调控SDF-1/CXCR4轴在骨髓间充质干细胞向心肌梗死部位归巢中的研究现状*

范忠伟综述，谭美云审校

（西南医科大学附属医院骨与关节外科，四川泸州 646000）

调控SDF-1/CXCR4轴在骨髓间充质干细胞向心肌梗死部位归巢中的研究现状*

范忠伟综述，谭美云审校

（西南医科大学附属医院骨与关节外科，四川泸州 646000）

骨髓间充质干细胞；SDF-1/CXCR4轴；心肌梗死；细胞迁移

据统计，我国每10万人中有近50人死于急性心肌梗死、近100人死于冠心病，传统治疗均不能撤底改善心功能，虽然异体心脏移植能够彻底改善心功能，但供体来源非常有限而不能临床广泛应用。心肌细胞具有不可再生性，缺血后心肌细胞的大量减少是导致心肌梗死后发生心衰的主要原因。利用骨髓间充质干细胞 （bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）修复受损心肌或者能够促进心肌细胞再生为心肌梗死的治疗带来了新希望。研究表明，BMSCs被动员到并迁移到缺血的心肌后能够通过释放多种促进缺血心肌组织再血管化的生长因子和细胞因子，自身分化成为心肌样细胞等多种途径改善心功能。然而，心梗后能够被动员并最终顺利归巢到缺血心肌的BMSCs数量非常稀少，以至于对心功能的损害不能起到很好的弥补作用。基质细胞衍生因子1（stromal cell derived factor-1，SDF-1）及其受体CXC趋化因子受体4（CXC chemokine receptor 4，CXCR4）所开启的信号传导途径成为了促进BMSCs有效归巢到缺血心肌的关键信号轴，大量研究显示，BMSCs表面CXCR4表达的越多，SDF-1引导BMSCs向心肌梗死部位迁移的就越多，并且BMSCs可以随SDF-1的浓度梯度向心肌梗死部位迁移[1-6]。

因此，对SDF-1/CXCR4信号轴的有效调控可能是促进BMSCs大量归巢到缺血心肌，进而更有效改善心脏重构和心功能的一个新的充满希望的治疗方法。

1 SDF-1 和CXCR4 的结构以及生物学特性

趋化因子是细胞分泌的具有趋化作用的一种小分子蛋白物质，是现今了解最细的细胞因子家族。根据其N端在前两个半胱氨酸残基中的位置，趋化因子被分为四种亚型，分别是 C，CC，CXC，和 CX3C。基质细胞衍生因子 1-α（（stromal cell derived factor-1α，SDF-1α），也被称为趋化因子配体12（CXCL12），是唯一已知G蛋白受体的配体，该种G蛋白受体被称为七次跨膜的趋化因子受体4（CXCR4），CXCR4含352个氨基酸残基，编码基因位于人染色体2q21，主要表达于单核细胞、中性粒细胞、淋巴细胞和激活的T细胞[7]。与其他可结合多种趋化因子的受体不同，CXCR4专一性地与SDF-1结合，介导许多的生理功能，包括细胞转移、血管生成、胚胎发育以及细胞免疫等[8]。在成人骨髓中，SDF-1α/CXCR4信号轴还控制着造血干细胞归巢的趋化性，肿瘤的侵袭与转移也发挥着重要的作用[9]。最近研究显示，SDF-1还可以同CXC趋化因子受体7（CXC chemokine receptor 7，CXCR7）结合，然而CXCR7被SDF-1激活后却并未表现出对细胞的趋化作用[4]。

SDF-1作为C–X–C趋化因子亚科中的一员，于1996年首先从小鼠的骨髓间充质细胞中分离出来，已被报道有许多种组织表达有这种物质，包括骨髓、心脏、肝脏、肾脏、胸腺、脾脏、骨骼肌，大脑以及血小板[8，10]。通过对人和老鼠的SDF-1基因结构分析，由于通过单个基因编码以及由于可变剪接，导致了SDF-1α和SDF-1β两种形式。后来Gleichmann等在成年大鼠的大脑、心脏及肺中发现了另一种剪接变体，被命名为SDF-1γ，并且该亚型在心脏中表达量最高。然而，SDF-1γ在心肌梗死的过程中的表达却是保持不变的，反之，另外1种SDF-1α在心肌梗死的病理过程中却扮演着极其重要的角色。后来又有研究者经过RT-PCR分析，发现了人类还存在另外3种亚型，分别是SDF-1ε，SDF-1δ，SDF-1ζ，通过研究发现，这些不同亚型的SDF-1在刺激细胞迁移的能力上是不同的[10，11]。

