血管壁干細胞遷移及分化機制的研究進展

楊禮菊 綜述 李鵬云 審校

西南醫科大學心血管醫學研究所，醫學電生理教育部重點實驗室，四川省醫學電生理重點實驗室，四川省心血管疾病防治協同創新中心（四川瀘州 646000）

傳統觀點認為成體血管是一個遍布全身的終末分化組織，主要調控營養物質和氧的供應，然而近年來研究發現血管壁在血管穩態調控方面也發揮著生物中央處理器的作用，參與調控血管的生長、修復以及血管壁上不同類型細胞之間的功能聯系。進一步的研究證實血管壁上存在多種類型的血管干細胞，如Sca-1+干細胞、c-kit+干細胞、CD34+干細胞、內皮祖細胞、間充質基質細胞、平滑肌祖細胞、髓系祖細胞等[1-3]。這一發現改變了血管生物學的傳統觀點。血管壁干細胞來源于胚胎發育[4]，并非來源于骨髓、造血祖細胞[5]，它們具有高增殖能力和多向分化潛能，能夠分化為內皮細胞、平滑肌細胞、間充質細胞[6]。血管損傷后，平滑肌細胞在kruppel樣因子4（kruppel-like factor 4，KLF4）誘導下產生血管祖細胞有助于血管干細胞庫的形成，并在動脈穩態和疾病中發揮重要作用[7]。血管干/祖細胞與動脈粥樣硬化、血管再狹窄等密切相關，它們可以從外膜或者中膜遷移到內膜，并且能夠分化為不同的細胞，從而參與血管重塑。這些血管壁干/祖細胞還可形成血管樣網狀結構，促進血流恢復和血管重構，在改善血管功能或防止血管損傷方面發揮重要作用[8-11]。因此，探討血管壁干/祖細胞在心血管疾病中的作用及其機制是非常必要的。

目前，心血管疾病的發病率和死亡率都是全球最高的，死亡人數每年都在增加[12]。其中動脈粥樣硬化、血栓形成、高血壓、缺血性疾病等都存在血管重塑[8]。血管壁干細胞一方面可以促進損傷血管的修復，另一方面又可導致血管再狹窄、加重動脈粥樣硬化病變[6，13]。本文就血管壁干細胞遷移和分化機制的研究進展做一綜述，以期有助于在心血管疾病中開發新的干細胞治療策略。

1 血管壁干細胞遷移相關機制

目前關于血管壁干細胞在心血管疾病中遷移機制的研究，主要集中在血管壁外膜Sca-1+干細胞向血管內膜損傷部位或向其他病變部位遷移。在此過程中，各種趨化因子、趨化因子結構類似物以及旁分泌的細胞因子激活相關下游信號引起的細胞骨架變化（見圖1）。

圖1 血管壁干細胞部分遷移機制圖Figure 1 Schematic diagram of the partial migration mechanisms of vascular wall-resident stem cells

1.1 CCL2/CXCL1-CCR2/CXCR2-Rac1-p38 信號通路

趨化因子參與多種細胞的遷移分化過程，在心血管疾病中發揮重要作用[14-15]。在動脈粥樣硬化病變過程中，血管外膜Sca-1+干細胞能夠遷移到內膜并分化成平滑肌細胞，從而促進病變發展[16]。血管損傷后，血管平滑肌細胞從靜止的收縮表型分化為活化的合成表型，進而促進細胞增殖、遷移和新生內膜形成[17-18]。在此過程中，平滑肌細胞分泌多種趨化因子，如趨化因子2（CCL2）和趨化因子1（CXCL1）[19]。這些趨化因子（CCL2和CXCL1）和Sca-1+細胞上其相應趨化因子受體2（CCR2和CXCR2）結合，促進了血管壁外膜Sca-1+的遷移。在以上兩種趨化因子的刺激下，GTP 酶（Cdc42 和Rac1）被激活，p38 磷酸化增加。當Cdc42 或Rac1 被抑制后，CCL2和CXCL1誘導的血管壁祖細胞遷移明顯減少。而只有當Rac1抑制時，外膜Sca-1+細胞遷移和p38磷酸化被同時抑制。以上研究表明血管壁干/祖細胞從外膜向新生內膜的遷移是由平滑肌細胞釋放的趨化因子引起的，通過CCL2-CCR2-Rac1-p38和CXCL1-CX?CR2-Rac1-p38信號通路引起細胞骨架重排起作用[17]。在此過程中，Cdc42 可能通過其他途徑參與CCL2 和CXCL1誘導的血管外膜Sca-1+細胞向內膜遷移。

