SDF-1/CXCR4轴及其对老年血管新生的影响机制进展*

胡惠琼 吴雄伟 杨玉燕 曾宪智 郑永霞(嘉兴学院医学院,浙江嘉兴 314001)

SDF-1/CXCR4轴及其对老年血管新生的影响机制进展*

胡惠琼 吴雄伟 杨玉燕 曾宪智 郑永霞△(嘉兴学院医学院,浙江嘉兴 314001)

心血管疾病是老年人常见的慢性病,严重威胁着老年人的身体健康,随着老龄化问题的日益突出,心血管疾病的治疗越来越受到医学界的重视。基质细胞衍生因子-1(Stromal cell-derived factor-1,SDF-l)及其受体CXCR4轴在诱导自体骨髓源细胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)进行血管修复和新生血管再生过程中发挥了重要的促进作用。本文就SDF-1/CXCR4轴信号传导通路的组成及其在血管新生中的作用以及与老年人血管生成反应丧失相关性进行综述。

SDF-1/CXCR4;骨髓细胞;血管新生;老年

随着老龄人口的日趋增加,心血管疾病也越来越受到人们的关注。人和动物的实验已经证明,移植自体骨髓源细胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)能促进缺血诱导的血管新生,这也给利用患者自体的骨髓源细胞对受损的心血管进行弥补与修复的新方法带来了理论依据。有研究学者在体外实验观察到基质细胞衍生因子-1在缺血受损的心血管组织高度表达以吸引骨髓源细胞前来修复。因此,基质细胞衍生因子-1及其受体CXCR4形成的生物轴对老年血管生成的影响已经成为当下生物学研究的热点之一。

1 SDF-1/CXCR4轴的结构及其生物学功能

1.1 SDF-1/CXCR4轴的结构

趋化因子是一类对细胞具有定向趋化,迁移和募集功能的细胞因子,而基质细胞衍生因子-1(Stromal cell-derived factor-1,SDF-l)又名CXCL12或前B细胞刺激因子(Pre-B cell stimulatory factor,PBSF)是唯一不含谷氨酸-亮氨酸-精氨酸功能区但却有促血管生成作用的趋化因子。SDF-1是骨髓来源间充质细胞分泌的细胞因子,属于CXC(Cys-X-Cys)类的趋化因子,它在动员骨髓源细胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)和促进细胞向靶组织归巢过程中起关键性作用。SDF-1的受体CXCR4(CXC chemokine receptor 4)是一种有7个跨膜区域的G-蛋白-耦联化学因子受体。在不同细胞表面的CXCR4表达不同,CXCR4在绝大多数间充质干细胞不表达[1],而在BMCs中血管内皮前体细胞(Endothelial progenitor cells,EPCs)中高表达[2,3]且骨髓基质细胞和EPCs均能表达对CXCR4产生特异性趋化作用的SDF-1。SDF-1 N末端(Nt)氨基酸残基与其受体CXCR4结合后,可通过促进CXCR4形成二聚体、转换空间构象、内化以及激活与其相偶联的G蛋白等机制而激活G蛋白依赖的信号转导通路和非G蛋白依赖的信号转导通路,进而影响细胞的趋化、动员、锚定、分泌、血管新生等生物学行为[]。

1.2 SDF-1/CXCR4轴的生物学功能

SDF-1/CXCR4轴在机体内的多种组织与细胞中均有表达。SDF-1/CXCR4轴通过诱导激活细胞内的信号通路来发挥作用。有研究报道,SDF-1/CXCR4轴可以促进脂肪干细胞的增值[5]。在胚胎的发育早期,SDF-1/CXCR4轴可以通过激活滋养层细胞内的抗凋亡系统,从而促进细胞分化与组织再生[6],使得胚胎在母体内能够安全的生长。SDF-1可以促进恶性胶质瘤C6细胞的体外增殖、迁移和侵袭,而抗CXCR4单克隆抗体可以有效抑制其增殖、迁移和侵袭能力[7]。当机体内出现组织的损伤时,该损伤处会大量表达SDF-1,通过与其受体结合从而募集间充质干细胞迁移到损伤处进行修复。而这种机制已经被证实在骨和肌肉等组织的损伤修复中发挥着重要作用[8]。同时,SDF-1/CXCR4轴在胚胎发育、器官发生、免疫及炎症发生及修复、恶性肿瘤浸润及转移等发挥着重要的生物学作用。最重要的是SDF-1/CXCR4轴促进BMCs向EPCs方向分化、抑制EPCs凋亡并可动员EPCs进入外周血,促进缺血性血管的修复与生成[9,10]。综合上述,SDF-1/CXCR4轴在机体内发挥着重要的生物学功能。

