SDF-1/CXCR4在骨微環境及骨疾病中的研究進展

鄭 洋 郝海靜 劉曉奇

基質細胞衍生因子-1(stromal cell derived factors-1，SDF-1)及其趨化因子受體(C-X-C chemokine receptor 4, CXCR4)是CXC類趨化因子亞家族的新成員，SDF-1有SDF-1α和SDF-1β兩種亞型，SDF-1α為其主要亞型。SDF-1在人腦、肺、心臟、腸道、腎臟、肝臟、骨骼肌、軟骨、骨髓等組織中均有表達，并且在血管內皮細胞、成骨細胞和成纖維細胞中也可以檢測到SDF-1的存在。當缺血、缺氧和炎癥等病理性反應以及在促血管生成等疾病，例如腫瘤中SDF-1的表達量會顯著升高[1]。在組織造血過程中SDF-1也扮演了主要的角色，造血干細胞釋放至外周血循環時，其在骨髓微環境中表達增高。研究表明，SDF-1/CXCR4在具有趨化作用的同時，也是其他祖細胞的生長因子。不僅如此，SDF-1/CXCR4也是T淋巴細胞的共同刺激分子，它可以通過免疫調節，參與局部抗炎等相關作用。近年來，隨著SDF-1/CXCR4的研究深入，除了在其他領域的探索，在骨科疾病(如骨關節炎、腰椎間盤突出、韌帶骨化、骨腫瘤)以及基因調控、骨再生及骨修復方面也受到了廣泛的關注。本文將著重介紹SDF-1/CXCR4近年來在骨微環境及骨疾病方面的研究進展。

一、SDF-1/CXCR4結構特征及生物學特點

趨化因子是一類結構相似的小分子蛋白質，由于分子N-端的兩個半胱氨酸的位置狀態不同，所以趨化因子有4個亞類，即CXC(插入1個氨基酸殘基)類、CC(不插入氨基酸殘基)類、C(N端只有1個氨基酸)類和C3XC(插入3個氨基酸殘基)類，而SDF-1在這4類中歸于CXC類趨化因子，其基因編碼序列位于10q11.1，開放讀碼框為270bp，由68個氨基酸構成。SDF-1α其三維結構是3條反向平行的β鏈，外側是1條α螺旋。第1β鏈與第2β鏈是通過Ⅲ型轉角相連，第2β鏈與第3β鏈是通過Ⅰ型轉角相連，最后的β鏈與C末端α螺旋相連[2]。CXCR4作為G蛋白偶聯受體(G-protein-coupled receptor,GPCR)，其活化過程是由與細胞膜胞質側的異源三聚體G蛋白的偶合來介導。異源三聚體G蛋白由Gα、Gβ和Gγ亞基組成，在其基礎狀態下，與鳥嘌呤核苷酸GDP結合。當CXCR4與SDF-1的細胞外結構域結合誘導受體結構發生變化時，Gα亞基結合的GDP被GTP替換，Gα亞基從三聚體解離成單體，與cAMP或IP3等細胞效應酶結合，激活不同的信號轉導途徑，如ERK1/2、p38、SAPK/INK和Bruton酪氨酸激酶等，導致各種生物反應發生，如調控細胞存活、增殖和趨化，增加細胞內Ca2+的釋放，調控基因轉錄等[3]。與其他GPCRs一樣，SDF-1和CXCR4受體之間的接觸通過受體中誘導的構象變化來啟動信號轉導，該構象變化通過膜傳遞，以促進相關G蛋白上GTP對GDP的替代。CXCR4激活Gi/o蛋白家族，進而激活磷脂酶C、磷酸肌醇3激酶途徑，并調節基因轉錄、細胞遷移和細胞黏附[4]。

