CXCL12/CXCR4軸與心肌梗死關系的研究進展

謝麟臻，應磊，胡智盛，李娜，王雪嬌，汪洋

(溫州醫科大學，浙江溫州325035)

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·綜述·

CXCL12/CXCR4軸與心肌梗死關系的研究進展

謝麟臻，應磊，胡智盛，李娜，王雪嬌，汪洋

(溫州醫科大學，浙江溫州325035)

趨化因子CXCL12是趨化因子受體CXCR4的特異性配體。CXCL12/CXCR4軸能通過介導干或祖細胞向梗死部位歸巢、提高間充質細胞存活率、促進血管再生、減少心肌細胞凋亡對心肌梗死心臟發揮保護作用，但也存在引起內皮過度增生導致血管腔狹窄和心肌梗死后再狹窄的可能。CXCL12/CXCR4軸在心肌梗死過程中的確切作用尚不明確。

心肌梗死;CXCR4；CXCL12；CXCL12/CXCR4軸

心肌梗死是指因冠狀動脈供血急劇減少或中斷，使相應心肌發生持久而嚴重的缺血導致的心肌壞死。急性心肌梗死起病突然，嚴重者可并發心力衰竭、心律失常甚至休克。世界衛生組織預測，到2020年急性心肌梗死將成為全球第一大死因。近年來研究表明，CXCL12/CXCR4軸與心肌梗死的發病、進展、預后有著密切聯系，本文就其研究進展作簡要綜述。

1　CXCL12及CXCR4概述

CXCL12屬于CXC類趨化因子, 廣泛表達于心、肝、腎、腦、骨髓等組織中，是高度保守的小分子蛋白；小鼠的CXCL12基因有92%的同源性。CXCR4屬于CXCR類G蛋白耦聯受體，同樣高度保守；人與小鼠的CXCR4基因有89%同源性，在干細胞、祖細胞、單核細胞、淋巴細胞、腫瘤細胞等廣泛表達。CXCL12與CXCR4相結合介導細胞內效應是通過經典的G蛋白耦聯途徑完成的。CXCR4信號主要耦合到Gαi亞基，刺激異三聚體G蛋白解離；αi單體抑制腺苷酸環化酶的活性，并觸發MAPK和PI3K通路，而β-γ二聚體通過磷脂酶C的激活觸發細胞內鈣動員。CXCL12的降解受到DPP4調控。DPP4是一種細胞表面的絲氨酸蛋白酶，在腸、肝、胰腺、胎盤、胸腺等廣泛表達,并通過調節許多細胞因子和趨化因子調控機體的生理功能。已經證明，CXCL12可以被血漿和缺血性心臟組織中的DPP4降解。

2　CXCL12/CXCR4軸對心肌梗死心臟保護作用

2.1介導干或祖細胞向梗死部位歸巢骨髓間充質干細胞是骨髓中的一類自我復制、無限增殖具有多向分化潛能的成體干細胞，而祖細胞是其徹底分化前的中間細胞，是未分化的多能或專能干細胞。移植女性心臟的男性患者心臟中可以檢測到Y染色體，同時也存在Y染色體陰性的未分化細胞，這說明干或祖細胞參與了心肌再生與修復的過程。經過缺氧預處理的Lin(-)c-kit(+)小鼠祖細胞CXCR4表達量升高，移植后對心肌的保護能力較常氧預處理的Lin(-)c-kit(+)更強。體外實驗證實，缺氧能增加骨髓間充質干細胞中CXCR4的表達，同時發現CXCR4介導的骨髓間充質干細胞向CXCL12的遷移需要PI3K / AKT信號參與。心肌缺血時CXCL12顯著上調，心肌梗死和缺血再灌注損傷后心內或心肌內注射CXCL12有助于縮小梗死面積，增加心臟功能。CXCR4及其配體CXCL12表達于心肌細胞和成纖維細胞。Agarwal等[1]在對小鼠模型的研究中發現，急性心肌梗死后梗死區CXCL12表達立即升高并在24 h內達到峰值，而 CXCR4的升高則在48 h之后。從出現的時間看，起著心臟保護作用的應該是梗死區上升的CXCL12而非CXCR4。Thackeray等[2]研究發現,梗死區CXCR4的升高與炎細胞的浸潤在時間和部位上同步進行，但兩者之間的確切關系尚無定論。使用DPP4抑制劑MK-0626抑制DPP4之后，CXCL12的降解減少，循環中的內皮祖細胞的數量上升，同時血管壁內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達水平上升[3]。甲狀旁腺激素能夠提高心肌梗死患者的生存率并改善心功能，可能的機制就包括甲狀旁腺激素能夠抑制DPP4的活性從而減少梗死區CXCL12的降解，進而促進CXCR4(+)干細胞向梗死部位的歸巢[4]。心肌梗死后如何有效動員干或祖細胞使之歸巢到梗死區發揮保護作用、進而改善心功能已經成為當下研究的熱點之一。