2 骨髓源细胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)促进组织损伤区域的血管生成

骨髓源细胞(BMCs)一种由造血干细胞和前体细胞、成熟的血细胞和基质细胞组成的细胞,有助于患有血管损伤性疾病病人的血管生成。BMCs的一个亚型,传统上称为内皮前体细胞(Endothelial progenitor cells,EPCs),其表面受体CXCR4通过与化学趋向细胞因子SDF-1的结合为前体细胞动员和归巢提供必要的信号[4,11]。当组织损伤时,骨髓来源细胞就会从骨髓中动员出来,在一系列细胞趋化因子、生长因子等作用下改变趋化、游离、粘附等功能,使其能顺利通过血管内皮层进入血循环,从而使外周血的造血细胞增加。整个动员过程经历增殖、迁移、适应3个阶段。增殖是首要条件,只有当骨髓中的造血干细胞达到一定数量时,才能使其从骨髓中动员出来,细胞因子、化疗、低剂量辐射及一氧化氮(NO)等激活信号均能作用于造血干细胞,使其发生表型的改变,并促进增殖。其中某些细胞因子如促红细胞生成素(Erythropoietin,EPO)作用于红系祖细胞的增殖期和分化期,通过促进其有丝分裂、激活红细胞特异基因,进而使红细胞大量增殖和分化;粒细胞集落刺激因子(G-CSF)可通过与造血干细胞表面的G-CSFR结合,使蛋白酪氨酸激酶JAK1和JAK2上的酪氨酸磷酸化,并活化MAP激酶通路,选择性和特异性地刺激造血干细胞增殖;此外,还有干细胞生成因子(Stem Cell Growth Factors,SCF)、血小板生成素(Thromboietin,TPO)等都可以促进骨髓造血干细胞的增殖。当组织损伤时,骨髓内低SDF-1髓外高SDF-1的浓度梯度的趋化作用下可以促进骨髓源细胞进入血液循环并向靶器官迁移[12]。动员后的BMCs会向组织损伤的缺血区域移动,从而达到组织修复的作用,这个过程称为骨髓来源细胞的锚定。但骨髓来源细胞的归巢机制尚未完全阐明。有研究表明,骨髓来源细胞的归巢机制部分依赖于趋化因子SDF-1和它的受体CXCR4。SDF-1/CXCR4轴可以使Rac蛋白与GTP结合而活化,活化的Rac蛋白参与细胞骨架的改变以及细胞膜极化,而这种变化又可导致迁移细胞出现头端和尾端并向目标方向迁移[13]。

3 SDF-1/CXCR4轴作用于血管新生的基本机制

SDF-1在损伤修复过程起到重要的作用[3,14,15],当机体内出现组织缺血损伤时,缺血部位的内皮细胞和血小板高度便表达SDF-1[16],并分泌至外周血循环中与循环中的内皮前体细胞膜表面受体CXCR4结合,激活的SDF-1/CXCR4信号通路又能动员和募集骨髓源性的内皮前体细胞粘附到纤维蛋白原、纤维连接蛋白、间质和内皮细胞上。粘附到血管内皮上的内皮前体细胞随后要穿过血管壁进入缺血组织,介导血管内皮细胞生成,进而缓解因内皮损伤导致的血管功能紊乱,促进新生血管的形成[17]。SDF-1/CXCR4轴至少可以通过两条途径促进缺血损伤区域血管新生[18](1)募集骨髓源细胞并诱导其分泌血管生成因子,从而促进血管新生;(2)募集血管内皮细胞及其前体细胞参加血管新生。SDF-1具有强大的趋化作用,在对造血干细胞动员和归巢机制的研究中人们发现SDF-1及其受体CXCR4在其中发挥重要作用[19]。若用CXCR4抗体阻断SDF-1/CXCR4的相互作用,就会损害了EPCs整合入缺血部位,从而干扰了新的血管生成。这些发现强调了在血管修复中骨髓来源的前体细胞的募集必需通过SDF-1/CXCR4而发挥作用。SDF-1与CXCR4结合导致磷酸肌醇-3-激酶(PI-3激酶)和其他蛋白激酶,如Akt、MEK/ERK和JAK-2磷酸化15,激活Akt蛋白激酶通过增强内皮细胞一氧化氮合成酶(eNOS)表达和磷酸化来进一步上调eNOS的活动,进而相应增加了其催化具有血管保护和重塑的一氧化氮(NO)的生成,NO是一种对于血管保护和重建十分重要的信号分子[20];另外,SDF-1因子能刺激骨髓中CD34+细胞分泌基质金属蛋白酶-2(Matrix metallo proteinases-2,MMP-2)和基质金属蛋白酶-9(Matrix metallo proteinases-9,MMP-9),这些蛋白水解酶一方面可裂解SDF-1,使骨髓微环境中的SDF-1浓度降低,另一方面可以上调CD34+细胞CXCR4的表达水平及增强细胞迁移能力。综上所述, SDF-1/CXCR4在血管内皮细胞损伤修复过程中起重要作用:从骨髓动员并募集造血干细胞;增加血管粘附素-1在内皮细胞的表达,促进EPCs粘附在血管内皮,也利于EPCs的归巢和迁移;减少闭锁蛋白水平,影响紧密连接使EPCs跃出进入损伤部位进而修复。

