CXCL12/CXCR4信號通路與缺血性腦卒中新進(jìn)展

張智芳，蘇 帥，趙理樂

(1.天津市西青醫(yī)院 a.神經(jīng)內(nèi)科; b.神經(jīng)外科，天津 300070; 2.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 消化科，天津 300052)

缺血性腦卒中(cerebral ischemic stroke, CIS)又稱腦梗死(cerebral infarction)，是指因腦部血液循環(huán)障礙、缺血、缺氧所致的局限性腦組織缺血性壞死或軟化。CIS是腦血管病中最常見一種類型，約占全部急性腦血管病的69.6%～70.8%[1]，其致殘率及致死率非常高，隨著人口老齡化的加速，我國成為世界上卒中負(fù)擔(dān)最重的國家之一。目前臨床上靜脈溶栓及動脈取栓是改善預(yù)后最積極有效的方法，但因時間窗狹窄、禁忌證限制以及相關(guān)風(fēng)險性，有很多急性CIS患者錯過溶栓及取栓治療時機(jī)，因此尋找其它治療方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cell, EPC)治療CIS被認(rèn)為是一種新型治療方法[2]。

骨髓來源的EPS通過血液循環(huán)遷移至缺血損傷部位，參與缺血損傷后內(nèi)皮細(xì)胞的生成和神經(jīng)的再生，可以促進(jìn)缺血損傷后的腦功能恢復(fù)以及改善生存質(zhì)量[3-4]。目前循證醫(yī)學(xué)證據(jù)表明CIS發(fā)生后，趨化因子CXC 配體12(CXCL12)及其受體CXCR4能夠動員招募內(nèi)皮組細(xì)胞遷移浸潤至缺血區(qū)域，因此認(rèn)為CXCL12/CXCR4信號通路在這一過程中起著關(guān)鍵性的作用[5]。本綜述將重點(diǎn)闡述CXCL12/CXCR4信號通路與CIS研究新進(jìn)展。

1 CIS與內(nèi)皮損傷

CIS會導(dǎo)致大腦血液供應(yīng)發(fā)生障礙，使相對應(yīng)的腦組織發(fā)生缺血、缺氧，從而引起相應(yīng)部位的神經(jīng)細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致相應(yīng)供血區(qū)的神經(jīng)功能障礙。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞的損傷及功能障礙是CIS的始動環(huán)節(jié)并貫穿疾病發(fā)生的全過程[6]。因此，腦血管損傷是發(fā)生CIS的重要病理基礎(chǔ)。

近期研究發(fā)現(xiàn)在血管閉塞發(fā)生前，內(nèi)皮功能障礙可能已經(jīng)長期存在，此種情況可能是腦卒中發(fā)展的關(guān)鍵早期事件，研究還認(rèn)為內(nèi)皮功能障礙可能會加重CIS患者神經(jīng)功能的進(jìn)一步損害[7]。另有研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮功能障礙同樣是血腦屏障出現(xiàn)功能障礙的早期事件，其可以導(dǎo)致內(nèi)皮完整性遭到破壞[8]。因此，CIS患者血管內(nèi)皮功能障礙逐漸受到臨床醫(yī)師的關(guān)注，新近研究發(fā)現(xiàn)短暫性腦缺血患者中也出現(xiàn)了血管內(nèi)皮功能障礙[9]。目前認(rèn)為缺血所導(dǎo)致的腦血管疾病早期可能都存在血管內(nèi)皮功能障礙，修復(fù)內(nèi)皮完整性可能是預(yù)防以及治療CIS有效策略之一。

