基质细胞衍生因子-1与骨再生修复

义勇　魏垒



基质细胞衍生因子-1与骨再生修复

义勇魏垒

基质细胞衍生因子-1(SDF-1)可招募骨髓间充质干细胞(BMSC)迁移至特定靶位并诱导BMSC成骨分化和血管内皮祖细胞(EPC)成血管分化，成骨分化与成血管分化紧密偶联。SDF-1与BMSC联合新型支架材料构建的组织工程骨可达到时间与空间的完美结合，有望成为骨不愈合及骨缺损的治疗方法。该文就SDF-1与骨再生修复研究进展作一综述。

基质细胞衍生因子-1；组织工程；骨再生修复

骨组织形成和生长涉及分子、细胞、生化等代谢变化。骨损伤愈合生物学基础[1]是外周血中骨髓间充质干细胞(BMSC)迁移至骨损伤处，进一步分化为成骨细胞并产生骨基质，最终改建为功能性骨组织。崔岳毅等[2]构建大鼠颅骨缺损模型，于骨缺损处植入辛伐他汀-聚乳酸复合材料，以BMSC为示踪细胞，结果发现大量绿色荧光蛋白标记的BMSC在颅骨缺损处汇集。基质细胞衍生因子-1(SDF-1)是骨髓中可促进骨再生修复的关键细胞因子[3-4]。近年趋化因子介导的干细胞归巢[5]体内外研究常见报道。研究证实，SDF-1在外周循环中对造血干细胞、祖细胞的动员和归巢起关键作用，SDF-1/CXCR4轴系统在骨组织再生修复领域的研究尚处于起步阶段。SDF-1/CXCR4轴系统可介导BMSC趋化[6]迁移至骨损伤区域,再使BMSC成骨分化，并调控新生血管形成，促进骨组织再生修复。

1　 SDF-1表达正性和负性调节因素

1.1正性调节因素

骨组织损伤时，SDF-1表达主要受低氧诱导因子-1(HIF-1)的调控。骨损伤后局部组织缺血、缺氧，损伤区域附近骨膜主动分泌SDF-1且HIF-1累积诱导SDF-1高表达等，进而促进循环血中CXCR4+的组织定向干细胞(TCST)向缺血区域迁移和归巢。Ceradini等[7]活体实验证实，SDF-1 mRNA在缺血组织中的表达与受损区域氧张力下降呈正比；随着组织局部氧张力的恢复，SDF-1的表达逐渐趋于正常。这是因为氧张力恢复后HIF-1分解不再受阻，其促进下游靶基因表达功能受到抑制。

1.2负性调节因素

组织器官受损或应激反应时，炎性因子对SDF-1表达具有负性调控作用。炎症反应越重,SDF-1合成分泌越少,从而干扰组织器官新生血管形成,抑制骨髓来源的修复细胞在创面募集,最终影响修复速度和愈合质量。黄宏等[8]通过体外实验观察炎性因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-1(IL-1)对小鼠皮肤成纤维细胞SDF-1 mRNA表达的影响,结果显示炎性因子能强烈抑制成纤维细胞SDF-1 mRNA表达，随着炎性因子浓度的增加，其抑制作用显著增强。这提示，适时抑制创面或组织炎症反应,促进SDF-1分泌或给予外源性SDF-1治疗，对难愈创面愈合或损伤组织修复具有潜在临床应用价值。