4 年龄对血管新生能力的影响

年龄及其他心血管风险因素如吸烟等会减少EPCs的供给而且损害它们的功能,衰老是生物机体内多细胞结构和功能退行性变的过程,一般随着年龄的增加,体细胞逐渐出现自我更新能力的降低和功能衰退。近来的研究显示,随年龄的增长不仅体细胞出现功能减退,骨髓干细胞功能也可能受到影响。EPCs不仅能够使损伤血管再内皮化、参与损伤血管内膜修复,还可以通过补充缺血组织局部血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等血管形成因子,营造一个良好的局部血管生成的微环境,进一步促进新血管生成。衰老使机体的血管新生能力发生障碍,不仅是因为内源性血管生长因子减少,而且存在血管内皮细胞功能障碍,对外源性细胞因子的反应能力也下降,同时伴有EPCs数量减少和功能下降,从而使EPCs从骨髓中动员并迁移、向缺血损伤区域归巢、黏附到受损的血管能力下降,使血管新生和修复的能力减弱。SDF-1与CXCR4的结合导致磷酸肌醇-3-激酶(IP-3激酶)和其他蛋白激酶,如Akt、JAK-2的磷酸化。Akt蛋白激酶的激活增强了内皮细胞一氧化氮合成酶(eNOS)表达和上调了eNOS的活动,因此相应地增加了其催化一氧化氮(NO)生成的功能,NO是血管保护和重塑的一种重要的信号分子。蛋白激酶的磷酸化或eNOS的激活的受损可能是在老年EPCs功能障碍的原因。正常情况下,在EPCs表面大量表达着趋化因子SDF-1受体CXCR4,血管内皮损伤部位大量表达SDF-1,SDF-1通过与CXCR4结合从而动员并促进EPCs整合入损伤部位而修复损伤的血管,而老年BMCs表面表达CXCR4的细胞数量比青年的更少,且每个细胞的细胞表面及细胞内CXCR4的浓度均降低且CXCR4与SDF-1的结合力较低有关[21]。

5 问题与展望

骨髓源细胞是存在于骨髓内的一种具有多向分化潜能的间充质干细胞,具有自我更新的功能同时分化程度低可塑性强,在一定条件的诱导下可分化为EPCs,并且因其从机体中提取容易、对组织的创伤小、具有强大的体外增殖能力。另外由于来自自身,由它诱导来的组织在进行移植时不存在免疫排斥反应,是一种非常理想的以细胞为基础治疗性血管生成种子细胞来源[22]。以细胞为基础治疗性血管生成是一种潜在的低费用和低风险的运用自身拥有的细胞来产生血管替代疗法,但不幸的是,老年患者能提供的前体细胞是减少的,且促血管生成能力比年轻人降低。鉴于SDGF-1/CXCR4轴在促血管生成中的重要作用,我们认为,衰老降低血管生成能力的机制可能是由于EPC细胞表面减少的SDF-1及其受体所致。而这方面仍需要更多的实验数据。

1 Bhakta S,Hong P,Koc O.The surface adhesion molecule CXCR4 stimulates mesenchymal stem cell migration to stromal cell-derived factor-1 in vitro but does not decrease apoptosis under serum deprivation[J].Cardiovasc Revasc Med,2006,7(1):19-24.

2 刘峰,汤佳珍,朱凌燕,等.GLP-1基因诱导脐血内皮祖细胞VEGF和SDF-1/CXCR4表达[J].中国现代医学杂志,2013,(23):32-36.