2 CXCL12/CXCR4信號通路與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

趨化因子CXC 配體12(CXCL12)，原名基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1, SDF-1)，是CXC趨化因子亞家族中的一員。CXCL12是生理和病理過程中的重要因子，其中包括胚胎發(fā)育、造血、血管生成和炎癥參與。CXCL12具有激活和(或)誘導(dǎo)造血干細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和大多數(shù)白細(xì)胞遷移的功能[10]。CXCL12 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)的發(fā)育和成熟階段均有表達(dá)，當(dāng)在小鼠中敲除CXCL12基因?qū)?dǎo)致神經(jīng)祖細(xì)胞增殖、遷移和分化的障礙[11]。CXCL12是表達(dá)于腦組織中的趨化因子之一, 其在腦組織中主要由星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元所表達(dá)。在正常神經(jīng)系統(tǒng)中CXCL12維持在較低的水平, 不能發(fā)揮遷移趨化作用，當(dāng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生炎癥、缺血和缺氧等病變后, 可引起CXCL12水平上調(diào)并發(fā)揮趨化作用[12]。

CXCR4 是一種高度保守的G蛋白跨膜受體，在多種細(xì)胞和組織中表達(dá)，包括神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞，以及不同的淋巴細(xì)胞亞群、血管平滑肌細(xì)胞等。研究發(fā)現(xiàn)造血干細(xì)胞和EPCs表面同樣能夠高度表達(dá)CXCR4[13]。CXCR4具有維持動脈完整性以及保護(hù)內(nèi)皮屏障的功能[14]。CIS發(fā)生后CXCL12水平上調(diào), CXCL12可以通過與CXCR4 結(jié)合，促進(jìn)EPCs沿CXCL12的濃度梯度發(fā)生遷移、歸巢至受損內(nèi)皮，進(jìn)一步修復(fù)損傷的血管內(nèi)皮[15]。

3 CXCL12/CXCR4 信號通路與CIS后血管新生

眾所周知EPS參與腦卒中后血管的新生過程，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是將EPC歸巢至受損區(qū)域。CXCL12/CXCR4信號通路在EPS歸巢至受損區(qū)域發(fā)揮著重要的作用。體外研究發(fā)現(xiàn)CXCL12/CXCR4信號通路對于EPC具有很強(qiáng)的趨化作用, 這與CXCL12所引發(fā)的血管新生有關(guān)[16]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)CXCL12/CXCR4信號通路不僅可以促進(jìn)EPC的增殖和遷移，而且能夠促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞和白血病細(xì)胞的增殖和遷移[17-18]。柚皮苷通過CXCL12/CXCR4信號通路介導(dǎo)激活PI3K/Akt信號通路促進(jìn)EPS的增殖和遷移，從而促進(jìn)血管生成和抑制內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[19]。應(yīng)用抗 CXCR4 的抗體，拮抗 CXCL12/CXCR4 信號通路，將會部分抑制 EPC 向缺血區(qū)域的遷移和募集[20]。以上研究說明CXCL12/CXCR4信號通路可以調(diào)節(jié)EPC的遷移和新生血管的形成。

研究發(fā)現(xiàn)CXCL12 水平與CIS患者的EPC 數(shù)量及腦梗塞體積和嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[21]。CXCL12/CXCR4信號通路通過磷酸肌醇3-激酶和Rac1激活可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障的完整性[22]，說明CXCL12/CXCR4信號通路可能參與了血管內(nèi)皮功能障礙的發(fā)生。在腫瘤中由于腫瘤組織缺氧CXCL12水平會急劇增加，EPC通過CXCL12/CXCR4信號通路移動到腫瘤床參與腫瘤血管生成[23]。以上結(jié)果同樣表明，CXCL12 通過調(diào)節(jié) EPC 的動員和招募，進(jìn)而維持血管內(nèi)皮完整性和促進(jìn)血管新生。因此，在CIS以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療具有巨大的潛力。

