SDF-1/CXCR4軸及其對(duì)老年血管新生的影響機(jī)制進(jìn)展*

胡惠瓊 吳雄偉 楊玉燕 曾憲智 鄭永霞(嘉興學(xué)院醫(yī)學(xué)院,浙江嘉興 314001)

SDF-1/CXCR4軸及其對(duì)老年血管新生的影響機(jī)制進(jìn)展*

胡惠瓊 吳雄偉 楊玉燕 曾憲智 鄭永霞△(嘉興學(xué)院醫(yī)學(xué)院,浙江嘉興 314001)

心血管疾病是老年人常見的慢性病,嚴(yán)重威脅著老年人的身體健康,隨著老齡化問題的日益突出,心血管疾病的治療越來越受到醫(yī)學(xué)界的重視。基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(Stromal cell-derived factor-1,SDF-l)及其受體CXCR4軸在誘導(dǎo)自體骨髓源細(xì)胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)進(jìn)行血管修復(fù)和新生血管再生過程中發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用。本文就SDF-1/CXCR4軸信號(hào)傳導(dǎo)通路的組成及其在血管新生中的作用以及與老年人血管生成反應(yīng)喪失相關(guān)性進(jìn)行綜述。

SDF-1/CXCR4;骨髓細(xì)胞;血管新生;老年

隨著老齡人口的日趨增加,心血管疾病也越來越受到人們的關(guān)注。人和動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,移植自體骨髓源細(xì)胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)能促進(jìn)缺血誘導(dǎo)的血管新生,這也給利用患者自體的骨髓源細(xì)胞對(duì)受損的心血管進(jìn)行彌補(bǔ)與修復(fù)的新方法帶來了理論依據(jù)。有研究學(xué)者在體外實(shí)驗(yàn)觀察到基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1在缺血受損的心血管組織高度表達(dá)以吸引骨髓源細(xì)胞前來修復(fù)。因此,基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1及其受體CXCR4形成的生物軸對(duì)老年血管生成的影響已經(jīng)成為當(dāng)下生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

1 SDF-1/CXCR4軸的結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能

1.1 SDF-1/CXCR4軸的結(jié)構(gòu)

趨化因子是一類對(duì)細(xì)胞具有定向趨化,遷移和募集功能的細(xì)胞因子,而基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(Stromal cell-derived factor-1,SDF-l)又名CXCL12或前B細(xì)胞刺激因子(Pre-B cell stimulatory factor,PBSF)是唯一不含谷氨酸-亮氨酸-精氨酸功能區(qū)但卻有促血管生成作用的趨化因子。SDF-1是骨髓來源間充質(zhì)細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子,屬于CXC(Cys-X-Cys)類的趨化因子,它在動(dòng)員骨髓源細(xì)胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)和促進(jìn)細(xì)胞向靶組織歸巢過程中起關(guān)鍵性作用。SDF-1的受體CXCR4(CXC chemokine receptor 4)是一種有7個(gè)跨膜區(qū)域的G-蛋白-耦聯(lián)化學(xué)因子受體。在不同細(xì)胞表面的CXCR4表達(dá)不同,CXCR4在絕大多數(shù)間充質(zhì)干細(xì)胞不表達(dá)[1],而在BMCs中血管內(nèi)皮前體細(xì)胞(Endothelial progenitor cells,EPCs)中高表達(dá)[2,3]且骨髓基質(zhì)細(xì)胞和EPCs均能表達(dá)對(duì)CXCR4產(chǎn)生特異性趨化作用的SDF-1。SDF-1 N末端(Nt)氨基酸殘基與其受體CXCR4結(jié)合后,可通過促進(jìn)CXCR4形成二聚體、轉(zhuǎn)換空間構(gòu)象、內(nèi)化以及激活與其相偶聯(lián)的G蛋白等機(jī)制而激活G蛋白依賴的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和非G蛋白依賴的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,進(jìn)而影響細(xì)胞的趨化、動(dòng)員、錨定、分泌、血管新生等生物學(xué)行為[]。

