調控SDF-1/CXCR4軸在骨髓間充質干細胞向心肌梗死部位歸巢中的研究現狀*

范忠偉綜述，譚美云審校

（西南醫科大學附屬醫院骨與關節外科，四川瀘州 646000）

調控SDF-1/CXCR4軸在骨髓間充質干細胞向心肌梗死部位歸巢中的研究現狀*

范忠偉綜述，譚美云審校

（西南醫科大學附屬醫院骨與關節外科，四川瀘州 646000）

骨髓間充質干細胞；SDF-1/CXCR4軸；心肌梗死；細胞遷移

據統計，我國每10萬人中有近50人死于急性心肌梗死、近100人死于冠心病，傳統治療均不能撤底改善心功能，雖然異體心臟移植能夠徹底改善心功能，但供體來源非常有限而不能臨床廣泛應用。心肌細胞具有不可再生性，缺血后心肌細胞的大量減少是導致心肌梗死后發生心衰的主要原因。利用骨髓間充質干細胞 （bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）修復受損心肌或者能夠促進心肌細胞再生為心肌梗死的治療帶來了新希望。研究表明，BMSCs被動員到并遷移到缺血的心肌后能夠通過釋放多種促進缺血心肌組織再血管化的生長因子和細胞因子，自身分化成為心肌樣細胞等多種途徑改善心功能。然而，心梗后能夠被動員并最終順利歸巢到缺血心肌的BMSCs數量非常稀少，以至于對心功能的損害不能起到很好的彌補作用。基質細胞衍生因子1（stromal cell derived factor-1，SDF-1）及其受體CXC趨化因子受體4（CXC chemokine receptor 4，CXCR4）所開啟的信號傳導途徑成為了促進BMSCs有效歸巢到缺血心肌的關鍵信號軸，大量研究顯示，BMSCs表面CXCR4表達的越多，SDF-1引導BMSCs向心肌梗死部位遷移的就越多，并且BMSCs可以隨SDF-1的濃度梯度向心肌梗死部位遷移[1-6]。

因此，對SDF-1/CXCR4信號軸的有效調控可能是促進BMSCs大量歸巢到缺血心肌，進而更有效改善心臟重構和心功能的一個新的充滿希望的治療方法。

1 SDF-1 和CXCR4 的結構以及生物學特性

趨化因子是細胞分泌的具有趨化作用的一種小分子蛋白物質，是現今了解最細的細胞因子家族。根據其N端在前兩個半胱氨酸殘基中的位置，趨化因子被分為四種亞型，分別是 C，CC，CXC，和 CX3C。基質細胞衍生因子 1-α（（stromal cell derived factor-1α，SDF-1α），也被稱為趨化因子配體12（CXCL12），是唯一已知G蛋白受體的配體，該種G蛋白受體被稱為七次跨膜的趨化因子受體4（CXCR4），CXCR4含352個氨基酸殘基，編碼基因位于人染色體2q21，主要表達于單核細胞、中性粒細胞、淋巴細胞和激活的T細胞[7]。與其他可結合多種趨化因子的受體不同，CXCR4專一性地與SDF-1結合，介導許多的生理功能，包括細胞轉移、血管生成、胚胎發育以及細胞免疫等[8]。在成人骨髓中，SDF-1α/CXCR4信號軸還控制著造血干細胞歸巢的趨化性，腫瘤的侵襲與轉移也發揮著重要的作用[9]。最近研究顯示，SDF-1還可以同CXC趨化因子受體7（CXC chemokine receptor 7，CXCR7）結合，然而CXCR7被SDF-1激活后卻并未表現出對細胞的趨化作用[4]。

SDF-1作為C–X–C趨化因子亞科中的一員，于1996年首先從小鼠的骨髓間充質細胞中分離出來，已被報道有許多種組織表達有這種物質，包括骨髓、心臟、肝臟、腎臟、胸腺、脾臟、骨骼肌，大腦以及血小板[8，10]。通過對人和老鼠的SDF-1基因結構分析，由于通過單個基因編碼以及由于可變剪接，導致了SDF-1α和SDF-1β兩種形式。后來Gleichmann等在成年大鼠的大腦、心臟及肺中發現了另一種剪接變體，被命名為SDF-1γ，并且該亞型在心臟中表達量最高。然而，SDF-1γ在心肌梗死的過程中的表達卻是保持不變的，反之，另外1種SDF-1α在心肌梗死的病理過程中卻扮演著極其重要的角色。后來又有研究者經過RT-PCR分析，發現了人類還存在另外3種亞型，分別是SDF-1ε，SDF-1δ，SDF-1ζ，通過研究發現，這些不同亞型的SDF-1在刺激細胞遷移的能力上是不同的[10，11]。

