趋化因子CXCL12及其受体CXCR4在神经系统疾病中的研究进展*

汪琦,朱舟,王伟

华中科技大学同济医学院附属同济医院神经科,武汉430030

1 CXCL12/CXCR4的生物学特性

趋化因子(chemotactic factor,CF)是一类小分子量(8～14 kDa)的分泌蛋白,最初研究发现其主要作用是调节白细胞的迁移,故命名为CF。根据N末端2个半胱氨酸残基的空间位置不同可将CF分为CXC、CC、C和CX3C等4个亚族。CF受体为具有7个跨膜结构的G蛋白偶联受体,也可分为CXCR、CCR、XCR和CX3CR4类。

CXCL12又称基质细胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1,SDF-1),也称为前B细胞刺激因子(pre-B cell stimulatory factor,PBSF),该细胞因子首先被发现是由骨髓基质细胞所分泌,故命名。以前认为CXCR4是CXCL12的唯一受体,但最近研究发现CXCL12可能存在另一受体CXCR7。生理状况下CXCL12在外周如肺、肝、淋巴结、骨髓、肾上腺等多组织器官的基质细胞持续表达,而在中枢神经系统(central nervous system,CNS)中主要由间质细胞分泌;在病理情况下,如感染、肿瘤、卒中、炎症时,则由星形胶质细胞和血管内皮细胞分泌。CXCR4在CNS的神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞和内皮细胞上广泛表达。在胚胎发育时期,骨髓基质细胞分泌的CXCL12趋化造血干细胞由胚肝向骨髓迁移和定植[1]。在成熟个体,CXCL12在造血干细胞的向骨髓的归巢过程中也发挥重要调节作用[2]。CXCL12在外周免疫系统中对淋巴细胞和单核细胞发挥浓度依赖的高效趋化作用参与炎症免疫反应。同时CXCL12也是调节B细胞前体细胞增殖的重要因子。其受体CXCR4是嗜T型HIV病毒感染T细胞的共受体。

CXCL12/CXCR4在CNS广泛表达,提示其可能存在着重要作用。CXCL12或CXCR4基因敲除的小鼠存在中枢和周围神经系统神经元迁移障碍和轴索的投射异常,从而导致神经系统发育障碍[3]。成熟脑组织不同区域的神经干细胞上也广泛表达CXCR4,病理情况下通过CXCL12浓度梯度趋化神经干细胞向病灶迁移[4],以利于机体的修复。此外,CXCL12/CXCR4可能还通过间接(影响胶质细胞谷氨酸释放[5])和直接的(活化K+通道[6])方式参与调节神经信号传递。

2 CXCL12/CXCR4与神经系统疾病

2.1 HIV相关脑病 HIV感染后脑病是HIV患者死亡的最常见原因之一,其病理特点是神经元的凋亡及神经突触和突触小体结构的消失。HIV主要通过感染小胶质细胞和单核细胞进入CNS。作为小胶质细胞和星形胶质细胞功能的延伸,CF及受体在神经元的损伤和凋亡过程中起重要作用。CNS中与HIV神经毒性相关的主要CF受体是CXCR4和CCR5。CXCR4通过G蛋白信号传导系统Gi/Go的正负反馈调节机制完成信号转导,受体被激活后,细胞内钙离子浓度升高,诱发神经细胞内形成自由基(氧化亚氮和超氧阴离子)诱发凋亡[7]。CXCR4中和抗体可以抑制Caspase-3活化而降低神经元凋亡[8]。研究发现,艾滋病患者CNS内巨噬细胞/小胶质细胞和神经元上CXCR4表达上调[9],而被感染的小胶质细胞或巨噬细胞能促使星形胶质细胞分泌CXCL12增加[10]。CXCL12和HIV病毒脱落蛋白gp120都是CXCR4受体激动剂。有研究认为CXCL12可以促进细胞存活,而gp120促进细胞凋亡。gp120作用于CXCR4,引起细胞氧化损伤继而激活 p53,提高神经元内凋亡蛋白活性因子-1(apoptosis protease activating factor 1,Apaf-1)的磷酸化水平;gp120还通过调节p53磷酸化水平来进一步调节MDM-2和p21表达,进而诱导神经细胞凋亡[11]。而CXCL12却可以增强p53乙酰化,促进p21转录表达从而促进细胞修复。但也有研究认为gp120和CXCL12都能够通过与神经元上CXCR4结合直接导致神经元的变性与凋亡[12],CXCL12非但不能阻止gp120的神经毒性作用,还可通过刺激胶质细胞活化间接引起神经元凋亡[8]。还有研究发现,gp120能够通过CXCR4-NADPH氧化酶-过氧化物-中性鞘磷脂酶-神经酰胺途径导致神经元凋亡。对于CXCR4信号途径对神经元的间接作用也有深入研究,gp120或CXCL12可通过活化星形胶质细胞产生TNF-α,谷氨酸释放,从而导致神经元兴奋性毒性损伤[13]。此外,HIV感染后的巨噬细胞能够分泌前基质金属蛋白酶-2(pro-matrix metal proteinase-2,pro-MMP-2),该酶能被神经元胞膜的1型基质金属蛋白酶(membrane-type 1 matrix metalloproteinase,MT1-MMP)活化,活化的MMP-2能够分解CXCL12,分解产物CXCL12(5-67)通过结合CXCR3导致神经元变性[14]。总之,HIV感染可活化CXCR4,且能够通过多种直接或间接的途径引起神经元损伤。目前对于CXCL12/CXCR4在HIV相关脑病中的作用仍然有待进一步阐明,尤其是CXCL12在HIV相关脑病中的作用具有争议。

