SDF1/CXCR4的生物学功能及其在缺血性心脏病干细胞治疗方面的研究进展

　　　　　　 作者：陈中璞，李拥军，马根山

【关键词】 基质细胞衍生因子1;CXC族细胞因子受体4;缺血性心脏病;干细胞治疗;文献综述

基质细胞衍生因子-1(stromal cellderived factor l，SDF1)是由骨髓基质细胞产生的CXC型趋化因子，CXC族细胞因子受体4(CXCR4)是目前所知的SDF1的唯一受体。起初，SDF1/CXCR4的研究主要集中在血液病和艾滋病领域。自从1997年发现了其对骨髓干细胞具有明显的趋化作用后，关于通过干细胞迁移修复受损病灶的报道逐渐增多，如在缺血的脑组织[1]、心肌组织[2]、肢体肌肉组织[3]中，趋化因子SDF1明显升高，促使成体干细胞定向迁移至病灶内，加速受损组织的修复再生。

　　1 SDF1/CXCR4的结构和生物学功能

　　1.1 结构

　　SDF1是1994年Nagasawa等[4]在小鼠骨髓基质细胞系pA6分泌的细胞因子中发现的，因其在前B细胞增生分化中发挥重要作用而被称为前B细胞增长刺激因子。根据其氨基酸序列N端2个半胱氨酸被1个其他氨基酸隔开，将其归为趋化因子CXC亚族，并被命名为CXCL12。人SDF1基因定位于人染色体10q11.1，并在骨髓、大脑、心脏、肾脏、肝脏、胸腺等器官中持续表达。CXCR4为SDF1的特异性受体，其基因编码352个氨基酸，编码基因位于人染色体2q21，是高度保守的具有7个跨膜结构域的G蛋白偶联的受体。CXCR4表达于骨髓、脐血和动员的外周血来源的CD34+细胞表面，还可在多种非造血细胞和器官上表达。

　　1.2 生物学功能

　　1.2.1 造血

　　1.2.1.1 SDF1对造血干/祖细胞增殖和分化的影响 Lataillade等[5]研究发现，SDFl对造血干细胞有刺激其增殖的作用，并且与其他造血细胞生长因子如干细胞因子(SCF)及白介素3(IL3)有协调作用，还能促进更多的CD34+细胞进入细胞周期，使S期和G2期/M期细胞明显多于对照组。

　　1.2.1.2 SDF1介导造血干/祖细胞的动员过程 研究表明，骨髓动员的鼠中骨髓SDF1浓度会下降，直接导致体内丝氨酸蛋白酶的积累，后者直接引起骨髓造血干/祖细胞的动员[6]。

　　1.2.1.3 对造血干/祖细胞归巢的影响 (1)　SDF1/CXCR4介导造血干/祖细胞的趋化转移效应。来源于骨髓、脐血、动员外周血中的CD34+造血干/祖细胞表面表达SDF1受体CXCR4，而骨髓基质表达的SDF1能特异地对CXCR4产生趋化作用[7]。因此，表达CXCR4的造血干细胞就能够沿着SDF1的浓度梯度迁移实现归巢过程。(2)　 SDF1/CXCR4诱导CD34+细胞穿越内层黏附于骨髓基质的作用。人的骨髓内皮细胞连续表达SDF1，SDFl吸附在内皮细胞表面的蛋白多糖上，结合CD34+细胞表面的CXCR4捕获造血干/祖细胞，在黏附分子参与下，HSC与内皮细胞产生黏附，SDFlα可增强HSC与骨髓基质的黏附作用，这与SDFlα的聚糖和葡萄糖胺聚糖的特性有关。

　　1.2.2 胚胎发育

　　敲除小鼠SDF1基因的2个等位基因，小鼠出生后即死亡，有B细胞增殖、骨髓细胞发育、神经系统发育受阻以及室间隔缺损等缺陷，基因敲除CXCR4小鼠与基因敲除SDF1小鼠有几乎相同的表现，说明SDF1、CXCR4在胚胎发育过程中具有非常重要的作用。

　　1.2.3 免疫与炎症

　　SDF1是T细胞、前B淋巴细胞、单核细胞和DC细胞的潜在趋化因子，是前B细胞生长刺激因子，也是早期阶段B细胞，T细胞的分化、成熟的生长因子[810]。研究发现，SDF1缺乏鼠的淋巴细胞和骨髓系细胞不能正常发育，由于SDF1和CXCR4对T细胞、单核细胞的迁移及B淋巴细胞生成中的生物学效应，可能在免疫监视过程中也发挥重要生理功能，在炎症反应中，白细胞向炎症部位集中也与此有关。有学者报道，在肿瘤局部分泌的SDF1具有免疫调节作用，能够趋化T细胞、调节CD4+T细胞的抗肿瘤效应[11]。另外，Gomzalo等[12]发现SDF1/CXCR4轴在过敏性呼吸道疾病(ADD)发生中起关键作用。Nanki等[13]利用双室模型研究中发现SDF1是CD4+T细胞活化的共刺激因子，在类风湿性关节炎病变的滑膜中有CD4+T细胞的积聚现象，提示SDF1在免疫及局部炎症过程中是一个重要的调节因子。Clissi等[14]发现SDF1选择性地趋化Thl，对Th3的作用很弱。受SDF1趋化的T细胞内有Rac1 GTP酶激活和肌动蛋白多聚化，说明SDF1参与慢性炎症发生。

