SDF-1α/CXCR4軸在心血管系統(tǒng)疾病中的研究進展

陶冶 綜述 徐明國，2 審校

1.中國醫(yī)科大學，遼寧 沈陽 110001；2.深圳市兒童醫(yī)院，廣東 深圳 518000

近年來，干細胞的研究與應用已經成為醫(yī)學界的熱門課題。在成人中，組織特異性干細胞維持組織內穩(wěn)態(tài)，并為組織損傷后的再生提供穩(wěn)定的祖細胞[1]。在出現組織缺血損傷時，干細胞參與了對缺血組織損傷的自然反應[2]。為了提高干細胞的動員和保留，促進旁分泌信號的傳遞，缺血細胞的干細胞歸巢信號引起了研究人員的關注。雖然涉及到許多趨化因子，但趨化因子基質細胞衍生因子1α(SDF-1α/CXCL12)及其受體CXCR4已被鑒定為關鍵調控因子[3]。SDF-1α/CXCR4軸目前已在心肌梗死、心力衰竭及高血壓等心血管疾病中進行了大量研究，并已證明其對心血管相關疾病的治療切實有效。本文重點總結了SDF-1α/CXCR4軸的作用機制、在心血管疾病中研究發(fā)展現狀及今后主要的研究發(fā)展方向。

1 SDF-1α/CXCR4軸概述

趨化因子(CKs)是一種小的8～12 kDa 蛋白，與相應受體結合，介導參與細胞活化、分化和運輸及組織的形成等過程[4]。根據趨化因子的不同作用，分為炎癥趨化因子和體內平衡趨化因子兩個亞組。一般來說，炎癥趨化因子在炎癥條件下上調，介導白細胞聚集到感染、組織損傷和炎癥部位等功能。穩(wěn)態(tài)趨化因子控制著各種細胞的穩(wěn)態(tài)遷移和歸巢[5]。SDF-1是一種8kDa-CXC趨化因子，由6個選擇性剪接亞型組成，其中SDF-1α是主要表達的亞型。CXCR4 是SDF-1α的特異性受體，屬于具有7 次跨膜結構的G 蛋白偶聯受體家族[6]。SDF-1α廣泛表達于各種人類組織，包括肝、肺、骨髓、淋巴結、基質和內皮細胞[7]。與SDF-1α相似，CXCR4 也廣泛存在于中樞神經系統(tǒng)、神經干細胞、肝卵圓細胞/干細胞、CD34+造血祖細胞、白細胞等細胞中[8]。SDF-1α/CXCR4軸可促進包括Ras-MAPK、PI3K-AKT-mTOR 在內的多個信號通路激活，同時抑制了腺苷酸環(huán)化酶和環(huán)磷酸腺苷的形成，影響細胞增殖、運動、生長、歸巢等生物學行為[9]。當組織損傷發(fā)生時，釋放的細胞因子可加強SDF-1α表達，進而促進原始細胞對受損組織進行修復、再生及損傷組織炎癥因子的浸潤[10]。

2 SDF-1α/CXCR4軸對EPCs的募集作用

研究顯示，在以內皮細胞損傷為基礎的心血管疾病中，促進血管新生是治療的關鍵，這一過程需要多種促血管生成因子表達、內皮細胞遷移、增殖和毛細血管形成等。作為參與血管生成的主要細胞成分，內皮祖細胞(EPCs)的動員對損傷血管的修復起到重要作用。有證據表明招募或直接注射EPCs可參與血管形成以改善心功能[11]。然而，移植物細胞在移植到損傷的心臟后，常因缺血而死亡。而細胞植入需要全身麻醉下提取大量骨髓，對于心血管疾病重癥患者風險較大[12]。因此，尋找一種非侵入性的、持續(xù)的治療方法對治療至關重要。有研究表明，EPCs 表面存在CXCR4，因此可通過SDF-1α/CXCR4 軸招募EPCs，對血管和心肌損傷發(fā)揮治療作用[13]。并且發(fā)現內皮細胞一旦有CXCR4 表達缺失，就會出現損傷后修復能力的下降，并考慮這一現象與限制EPCs 遷移、增強內膜增生有關[4]。研究發(fā)現，應用SDF-1α/CXCR4 軸拮抗劑AMD3100 可同時使外周血EPCs 數量增加，心肌血管新生及改善心臟功能，并推測其延長骨髓來源的EPCs動員，可能與eNOS表達有關[15-16]。以上研究成果均說明，SDF-1α/CXCR4 軸對血管新生過程中EPCs 的募集、遷移直接相關。

