CXCL12/CXCR4信号通路与缺血性脑卒中新进展

张智芳，苏 帅，赵理乐

(1.天津市西青医院 a.神经内科; b.神经外科，天津 300070; 2.天津医科大学总医院 消化科，天津 300052)

缺血性脑卒中(cerebral ischemic stroke, CIS)又称脑梗死(cerebral infarction)，是指因脑部血液循环障碍、缺血、缺氧所致的局限性脑组织缺血性坏死或软化。CIS是脑血管病中最常见一种类型，约占全部急性脑血管病的69.6%～70.8%[1]，其致残率及致死率非常高，随着人口老龄化的加速，我国成为世界上卒中负担最重的国家之一。目前临床上静脉溶栓及动脉取栓是改善预后最积极有效的方法，但因时间窗狭窄、禁忌证限制以及相关风险性，有很多急性CIS患者错过溶栓及取栓治疗时机，因此寻找其它治疗方法逐渐成为研究热点。内皮祖细胞(endothelial progenitor cell, EPC)治疗CIS被认为是一种新型治疗方法[2]。

骨髓来源的EPS通过血液循环迁移至缺血损伤部位，参与缺血损伤后内皮细胞的生成和神经的再生，可以促进缺血损伤后的脑功能恢复以及改善生存质量[3-4]。目前循证医学证据表明CIS发生后，趋化因子CXC 配体12(CXCL12)及其受体CXCR4能够动员招募内皮组细胞迁移浸润至缺血区域，因此认为CXCL12/CXCR4信号通路在这一过程中起着关键性的作用[5]。本综述将重点阐述CXCL12/CXCR4信号通路与CIS研究新进展。

1 CIS与内皮损伤

CIS会导致大脑血液供应发生障碍，使相对应的脑组织发生缺血、缺氧，从而引起相应部位的神经细胞死亡，最终导致相应供血区的神经功能障碍。研究发现内皮细胞的损伤及功能障碍是CIS的始动环节并贯穿疾病发生的全过程[6]。因此，脑血管损伤是发生CIS的重要病理基础。

近期研究发现在血管闭塞发生前，内皮功能障碍可能已经长期存在，此种情况可能是脑卒中发展的关键早期事件，研究还认为内皮功能障碍可能会加重CIS患者神经功能的进一步损害[7]。另有研究发现内皮功能障碍同样是血脑屏障出现功能障碍的早期事件，其可以导致内皮完整性遭到破坏[8]。因此，CIS患者血管内皮功能障碍逐渐受到临床医师的关注，新近研究发现短暂性脑缺血患者中也出现了血管内皮功能障碍[9]。目前认为缺血所导致的脑血管疾病早期可能都存在血管内皮功能障碍，修复内皮完整性可能是预防以及治疗CIS有效策略之一。

2 CXCL12/CXCR4信号通路与中枢神经系统

趋化因子CXC 配体12(CXCL12)，原名基质细胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1, SDF-1)，是CXC趋化因子亚家族中的一员。CXCL12是生理和病理过程中的重要因子，其中包括胚胎发育、造血、血管生成和炎症参与。CXCL12具有激活和(或)诱导造血干细胞、内皮细胞和大多数白细胞迁移的功能[10]。CXCL12 在中枢神经系统(central nervous system, CNS)的发育和成熟阶段均有表达，当在小鼠中敲除CXCL12基因将会导致神经祖细胞增殖、迁移和分化的障碍[11]。CXCL12是表达于脑组织中的趋化因子之一, 其在脑组织中主要由星形胶质细胞和神经元所表达。在正常神经系统中CXCL12维持在较低的水平, 不能发挥迁移趋化作用，当中枢神经系统发生炎症、缺血和缺氧等病变后, 可引起CXCL12水平上调并发挥趋化作用[12]。

CXCR4 是一种高度保守的G蛋白跨膜受体，在多种细胞和组织中表达，包括神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞，以及不同的淋巴细胞亚群、血管平滑肌细胞等。研究发现造血干细胞和EPCs表面同样能够高度表达CXCR4[13]。CXCR4具有维持动脉完整性以及保护内皮屏障的功能[14]。CIS发生后CXCL12水平上调, CXCL12可以通过与CXCR4 结合，促进EPCs沿CXCL12的浓度梯度发生迁移、归巢至受损内皮，进一步修复损伤的血管内皮[15]。