2.2 脑部肿瘤 在脑部原发肿瘤如胶质母细胞瘤、星形胶质细胞瘤、成神经管细胞瘤中均可见CXCL12和CXCR4表达上调。CXCR4主要表达于肿瘤细胞和部分内皮细胞,并发生磷酸化活化。CXCL12则主要由内皮细胞和侵入的小胶质细胞分泌。在所有级别的星形胶质细胞瘤的肿瘤细胞和血管内皮细胞中均可见CXCR4的磷酸化活化[15],且CXCL12和CXCR4呈共定位表达,表达的水平和肿瘤的恶性程度成正比,均表达于血管发生和退变、坏死及微囊改变的区域[16]。对来源于小脑外粒层的肿瘤研究发现,由于CXCR4 mRNA的水平和神经营养因子受体p75NTR、ATOH1及GLI1的表达显著相关,因此CXCR4也许可以作为一个有效的肿瘤标志物[17]。CXCL12的表达还和肿瘤的病程密切相关。对裸鼠的研究显示,CXCR4表达水平越高,胶质瘤的生长速度和致死速度越快。在低级别胶质瘤中,CXCL12可作为评价血管发生和肿瘤生长程度的非常有价值的指标,CXCL12和CXCR 4的表达导致肿瘤进展时间缩短[18]。临床分析也显示,CXCR4阳性的胶质瘤患者术后预后较差。在胶质母细胞瘤细胞系培养时发现,CXCL12能够促进肿瘤细胞DNA合成增加,诱导肿瘤细胞迁移[19]。小动物模型实验发现系统性给予CXCR4的拮抗剂AMD3100能够通过增加肿瘤细胞凋亡和减少肿瘤细胞增殖抑制肿瘤生长。CXCL12和CXCR4还参与多种肿瘤的转移过程,包括原位肿瘤细胞侵入血管、微环境下存活、运动至靶器官、黏附及增殖等。有研究发现乳腺癌细胞利用CXCL12/CXCR4的细胞趋化功能实现肿瘤细胞的脑转移[20]。因此,根据CXCL12和CXCR4的表达与脑部肿瘤恶性程度、进展、转移和预后的关系,提示它们也许能够用于指导临床对脑部肿瘤的监测和治疗。

2.3 卒中 卒中是神经系统急性损伤,主要包括血栓形成、栓塞、系统低灌注、脑出血或蛛网膜下腔出血。在卒中的动物模型中,CXCL12在星形胶质细胞和内皮细胞中表达上调[21],而且CXCL12的上调和缺血损伤区域单核细胞的浸润有关,提示CXCL12可能参与炎症病理过程[22]。在新生小鼠脑组织缺血缺氧情况下,地塞米松能下调CXCR4的表达,影响炎症级联反应,从而发挥神经保护作用[23]。此外,由于CXCL12对造血干细胞有强大的趋化作用,CXCL12/CXCR4被认为参与造血源性的神经前体细胞(neural progenitor cells,NPCs)由外周向中枢损伤部位的募集。Ceradini等[21]研究发现,在脑组织局部缺血部位,CXCL12表达上调,同时来自外周循环的CXCR4阳性的NPCs的粘附、迁移能力以及向病灶归巢的能力均提高,而降低缺血局部CXCL12的水平,封闭NPCs上CXCR4受体,则可以阻止NPCs细胞向受损部位募集,不利于神经功能修复。Robin等[4]的研究也证实缺血情况下CXCL12/CXCR4能够特异性的介导NPCs进入梗死灶。骨髓来源的干细胞进入CNS后可能分化为神经元或星形胶质细胞,敲除小鼠CXCR4受体基因,脑梗死病灶周围骨髓来源干细胞减少,神经功能恢复受限[24]。此外,还有研究发现局部予以CXCL12能促进内皮前体细胞(endothelial progenitor cell,EPC)向缺血组织募集,有利于血管再生[25]。利用CXCL12调节造血来源的NPCs向卒中病灶处募集可能有助于神经功能的恢复与重建。

