SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞的影響研究進(jìn)展

錢洲楠，任國(guó)慶

(江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院，江蘇鎮(zhèn)江，212001)

內(nèi)皮祖細(xì)胞是一類介于干細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞之間，具有游走特性的、能夠增殖分化及自我更新的定向干細(xì)胞，是血管內(nèi)皮細(xì)胞的前體細(xì)胞，但又缺乏其特征性表型，尚不能形成管腔樣結(jié)構(gòu)［1，2］。SDF-1/CXCR4生物學(xué)軸是指由基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1及其受體CXCR4構(gòu)成的一個(gè)與細(xì)胞增殖、遷移、信號(hào)傳導(dǎo)等密切相關(guān)的偶聯(lián)分子對(duì)。研究發(fā)現(xiàn)SDF-1/CXCR4軸參與內(nèi)皮祖細(xì)胞增殖、凋亡、動(dòng)員、歸巢、遷移等各生理過程中發(fā)揮重要作用?，F(xiàn)綜述如下。

1 內(nèi)皮祖細(xì)胞生物學(xué)特性

目前人們尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮祖細(xì)胞的特異表面標(biāo)志，它既表達(dá)祖細(xì)胞的表面標(biāo)志(CD34或CD133)，同時(shí)又表達(dá)內(nèi)皮細(xì)胞的表面標(biāo)志(VE-Cadherin或VEGFR-2)，因此傾向于將 CD+34、CD+133、VEGFR-2 陽性的細(xì)胞視為內(nèi)皮祖細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮祖細(xì)胞的功能主要為參與了出生后缺血組織的血管發(fā)生與血管損傷后的修復(fù)，其功能的發(fā)揮主要有兩個(gè)方面的機(jī)制:一是自分泌或旁分泌VEGF、IL-8、SDF-1、GMCS等細(xì)胞因子，促進(jìn)內(nèi)皮的修復(fù)及血管生長(zhǎng);二是內(nèi)皮祖細(xì)胞有高增殖潛能以及內(nèi)皮特性:在出現(xiàn)缺血缺氧、組織損傷等情況時(shí)，從骨髓動(dòng)員至外周血，遷移歸巢到血管損傷處，最后增殖分化為成熟的內(nèi)皮細(xì)胞，發(fā)揮內(nèi)皮細(xì)胞的功能。內(nèi)皮祖細(xì)胞的生物學(xué)特性主要表現(xiàn)為:①有內(nèi)吞乙?；兔芏戎鞍准敖Y(jié)合荊豆凝集素的能力;②在特異的EGM-2MV培養(yǎng)基中可形成集落;③具有培養(yǎng)細(xì)胞發(fā)生遷移的能力;④產(chǎn)生一氧化氮。近年來研究表明內(nèi)皮功能障礙在缺血性心臟病的發(fā)生及發(fā)展中扮演了重要角色，其本質(zhì)是內(nèi)皮損傷與修復(fù)之間的動(dòng)態(tài)平衡遭到了破壞，而內(nèi)皮祖細(xì)胞在損傷后的恢復(fù)中發(fā)揮了重要的作用。

2 SDF-1/CXCR4軸的作用

SDF-1/CXCR4軸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、循環(huán)系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)中起重要作用，此外還參與炎癥反應(yīng)、HIV 的感染及腫瘤細(xì)胞的遷移等過程［3，4］。既往的研究一直認(rèn)為CXCR4是SDF-1的惟一受體［5］，但最新研究發(fā)現(xiàn)SDF-1還有新的受體CXCR7。關(guān)于CXCR7的研究目前主要集中于腫瘤生物學(xué)中，其在血管生成中的機(jī)制尚未明確。近來研究表明SDF-1/CXCR4軸的特異作用在于調(diào)節(jié)干細(xì)胞的功能，如在細(xì)胞遷移、增殖、動(dòng)員及血管形成等過程中起十分重要的作用。亦有研究表明SDF-1/CXCR4軸在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成中有重要關(guān)系，因此SDF-1/CXCR4軸與動(dòng)脈硬化的關(guān)系已引起廣泛重視［6］。最新研究表明SDF-1的受體CXCR4可在內(nèi)皮祖細(xì)胞表面高表達(dá)［7］，內(nèi)皮祖細(xì)胞可在SDF-1/CXCR4軸的調(diào)控下沿SDF-1的濃度梯度進(jìn)行增殖、黏附與遷移，并抑制其凋亡。

