基质细胞衍生因子-1及其受体CXCR4在骨髓干细胞治疗脑梗死中的作用

陆 琳，杨万章

脑梗死是最常见的脑血管疾病。以往认为，脑梗死致残的主要原因在于成熟神经系统的神经元不能再生，导致脑组织功能下降，进而影响肢体功能。但随着基础和临床研究的不断深入，越来越多的证据表明，胚胎脑和成年脑内均存在一定数量能增殖分化和修复大脑功能的神经干细胞［1］。脑梗死虽然可诱导大脑内源性神经干细胞增殖分化，但由此产生的神经元数量及修复能力远远不足［2］。因此，异体干细胞移植和自体干细胞动员迅速成为治疗脑梗死的较有希望的治疗方法。有研究［3］发现，成体骨髓干细胞（bone marrow stem cell，BMSC）可以分化出包括神经细胞、神经胶质细胞、髓磷脂形成细胞等脑组织所有主要类型的细胞。分化的神经细胞可以有效传导冲动，神经胶质细胞可为神经细胞提供支持，髓磷脂形成细胞可以增强神经细胞的电冲动传导等。提示骨髓干细胞可应用于治疗脑缺血。基质细胞衍生因子-1（stromal cell derived factor-1，SDF-1）及其特异性受体CXCR4构成的SDF-1／CXCR4轴，在骨髓干细胞定向迁移治疗脑梗死的过程中发挥关键作用。

1 骨髓干细胞治疗脑梗死的研究现状

目前临床上利用干细胞技术治疗脑梗死有两类方法。一种是通过药物激活位于大脑室管膜下区或骨髓等区域的内源性干细胞，使其迁移至脑组织受损部位，发挥替代作用；另一方法是将来源于胚胎或新生儿脐带血和脐带的间充质干细胞，通过静脉、腰穿或直接移植到脑受损的部位，发挥治疗作用［4，5］。骨髓干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的原始骨髓细胞，至少含有三种干细胞，即造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC）、间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）和内皮祖细胞（endothelial precursor cell，EPC）等。在某些环境下［6-9］，骨髓干细胞可以被诱导分化成神经干细胞、神经元样细胞、心肌细胞及肝、肺、骨、血管内皮等多种组织细胞。局部损伤后在多种细胞黏附分子、生长因子和趋化因子的作用下，骨髓干细胞可定向迁移至损伤部位或者其邻近部位，以对受损组织行结构修复和功能重塑［10］。在骨髓干细胞治疗脑梗死的过程中，无论干细胞是否发生定向分化，它们首先必须募集并在受损部位停留，以发挥它们的治疗作用。

2 SDF-1／CXCR4轴在干细胞治疗脑梗死中的作用

2.1 SDF-1／CXCR4的结构与分布 趋化因子是一组相对分子质量为8×103～14×103的具有趋化活性的细胞因子，是一类分泌型小分子多肽，一般由70个～90个氨基酸组成。根据半胱氨酸的数量和位置在氨基酸序列中的不同，将其分为CXC、CC、C和CX3C四个亚族。1994年Nagasawa等在小鼠骨髓基质细胞系pA6分泌的细胞因子中发现SDF-1，根据其结构和功能属性，将其归为趋化因子CXC亚族，并被命名为CXCL12［11］。SDF-1有SDF-1α、SDF-1β和 SDF-1γ三个亚型，其中SDF-1α基因编码89个氨基酸，SDF-1β基因编码93个氨基酸。人的SDF-1种群间保守性极强，人源性SDF-1和鼠源性SDF-1高度同源，仅相差1个氨基酸，同源性高达99%。SDF-1在骨髓、大脑、心、肺、脾、肝、肾、胸腺等器官中持续表达。SDF-1的特异性受体CXCR4是通过功能性的cDNA克隆技术获得的趋化因子受体，又称为融合素（fusin），由352个氨基酸组成α螺旋7次跨膜结构，分胞外区、跨膜区和胞内区。主要在造血干细胞、神经干细胞、一些组织前体细胞、原精细胞、骨骼肌卫星前体细胞、视网膜色素上皮前体、鼠类胚胎干细胞表面表达。

