenesis in mammals?［J］．Nat Rev Neurosci，2007，8:481-488．

［21］BERGER O，LI G，HAN S M，et al．Expression of SDF-1 and CXCR4 during reorganization of the postnatal dentate gyrus［J］．Dev Neurosci，2007，29:48-58．

［22］BANISADR G，SKRZYDELSKI D，KITABGI P，et al．Highly regionalized distribution of stromal cell-derived factor-1/CXCL12 in adult rat brain:constitutive expression in cholinergic，dopaminergic and vasopressinergic neurons［J］．Eur J Neurosci，2003，18:1593-1606．

［23］THAM T N，LAZARINI F，FRANCESCHINI I A，et al．Developmental pattern of expression of the alpha chemokine stromal cell-derived factor 1 in the rat central nervous system［J］．Eur J Neurosci，2001，13:845-856．

［24］IMITOLA J．Prospects for neural stem cell-based therapies for neurologica diseases［J］．Neurotherapeutics，2007，4:701-714．

［25］BELMADANI A，TRAN P B，REN D，et al．Chemokines regulate the migration of neural progenitors to sites of neuroinflammation［J］．J Neurosci，2006，26:3182-3191．

［26］TRAN P B，REN D，VELDHOUSE T J，et al．Chemokine receptors are expressed widely by embryonic and adult neural progenitor cells［J］．J Neurosci Res，2004，76:20-34．

［27］OHAB J J，FLEMING S，BLESCH A，et al．A neurovascular niche for neurogenesis after stroke［J］．J Neurosci，2006，26:13007-13016．

［28］MAYSAMI S，NGUYEN D，ZOBEL F，et al．Modulation of rat oligodendrocyte precursor cells by the chemokine CXCL12［J］．Neuroreport，2006，17:1187-1190．

［29］ORIMO A，WEINBERG R A．Stromal fibroblasts in cancer:a novel tumorpromoting cell type［J］．Cell Cycle，2006，5:1597-1601．

［30］CERADINI D J，GURTNER G C．Homing to hypoxia:HIF-1 as a mediator of progenitor cell recruitment to injured tissue［J］．Trends Cardiovasc Med，2005，15:57-63．

［31］XU J，MORA A，SHIM H，et al．Role of the SDF-1/CXCR4 axis in the pathogenesis of lung injury and fibrosis［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2007，37:291-299．

［32］SCOTTON C J，CHAMBERS R C．Molecular targets in pulmonary fibrosis:the myofibroblast in focus［J］．Chest，2007，132:1311-1321．

［33］ROBERTS S，EVANS H，TRIVEDI J，et al．Histology and pathology of the human intervertebral disc［J］．J Bone Joint Surg Am，2006，88(S2):10-14．

［34］PANDIT A S，O'HALLORAN D M．Tissue-engineering approach to regenerating the intervertebral disc［J］．Tissue Engineering，2007，8(13):1927-1954．

［35］PENG B，HAO J，HOU S，et al．Possible pathogenesis of painful intervertebral disc degeneration［J］．Spine，2006，31:560-566．