2.1 SDF-1的結(jié)構(gòu)與功能 SDF-1又名前B細(xì)胞刺激因子，首先在小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子中發(fā)現(xiàn)，是CXC家族的小分子趨化因子。SDF-1以單體形式存在，除了N端的1-8氨基酸殘基和C端的66、67氨基酸殘基以外和其他CC或CXC類趨化因子類似，C端對(duì)維持SDF-1的構(gòu)象和生物活性的發(fā)揮起重要作用，而N端是SDF-1與CXCR4作用的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。SDF-1有6種同分異構(gòu)體:α、β、γ、δ、ε 以及 φ，它們?cè)诠δ苌蠜]有顯著差異。SDF-1α是SDF-1在體內(nèi)的主要存在形式［8］，主要在骨髓基質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，此外在骨髓內(nèi)皮祖細(xì)胞及CD3+4CD3+8造血祖細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，人類SDF-1基因位于染色體10q11.1。SDF-1在種間有極高的保守性，人和小鼠的同源性達(dá)99%。

2.2 CXCR4的結(jié)構(gòu)與功能 CXCR4是一類表達(dá)于不同細(xì)胞膜上的由352個(gè)氨基酸組成的含有7個(gè)疏水性跨膜區(qū)的G蛋白偶聯(lián)受體。最新研究表明CXCR4在多種類型細(xì)胞表面均有表達(dá)，如血細(xì)胞(單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞)、造血干細(xì)胞以及胚胎干細(xì)胞等［10］。且研究發(fā)現(xiàn)，它不僅表達(dá)于細(xì)胞表面，在胞質(zhì)中也可檢測(cè)到［11］。CXCR4參與體內(nèi)多種生理機(jī)制，包括胚胎發(fā)育、造血功能以及腫瘤遷移等，在血管重構(gòu)及內(nèi)皮祖細(xì)胞的招募中發(fā)揮重要作用［12］。

3 SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞增殖與凋亡的影響

內(nèi)皮祖細(xì)胞在損傷的血管內(nèi)皮及缺血組織的內(nèi)皮修復(fù)中發(fā)揮了巨大的作用，但正常人外周血中內(nèi)皮祖細(xì)胞的含量很少。研究發(fā)現(xiàn)老齡、高血壓、糖尿病、高脂血癥及冠心病等患者中內(nèi)皮祖細(xì)胞存在數(shù)量明顯減少、形態(tài)改變、易老化以及細(xì)胞功能不良等問題。在內(nèi)皮祖細(xì)胞的移植治療中，這些患者又是主要治療對(duì)象。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，患者治療所需的內(nèi)皮祖細(xì)胞需要從8.5～120 L外周血中提取。因此對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞移植治療而言，提供足夠數(shù)量并且功能良好的內(nèi)皮祖細(xì)胞顯得尤為重要。如何提高外周血循環(huán)中內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量及提高損傷處內(nèi)皮祖細(xì)胞的濃度成為最新研究熱點(diǎn)。大量研究表明，SDF-1呈濃度依賴性促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞的增殖，并且顯著增強(qiáng)內(nèi)皮祖細(xì)胞的成血管能力。DeFalco等［13］在培養(yǎng)小鼠骨髓c-kit+細(xì)胞時(shí)，在培養(yǎng)基中分別加入100 μg/L和300 μg/L的SDF-1，均可增加明膠、纖維連接蛋白和IV型膠原上的內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量，然而50 μg/L的VEGF卻不增加內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量。SDF-1/CXCR4軸不僅對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞的增殖有巨大的作用，亦可影響內(nèi)皮祖細(xì)胞的凋亡。Yamaguchi等［14］用血清饑餓法誘導(dǎo)在體外擴(kuò)增的內(nèi)皮祖細(xì)胞的凋亡，發(fā)現(xiàn)用100 μg/L的SDF-1作用3 h后能明顯減少內(nèi)皮祖細(xì)胞的凋亡。尹揚(yáng)光等［15］利用密度梯度離心法獲取并誘導(dǎo)小鼠骨髓內(nèi)皮祖細(xì)胞，加入不同濃度SDF-1共培養(yǎng)48 h后，采用血清饑餓法和紫杉醇誘導(dǎo)內(nèi)皮祖細(xì)胞的凋亡，流式細(xì)胞儀和TUNEL法檢測(cè)SDF-1對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞凋亡率的影響，結(jié)果表明SDF-1可以抑制內(nèi)皮祖細(xì)胞的凋亡。