2 BMSCs概述

BMSCs是一种具有多项分化潜能的细胞，它于1976年被Friedenstein等人首次提出来，自那时起，BMSCs便成为了用于研究组织再生被研究得最为详细的细胞[12]。比如将它用于研究心肌梗死、神经系统的损伤、肺损伤、膀胱损伤、肝脏损伤、阴道损伤等。可以通过全骨髓贴壁培养法、密度梯度离心法、流式细胞仪分选法和免疫磁珠分选法而获得BMSCs。由于全骨髓贴壁培养法较易掌握，并且培养的细胞污染机会少，细胞增殖快，因此是一种目前大多数人使用的方法[13]。目前主要是通过流式细胞计数仪检测细胞表面标志物来确定是否是BMSCs，由于BMSCs表达多种表面标志物，比如CD29，CD71，CD44，CD90，CDl20A等，现在大多采用鉴定抗体CD29，CD44，CD90来鉴定扩增的BMSCs[14]。

越来越多的证据表明，BMSCs在用于疾病心肌梗死以及之后的心力衰竭的细胞疗法上是一种非常有前景的细胞，通过研究发现，BMSCs主要是通过分化为心肌细胞、心肌血管再生、释放出旁分泌因子、抗心律失常及增强心脏神经等作用来达到细胞治疗的效果[6]。

3 SDF-1 /CXCR4 介导BMSCs迁移

通过以往的研究，现在业界普遍认为SDF-1通过与CXCR4结合介导细胞的迁移，因此，通过提高受损部位SDF-1的表达就可以促进CXCR4阳性细胞向受损部位的归巢。经过研究显示有30种不同表达的基因参与了被SDF-1刺激的BMSCs，其中有11种参与了细胞的移动[2]。另一个趋化因子受体CXCR7也显示出对SDF-1有非常高的亲和力，然而当CXCR7被SDF-1激活后，并非有助于细胞的迁移[4]。许多证据表明，在动物损伤模型上SDF-1α/CXCR4轴在BMSCs的归巢上扮演着重要的角色[5，6]，体内高表达的CXCR4不仅有利于BMSCs的迁移，还有助于提高BMSCs的营养作用效果。在小鼠急性心肌梗死模型上，通过局部灌注BMSCs，心肌细胞缺乏表达CXCR4组同心肌细胞高表达CXCR4组相比，前者心脏功能明显没有后者心脏功能恢复好，尽管二者平均增加的血管密度无明显差异[1]。虽然受损局部表达的SDF-1与它的受体CXCR4对迁移细胞的归巢起着关键性的作用，但是通过体外培养扩增的BMSCs表达的CXCR4水平却很低[15]。

3.1 提高CXCR4的表达

经研究发现，CXCR4的表达受多种因素的调节，包括细胞因子、趋化因子、基质细胞、粘附分子和蛋白水解酶。组织损伤和缺氧或应激的相关转录因子会提高CXCR4的表达，比如核因子-kB（nuclear factor-kB，NF-kB）[16]、缺氧诱导因子1α（hypoxia–inducible facter-1α，HIF-1α）[17]、糖皮质激素、溶血卵磷脂[18]、转化生长因子β1（transforming growth factor-? 1，TGF-β1）[19]、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）[16]、干扰素α和几种白介素（白介素2、白介素4和白介素7）[20]。因此在心脏处于应激的条件下可能会上调CXCR4在干细胞中的表达。研究者们已经采取了许多方法提高CXCR4的表达从而提高心肌梗死的治疗效果。比如，在动物损伤模型中，用腺病毒、逆转录病毒和慢病毒来转染CXCR4都提高了BMSCs的动员和迁移[21]。阳离子脂质体可以作为另一种转染基因的方式，用于代替用病毒作为载体的转染方式，因为阳离子脂质体作为载体具有低毒、低免疫原性、费用低以及相对较容易建立起核酸/脂质体复合体，因此有利于大规模的临床使用[22]。在小鼠急性心肌梗死模型中，通过丹参酮IIA和黄氏甲苷IV预处理的BMSCs，提高了BMSCs的归巢能力，在体外实验中证实提高了CXCR4的表达[23]。在缺氧的条件下，高表达CXCR4的BMSCs释放基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase-2，MMP-2和matrix metalloproteinase-9，MMP-9），该酶可以提高BMSCs穿过基底膜，提高干细胞到达受损心肌部位，减少受损后的瘢痕，从而提高心脏功能[24]。通过胰岛素生长因子 1（Insulin growth factor-1，IGF-1）预处理的BMSCs用于治疗急性心肌梗死后，提高了BMSCs的迁移能力，心肌得到了明显的修复，其中主要参与的机制就是提高了CXCR4的表达[25]。通过加入糖原合酶激酶3β阻滞剂也能提高CXCR4的表达，进而提高BMSCs的迁移能力[26]。通过脂质聚乙二醇将CXCR4合并重组到BMSCs的细胞膜上，也能提高BMSCs的迁移能力[5]。

