基质细胞衍生因子-1/趋化因子受体4在干细胞治疗心肌梗死中的研究进展

温瑜林，赵明一，麦明杰，朱 平

［广东省人民医院（广东省医学科学院），广州510100］

提要：目前临床上治疗心肌梗死的主要方法有直接经皮冠状动脉介入（primary percutaneous coronary intervention，PPCI）治疗、冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting，CABG）等，这些治疗方法通常是从血运重建入手，很少关注如何挽救或修复发生缺血性损伤的心脏。近年来，基于干细胞的治疗逐渐成为治疗心肌梗死的探索方向，具有广阔的前景。最近研究表明，SDF-1/CXCR4 在心肌梗死后的干细胞归巢、趋化、迁移，扩大旁分泌，促进血管生成和心室重构中起着重要作用，因此，其与心肌梗死的发病、进展及预后密切相关。本文将从基质细胞衍生因子-1/趋化因子受体4 在干细胞治疗心肌梗死中的研究进展作一综述。

心肌梗死（myocardial infarction，MI）是指因冠状动脉供血急剧减少或中断，使相应心肌发生持久而严重的缺血导致的心肌坏死。急性心肌梗死起病突然，会导致不可逆的心肌损伤，严重的患者可并发心力衰竭、心律失常甚至休克。MI 仍然是全世界发病率和病死率最高的疾病之一，发病率约为0.2%，30 d 病死率约为10%，并且经济负担显著［1］。《中国心血管病报2017》显示，我国心血管病患病率处于持续上升阶段，死亡占居民疾病死亡构成40%以上，居首位，推算心血管疾病现患人数2.9 亿，其中冠状动脉粥样硬化性心脏病（冠心病）占1 100 万［2］。

目前对心肌梗死的治疗方法主要有直接经皮冠状动脉介入（primary percutaneous coronary Intervention，PPCI）治疗、冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting，CABG），以及各类药物治疗。通过PPCI 治疗进行早期和有效的心肌再灌注可减少MI 面积，保留左心室（left ventricle，LV）收缩功能和预防心力衰竭的发作。随着手术技术的成熟及手术设备的迅速发展，PPCI 治疗成为诊治冠心病的重要手段之一，是治疗急性MI 效果显著的方法。CABG是指利用大隐静脉等血管跨过严重狭窄的冠状动脉病变部位，吻合到管腔尚好的远端冠状动脉上。CABG 能有效地缓解MI 患者心绞痛，改善心肌缺血，提高生活质量和延长寿命，成为一种公认安全有效的治疗方法［3］。

虽然以上两种临床治疗方法（PPCI 治疗及CABG）已经发展为当前最为有效的治疗方法，但这些治疗方法主要都是从血运重建入手，却很少关注如何挽救或修复发生缺血性损伤的心脏，通过PPCI 治疗或CABG 及时再灌注闭塞血管对于最小化急性缺血时间和挽救存活心肌至关重要，但是“心肌再灌注损伤”这种自相矛盾的再灌注过程本身会诱发额外的心肌损伤和心肌细胞死亡。最近几十年以来，基于干细胞的治疗已经成为治疗MI 较为有前景的方法，干细胞治疗MI 作为一种前沿治疗手段备受国内、外研究者的关注［4］。而已知基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor 1，SDF-1）/趋化因子受体4（CXC chemokine receptor 4，CXCR4）在MI 后的干细胞归巢、趋化、迁移，扩大旁分泌，促进血管生成和心室重构中起重要作用［5-8］。因此，近年来研究表明，SDF-1/CXCR4 与MI的发病、进展、预后密切相关。

1 基质细胞衍生因子-1/趋化因子受体4

1.1 基质细胞衍生因子-1 与趋化因子受体4

SDF-1 即趋化因子CXCL12，属于CXC 趋化因子家族成员，为一小分子量（8～10 kD）的细胞因子。SDF-1 的两个异构体SDF-1α和SDF-1β在胚胎发育、炎症、肿瘤等多种生理和病理过程中发挥重要作用［9］。CXCR4 则是介导SDF-1 行使功能的唯一跨膜受体，除了表达于骨髓、脐血和动员外周血来源的细胞表面，还可在多种非造血干细胞表面表达［10］。MI 后，炎症环境、损伤组织、缺血缺氧的因素都可以上调SDF-1 的表达［11］。近年研究表明，SDF-1/CXCR4 通路具有趋化干细胞靶向受损组织、扩大旁分泌、促进血管新生和改善心功能的作用。

