SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞的影響研究進展

錢洲楠，任國慶

(江蘇大學附屬醫院，江蘇鎮江，212001)

內皮祖細胞是一類介于干細胞與血管內皮細胞之間，具有游走特性的、能夠增殖分化及自我更新的定向干細胞，是血管內皮細胞的前體細胞，但又缺乏其特征性表型，尚不能形成管腔樣結構［1，2］。SDF-1/CXCR4生物學軸是指由基質細胞衍生因子1及其受體CXCR4構成的一個與細胞增殖、遷移、信號傳導等密切相關的偶聯分子對。研究發現SDF-1/CXCR4軸參與內皮祖細胞增殖、凋亡、動員、歸巢、遷移等各生理過程中發揮重要作用。現綜述如下。

1 內皮祖細胞生物學特性

目前人們尚未發現內皮祖細胞的特異表面標志，它既表達祖細胞的表面標志(CD34或CD133)，同時又表達內皮細胞的表面標志(VE-Cadherin或VEGFR-2)，因此傾向于將 CD+34、CD+133、VEGFR-2 陽性的細胞視為內皮祖細胞。研究發現內皮祖細胞的功能主要為參與了出生后缺血組織的血管發生與血管損傷后的修復，其功能的發揮主要有兩個方面的機制:一是自分泌或旁分泌VEGF、IL-8、SDF-1、GMCS等細胞因子，促進內皮的修復及血管生長;二是內皮祖細胞有高增殖潛能以及內皮特性:在出現缺血缺氧、組織損傷等情況時，從骨髓動員至外周血，遷移歸巢到血管損傷處，最后增殖分化為成熟的內皮細胞，發揮內皮細胞的功能。內皮祖細胞的生物學特性主要表現為:①有內吞乙酰化低密度脂蛋白及結合荊豆凝集素的能力;②在特異的EGM-2MV培養基中可形成集落;③具有培養細胞發生遷移的能力;④產生一氧化氮。近年來研究表明內皮功能障礙在缺血性心臟病的發生及發展中扮演了重要角色，其本質是內皮損傷與修復之間的動態平衡遭到了破壞，而內皮祖細胞在損傷后的恢復中發揮了重要的作用。

2 SDF-1/CXCR4軸的作用

SDF-1/CXCR4軸在中樞神經系統的發育、循環系統及免疫系統中起重要作用，此外還參與炎癥反應、HIV 的感染及腫瘤細胞的遷移等過程［3，4］。既往的研究一直認為CXCR4是SDF-1的惟一受體［5］，但最新研究發現SDF-1還有新的受體CXCR7。關于CXCR7的研究目前主要集中于腫瘤生物學中，其在血管生成中的機制尚未明確。近來研究表明SDF-1/CXCR4軸的特異作用在于調節干細胞的功能，如在細胞遷移、增殖、動員及血管形成等過程中起十分重要的作用。亦有研究表明SDF-1/CXCR4軸在動脈粥樣硬化斑塊的形成中有重要關系，因此SDF-1/CXCR4軸與動脈硬化的關系已引起廣泛重視［6］。最新研究表明SDF-1的受體CXCR4可在內皮祖細胞表面高表達［7］，內皮祖細胞可在SDF-1/CXCR4軸的調控下沿SDF-1的濃度梯度進行增殖、黏附與遷移，并抑制其凋亡。

2.1 SDF-1的結構與功能 SDF-1又名前B細胞刺激因子，首先在小鼠骨髓基質細胞分泌的細胞因子中發現，是CXC家族的小分子趨化因子。SDF-1以單體形式存在，除了N端的1-8氨基酸殘基和C端的66、67氨基酸殘基以外和其他CC或CXC類趨化因子類似，C端對維持SDF-1的構象和生物活性的發揮起重要作用，而N端是SDF-1與CXCR4作用的主要結構基礎。SDF-1有6種同分異構體:α、β、γ、δ、ε 以及 φ，它們在功能上沒有顯著差異。SDF-1α是SDF-1在體內的主要存在形式［8］，主要在骨髓基質細胞中表達，此外在骨髓內皮祖細胞及CD3+4CD3+8造血祖細胞中持續表達，人類SDF-1基因位于染色體10q11.1。SDF-1在種間有極高的保守性，人和小鼠的同源性達99%。