3 CXCL12/CXCR4 信号通路与CIS后血管新生

众所周知EPS参与脑卒中后血管的新生过程，其关键环节是将EPC归巢至受损区域。CXCL12/CXCR4信号通路在EPS归巢至受损区域发挥着重要的作用。体外研究发现CXCL12/CXCR4信号通路对于EPC具有很强的趋化作用, 这与CXCL12所引发的血管新生有关[16]。体内研究发现CXCL12/CXCR4信号通路不仅可以促进EPC的增殖和迁移，而且能够促进血管平滑肌细胞和白血病细胞的增殖和迁移[17-18]。柚皮苷通过CXCL12/CXCR4信号通路介导激活PI3K/Akt信号通路促进EPS的增殖和迁移，从而促进血管生成和抑制内皮细胞的凋亡[19]。应用抗 CXCR4 的抗体，拮抗 CXCL12/CXCR4 信号通路，将会部分抑制 EPC 向缺血区域的迁移和募集[20]。以上研究说明CXCL12/CXCR4信号通路可以调节EPC的迁移和新生血管的形成。

研究发现CXCL12 水平与CIS患者的EPC 数量及脑梗塞体积和严重程度呈正相关[21]。CXCL12/CXCR4信号通路通过磷酸肌醇3-激酶和Rac1激活可以促进血管内皮细胞屏障的完整性[22]，说明CXCL12/CXCR4信号通路可能参与了血管内皮功能障碍的发生。在肿瘤中由于肿瘤组织缺氧CXCL12水平会急剧增加，EPC通过CXCL12/CXCR4信号通路移动到肿瘤床参与肿瘤血管生成[23]。以上结果同样表明，CXCL12 通过调节 EPC 的动员和招募，进而维持血管内皮完整性和促进血管新生。因此，在CIS以干细胞为基础的治疗具有巨大的潜力。

4 CXCL12- CXCR4信号通路与CIS后神经祖细胞

CXCL12/CXCR4 信号通路已被证实在神经EPS的形态发生和功能发挥中起着重要的作用[24]。趋化因子CXCL12可以动员神经祖细胞/干细胞(neural progenitor cells，NPCs)向神经损伤部位迁移以及进一步修复受损神经细胞，这一过程依赖于CXCL12/CXCR4信号通路的信号传导[25]。体外实验通过条带测定发现CXCL12及其受体CXCR4可介导NPC形成片状伪足[26]。体内研究发现神经干细胞可以通过CXCL12/CXCR4信号通路调节神经胶质细胞的状态，激活胶质细胞促进神经功能恢复和神经元存活[27]。缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α)在脑卒中早期即可上调CXCL12/CXCR4信号通路表达，在脑卒中后期CXCL12/CXCR4信号通路在神经胶质之间和神经胶质与神经元之间信息传递中起着重要的作用[28]。新近研究发现，在缺氧应激条件下，CXCL12/CXCR4 信号通路在胶质母细胞瘤细胞中，通过正反馈机制可以促进神经祖细胞的存活和增殖[29]。

既往研究发现CXCL12/CXCR4信号通路在CNS发育中起着关键作用，包括调节神经EPS的迁移和维持神经EPS的数量[30]。CXCL12/CXCR4信号通路在成人CNS中具有可以调节神经传递、神经毒性和胶质细胞之间信息交换等功能[31]。研究发现各种脑损伤后白质修复需要少突胶质细胞前体细胞(oligodendrocyte precursor cells， OPCs)参与，CXCL12在自身免疫性脑脊髓炎模型和铜诱导的脱髓鞘疾病模型中可以调节EPCs迁移和分化，促进脑白质的修复[32]。进一步将CXCL12基因修饰EPCs后，CXCL12-EPC可以上调表达OPCs中的PDGFR-α、bFGF、CXCR4和CXCR7，提高了EPC的能力，进而增加OPCs髓鞘的再生，表明CXCL12-EPC在脑白质修复方面具有很大的潜力[33]。

