基質細胞衍生因子-1/受體生物軸相互作用的研究進展

車宇芳

（中日友好醫院 消化科，北京 100029）

趨化因子又稱趨化性細胞因子，是一類能趨化白細胞定向移動的小分子分泌蛋白。其受體是GTP-蛋白偶聯的跨膜受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）。 基質細胞衍生因子-1（stromal cell derived factor-1，SDF-1） 歸屬于A類趨化因子，也叫趨化因子配體12（CXC chemokine ligand-12，CXCL12），是一種小分子量（ 8～10Kd）細胞因子，作為趨化因子家族成員之一，SDF-1存在于許多組織和器官細胞表面上的趨化因子受體（chemokine receptor 4，CXCR4）受體的腺體，并能夠與趨化因子受體特異性偶聯，參與多種信號的轉導過程。近來研究表明，SDF-1在胚胎發育、血管生成、炎癥、腫瘤、艾滋病等機體眾多的生理、病理過程中發揮重要作用。基質細胞衍生因子-1/受體（SDF-1/CXCR4）生物軸，作為骨髓間充質干細胞（mesenchyal stem cells，MSCs）主要定植生物學因子，在組織修復過程中，能夠趨化循環干細胞到達損傷部位，促進干細胞存活及橫向分化等；同時可以介導胚胎發育，細胞歸巢腫瘤轉移等生理活動，SDF-1/CXCR4生物軸被認為是當前腫瘤治療領域的重要分子靶標之一，其與血行轉移、淋巴結轉移以及預后密切相關，可以作為預測術后轉移的獨立危險因素等。我們簡要討論SDF-1/CXCR4生物軸在人體各細胞調節中的形成和功能。

1 SDF-1和CXCR4的介紹

趨化因子是由不同類型細胞分泌的能使細胞發生趨化運動的低分子量（8-12KD）的細胞因子。趨化因子與受體結合后在許多病理生理過程中起重要作用。目前對于趨化因子及其受體研究較多的是CXCR4，SDF-1是它的唯一配體，系統命名CXCL12。SDF-1和CXCR4廣泛地表達于多種細胞和組織中，包括免疫細胞、腦細胞、心肌細胞等，在免疫系統、循環系統及中樞神經細胞的發育過程中起著至關重要作用。同時含有血管生成促進分子和抑制分子的CXC趨化因子家族在白細胞遷移、免疫應答、血管生成和腫瘤轉移中具有多重作用。基質細胞衍生因子-1（SDF-1）被認為是一種小的血管生成促進趨化因子[1]，其首先被克隆為一種蛋白質，其表面捕獲特殊氨基末端信號序列，人類CXCR4最初被確定為SDF-1的受體，是通過篩選趨化因子受體孤獨基因，其能誘導人體細胞內鈣離子以應對人SDF-1的能力。通過克隆候選趨化因子受體并比較人氨基酸序列和人脫氧核糖核酸，隨后發現了小鼠CXCR4。最近研究已經顯示，SDF-1與另一受體趨化因子受體 7（chemokine receptor 7，CXCR7）相結合[2]。

近年來很多研究指出，趨化因子SDF-1與其特異性受體CXCR4所構成的SDF-1/CXCR4生物學軸在許多腫瘤的播散和器官特異性轉移中發揮重要作用。SDF-1的構成型和誘導型表達已經在幾種組織中有所報道，如骨髓、心臟、肝、腎、胸腺、脾臟、骨骼肌和腦中[3]。SDF-1通過分析人和小鼠基因組結構的選擇性剪接產生2個同工型，即SDF-1α和SDF-1β，SDF-1α包含 3個外顯子，編碼89個氨基酸的蛋白質，而SDF-1β由4個外顯子組成，編碼93個氨基酸的蛋白質。2種同工型的序列高度相似，僅在SDF-1β的C末端具有4個額外氨基酸的差異。其他趨化因子的基因是聚類的，而SDF-1不同，SDF-1已經被映射到獨特的染色體定位和高度保守的序列，在不同物種的趨化因子家族中表現出獨特的生物學功能。隨后有研究發現在成年大鼠腦、心臟和肺臟中，存在著另一個名為SDF-1γ的剪接變異體。最近，Cavnar等人報道了在不同組織中有另外 3 種人剪接變體 SDF-1δ，SDF-1ε和 SDF-1ζ[4]。 將來，更多的調查研究來確認這些SDF-1變異體的功能。