二、SDF-1在基因調控中小分子核糖核酸的探索

近年來隨著深入的研究發現，預防及治療骨科相關疾病除了常見的病因，還受到一定的遺傳易感性影響，很多基因的多態性導致了疾病的個體差異，基因表達調控已是當今熱門話題,而在許多骨科疾病中SDF-1也參與著相關基因的調控。其中SDF-1參與微小RNAs(microRNAs，miRNAs )及長非編碼RNA(long non-coding RNAs，lncRNAs)在骨疾病及骨分化的研究引人注目。

眾多文獻報道，miRNA可以參與SDF-1軸的調控。有研究表明miRNAs在骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchyml stem cell，BMSC)成骨分化中起著重要作用[5]。而SDF-1促進了BMSCs旁分泌介導的組織修復過程中的傷口愈合，因此被認為是來源于BMSCs的關鍵旁分泌因子[6]。有文獻表示某些miRNAs與SDF-1共同參與著骨形成與骨分化。miR-149被報道參與調節鈣離子，骨基質礦化和骨吸收，以及通過多種靶向途徑和基因分化來維持骨組織[7]。有實驗論證了SDF-1是miR-149的靶基因，miR-149的上調可以下調SDF-1的表達，并通過增加堿性磷酸酶、骨鈣素和Runt相關轉錄因子2的含量促進骨髓間充質干細胞的成骨分化[8]。近年來研究發現某些miRNA可以通過SDF-1/CXCR4途徑抑制軟骨分化，Zheng等[9]通過實驗證明，miR-221-3p水平與軟骨退變程度有關。miR-223-3p通過SDF-1/CXCR4信號保護軟骨細胞外基質降解。Xiang等[10]通過實驗得出結論,miR-142-5p的表達有效阻斷了骨關節炎患者軟骨細胞中由SDF-1/CXCR4軸觸發的MAPK信號通路，從而抑制軟骨細胞凋亡，降低了骨關節炎主要的危險因素。段亞妮等[11]在研究長非編碼RNA時也取得了一定的進展，XIST是一種定位于X染色體失活中心的非編碼RNA，在降低lncRNAXist的表達后BMSCs的遷移能力下降，其機制可能是lncRNAXist通過降低BMSC膜受體CXCR4的表達，從而抑制BMSC遷移。雖然在基因調控方面SDF-1/CXCR4的研究較少，但為以后的SDF-1在基因表達調控方面的探索以及治療相關疾病提供了許多良好的思路。

三、SDF-1對骨髓間充質干細胞的影響

SDF-1與骨缺損移植及骨再生方面的關系已是當今熱門的研究方向。骨髓至少由兩種類型的干細胞組成，即造血組織和非造血組織，它們被進一步總結為骨髓間充質干細胞[12]。骨髓間充質干細胞(BMSCs)是成骨細胞前身，具有多向分化能力，在骨折修復中，BMSCs向骨缺損區的遷移、黏附、分化對骨折愈合具有重要意義。成骨細胞形成過程中BMSCs的分化對骨的構建至關重要[13]。研究表明SDF-1可以促進血管生成和干細胞招募,而且SDF-1在激活和收集干細胞和祖細胞(如表達CXCR4的骨髓間充質干細胞)方面發揮著重要作用[14]。有研究發現，SDF-1/CXCR4在多種因素的作用下可以對干細胞指導定向遷移至損傷組織并定植修復,也就是所謂的細胞歸巢作用[15]。SDF-1通過促進組織血管生成，從而為種子細胞歸巢和增殖提供通道和營養，通過誘導BMSCs上調骨形態發生蛋白(BMP)的表達，促進成骨分化，并且增加局部血供[16]。