4 CXCL12- CXCR4信號通路與CIS后神經(jīng)祖細(xì)胞

CXCL12/CXCR4 信號通路已被證實(shí)在神經(jīng)EPS的形態(tài)發(fā)生和功能發(fā)揮中起著重要的作用[24]。趨化因子CXCL12可以動員神經(jīng)祖細(xì)胞/干細(xì)胞(neural progenitor cells，NPCs)向神經(jīng)損傷部位遷移以及進(jìn)一步修復(fù)受損神經(jīng)細(xì)胞，這一過程依賴于CXCL12/CXCR4信號通路的信號傳導(dǎo)[25]。體外實(shí)驗(yàn)通過條帶測定發(fā)現(xiàn)CXCL12及其受體CXCR4可介導(dǎo)NPC形成片狀偽足[26]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)干細(xì)胞可以通過CXCL12/CXCR4信號通路調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)，激活膠質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)和神經(jīng)元存活[27]。缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α)在腦卒中早期即可上調(diào)CXCL12/CXCR4信號通路表達(dá)，在腦卒中后期CXCL12/CXCR4信號通路在神經(jīng)膠質(zhì)之間和神經(jīng)膠質(zhì)與神經(jīng)元之間信息傳遞中起著重要的作用[28]。新近研究發(fā)現(xiàn)，在缺氧應(yīng)激條件下，CXCL12/CXCR4 信號通路在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中，通過正反饋機(jī)制可以促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞的存活和增殖[29]。

既往研究發(fā)現(xiàn)CXCL12/CXCR4信號通路在CNS發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，包括調(diào)節(jié)神經(jīng)EPS的遷移和維持神經(jīng)EPS的數(shù)量[30]。CXCL12/CXCR4信號通路在成人CNS中具有可以調(diào)節(jié)神經(jīng)傳遞、神經(jīng)毒性和膠質(zhì)細(xì)胞之間信息交換等功能[31]。研究發(fā)現(xiàn)各種腦損傷后白質(zhì)修復(fù)需要少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(oligodendrocyte precursor cells， OPCs)參與，CXCL12在自身免疫性腦脊髓炎模型和銅誘導(dǎo)的脫髓鞘疾病模型中可以調(diào)節(jié)EPCs遷移和分化，促進(jìn)腦白質(zhì)的修復(fù)[32]。進(jìn)一步將CXCL12基因修飾EPCs后，CXCL12-EPC可以上調(diào)表達(dá)OPCs中的PDGFR-α、bFGF、CXCR4和CXCR7，提高了EPC的能力，進(jìn)而增加OPCs髓鞘的再生，表明CXCL12-EPC在腦白質(zhì)修復(fù)方面具有很大的潛力[33]。

5 CXCL12/CXCR4 信號通路與CIS后炎癥反應(yīng)

CIS引起的炎癥反應(yīng)是以腦血管內(nèi)白細(xì)胞被激活、一系列炎癥介質(zhì)增加與血管異常反應(yīng)為特點(diǎn)的炎癥反應(yīng)[34]。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的主要免疫炎癥細(xì)胞，其在CIS發(fā)生后可以被迅速激活并遷移、招募至損傷區(qū)域，并隨后啟動了一系列炎癥因子釋放[35- 36]。在缺血條件下，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞通過分泌促炎細(xì)胞因子可以加重組織損傷[37]。在小鼠短暫性大腦中動脈閉塞(tMCAO)模型中，梗死周邊區(qū)域的 M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞數(shù)目增多主要出現(xiàn)于梗死后第 1 周內(nèi)，而 M1 型的數(shù)目在第 2 周才開始明顯增多并超過 M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞[38]。

