SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞的影响研究进展

钱洲楠，任国庆

(江苏大学附属医院，江苏镇江，212001)

内皮祖细胞是一类介于干细胞与血管内皮细胞之间，具有游走特性的、能够增殖分化及自我更新的定向干细胞，是血管内皮细胞的前体细胞，但又缺乏其特征性表型，尚不能形成管腔样结构［1，2］。SDF-1/CXCR4生物学轴是指由基质细胞衍生因子1及其受体CXCR4构成的一个与细胞增殖、迁移、信号传导等密切相关的偶联分子对。研究发现SDF-1/CXCR4轴参与内皮祖细胞增殖、凋亡、动员、归巢、迁移等各生理过程中发挥重要作用。现综述如下。

1 内皮祖细胞生物学特性

目前人们尚未发现内皮祖细胞的特异表面标志，它既表达祖细胞的表面标志(CD34或CD133)，同时又表达内皮细胞的表面标志(VE-Cadherin或VEGFR-2)，因此倾向于将 CD+34、CD+133、VEGFR-2 阳性的细胞视为内皮祖细胞。研究发现内皮祖细胞的功能主要为参与了出生后缺血组织的血管发生与血管损伤后的修复，其功能的发挥主要有两个方面的机制:一是自分泌或旁分泌VEGF、IL-8、SDF-1、GMCS等细胞因子，促进内皮的修复及血管生长;二是内皮祖细胞有高增殖潜能以及内皮特性:在出现缺血缺氧、组织损伤等情况时，从骨髓动员至外周血，迁移归巢到血管损伤处，最后增殖分化为成熟的内皮细胞，发挥内皮细胞的功能。内皮祖细胞的生物学特性主要表现为:①有内吞乙酰化低密度脂蛋白及结合荆豆凝集素的能力;②在特异的EGM-2MV培养基中可形成集落;③具有培养细胞发生迁移的能力;④产生一氧化氮。近年来研究表明内皮功能障碍在缺血性心脏病的发生及发展中扮演了重要角色，其本质是内皮损伤与修复之间的动态平衡遭到了破坏，而内皮祖细胞在损伤后的恢复中发挥了重要的作用。

2 SDF-1/CXCR4轴的作用

SDF-1/CXCR4轴在中枢神经系统的发育、循环系统及免疫系统中起重要作用，此外还参与炎症反应、HIV 的感染及肿瘤细胞的迁移等过程［3，4］。既往的研究一直认为CXCR4是SDF-1的惟一受体［5］，但最新研究发现SDF-1还有新的受体CXCR7。关于CXCR7的研究目前主要集中于肿瘤生物学中，其在血管生成中的机制尚未明确。近来研究表明SDF-1/CXCR4轴的特异作用在于调节干细胞的功能，如在细胞迁移、增殖、动员及血管形成等过程中起十分重要的作用。亦有研究表明SDF-1/CXCR4轴在动脉粥样硬化斑块的形成中有重要关系，因此SDF-1/CXCR4轴与动脉硬化的关系已引起广泛重视［6］。最新研究表明SDF-1的受体CXCR4可在内皮祖细胞表面高表达［7］，内皮祖细胞可在SDF-1/CXCR4轴的调控下沿SDF-1的浓度梯度进行增殖、黏附与迁移，并抑制其凋亡。

2.1 SDF-1的结构与功能 SDF-1又名前B细胞刺激因子，首先在小鼠骨髓基质细胞分泌的细胞因子中发现，是CXC家族的小分子趋化因子。SDF-1以单体形式存在，除了N端的1-8氨基酸残基和C端的66、67氨基酸残基以外和其他CC或CXC类趋化因子类似，C端对维持SDF-1的构象和生物活性的发挥起重要作用，而N端是SDF-1与CXCR4作用的主要结构基础。SDF-1有6种同分异构体:α、β、γ、δ、ε 以及 φ，它们在功能上没有显著差异。SDF-1α是SDF-1在体内的主要存在形式［8］，主要在骨髓基质细胞中表达，此外在骨髓内皮祖细胞及CD3+4CD3+8造血祖细胞中持续表达，人类SDF-1基因位于染色体10q11.1。SDF-1在种间有极高的保守性，人和小鼠的同源性达99%。

2.2 CXCR4的结构与功能 CXCR4是一类表达于不同细胞膜上的由352个氨基酸组成的含有7个疏水性跨膜区的G蛋白偶联受体。最新研究表明CXCR4在多种类型细胞表面均有表达，如血细胞(单核细胞、淋巴细胞)、造血干细胞以及胚胎干细胞等［10］。且研究发现，它不仅表达于细胞表面，在胞质中也可检测到［11］。CXCR4参与体内多种生理机制，包括胚胎发育、造血功能以及肿瘤迁移等，在血管重构及内皮祖细胞的招募中发挥重要作用［12］。

