基质细胞衍生因子?1/CXCR4轴的特性及其在损伤修复中的作用
【摘要】 基质细胞衍生因子?1(stromal cell?derived factor?1,SDF?1)是α趋化因子家族的新成员，其特异性受体CXCR4 广泛地表达于许多组织和器官。近来研究发现，SDF?1/CXCR4不仅参与调控胚胎发育和生后造血干细胞归巢，而且在组织/器官损伤修复过程中有重要作用。本文对SDF?1/CXCR4的特性及其在损伤修复中的作用作一综述。
【关键词】 创伤修复;基质细胞衍生因子?1;CXCR4
Abstract： Stromal cell derived factor?1(SDF?1) is a new member of α?chemokine family.CXCR4,the specific receptor of SDF?1,was extensively expressed in many tissues and organs.The SDF?1/CXCR4 biology axis not only participates in the regulation of embryonic development and postnatal homing of hematopoietic stem cells,but also plays an important role during tissue/organ injury healing after injury.This paper reviews the characteristics of SDF?1/CXCR4 biology axis and its effects during injury healing.
Key words：injury repair;SDF?1;CXCR4
基质细胞衍生因子?1 (stromal cell derived factor?1,SDF?1)是一类新近发现的α(CXC)趋化因子家族成员，由Aiuti[1]首次报告的第1个对人类CD34+祖细胞有明显趋化作用的蛋白，也称为前B细胞增长刺激因子(Pre?B?cell growth stimulating factor，PBSF)或者CXCL12。CXCR4是SDF?1唯一的特异性受体，表达CXCR4的骨髓干细胞能够沿着SDF?1的浓度梯度而定向迁移。在组织/器官损伤的情况下，SDF?1能促进骨髓干细胞、炎症细胞募集到损伤部位，它既是调节组织/器官损伤修复的关键细胞因子[2]，也是一个调节局部炎症的重要趋化因子[3]，因此，SDF?1在组织/器官损伤的修复过程中发挥着重要作用。
1 SDF?1与CXCR4的生物学特性
1.1 SDF?1的特性 以往证实SDF?1同基因编码两种蛋白：SDF?1α和SDF?1β，分别包含89和93个氨基酸，它们在体内有相似的表达模式。最近发现其4个新亚型：SDF?1γ、SDF?1δ、SDF?1ε和SDF?1ф[4]。它们分别比SDF?1α在羧基端多30、51、1和11个氨基酸，它们的编码基因仅在起始的3个外显子是完全相同的，而且有器官表达差异性。但SDF?1的羧基末端与其结合受体无关，因此它们的活性无太大差别。
SDF?1是对骨髓细胞趋化效应最强的趋化因子，趋化活性较单核细胞趋化蛋白?1、巨噬细胞炎症蛋白?1等趋化因子高10倍，并有浓度梯度依赖性。其特性还有：(1)SDF?1有高度的保守性，小鼠和人的SDF?1仅有1个氨基酸差异，有99%的同源性[5];(2)通常一种趋化因子可结合多种受体,一种受体也可结合不只一种趋化因子，但迄今发现只有SDF?1与CXCR4是一对一的结合关系[6];(3)趋化因子基因通常定位于4、17号染色体，但SDF?1基因却定位于10号染色体长臂;(4)SDF?1主要由低氧诱导表达[7]，由基质细胞持续分泌，而其它趋化因子由炎症介质诱导，由炎症细胞表达;(5)每个趋化因子家族都共有高度相似的序列和相似的生物学特异性光谱[8]，但SDF?1α的结构序列与其他CXC和CC趋化因子有很大差异，序列相似性平均仅为20%~25%[9]。由此可见，SDF?1是一种非常特殊的趋化因子。
