SDF-1/CXCR4生物学自噬轴与脑缺血损伤研究进展

仇志富 吴晓光

(承德医学院，河北 承德 067000)

抑制缺血半暗带神经元凋亡和血管损伤是对缺血性脑血管病治疗的重点。脑缺血发生时，在脑室下区、海马、大脑皮层等处的神经干细胞能够自主增殖、迁移、分化成为神经元和胶质细胞，将神经缺损区填补，形成新神经环路，同时新神经元能够部分取代受损的神经元行使其功能，由此观之内源性神经干细胞能够修复脑缺血损伤。但是，脑缺血之后被激活的内源性神经干细胞的数目极少，约有0.2%的内源性神经干细胞分化成新神经元；因而能够对新神经元的迁移、分化及存活进行调节的因子分泌不够充足，导致该自身修复作用不能够完全发挥作用。近期发现小脑中的基质细胞衍生因子(SDF)-1能够对突触传递进行调节，SDF-1 mRNA和趋化因子受体(CXCR)4神经元也在成人大脑皮质和海马中被表达，此发现提示大脑皮质及海马区的SDF-1很可能发挥着神经调节的功效。神经再生的同时往往意味着血管也在新生，因而SDF-1/CXCR4信号轴在脑缺血中对神经修复和血管新生都有着潜在的作用〔1～3〕。

1 SDF-1/CXCR4信号轴简介

1.1SDF-1的结构与功能 SDF-1被在1994年从小鼠骨髓基质细胞中克隆出来〔4〕。SDF-1是基质细胞衍生因子，别名前B细胞刺激因子，属于趋化因子CXC超家族，系统命名是CXCL12，为一个标记CXCR4的自身稳定趋化因子。其属于小分子量(8～10 kD)细胞因子。分子结构：N端两个半胱氨酸间被另一个氨基酸残基分隔，由一个能变形的、可球形折叠N末端区、与其紧密连接的环状结构、反式平行链3个、一个C末端以螺旋形式形成〔5〕。SDF-1亚型有两种：SDF-1α、SDF-1β，前者是重要亚型，同时血中的酶易将其降解。SDF-1α的首次获得是从骨髓间充质细胞分离实现的，其广泛表达于多种组织中〔6〕。SDF-1α能使内皮祖细胞(EPCS)的迁移、黏附及成血管能力增强〔7〕， SDF-1α水平与早期外周血EPCS数目关系很大已在脑缺血模型大鼠的实验中得到印证〔8〕。

1.2CXCR4的结构与功能 虽然CXCR7，CXCR4 皆是SDF-1的受体，可CXCR7是通过CXCR4来对SDF-1进行信号转导的。所以我们认为CXCR4为SDF-1的唯一特异性受体〔9〕，CXCR4高度保守，作为一类G蛋白耦联受体，它由7个疏水性跨膜区组成，能表达于不同细胞膜上。CXCR4在细胞表面和胞质中都可以检测到其表达，CXCR4在免疫系统和中枢神经系统中发挥着重要的作用，能够对内源性神经干/祖细胞向组织损伤处迁移和归巢发挥正向诱导作用。所谓归巢，即是指EPCs随着骨髓内外SDF-1浓度梯度变化，向骨髓外缺血区损伤的高浓度SDF-1处迁移的过程。

1.3SDF-1/CXCR4信号轴的激活与生物效应 SDF-1/CXCR4信号轴是指趋化因子SDF-1结合其特异性受体CXCR4的N端，同时CXCR4和第二胞外环相互作用而形成的耦联分子对，后者和细胞间信号传导及细胞迁移息息相关，能够对CXCR4二聚体形成、空间构象内化发挥促进作用，且可以通过将与CXCR4耦联的G蛋白改变或激活等多重作用方式来实现各种信号转导通路的激活。如磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)信号转导通路、细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2信号转导通路、核因子(NF)-κB通路等，从而影响细胞的趋化、运动、黏附、分泌、血管生成、生长等生物效应。SDF-1/CXCR4信号轴生物效应很广泛：促进血管、中枢神经系统祖细胞的迁移，参与血管重构；参与EPCS相关的生物学反应，如动员、迁移、归巢等，其广泛的生物效应在脑缺血疾病中越来越受到人们的重视〔10～12〕。