2　 SDF-1/CXCR4轴系统在骨组织修复过程中的作用

骨损伤时，SDF-1经SDF-1/CXCR4轴系统募集组织定向干细胞进入外周血并迁移到损伤部位，并主要通过软骨内成骨方式参与骨组织再生。目前SDF-1介导BMSC定向迁移机制尚处于不断探索中。Petit等[9]研究提示，SDF-1/CXCR4轴系统激活G蛋白偶联的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C(PI-PLC)，而PI3K和PI-PLC又通过激活蛋白激酶C(PKC)引起级联反应，激活其下游与黏附相关的酪氨酸激酶2(PYK2)和细胞外信号调节激酶(ERK)等信号分子。SDF-1/CXCR4轴系统趋化BMSC定向迁移作用不仅与细胞自身分泌的SDF-1相关,还与细胞本身表达CXCR4受体的强弱相关[10-11]。Kitaori等[12]研究证实，SDF-1 mRNA、蛋白在实验小鼠移植骨骨膜上高表达，而利用抗SDF-1抗体或CXCR4拮抗剂则可抑制新骨形成。Yu等[13]的实验发现，炎性或低氧刺激24 h预处理细胞可导致CXCR4高水平表达。这些研究表明,体外炎症或低氧刺激可上调趋化因子受体CXCR4表达，进而促进SDF-1调控BMSC迁移。SDF-1/CXCR4轴系统还与血管内皮生长因子(VEGF)之间构成旁分泌环路，两者相互影响并促进成骨过程中骨表面血管的构建。值得注意的是，SDF-1/CXCR4轴系统在肿瘤、机体免疫、炎症及造血系统方面的作用最早被重视。它除可介导肿瘤细胞免疫逃逸外，还可通过激活多种信号转导通路介导肿瘤细胞转移侵袭。Lu等[14]研究证实，SDF-1α可提高肝癌细胞入侵潜力。

3　 SDF-1促进骨再生修复机制

骨是高度血管化组织[15]，骨组织生成是骨生成与血管生成紧密偶联的过程，且血管生成先于骨生成[16]，参与成骨作用的细胞因子大多参与血管形成[17]。骨损伤时，随着机械力量的改变，多种因素刺激SDF-1分泌增加，SDF-1调控循环血中CXCR4+的TCST募集并迁移至损伤区域，TCST迁移呈SDF-1剂量依赖性。这些TCST包括血管内皮祖细胞(EPC)、BMSC等，可向成血管和成骨方向特异性分化，进而修复骨组织。

3.1SDF-1招募BMSC趋化迁移

生物体利用细胞因子剂量、释放和持续时间的内源性平衡来调节骨重建过程(包括细胞迁移、增殖、分化、基质沉积和血管新生)[18]。SDF-1在调节干细胞归巢与维持干细胞龛的动态平衡[19]中起到重要作用。Herberg等[20]实验研究表明,SDF-1是增强骨矿化的关键成骨标记因子，它可调节骨形态发生蛋白(BMP)-2信号转导及氧化应激状态下BMSC通过自噬增强的生存能力。陈伟[21]建立C57BL/6绿色荧光蛋白转基因小鼠嵌合体，在骨折部位注入SDF-1，结果发现实验组绿色荧光标记的BMSC迁移到骨折部位聚集，骨愈合明显优于对照组，并认为骨折端BMSC数量与SDF-1注射剂量及持续时间呈高度相关性。Chen等[22]将体外经SDF-1诱导的BMSC移植到大鼠股骨缺损部位并局部注射SDF-1，结果发现骨缺损愈合；2周后检测发现，新生骨组织骨向分化基因高表达，4、8周后X线检查可见骨折线附近有大量新生骨痂形成。Hattori等[23]进行质粒转染而使得血浆SDF-1高表达，结果发现局部组织BMSC在外周循环中募集。上述结果提示，SDF-1 对循环血中BMSC的趋化作用呈剂量依赖性。骨生成信号转导通路中，SDF-1与BMSC密切相关，SDF-1作为配体发挥“肥料效应”[24]诱导作为供体的CXCR4+的BMSC锚定在骨内膜成骨细胞上。此外，陈广南[25]实验发现SDF-1还可促进BMSC体外增殖，这与Zou等[26]的实验结果(SDF-1可提高BMSC存活率)相吻合。