1.2 CXCR4的特性 CXCR4(CD184)是由352个氨基酸组成的保守的7次跨膜G蛋白偶联受体超家族的成员，它广泛表达在包括单核细胞、淋巴细胞及所有CD34+细胞表面;其氨基末端的2个天门冬酰胺(Asn11和Asn176)和3个酪氨酸(Tyr7，Tyr12和Tyr21)若发生变异，则影响SDF?1与CXCR4的结合及信号转导;其羧基末端的一些磷酸化位点若发生变异，可导致WHIM综合征，包括特征性的疣(warts)、低丙种球蛋白血症(hypogammaglobulinemia)、细菌感染(recurrent bacterial infection)和先天性骨髓粒细胞缺乏症(myelokathexis)。这是目前唯一与趋化因子受体变异有关的联合免疫缺陷性疾病[10]。
2 SDF?1/CXCR4轴与组织/器官损伤修复
SDF?1与CXCR4之间有很高的亲和力和结合特异性，因此构成SDF?1/CXCR4生物轴，参与细胞间信息传递及细胞迁移，发挥多种生物学作用，如调节干细胞归巢和动员以及维持胚胎正常发育等。近来研究证实[11，12，14，16，17]SDF?1/CXCR4参与一些重要组织/器官的损伤修复。
2.1 SDF?1/CXCR4轴与心脏缺血损伤修复 心肌梗死后，缺血局部形成瘢痕，严重影响心脏的正常功能，其根本的是干细胞移植治疗。目前有两种策略，一是增加心肌缺血部位干细胞迁移归巢信号，增加干细胞在损伤局部的募集;二是应用细胞因子(如G?CSF)动员骨髓释放大量干细胞进入循环，迁移到心肌缺血部位，参与修复。实验发现[11]，把SDF?1α质粒注射到心肌缺血区，SDF?1α蛋白过量表达，标记的Lin?c?kit+细胞大量迁移到SDF?1α阳性表达部位，而且SDF?1α治疗组心肌梗死边缘区Lin?c?kit+细胞的密度明显高于生理盐水对照组，证明在局部缺血心肌，SDF?1α分泌增加可以诱导干细胞进入缺血心肌，促进心肌修复。Wojciech等[12]对ST段抬高的急性心肌梗死病人(ST?segment?elevation acute myocardial infarction，STEMI)、稳定型心绞痛(stable angina，SA)患者和健康人的血浆中炎症因子和造血细胞因子浓度进行检测，发现STEMI患者血浆中白介素?6(Interleukin?6，IL?6)、血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)、粒细胞集落刺激因子(Granulocyte colony-stimulating factor，G?CSF)和肝细胞生长因子(Hepatocyte growth factor，HGF)比后两组明显增加，而SDF?1却明显减少。STEMI患者的IL?6、G?CSF和HGF于24小时后达峰值，第7天时低于正常水平，而VEGF和SDF?1于第7天仍明显高于正常水平;在对细胞因子和干细胞的相关性分析发现，在单回归分析中，CD34+细胞数目与IL?6、VEGF和SDF?1的水平呈正相关;但在多逻辑回归分析中，仅有SDF?1才与CD34+细胞数目明显增加有关，提示SDF?1与心脏损伤修复的关系密切。
2.2 SDF?1/CXCR4轴与肝脏损伤修复 虽然成人肝细胞处于有丝分裂静止期，但是在损伤时却有惊人的再生能力。当肝脏有慢性或者广泛损伤或者肝细胞增殖受到抑制时，肝脏干细胞-肝脏椭圆细胞(Hepatic oval cells，HOCs)和造血干细胞(Hematopoietic stem cells，HSCs)可参与损伤肝脏的修复[13]。在酒精性肝炎和广泛肝脏切除后，外周循环HSCs水平增高，这可能与SDF?1、HGF和基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteases，MMPs)的作用有关。SDF?1和MMPs能促进干细胞动员;HGF通过增加人祖细胞的活力并协同干细胞因子(Stem cell factor，SCF)促进SDF?1诱导的定向迁移，同时发现使用抗CXCR4抗体后，明显抑制外周血CD34+干细胞归巢到照射的NOD/SCID小鼠肝脏，而注射SDF?1到小鼠肝脏有促进CD34+干细胞归巢的作用。Mavier等[14]在部分肝切除后使用2?乙酰氨基芴(2?Acetylaminofluorene，AAF )治疗时发现，门静脉周围HOCs数目逐渐增加。在新形成的肝小管结构中，HOCs胞浆大量表达SDF?1蛋白，在使用可结合并抑制SDF?1生物学作用的墨角藻聚糖后，大多数小鼠门静脉周围的HOCs数目明显减少，说明SDF?1与诱导HOCs参与损伤肝脏修复有关。可见干细胞通过自分泌或旁分泌途径，促进修复细胞迁移到损伤肝脏。