2.2提高間充質細胞存活率間充質干細胞分泌CXCL12，并通過CXCL12/ CXCR4軸增加祖細胞的存活；移植的間充質干細胞過表達CXCL12，在心肌梗死后24～48 h提高心肌細胞生存率并增加新生血管的密度，然而這一過程中并沒有心肌再生的證據。在氧化應激的情況下，CXCL12/ CXCR4軸能通過增加細胞自噬作用而提高間充質細胞的存活率[5]。移植過表達CXCR4的間充質干細胞能夠減少心室重塑，這一過程中間充質干細胞釋放MMP-9，MMP-9能夠疏松梗死灶細胞之間的連接，從而有助于細胞進入梗死區域[6]。Tang等[7]證實間充質干細胞分泌的血管內皮生長因子(VEGF)不僅能促進血管新生，還能通過CXCL12/ CXCR4軸介導心肌干細胞向梗死灶歸巢進而改善心臟功能。

2.3促進血管再生小鼠心肌梗死模型研究表明，梗死區CXCL12的增加能夠上調VEGF的含量，而VEGF促進血管再生，進而而加速側支循環建立，從而發揮心臟保護功能。內皮祖細胞可提高缺血組織的血管新生能力，促進損傷血管的修復和再內皮化。CXCL12在內皮祖細胞向缺血性組織的遷移過程中起著重要作用。缺血性損傷后不久，血漿和缺血組織中CXCL12的水平就開始增加，CXCL12的增加是由于低氧上調HIF-1α， 而HIF-1α通過結合CXCL12的啟動子和啟動其轉錄上調CXCL12[8]。阻斷CXCL12或使用CXCR4抑制劑可以減少小鼠模型損傷誘導的內膜和平滑肌細胞增生[9]。

2.4減少心肌細胞凋亡 研究證實，CXCL12 / CXCR4軸能夠促進抗凋亡因子的釋放從而減少心肌細胞的凋亡、提高心肌細胞生存率、發揮心肌保護作用。向心肌梗死模型小鼠的心肌內注射CXCL12，72 h后梗死灶周圍心肌凋亡數量明顯少于空白對照組。缺血缺氧的心肌通過CXCL12/ CXCR4軸以自分泌或旁分泌的方式磷酸化AKT或ERK 1/2，進而通過PI3K/AKT或MAPK/ERK1/2通路減少心肌細胞凋亡；兩者相比較而言，近年來的研究結果更傾向于PI3K/AKT通路。移植同種異基因心臟的大鼠在心肌注射c-kit(+)心肌干細胞后，注射部位CXCL12的表達量上升并促進抗凋亡因子的釋放、減少心肌細胞凋亡，大鼠存活率明顯提高[10]。