1.2 作用机制

研究发现，在SDF-1 的启动子中，包含2 个缺氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）的接合位点，HIF-1 连接这些位点后可以导致激活SDF-1 转录，从而使其表达升高4 倍，最终形成损伤组织中高SDF-1、外周低SDF-1 的浓度梯度［12］。而CXCR4+干细胞，可以感知SDF-1的浓度梯度，逆浓度靶向受损组织，这一趋化过程被称为SDF-1/CXCR4 通路，其逆浓度迁移机制与磷脂酰肌醇3-激酶/丝裂原激活蛋白激酶（phosphatidylinositol 3-kinase/mitogen-activated protein kinase，P13K/MAPK）途径有一定关系［13］。

2 基质细胞衍生因子-1 与趋化因子受体4 在干细胞治疗心肌梗死的作用

2.1 介导归巢

干细胞治疗MI 的核心在于有效诱导干细胞定居于受损心肌部位，随后或是分化为心肌，替代坏死组织；或是旁分泌细胞因子、生长因子提高原有存活的心肌的功能。无论是前者还是后者，都需要有足够数量的干细胞定位于梗死区域，而这恰恰是现阶段MI 干细胞治疗最大的瓶颈；无论何种种子细胞，移植进入梗死心肌后，会由于体内的缺氧环境及细胞信号的丢失，使得干细胞凋亡或大量游走，无法精确滞留或存活于MI 区域。急性心肌梗死后，损伤和缺血部位SDF-1 的分泌会增加［14］，可以使一部分干细胞归巢到梗死部位进行再生修复。因此，为了增高常规移植干细胞的效率，出现了多种干预干细胞SDF-1/CXCR4 信号通路的手段和方法，以期达到加强细胞归巢效能的目的。Transwel 等［15］的研究结果提示，体外使用CXCR4 基因修饰的间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs），过表达CXCR4 的MSCs 向SDF-1 的迁移能力得到显著增强，同时已有研究表明这种迁移还表现出一定的SDF-1 浓度效应：迁移能力随SDF-1 的浓度增加而提高［16］。Zhang 等［17］的研究证明，转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）调节SDF-1/CXCR4 轴诱导缺血损伤小鼠骨髓MSCs 的归巢。也有研究表明，过表达CXCR4 的MSCs 对缺血性心脏损伤的旁分泌作用使MSCs 迁移到MI 瘢痕和每个梗死区域，增加MSCs 的归巢［18］。Jiang 等［19］的实验证明CXCR4 过表达的诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）表现出比对照iPSC 大3.9 倍的迁移，因此认为这些结果为急性MI和心力衰竭的啮齿动物模型中的体内iPSC 移植研究奠定了良好的基础。根据先前的研究，SDF-1/CXCR4 通路对于干细胞移植治疗MI 时的趋化、定位和归巢有重要作用，但如何提高移植细胞CXCR4 的表达和维持缺血心肌局部SDF-1 的高浓度需要进一步去探索。

2.2 扩大干细胞旁分泌

干细胞治疗MI 的机制还包括借助扩大干细胞旁分泌效应，分泌生长因子，加强原有心肌的存活和功能。生长因子以血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factors，FGF）、胰岛素样生长因子（insulin like growth factor，IGF）研究较多，这些生长因子可以提高宿主心肌的功能，并减少移植细胞的凋亡。束波等［20］在体外用SDF-1 干预H2O2处理过的MSCs，发现VEGF 和FGF 的分泌表达上调。国外的研究发现SDF-1 可通过扩大旁分泌生长因子（VEGF 等）效应，促进细胞增殖［21-22］。基质金属蛋白酶（matrix metalloprotease，MMP）可以溶解微血管壁，促进干细胞由外周血穿透进入特定组织中［23］，而SDF-1 与CXCR4 结合后，可以活化核因子并激活细胞自分泌MMP-2和MMP-9 以及一氧化氮（NO）［24］，加上黏附分子的作用，促进干细胞由血液进入特定组织，减少干细胞在血液中由于信号分子的缺乏所导致的游走丢失。综合现有数据，我们认为，SDF-1 能够提高干细胞旁分泌的功能，主要效应为提高干细胞的增殖和存活，部分效应为配合黏附分子共同加强干细胞在特定部位的定居。