3.2SDF-1诱导BMSC成骨分化

在SDF-1诱导下BMSC成骨分化能力增强。研究[27]证实,SDF-1参与BMSC成骨分化机制涉及Smad和Eric两级信号转导通路,结果均为调控编码基因Runx2和Osx开始转录。Runx2和Osx可上调BMP-2表达。BMP-2是骨组织形成及成骨细胞分化最有效的诱导因子之一，能使未分化的BMSC定向分化为成骨细胞并诱导成骨。李庆庆等[28]利用携带Runx2基因的腺病毒载体感染BMSC并将其复合于骨材料上，结果骨性愈合效率明显提高，具体表现为碱性磷酸酶(ALP)活性增高、骨钙素(OCN)表达增加及矿化结节形成等。Agarwal等[29]研究发现，BMP-2局部浓度升高还可促进异位骨化形成。为此，有必要寻找正常骨修复过程与异位骨化过程中信号转导通路表达差异，以期减少异位骨化发病率。陈广南[25]利用SDF-1α诱导BMSC而影响其骨向分化基因表达，经聚合酶链式反应(PCR)检测发现这些骨向分化基因包括CXCR4、VEGF、BMP-2(促骨分化基因)、OCN(矿化标志基因)、ALP(成骨活性基因)等，结果显示SDF-1α明显上调 BMSC的 CXCR4、VEGF、BMP-2、OCN、ALP表达。目前成骨定向诱导分化的主要技术特点是将具有成骨作用的基因转入靶细胞，再由靶细胞转录成 mRNA并于病变区翻译成具有成骨作用的蛋白质，通过靶细胞的持续作用促进自身成骨[30]。

3.3SDF-1促进血管新生

SDF-1通过促进血管新生参与骨修复中SDF-1/CXCR4轴系统介导的骨生成信号转导通路[31]。它不仅能促进自分泌，还能促进其他因子如VEGF、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等旁分泌，这些因子都具有抗细胞调亡作用[32]。VEGF是血管生成关键上调因子之一，与多种细胞因子发挥协同效应，是成骨过程中的重要配体。SDF-1刺激VEGF在内皮细胞中高表达，而VEGF促进血管内皮细胞SDF-1 分泌和内皮细胞膜表面 CXCR4 表达，从而使SDF-1与VEGF相互影响，形成协同作用。SDF-1可激活BMSC定向成骨分化过程中的Osx转录因子，导致下游基因BMP-2[33]表达上调，进而上调成骨细胞中VEGF表达。目前限制组织工程骨发展的瓶颈仍是骨组织表面血管化，实现组织工程骨血管化的主要策略为通过支架复合细胞或细胞因子构建新生血管。新生血管与机体循环系统吻合构成整体微循环[34]将是未来组织工程骨血管化的重要研究方向。研究表明，VEGF参与了骨关节炎中滑膜炎症[35]、骨赘形成及软骨变性凋亡[36]。在软骨细胞凋亡中VEGF发挥的具体作用及其信号转导通路尚不明确，需进一步研究。

4　展望

BMSC在人为干预下迁移至目的组织，参与骨修复重建，为临床治疗骨疾病如骨折、骨不愈合、骨缺损及骨不连等提供了广阔的前景。SDF-1用于临床治疗骨疾病可能还需要不断探索：①SDF-1/CXCR4轴系统调节BMSC成骨分化机制尚未明确；②SDF-1与BMSC应于何时及通过何种途径达到时间、空间的完美结合来更好地刺激BMSC发挥正面作用；③应用外源性SDF-1可能引起肿瘤转移、骨关节炎发展等；④BMSC体外培养存在污染、细胞失分化及细胞重新编程[37]的可能；⑤骨髓中仅小部分BMSC表面表达CXCR4，需借助基因工程构建经携带CXCR4基因载体转染的BMSC以增加表面表达CXCR4的BMSC数量。此外，骨组织生成过程中血管化构建亦值得进一步研究。

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(收稿：2015-12-17; 修回：2016-03-09)

(本文编辑：卢千语)

030001太原，山西医科大学第二临床医学院

魏垒E-mail: lei_wei@brown.edu

10.3969/j.issn.1673-7083.2016.03.014