3 SDF-1α/CXCR4軸在心血管疾病中研究現狀

3.1 SDF-1α/CXCR4 軸與心肌梗死 心肌梗死是指冠狀動脈血供不足引起的心肌不可逆性損傷。大多數心肌梗死是由潛在的冠狀動脈病變引起的，心肌梗死的發(fā)生可能毫無癥狀并且未被發(fā)現，也可能導致血流動力學惡化、猝死等災難性事件發(fā)生[17]。患者可能出現胸部不適或壓力，輻射到頸部、下頜、肩部或手臂，并伴有心電圖改變及心肌酶水平升高。在既往缺血性心臟病研究中，通常用三種方法來優(yōu)化SDF-1/CXCR4軸的招募從而達到治療目的，即a.提供SDF-1α匹配CXCR4的峰值表達；b.增加CXCR4表達以滿足SDF-1α的最大釋放期；c.減低SDF-1α的降解。但隨著對SDF-1α/CXCR4軸的不斷深入研究，發(fā)現SDF-1/CXCR4軸阻斷劑對心肌梗死的治療同樣發(fā)揮重要作用[3]。

目前SDF-1α/CXCR4 軸在心肌梗死治療領域已有廣泛研究。GHADGE 等[18]研究發(fā)現，SDF-1 和CXCR4 基因表達受缺氧誘導因子(HIF-1α)調控，而HIF-1α的降解由HIF-脯氨酸羥化酶(PH)調節(jié)，抑制HIF-1α的降解可增強SDF-1 和CXCR4 基因的表達，促進缺血心臟的修復。因此，通過建立小鼠模型的方式，發(fā)現二甲基草酸甘氨酸(DMOG)可以通過抑制PH，從而激活HIF-1α靶基因SDF-1 和CXCR4，以增強CXCR4+細胞的募集和心肌修復。YUAN等[19]也研究表明，雌二醇可同時作用于EPCs 表面雌二醇受體及SDF-1α/CXCR4軸從而增強EPCs的歸巢和血管生成能力，在心肌梗死患者中發(fā)揮心血管保護作用。

在心肌梗死的治療中，SDF-1α/CXCR4 軸同樣可以作用于骨髓間充質干細胞(MSCs)，可促進MSCs 向組織損傷部位轉運。骨髓間充質干細胞(MSCs)是一種罕見的非造血祖細胞亞群，是一類具有自我更新和分化能力的多分化細胞，在組織損傷修復中發(fā)揮重要作用[20]。SONG等[21]采用流式細胞術分析急性心肌梗死患者循環(huán)MSC-PLT 聚集數。通過體外實驗研究提示SDF-1/CXCR4 可能參與心肌梗死后MSC 歸巢和心肌修復的新機制。TIAN 等[22]研究表明阿托伐他汀(ATV)治療可以提高MSCs 的存活率，而ATV 預處理的MSCs (ATV-MSCs)對損傷心肌的移植作用增強。并通過建模的方式證明了ATV+ATV-MSCs 聯合治療顯著增強了移植間充質干細胞的靶向募集和存活，并通過增強SDF-1/CXCR4信號通路改善心功能。

除此之外，有研究表明急性心肌梗死(MI)引起炎癥反應，促使組織修復和不良的心臟重塑。心肌梗死后炎性細胞的轉運同樣受SDF-1/CXCR4 軸控制。WANG 等[23]通過建模證明CXCR4 拮抗劑POL5551 能夠動員炎性細胞促進心肌梗死的治療作用，并通過增強調節(jié)性T細胞動員和免疫調節(jié)功能促進心肌梗死后組織修復和心功能改善。

而另一種CXCR4 受體阻斷劑——AMD3100，同樣已被證實能有效阻斷SDF-1/CXCR4軸作用。在應用AMD3100 治療心肌梗死的研究中，有動物實驗結果表明，短期間歇給藥AMD3100 可促進實驗性心肌梗死創(chuàng)面愈合，是治療心肌梗死的有效方法[24]。但長期給予AMD3100反而加重心肌梗死后心功能不全和重構[25]。然而目前對于SDF-1/CXCR4 軸在損傷模型中的保護作用和凋亡作用仍然存在爭議。許多研究表明，SDF-1/CXCR4 的激活可能具有病理作用。JARRAH等[26]研究表明，SDF-1受體CXCR4的過度表達使缺血再灌注損傷小鼠的血流動力學和結構參數惡化，CXCR4 的過度表達與：(1)炎癥細胞的存在有關；(2)炎癥介質的存在有關，即細胞因子，如腫瘤壞死因子α(TNF-α)與(3)炎癥介導的損傷有關，即心肌細胞凋亡和壞死；同時證明了大劑量(＞300 ng/mL)SDF-1 可誘導心肌細胞的凋亡。YOSHIZAKI 等[27]則研究表明，應用血管緊張素II受體阻滯劑治療心肌梗死，通過抑制梗死心肌SDF-1α的釋放，改善心肌梗死患者的左室功能不全和不良重構。