2.2 CXCR4的結構與功能 CXCR4是一類表達于不同細胞膜上的由352個氨基酸組成的含有7個疏水性跨膜區的G蛋白偶聯受體。最新研究表明CXCR4在多種類型細胞表面均有表達，如血細胞(單核細胞、淋巴細胞)、造血干細胞以及胚胎干細胞等［10］。且研究發現，它不僅表達于細胞表面，在胞質中也可檢測到［11］。CXCR4參與體內多種生理機制，包括胚胎發育、造血功能以及腫瘤遷移等，在血管重構及內皮祖細胞的招募中發揮重要作用［12］。

3 SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞增殖與凋亡的影響

內皮祖細胞在損傷的血管內皮及缺血組織的內皮修復中發揮了巨大的作用，但正常人外周血中內皮祖細胞的含量很少。研究發現老齡、高血壓、糖尿病、高脂血癥及冠心病等患者中內皮祖細胞存在數量明顯減少、形態改變、易老化以及細胞功能不良等問題。在內皮祖細胞的移植治療中，這些患者又是主要治療對象。據粗略統計，患者治療所需的內皮祖細胞需要從8.5～120 L外周血中提取。因此對內皮祖細胞移植治療而言，提供足夠數量并且功能良好的內皮祖細胞顯得尤為重要。如何提高外周血循環中內皮祖細胞的數量及提高損傷處內皮祖細胞的濃度成為最新研究熱點。大量研究表明，SDF-1呈濃度依賴性促進內皮祖細胞的增殖，并且顯著增強內皮祖細胞的成血管能力。DeFalco等［13］在培養小鼠骨髓c-kit+細胞時，在培養基中分別加入100 μg/L和300 μg/L的SDF-1，均可增加明膠、纖維連接蛋白和IV型膠原上的內皮祖細胞的數量，然而50 μg/L的VEGF卻不增加內皮祖細胞數量。SDF-1/CXCR4軸不僅對內皮祖細胞的增殖有巨大的作用，亦可影響內皮祖細胞的凋亡。Yamaguchi等［14］用血清饑餓法誘導在體外擴增的內皮祖細胞的凋亡，發現用100 μg/L的SDF-1作用3 h后能明顯減少內皮祖細胞的凋亡。尹揚光等［15］利用密度梯度離心法獲取并誘導小鼠骨髓內皮祖細胞，加入不同濃度SDF-1共培養48 h后，采用血清饑餓法和紫杉醇誘導內皮祖細胞的凋亡，流式細胞儀和TUNEL法檢測SDF-1對內皮祖細胞凋亡率的影響，結果表明SDF-1可以抑制內皮祖細胞的凋亡。

4 SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞動員的影響

生理情況下，內皮祖細胞主要存在于骨髓中，骨髓中的內皮祖細胞在各種因素的刺激下可遷移至外周血，使外周血中內皮祖細胞的數量增加稱為內皮祖細胞的動員。而SDF-1/CXCR4軸的一個主要作用就是調節干細胞的動員。Aiuti等［16］研究發現SDF-1具有誘導骨髓細胞以及動員外周血CD34+細胞遷移的作用，最適濃度為100～300 μg/L，在培養基中加入抗CXCR4抗體后則可顯著減少遷移反應，從而認為SDF-1與CD+34細胞包括內皮祖細胞的動員有密切關系。Perez等［17］研究發現，提高血漿中SDF-1濃度可促進CD34+造血干/祖細胞動員到外周血。因此，SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞的動員作用可能成為輔助增加外周血內皮祖細胞數量的一個基石。