3　CXCL12/CXCR4軸對心肌梗死心臟負性作用

CXCR4(+/-)基因缺陷的雜合小鼠心肌梗死時梗死面積較正常鼠小，新生血管密度、內皮細胞數也低于正常小鼠，然而兩種小鼠在心肌梗死后的心臟功能變化并沒有明顯差異[11]。這一結果表明，心肌梗死時CXCL12/CXCR4軸的作用并不完全是正性作用，可能有某些負性作用抵消了保護作用。小鼠模型經CXCR4抑制劑AMD3100處理后，M-CSF失去了促進損傷誘導內膜增生的能力，這意味著CXCR4促進損傷處新生內膜炎細胞浸潤，由此引發的炎性反應可能導致基質的降解和心肌細胞的凋亡。Chen等[12]發現，CXCR4的過表達增加大鼠心肌梗死面積、降低心臟功能。這可能與炎性細胞的招募增強、TNF-α的表達上升和心肌細胞的凋亡增加相關。但另有結果表明在心肌梗死后CXCR4心臟功能改變或心肌重塑的過程與CXCR4沒有明顯關聯。

阻斷CXCL12/CXCR4軸通過干擾CXCR4(+)平滑肌祖細胞和炎細胞向損傷部位的聚集可減輕內膜增生，CXCR4促使內皮祖細胞歸巢到損傷的血管并促進其分化。CXCR4缺陷的小鼠在受到損傷時會形成較正常內皮更大面積的內膜損傷，同時損傷部位平滑肌細胞的增殖水平低于正常[13]。CXCL12/CXCR4軸引起的內皮過度增生有導致血管腔狹窄和心肌梗死后再狹窄的可能。

4　CXCL12/CXCR4軸在心肌梗死治療中的應用

目前已經有臨床研究使用間充質干細胞治療心肌梗死，并取得良好效果。在一項為期5年的對急性心肌梗死患者PCI術后的隨訪研究中，9位自體移植骨髓間充質干細胞患者的心功能明顯優于對照組[14]。Meta分析也驗證了骨髓干細胞療法治療心肌梗死的可行性[15]。

間充質干細胞移植治療不但較傳統的藥物治療更為安全，而且易于獲取，避免了倫理學問題，但是卻存在植入細胞存活率低、很快凋亡、歸巢能力弱的問題，真正能起作用的干細胞只有大約1%。其治療效率低下的原因之一在于間充質干細胞很容易丟失表面的CXCR4分子。不過已經有方法可以將重組CXCR4分子快速整合到間充質干細胞細胞膜上[16]，CXCL12/CXCR4軸所介導的間充質干細胞移植有可能成為心肌梗死治療的新手段。

CXCR4抑制劑AMD3100已被批準作為造血干細胞的激動劑與G-CSF聯用治療非霍奇金淋巴瘤和多發性骨髓瘤患者，而且多種CXCR4抑制劑正處在臨床研究階段[17]。AMD3100能夠促進干或祖細胞動員，使用CXCR4抑制劑來治療心肌梗死的方法在理論上極具前景。但需要注意的是，阻斷CXCL12/CXCR4軸可能會加重心肌梗死后心肌的受損程度；CXCR4水平升高也可能會降低干細胞的歸巢效率[18]。針對CXCL12/CXCR4軸另一種增加祖細胞動員的可能途徑在于提高祖細胞CXCL12的含量。有報道對1例19個月齡晚期心衰患兒使用G-CSF 和DPP4抑制劑的雙重注射，結果患兒祖細胞動員增加并心衰癥狀緩解[19]。但是另有隨機雙盲臨床試驗表明，對心肌梗死后成功進行血運重建的患者聯合使用G-CSF和DPP4抑制劑并不能改善患者的預后。

目前，CXCL12 / CXCR4軸在心肌梗死過程中究竟發揮何種作用仍然不是十分明確。隨著對CXCL12/ CXCR4軸的結構、功能、信號轉導及抑制劑等問題的深入探討，其在心肌梗死中的作用將進一步明確，并有可能成為心血管疾病防治的新靶標。

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汪洋(E-mail: wangydh995@163.com)

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2016-03-22)