3.2 SDF-1α/CXCR4 軸與心力衰竭 心力衰竭(Heart failure，HF)是一種以心功能不全為特征的臨床綜合征[28]，具有顯著的發(fā)病率和縮短的預期壽命的特點。盡管近年來心血管治療干預措施有了明顯改善，但由于其高發(fā)病率和高死亡率，心衰的負擔仍然明顯增加[29]。

SDF-1α/CXCR4 軸在心力衰竭治療的相關領域也有較為廣泛的研究。目前，從表達細胞表面受體cKit的心肌組織中培養(yǎng)擴增的細胞作為心力衰竭治療的細胞來源正在接受臨床試驗。有越來越多的實驗表明MSCs 可以增強心臟cKit(+)細胞(CSCs)的療效。HATZISTERGOS等[30]利用遺傳譜系追蹤方法，發(fā)現在出生后的小鼠心臟中，cKit(+)細胞增殖、遷移并形成心肌細胞。與MSCs共培養(yǎng)時，CSCs表現出明顯的趨化和增殖反應，并證明了MSCs 通過SDF1/CXCR4 途徑促進CSCs 增殖。而AMD3100 雖然阻斷CXCR4 通路，抑制了MSC 誘導的CSC 趨化性，但其可以刺激CSCs的心肌發(fā)生。

在心肌梗死后心力衰竭的治療方面，有研究表明，二肽基肽酶4(DPP-4)抑制劑可作用于SDF-1α/CXCR4 軸發(fā)揮抗心肌細胞凋亡和抑制血管數量減少作用，從而起到相應的治療效果[31]。心臟移植是晚期心力衰竭患者的一種替代治療方法,其存在諸多并發(fā)癥,移植物的排斥反應便是其中之一。細胞排斥反應是決定移植物是否能夠長期生存能力的重要因素。它需要精確及時的診斷和治療,以避免移植后心肌功能下降和心力衰竭的發(fā)生?；颊咴谝浦埠蟮牡谝荒曛杏?0%～40%的出現過排斥反應；其中急性細胞排斥反應更容易發(fā)生在移植后的前6 個月中[32]。HSU團隊[33]通過建立豬異位心臟移植模型，得出結論表明基于霉酚酸酯免疫抑制方案的豬心臟移植模型中，CXCR4 拮抗劑可降低急性排斥反應的發(fā)生率并控制了心臟移植血管病變。

3.3 SDF-1α/CXCR4 軸與心肌炎 心肌炎是一種心臟的炎癥性疾病，其特征是炎癥浸潤和心肌損傷[34]。心肌炎可由多種不同的感染因子引起，在美國和其他發(fā)達國家，最常見的可識別病因是病毒[35]。急性病毒性心肌炎患者多數可經治療康復或自行恢復，但少數會發(fā)展為慢性病毒性心肌炎(CVMC)，在此階段可能出現較為嚴重的心肌纖維化，表現為心肌細胞外基質膠原異常堆積[36]。有研究表明，病毒性心肌炎(VMC)所致心肌纖維化是年輕人心臟性猝死(SCD)和擴張型心肌病(DCM)的主要原因[37]。因此控制心肌纖維化對于治療VMC顯得尤為重要。

SDF-1α/CXCR4 軸有促進纖維細胞增殖、細胞外基質沉積等作用。郭春燕等[38]利用SDF-1α/CXCR4軸這一特點，建立病毒性心肌炎小鼠模型，通過計算心肌組織中膠原容積積分(CVF)，測量小鼠心肌組織中SDF-1α、CXCR4 蛋白表達及Ⅰ、Ⅲ型膠原含量，并證明CVF 與SDF-1α、CXCR4 蛋白表達的正相關性，從而證明了SDF-1α/CXCR4 軸與CVMC 心肌纖維化的發(fā)生密切相關。為預防和控制心肌炎心肌纖維化提供了新的診療思路。

