胡惠瓊 吳雄偉 楊玉燕 曾憲智 鄭永霞(嘉興學院醫(yī)學院,浙江嘉興 314001)

SDF-1/CXCR4軸及其對老年血管新生的影響機制進展*

胡惠瓊 吳雄偉 楊玉燕 曾憲智 鄭永霞△(嘉興學院醫(yī)學院,浙江嘉興 314001)

心血管疾病是老年人常見的慢性病,嚴重威脅著老年人的身體健康,隨著老齡化問題的日益突出,心血管疾病的治療越來越受到醫(yī)學界的重視?；|(zhì)細胞衍生因子-1(Stromal cell-derived factor-1,SDF-l)及其受體CXCR4軸在誘導自體骨髓源細胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)進行血管修復和新生血管再生過程中發(fā)揮了重要的促進作用。本文就SDF-1/CXCR4軸信號傳導通路的組成及其在血管新生中的作用以及與老年人血管生成反應喪失相關(guān)性進行綜述。

SDF-1/CXCR4;骨髓細胞;血管新生;老年

隨著老齡人口的日趨增加,心血管疾病也越來越受到人們的關(guān)注。人和動物的實驗已經(jīng)證明,移植自體骨髓源細胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)能促進缺血誘導的血管新生,這也給利用患者自體的骨髓源細胞對受損的心血管進行彌補與修復的新方法帶來了理論依據(jù)。有研究學者在體外實驗觀察到基質(zhì)細胞衍生因子-1在缺血受損的心血管組織高度表達以吸引骨髓源細胞前來修復。因此,基質(zhì)細胞衍生因子-1及其受體CXCR4形成的生物軸對老年血管生成的影響已經(jīng)成為當下生物學研究的熱點之一。

1 SDF-1/CXCR4軸的結(jié)構(gòu)及其生物學功能

1.1 SDF-1/CXCR4軸的結(jié)構(gòu)

趨化因子是一類對細胞具有定向趨化,遷移和募集功能的細胞因子,而基質(zhì)細胞衍生因子-1(Stromal cell-derived factor-1,SDF-l)又名CXCL12或前B細胞刺激因子(Pre-B cell stimulatory factor,PBSF)是唯一不含谷氨酸-亮氨酸-精氨酸功能區(qū)但卻有促血管生成作用的趨化因子。SDF-1是骨髓來源間充質(zhì)細胞分泌的細胞因子,屬于CXC(Cys-X-Cys)類的趨化因子,它在動員骨髓源細胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)和促進細胞向靶組織歸巢過程中起關(guān)鍵性作用。SDF-1的受體CXCR4(CXC chemokine receptor 4)是一種有7個跨膜區(qū)域的G-蛋白-耦聯(lián)化學因子受體。在不同細胞表面的CXCR4表達不同,CXCR4在絕大多數(shù)間充質(zhì)干細胞不表達[1],而在BMCs中血管內(nèi)皮前體細胞(Endothelial progenitor cells,EPCs)中高表達[2,3]且骨髓基質(zhì)細胞和EPCs均能表達對CXCR4產(chǎn)生特異性趨化作用的SDF-1。SDF-1 N末端(Nt)氨基酸殘基與其受體CXCR4結(jié)合后,可通過促進CXCR4形成二聚體、轉(zhuǎn)換空間構(gòu)象、內(nèi)化以及激活與其相偶聯(lián)的G蛋白等機制而激活G蛋白依賴的信號轉(zhuǎn)導通路和非G蛋白依賴的信號轉(zhuǎn)導通路,進而影響細胞的趨化、動員、錨定、分泌、血管新生等生物學行為[]。

1.2 SDF-1/CXCR4軸的生物學功能

SDF-1/CXCR4軸在機體內(nèi)的多種組織與細胞中均有表達。SDF-1/CXCR4軸通過誘導激活細胞內(nèi)的信號通路來發(fā)揮作用。有研究報道,SDF-1/CXCR4軸可以促進脂肪干細胞的增值[5]。在胚胎的發(fā)育早期,SDF-1/CXCR4軸可以通過激活滋養(yǎng)層細胞內(nèi)的抗凋亡系統(tǒng),從而促進細胞分化與組織再生[6],使得胚胎在母體內(nèi)能夠安全的生長。SDF-1可以促進惡性膠質(zhì)瘤C6細胞的體外增殖、遷移和侵襲,而抗CXCR4單克隆抗體可以有效抑制其增殖、遷移和侵襲能力[7]。當機體內(nèi)出現(xiàn)組織的損傷時,該損傷處會大量表達SDF-1,通過與其受體結(jié)合從而募集間充質(zhì)干細胞遷移到損傷處進行修復。而這種機制已經(jīng)被證實在骨和肌肉等組織的損傷修復中發(fā)揮著重要作用[8]。同時,SDF-1/CXCR4軸在胚胎發(fā)育、器官發(fā)生、免疫及炎癥發(fā)生及修復、惡性腫瘤浸潤及轉(zhuǎn)移等發(fā)揮著重要的生物學作用。最重要的是SDF-1/CXCR4軸促進BMCs向EPCs方向分化、抑制EPCs凋亡并可動員EPCs進入外周血,促進缺血性血管的修復與生成[9,10]。綜合上述,SDF-1/CXCR4軸在機體內(nèi)發(fā)揮著重要的生物學功能。