3.2 提高SDF-1α的表达

心肌梗死后SDF-1α分泌的水平会增加，但这种高水平的SDF-1α却是短暂的，维持的水平不会超过7 d[5，6]，这是因为SDF-1α会被二肽基肽酶IV （dipeptidyl peptidase-IV，DDP-IV）灭活[27]。因此，通过使用DDP-IV阻止剂可以提高SDF-1α的水平，从而提高干细胞迁移到受损心肌的能力[28]。同样还可以直接向受损区域注射SDF-1α以提高BMSCs的迁移，就如同通过腺病毒转导或通过生物材料可控性的释放提高SDF-1α的表达一样，然而，通过加入CXCR4阻滞剂AMD3100后却会阻止这种功效[4]。冲击波或是超声波治疗也被证实可以提高SDF-1α的表达进而提高BMSCs的迁移[29]。低剪切应力也被证实可以提高BMSCs的迁移能力，其中的作用机制就是提高SDF-1的分泌和提高CXCR4的表达[30]。通过皮肤张力的机械牵拉也可以暂时的提高SDF-1α从而提高BMSCs在体内或是体外的迁移能力，但是这种迁移能力会被AMD3100明显阻断，因此证实CXCR4受体在这个过程中起着重要的作用[31]。Qin Jiang等研究认为，通过远程缺血处理后可以提高SDF-1α的表达，进而提高通过静脉注射BMSCs在心肌的储存量[2]。MacArthur等通过在心肌梗死部位直接注射SDF-1α的类似物后提高了梗死心脏的机械性能[32]。

3.3 SDF-1α/CXCR4与相关信号通路的关系

SDF-1α通过激活磷脂酰肌醇三激酶/蛋白激酶B（phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）信号通路增加BMSCs的迁移[3]，通过加入蛋白激酶C激动剂后被证实是通过PI3K/Akt信号通路增加BMSCs的迁移[33]。低氧条件下也被证明可以通过PI3K/Akt信号通路增加BMSCs的迁移，并且这种迁移效果会被PI3K/Akt信号通路阻滞剂LY294002所阻断[31]。Lin等认为在心肌梗死之后，激活蛋白2α（protein kinase-2α，AP2α）通过Akt信号通路对一氧化碳（carbonic oxide，CO）引导SDF-1α的表达起着至关重要的作用[34]。在CXCR4基因改进型的BMSCs中含磷的Akt以及激活的磷酸基变位酶蛋白激酶（phosphomitogen-activated protein kinase，MAPK）的水平达到最大值后会被加入的AMD3100恢复到基础水平，经过PI3K特殊阻滞剂LY294002和MAPK阻滞剂PD98059预处理的BMSCs后，表达CXCR4的BMSCs的迁移会显著的减弱[35]。这有可能是 PI3K/Akt和MAPK/ERK（extracellular signal-regulated kinase，胞外信号调节激酶）两个转导路径都参与了通过引导CXCR4的表达来提高BMSCs的迁移。

4 总结与展望

大量的研究表明，趋化因子是BMSCs用于治疗心肌梗死的关键调节因素，其中，SDF-1是最重要的因子之一，SDF-1/CXCR4在调节BMSCs的移植、动员、血管重建以及新生血管的形成方面是被广泛接受的。本文总结了SDF-1与它的受体CXCR4一起构成SDF-1/CXCR4系统并参与到BMSCs治疗心肌梗死的修复过程中，并且SDF-1/CXCR4可以作为一个潜在的调控靶点来提高BMSCs治疗心肌梗死的效果。虽然有大量的研究证明通过高表达或持续释放SDF-1/CXCR4在BMSCs治疗心肌梗死过程中，对BMSCs迁移到心肌以及对心脏血管的生成上和对心脏的保护方面表现出了积极的作用，但也有人研究证实SDF-1/CXCR4在心肌修复上的负面影响，比如，Chen等认为通过腺病毒转导提高CXCR4表达后，心肌的梗死面积有所扩大，减弱了心脏功能，其原因是提高了炎性细胞的归巢、增加了肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）α的表达进而提高了心肌细胞的坏死[36]。目前关于提高SDF-1/CXCR4表达来引导BMSCs的迁移大多处于离体研究中，因此还需要额外的大规模的临床前试验来阐明SDF-1/CXCR4轴在BMSCs治疗心肌梗死中的病理生理学。

1.Dong F，Harvey J，Finan A，et al.Myocardial CXCR4 expression is required for mesenchymal stem cell mediated repair following acute myocardial infarction[J].Circulation，2012，126（3）:314-324.

