SDF-1/CXCR4在骨微環(huán)境及骨疾病中的研究進(jìn)展

鄭 洋 郝海靜 劉曉奇

基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal cell derived factors-1，SDF-1)及其趨化因子受體(C-X-C chemokine receptor 4, CXCR4)是CXC類趨化因子亞家族的新成員，SDF-1有SDF-1α和SDF-1β兩種亞型，SDF-1α為其主要亞型。SDF-1在人腦、肺、心臟、腸道、腎臟、肝臟、骨骼肌、軟骨、骨髓等組織中均有表達(dá)，并且在血管內(nèi)皮細(xì)胞、成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中也可以檢測到SDF-1的存在。當(dāng)缺血、缺氧和炎癥等病理性反應(yīng)以及在促血管生成等疾病，例如腫瘤中SDF-1的表達(dá)量會(huì)顯著升高[1]。在組織造血過程中SDF-1也扮演了主要的角色，造血干細(xì)胞釋放至外周血循環(huán)時(shí)，其在骨髓微環(huán)境中表達(dá)增高。研究表明，SDF-1/CXCR4在具有趨化作用的同時(shí)，也是其他祖細(xì)胞的生長因子。不僅如此，SDF-1/CXCR4也是T淋巴細(xì)胞的共同刺激分子，它可以通過免疫調(diào)節(jié)，參與局部抗炎等相關(guān)作用。近年來，隨著SDF-1/CXCR4的研究深入，除了在其他領(lǐng)域的探索，在骨科疾病(如骨關(guān)節(jié)炎、腰椎間盤突出、韌帶骨化、骨腫瘤)以及基因調(diào)控、骨再生及骨修復(fù)方面也受到了廣泛的關(guān)注。本文將著重介紹SDF-1/CXCR4近年來在骨微環(huán)境及骨疾病方面的研究進(jìn)展。

一、SDF-1/CXCR4結(jié)構(gòu)特征及生物學(xué)特點(diǎn)

趨化因子是一類結(jié)構(gòu)相似的小分子蛋白質(zhì)，由于分子N-端的兩個(gè)半胱氨酸的位置狀態(tài)不同，所以趨化因子有4個(gè)亞類，即CXC(插入1個(gè)氨基酸殘基)類、CC(不插入氨基酸殘基)類、C(N端只有1個(gè)氨基酸)類和C3XC(插入3個(gè)氨基酸殘基)類，而SDF-1在這4類中歸于CXC類趨化因子，其基因編碼序列位于10q11.1，開放讀碼框?yàn)?70bp，由68個(gè)氨基酸構(gòu)成。SDF-1α其三維結(jié)構(gòu)是3條反向平行的β鏈，外側(cè)是1條α螺旋。第1β鏈與第2β鏈?zhǔn)峭ㄟ^Ⅲ型轉(zhuǎn)角相連，第2β鏈與第3β鏈?zhǔn)峭ㄟ^Ⅰ型轉(zhuǎn)角相連，最后的β鏈與C末端α螺旋相連[2]。CXCR4作為G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor,GPCR)，其活化過程是由與細(xì)胞膜胞質(zhì)側(cè)的異源三聚體G蛋白的偶合來介導(dǎo)。異源三聚體G蛋白由Gα、Gβ和Gγ亞基組成，在其基礎(chǔ)狀態(tài)下，與鳥嘌呤核苷酸GDP結(jié)合。當(dāng)CXCR4與SDF-1的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合誘導(dǎo)受體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，Gα亞基結(jié)合的GDP被GTP替換，Gα亞基從三聚體解離成單體，與cAMP或IP3等細(xì)胞效應(yīng)酶結(jié)合，激活不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，如ERK1/2、p38、SAPK/INK和Bruton酪氨酸激酶等，導(dǎo)致各種生物反應(yīng)發(fā)生，如調(diào)控細(xì)胞存活、增殖和趨化，增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+的釋放，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄等[3]。與其他GPCRs一樣，SDF-1和CXCR4受體之間的接觸通過受體中誘導(dǎo)的構(gòu)象變化來啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，該構(gòu)象變化通過膜傳遞，以促進(jìn)相關(guān)G蛋白上GTP對(duì)GDP的替代。CXCR4激活Gi/o蛋白家族，進(jìn)而激活磷脂酶C、磷酸肌醇3激酶途徑，并調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞遷移和細(xì)胞黏附[4]。

二、SDF-1在基因調(diào)控中小分子核糖核酸的探索

近年來隨著深入的研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)防及治療骨科相關(guān)疾病除了常見的病因，還受到一定的遺傳易感性影響，很多基因的多態(tài)性導(dǎo)致了疾病的個(gè)體差異，基因表達(dá)調(diào)控已是當(dāng)今熱門話題,而在許多骨科疾病中SDF-1也參與著相關(guān)基因的調(diào)控。其中SDF-1參與微小RNAs(microRNAs，miRNAs )及長非編碼RNA(long non-coding RNAs，lncRNAs)在骨疾病及骨分化的研究引人注目。