2.4 多发性硬化(multiple sclerosis,MS)MS是CNS炎性脱髓鞘疾病,其特点是CNS多灶的髓鞘脱失,伴少突胶质细胞的缺失和星形胶质瘢痕形成。实验性自身免疫性脑脊髓炎(Experimental allergic encephalomyelitis,EAE)是MS的经典小鼠动物模型。在MS和其他炎性神经疾病患者的脑脊液中,可检测到CXCL12[26]。在MS活动病灶处,星形胶质细胞、血管腔及血管鞘的单核/巨噬细胞CXCL12表达水平增高,内皮细胞的CXCL12相对较少。在静止的MS病灶,内皮细胞和星形胶质细胞尤其是病灶边缘增生的星形胶质细胞可检测到 CXCL12[26]。在EAE动物模型中,脑实质细胞CXCR4水平上调[27]。McCandless等[28]研究发现,正常情况下CXCL12表达于CNS内皮细胞基底外侧面,有助于限制CXCR4+单核细胞在血管内,抑制其向脑实质内扩散,在 EAE模型中抑制CXCR4的活性,血管鞘明显减少,而白质内单核细胞广泛浸润,炎症反应加重,促进疾病进展。对MS患者 CXCL12表达分布的进一步研究发现,活动性MS患者病灶处CXCL12表达分布发生变化,主要表达于小静脉管腔内侧,有助于白细胞的粘附和向脑实质的迁移[29]。导致CXCL12表达分布发生变化的原因有待进一步阐明。

2.5 阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease,AD)

AD是老年人最常见的引起痴呆的原因,其病理特点为淀粉样斑块形成、神经纤维缠结以及大量神经元缺失,导致记忆及其他智力障碍。CXCL12是骨髓来源的CD34+干细胞最强的CF。这些干细胞不但具有很强的自我更新和造血分化潜能,而且在特定的外环境下可以横向分化,如骨髓干细胞具有向血管内皮细胞、神经细胞等组织细胞转化的能力。有研究对AD患者血清CXCL12水平进行检测,发现CXCL12明显下降[30]。Parachikova等[30]进一步研究发现,予以小鼠 CXCR4的拮抗剂AMD3100,小鼠的学习和记忆功能下降。Ziabreva等[31]研究发现,早期AD患者循环中CD34+干细胞减少,其室下区神经干细胞数量亦明显减少,而室下区是成熟脑组织中神经元干细胞来源的主要场所。这些现象均提示AD患者可能缺乏造血干细胞支持。心肌梗死时,骨髓来源的内皮前体细胞能够被动员和募集到受损血管壁,修复血管或生成新的血管[32]。而AD患者同样存在许多血管危险因素参与AD发病机制如脑血管淀粉样变,加重痴呆症状。CXCL12能够趋化骨髓来源的内皮前体细胞结合到血管受损部位修复血管并促进血管再生[33],外源性给予CXCL12能够改善受损组织血液供应[34]。此外,还有研究发现骨髓来源的前体细胞能够进入脑实质并分化为小胶质细胞,与脑内固有的小胶质细胞比较,骨髓来源的小胶质细胞对Aβ具有更有效的吞噬能力[35],促进骨髓来源的小胶质细胞在向脑实质募集,可以改善转基因小鼠的认知能力[36]。CXCL12可能参与骨髓来源小胶质细胞向中枢神经系统的募集,参与AD的疾病过程。

3 结论

作为神经系统和免疫系统的一个桥梁,CXCL12/CXCR4在神经免疫性疾病中的作用复杂而广泛,而其具体的作用机制目前还知之甚少。阐明CXCL12在这些疾病中的作用,对深入了解这些疾病的发病机制有一定帮助,也可能为疾病的治疗提供新的靶点。

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