2.Jiang Q，Song P，Wang E，et al.Remote ischemic postconditioning enhances cell retention in the myocardium after intravenous administration of bone marrow mesenchymal stromal cells[J].J Mol Cell Cardiol，2013，56:1-7.

3.Malliaras K，Ibrahim A，Tseliou E，et al.Stimulation of endogenous cardioblasts by exogenous cell therapy after myocardial infarction[J].EMBO Mol Med，2014，6（6）: 760-777.

4.MacArthur JW，Jr，Purcell BP，Shudo Y，et al.Sustained release of engineered stromal cell-derived factor 1-alpha from injectable hydrogels effectively recruits endothelial progenitor cells and preserves ventricular function after myocardial infarction[J].Circulation，2013，128（11 suppl 1）:S79-86.

5.Won YW，Patel AN，Bull DA.Cell surface engineering to enhance mesenchymal stem cell migration toward an SDF-1 gradient[J].Biomaterials，2014，35(21):5627-5635.

6.Zamani M，Prabhakaran MP，Thian ES，et al.Controlled delivery of stromal derived factor-1alpha from poly lacticco-glycolic acid core-shell particles to recruit mesenchymal stem cells for cardiac regeneration[J].J Colloid Interface Sci，2015，451:144-152.

7.Bachelerie F，Ben-Baruch A，Burkhardt AM，et al.International Union of Basic and Clinical Pharmacology. [corrected].LXXXIX.Update on the extended family of chemokine receptors and introducing a new nomenclature for atypical chemokine receptors[J].Pharmacol Rev，2014，66(1):1-79.

8.Nagasawa T，Hirota S，Tachibana K，et al.Defects of B-cell lymphopoiesis and bone-marrow myelopoiesis in mice lacking the CXC chemokine PBSF/SDF-1[J].Nature，1996，382(6592):635-638.

9.Wu D，Guo X，Su J，et al.CD138-negative myeloma cells regulate mechanical properties of bone marrow stromal cells through SDF-1/CXCR4/AKT signaling pathway[J].Biochim Biophys Acta，2015，1853(2):338-347.

10.Kucia M，Reca R，Miekus K，et al.Trafficking of normal stem cells and metastasis of cancer stem cells involve similar mechanisms:pivotal role of the SDF-1-CXCR4 axis[J].Stem Cells，2005，23(7):879-894.

11.Gleichmann M，Gillen C，Czardybon M，et al.Cloning and characterization of SDF-1gamma，a novel SDF-1 chemokine transcript with developmentally regulated expression in the nervous system[J].Eur J Neurosci，2000，12 (6):1857-1866.

12.Friedenstein AJ，Gorskaja JF，Kulagina NN.Fibroblast precursors in normal and irradiated mouse hematopoietic organs[J].Exp Hematol，1976，4(5):267-274.

13.Neuhuber B，Swanger SA，Howard L，et al.Effects of plating density and culture time on bone marrow stromal cell characteristics[J].Exp Hematol，2008，36(9):1176-1185.

14.Song K，Huang M，Shi Q，et al.Cultivation and identification of rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells[J].Mol Med Rep，2014，10(2):755-760.

15.Honczarenko M，Le Y，Swierkowski M，et al.Human bone marrow stromal cells express a distinct set of biologically functional chemokine receptors[J].Stem Cells，2006，24(4):1030-1041.

16.Libura J，Drukala J，Majka M，et al.CXCR4-SDF-1 signaling is active in rhabdomyosarcoma cells and regulates locomotion，chemotaxis，and adhesion[J].Blood，2002，100(7):2597-2606.

17.Ceradini DJ，Kulkarni AR，Callaghan MJ，et al.Progenitor cell trafficking is regulated by hypoxic gradients through HIF-1 induction of SDF-1[J].Nat Med，2004,10 (8):858-864.

18.Abbott JD，Huang Y，Liu D，et al.Stromal cell-derivedfactor-1alpha plays a critical role in stem cell recruitment to the heart after myocardial infarction but is not sufficient to induce homing in the absence of injury[J].Circulation，2004，110(21):3300-3305.