在SDF-1/CXCR4介導BMSCs骨再生與骨分化中的主要信號通路是MAPK途徑。BMSCs主要來源于骨髓和CD44+細胞，有實驗證明，MAPK途徑參與了SDF-1介導CD44細胞的遷移，MAPK途徑已經被證明可以調節包括生存、增殖和遷移在內的多種細胞行為，在MAPK通路中有3個主要成分：細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases 1/2,ERK1/2)、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38mapk)和應激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。研究者通過進一步的體內實驗得到了一致的結論，認為骨髓CD44+細胞的遷移是由SDF-1/CXCR4信號通路以JNK依賴的方式介導[17]。Wang等[18]研究發現，當SDF-1激活p38通路時，可以激活血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，促進血管生成，加重炎性反應與軟骨生成。當SDF-1/CXCR4激活p38和ERK1/2信號通路時，一方面可以誘導激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)表達，當AP-1被激活后，酒石酸抗性酸性磷酸酶(tartrate -resistant acid phosphatas，TRAP)，基質金屬蛋白(matrixmetalloproteinase，MMPs)和組織蛋白酶 K(cathepsin,CK)3種酶活性被激活[19]。MMPs被激活時，促進軟骨細胞向成熟和凋亡[20]。作為破骨細胞的特異性標志物的TRAP和CK，則因SDF-1激活AP-1增加破骨細胞的分化，促進骨質吸收，降低骨質鈣含量[21]。另一方面激活周期蛋白D1(cyclin D1)促進軟骨細胞增殖。激活 Runx2途徑也會作用于MMPs，誘導軟骨細胞死亡[20]。機制詳見圖1。

圖1 SDF-1/CXCR4在骨再生與骨分化中的信號通路

四、SDF-1與骨科相關疾病的關系

近年來，SDF-1在骨科相關疾病中的探索取得了一定的成績，SDF-1/CXCR4在介導骨再生及骨分化方面起到了很大的作用，因此，SDF-1在骨科退行性變及異位骨化方面疾病中的進程、預防以及治療方面扮演著重要的角色。

1.SDF-1與后縱韌帶骨化:有研究表明后縱韌帶骨化與SDF-1的調控存在一定的關系，SDF-1/CXCR4可以對骨髓間充質干細胞指導定向遷移，而BMSCs通過軟骨內骨化過程允許血管侵犯并促進韌帶骨化[22]。在正常組織中骨髓間充質干細胞在SDF-1/CXCR4軸的作用下向韌帶損傷區遷移，促使韌帶的恢復，通過檢測韌帶骨化患者組織發現BMSCs已經通過遺傳或表觀遺傳改變轉變成具有成骨特性的細胞。有研究者通過脊髓韌帶骨化模型動物研究論證SDF-1/CXCR4軸在韌帶異位骨化過程中的作用及其與BMSCs的關系，并且檢測到韌帶骨化患者的脊髓韌帶SDF-1/CXCR4軸表達較高，骨化前軟骨細胞SDF-1和CXCR4表達呈陽性。研究者還發現韌帶骨化患者來源的BMSCs的遷移能力明顯高于非來源的BMSCs，從而證明了SDF-1/CXCR4促進間充質干細胞趨化活性可能促進人脊髓韌帶異位骨化。

2.SDF-1與椎間盤退變:椎間盤突出的初始因素是椎間盤退行性變，主要的原因是功能性髓核細胞數量的減少。在臨床試驗中，自體或異體間充質干細胞移植在椎間盤修復和腰痛緩解方面顯示出巨大的潛力。而合成和分解代謝失衡的椎間盤在修復過程中也能夠釋放多種細胞因子和趨化因子，來達到有效招募內源性干細胞的目的[23]。已有文獻表明，SDF-1α及其受體CXCR4的上調與椎間盤退行性變密切相關。有實驗論證了通過SDF-1/CXCR4軸，髓核細胞衍生干細胞被招募到退行性椎間盤的損傷部位，從而提高了干細胞原位再生治療的效率。He等[24]也論證了軟骨終板干細胞介導的髓核細胞增殖是通過SDF-1/CXCR4軸部分調控，SDF-1激活了髓核細胞內ERK1/2信號通路發揮作用。而Leite等[25]卻發現SDF-1介導BMSCs遷移增強了椎間盤Ⅱ型膠原表達進而緩解了退變的進程。因此，SDF-1對間盤退變的具體影響以及發生、發展的所起到的作用還需進一步的研究。