研究得知，SDF-1和CXCR4之間的相互作用影響多個下游信號通路，其調節細胞運動性、趨化反應、細胞粘附和基因轉錄相關的各種生物學效應[5]。通過CXCR4受體激活蛋白質途徑導致幾種信號級聯的調節，包括腺苷酸環化酶失活、激活富含脯氨酸激酶2、Rho GTP酶激活、MAPK激活 p42/44-ELK-1、Jak/STAT 和 PI3K-AKT-NF-κB 軸、Crk 和 Crk-L、粘著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）、細胞質銜接相關蛋白 （P130 Crk-associated substance，p130Cas）和樁蛋白以及磷脂酶 C（phospholipase C，PLC）、蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）和鈣釋放[6]。 第 2 個SDF-1受體、CXCR7也可能激活MAPK、PI3K和Jak/STAT通路，從而調節干/祖細胞遷移[7]，SDF-1/CXCR4信號軸參與到大鼠穎下頌關節骨關節炎的進程中；SDF-1/CXCR4信號軸或許通過細胞外調節激酶 （extracellular signalregulatedkinase，ERK）信號通路引起基質金屬蛋白酶 3（matrix metalloproteinase-3，MMP-3）和基質金屬蛋白酶9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）表達量的增加，但該具體機制仍需相關體外實驗進一步探索[8]。

2 SDF-1/CXCR4軸在胚胎發育和成人造血中的作用

SDF-1/CXCR4生物學軸對中樞神經系統、心血管系統等的發育至關重要。SDF-1由多種類型骨髓（bone marrow，BM）基質細胞和許多器官中的上皮細胞產生。有人研究證明，CXCR4基因敲除的小鼠在胚胎發育過程中就會死亡，缺乏這個配體或（其）受體的小鼠往往不能正常發育，表現為小鼠的造血系統、心臟、中樞神經系統的發育缺陷，其原因為在胚胎發育時期，不同組織來源CXCR4表達陽性的組織干細胞在SDF-1趨化下，遷移到相應部位，進一步分化發育成不同的器官。骨髓基質細胞衍生因子（bone marrow stromal cell derived factor-1，BMSDF-1）大多在未成熟的成骨細胞的骨內膜區域中產生，這些細胞與干細胞壁相鄰，BMSDF-1在人和鼠的骨髓內皮細胞中高度表達[9]。SDF-1涉及許多種類細胞的遷移，增殖，分化和存活，包括人和鼠造血干細胞和祖細胞。CXCR4廣泛用于各種細胞類型，包括造血、內皮、基質和神經元細胞。已有敲除模型的研究顯示缺乏SDF-1或CXCR4的鼠胚胎具有多種缺陷，有些是致死的，包括骨髓淋巴細胞和骨髓造血受損。雖然胎兒肝臟中的B淋巴細胞生成也受損，因事實上這種趨化因子也是前B細胞生長因子，但是胚胎胸腺中的T細胞發育和胎兒肝臟中的骨髓發育不受影響[10]。研究證明，正常小鼠與CXCR4基因缺乏小鼠的腦相比較，發現CXCR4基因敲除小鼠在小腦結構上出現異常，特別是外顆粒層的細胞過早地進入到內顆粒層，以至于不能正常出生。這些結果證明了SDF-1/CXCR4軸在確定的胎兒肝臟干細胞歸巢到骨髓和/或在胚胎發育期間保留造血和器官再增殖的重要作用。