19.Si XY，Li JJ，Yao T，et al.Transforming growth factorbeta1 in the microenvironment of ischemia reperfusioninjured kidney enhances the chemotaxis of mesenchymal stem cells to stromal cell-derived factor-1 through upregulation of surface chemokine（C-X-C motif）receptor 4[J]. Mol Med Rep，2014，9(5):1794-1798.

20.Tan W，Martin D，Gutkind JS.The Galpha13-Rho signaling axis is required for SDF-1-induced migration through CXCR4[J].J Biol Chem，2006，281(51):39542-29549.

21.Yu X，Chen D，Zhang Y，et al.Overexpression of CXCR4 in mesenchymal stem cells promotes migration，neuroprotection and angiogenesis in a rat model of stroke[J].J Neurol Sci，2012，316(1-2):141-149.

22.Madeira C，Mendes RD，Ribeiro SC，et al.Nonviral gene delivery to mesenchymal stem cells using cationic liposomes for gene and cell therapy[J].J Biomed Biotechnol，2010，2010:735349.

23.Xie J，Wang H，Song T，et al.Tanshinone IIA and astragaloside IV promote the migration of mesenchymal stem cells by up-regulation of CXCR4[J].Protoplasma，2013，250(2):521-530.

24.Sullivan KE，Quinn KP，Tang KM，et al.Extracellular matrix remodeling following myocardial infarction influences the therapeutic potential of mesenchymal stem cells[J]. Stem Cell Res Ther，2014，5(1):14.

25.Guo J，Lin G，Bao C，et al.Insulin-like growth factor 1 improves the efficacy of mesenchymal stem cells transplantation in a rat model of myocardial infarction[J].J Biomed Sci，2008，15(1):89-97.

26.Kim YS，Noh MY，Kim JY，et al.Direct GSK-3beta inhibition enhances mesenchymal stromal cell migration by increasing expression of beta-PIX and CXCR4[J].Mol Neurobiol，2013，47(2):811-820.

27.Zaruba MM，Theiss HD，Vallaster M，et al.Synergy between CD26/DPP-IV inhibition and G-CSF improves cardiac function after acute myocardial infarction[J].Cell Stem Cell，2009，4(4):313-323.

28.Theiss HD，Gross L，Vallaster M，et al.Antidiabetic gliptins in combination with G-CSF enhances myocardial function and survival after acute myocardial infarction[J]. Int J Cardiol，2013，168(4):3359-3369.

29.Li L，Wu S，Liu Z，et al.Ultrasound-Targeted Microbubble Destruction Improves the Migration and Homing of Mesenchymal Stem Cells after Myocardial Infarction by Upregulating SDF-1/CXCR4:A Pilot Study[J].Stem Cells Int，2015，2015:691310.

30.Yuan L，Sakamoto N，Song G，Sato M.Low-level shear stress induces human mesenchymal stem cell migration through the SDF-1/CXCR4 axis via MAPK signaling pathways[J].Stem Cells Dev，2013，22(17):2384-2393.

31.Liu H，Xue W，Ge G，et al.Hypoxic preconditioning advances CXCR4 and CXCR7 expression by activating HIF-1alpha in MSCs[J].Biochem Biophys Res Commun，2010，401(4):509-515.

32.MacArthur JW，Jr，Trubelja A，Shudo Y，et al.Mathematically engineered stromal cell-derived factor-1alpha stem cell cytokine analog enhances mechanical properties of infarcted myocardium[J].J Thorac Cardiovasc Surg，2013，145(1):278-284.

33.He H，Zhao ZH，Han FS，et al.Activation of protein kinase C epsilon enhanced movement ability and paracrine function of rat bone marrow mesenchymal stem cells partly at least independent of SDF-1/CXCR4 axis and PI3K/ AKT pathway[J].Int J Clin Exp Med，2015，8(1):188-202.

34.Lin HH，Chen YH，Chiang MT，et al.Activator protein-2alpha mediates carbon monoxide-induced stromal cell-derived factor-1alpha expression and vascularization in ischemic heart[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol，2013,33 (4):785-794.

35.Liu N，Tian J，Cheng J，Zhang J.Migration of CXCR4 gene-modified bone marrow-derived mesenchymal stem cells to the acute injured kidney[J].J Cell Biochem，2013，114(12):2677-2689.

36.Chen J，Chemaly E，Liang L，et al.Effects of CXCR4 gene transfer on cardiac function after ischemia-reperfusion injury[J].Am J Pathol，2010，176(4):1705-1715.

（2015-11-17收稿）

R394.2

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2016.03.027

*国家自然科学基金（31271049）

范忠伟（1989-），男，硕士研究生。

谭美云（1974-），男，医学博士，副教授，E-mail：drtmy@126.com