基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1/趨化因子受體4在干細(xì)胞治療心肌梗死中的研究進(jìn)展

溫瑜林，趙明一，麥明杰，朱 平

［廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院），廣州510100］

提要：目前臨床上治療心肌梗死的主要方法有直接經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入（primary percutaneous coronary intervention，PPCI）治療、冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)（coronary artery bypass grafting，CABG）等，這些治療方法通常是從血運(yùn)重建入手，很少關(guān)注如何挽救或修復(fù)發(fā)生缺血性損傷的心臟。近年來(lái)，基于干細(xì)胞的治療逐漸成為治療心肌梗死的探索方向，具有廣闊的前景。最近研究表明，SDF-1/CXCR4 在心肌梗死后的干細(xì)胞歸巢、趨化、遷移，擴(kuò)大旁分泌，促進(jìn)血管生成和心室重構(gòu)中起著重要作用，因此，其與心肌梗死的發(fā)病、進(jìn)展及預(yù)后密切相關(guān)。本文將從基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1/趨化因子受體4 在干細(xì)胞治療心肌梗死中的研究進(jìn)展作一綜述。

心肌梗死（myocardial infarction，MI）是指因冠狀動(dòng)脈供血急劇減少或中斷，使相應(yīng)心肌發(fā)生持久而嚴(yán)重的缺血導(dǎo)致的心肌壞死。急性心肌梗死起病突然，會(huì)導(dǎo)致不可逆的心肌損傷，嚴(yán)重的患者可并發(fā)心力衰竭、心律失常甚至休克。MI 仍然是全世界發(fā)病率和病死率最高的疾病之一，發(fā)病率約為0.2%，30 d 病死率約為10%，并且經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)顯著［1］?！吨袊?guó)心血管病報(bào)2017》顯示，我國(guó)心血管病患病率處于持續(xù)上升階段，死亡占居民疾病死亡構(gòu)成40%以上，居首位，推算心血管疾病現(xiàn)患人數(shù)2.9 億，其中冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┱? 100 萬(wàn)［2］。

目前對(duì)心肌梗死的治療方法主要有直接經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入（primary percutaneous coronary Intervention，PPCI）治療、冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)（coronary artery bypass grafting，CABG），以及各類藥物治療。通過(guò)PPCI 治療進(jìn)行早期和有效的心肌再灌注可減少M(fèi)I 面積，保留左心室（left ventricle，LV）收縮功能和預(yù)防心力衰竭的發(fā)作。隨著手術(shù)技術(shù)的成熟及手術(shù)設(shè)備的迅速發(fā)展，PPCI 治療成為診治冠心病的重要手段之一，是治療急性MI 效果顯著的方法。CABG是指利用大隱靜脈等血管跨過(guò)嚴(yán)重狹窄的冠狀動(dòng)脈病變部位，吻合到管腔尚好的遠(yuǎn)端冠狀動(dòng)脈上。CABG 能有效地緩解MI 患者心絞痛，改善心肌缺血，提高生活質(zhì)量和延長(zhǎng)壽命，成為一種公認(rèn)安全有效的治療方法［3］。

雖然以上兩種臨床治療方法（PPCI 治療及CABG）已經(jīng)發(fā)展為當(dāng)前最為有效的治療方法，但這些治療方法主要都是從血運(yùn)重建入手，卻很少關(guān)注如何挽救或修復(fù)發(fā)生缺血性損傷的心臟，通過(guò)PPCI 治療或CABG 及時(shí)再灌注閉塞血管對(duì)于最小化急性缺血時(shí)間和挽救存活心肌至關(guān)重要，但是“心肌再灌注損傷”這種自相矛盾的再灌注過(guò)程本身會(huì)誘發(fā)額外的心肌損傷和心肌細(xì)胞死亡。最近幾十年以來(lái)，基于干細(xì)胞的治療已經(jīng)成為治療MI 較為有前景的方法，干細(xì)胞治療MI 作為一種前沿治療手段備受國(guó)內(nèi)、外研究者的關(guān)注［4］。而已知基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor 1，SDF-1）/趨化因子受體4（CXC chemokine receptor 4，CXCR4）在MI 后的干細(xì)胞歸巢、趨化、遷移，擴(kuò)大旁分泌，促進(jìn)血管生成和心室重構(gòu)中起重要作用［5-8］。因此，近年來(lái)研究表明，SDF-1/CXCR4 與MI的發(fā)病、進(jìn)展、預(yù)后密切相關(guān)。