3.SDF-1與骨性關節炎：近年來，SDF-1參與骨性關節炎(OA)的病理機制受到了廣泛的關注，SDF-1是OA過程中軟骨下骨重塑和由此引起的異常骨形成的重要調節因子，抑制SDF-1信號轉導可能是治療OA的一種新方法。SDF-1存在于滑膜中，其受體CXCR4位于軟骨細胞表面，SDF-1通過與CXCR4結合，激活ERK信號通路及其下游轉錄因子，這導致了在MMPs啟動子上AP-1的激活和MMPs的上調，使其進一步導致OA軟骨的破壞[17]。也有研究認為SDF-1/CXCR4軸通過直接或間接誘導錯誤的MSCs募集，從而使OA軟骨下骨損傷，并且還發現SDF-1/CXCR4軸可能通過偶合軟骨下骨損傷和關節軟骨退變來促進OA的進展[26]。當然研究者也探討了使用CXCR4抑制劑來阻斷SDF-1在滑膜中的作用以防止OA發病，眾多的抑制劑中，AMD3100和T140是流行的選擇[27]。但當OA形成，軟骨發損傷退變時，在特定的條件下SDF-1也能夠動員干細胞、祖細胞或調控相關保護因子，參與軟骨的修復、重建，延緩0A的發生[3]。由此了解到，SDF-1在OA的長期復雜病理學中的作用仍然存在許多的爭議，需要更加深入探索。

4.SDF-1/CXCR4與骨腫瘤：近年來研究發現，多種實體腫瘤和血液系統惡性腫瘤中存在CXCR4病態性高表達，而高表達的CXCR4被配體SDF-1活化可促進腫瘤生長、侵襲和轉移。在骨腫瘤微環境中SDF-1是關鍵調節因子，具有調節血管生成、破骨細胞生成、腫瘤細胞遷移和與基質細胞黏附等多種致癌過程的能力。例如，在多發性骨髓瘤中SDF-1就是一個重要因子，它能夠調節與多發性骨髓瘤發展過程中惡性轉化相關的許多過程，而且有研究者也研究發現，CXCR4在多發性骨髓瘤細胞表面表達。在骨肉瘤中，研究者發現骨肉瘤組織中SDF-1/CXCR4的 mRNA含量和蛋白含量均明顯高于瘤旁組織，而且SDF-1能夠促進骨肉瘤細胞遷移和侵襲。Yu等[28]也研究發現，SDF-1介導的血管內皮生長因子的表達可能促進骨肉瘤的生長和轉移，導致臨床預后不佳。除了骨肉瘤，Fan等[29]也研究發現，SDF-1與軟骨肉瘤的嚴重程度及復發率呈正相關。由此可以看出，SDF-1與骨腫瘤密切相關，這可能為骨腫瘤的靶向治療提供了新的思路。

五、展 望

SDF-1/CXCR4的復雜網絡在骨科各類疾病的發生、發展發揮著重要的生物學作用。隨著近年來SDF-1在骨組織微環境中所產生影響的深入研究，在骨組織工程以及基因表達調控方面的研究進展已經取得了重要的成就。無論是在基因工程方面還是在骨組織工程方面，其本質上大多數都是通過介導骨髓充質干細胞來完成骨再生及骨分化，因此在未來，研究BMSCs與SDF-1/CXCR4之間的聯系，了解在什么條件下，趨化因子可以促進BMSCs增殖分化或者抑制凋亡就顯得尤為重要。目前，研究者在SDF-1信號通路方面也已經有了更進一步的突破，在其信號通路方面，研究者的目光更多地是集中在阻斷其信號通路從而延緩骨疾病中的退變及骨增生，為更多骨疾病精準的靶向藥物研究提供了一種很有前景的治療方法。但是，SDF-1其下游信號通路網絡是一個龐大的信息庫，在組織、細胞、分子等層面還需開展深入研究。相信在不久的將來，SDF-1的研究會在干細胞的移植、基因的靶向治療以及其拮抗劑的探索等方面取得更加重要的進步，在治療骨科疾病上發揮更加重要的作用。