1.2 SDF-1/CXCR4軸的生物學(xué)功能

SDF-1/CXCR4軸在機(jī)體內(nèi)的多種組織與細(xì)胞中均有表達(dá)。SDF-1/CXCR4軸通過誘導(dǎo)激活細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路來發(fā)揮作用。有研究報(bào)道,SDF-1/CXCR4軸可以促進(jìn)脂肪干細(xì)胞的增值[5]。在胚胎的發(fā)育早期,SDF-1/CXCR4軸可以通過激活滋養(yǎng)層細(xì)胞內(nèi)的抗凋亡系統(tǒng),從而促進(jìn)細(xì)胞分化與組織再生[6],使得胚胎在母體內(nèi)能夠安全的生長。SDF-1可以促進(jìn)惡性膠質(zhì)瘤C6細(xì)胞的體外增殖、遷移和侵襲,而抗CXCR4單克隆抗體可以有效抑制其增殖、遷移和侵襲能力[7]。當(dāng)機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)組織的損傷時(shí),該損傷處會(huì)大量表達(dá)SDF-1,通過與其受體結(jié)合從而募集間充質(zhì)干細(xì)胞遷移到損傷處進(jìn)行修復(fù)。而這種機(jī)制已經(jīng)被證實(shí)在骨和肌肉等組織的損傷修復(fù)中發(fā)揮著重要作用[8]。同時(shí),SDF-1/CXCR4軸在胚胎發(fā)育、器官發(fā)生、免疫及炎癥發(fā)生及修復(fù)、惡性腫瘤浸潤及轉(zhuǎn)移等發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用。最重要的是SDF-1/CXCR4軸促進(jìn)BMCs向EPCs方向分化、抑制EPCs凋亡并可動(dòng)員EPCs進(jìn)入外周血,促進(jìn)缺血性血管的修復(fù)與生成[9,10]。綜合上述,SDF-1/CXCR4軸在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能。

2 骨髓源細(xì)胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)促進(jìn)組織損傷區(qū)域的血管生成

骨髓源細(xì)胞(BMCs)一種由造血干細(xì)胞和前體細(xì)胞、成熟的血細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞組成的細(xì)胞,有助于患有血管損傷性疾病病人的血管生成。BMCs的一個(gè)亞型,傳統(tǒng)上稱為內(nèi)皮前體細(xì)胞(Endothelial progenitor cells,EPCs),其表面受體CXCR4通過與化學(xué)趨向細(xì)胞因子SDF-1的結(jié)合為前體細(xì)胞動(dòng)員和歸巢提供必要的信號(hào)[4,11]。當(dāng)組織損傷時(shí),骨髓來源細(xì)胞就會(huì)從骨髓中動(dòng)員出來,在一系列細(xì)胞趨化因子、生長因子等作用下改變趨化、游離、粘附等功能,使其能順利通過血管內(nèi)皮層進(jìn)入血循環(huán),從而使外周血的造血細(xì)胞增加。整個(gè)動(dòng)員過程經(jīng)歷增殖、遷移、適應(yīng)3個(gè)階段。增殖是首要條件,只有當(dāng)骨髓中的造血干細(xì)胞達(dá)到一定數(shù)量時(shí),才能使其從骨髓中動(dòng)員出來,細(xì)胞因子、化療、低劑量輻射及一氧化氮(NO)等激活信號(hào)均能作用于造血干細(xì)胞,使其發(fā)生表型的改變,并促進(jìn)增殖。其中某些細(xì)胞因子如促紅細(xì)胞生成素(Erythropoietin,EPO)作用于紅系祖細(xì)胞的增殖期和分化期,通過促進(jìn)其有絲分裂、激活紅細(xì)胞特異基因,進(jìn)而使紅細(xì)胞大量增殖和分化;粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)可通過與造血干細(xì)胞表面的G-CSFR結(jié)合,使蛋白酪氨酸激酶JAK1和JAK2上的酪氨酸磷酸化,并活化MAP激酶通路,選擇性和特異性地刺激造血干細(xì)胞增殖;此外,還有干細(xì)胞生成因子(Stem Cell Growth Factors,SCF)、血小板生成素(Thromboietin,TPO)等都可以促進(jìn)骨髓造血干細(xì)胞的增殖。當(dāng)組織損傷時(shí),骨髓內(nèi)低SDF-1髓外高SDF-1的濃度梯度的趨化作用下可以促進(jìn)骨髓源細(xì)胞進(jìn)入血液循環(huán)并向靶器官遷移[12]。動(dòng)員后的BMCs會(huì)向組織損傷的缺血區(qū)域移動(dòng),從而達(dá)到組織修復(fù)的作用,這個(gè)過程稱為骨髓來源細(xì)胞的錨定。但骨髓來源細(xì)胞的歸巢機(jī)制尚未完全闡明。有研究表明,骨髓來源細(xì)胞的歸巢機(jī)制部分依賴于趨化因子SDF-1和它的受體CXCR4。SDF-1/CXCR4軸可以使Rac蛋白與GTP結(jié)合而活化,活化的Rac蛋白參與細(xì)胞骨架的改變以及細(xì)胞膜極化,而這種變化又可導(dǎo)致遷移細(xì)胞出現(xiàn)頭端和尾端并向目標(biāo)方向遷移[13]。