眾多文獻(xiàn)報(bào)道，miRNA可以參與SDF-1軸的調(diào)控。有研究表明miRNAs在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchyml stem cell，BMSC)成骨分化中起著重要作用[5]。而SDF-1促進(jìn)了BMSCs旁分泌介導(dǎo)的組織修復(fù)過程中的傷口愈合，因此被認(rèn)為是來源于BMSCs的關(guān)鍵旁分泌因子[6]。有文獻(xiàn)表示某些miRNAs與SDF-1共同參與著骨形成與骨分化。miR-149被報(bào)道參與調(diào)節(jié)鈣離子，骨基質(zhì)礦化和骨吸收，以及通過多種靶向途徑和基因分化來維持骨組織[7]。有實(shí)驗(yàn)論證了SDF-1是miR-149的靶基因，miR-149的上調(diào)可以下調(diào)SDF-1的表達(dá)，并通過增加堿性磷酸酶、骨鈣素和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2的含量促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[8]。近年來研究發(fā)現(xiàn)某些miRNA可以通過SDF-1/CXCR4途徑抑制軟骨分化，Zheng等[9]通過實(shí)驗(yàn)證明，miR-221-3p水平與軟骨退變程度有關(guān)。miR-223-3p通過SDF-1/CXCR4信號(hào)保護(hù)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解。Xiang等[10]通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,miR-142-5p的表達(dá)有效阻斷了骨關(guān)節(jié)炎患者軟骨細(xì)胞中由SDF-1/CXCR4軸觸發(fā)的MAPK信號(hào)通路，從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡，降低了骨關(guān)節(jié)炎主要的危險(xiǎn)因素。段亞妮等[11]在研究長非編碼RNA時(shí)也取得了一定的進(jìn)展，XIST是一種定位于X染色體失活中心的非編碼RNA，在降低lncRNAXist的表達(dá)后BMSCs的遷移能力下降，其機(jī)制可能是lncRNAXist通過降低BMSC膜受體CXCR4的表達(dá)，從而抑制BMSC遷移。雖然在基因調(diào)控方面SDF-1/CXCR4的研究較少，但為以后的SDF-1在基因表達(dá)調(diào)控方面的探索以及治療相關(guān)疾病提供了許多良好的思路。

三、SDF-1對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響

SDF-1與骨缺損移植及骨再生方面的關(guān)系已是當(dāng)今熱門的研究方向。骨髓至少由兩種類型的干細(xì)胞組成，即造血組織和非造血組織，它們被進(jìn)一步總結(jié)為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[12]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)是成骨細(xì)胞前身，具有多向分化能力，在骨折修復(fù)中，BMSCs向骨缺損區(qū)的遷移、黏附、分化對(duì)骨折愈合具有重要意義。成骨細(xì)胞形成過程中BMSCs的分化對(duì)骨的構(gòu)建至關(guān)重要[13]。研究表明SDF-1可以促進(jìn)血管生成和干細(xì)胞招募,而且SDF-1在激活和收集干細(xì)胞和祖細(xì)胞(如表達(dá)CXCR4的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞)方面發(fā)揮著重要作用[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1/CXCR4在多種因素的作用下可以對(duì)干細(xì)胞指導(dǎo)定向遷移至損傷組織并定植修復(fù),也就是所謂的細(xì)胞歸巢作用[15]。SDF-1通過促進(jìn)組織血管生成，從而為種子細(xì)胞歸巢和增殖提供通道和營養(yǎng)，通過誘導(dǎo)BMSCs上調(diào)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的表達(dá)，促進(jìn)成骨分化，并且增加局部血供[16]。