趨化因子CXCL12在炎癥細(xì)胞募集并浸潤至缺血損傷處的過程中起到了至關(guān)重要的作用。 卒中后，CXCL12在缺血半暗帶的升高，與單核細(xì)胞向缺血性損傷區(qū)域的浸潤相關(guān)聯(lián)，并且可能介導(dǎo)神經(jīng)炎性發(fā)病機(jī)制[39]。近年來研究表明，CXCL12/CXCR4 信號通路在CIS等CNS病理過程中，對炎癥細(xì)胞的遷移起著至關(guān)重要的作用[40]。腦梗急性期予AMD3100拮抗CXCL12/CXCR4信號通路可抑制M1型小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞遷移至缺血區(qū)域，從而減弱炎癥反應(yīng)并改善CIS后神經(jīng)功能恢復(fù)[41]。在新生大鼠的缺血模型中，用地塞米松預(yù)處理可以降低在缺血周圍區(qū)CXCR4的表達(dá)，減輕膠質(zhì)化，進(jìn)而減小腦梗死體積[42]。

6 CXCL12/CXCR4信號通路與CIS治療前景

CIS的積極治療對預(yù)后很關(guān)鍵，而有效治療需要缺血周圍區(qū)的神經(jīng)保護(hù)、血管新生和神經(jīng)再生的協(xié)同作用。CXCL12/CXCR4信號通路在CIS急性期和恢復(fù)期發(fā)揮著重要的作用，是治療CIS的一個潛在靶點(diǎn)。

近期CXCL12/CXCR4 信號通路在基礎(chǔ)研究方面有一些新的發(fā)現(xiàn)。在透明質(zhì)酸(HA)和層黏連蛋白(Lm)水凝膠上培養(yǎng)神經(jīng)祖細(xì)胞/干細(xì)胞，48小時后可以觀察到NPC表面CXCR4的表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而促進(jìn)NPC的遷移作用，但是其遷移作用依賴于CXCL12的濃度梯度[43]。生長于含3D-石墨烯神經(jīng)支架培養(yǎng)基中的小膠質(zhì)細(xì)胞，通過產(chǎn)生條件培養(yǎng)基激活CXCL12/CXCR4信號通路，促進(jìn)神經(jīng)球形成以及神經(jīng)干細(xì)胞從神經(jīng)球遷移[44]。

目前CXCL12/CXCR4 信號通路在體內(nèi)研究方面的新發(fā)現(xiàn)成為治療CIS的新希望。新型CXCR4拮抗劑P2G，對CXCR4具有高拮抗活性，能夠高效增強(qiáng)缺血區(qū)血管生成和血液灌注[45]。低劑量輻射可以上調(diào)CXCL12/CXCR4 mRNA和蛋白的表達(dá)，增強(qiáng)EPS的遷移能力[46]。黃體酮可以通過CXCL12/CXCR4/PI3K/Akt信號通路調(diào)節(jié)EPS(EPC)的活力進(jìn)而修復(fù)血管內(nèi)皮細(xì)胞[47]。西洛他唑通過激活SDF-1/CXCR4/PI3K/Akt信號通路，導(dǎo)致促血管生成功能的EPC數(shù)量增多[48]。利格列Ca2+依賴CXCL12/CXCR4信號通路通過對Ca2+穩(wěn)態(tài)和鈣蛋白酶活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而促進(jìn)其發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)機(jī)制，改善中風(fēng)后生活質(zhì)量[49]。以上說明 CXCL12/CXCR4 信號通路在CIS的治療中被越來越被重視。

缺血性腦血管病的治療最關(guān)鍵的是血流灌注的恢復(fù)，而EPS在側(cè)枝循環(huán)的建立方面起到至關(guān)重要的作用，特別是在CIS藥物治療、介入治療及血管內(nèi)膜剝脫術(shù)后的血管內(nèi)皮修復(fù)過程。

綜上所述，通過對CXCL12/CXCR4信號通路與CIS的相關(guān)性分析，表明CXCL12/CXCR4 信號通路在CIS側(cè)枝循環(huán)的建立、神經(jīng)功能的改善及炎癥反應(yīng)方面具有非常重要的價值。希望在將來能夠?qū)XCL12/CXCR4 信號通路以及EPS的功能進(jìn)一步深入研究，尋找更為有效的方法治療CIS，為患者帶來新的希望。