3 SDF-1/CXCR4軸在腫瘤轉移和組織修復中的作用

腫瘤的發生是正常細胞在多因素共同作用下，經多步驟、遭受多重打擊的復雜過程。慢性感染遷延不愈、病原持續刺激、病毒、毒素的遺傳毒性導致的異常增殖反應都可能導致腫瘤的發生。趨化因子能募集特定的白細胞到炎癥區，如果趨化因子持續高表達，有可能會造成廣泛的組織損傷，增加癌變的概率。侵襲和轉移是惡性腫瘤的主要生物學特征，也是許多惡性腫瘤的主要死因，腫瘤的遷移并非隨機發生，而是因為受到自身細胞趨化因子和受累器官趨化因子的影響所致，SDF-1和CXCR4生物軸之間的相互作用已經顯示出其能介導腫瘤轉移[11]。有研究模擬SDF-1/CXCR4生物學軸提出了器官特異性轉移的理論模型：CXCR4在腫瘤細胞高表達，與此相應，SDF-1在腫瘤轉移靶器官如淋巴結、肺、肝、骨中高表達，而在非常規轉移器官中表達水平卻很低，腫瘤細胞憑借SDF-1與CXCR4的特異性親和力，最終導致腫瘤向這些器官的特異性轉移。在多種人類惡性腫瘤（包括乳腺癌，肝癌，胰腺癌，前列腺癌和膠質母細胞瘤）中已經檢測到CXCR4的過度表達[1]。SDF－1/CXCR4軸作為舌癌淋巴結轉移的一個重要途徑發揮著重要作用，可成為一個抗腫瘤治療靶點，關于淋巴結的轉移的機制還需要更多的研究與探索[12]。李偉發現原發性肝癌SDF-1/CXCR4生物軸活性升高可以誘導內皮細胞形成新生血管，且轉移癌的SDF-1/CXCR4生物軸活性及新生血管密度明顯高于非轉移癌，同時也發現隨著SDF-1干預濃度的增加，細胞侵襲數目逐漸增多，更證實了SDF-1/CXCR4生物軸與細胞侵襲轉移性密切相關[13]。迄今為止，SDF-1/CXCR4生物學軸在腫瘤轉移中的作用已經分別在乳腺癌、胃癌、非小細胞肺癌、喉癌、橫紋肌瘤等的研究中得到證實。這些數據支持SDF-1/CXCR4軸在一些腫瘤轉移形成中的作用關系。

由于CXCR4特定的炎癥趨化白細胞的作用，使它在不同的自身免疫性疾病中得到研究，包括系統性紅斑狼瘡、類風濕關節炎和自身免疫性的中樞神經系統多發性硬化癥等，SDF-1/CXCR4軸也參與組織修復。有研究已經表明，四氯化碳介導的肝損傷，因介導SDF-1影響人CD34t祖細胞的增加，從而導致NOD/SCID小鼠的肝臟損肝增加，這表明SDF-1可直接利用造血祖細胞致組織損傷[13]。mayela等人已經證明，能表達CXCR4的大鼠肌肉的衛星細胞同時也可以表達SDF-1，這意味著特殊組織干細胞的遷移可能受SDF-1調控[14]。CXCR4在動脈粥樣硬化過程中通過控制中性粒細胞動員和穩態從而起到了抗動脈硬化的作用[15]。