3 SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞增殖与凋亡的影响

内皮祖细胞在损伤的血管内皮及缺血组织的内皮修复中发挥了巨大的作用，但正常人外周血中内皮祖细胞的含量很少。研究发现老龄、高血压、糖尿病、高脂血症及冠心病等患者中内皮祖细胞存在数量明显减少、形态改变、易老化以及细胞功能不良等问题。在内皮祖细胞的移植治疗中，这些患者又是主要治疗对象。据粗略统计，患者治疗所需的内皮祖细胞需要从8.5～120 L外周血中提取。因此对内皮祖细胞移植治疗而言，提供足够数量并且功能良好的内皮祖细胞显得尤为重要。如何提高外周血循环中内皮祖细胞的数量及提高损伤处内皮祖细胞的浓度成为最新研究热点。大量研究表明，SDF-1呈浓度依赖性促进内皮祖细胞的增殖，并且显著增强内皮祖细胞的成血管能力。DeFalco等［13］在培养小鼠骨髓c-kit+细胞时，在培养基中分别加入100 μg/L和300 μg/L的SDF-1，均可增加明胶、纤维连接蛋白和IV型胶原上的内皮祖细胞的数量，然而50 μg/L的VEGF却不增加内皮祖细胞数量。SDF-1/CXCR4轴不仅对内皮祖细胞的增殖有巨大的作用，亦可影响内皮祖细胞的凋亡。Yamaguchi等［14］用血清饥饿法诱导在体外扩增的内皮祖细胞的凋亡，发现用100 μg/L的SDF-1作用3 h后能明显减少内皮祖细胞的凋亡。尹扬光等［15］利用密度梯度离心法获取并诱导小鼠骨髓内皮祖细胞，加入不同浓度SDF-1共培养48 h后，采用血清饥饿法和紫杉醇诱导内皮祖细胞的凋亡，流式细胞仪和TUNEL法检测SDF-1对内皮祖细胞凋亡率的影响，结果表明SDF-1可以抑制内皮祖细胞的凋亡。

4 SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞动员的影响

生理情况下，内皮祖细胞主要存在于骨髓中，骨髓中的内皮祖细胞在各种因素的刺激下可迁移至外周血，使外周血中内皮祖细胞的数量增加称为内皮祖细胞的动员。而SDF-1/CXCR4轴的一个主要作用就是调节干细胞的动员。Aiuti等［16］研究发现SDF-1具有诱导骨髓细胞以及动员外周血CD34+细胞迁移的作用，最适浓度为100～300 μg/L，在培养基中加入抗CXCR4抗体后则可显著减少迁移反应，从而认为SDF-1与CD+34细胞包括内皮祖细胞的动员有密切关系。Perez等［17］研究发现，提高血浆中SDF-1浓度可促进CD34+造血干/祖细胞动员到外周血。因此，SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞的动员作用可能成为辅助增加外周血内皮祖细胞数量的一个基石。

5 SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞迁移与归巢的影响

Smart等［18］指出归巢就是指循环中的干细胞或祖细胞运动到靶组织、器官或者骨髓。SDF-1/CXCR4轴在内皮损伤与组织修复中的关键作用之一就是启动干细胞的归巢。当发生损伤后，SDF-1水平上调并立即从损伤组织中释放，形成一定的SDF-1浓度梯度，使干细胞动员并迁移到损伤的组织。Shen等［19］在体外用内皮祖细胞做SDF-1诱导的迁移实验，发现SDF-1对内皮祖细胞有强大的趋化活性，并且呈浓度依赖性。康庆林等［20］在大鼠骨髓源性内皮祖细胞的培养中，用不同浓度的SDF-1刺激发现内皮祖细胞的迁移能力呈浓度依赖性增加，浓度越高作用越明显，由此提示SDF-1能促进骨髓源性内皮祖细胞的迁移。Akashi等［21］研究发现通过SDF-1基因转染的缺血下肢，能充分捕获自体内皮祖细胞整合到新生的毛细血管中，从而增加缺血下肢的血液灌注和毛细血管密度。在心肌梗死中，冠状动脉闭塞后，特别是在梗死区边缘SDF-1的表达明显上调，并募集多种干细胞以及内皮祖细胞到梗死心脏［22］。而利用 CXCR4受体拮抗剂 AMD3100可以阻断由SDF-1增高而产生的心脏保护作用［23］。Tang等［24］研究发现缺氧环境预处理心肌细胞后，细胞表面CXCR4明显上调，提高了内皮祖细胞在缺血心肌的归巢，缩小梗死心肌面积进而提高心功能。由此可见，SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞的迁移归巢作用提示其可能成为利用干细胞治疗心血管疾病的一个突破口。