　　1.2.4 肿瘤

　　很多研究报道指出，CXCR4在肿瘤细胞高度表达，而SDF1在某器官的高浓度表达代表肿瘤细胞首先转移的目的地，实验证明CXCR4的抗体有效地阻断了肿瘤细胞向肺部转移的过程，可见SDF1/CXCR4在肿瘤细胞扩散转移中起到重要作用。

　　CXCR4是肿瘤细胞上很常见的趋化因子受体，同时是其他癌症治疗中的调节因子，例如血管内皮生长因子(VEGF)能诱导CXCR4大量表达，因此VEGF抗体能通过抑制CXCR4表达达到控制肿瘤细胞转移的作用。

　　1.2.5 艾滋病

　　Mirshahi等[15]研究认为，HIV1感染首先以CCR5为辅助受体感染单核细胞，此期患者多无明显临床症状，之后感染CD4+T淋巴细胞，表现出获得性免疫缺陷综合征(AIDS)，CXCR4为HIV1感染CD4+T淋巴细胞的辅助受体，在HIV1感染CD4+T淋巴细胞过程中发挥重要作用。SDF1可通过与HIV1的gpl20竞争结合CXCR4和下调CD4+T淋巴细胞表达CXCR4发挥抗HIV1感染作用，尤其是对于有症状的HIV1感染患者。

　　2 SDF1/CXCR4在缺血性心脏病的干细胞治疗方面的研究进展

　　2.1 缺血性心脏病干细胞治疗的现状

　　应用干细胞治疗缺血性心脏病的研究都基于这一假设：干细胞可以分化成包括心肌细胞和血管内皮细胞在内的各种类型的细胞，而患病心脏内新生的心肌细胞和血管能够有效地逆转心力衰竭[16]。众多实验验证了干细胞在缺血性心脏病治疗中的作用。有研究人员[17]将表达绿色荧光蛋白(EGFP)的小鼠骨髓造血干细胞注射到野生型急性心肌梗死小鼠心脏缺血区的周围，1～2周后，缺血区出现了大约68%的表达心肌细胞特异性标记物的细胞，同时心脏超声和血流动力学指标显示左室功能得到显著改善。内皮前体细胞和间充质干细胞也能够定向迁移到心肌梗死区，转化为心肌细胞，参与新生血管的形成，改善左室功能，减少心肌细胞死亡的数目和心肌梗死的范围[1820]。然而，干细胞发挥改善心功能的作用，首先要有足够的存活细胞。Toma等[19]发现，99%的植入细胞进入了外周血或者发生了凋亡。另外有报道称，经冠状动脉移植骨髓单个核干细胞(BMNSCs)后只有1%～2%的细胞滞留于目标心肌[21]。这些证据表明单纯干细胞移植效率不高。

　　2.2 SDF1/CXCR4轴在心脏损伤修复中的作用

　　为提高干细胞移植效率，人们的目光转移到在干细胞的动员、归巢和分化过程中发挥重要作用的细胞因子上。其中，SDF1与其特异性受体CXCR4相互作用，参与到干细胞动员、归巢、黏附、存活增殖的各个步骤，在心脏的细胞治疗中有着巨大的应用潜能。2.2.1 SDF1/CXCR4轴与干细胞/前体细胞的定向迁移

　　干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞两大类。目前研究最多的是成体干细胞，它来源于成体组织，移植后不产生排斥反应，来源也不受伦理学要求的限制。干细胞/前体细胞的动员和归巢是一个复杂的过程，SDF1/CXCR4轴在这个过程中发挥着关键作用。首先，干细胞要离开其原器官，如骨髓。降低骨髓内SDF1的浓度[2223]或提高骨髓外SDF1的浓度[24]，所产生的骨髓内、外SDF1浓度梯度都可以促进骨髓造血细胞的动员。随后，进入血液循环的干细胞在化学因子的作用下向靶器官迁移。如上所述，SDF1能够充当干细胞定向迁移的化学引诱物[2526]，同时它也可以增强干细胞的运动能力[27]，这可能与细胞骨架蛋白的重排相关。到达靶器官后，干细胞首先要黏附到血管内皮上。SDF1能够促进细胞黏附到纤维蛋白原、纤维连接蛋白、间质和内皮细胞上[2829]。这种促进作用主要通过激活靶细胞表面的各种黏附分子，如淋巴细胞功能相关抗原1(LFA1)、晚期活化抗原4(VLA4)和晚期活化抗原5(VLA5)等实现的[29]。黏附到血管内皮的干细胞随后要穿过血管壁从而进入靶器官，在SDF1的作用下，干细胞可以分泌更多的基质金属蛋白酶-9(MMP)、一氧化氮和某些促进血管生长的因子，如血管内皮细胞生长因子(VEGF)[2931]，这些因子和酶都参与辅助干细胞穿过血管壁的基底膜，到达靶器官。最后，到达靶器官的干细胞需要存活下来，并进行增殖。