1.2 西羅莫司/SDF-1-CXCR4

經皮冠脈介入治療已成為冠心病的主要治療手段之一[20]。西羅莫司洗脫支架治療在克服冠狀動脈再狹窄方面取得了相當大的成功。然而，再狹窄仍是目前的一道難題。研究發現冠脈支架術后再狹窄可能與西羅莫司通過激活Sca-1+祖細胞表面趨化因子受體4（CX?CR4）誘導血管壁祖細胞從血管壁外膜遷移至內膜，進而分化為平滑肌細胞促進新生內膜的形成有關[21]。

對于許多類型的血管重建，自體靜脈移植仍然是唯一的手術選擇，但移植血管內新生內膜的形成和動脈粥樣硬化，仍是目前面臨的一大挑戰。基質細胞衍生因子1（SDF-1）是動脈粥樣硬化過程中一種強有力的趨化因子。這一病理過程的主要參與者（如巨噬細胞）能大量分泌SDF-1，SDF-1 通過與血管壁外膜干細胞表面CXCR4 結合，促進血管外膜干細胞遷移，進而分化為平滑肌，加重病變[22]。

1.3 DKK3-CXCR7-ERK/pI3K-Akt/Rac1/RhoA

Dickkopf-3（DKK3）是一種分泌型糖蛋白，在內皮細胞、平滑肌細胞和血小板中均有高表達。最近有研究報道DKK3參與了血管壁干/祖細胞遷移[23]。DKK3和基質細胞衍生因子1α（SDF-1α）結構非常相似，趨化因子受體7（CXCR7）是SDF-1α的受體。研究發現DKK3 與CXCR7 結合后激活ERK1/2、pI3K/AKT、Rac1 和RhoA信號通路，調控血管外膜Sca-1+細胞的遷移。用DKK3或不加DKK3 制作組織工程血管移植物，并植入大鼠腹主動脈，負載DKK3 的組織工程血管移植物能有效地內皮化和募集血管祖細胞，具有成熟平滑肌細胞的特性。在這種血管移植模型中，阻斷CXCR7 會抑制干/祖細胞重新募集到血管壁，從而影響血管重塑[23]。

1.4 瘦素受體依賴的STAT3-Rac1/Cdc42-ERK-FAK通路

瘦素是一種肽激素，肥胖水平與血漿瘦素水平升高密切相關[24]。瘦素與高血壓、內皮功能障礙、動脈粥樣硬化密切相關[25]。有研究發現[6，24]，將瘦素受體陽性Sca-1+祖細胞移植到瘦素受體缺陷小鼠損傷動脈的外膜側可顯著促進損傷血管新生內膜的形成。進一步的研究表明血管損傷后，血管壁和循環中瘦素水平上調，并促進了新生內膜的形成。血管外膜Sca-1+祖細胞表達瘦素受體，瘦素可通過磷酸化轉錄激活因子3（pSTAT3）、磷酸化細胞外信號調節激酶1/2（pERK1/2）、磷酸化粘著斑激酶（pFAK）、Rac1、Cdc42的活化，進而促進Sca-1+祖細胞的趨化和遷移，并且呈劑量依賴性和時間依賴性。上述研究表明，瘦素受體依賴的STAT3-Rac1/Cdc42-ERK-FAK信號通路促進了Sca-1+祖細胞的遷移。

1.5 SCF-c-kit-GTPase-MEK/ERK/MLC，JNK/c-jun

對于多器官功能障礙，器官移植無疑是一個新的希望，但是器官移植后動脈硬化與移植失敗、預后不良密切相關。最近有研究者將c-kit+干細胞帶有tdTomato的轉基因小鼠血液移植到骨髓破壞的小鼠中，再進行同種異體主動脈移植手術，發現非骨髓來源的c-kit+干細胞遷移到病變部位，并分化為平滑肌細胞，促進新內膜形成，誘發加重動脈硬化。進一步研究發現，干細胞因子（SCF）在血清和病變中增加，干細胞因子通過激活c-kit 的磷酸化，繼而激活GTP 酶（包括Cdc42、RboA、Rac1），以及下游MEK/ERK/MLC 和JNK/c-jun 信號通路，進而使c-kit+干細胞實現遷移，參與后續病理變化[26]。