1 基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1/趨化因子受體4

1.1 基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1 與趨化因子受體4

SDF-1 即趨化因子CXCL12，屬于CXC 趨化因子家族成員，為一小分子量（8～10 kD）的細(xì)胞因子。SDF-1 的兩個(gè)異構(gòu)體SDF-1α和SDF-1β在胚胎發(fā)育、炎癥、腫瘤等多種生理和病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用［9］。CXCR4 則是介導(dǎo)SDF-1 行使功能的唯一跨膜受體，除了表達(dá)于骨髓、臍血和動(dòng)員外周血來(lái)源的細(xì)胞表面，還可在多種非造血干細(xì)胞表面表達(dá)［10］。MI 后，炎癥環(huán)境、損傷組織、缺血缺氧的因素都可以上調(diào)SDF-1 的表達(dá)［11］。近年研究表明，SDF-1/CXCR4 通路具有趨化干細(xì)胞靶向受損組織、擴(kuò)大旁分泌、促進(jìn)血管新生和改善心功能的作用。

1.2 作用機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，在SDF-1 的啟動(dòng)子中，包含2 個(gè)缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）的接合位點(diǎn)，HIF-1 連接這些位點(diǎn)后可以導(dǎo)致激活SDF-1 轉(zhuǎn)錄，從而使其表達(dá)升高4 倍，最終形成損傷組織中高SDF-1、外周低SDF-1 的濃度梯度［12］。而CXCR4+干細(xì)胞，可以感知SDF-1的濃度梯度，逆濃度靶向受損組織，這一趨化過(guò)程被稱為SDF-1/CXCR4 通路，其逆濃度遷移機(jī)制與磷脂酰肌醇3-激酶/絲裂原激活蛋白激酶（phosphatidylinositol 3-kinase/mitogen-activated protein kinase，P13K/MAPK）途徑有一定關(guān)系［13］。

2 基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1 與趨化因子受體4 在干細(xì)胞治療心肌梗死的作用

2.1 介導(dǎo)歸巢

干細(xì)胞治療MI 的核心在于有效誘導(dǎo)干細(xì)胞定居于受損心肌部位，隨后或是分化為心肌，替代壞死組織；或是旁分泌細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子提高原有存活的心肌的功能。無(wú)論是前者還是后者，都需要有足夠數(shù)量的干細(xì)胞定位于梗死區(qū)域，而這恰恰是現(xiàn)階段MI 干細(xì)胞治療最大的瓶頸；無(wú)論何種種子細(xì)胞，移植進(jìn)入梗死心肌后，會(huì)由于體內(nèi)的缺氧環(huán)境及細(xì)胞信號(hào)的丟失，使得干細(xì)胞凋亡或大量游走，無(wú)法精確滯留或存活于MI 區(qū)域。急性心肌梗死后，損傷和缺血部位SDF-1 的分泌會(huì)增加［14］，可以使一部分干細(xì)胞歸巢到梗死部位進(jìn)行再生修復(fù)。因此，為了增高常規(guī)移植干細(xì)胞的效率，出現(xiàn)了多種干預(yù)干細(xì)胞SDF-1/CXCR4 信號(hào)通路的手段和方法，以期達(dá)到加強(qiáng)細(xì)胞歸巢效能的目的。Transwel 等［15］的研究結(jié)果提示，體外使用CXCR4 基因修飾的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs），過(guò)表達(dá)CXCR4 的MSCs 向SDF-1 的遷移能力得到顯著增強(qiáng)，同時(shí)已有研究表明這種遷移還表現(xiàn)出一定的SDF-1 濃度效應(yīng)：遷移能力隨SDF-1 的濃度增加而提高［16］。Zhang 等［17］的研究證明，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）調(diào)節(jié)SDF-1/CXCR4 軸誘導(dǎo)缺血損傷小鼠骨髓MSCs 的歸巢。也有研究表明，過(guò)表達(dá)CXCR4 的MSCs 對(duì)缺血性心臟損傷的旁分泌作用使MSCs 遷移到MI 瘢痕和每個(gè)梗死區(qū)域，增加MSCs 的歸巢［18］。Jiang 等［19］的實(shí)驗(yàn)證明CXCR4 過(guò)表達(dá)的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）表現(xiàn)出比對(duì)照iPSC 大3.9 倍的遷移，因此認(rèn)為這些結(jié)果為急性MI和心力衰竭的嚙齒動(dòng)物模型中的體內(nèi)iPSC 移植研究奠定了良好的基礎(chǔ)。根據(jù)先前的研究，SDF-1/CXCR4 通路對(duì)于干細(xì)胞移植治療MI 時(shí)的趨化、定位和歸巢有重要作用，但如何提高移植細(xì)胞CXCR4 的表達(dá)和維持缺血心肌局部SDF-1 的高濃度需要進(jìn)一步去探索。