2.3 促进新生血管生成

MI 干细胞治疗的最终目标是希望分化出心肌细胞替换坏死的心肌从而弥补或是维持正常心功能，但国外的实验研究表明，干细胞如果能够同时重建血管，比单一分化为心肌细胞治疗效果要更好。可能的机制：血管的再生，不仅可以改善原有心肌的血供，也可以调整移植干细胞的缺血微环境，从而在整体上，加强干细胞的治疗效果。早在2011 年Tang 等［25］证实MSCs 分泌的VEGF 能促进血管新生，而小鼠MI 模型研究表明，梗死区SDF-1 的增加能够上调VEGF 浓度，而VEGF 促进血管再生，进而加速侧支循环建立，从而发挥心脏保护功能。有研究者在MSCs 移植SD 大鼠的研究中发现，注入MSCs 后产生的SDF-1 使MI 边缘区新生微血管数量较单纯MI组明显增加［26］。上述研究同样证明了CXCR4 的过表达增强了MSCs中的毛细血管生成［18］。2017 年Doring 等［27］研究发现，内皮细胞上CXCLl2/CXCR4 可以通过激活蛋白激酶B、Wnt3连环蛋白信号传导，维持和加强血管内皮钙黏蛋白的表达，还可以经由相关的磷酸酯酶调节增加交界血管内皮钙黏蛋白复合体的稳定性，最终促进内皮屏障功能。另外最新研究发现，通过抑制脯氨酰羟化酶从而上调人类内皮细胞上CXCL12 与CXCR4 的表达，能够促进缺血性心肌的修复以及心功能的提升［28］。相反的，Mayorga 等［29］的研究显示急性MI 后糖尿病小鼠的SDF-1/CXCR4 轴受损可能导致损伤部位细胞死亡和血管密度降低。还有研究发现，SDF-1 可以提高MSCs 的旁分泌VEGF［24，30］，如果使用CXCR4 阻断剂ADM3100，则会降低VEGF 的分泌，还可以阻断VEGF 的生血管效应［31-32］。综合来看，SDF-1 促进血管生成似乎与促进VEGF 分泌有关，至于是否还存在其他的机制，还需要更进一步的研究来验证。

2.4 改善心脏功能

在MSCs 移植SD 大鼠的研究中［26］显示，SD 大鼠急性MI 局部注射MSCs 可显著提高SDF-1/CRCX4 表达，通过缩小梗死面积，扩大梗死区室壁厚度等方面改善心功能。上述研究还通过测量心脏中左心室壁中纤维化的百分比、MI 后左心室自由壁和室间隔的厚度分析心室重构证明过表达CXCR4 的MSCs 减少心肌纤维化并改善MI 后的心脏功能［18］。Mayorga 等［33］通过对小鼠的实验证明二甲基肟基甘氨酸（DMOG）在小鼠MI 后促进MI 面积显著减少、促使心脏祖细胞（cardiac progenitor cells，CSC）募集增加、增加心肌存活和改善小鼠心脏射血分数，并证明二甲基肟基甘氨酸的作用是通过在体外和体内诱导CXCR4 表达实现的，进一步证明了心肌细胞CXCR4 表达对心脏修复的关键作用，得出CXCR4 轴早期上调的参与是改善MI后心脏修复的策略的结论。上述实验观察到通过SDF-1的过表达来挽救SDF-1/CXCR4 轴的功能可以改善糖尿病患者的心脏功能，这些数据表明受损的SDF-1/CXCR4 轴是糖尿病患者急性MI 后心脏修复受损的重要机制［29］。

3 总结

干细胞移植治疗MI，需要干细胞先存活定位，然后稳定分化，最后成熟连接宿主，形成完整功能体。在这些过程中，SDF-1/CXCR4 首先通过浓度梯度募集干细胞，然后调整细胞内骨架蛋白和肌动蛋白的重排来提高干细胞运动趋化能力，随后促进干细胞旁分泌，上调生长因子和抗凋亡因子，保证干细胞在缺血环境中的活性并加强其增殖效应，并通过增加梗死区血管生成，改善心室重构等保护损伤的心脏。这一系列过程，对于提高现阶段干细胞移植效率低下有很大的帮助。也有最新的研究表明SDF-1对心肌细胞的作用是浓度依赖的：在生理水平，SDF-1 是心脏稳态所必需的，然而，在病理水平增加时，SDF-1 诱导产生TNF-α和并随后导致心肌细胞凋亡［34］。这是第一份证明SDF-1 诱导的体外培养心肌细胞凋亡的剂量依赖效应的报道。因此，SDF-1/CXCR4 在梗死心肌中促进干细胞挽救损伤心肌的具体机制，需要更多的实验来探究。