3 SDF-1/CXCR4軸作用于血管新生的基本機(jī)制

SDF-1在損傷修復(fù)過程起到重要的作用[3,14,15],當(dāng)機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)組織缺血損傷時(shí),缺血部位的內(nèi)皮細(xì)胞和血小板高度便表達(dá)SDF-1[16],并分泌至外周血循環(huán)中與循環(huán)中的內(nèi)皮前體細(xì)胞膜表面受體CXCR4結(jié)合,激活的SDF-1/CXCR4信號(hào)通路又能動(dòng)員和募集骨髓源性的內(nèi)皮前體細(xì)胞粘附到纖維蛋白原、纖維連接蛋白、間質(zhì)和內(nèi)皮細(xì)胞上。粘附到血管內(nèi)皮上的內(nèi)皮前體細(xì)胞隨后要穿過血管壁進(jìn)入缺血組織,介導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞生成,進(jìn)而緩解因內(nèi)皮損傷導(dǎo)致的血管功能紊亂,促進(jìn)新生血管的形成[17]。SDF-1/CXCR4軸至少可以通過兩條途徑促進(jìn)缺血損傷區(qū)域血管新生[18](1)募集骨髓源細(xì)胞并誘導(dǎo)其分泌血管生成因子,從而促進(jìn)血管新生;(2)募集血管內(nèi)皮細(xì)胞及其前體細(xì)胞參加血管新生。SDF-1具有強(qiáng)大的趨化作用,在對(duì)造血干細(xì)胞動(dòng)員和歸巢機(jī)制的研究中人們發(fā)現(xiàn)SDF-1及其受體CXCR4在其中發(fā)揮重要作用[19]。若用CXCR4抗體阻斷SDF-1/CXCR4的相互作用,就會(huì)損害了EPCs整合入缺血部位,從而干擾了新的血管生成。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在血管修復(fù)中骨髓來源的前體細(xì)胞的募集必需通過SDF-1/CXCR4而發(fā)揮作用。SDF-1與CXCR4結(jié)合導(dǎo)致磷酸肌醇-3-激酶(PI-3激酶)和其他蛋白激酶,如Akt、MEK/ERK和JAK-2磷酸化15,激活A(yù)kt蛋白激酶通過增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合成酶(eNOS)表達(dá)和磷酸化來進(jìn)一步上調(diào)eNOS的活動(dòng),進(jìn)而相應(yīng)增加了其催化具有血管保護(hù)和重塑的一氧化氮(NO)的生成,NO是一種對(duì)于血管保護(hù)和重建十分重要的信號(hào)分子[20];另外,SDF-1因子能刺激骨髓中CD34+細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶-2(Matrix metallo proteinases-2,MMP-2)和基質(zhì)金屬蛋白酶-9(Matrix metallo proteinases-9,MMP-9),這些蛋白水解酶一方面可裂解SDF-1,使骨髓微環(huán)境中的SDF-1濃度降低,另一方面可以上調(diào)CD34+細(xì)胞CXCR4的表達(dá)水平及增強(qiáng)細(xì)胞遷移能力。綜上所述, SDF-1/CXCR4在血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷修復(fù)過程中起重要作用:從骨髓動(dòng)員并募集造血干細(xì)胞;增加血管粘附素-1在內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá),促進(jìn)EPCs粘附在血管內(nèi)皮,也利于EPCs的歸巢和遷移;減少閉鎖蛋白水平,影響緊密連接使EPCs躍出進(jìn)入損傷部位進(jìn)而修復(fù)。