3 黎金凤,霍亚南.基质细胞衍生因子-1对外周血内皮祖细胞功能影响的研究进展[J].江西医药,2013,48(4):69-371.

4 杨志峰,杨清玲,陈昌杰.趋化因子SDF-1与受体CXCR4的研究进展[J].分子诊断与治疗杂志,2011,3(1):58-61.

5 Li Q,Zhang A,Tao C,et al.The role of SDF-1-CXCR4/CXCR7 axis in biological behaviors of adipose tissue-derived mesenchymal stem cells in vitro[J].Biochem Biophys Res Commum,2013,441 (3):675-680.

6 Gebura K,Bogunia-Kubik K.Clinical relevance of chemokine receptor CXCR4[J].Postepy Hig Med Dosw(Online),2012,66:252-266.

7 刘佳鑫,王崇谦,王伟民,等.SDF-1/CXCR4在恶性胶质瘤细胞体外增殖、迁移及侵袭中的作用[J].昆明医科大学学报,2013,34(1): 23-27.

8 Bobadilla M,Sainz N,Abizanda G,et al.The CXCR4/SDF1 axis improves muscle regeneration through MMP-10 activity[J].Stem Cells Dev,2014,23(12):1417-1427.

9 黎金凤,林安华,邓颖,等.SDF-1对糖尿病外周血EPCs功能的影响及其与PI3K/AKT信号通路的关系[J].天津医药,2014,42(11): 1069-1072.

10吴晓蓓,苏美华,马天骄,等.趋化因子CXCL12/SDF-1及其受体CXCR4与系统性红斑狼疮的研究进展[J].中国社区医师,2015, 31(11):5-7.

11张悦,欧来良,程兆康,等.CXCR4基因修饰骨髓间充质干细胞体外迁移实验[J].生物医学工程学杂志,2009,26(3):595-600.

12张谊,李世荣,曹川,等.Sdf-1及其受体在成体干细胞迁移中的作用[J].免疫学杂志,2008,24(2):243-246.

13郑栋,郭军.SDF-1/CXCR4信号轴介导的骨髓间充质干细胞治疗心力衰竭的研究进展[J].心脏杂志,2014,26(6):730-733.

14栗世洋,张莹,齐春子,等.基质细胞衍生因子1α及其受体CXCR4在牙本质-牙髓复合体损伤修复过程中的表达[J].牙体牙髓牙周病学杂志,2011,21(4):187-191.

15 Van Weel V,Seghers L,de Vries MR,et al.Expression of vascular endothelial growth factor,stromal cell-derived factor-1,and CXCR4 in human limb muscle with acute and chronic ischemia[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2007,27(6):1426-1432.

16张文文,林明.SDF1/CXCR4轴在细胞移植治疗缺血性疾病中的作用及影响因素[J].医学综述,2010,16(01):36-39.

17吕亮亮,李桥川,赖永榕,等.SDF-1/CXCR4在造血干细胞动员相关研究新进展[J].蛇志,2010,22(2):130-132.

18 Takahashi M.Role of the SDF-1/CXCR4 system in myo-cardial infarction[J].Circ J,2010,74(3):418-423.

19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(03):167-169.

20 Dimova I,Hlushchuk R,Makanya A,et al.Inhibition of Notch signaling induces extensive intussusceptive neo-angiogenesis by recruitment of mononuclear cells[J].Angiogenesis,2013,16(4):921-937.

21徐其渊.CXCR4表达在衰老骨髓细胞中的变化及其对血管再生功能的影响[D].浙江大学学报(理学版),2010.

22 Haraguchi T,Tani K,Koga M,et al.Matrix Metalloproteinasess (MMPs)Activity in Cu-ltured Canine Bone Marrow Stromal Cells (BMSCs)[J].J Vet Med Sci,2012,74(5):633-636.

SDF-1/CXCR4 axis and its mechanisms of impact on angiogenesis in the old*

Hu Hui-qiong,Wu Xiong-wei,Yang Yu-yan,Zeng Xian-zhi,Zheng Yong-xia△
(Medical School,Jiaxing College,Zhejiang Jiaxing 314001)

2015-7-20)

嘉兴学院大学生研究训练(SRT)计划项目;嘉兴市科技计划项目(编号:2012AY1075-11);浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目;嘉兴学院大学生科研计划项目(编号:SRT2014B117)作者简介:胡惠琼,女,嘉兴学院医学院临床医学专业本科生,Email: 2586015045@qq.com。

△通讯作者:郑永霞,女,讲师,主要从事肿瘤和衰老的机制研究,Email: zhengyongxia@163.com。