2 BMSCs概述

BMSCs是一種具有多項分化潛能的細胞，它于1976年被Friedenstein等人首次提出來，自那時起，BMSCs便成為了用于研究組織再生被研究得最為詳細的細胞[12]。比如將它用于研究心肌梗死、神經系統的損傷、肺損傷、膀胱損傷、肝臟損傷、陰道損傷等。可以通過全骨髓貼壁培養法、密度梯度離心法、流式細胞儀分選法和免疫磁珠分選法而獲得BMSCs。由于全骨髓貼壁培養法較易掌握，并且培養的細胞污染機會少，細胞增殖快，因此是一種目前大多數人使用的方法[13]。目前主要是通過流式細胞計數儀檢測細胞表面標志物來確定是否是BMSCs，由于BMSCs表達多種表面標志物，比如CD29，CD71，CD44，CD90，CDl20A等，現在大多采用鑒定抗體CD29，CD44，CD90來鑒定擴增的BMSCs[14]。

越來越多的證據表明，BMSCs在用于疾病心肌梗死以及之后的心力衰竭的細胞療法上是一種非常有前景的細胞，通過研究發現，BMSCs主要是通過分化為心肌細胞、心肌血管再生、釋放出旁分泌因子、抗心律失常及增強心臟神經等作用來達到細胞治療的效果[6]。

3 SDF-1 /CXCR4 介導BMSCs遷移

通過以往的研究，現在業界普遍認為SDF-1通過與CXCR4結合介導細胞的遷移，因此，通過提高受損部位SDF-1的表達就可以促進CXCR4陽性細胞向受損部位的歸巢。經過研究顯示有30種不同表達的基因參與了被SDF-1刺激的BMSCs，其中有11種參與了細胞的移動[2]。另一個趨化因子受體CXCR7也顯示出對SDF-1有非常高的親和力，然而當CXCR7被SDF-1激活后，并非有助于細胞的遷移[4]。許多證據表明，在動物損傷模型上SDF-1α/CXCR4軸在BMSCs的歸巢上扮演著重要的角色[5，6]，體內高表達的CXCR4不僅有利于BMSCs的遷移，還有助于提高BMSCs的營養作用效果。在小鼠急性心肌梗死模型上，通過局部灌注BMSCs，心肌細胞缺乏表達CXCR4組同心肌細胞高表達CXCR4組相比，前者心臟功能明顯沒有后者心臟功能恢復好，盡管二者平均增加的血管密度無明顯差異[1]。雖然受損局部表達的SDF-1與它的受體CXCR4對遷移細胞的歸巢起著關鍵性的作用，但是通過體外培養擴增的BMSCs表達的CXCR4水平卻很低[15]。

3.1 提高CXCR4的表達

經研究發現，CXCR4的表達受多種因素的調節，包括細胞因子、趨化因子、基質細胞、粘附分子和蛋白水解酶。組織損傷和缺氧或應激的相關轉錄因子會提高CXCR4的表達，比如核因子-kB（nuclear factor-kB，NF-kB）[16]、缺氧誘導因子1α（hypoxia–inducible facter-1α，HIF-1α）[17]、糖皮質激素、溶血卵磷脂[18]、轉化生長因子β1（transforming growth factor-? 1，TGF-β1）[19]、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）[16]、干擾素α和幾種白介素（白介素2、白介素4和白介素7）[20]。因此在心臟處于應激的條件下可能會上調CXCR4在干細胞中的表達。研究者們已經采取了許多方法提高CXCR4的表達從而提高心肌梗死的治療效果。比如，在動物損傷模型中，用腺病毒、逆轉錄病毒和慢病毒來轉染CXCR4都提高了BMSCs的動員和遷移[21]。陽離子脂質體可以作為另一種轉染基因的方式，用于代替用病毒作為載體的轉染方式，因為陽離子脂質體作為載體具有低毒、低免疫原性、費用低以及相對較容易建立起核酸/脂質體復合體，因此有利于大規模的臨床使用[22]。在小鼠急性心肌梗死模型中，通過丹參酮IIA和黃氏甲苷IV預處理的BMSCs，提高了BMSCs的歸巢能力，在體外實驗中證實提高了CXCR4的表達[23]。在缺氧的條件下，高表達CXCR4的BMSCs釋放基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase-2，MMP-2和matrix metalloproteinase-9，MMP-9），該酶可以提高BMSCs穿過基底膜，提高干細胞到達受損心肌部位，減少受損后的瘢痕，從而提高心臟功能[24]。通過胰島素生長因子 1（Insulin growth factor-1，IGF-1）預處理的BMSCs用于治療急性心肌梗死后，提高了BMSCs的遷移能力，心肌得到了明顯的修復，其中主要參與的機制就是提高了CXCR4的表達[25]。通過加入糖原合酶激酶3β阻滯劑也能提高CXCR4的表達，進而提高BMSCs的遷移能力[26]。通過脂質聚乙二醇將CXCR4合并重組到BMSCs的細胞膜上，也能提高BMSCs的遷移能力[5]。