2.2 擴(kuò)大干細(xì)胞旁分泌

干細(xì)胞治療MI 的機(jī)制還包括借助擴(kuò)大干細(xì)胞旁分泌效應(yīng)，分泌生長(zhǎng)因子，加強(qiáng)原有心肌的存活和功能。生長(zhǎng)因子以血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fibroblast growth factors，F(xiàn)GF）、胰島素樣生長(zhǎng)因子（insulin like growth factor，IGF）研究較多，這些生長(zhǎng)因子可以提高宿主心肌的功能，并減少移植細(xì)胞的凋亡。束波等［20］在體外用SDF-1 干預(yù)H2O2處理過(guò)的MSCs，發(fā)現(xiàn)VEGF 和FGF 的分泌表達(dá)上調(diào)。國(guó)外的研究發(fā)現(xiàn)SDF-1 可通過(guò)擴(kuò)大旁分泌生長(zhǎng)因子（VEGF 等）效應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞增殖［21-22］?；|(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloprotease，MMP）可以溶解微血管壁，促進(jìn)干細(xì)胞由外周血穿透進(jìn)入特定組織中［23］，而SDF-1 與CXCR4 結(jié)合后，可以活化核因子并激活細(xì)胞自分泌MMP-2和MMP-9 以及一氧化氮（NO）［24］，加上黏附分子的作用，促進(jìn)干細(xì)胞由血液進(jìn)入特定組織，減少干細(xì)胞在血液中由于信號(hào)分子的缺乏所導(dǎo)致的游走丟失。綜合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為，SDF-1 能夠提高干細(xì)胞旁分泌的功能，主要效應(yīng)為提高干細(xì)胞的增殖和存活，部分效應(yīng)為配合黏附分子共同加強(qiáng)干細(xì)胞在特定部位的定居。

2.3 促進(jìn)新生血管生成

MI 干細(xì)胞治療的最終目標(biāo)是希望分化出心肌細(xì)胞替換壞死的心肌從而彌補(bǔ)或是維持正常心功能，但國(guó)外的實(shí)驗(yàn)研究表明，干細(xì)胞如果能夠同時(shí)重建血管，比單一分化為心肌細(xì)胞治療效果要更好。可能的機(jī)制：血管的再生，不僅可以改善原有心肌的血供，也可以調(diào)整移植干細(xì)胞的缺血微環(huán)境，從而在整體上，加強(qiáng)干細(xì)胞的治療效果。早在2011 年Tang 等［25］證實(shí)MSCs 分泌的VEGF 能促進(jìn)血管新生，而小鼠MI 模型研究表明，梗死區(qū)SDF-1 的增加能夠上調(diào)VEGF 濃度，而VEGF 促進(jìn)血管再生，進(jìn)而加速側(cè)支循環(huán)建立，從而發(fā)揮心臟保護(hù)功能。有研究者在MSCs 移植SD 大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，注入MSCs 后產(chǎn)生的SDF-1 使MI 邊緣區(qū)新生微血管數(shù)量較單純MI組明顯增加［26］。上述研究同樣證明了CXCR4 的過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了MSCs中的毛細(xì)血管生成［18］。2017 年Doring 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮細(xì)胞上CXCLl2/CXCR4 可以通過(guò)激活蛋白激酶B、Wnt3連環(huán)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)，維持和加強(qiáng)血管內(nèi)皮鈣黏蛋白的表達(dá)，還可以經(jīng)由相關(guān)的磷酸酯酶調(diào)節(jié)增加交界血管內(nèi)皮鈣黏蛋白復(fù)合體的穩(wěn)定性，最終促進(jìn)內(nèi)皮屏障功能。另外最新研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)抑制脯氨酰羥化酶從而上調(diào)人類內(nèi)皮細(xì)胞上CXCL12 與CXCR4 的表達(dá)，能夠促進(jìn)缺血性心肌的修復(fù)以及心功能的提升［28］。相反的，Mayorga 等［29］的研究顯示急性MI 后糖尿病小鼠的SDF-1/CXCR4 軸受損可能導(dǎo)致?lián)p傷部位細(xì)胞死亡和血管密度降低。還有研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1 可以提高M(jìn)SCs 的旁分泌VEGF［24，30］，如果使用CXCR4 阻斷劑ADM3100，則會(huì)降低VEGF 的分泌，還可以阻斷VEGF 的生血管效應(yīng)［31-32］。綜合來(lái)看，SDF-1 促進(jìn)血管生成似乎與促進(jìn)VEGF 分泌有關(guān)，至于是否還存在其他的機(jī)制，還需要更進(jìn)一步的研究來(lái)驗(yàn)證。