4 SDF-1/CXCR4生物軸是MSC的主要歸巢因子

造血干細胞 （hematopoietic stem cells，HSCs）通常來源于骨髓，存在于外周血及臍帶血，具有較強的自我更新和分化發育能力，可產生各種類型的血細胞。供體造血干細胞歸巢是指HSCs通過靜脈移植經外周血循環進入受體后，經復雜的分子間相互作用而介導的其在骨髓內的識別與定位。SDF-1不僅作為骨髓CXCR4表達HSC的趨化因子，而且還影響其生存和增殖，SDF-1及其受體CXCR4在骨髓、內皮細胞和基質細胞、血管平滑肌細胞都可以表達。不論在正常狀態下還是組織損傷后，對于干細胞及骨髓祖細胞的歸巢和動員均起著至關重要作用。此外，在過去十年中，大量的數據支持了SDF-1/CXCR4軸在MSC的生物學和生理功能中也起重要作用這一新的假說[16]。SDF-1在損傷位點上調，作為一種潛在的化學誘導劑，用于修復顯現或隱藏表達CXCR4的骨髓基質細胞，這些組織特異性器官修復或再生包括肝臟、心臟、腦[17]、腎臟[18]和皮膚[19]。此外，SDF-1在損傷組織中的局部傳遞促進間充基質和祖細胞在心臟病變和腦中的循環[17]。Leah等人已經證明SDF-1在受傷的骨膜中被誘導，并通過在小鼠活的和死的骨移植物模型中誘導MSC至損傷部位來促進軟骨內骨修復[20]。Pelekanos等人還證實，MSCs表面的CXCR4對于通過人類供體骨髓抽吸物的MSC來介導和調節細胞至骨髓的遷移是重要的[21]。1999年Science上報道，CXCR4抗體孵育后的干細胞無法實現歸巢過程，這進一步表明造血干細胞的植入是依賴于造血干細胞表面表達的CXCR4。歸巢包括一系列過程，以移植的干細胞粘附于骨髓血竇內皮始，繼之以穩定的粘附并穿行內皮細胞，最終達到血管外骨髓微環境并開始重建造血。SDF-1與CXCR4相互作用可活化影響細胞分泌的重要轉錄因子NF-κB，刺激CXCR4陽性的HSCs分泌基質金屬蛋白酶 （MMPs，如MMP2和MMP9）、一氧化氮和血管內皮生長因子等細胞因子，有助于細胞外基質中成分的降解及HSCs發生穿越細胞外基質的移行，而利于HSCs歸巢及定位于造血微環境。

SDF-1/CXCR4生物學軸是指由趨化因子SDF-1與其特異性受體CXCR4相互作用而構成的一個與細胞間信號轉導、細胞遷移有密切關系的偶聯分子對，其實質在于CXCR4對其配體SDF-1的高度親和力和絕對特異性，目前發現的SDF-1受體主要有CXCR4和CXCR7兩種，因CXCR7發現較晚，醫學界對SDF-1/CXCR7生物軸的認識尚處于初期階段，而SDF-1/CXCR4生物軸則已經被證實參與機體多種生理功能。總體而言我們得出結論，存在于各種組織和器官中的SDF-1/CXCR4生物軸，作為MSCs主要的定植生物學因子，在促進感染或者受損組織修復和再生中起到了非常重要的作用，同時在胚胎發育和造血中起重要作用，其也可以通過許多信號通路來介導腫瘤發生、侵襲、演進、轉移，此外，SDF-1/CXCR4生物軸作為MSC的主要歸巢因子，可以在未來醫學的發展中將這種生物學效應應用于臨床研究和治療，從而促進MSCs定植于動物模型和人體組織。現在已有CXCR4拮抗劑，如AMD3100已被批準與G-CSF作為造血干細胞動員劑聯合應用于非霍奇金淋巴瘤和多發性骨髓瘤患者治療。目前許多關于CXCR4的其他小分子抑制劑也在臨床研究中[22]，是否有副作用產生，目前無報道，需要嚴密監測。CXCR7是否可以替代CXCR4作為SDF-1的受體，可能會增加干預趨化因子信號選擇性的療法的可能性，比如靶向使趨化因子受體二聚化[23]，需要進一步研究。趨化因子眾多，具體到SDF-1/CXCR4軸的國內研究尚少，這種配體/受體軸的生物學特性及機制需要我們進一步努力研究，隨著研究的深入，我們有理由期望SDF-1/CXCR4生物學軸成為一種新的腫瘤標記物和治療靶點。

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