1.6 MMP8-ADAM10-E-cadherin

基質金屬蛋白酶8（MMP8）也被稱為膠原酶-2。有研究發現巨噬細胞、平滑肌細胞和內皮細胞在動脈粥樣硬化病變表達MMP8，MMP8在動脈粥樣硬化斑塊中干細胞/祖細胞遷移及其募集中起重要作用[27]。MMP8能夠促進金屬蛋白酶域蛋白10（ADAM10）的成熟，繼而增加血管壁干細胞上E-鈣粘蛋白（E-cadherin）氮端的脫落，形成可溶性E-鈣粘蛋白，進而促進血管壁干細胞向動脈粥樣硬化病變部位遷移和募集。體內實驗證實，敲除MMP8后，動脈粥樣硬化病變減輕[27]。

1.7 Micro-RNA對血管壁干細胞遷移的影響

目前研究發現miRNA 在動脈粥樣硬化中發揮著重要作用[28]。在小鼠主動脈移植模型中，用miRNAs 芯片篩選移植血管新生內膜標本，發現miR-155 顯著上調，進一步研究發現miR-155 通過增加骨髓源性細胞在內膜的積聚和促進單核細胞趨化蛋白1（MCP-1）的表達來維持內膜和外膜之間的MCP-1濃度梯度，繼而促進Sca-1+、CD34+、flk1+和c-kit+血管壁干細胞遷移聚集至新生內膜[29]。最近有研究通過對正常小鼠和ApoE-/-小鼠主動脈外膜Sca-1+祖細胞單細胞測序發現，ApoE-/-Sca-1+細胞的細胞骨架重排基因表達譜發生了改變，使它們更容易接受外來遷移信號。GO 富集分析顯示，與正常小鼠相比，ApoE-/-小鼠血管外膜Sca-1+細胞群中參與調控細胞遷移、運動、細胞骨架組織和內肽酶活性的關鍵基因下調了4倍。ApoE-/-小鼠的血管外膜祖細胞在體內外均表現出增強的遷移潛能。研究表明脂質負載增加miRNA-29b的表達，進而抑制Sirt1并上調基質金屬蛋白酶9（MMP-9）水平以誘導血管外膜Sca-1+祖細胞遷移[30]。

1.8 活性氧對血管壁祖細胞的影響

活性氧（ROS）的產生和清除之間的失衡增加了氧化應激，氧化應激通過影響炎癥反應、細胞生長、死亡、遷移、細胞骨架組織以及細胞外基質的合成或降解，參與了與高血壓等心血管疾病相關的血管重塑[31]。研究發現，與內皮細胞相比，血管外膜干細胞對氧化應激的抵抗力更強，這歸因于抗氧化酶特別是超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的上調。抑制超氧化物歧化酶，導致氧化應激和過氧化氫誘導的細胞凋亡增加。同樣，血管外膜祖細胞分化導致超氧化物歧化酶下調，暴露于過氧化氫中，分化的血管外膜祖細胞凋亡增加。在無其他刺激條件下，氧化應激不改變內皮細胞的運動，但增加了血管外膜祖細胞的遷移。此外氧化應激完全抑制了血管內皮生長因子對內皮細胞的遷移誘導作用，但對血小板衍生生長因子誘導的血管外膜祖細胞的遷移無影響[32]。

2 血管壁干細胞分化相關機制

血管壁干細胞通過遷移分化參與各種心血管疾病的病理變化過程中。當受到血管損傷刺激后，血管壁外膜干細胞遷移至內膜，并分化為其他細胞參與新生內膜形成，其中平滑肌細胞和內皮細胞是此過程中重要參與者（見圖2）。

圖2 血管壁干細胞部分分化機制圖Figure 2 Partial differentiation mechani smdiagram of vascular wallresident stem cells