在SDF-1/CXCR4介導(dǎo)BMSCs骨再生與骨分化中的主要信號(hào)通路是MAPK途徑。BMSCs主要來源于骨髓和CD44+細(xì)胞，有實(shí)驗(yàn)證明，MAPK途徑參與了SDF-1介導(dǎo)CD44細(xì)胞的遷移，MAPK途徑已經(jīng)被證明可以調(diào)節(jié)包括生存、增殖和遷移在內(nèi)的多種細(xì)胞行為，在MAPK通路中有3個(gè)主要成分：細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases 1/2,ERK1/2)、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38mapk)和應(yīng)激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。研究者通過進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到了一致的結(jié)論，認(rèn)為骨髓CD44+細(xì)胞的遷移是由SDF-1/CXCR4信號(hào)通路以JNK依賴的方式介導(dǎo)[17]。Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SDF-1激活p38通路時(shí)，可以激活血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，促進(jìn)血管生成，加重炎性反應(yīng)與軟骨生成。當(dāng)SDF-1/CXCR4激活p38和ERK1/2信號(hào)通路時(shí)，一方面可以誘導(dǎo)激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)表達(dá)，當(dāng)AP-1被激活后，酒石酸抗性酸性磷酸酶(tartrate -resistant acid phosphatas，TRAP)，基質(zhì)金屬蛋白(matrixmetalloproteinase，MMPs)和組織蛋白酶 K(cathepsin,CK)3種酶活性被激活[19]。MMPs被激活時(shí)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞向成熟和凋亡[20]。作為破骨細(xì)胞的特異性標(biāo)志物的TRAP和CK，則因SDF-1激活A(yù)P-1增加破骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)骨質(zhì)吸收，降低骨質(zhì)鈣含量[21]。另一方面激活周期蛋白D1(cyclin D1)促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。激活 Runx2途徑也會(huì)作用于MMPs，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞死亡[20]。機(jī)制詳見圖1。

圖1 SDF-1/CXCR4在骨再生與骨分化中的信號(hào)通路

四、SDF-1與骨科相關(guān)疾病的關(guān)系

近年來，SDF-1在骨科相關(guān)疾病中的探索取得了一定的成績，SDF-1/CXCR4在介導(dǎo)骨再生及骨分化方面起到了很大的作用，因此，SDF-1在骨科退行性變及異位骨化方面疾病中的進(jìn)程、預(yù)防以及治療方面扮演著重要的角色。

1.SDF-1與后縱韌帶骨化:有研究表明后縱韌帶骨化與SDF-1的調(diào)控存在一定的關(guān)系，SDF-1/CXCR4可以對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞指導(dǎo)定向遷移，而BMSCs通過軟骨內(nèi)骨化過程允許血管侵犯并促進(jìn)韌帶骨化[22]。在正常組織中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在SDF-1/CXCR4軸的作用下向韌帶損傷區(qū)遷移，促使韌帶的恢復(fù)，通過檢測韌帶骨化患者組織發(fā)現(xiàn)BMSCs已經(jīng)通過遺傳或表觀遺傳改變轉(zhuǎn)變成具有成骨特性的細(xì)胞。有研究者通過脊髓韌帶骨化模型動(dòng)物研究論證SDF-1/CXCR4軸在韌帶異位骨化過程中的作用及其與BMSCs的關(guān)系，并且檢測到韌帶骨化患者的脊髓韌帶SDF-1/CXCR4軸表達(dá)較高，骨化前軟骨細(xì)胞SDF-1和CXCR4表達(dá)呈陽性。研究者還發(fā)現(xiàn)韌帶骨化患者來源的BMSCs的遷移能力明顯高于非來源的BMSCs，從而證明了SDF-1/CXCR4促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞趨化活性可能促進(jìn)人脊髓韌帶異位骨化。

2.SDF-1與椎間盤退變:椎間盤突出的初始因素是椎間盤退行性變，主要的原因是功能性髓核細(xì)胞數(shù)量的減少。在臨床試驗(yàn)中，自體或異體間充質(zhì)干細(xì)胞移植在椎間盤修復(fù)和腰痛緩解方面顯示出巨大的潛力。而合成和分解代謝失衡的椎間盤在修復(fù)過程中也能夠釋放多種細(xì)胞因子和趨化因子，來達(dá)到有效招募內(nèi)源性干細(xì)胞的目的[23]。已有文獻(xiàn)表明，SDF-1α及其受體CXCR4的上調(diào)與椎間盤退行性變密切相關(guān)。有實(shí)驗(yàn)論證了通過SDF-1/CXCR4軸，髓核細(xì)胞衍生干細(xì)胞被招募到退行性椎間盤的損傷部位，從而提高了干細(xì)胞原位再生治療的效率。He等[24]也論證了軟骨終板干細(xì)胞介導(dǎo)的髓核細(xì)胞增殖是通過SDF-1/CXCR4軸部分調(diào)控，SDF-1激活了髓核細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路發(fā)揮作用。而Leite等[25]卻發(fā)現(xiàn)SDF-1介導(dǎo)BMSCs遷移增強(qiáng)了椎間盤Ⅱ型膠原表達(dá)進(jìn)而緩解了退變的進(jìn)程。因此，SDF-1對(duì)間盤退變的具體影響以及發(fā)生、發(fā)展的所起到的作用還需進(jìn)一步的研究。