2 SDF-1/CXCR4生物学轴与脑缺血

2.1SDF-1/CXCR4生物学轴对于脑缺血的作用 该信号轴作用大致分成3方面：①对内源性祖细胞迁移进行调控：研究〔13〕证实可以将外源性神经祖细胞引入到脑组织内来治疗脑卒中，说明外源性神经祖细胞对脑组织的修复有一定作用。此外，人们已发现脑损伤处出现了可以表达 CXCR-4 的神经祖细胞，这更有力的说明该信号轴能定向的调控神经祖细胞的迁移，来修复损伤的脑组织。②促进血管新生：研究〔13〕发现SDF-1和血管内皮生长因子(VEGF)都能够促进血管新生，且二者之间起着协同作用，可能与二者都能够相互诱导对方的表达有关。③增强机体抗缺氧的能力〔13〕。总之，SDF-1在脑缺血后内源性神经干细胞迁移中起重要作用， 可以促进中枢神经系统神经干细胞(NSC)增殖，是重要的干细胞归巢因子。正常生理条件时SDF-1一直以低水平表达于神经系统中，病理状态时(脑缺血)其上调自身的表达，通过结合CXCR4来发挥对内源性神经干/祖细胞向组织损伤处迁移和归巢的生物学效应。SDF-1量的增加有利于促进脑缺血后神经干细胞向缺血区的迁移，进而分化为神经元。还可以促进血管内皮细胞成血管作用，此效应可促进损伤部位血流的重建。SDF-1/CXCR4信号轴通过增殖、迁移EPCS参与血管网络的重建，来促进血管新生，从而发挥了缺血性损伤的脑保护作用〔14～19〕。

2.2SDF-1/CXCR4信号轴与缺血性脑病的作用机制

2.2.1SDF-1/CXCR4信号轴与神经元形成 调节干细胞的动员是SDF-1/CXCR4信号轴的一个突出作用。干细胞的迁移(动员)和SDF-1浓度梯度的趋化作用相关。正常生理条件时，骨髓中的缺氧环境使骨髓内皮细胞中SDF-1持续表达，仅有少量的造血干细胞持续地从骨髓释放到外周血循环之外，其余大部分干细胞在骨髓内高浓度SDF-1作用下存于骨髓中。倘若将骨髓内的SDF-1浓度下调或将骨髓外的SDF-1浓度上升，那么由此一来形成的骨髓内外SDF-1浓度梯度落差将会使骨髓造血干细胞从骨髓中释放出来，进而参与外周血循环，再迁移至靶器官，即受损部位。但是若将SDF-1或CXCR4阻断，此定向迁移也将完结。SDF-1可以促进神经干细胞的动员、迁移、归巢。而CXCR4的存在略为广泛，不仅分布在造血干细胞中，亦可在CD34+等细胞中寻找到。组织所释放的趋化因子及相关物质若想发挥生物作用，必须借助位于干细胞表面的黏附分子与CXCR4信号途径方可实现，CXCR4不仅是干细胞归巢的最终指导者，更是在干细胞归巢过程中成功跨越内皮细胞的最佳协助者。SDF-1不单单能够对迁移中的造血干细胞实现捕捉，而且能够通过CXCR4介导的细胞反应，激活干细胞进一步穿越内皮细胞层完成迁移过程。换言之，缺血组织不但能够介导炎性细胞的黏附，还能够使组织缺血处对干细胞的捕获能力提升，来实现对于局部损伤处结构与功能修复效果。归根结底，SDF-1/CXCR4轴对于组织损伤和修复的最重要作用就是指导、启动干细胞的归巢过程。即缺血损伤发生后，可以上调SDF-1表达水平，使其从损伤组织中快速释放，形成SDF-1的浓度落差，来发挥引导干细胞向损伤组织处动员、迁移的生物学效应。干细胞可以通过修复和旁分泌双重作用来发挥缺血组织保护功效。SDF-1与CXCR4结合形成信号轴后，下游信号分子被激活，包括血小板原位蛋白激酶(PKC)信号转导通路、PI3K/Akt信号转导通路〔20〕、NF-κB信号转导通路、ERK-1/2信号转导通路等，激活的下游信号分子通过调节干细胞的迁移、细胞的骨架重构和细胞外基质的细胞黏附，从而来参与干细胞的黏附、存活及增殖的任何一个环节。简而言之，SDF-1/CXCR4信号轴对促进神经干细胞迁移及归巢和神经再生等起着重要作用，能够促进内源性神经干细胞增殖、迁移，最终在缺血损伤区分化为神经元，修复神经功能缺损，实现脑保护作用〔21，22〕。

2.2.2信号轴对血管的作用机制 血管生成是一个复杂的过程，涉及多细胞因子参与的、动态、协调，血管生成中最关键的步骤是血管内皮细胞的增殖、迁移和管腔形成，所以说血管生成的最根本机制是促进内皮细胞生存的同时抑制内皮细胞凋亡。研究发现，脑损伤发生时， 血管内皮细胞中SDF-1的表达增加，提示SDF-1在脑损伤发生后对于血管新生可能起到促进作用〔17〕。除SDF-1外，EPCS、碱性成纤维细胞生长因子(BFGF)、VEGF等都和血管新生关系密切〔23〕。

2.2.2.1信号轴与EPCS EPCS主要存在于骨髓之内，SDF-1/ CXCR4信号轴可以有效动员骨髓内的EPCS 迁移至外周血循环中参与缺血组织的血管新生。SDF-1/CXCR4信号轴作为EPCS动员的重要调控因素之一，增加外周血 SDF-1浓度时，则能够促进 EPCS的分化，动员EPCS 入外周血循环；此外，CXCR4 表达增加，也可以促进 EPCS 归巢到缺血损伤组织，促进局部损伤的血管内膜进行修复，实现了维持血管系统功能修复的生物效应〔24〕。