4 年齡對(duì)血管新生能力的影響

年齡及其他心血管風(fēng)險(xiǎn)因素如吸煙等會(huì)減少EPCs的供給而且損害它們的功能,衰老是生物機(jī)體內(nèi)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能退行性變的過程,一般隨著年齡的增加,體細(xì)胞逐漸出現(xiàn)自我更新能力的降低和功能衰退。近來的研究顯示,隨年齡的增長不僅體細(xì)胞出現(xiàn)功能減退,骨髓干細(xì)胞功能也可能受到影響。EPCs不僅能夠使損傷血管再內(nèi)皮化、參與損傷血管內(nèi)膜修復(fù),還可以通過補(bǔ)充缺血組織局部血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等血管形成因子,營造一個(gè)良好的局部血管生成的微環(huán)境,進(jìn)一步促進(jìn)新血管生成。衰老使機(jī)體的血管新生能力發(fā)生障礙,不僅是因?yàn)閮?nèi)源性血管生長因子減少,而且存在血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙,對(duì)外源性細(xì)胞因子的反應(yīng)能力也下降,同時(shí)伴有EPCs數(shù)量減少和功能下降,從而使EPCs從骨髓中動(dòng)員并遷移、向缺血損傷區(qū)域歸巢、黏附到受損的血管能力下降,使血管新生和修復(fù)的能力減弱。SDF-1與CXCR4的結(jié)合導(dǎo)致磷酸肌醇-3-激酶(IP-3激酶)和其他蛋白激酶,如Akt、JAK-2的磷酸化。Akt蛋白激酶的激活增強(qiáng)了內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合成酶(eNOS)表達(dá)和上調(diào)了eNOS的活動(dòng),因此相應(yīng)地增加了其催化一氧化氮(NO)生成的功能,NO是血管保護(hù)和重塑的一種重要的信號(hào)分子。蛋白激酶的磷酸化或eNOS的激活的受損可能是在老年EPCs功能障礙的原因。正常情況下,在EPCs表面大量表達(dá)著趨化因子SDF-1受體CXCR4,血管內(nèi)皮損傷部位大量表達(dá)SDF-1,SDF-1通過與CXCR4結(jié)合從而動(dòng)員并促進(jìn)EPCs整合入損傷部位而修復(fù)損傷的血管,而老年BMCs表面表達(dá)CXCR4的細(xì)胞數(shù)量比青年的更少,且每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞表面及細(xì)胞內(nèi)CXCR4的濃度均降低且CXCR4與SDF-1的結(jié)合力較低有關(guān)[21]。

5 問題與展望

骨髓源細(xì)胞是存在于骨髓內(nèi)的一種具有多向分化潛能的間充質(zhì)干細(xì)胞,具有自我更新的功能同時(shí)分化程度低可塑性強(qiáng),在一定條件的誘導(dǎo)下可分化為EPCs,并且因其從機(jī)體中提取容易、對(duì)組織的創(chuàng)傷小、具有強(qiáng)大的體外增殖能力。另外由于來自自身,由它誘導(dǎo)來的組織在進(jìn)行移植時(shí)不存在免疫排斥反應(yīng),是一種非常理想的以細(xì)胞為基礎(chǔ)治療性血管生成種子細(xì)胞來源[22]。以細(xì)胞為基礎(chǔ)治療性血管生成是一種潛在的低費(fèi)用和低風(fēng)險(xiǎn)的運(yùn)用自身擁有的細(xì)胞來產(chǎn)生血管替代療法,但不幸的是,老年患者能提供的前體細(xì)胞是減少的,且促血管生成能力比年輕人降低。鑒于SDGF-1/CXCR4軸在促血管生成中的重要作用,我們認(rèn)為,衰老降低血管生成能力的機(jī)制可能是由于EPC細(xì)胞表面減少的SDF-1及其受體所致。而這方面仍需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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SDF-1/CXCR4 axis and its mechanisms of impact on angiogenesis in the old*

Hu Hui-qiong,Wu Xiong-wei,Yang Yu-yan,Zeng Xian-zhi,Zheng Yong-xia△
(Medical School,Jiaxing College,Zhejiang Jiaxing 314001)

2015-7-20)

嘉興學(xué)院大學(xué)生研究訓(xùn)練(SRT)計(jì)劃項(xiàng)目;嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2012AY1075-11);浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目;嘉興學(xué)院大學(xué)生科研計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):SRT2014B117)作者簡介:胡惠瓊,女,嘉興學(xué)院醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生,Email: 2586015045@qq.com。

△通訊作者:鄭永霞,女,講師,主要從事腫瘤和衰老的機(jī)制研究,Email: zhengyongxia@163.com。