4 SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞動(dòng)員的影響

生理情況下，內(nèi)皮祖細(xì)胞主要存在于骨髓中，骨髓中的內(nèi)皮祖細(xì)胞在各種因素的刺激下可遷移至外周血，使外周血中內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量增加稱為內(nèi)皮祖細(xì)胞的動(dòng)員。而SDF-1/CXCR4軸的一個(gè)主要作用就是調(diào)節(jié)干細(xì)胞的動(dòng)員。Aiuti等［16］研究發(fā)現(xiàn)SDF-1具有誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞以及動(dòng)員外周血CD34+細(xì)胞遷移的作用，最適濃度為100～300 μg/L，在培養(yǎng)基中加入抗CXCR4抗體后則可顯著減少遷移反應(yīng)，從而認(rèn)為SDF-1與CD+34細(xì)胞包括內(nèi)皮祖細(xì)胞的動(dòng)員有密切關(guān)系。Perez等［17］研究發(fā)現(xiàn)，提高血漿中SDF-1濃度可促進(jìn)CD34+造血干/祖細(xì)胞動(dòng)員到外周血。因此，SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞的動(dòng)員作用可能成為輔助增加外周血內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量的一個(gè)基石。

5 SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞遷移與歸巢的影響

Smart等［18］指出歸巢就是指循環(huán)中的干細(xì)胞或祖細(xì)胞運(yùn)動(dòng)到靶組織、器官或者骨髓。SDF-1/CXCR4軸在內(nèi)皮損傷與組織修復(fù)中的關(guān)鍵作用之一就是啟動(dòng)干細(xì)胞的歸巢。當(dāng)發(fā)生損傷后，SDF-1水平上調(diào)并立即從損傷組織中釋放，形成一定的SDF-1濃度梯度，使干細(xì)胞動(dòng)員并遷移到損傷的組織。Shen等［19］在體外用內(nèi)皮祖細(xì)胞做SDF-1誘導(dǎo)的遷移實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SDF-1對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞有強(qiáng)大的趨化活性，并且呈濃度依賴性。康慶林等［20］在大鼠骨髓源性內(nèi)皮祖細(xì)胞的培養(yǎng)中，用不同濃度的SDF-1刺激發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮祖細(xì)胞的遷移能力呈濃度依賴性增加，濃度越高作用越明顯，由此提示SDF-1能促進(jìn)骨髓源性內(nèi)皮祖細(xì)胞的遷移。Akashi等［21］研究發(fā)現(xiàn)通過SDF-1基因轉(zhuǎn)染的缺血下肢，能充分捕獲自體內(nèi)皮祖細(xì)胞整合到新生的毛細(xì)血管中，從而增加缺血下肢的血液灌注和毛細(xì)血管密度。在心肌梗死中，冠狀動(dòng)脈閉塞后，特別是在梗死區(qū)邊緣SDF-1的表達(dá)明顯上調(diào)，并募集多種干細(xì)胞以及內(nèi)皮祖細(xì)胞到梗死心臟［22］。而利用 CXCR4受體拮抗劑 AMD3100可以阻斷由SDF-1增高而產(chǎn)生的心臟保護(hù)作用［23］。Tang等［24］研究發(fā)現(xiàn)缺氧環(huán)境預(yù)處理心肌細(xì)胞后，細(xì)胞表面CXCR4明顯上調(diào)，提高了內(nèi)皮祖細(xì)胞在缺血心肌的歸巢，縮小梗死心肌面積進(jìn)而提高心功能。由此可見，SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞的遷移歸巢作用提示其可能成為利用干細(xì)胞治療心血管疾病的一個(gè)突破口。