2.4 改善心臟功能

在MSCs 移植SD 大鼠的研究中［26］顯示，SD 大鼠急性MI 局部注射MSCs 可顯著提高SDF-1/CRCX4 表達(dá)，通過(guò)縮小梗死面積，擴(kuò)大梗死區(qū)室壁厚度等方面改善心功能。上述研究還通過(guò)測(cè)量心臟中左心室壁中纖維化的百分比、MI 后左心室自由壁和室間隔的厚度分析心室重構(gòu)證明過(guò)表達(dá)CXCR4 的MSCs 減少心肌纖維化并改善MI 后的心臟功能［18］。Mayorga 等［33］通過(guò)對(duì)小鼠的實(shí)驗(yàn)證明二甲基肟基甘氨酸（DMOG）在小鼠MI 后促進(jìn)MI 面積顯著減少、促使心臟祖細(xì)胞（cardiac progenitor cells，CSC）募集增加、增加心肌存活和改善小鼠心臟射血分?jǐn)?shù)，并證明二甲基肟基甘氨酸的作用是通過(guò)在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)CXCR4 表達(dá)實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)一步證明了心肌細(xì)胞CXCR4 表達(dá)對(duì)心臟修復(fù)的關(guān)鍵作用，得出CXCR4 軸早期上調(diào)的參與是改善MI后心臟修復(fù)的策略的結(jié)論。上述實(shí)驗(yàn)觀察到通過(guò)SDF-1的過(guò)表達(dá)來(lái)挽救SDF-1/CXCR4 軸的功能可以改善糖尿病患者的心臟功能，這些數(shù)據(jù)表明受損的SDF-1/CXCR4 軸是糖尿病患者急性MI 后心臟修復(fù)受損的重要機(jī)制［29］。

3 總結(jié)

干細(xì)胞移植治療MI，需要干細(xì)胞先存活定位，然后穩(wěn)定分化，最后成熟連接宿主，形成完整功能體。在這些過(guò)程中，SDF-1/CXCR4 首先通過(guò)濃度梯度募集干細(xì)胞，然后調(diào)整細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白和肌動(dòng)蛋白的重排來(lái)提高干細(xì)胞運(yùn)動(dòng)趨化能力，隨后促進(jìn)干細(xì)胞旁分泌，上調(diào)生長(zhǎng)因子和抗凋亡因子，保證干細(xì)胞在缺血環(huán)境中的活性并加強(qiáng)其增殖效應(yīng)，并通過(guò)增加梗死區(qū)血管生成，改善心室重構(gòu)等保護(hù)損傷的心臟。這一系列過(guò)程，對(duì)于提高現(xiàn)階段干細(xì)胞移植效率低下有很大的幫助。也有最新的研究表明SDF-1對(duì)心肌細(xì)胞的作用是濃度依賴的：在生理水平，SDF-1 是心臟穩(wěn)態(tài)所必需的，然而，在病理水平增加時(shí)，SDF-1 誘導(dǎo)產(chǎn)生TNF-α和并隨后導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡［34］。這是第一份證明SDF-1 誘導(dǎo)的體外培養(yǎng)心肌細(xì)胞凋亡的劑量依賴效應(yīng)的報(bào)道。因此，SDF-1/CXCR4 在梗死心肌中促進(jìn)干細(xì)胞挽救損傷心肌的具體機(jī)制，需要更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究。