3.SDF-1與骨性關(guān)節(jié)炎：近年來，SDF-1參與骨性關(guān)節(jié)炎(OA)的病理機(jī)制受到了廣泛的關(guān)注，SDF-1是OA過程中軟骨下骨重塑和由此引起的異常骨形成的重要調(diào)節(jié)因子，抑制SDF-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可能是治療OA的一種新方法。SDF-1存在于滑膜中，其受體CXCR4位于軟骨細(xì)胞表面，SDF-1通過與CXCR4結(jié)合，激活ERK信號(hào)通路及其下游轉(zhuǎn)錄因子，這導(dǎo)致了在MMPs啟動(dòng)子上AP-1的激活和MMPs的上調(diào)，使其進(jìn)一步導(dǎo)致OA軟骨的破壞[17]。也有研究認(rèn)為SDF-1/CXCR4軸通過直接或間接誘導(dǎo)錯(cuò)誤的MSCs募集，從而使OA軟骨下骨損傷，并且還發(fā)現(xiàn)SDF-1/CXCR4軸可能通過偶合軟骨下骨損傷和關(guān)節(jié)軟骨退變來促進(jìn)OA的進(jìn)展[26]。當(dāng)然研究者也探討了使用CXCR4抑制劑來阻斷SDF-1在滑膜中的作用以防止OA發(fā)病，眾多的抑制劑中，AMD3100和T140是流行的選擇[27]。但當(dāng)OA形成，軟骨發(fā)損傷退變時(shí)，在特定的條件下SDF-1也能夠動(dòng)員干細(xì)胞、祖細(xì)胞或調(diào)控相關(guān)保護(hù)因子，參與軟骨的修復(fù)、重建，延緩0A的發(fā)生[3]。由此了解到，SDF-1在OA的長期復(fù)雜病理學(xué)中的作用仍然存在許多的爭議，需要更加深入探索。

4.SDF-1/CXCR4與骨腫瘤：近年來研究發(fā)現(xiàn)，多種實(shí)體腫瘤和血液系統(tǒng)惡性腫瘤中存在CXCR4病態(tài)性高表達(dá)，而高表達(dá)的CXCR4被配體SDF-1活化可促進(jìn)腫瘤生長、侵襲和轉(zhuǎn)移。在骨腫瘤微環(huán)境中SDF-1是關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，具有調(diào)節(jié)血管生成、破骨細(xì)胞生成、腫瘤細(xì)胞遷移和與基質(zhì)細(xì)胞黏附等多種致癌過程的能力。例如，在多發(fā)性骨髓瘤中SDF-1就是一個(gè)重要因子，它能夠調(diào)節(jié)與多發(fā)性骨髓瘤發(fā)展過程中惡性轉(zhuǎn)化相關(guān)的許多過程，而且有研究者也研究發(fā)現(xiàn)，CXCR4在多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞表面表達(dá)。在骨肉瘤中，研究者發(fā)現(xiàn)骨肉瘤組織中SDF-1/CXCR4的 mRNA含量和蛋白含量均明顯高于瘤旁組織，而且SDF-1能夠促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞遷移和侵襲。Yu等[28]也研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1介導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)可能促進(jìn)骨肉瘤的生長和轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致臨床預(yù)后不佳。除了骨肉瘤，F(xiàn)an等[29]也研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1與軟骨肉瘤的嚴(yán)重程度及復(fù)發(fā)率呈正相關(guān)。由此可以看出，SDF-1與骨腫瘤密切相關(guān)，這可能為骨腫瘤的靶向治療提供了新的思路。

五、展 望

SDF-1/CXCR4的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在骨科各類疾病的發(fā)生、發(fā)展發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用。隨著近年來SDF-1在骨組織微環(huán)境中所產(chǎn)生影響的深入研究，在骨組織工程以及基因表達(dá)調(diào)控方面的研究進(jìn)展已經(jīng)取得了重要的成就。無論是在基因工程方面還是在骨組織工程方面，其本質(zhì)上大多數(shù)都是通過介導(dǎo)骨髓充質(zhì)干細(xì)胞來完成骨再生及骨分化，因此在未來，研究BMSCs與SDF-1/CXCR4之間的聯(lián)系，了解在什么條件下，趨化因子可以促進(jìn)BMSCs增殖分化或者抑制凋亡就顯得尤為重要。目前，研究者在SDF-1信號(hào)通路方面也已經(jīng)有了更進(jìn)一步的突破，在其信號(hào)通路方面，研究者的目光更多地是集中在阻斷其信號(hào)通路從而延緩骨疾病中的退變及骨增生，為更多骨疾病精準(zhǔn)的靶向藥物研究提供了一種很有前景的治療方法。但是，SDF-1其下游信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)龐大的信息庫，在組織、細(xì)胞、分子等層面還需開展深入研究。相信在不久的將來，SDF-1的研究會(huì)在干細(xì)胞的移植、基因的靶向治療以及其拮抗劑的探索等方面取得更加重要的進(jìn)步，在治療骨科疾病上發(fā)揮更加重要的作用。