2.3 SDF-1/CXCR4轴与肾脏损伤修复 Hoffmann等[15]发现，SDF?1的表达与肾脏疾病的活检Banff病理分级有关。在正常肾移植病人(Banff 1级)的肾活检中，SDF?1主要表达在肾小球系膜细胞、近端小管上皮和集合管上皮，而在其他部位表达很少或不表达;而SDF?1在急性间质排斥反应病人(Banff 4级)表达显著增加，在慢性移植肾病病人(Banff 5级)的肾活检中，发现大量的SDF?1阳性细胞,但部分急性肾功能衰竭病人(Banff 6级)的SDF?1活检结果却与正常肾移植的活检结果没有显著性差异，其原因不明。Togel等[16]证实缺血性急性肾衰(Acute renal failure，ARF)的肾脏表达SDF?1增加，同时骨髓细胞产生SDF?1减少。ARF伴有严重的内皮细胞损伤，SDF?1既可以诱导粒细胞大量募集到损伤处，进一步加重细胞损伤，又可诱导内皮祖细胞(Endothelial progenitor cells，EPCs)参与血管再生，促进损伤肾脏修复，但Togel认为肾脏SDF?1的浓度增加达到骨髓中的浓度，可以抑制T细胞趋化，有抗炎作用。因此，SDF?1在肾脏损伤修复中的作用有待进一步探讨。
2.4 SDF?1/CXCR4轴与神经损伤修复 在不同中枢神经系统损伤模型中，SDF?1表达具有时间和空间的差异。在成年小鼠大脑中动脉闭塞的休克模型中，SDF?1在损伤血管周围可持续增加表达30天[17]，并随大脑低氧程度呈梯度表达;在新生小鼠缺血低氧损伤后，SDF?1表达增加仅维持7天，在海马的表达没有梯度变化。这可能与大脑发育的成熟度和损伤类型有关，前者大脑发育成熟，损伤是局灶的，后者大脑发育不成熟，损伤是弥散的，由于不同细胞对低氧变化的敏感性不同，从而诱导SDF?1差异表达。此外，SDF?1在神经元发育过程中有重要作用[18]。SDF?1在低浓度时刺激神经元轴突延伸，而在高浓度时抑制神经元轴突形成，在部分轴突观察到SDF?1可以促进轴突分支，这种作用可能与CXCR4在神经元的表达部位有关。在神经元祖细胞，CXCR4大量表达在胞体和轴突前沿，随着细胞分化成熟，CXCR4主要沿着轴突和树突表达，很少在胞体表达[18，19]。由此可见，SDF?1和CXCR4在不同神经元细胞和部位表达，通过影响神经元的发育而在脑损伤修复中发挥作用。
2.5 SDF?1/CXCR4轴与皮肤创伤修复 目前对SDF?1在皮肤创伤愈合过程中的作用研究较少。研究证实[20]，正常皮肤的成纤维细胞和血管都表达SDF?1，在皮肤全层创伤后，创面SDF?1表达量急剧减少，在创伤后第6天达最低。而体外研究发现，激活的巨噬细胞可以通过释放IL?1和TNF?α抑制SDF?1的表达，这说明炎症细胞因子能够抑制SDF?1的表达，而影响其对创伤修复的作用。Ceradini等[7]发现低氧强烈诱导SDF?1蛋白和mRNA的表达，在SDF?1/CXCR4轴的作用下，循环中的EPCs募集和迁移到低氧组织形成新毛细血管;而当使用SDF?1或CXCR4抗体孵育EPCs后，募集到创伤皮肤的EPCs明显减少，导致创伤组织的新毛细血管密度及灌注率明显减少。另外SDF?1还具有促进角化上皮细胞增殖分化[21]的作用。因此，SDF?1不仅是维持正常皮肤结构和功能、保持自身稳态的重要趋化因子，而且在调节创伤后皮肤的新生血管生成和促进再上皮化过程中起到重要作用。
3 与展望
目前对创伤愈合的研究已取得了很大进展，但如何加快创伤组织的愈合速度、减少瘢痕形成以及提高愈合质量仍是一个临床难题。干细胞对创伤组织的再生，即完全恢复到伤前的结构和功能状态的“完美愈合”有着重要作用，鉴于SDF?1能够强烈趋化CXCR4+骨髓干细胞募集到达创伤部位，参与炎症反应和组织修复，使其成为当前研究的热点。随着对SDF?1/CXCR4生物学作用研究的不断深入，有望为创伤修复提供新的策略。
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