3.4 SDF-1α/CXCR4 軸與心肌病 心肌病是指在沒有其他疾病的情況下發(fā)生的心肌結構和功能紊亂。最常見的類型包括肥厚型心肌病及擴張型心肌病[39]。LAROCCA 等[40]通過建立心肌細胞特異性CXCR4 敲除的小鼠模型進行為期12 個月的觀察研究，研究表示與CXCR4敲除的小鼠2～3月齡早期沒有出現結構或功能異常相比；12 個月時CXCR4 敲除的小鼠心臟重量與體重之比增加了50%，左心室壓最大變化率下降了3 倍，射血分數和左心室泵功能指標下降≥2.5倍。左心室舒張末期體積增加、收縮末期體積增加和射血分數降低的血流動力學證據進一步證明了是由于心肌肥厚繼而導致全身泵功能障礙。從而證明在CXCR4 敲除小鼠心臟中存在顯著的、正在進行的心臟重構，并且這種重構可能驅動SDF-1α/CXCR4 軸在心功能障礙和進展為臨床心力衰竭方面的縱向效應。擴張型心肌病的心肌纖維化是心臟衰竭的重要病理學特征，它與心室僵硬和室性心律失常易感性升高有關，CHU 等[41]研究表明SDF-1α/CXCR4通路參與了擴張型心肌病心肌纖維化的發(fā)病機制，且CXCR4拮抗劑AMD3100可減輕擴張型心肌病的心肌纖維化并改善心臟功能。

3.5 SDF-1α/CXCR4 軸與高血壓 高血壓(BP)是指持續(xù)升高的血壓≥140/90 mmHg (1 mmHg=0.133 kPa)。BP可導致多種心血管疾病的發(fā)生[42]，是全球至少有940 萬人因此死亡的最大單一危險因素[43]。截止到2015 年，患有BP 的成年人人數從1975 年的5.94億已經增加到11.3億[44]。目前有超過40%的25歲以上的人患有BP，但卻有很大數量BP 患者因沒有明顯的臨床癥狀而未被確診[45]。

BP的發(fā)生常伴有大血管和微血管的血管異常，其中毛細血管稀疏是高血壓微血管疾病的特征性表現。而EPCs 作為一種內源性修復機制，對實現正常血管生成至關重要。針對EPCs介導的血管生成缺陷與高血壓毛細血管稀疏的關系及其分子機制這一問題，YU等[46]對高血壓患者和健康人群進行了毛細血管微循環(huán)檢測，評價循環(huán)內皮祖細胞的血管生成能力和線粒體功能，通過基因抑制和過度表達的方法進一步研究了其機制，并最終證明了晚期EPCs 的SDF-1α/CXCR4/JAK2/SIRT5信號轉導不足導致的線粒體功能障礙可能是高血壓毛細血管稀疏的原因。該研究在早期鑒別和治療高危患者方面起著重要作用。

BP 存在一個特殊領域，即妊娠期高血壓，妊娠期高血壓可導致胎兒的生長發(fā)育不良，新生兒出生體重較低甚至是孕婦的死亡等不良影響[47]。妊娠期高血壓可分為慢性高血壓、妊娠高血壓、子癇前期和慢性高血壓合并子癇前期，這些疾病在孕婦圍產期發(fā)病率和死亡率中占很大比例[48-49]。其中，子癇前期(PE)常伴隨著母體高血壓和蛋白尿的突然發(fā)生，其特征是細胞滋養(yǎng)細胞的侵襲缺陷和凋亡增加以及合胞分化的減弱。雖然其發(fā)病機制尚不完全清楚。但近年來,胎盤滋養(yǎng)細胞與子癇前期的關系越來越受到重視。LU等[50]收集了11例輕度子癇前期患者、18例重度子癇前期患者和21 例正常孕婦的剖腹產胎盤樣本。通過掃描電鏡觀察滋養(yǎng)細胞形態(tài)變化及免疫組織化學染色顯示SDF-1α、CXCR4蛋白的表達水平等方法，證明了SDF-1α、CXCR4的作用與滋養(yǎng)細胞凋亡有關，并可能與重度子癇前期的發(fā)生和發(fā)展有關。

4 展望

近年來，有大量研究表明SDF-1α/CXCR4軸在腫瘤、腦缺血性損傷、急性肺損傷、糖尿病創(chuàng)面愈合、心血管疾病等領域的發(fā)病機制及治療的研究中均發(fā)揮著至關重要的作用，隨著SDF-1α/CXCR4軸在心血管疾病中的深入研究，使人們對SDF-1α/CXCR4軸產生了新的認識，清晰的認識到SDF-1α/CXCR4軸及軸拮抗劑AMD3100 如何通過不同機制引起血液中EPCs濃度的升高，從而達到治療目的，但在很多疾病的其分子作用機制仍不明確，許多關鍵問題還需進一步研究。深入探究SDF-1α/CXCR4 軸在心血管系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展中的調節(jié)機制將有助于解決疾病的診斷、治療及預后判斷，為今后靶向治療心血管系統(tǒng)疾病提供了科學依據。