2.2 SDF-1／CXCR4的细胞内信号转导途径 SDF-1与CXCR4的特异性结合能产生跨膜信号，进一步实现其生物学功能。可通过调控PI3K-MAPK及PI-PLC途径从而改变骨髓干细胞的迁移能力，其中又以PI-PLC途径为主，而SDF-1／CXCR4介导的骨髓干细胞迁移与PI3K-MAPK途径下游所激活的基质金属蛋白酶（MMP）有关。SDF-1的趋化活性与其他趋化因子相同，可以被百日咳毒素阻断，提示CXCR4受体通过Gi蛋白转导信号［12］。PTX处理过的造血干细胞归巢能力显著下降［13］，说明SDF-1／CXCR4调节信号的跨膜传递，偶联 PTX敏感的Gi蛋白受体家族。SDF-1只有与CXCR4的第2胞外环ECL2结合后才能启动下游信号途径，主要包括激活钙流、激活黏着斑元件（如衔接蛋白、黏着斑激酶等）、激活丝裂酶原活化蛋白激酶途径、激活PI-3K-AKT-NF-κB途径、激活JAK-STAT途径等，将趋化、生长、增殖或分化信号传递至细胞核。Stokman等［14］研究发现，SDF-1／CXCR4结合后可提升环磷腺苷（cAMP）并激活PKA，PKA再通过Ser-188磷酸化而阻断Rho与Rho激酶的相互作用，或者在细胞毒素T细胞中改变其从胞膜到胞质溶胶的定位使Rho失活，再介导其下游一系列磷酸化／脱磷酸化反应。众多研究表明，SDF-1／CXCR4轴的趋化作用是通过几个互补的信号通路相互作用而不是激活某个单一的信号通路而实现的。

2.3 SDF-1／CXCR4的生物学效应和脑梗死治疗 随着实验者对SDF-1／CXCR4轴的生物学功能研究不断深入，现已知其功能主要有调控干细胞迁移；介导免疫及炎症反应；与艾滋病（HIV）病毒感染有关；参与胚胎发育过程；介导恶性肿瘤的生长、浸润和转移等［15］。SDF-1与CXCR4结合后对骨髓干细胞在体内的募集和归巢的影响，主要包括趋化作用、黏附作用和促分泌作用等。目前尚无研究证明SDF-1能否影响干细胞的存活。

2.3.1 SDF-1／CXCR4轴与干细胞的趋化 在缺血、缺氧、损伤或者病理微环境中，SDF-1在细胞表面整合素激酶、低氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）的作用下表达释放增加［16］。CXCR4在正常时几乎无表达，而在局部缺血时表达明显增加。Imitola等通过研究发现，在神经干细胞迁移到脑梗死损伤区进行修复的过程中，病灶区残存或者边缘区来源的组织内皮细胞和星形胶质细胞SDF-1的表达上调，进而激活神经干细胞表面的受体CXCR4，形成SDF-1／CXCR4轴效应，调控神经干细胞向梗死区迁移［17］。组织器官损伤后产生的炎症因子可刺激骨髓间充质干细胞内部的CXCR4转移到细胞表面［18］，趋化因子SDF-1对骨髓间充质干细胞表面的CXCR4具有极强的化学吸引作用，其与CXCR4的特异结合介导骨髓间充质干细胞的定向迁移和归巢。申明琪等［19］的体外实验证明，骨髓间充质干细胞向梗死后脑组织上清液发生明显细胞迁移，用ELISA法检测出梗死后脑组织上清液中SDF-1水平显著提高，同时骨髓间充质干细胞表面的CXCR4表达明显上调。说明骨髓间充质干细胞具有向缺血缺氧脑损伤组织趋化迁移能力，SDF-1／CXCR4轴在该定向迁移过程中可能发挥重要作用。张志坚等［20］体内移植研究显示，将骨髓间充质干细胞移植到脑梗死大鼠体内2周后，干细胞集中分布于大脑梗死灶周围，而用AMD3100阻断CXCR4后，迁移到梗死灶周围的骨髓间充质干细胞大大减少。此结果说明，在体内骨髓间充质干细胞的迁移行为受CXCR4阻断的影响，同时提示脑梗死后损伤组织的SDF-1分泌很可能增加。此外，骨髓与外周血之间、外周血与损伤组织之间存在的SDF-1浓度梯度可以诱导造血干细胞的迁移［21］。