6 SDF-1/CXCR4軸對(duì)內(nèi)皮祖細(xì)胞管型形成的影響

既往曾認(rèn)為血管損傷后內(nèi)皮的修復(fù)是依靠周圍的成熟內(nèi)皮細(xì)胞分裂增殖實(shí)現(xiàn)的，但成熟內(nèi)皮細(xì)胞已經(jīng)是分化終末細(xì)胞，增殖能力非常有限，內(nèi)皮祖細(xì)胞作為內(nèi)皮細(xì)胞的前體才是損傷修復(fù)的真正參與者。近年來研究發(fā)現(xiàn)許多細(xì)胞因子如 SDF-1、VEGF、細(xì)胞集落刺激因子，包括一些藥物如他汀類藥物在內(nèi)皮祖細(xì)胞參與的血管新生中發(fā)揮著重要的作用。而SDF-1可刺激多種炎性細(xì)胞釋放VEGF，又可上調(diào)CXCR4的表達(dá)，進(jìn)而增加細(xì)胞對(duì)SDF-1的反應(yīng)，通過一系列的反饋?zhàn)饔谜T導(dǎo)內(nèi)皮祖細(xì)胞VEGF的過表達(dá)來促進(jìn)血管的新生。Wang等［25］研究發(fā)現(xiàn)SDF-1可引起干/祖細(xì)胞在梗死區(qū)域的聚集，促進(jìn)血管的形成。Kuliszewski等［26］證實(shí)在下肢缺血損傷模型，SDF-1相比有利于促進(jìn)新生血管的形成。Xiao等［27］研究發(fā)現(xiàn)缺血組織中SDF-1的過度表達(dá)，從而引起更多的內(nèi)皮祖細(xì)胞匯集到缺血組織參與新生血管的形成。發(fā)生心肌梗死后，缺血缺氧刺激使梗死部位釋放出大量炎癥趨化因子，而SDF-1/CXCR4軸在心肌梗死后內(nèi)皮祖細(xì)胞參與的血管再生中發(fā)揮重要作用。以上這些研究都表明SDF-1/CXCR4軸通過募集內(nèi)皮祖細(xì)胞至缺血組織，有助于缺血組織的新生血管形成。但是仍有一些問題是不容忽視的，如內(nèi)皮祖細(xì)胞促進(jìn)血管再生的治療是否會(huì)引起不良反應(yīng)，是否會(huì)在促進(jìn)血管新生的同時(shí)出現(xiàn)潛在血管瘤和腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。這些問題都有待于進(jìn)一步深入研究。

尋找促進(jìn)改善內(nèi)皮祖細(xì)胞生物學(xué)活性的生物學(xué)因子，尤其是內(nèi)源性因子特別重要，隨著對(duì)SDF-1/CXCR4軸結(jié)構(gòu)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、功能及CXCR4抑制劑AMD3100研究的不斷深入，現(xiàn)有理論已證實(shí)，在實(shí)驗(yàn)條件下SDF-1/CXCR4軸可促進(jìn)骨髓造血干細(xì)胞向內(nèi)皮祖細(xì)胞方向分化，并在促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞增殖防止其凋亡方面起重要作用，在提高外周血SDF-1水平后，亦可動(dòng)員內(nèi)皮祖細(xì)胞進(jìn)入外周血，缺血組織中SDF-1的表達(dá)增加，可以介導(dǎo)內(nèi)皮祖細(xì)胞歸巢到缺血組織，進(jìn)而促進(jìn)新生血管的形成。這些均提示SDF-1/CXCR4軸是內(nèi)皮祖細(xì)胞功能發(fā)揮的一個(gè)重要途徑。此外，以SDF-1/CXCR4軸為靶點(diǎn)治療心血管疾病日益受到重視，這也可能成為缺血性心臟病防治的一個(gè)新靶點(diǎn)。

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