2 骨髓源細胞(Bone marrow-derived cells,BMCs)促進組織損傷區(qū)域的血管生成

骨髓源細胞(BMCs)一種由造血干細胞和前體細胞、成熟的血細胞和基質(zhì)細胞組成的細胞,有助于患有血管損傷性疾病病人的血管生成。BMCs的一個亞型,傳統(tǒng)上稱為內(nèi)皮前體細胞(Endothelial progenitor cells,EPCs),其表面受體CXCR4通過與化學趨向細胞因子SDF-1的結(jié)合為前體細胞動員和歸巢提供必要的信號[4,11]。當組織損傷時,骨髓來源細胞就會從骨髓中動員出來,在一系列細胞趨化因子、生長因子等作用下改變趨化、游離、粘附等功能,使其能順利通過血管內(nèi)皮層進入血循環(huán),從而使外周血的造血細胞增加。整個動員過程經(jīng)歷增殖、遷移、適應3個階段。增殖是首要條件,只有當骨髓中的造血干細胞達到一定數(shù)量時,才能使其從骨髓中動員出來,細胞因子、化療、低劑量輻射及一氧化氮(NO)等激活信號均能作用于造血干細胞,使其發(fā)生表型的改變,并促進增殖。其中某些細胞因子如促紅細胞生成素(Erythropoietin,EPO)作用于紅系祖細胞的增殖期和分化期,通過促進其有絲分裂、激活紅細胞特異基因,進而使紅細胞大量增殖和分化;粒細胞集落刺激因子(G-CSF)可通過與造血干細胞表面的G-CSFR結(jié)合,使蛋白酪氨酸激酶JAK1和JAK2上的酪氨酸磷酸化,并活化MAP激酶通路,選擇性和特異性地刺激造血干細胞增殖;此外,還有干細胞生成因子(Stem Cell Growth Factors,SCF)、血小板生成素(Thromboietin,TPO)等都可以促進骨髓造血干細胞的增殖。當組織損傷時,骨髓內(nèi)低SDF-1髓外高SDF-1的濃度梯度的趨化作用下可以促進骨髓源細胞進入血液循環(huán)并向靶器官遷移[12]。動員后的BMCs會向組織損傷的缺血區(qū)域移動,從而達到組織修復的作用,這個過程稱為骨髓來源細胞的錨定。但骨髓來源細胞的歸巢機制尚未完全闡明。有研究表明,骨髓來源細胞的歸巢機制部分依賴于趨化因子SDF-1和它的受體CXCR4。SDF-1/CXCR4軸可以使Rac蛋白與GTP結(jié)合而活化,活化的Rac蛋白參與細胞骨架的改變以及細胞膜極化,而這種變化又可導致遷移細胞出現(xiàn)頭端和尾端并向目標方向遷移[13]。

3 SDF-1/CXCR4軸作用于血管新生的基本機制

SDF-1在損傷修復過程起到重要的作用[3,14,15],當機體內(nèi)出現(xiàn)組織缺血損傷時,缺血部位的內(nèi)皮細胞和血小板高度便表達SDF-1[16],并分泌至外周血循環(huán)中與循環(huán)中的內(nèi)皮前體細胞膜表面受體CXCR4結(jié)合,激活的SDF-1/CXCR4信號通路又能動員和募集骨髓源性的內(nèi)皮前體細胞粘附到纖維蛋白原、纖維連接蛋白、間質(zhì)和內(nèi)皮細胞上。粘附到血管內(nèi)皮上的內(nèi)皮前體細胞隨后要穿過血管壁進入缺血組織,介導血管內(nèi)皮細胞生成,進而緩解因內(nèi)皮損傷導致的血管功能紊亂,促進新生血管的形成[17]。SDF-1/CXCR4軸至少可以通過兩條途徑促進缺血損傷區(qū)域血管新生[18](1)募集骨髓源細胞并誘導其分泌血管生成因子,從而促進血管新生;(2)募集血管內(nèi)皮細胞及其前體細胞參加血管新生。SDF-1具有強大的趨化作用,在對造血干細胞動員和歸巢機制的研究中人們發(fā)現(xiàn)SDF-1及其受體CXCR4在其中發(fā)揮重要作用[19]。若用CXCR4抗體阻斷SDF-1/CXCR4的相互作用,就會損害了EPCs整合入缺血部位,從而干擾了新的血管生成。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在血管修復中骨髓來源的前體細胞的募集必需通過SDF-1/CXCR4而發(fā)揮作用。SDF-1與CXCR4結(jié)合導致磷酸肌醇-3-激酶(PI-3激酶)和其他蛋白激酶,如Akt、MEK/ERK和JAK-2磷酸化15,激活Akt蛋白激酶通過增強內(nèi)皮細胞一氧化氮合成酶(eNOS)表達和磷酸化來進一步上調(diào)eNOS的活動,進而相應增加了其催化具有血管保護和重塑的一氧化氮(NO)的生成,NO是一種對于血管保護和重建十分重要的信號分子[20];另外,SDF-1因子能刺激骨髓中CD34+細胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶-2(Matrix metallo proteinases-2,MMP-2)和基質(zhì)金屬蛋白酶-9(Matrix metallo proteinases-9,MMP-9),這些蛋白水解酶一方面可裂解SDF-1,使骨髓微環(huán)境中的SDF-1濃度降低,另一方面可以上調(diào)CD34+細胞CXCR4的表達水平及增強細胞遷移能力。綜上所述, SDF-1/CXCR4在血管內(nèi)皮細胞損傷修復過程中起重要作用:從骨髓動員并募集造血干細胞;增加血管粘附素-1在內(nèi)皮細胞的表達,促進EPCs粘附在血管內(nèi)皮,也利于EPCs的歸巢和遷移;減少閉鎖蛋白水平,影響緊密連接使EPCs躍出進入損傷部位進而修復。