　　2.2.2 SDF1/CXCR4轴与心肌损伤修复

　　SDF1/CXCR4轴在干细胞的动员和归巢中的关键作用提示，通过调节SDF1/CXCR4轴就可以促进干细胞的动员和组织损伤的再生、修复。随着心脏细胞治疗研究的深入，SDF1/CXCR4轴在组织缺血损伤和心肌损伤修复中的作用也引起了人们的重视。

　　在大鼠心肌梗死动物模型中，缺血心肌组织的SDF1 mRNA表达水平上调，大约1周时达到高峰，可持续6周[32]。Damas等[33]通过对心脏移植患者切除的慢性心力衰竭的心脏和正常心脏的研究发现，心肌梗死后，心肌梗死区SDF1的表达水平较正常心脏有显著提高[3436]。Ayach等[37]在2005年美国心脏协会年会上公布的研究结果显示：心肌梗死5周后，CXCR4基因敲除的小鼠(CXCR4+/CXCR4)较正常小鼠(CXCR4+/CXCR4+)的左室功能更差;病理学检查显示梗死面积更大，室壁更薄;免疫组化也证实其分裂的内皮细胞数量和血管形成减少。Kucia等[2]发现，在出生后小鼠的骨髓中有一群CXCR4+/Sca1+/lin/CD45-的骨髓单核细胞组分，它们不具有造血功能，而表达心肌细胞的标记物。这些潜在的心脏前体细胞在心肌梗死时进入外周血液，并以SDF1/CXCR4依赖的方式到达心脏。而静脉给予骨髓来源的细胞48h后，心肌梗死区较正常心脏骨髓来源细胞的募集多80.5%;而使用SDF1抑制剂AMD3100后，其募集减少64.2%。同样，增加SDF1的表达水平使心肌梗死区的募集较对照组增加了1倍[36]。

　　因此，SDF1/CXCR4轴在组织缺血损伤和心肌再生修复中发挥着重要作用，它参与调节组织缺血损伤后的血管新生和心肌梗死后的干细胞募集。

　　2.3 SDF1/CXCR4轴在治疗方面尚待解决的问题

　　虽然SDF1/CXCR4轴在缺血心肌的修复上发挥着重要作用，但是由于其在心脏损伤修复中的确切作用机制不清楚，使得SDF1/CXCR4轴在治疗缺血性心脏病方面存在着急需要解决的问题。首先，一些实验发现，SDF1并不影响CD34+干细胞/前体细胞、成红细胞、成巨核细胞、髓样细胞的存活和增殖[30]。SDF1很可能通过一些间接的途径在这个过程中发挥作用，如促进细胞的黏附，促进其他生长因子的分泌等。其次，有研究显示SDFv1/CXCR4轴所诱导的干细胞/前体细胞趋化到了缺血心肌后并没有转化为心肌细胞，而是与心肌梗死区边缘的正常心肌细胞发生了细胞融合，尽管心室功能得到了改善[3840]。再者，移植入缺血心脏内的干细胞生存能力差，动物模型中移植后24～48h有90%的移植细胞死亡，而移植入人体后成活率少于1%，这大大限制了它们的修复能力。另外，虽然对于急性心肌梗死的患者，干细胞治疗均取得了较好的治疗效果[4144]，但是对于心肌梗死后慢性心衰的患者，其治疗效果参差不齐，研究还表明慢性缺血性心脏病患者骨髓来源细胞对SDF1的迁移应答减弱[45]。

　　3 总结与展望

　　随着干细胞领域基础研究的迅速开展，心肌再生不再是激进的想法，各种来源的干细胞已经广泛应用到缺血性心脏病治疗的基础研究和早期临床实验中。而目前已确认的在机体造血、胚胎发育、免疫与炎症、肿瘤、艾滋病等方面起着重要作用的SDF1/CXCR4轴，在干细胞的动员、归巢、黏附、血管穿透和在靶器官内的增殖、存活的整个过程中也发挥着重要作用。初步的研究显示，它也参与调节组织缺血损伤后的血管新生和心肌梗死后的干细胞募集。因此，将SDF1/CXCR4轴与干细胞治疗结合起来，将为缺血性心脏病的细胞治疗提供一个新的途径。

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