6 SDF-1/CXCR4轴对内皮祖细胞管型形成的影响

既往曾认为血管损伤后内皮的修复是依靠周围的成熟内皮细胞分裂增殖实现的，但成熟内皮细胞已经是分化终末细胞，增殖能力非常有限，内皮祖细胞作为内皮细胞的前体才是损伤修复的真正参与者。近年来研究发现许多细胞因子如 SDF-1、VEGF、细胞集落刺激因子，包括一些药物如他汀类药物在内皮祖细胞参与的血管新生中发挥着重要的作用。而SDF-1可刺激多种炎性细胞释放VEGF，又可上调CXCR4的表达，进而增加细胞对SDF-1的反应，通过一系列的反馈作用诱导内皮祖细胞VEGF的过表达来促进血管的新生。Wang等［25］研究发现SDF-1可引起干/祖细胞在梗死区域的聚集，促进血管的形成。Kuliszewski等［26］证实在下肢缺血损伤模型，SDF-1相比有利于促进新生血管的形成。Xiao等［27］研究发现缺血组织中SDF-1的过度表达，从而引起更多的内皮祖细胞汇集到缺血组织参与新生血管的形成。发生心肌梗死后，缺血缺氧刺激使梗死部位释放出大量炎症趋化因子，而SDF-1/CXCR4轴在心肌梗死后内皮祖细胞参与的血管再生中发挥重要作用。以上这些研究都表明SDF-1/CXCR4轴通过募集内皮祖细胞至缺血组织，有助于缺血组织的新生血管形成。但是仍有一些问题是不容忽视的，如内皮祖细胞促进血管再生的治疗是否会引起不良反应，是否会在促进血管新生的同时出现潜在血管瘤和肿瘤的风险。这些问题都有待于进一步深入研究。

寻找促进改善内皮祖细胞生物学活性的生物学因子，尤其是内源性因子特别重要，随着对SDF-1/CXCR4轴结构、信号转导、功能及CXCR4抑制剂AMD3100研究的不断深入，现有理论已证实，在实验条件下SDF-1/CXCR4轴可促进骨髓造血干细胞向内皮祖细胞方向分化，并在促进内皮祖细胞增殖防止其凋亡方面起重要作用，在提高外周血SDF-1水平后，亦可动员内皮祖细胞进入外周血，缺血组织中SDF-1的表达增加，可以介导内皮祖细胞归巢到缺血组织，进而促进新生血管的形成。这些均提示SDF-1/CXCR4轴是内皮祖细胞功能发挥的一个重要途径。此外，以SDF-1/CXCR4轴为靶点治疗心血管疾病日益受到重视，这也可能成为缺血性心脏病防治的一个新靶点。

［1］Balaji S，King A，Crombleholme TM，et al.The Role of Endothelial Progenitor Cells in Postnatal Vasculogenesis:Implications for Therapeutic Neovascularization and Wound Healing［J］.Advances in Wound Care，2013，2(6):283-295.

［2］Yiu KH，Tse HF.Specific Role of Impaired Glucose Metabolism and Diabetes Mellitus in Endothelial Progenitor Cell Characteristics and Function［J］.Arter Throm Vasc Biol Arteriosclerosis，Thrombosis，and Vascular Biolo，2014，23(5):114.

［3］Kryczek I，Wei S，Keller E，et al.Stroma-derived factor(SDF-1/CXCL12)and human tumor pathogenesis［J］.Am J of Physiol Cell Physiol，2007，292(3):987-995.

［4］Kalk P，Westermann D，Herzfeld S，et al.Additional lack of iNOS attenuates diastolic dysfunction in aged ET-1 transgenic mice This article is one of a selection of papers published in the special issue(part 1 of 2)on Forefronts in Endothelin［J］.Canad J Physiol pharm，2008，86(6):353-357.

［5］Barbero S，Bonavia R，Bajetto A，et al.Stromal cell-derived factor 1α stimulates human glioblastoma cell growth through the activation of both extracellular signal-regulated kinases 1/2 and Akt［J］.Cancer Res，2003，63(8):1969-1974.

［6］李瑾，于波.SDF-1-CXCR4轴在心肌损伤与修复中的作用［J］.国际心血管病杂志，2013，40(3):167-169.