4 年齡對血管新生能力的影響

年齡及其他心血管風險因素如吸煙等會減少EPCs的供給而且損害它們的功能,衰老是生物機體內(nèi)多細胞結(jié)構(gòu)和功能退行性變的過程,一般隨著年齡的增加,體細胞逐漸出現(xiàn)自我更新能力的降低和功能衰退。近來的研究顯示,隨年齡的增長不僅體細胞出現(xiàn)功能減退,骨髓干細胞功能也可能受到影響。EPCs不僅能夠使損傷血管再內(nèi)皮化、參與損傷血管內(nèi)膜修復,還可以通過補充缺血組織局部血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等血管形成因子,營造一個良好的局部血管生成的微環(huán)境,進一步促進新血管生成。衰老使機體的血管新生能力發(fā)生障礙,不僅是因為內(nèi)源性血管生長因子減少,而且存在血管內(nèi)皮細胞功能障礙,對外源性細胞因子的反應能力也下降,同時伴有EPCs數(shù)量減少和功能下降,從而使EPCs從骨髓中動員并遷移、向缺血損傷區(qū)域歸巢、黏附到受損的血管能力下降,使血管新生和修復的能力減弱。SDF-1與CXCR4的結(jié)合導致磷酸肌醇-3-激酶(IP-3激酶)和其他蛋白激酶,如Akt、JAK-2的磷酸化。Akt蛋白激酶的激活增強了內(nèi)皮細胞一氧化氮合成酶(eNOS)表達和上調(diào)了eNOS的活動,因此相應地增加了其催化一氧化氮(NO)生成的功能,NO是血管保護和重塑的一種重要的信號分子。蛋白激酶的磷酸化或eNOS的激活的受損可能是在老年EPCs功能障礙的原因。正常情況下,在EPCs表面大量表達著趨化因子SDF-1受體CXCR4,血管內(nèi)皮損傷部位大量表達SDF-1,SDF-1通過與CXCR4結(jié)合從而動員并促進EPCs整合入損傷部位而修復損傷的血管,而老年BMCs表面表達CXCR4的細胞數(shù)量比青年的更少,且每個細胞的細胞表面及細胞內(nèi)CXCR4的濃度均降低且CXCR4與SDF-1的結(jié)合力較低有關(guān)[21]。

5 問題與展望

骨髓源細胞是存在于骨髓內(nèi)的一種具有多向分化潛能的間充質(zhì)干細胞,具有自我更新的功能同時分化程度低可塑性強,在一定條件的誘導下可分化為EPCs,并且因其從機體中提取容易、對組織的創(chuàng)傷小、具有強大的體外增殖能力。另外由于來自自身,由它誘導來的組織在進行移植時不存在免疫排斥反應,是一種非常理想的以細胞為基礎治療性血管生成種子細胞來源[22]。以細胞為基礎治療性血管生成是一種潛在的低費用和低風險的運用自身擁有的細胞來產(chǎn)生血管替代療法,但不幸的是,老年患者能提供的前體細胞是減少的,且促血管生成能力比年輕人降低。鑒于SDGF-1/CXCR4軸在促血管生成中的重要作用,我們認為,衰老降低血管生成能力的機制可能是由于EPC細胞表面減少的SDF-1及其受體所致。而這方面仍需要更多的實驗數(shù)據(jù)。

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SDF-1/CXCR4 axis and its mechanisms of impact on angiogenesis in the old*

Hu Hui-qiong,Wu Xiong-wei,Yang Yu-yan,Zeng Xian-zhi,Zheng Yong-xia△
(Medical School,Jiaxing College,Zhejiang Jiaxing 314001)

2015-7-20)

嘉興學院大學生研究訓練(SRT)計劃項目;嘉興市科技計劃項目(編號:2012AY1075-11);浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目;嘉興學院大學生科研計劃項目(編號:SRT2014B117)作者簡介:胡惠瓊,女,嘉興學院醫(yī)學院臨床醫(yī)學專業(yè)本科生,Email: 2586015045@qq.com。

△通訊作者:鄭永霞,女,講師,主要從事腫瘤和衰老的機制研究,Email: zhengyongxia@163.com。