2.1 mi-RNA對血管壁干細胞分化的影響

在血管外膜干/祖細胞向平滑肌細胞分化的過程中，發現microRNA-22 顯著上調[33]。研究表明，血小板衍生生長因子-BB（PDGF-BB）和轉化生長因子-β（TGF-β）通過上調miR-22，miR-22與靶基因甲基CpG結合蛋白2（EMCP2）結合（EMCP2 在血管外膜干細胞向平滑肌細胞分化過程中起負性調控作用），繼而調控平滑肌細胞特異性轉錄因子（SRF、Myocd）和平滑肌細胞分化調節因子（NOX4、HDAC7、Plazg7）的表觀遺傳修飾，抑制平滑肌細胞基因表達（EMCP2 通過增加SRF、Myocd 和Pla2g7 基因啟動子中H3K9 甲基化抑制SMC基因表達）[33]。此外，有研究發現，低劑量的白藜蘆醇可減少內皮損傷后新生內膜的形成[34]。其機制可能是，白藜蘆醇降低了miR-21的表達，增加了miR-21靶基因PTEN 水平，從而降低了Akt 的磷酸化水平，進而抑制了β-catenin，誘導血管壁干/祖細胞向內皮細胞分化和減少新生內膜形成[34]。

2.2 巨噬細胞和MMP8對血管壁干細胞分化的影響

血管移植失敗通常與動脈硬化相關，其中內皮功能障礙、損傷是一個關鍵事件[34]。內皮損傷、死亡導致單核細胞（巨噬細胞）從血液中滲入新生內膜，從而導致炎癥反應[35]。巨噬細胞可以通過腫瘤壞死因子-α介導經典NF-κB信號通路控制血管壁干/祖細胞的分化[36]。

巨噬細胞來源的MMP8是血管壁外膜干細胞向平滑肌細胞分化和損傷后內膜增生的調節因子，巨噬細胞分泌的MMP8 部分通過調節轉化生長因子-β（TGF-β）促進血管外膜干細胞向平滑肌細胞分化，另外還通過激活金屬蛋白酶域蛋白10（ADAM10）-notch1信號通路來發揮作用，即MMP8 通過促進ADAM10 的成熟激活notch1，notch1與平滑肌細胞基因啟動子結合位點csl結合，從而調節SMαA和SM22α基因的表達，實現血管壁外膜干細胞向平滑肌細胞的分化，并在血管損傷疾病中促進新生內膜增生[37]。

2.3 DKK3-Wnt信號通路

DKK3在血管損傷過程中，除了參與血管壁干細胞的遷移，還能夠誘導其向平滑肌細胞分化[15]。DKK3 的缺失會導致動脈粥樣硬化斑塊的易損性，研究發現，DKK3通過激活Wnt信號通路，誘導Sca-1+血管祖細胞分化為平滑肌細胞，從而維持動脈粥樣硬化斑塊的穩定性[38]。

2.4 糖代謝對血管壁干細胞分化的影響

血管壁c-kit+干細胞與異體移植的動脈粥樣硬化密切相關，通過遷移到病變部位，由轉化生長因子β1激活己糖激酶1 依賴的糖代謝，以及下游肌鈣蛋白和血清反應因子的O-GlcNAc糖基化，實現向平滑肌細胞的分化，進而促進新生內膜形成[26]。

2.5 其他影響血管壁干細胞分化的因素

西羅莫司可激活表皮生長因子受體和ERK 引起β-catenin核轉位介導的信號通路促進血管壁Sca-1+祖細胞向平滑肌細胞分化[21]。在血管壁多能干細胞中高表達的HOX 基因（HOXB7、HOXC6、HOXC8）通過改變鈣蛋白（CNN1）和TAGLN基因啟動子區域的甲基化狀態進而影響其蛋白水平的表達，參與血管壁多能干細胞向平滑肌細胞分化過程[39]。此外，研究發現[40]，雌激素對血管壁CD34+干細胞具有雙重作用，對于未分化的CD34+干細胞，通過增強pELK1-SRF 復合物與c-fos 基因的結合，加速其增殖；而對于正在分化的CD34+干細胞，通過src3 介導的myocardin-SRF 復合物與SM22 基因的相互作用，促進其向平滑肌細胞的分化。

3 小結與啟示

血管壁干細胞的遷移分化受很多因素的調控，是一個復雜的過程。病理情況下激活的血管壁干細胞一方面可參與血管重構加重動脈粥樣硬化、血管移植術后再狹窄等，另一方面也具有調節血脂水平、抑制炎癥、修復損傷組織等功能。因此，正確認識病理狀態下血管壁干細胞遷移和分化的調控機制是探究相關心血管疾病發生發展機制的基礎，也是目前研究的熱點。明確疾病狀態下血管壁干細胞的遷移、分化機制，將有助于研發心血管疾病新的靶向治療策略，更有效地為心血管疾病的預防、臨床治療等提供理論依據。

（利益沖突：無）