［7］Otsuka S，Bebb G.The CXCR4/SDF-1 chemokine receptor axis:a new target therapeutic for non-small cell lung cancer［J］.J Thor Oncol，2008，3(12):1379-1383.

［8］Janowski M.Functional diversity of SDF-1 splicing variants［J］.Cell Adh Migr，2009，3(3):243-249.

［9］Gleichmann M，Gillen C，Czardybon M，et al.Cloning and characterization of SDF-1gamma，a novel SDF-1 chemokine transcript with developmentally regulated expression in the nervous system［J］，Eur J Neurosci，2012，(6):1857-1866.

［10］Moll NM，Ransohoff RM.CXCL12 and CXCR4 in bone marrow physiology［J］.Expert Rev hemat，2010，3(3):315-322.

［11］Smart N，Riley P R.The stem cell movement［J］.Circulation Research，2008，102(10):1155-1168.

［12］Schober A，Zernecke A.Chemokines in vascular remodeling［J］.Throm Heam Stut，2007，97(5):730.

［13］De Falco E，Porcelli D，Torella AR，et al.SDF-1 involvement in endothelial phenotype and ischemia-induced recruitment of bone marrow progenitor cells［J］.Blood，2004，104(12):3472-3482.

［14］Yamaguchi J，Kusano KF，Masuo O，et al.Stromal cell-derived factor-1 effects on ex vivo expanded endothelial progenitor cell recruitment for ischemic neovascularization［J］.Circulation，2003，107(9):1322-1328.

［15］尹扬光，黄岚，赵晓辉，等.SDF-1对小鼠骨髓源性内皮祖细胞数量及功能的影响［J］.心血管康复医学杂志，2006，15(5):427-430.

［16］Aiuti A，Tavian M，Cipponi A，et al.Expression of CXCR4，the receptor for stromal cell-derived factor-1 on fetal and adult human lymphohematopoietic progenitors［J］.Eur J Immunol，1999，29(6):1823-1831.

［17］Perez L E，Alpdogan O，Shieh J H，et al.Increased plasma levels of stromal-derived factor-1(SDF-1/CXCL12)enhance human thrombopoiesis and mobilize human colony-forming cells(CFC)in NOD/SCID mice［J］.Expert Hematol，2004，32(3):300-307.

［18］Shen L，Gao Y，Qian J，et al.The role of SDF-1α/Rac pathway in the regulation of endothelial progenitor cell polarity;homing and expression of Rac1，Rac2 during endothelial repair［J］.Molecul Cell Biochem，2012，365(1-2):1-7.

［19］康庆林，陆联松，陈佳.SDF-1/CXCR4生物轴活化诱导对鼠骨髓源性内皮祖细胞生物学性能的影响［J］.解剖学研究，2012，33(6):413-416.

［20］Akashi T，Koizumi K，Nagakawa O，et al.Androgen receptor negatively influences the expression of chemokine receptors(CXCR4，CCR1)and ligand-mediated migration in prostate cancer DU-145［J］.Oncol Rep，2006，16(4):831-836.

［21］Zhang D，Fan GC，Zhou X，et al.Over-expression of CXCR4 on mesenchymal stem cells augments myoangiogenesis in the infarcted myocardium［J］.J molecul Cell Card，2008，44(2):281-292.

［22］Misao Y，Takemura G，Arai M，et al.Importance of recruitment of bone marrow-derived CXCR4+cells in post-infarct cardiac repair mediated by G-CSF［J］.Cardiovas Res，2006，71(3):455-465.

［23］Tang YL，Zhu W，Cheng M，et al.Hypoxic preconditioning enhances the benefit of cardiac progenitor cell therapy for treatment of myocardial infarction by inducing CXCR4 expression［J］.Circul Res，2009，104(10):1209-1216.

［24］Wang Y，Haider HK，Ahmad N，et al.Evidence for ischemia induced host-derived bone marrow cell mobilization into cardiac allografts［J］.J Molecul Cell Card，2006，41(3):478-487.

［25］Kuliszewski M A，Kobulnik J，Lindner JR，et al.Vascular gene transfer of SDF-1 promotes endothelial progenitor cell engraftment and enhances angiogenesis in ischemic muscle［J］.Molecular Therapy，2011，19(5):895-902.

［26］Xiao Q，Ye S，Oberhollenzer F，et al.SDF-1 gene variation is associated with circulating SDF1α level and endothelial progenitor cell number-the Bruneck Study［J］.PLoS One，2008，3(12):e4061.