5 CXCL12/CXCR4 信号通路与CIS后炎症反应

CIS引起的炎症反应是以脑血管内白细胞被激活、一系列炎症介质增加与血管异常反应为特点的炎症反应[34]。小胶质细胞是中枢神经系统损伤后的主要免疫炎症细胞，其在CIS发生后可以被迅速激活并迁移、招募至损伤区域，并随后启动了一系列炎症因子释放[35- 36]。在缺血条件下，活化的小胶质细胞/巨噬细胞通过分泌促炎细胞因子可以加重组织损伤[37]。在小鼠短暂性大脑中动脉闭塞(tMCAO)模型中，梗死周边区域的 M2 型小胶质细胞/巨噬细胞数目增多主要出现于梗死后第 1 周内，而 M1 型的数目在第 2 周才开始明显增多并超过 M2 型小胶质细胞/巨噬细胞[38]。

趋化因子CXCL12在炎症细胞募集并浸润至缺血损伤处的过程中起到了至关重要的作用。 卒中后，CXCL12在缺血半暗带的升高，与单核细胞向缺血性损伤区域的浸润相关联，并且可能介导神经炎性发病机制[39]。近年来研究表明，CXCL12/CXCR4 信号通路在CIS等CNS病理过程中，对炎症细胞的迁移起着至关重要的作用[40]。脑梗急性期予AMD3100拮抗CXCL12/CXCR4信号通路可抑制M1型小胶质细胞/巨噬细胞迁移至缺血区域，从而减弱炎症反应并改善CIS后神经功能恢复[41]。在新生大鼠的缺血模型中，用地塞米松预处理可以降低在缺血周围区CXCR4的表达，减轻胶质化，进而减小脑梗死体积[42]。

6 CXCL12/CXCR4信号通路与CIS治疗前景

CIS的积极治疗对预后很关键，而有效治疗需要缺血周围区的神经保护、血管新生和神经再生的协同作用。CXCL12/CXCR4信号通路在CIS急性期和恢复期发挥着重要的作用，是治疗CIS的一个潜在靶点。

近期CXCL12/CXCR4 信号通路在基础研究方面有一些新的发现。在透明质酸(HA)和层黏连蛋白(Lm)水凝胶上培养神经祖细胞/干细胞，48小时后可以观察到NPC表面CXCR4的表达上调，进而促进NPC的迁移作用，但是其迁移作用依赖于CXCL12的浓度梯度[43]。生长于含3D-石墨烯神经支架培养基中的小胶质细胞，通过产生条件培养基激活CXCL12/CXCR4信号通路，促进神经球形成以及神经干细胞从神经球迁移[44]。

目前CXCL12/CXCR4 信号通路在体内研究方面的新发现成为治疗CIS的新希望。新型CXCR4拮抗剂P2G，对CXCR4具有高拮抗活性，能够高效增强缺血区血管生成和血液灌注[45]。低剂量辐射可以上调CXCL12/CXCR4 mRNA和蛋白的表达，增强EPS的迁移能力[46]。黄体酮可以通过CXCL12/CXCR4/PI3K/Akt信号通路调节EPS(EPC)的活力进而修复血管内皮细胞[47]。西洛他唑通过激活SDF-1/CXCR4/PI3K/Akt信号通路，导致促血管生成功能的EPC数量增多[48]。利格列Ca2+依赖CXCL12/CXCR4信号通路通过对Ca2+稳态和钙蛋白酶活性进行调节，从而促进其发挥神经保护机制，改善中风后生活质量[49]。以上说明 CXCL12/CXCR4 信号通路在CIS的治疗中被越来越被重视。

缺血性脑血管病的治疗最关键的是血流灌注的恢复，而EPS在侧枝循环的建立方面起到至关重要的作用，特别是在CIS药物治疗、介入治疗及血管内膜剥脱术后的血管内皮修复过程。

综上所述，通过对CXCL12/CXCR4信号通路与CIS的相关性分析，表明CXCL12/CXCR4 信号通路在CIS侧枝循环的建立、神经功能的改善及炎症反应方面具有非常重要的价值。希望在将来能够对CXCL12/CXCR4 信号通路以及EPS的功能进一步深入研究，寻找更为有效的方法治疗CIS，为患者带来新的希望。