3.2 提高SDF-1α的表達

心肌梗死后SDF-1α分泌的水平會增加，但這種高水平的SDF-1α卻是短暫的，維持的水平不會超過7 d[5，6]，這是因為SDF-1α會被二肽基肽酶IV （dipeptidyl peptidase-IV，DDP-IV）滅活[27]。因此，通過使用DDP-IV阻止劑可以提高SDF-1α的水平，從而提高干細胞遷移到受損心肌的能力[28]。同樣還可以直接向受損區域注射SDF-1α以提高BMSCs的遷移，就如同通過腺病毒轉導或通過生物材料可控性的釋放提高SDF-1α的表達一樣，然而，通過加入CXCR4阻滯劑AMD3100后卻會阻止這種功效[4]。沖擊波或是超聲波治療也被證實可以提高SDF-1α的表達進而提高BMSCs的遷移[29]。低剪切應力也被證實可以提高BMSCs的遷移能力，其中的作用機制就是提高SDF-1的分泌和提高CXCR4的表達[30]。通過皮膚張力的機械牽拉也可以暫時的提高SDF-1α從而提高BMSCs在體內或是體外的遷移能力，但是這種遷移能力會被AMD3100明顯阻斷，因此證實CXCR4受體在這個過程中起著重要的作用[31]。Qin Jiang等研究認為，通過遠程缺血處理后可以提高SDF-1α的表達，進而提高通過靜脈注射BMSCs在心肌的儲存量[2]。MacArthur等通過在心肌梗死部位直接注射SDF-1α的類似物后提高了梗死心臟的機械性能[32]。

3.3 SDF-1α/CXCR4與相關信號通路的關系

SDF-1α通過激活磷脂酰肌醇三激酶/蛋白激酶B（phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）信號通路增加BMSCs的遷移[3]，通過加入蛋白激酶C激動劑后被證實是通過PI3K/Akt信號通路增加BMSCs的遷移[33]。低氧條件下也被證明可以通過PI3K/Akt信號通路增加BMSCs的遷移，并且這種遷移效果會被PI3K/Akt信號通路阻滯劑LY294002所阻斷[31]。Lin等認為在心肌梗死之后，激活蛋白2α（protein kinase-2α，AP2α）通過Akt信號通路對一氧化碳（carbonic oxide，CO）引導SDF-1α的表達起著至關重要的作用[34]。在CXCR4基因改進型的BMSCs中含磷的Akt以及激活的磷酸基變位酶蛋白激酶（phosphomitogen-activated protein kinase，MAPK）的水平達到最大值后會被加入的AMD3100恢復到基礎水平，經過PI3K特殊阻滯劑LY294002和MAPK阻滯劑PD98059預處理的BMSCs后，表達CXCR4的BMSCs的遷移會顯著的減弱[35]。這有可能是 PI3K/Akt和MAPK/ERK（extracellular signal-regulated kinase，胞外信號調節激酶）兩個轉導路徑都參與了通過引導CXCR4的表達來提高BMSCs的遷移。

4 總結與展望

大量的研究表明，趨化因子是BMSCs用于治療心肌梗死的關鍵調節因素，其中，SDF-1是最重要的因子之一，SDF-1/CXCR4在調節BMSCs的移植、動員、血管重建以及新生血管的形成方面是被廣泛接受的。本文總結了SDF-1與它的受體CXCR4一起構成SDF-1/CXCR4系統并參與到BMSCs治療心肌梗死的修復過程中，并且SDF-1/CXCR4可以作為一個潛在的調控靶點來提高BMSCs治療心肌梗死的效果。雖然有大量的研究證明通過高表達或持續釋放SDF-1/CXCR4在BMSCs治療心肌梗死過程中，對BMSCs遷移到心肌以及對心臟血管的生成上和對心臟的保護方面表現出了積極的作用，但也有人研究證實SDF-1/CXCR4在心肌修復上的負面影響，比如，Chen等認為通過腺病毒轉導提高CXCR4表達后，心肌的梗死面積有所擴大，減弱了心臟功能，其原因是提高了炎性細胞的歸巢、增加了腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）α的表達進而提高了心肌細胞的壞死[36]。目前關于提高SDF-1/CXCR4表達來引導BMSCs的遷移大多處于離體研究中，因此還需要額外的大規模的臨床前試驗來闡明SDF-1/CXCR4軸在BMSCs治療心肌梗死中的病理生理學。

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（2015-11-17收稿）

R394.2

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2016.03.027

*國家自然科學基金（31271049）

范忠偉（1989-），男，碩士研究生。

譚美云（1974-），男，醫學博士，副教授，E-mail：drtmy@126.com