2.2.2.2信号轴与BFGF SDF-1还与许多其他的促血管生成因子相关，如实验发现BFGF能够促进血管内皮细胞上调SDF-1的表达，SDF-1能增加基质金属蛋白酶的表达等，基质金属蛋白酶的表达上升能够促进血管损伤的修复。SDF-1/CXCR4就是通过对这些因子的相互影响与作用，来发挥对血管新生的调控作用〔25〕。

2.2.2.3信号轴与VEGF 参与血管生成的细胞因子中最重要的一类是促进血管生成的生长因子，即VEGF，该类细胞因子从根本上决定着血管新生。SDF-1/CXCR4信号轴通路在内皮细胞形成血管的过程中发挥着重要的作用，是多种血管生成因子影响血管生成的最关键性通路。众所周知，大鼠皮下注射VEGF可起到促皮下血管生成作用，然而当同样于大鼠皮下注射SDF-1，亦可发挥相同作用，效果不相上下。不仅如此，对于皮肤创面的血管，SDF-1亦可起到促其新生的效应。SDF-1/CXCR4信号轴与VEGF间存有相互作用，VEGF可以增加血管内皮细胞的SDF-1和CXCR4的表达；同时 SDF-1/CXCR4也可以诱导VEGF 的高分泌。VEGF上调血管内皮细胞CXCR4的表达既与血管新生相关又与血管内皮细胞的迁移相关。SDF-1可促进血管内皮细胞 VEGF mRNA 的转录，且可以与VEGF起到协同作用共同促进血管内皮细胞增殖和迁移，抑制新生血管内皮细胞的凋亡。换句话说， 机体内应该含有一个VEGF和SDF-1/CXCR4通路的调节链：即SDF-1使VEGF表达上调，而VEGF使CXCR4表达上调。倘若在微血管的发生及形成过程中探究该联系性，就会观察到VEGF对CXCR4的表达有显著的促进作用。当阻断SDF-1/CXCR4通路时，则可起到抑制血管生成的效果。此研究提示VEGF可通过SDF-1/CXCR4通路影响血管生成〔26〕。总之，由于VEGF是一种高度特异的血管内皮细胞有丝分裂素，不但能够特异地作用于血管内皮细胞，高效的促进后者增殖、分化，诱发缺损部位血管新生，而且可以增多内皮细胞内囊泡，进而使微血管通透性提高，提高血浆纤维蛋白外渗程度，还可以起到对血管结构进一步分化、改建、维持稳定的作用，因而我们认为SDF-1/CXCR4信号轴和VEGF协同作用参与了血管新生〔27，28〕。

3 小结与展望

脑缺血可自行诱导神经再生，有助于脑损伤后的神经功能恢复，其中神经干细胞(NSCS)扮演着相当重要的角色。诱导NSCS定向迁移至缺血损伤区，是治疗脑缺血损伤的重中之重。脑缺血后神经发生可大体可以分成3个步骤，第一步：激活海马齿状回颗粒细胞层下区(SGZ)和室管膜下区(SVZ)的NSCS，促进其发生增殖；第二步：NSCS增殖后迁移至缺血损伤区；第三步：NSCS迁移至特定部位后，分化为特定的经元表型，继续整合到神经网络来发挥生物效应〔29〕。而SDF-1/CXCR4信号轴通路的激活则可以实现这一效果。但是这种代偿性反应极为有限，因而急需寻找促进NSCS增殖和迁移的药物，也就是说能够快速激活生物学轴的药物有待进一步探究发现。

缺血半暗带的血管损伤修复也是脑缺血后的一大难题，然而令人欣慰的是新的神经元形成的同时往往伴随着血管的新生，生物学轴激活后不但能够促进神经干细胞的增殖、迁移、分化成为神经元，同时也能够激活与血管生成相关的各类重要因子：VEGF、BFGF、EPCS等的增加，因而生物学轴的激活是解决血管损伤修复的一个重要手段与研究方向。生物学轴的生物效应不单单的局限于脑缺血性疾病，而是涉及医科领域的各个方面，其在脑缺血研究作用日益突出，可以将脑缺血后出现的神经元凋亡与血管损伤全都解决。然而，我们对其作用机制的探索尚不够深入、全面、透彻、需要更深层次的探究；同时能够激活生物学轴的药物并不是很多，有待人们不断地探索、发现。生物学轴为人们治疗缺血性疾病损伤提供了一个明确的靶点与研究方向，脑缺血后 EPCS的变化与SDF-1/CXCR4 轴密切相关，因而能够作用于SDF-1/CXCR4生物学信号轴的治疗药物和方法一定能够对EPCS的动员、迁移及归巢到缺血区域实现促进作用，会给我们今后的脑缺血治疗提供新的作用靶点，其发展趋势必然蒸蒸日上，相应药物的发现、合成与开发必然前途美好。

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