5 SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞遷移與歸巢的影響

Smart等［18］指出歸巢就是指循環中的干細胞或祖細胞運動到靶組織、器官或者骨髓。SDF-1/CXCR4軸在內皮損傷與組織修復中的關鍵作用之一就是啟動干細胞的歸巢。當發生損傷后，SDF-1水平上調并立即從損傷組織中釋放，形成一定的SDF-1濃度梯度，使干細胞動員并遷移到損傷的組織。Shen等［19］在體外用內皮祖細胞做SDF-1誘導的遷移實驗，發現SDF-1對內皮祖細胞有強大的趨化活性，并且呈濃度依賴性。康慶林等［20］在大鼠骨髓源性內皮祖細胞的培養中，用不同濃度的SDF-1刺激發現內皮祖細胞的遷移能力呈濃度依賴性增加，濃度越高作用越明顯，由此提示SDF-1能促進骨髓源性內皮祖細胞的遷移。Akashi等［21］研究發現通過SDF-1基因轉染的缺血下肢，能充分捕獲自體內皮祖細胞整合到新生的毛細血管中，從而增加缺血下肢的血液灌注和毛細血管密度。在心肌梗死中，冠狀動脈閉塞后，特別是在梗死區邊緣SDF-1的表達明顯上調，并募集多種干細胞以及內皮祖細胞到梗死心臟［22］。而利用 CXCR4受體拮抗劑 AMD3100可以阻斷由SDF-1增高而產生的心臟保護作用［23］。Tang等［24］研究發現缺氧環境預處理心肌細胞后，細胞表面CXCR4明顯上調，提高了內皮祖細胞在缺血心肌的歸巢，縮小梗死心肌面積進而提高心功能。由此可見，SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞的遷移歸巢作用提示其可能成為利用干細胞治療心血管疾病的一個突破口。

6 SDF-1/CXCR4軸對內皮祖細胞管型形成的影響

既往曾認為血管損傷后內皮的修復是依靠周圍的成熟內皮細胞分裂增殖實現的，但成熟內皮細胞已經是分化終末細胞，增殖能力非常有限，內皮祖細胞作為內皮細胞的前體才是損傷修復的真正參與者。近年來研究發現許多細胞因子如 SDF-1、VEGF、細胞集落刺激因子，包括一些藥物如他汀類藥物在內皮祖細胞參與的血管新生中發揮著重要的作用。而SDF-1可刺激多種炎性細胞釋放VEGF，又可上調CXCR4的表達，進而增加細胞對SDF-1的反應，通過一系列的反饋作用誘導內皮祖細胞VEGF的過表達來促進血管的新生。Wang等［25］研究發現SDF-1可引起干/祖細胞在梗死區域的聚集，促進血管的形成。Kuliszewski等［26］證實在下肢缺血損傷模型，SDF-1相比有利于促進新生血管的形成。Xiao等［27］研究發現缺血組織中SDF-1的過度表達，從而引起更多的內皮祖細胞匯集到缺血組織參與新生血管的形成。發生心肌梗死后，缺血缺氧刺激使梗死部位釋放出大量炎癥趨化因子，而SDF-1/CXCR4軸在心肌梗死后內皮祖細胞參與的血管再生中發揮重要作用。以上這些研究都表明SDF-1/CXCR4軸通過募集內皮祖細胞至缺血組織，有助于缺血組織的新生血管形成。但是仍有一些問題是不容忽視的，如內皮祖細胞促進血管再生的治療是否會引起不良反應，是否會在促進血管新生的同時出現潛在血管瘤和腫瘤的風險。這些問題都有待于進一步深入研究。

尋找促進改善內皮祖細胞生物學活性的生物學因子，尤其是內源性因子特別重要，隨著對SDF-1/CXCR4軸結構、信號轉導、功能及CXCR4抑制劑AMD3100研究的不斷深入，現有理論已證實，在實驗條件下SDF-1/CXCR4軸可促進骨髓造血干細胞向內皮祖細胞方向分化，并在促進內皮祖細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，亦可動員內皮祖細胞進入外周血，缺血組織中SDF-1的表達增加，可以介導內皮祖細胞歸巢到缺血組織，進而促進新生血管的形成。這些均提示SDF-1/CXCR4軸是內皮祖細胞功能發揮的一個重要途徑。此外，以SDF-1/CXCR4軸為靶點治療心血管疾病日益受到重視，這也可能成為缺血性心臟病防治的一個新靶點。

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