2.3.2 SDF-1／CXCR4轴与干细胞的黏附 内皮细胞表面表达的SDF-1不仅能捕获迁移中的骨髓干细胞，同时通过SDF-1／轴CXCR4轴介导的细胞反应，激活干细胞穿越内皮细胞层的迁移运动。SDF-1不但是化学趋化因子，还能使干细胞“滞留”在血管周边［22］。这些作用的实现都需要黏附分子的参与。SDF-1通过活化干细胞表面的多种黏附分子，调节细胞与纤维蛋白原、纤维连接蛋白、间质细胞及内皮细胞的黏附。SDF-1启动了细胞间黏附分子-1（ICAM-1）／淋巴细胞功能相关抗原-1（LFA-1）以及血管细胞黏附分子-1（VCAM-1）／超延迟抗原-4（VLA-4）之间的黏附；并引起细胞极性改变和促使干细胞透过内膜下胞外基质跨血管壁运动，若阻断VLA-4或VCAM-1，干细胞归巢能力将至少下降90%。SDF-1也通过影响细胞内骨架蛋白的重排，增加丝状肌动蛋白束的数量和厚度来提高细胞的运动能力。在大鼠脑损伤后骨髓间充质干细胞的体外迁移试验中，选择性趋化因子单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）、人巨噬细胞炎性蛋白1α（MIP-1α）和白细胞介素-8（IL-8）也有表达，但这些黏附分子的具体作用机制尚不清楚［23］。

2.3.3 SDF-1／CXCR4轴与干细胞的分泌 CXCR4与SDF-1结合并活化核转录因子NF-κB后，可激活干细胞分泌基质金属蛋白酶-2（MMP-2）、基质金属蛋白酶-9（MMP-9）、NO以及某些细胞因子、生长因子等，调节干细胞的部分自／旁分泌作用。Son等［24］研究显示，造血干细胞、骨髓间充质干细胞、脐带血干细胞均可分泌活性的 MMP-2、胞膜1型-MMP（MT1-MMP）。在缺氧环境下，干细胞分泌 MMP-2、MMP-9和MT1-MMP增加，与干细胞趋化和毛细血管形成密切相关。同时，SDF-1能促进CD34＋细胞内的钙离子浓度的增高，且AKT的活化可以使第二信使NO的产生增加，NO能增强SDF-1诱导的骨髓干细胞的趋化性。

2.3.4 SDF-1／CXCR4的其他作用 有研究发现，脑损伤后SDF-1αmRNA表达和SDF-1α蛋白合成没有增加，但1d～3 d后在脑皮层弥散分布，且CXCR4mRNA以及蛋白合成的增加有显著性差异，同时Nestin阳性细胞的分布也增加，说明SDF-1α／CXCR4系统能够促进神经干细胞在脑损伤后的脑区表达［25］。SDF-1在小脑中可以调节突触的传递［26］；离体实验证实SDF-1能够通过抑制Rho激酶的活性来促进神经元轴突的延伸［27］；Salvucci等［28］实验证明 SDF-1能促进内皮细胞表达VEGF，而VEGF等够诱导内皮细胞表达CXCR4。若阻断SDF-1／CXCR4轴的功能，可抑制VEGF依赖的血管形成。说明SDF-1能调节内皮细胞迁移及血管新生。

此外，SDF-1α／CXCR-4可作为糖尿病视网膜病变预测指标，阻断SDF-1α／CXCR-4轴可能可以延缓或阻止糖尿病视网膜病变的发生发展［29］；区文超等［13］通过实验证明，增加CD34＋细胞CXCR4的表达有助于宫内移植HSC的归巢，HSC宫内移植归巢过程依赖CXCR4受体；王轶英［30］的研究结果提示，SDF-1及CXCR4在正常妊娠的不同时期均发挥着重要作用，SDF-1及CXCR4在孕早期表达较强，峰值持续至孕中期，随着妊娠的继续，表达逐渐减弱。

3 展 望

就目前的研究认为，SDF-1／CXCR4轴在骨髓干细胞迁移的各个环节均起重要作用。然而，干细胞的归巢受到多种因素的影响。除SDF-1／CXCR4轴外，脑源性生长因子、肝细胞生长因子、胰岛素样生长因子、血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子等对干细胞的迁移可能都有一定调控作用［31］。

脑组织损伤后修复是一个多因素多环节的过程。由于干细胞领域基础研究的迅速发展，骨髓干细胞的临床应用逐渐成为治疗缺血性脑血管病变有效方法之一。近几年来关于SDF-1及其受体CXCR4的研究取得越来越多有价值的成果，SDF-1的作用也日益受到重视，SDF-1／CXCR4轴的生物学效应被视为骨髓干细胞治疗脑梗死的过程中的关键环节。随着SDF-1／CXCR4轴作用机制研究的不断深入，调控SDF-1／CXCR4轴，增加干细胞的治疗效果，将成为治疗缺血性脑血管病的一个全新的干预靶点。

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