謝麟臻，應(yīng)磊，胡智盛，李娜，王雪嬌，汪洋

(溫州醫(yī)科大學(xué)，浙江溫州325035)

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·綜述·

CXCL12/CXCR4軸與心肌梗死關(guān)系的研究進展

謝麟臻，應(yīng)磊，胡智盛，李娜，王雪嬌，汪洋

(溫州醫(yī)科大學(xué)，浙江溫州325035)

趨化因子CXCL12是趨化因子受體CXCR4的特異性配體。CXCL12/CXCR4軸能通過介導(dǎo)干或祖細胞向梗死部位歸巢、提高間充質(zhì)細胞存活率、促進血管再生、減少心肌細胞凋亡對心肌梗死心臟發(fā)揮保護作用，但也存在引起內(nèi)皮過度增生導(dǎo)致血管腔狹窄和心肌梗死后再狹窄的可能。CXCL12/CXCR4軸在心肌梗死過程中的確切作用尚不明確。

心肌梗死;CXCR4；CXCL12；CXCL12/CXCR4軸

心肌梗死是指因冠狀動脈供血急劇減少或中斷，使相應(yīng)心肌發(fā)生持久而嚴重的缺血導(dǎo)致的心肌壞死。急性心肌梗死起病突然，嚴重者可并發(fā)心力衰竭、心律失常甚至休克。世界衛(wèi)生組織預(yù)測，到2020年急性心肌梗死將成為全球第一大死因。近年來研究表明，CXCL12/CXCR4軸與心肌梗死的發(fā)病、進展、預(yù)后有著密切聯(lián)系，本文就其研究進展作簡要綜述。

1　CXCL12及CXCR4概述

CXCL12屬于CXC類趨化因子, 廣泛表達于心、肝、腎、腦、骨髓等組織中，是高度保守的小分子蛋白；小鼠的CXCL12基因有92%的同源性。CXCR4屬于CXCR類G蛋白耦聯(lián)受體，同樣高度保守；人與小鼠的CXCR4基因有89%同源性，在干細胞、祖細胞、單核細胞、淋巴細胞、腫瘤細胞等廣泛表達。CXCL12與CXCR4相結(jié)合介導(dǎo)細胞內(nèi)效應(yīng)是通過經(jīng)典的G蛋白耦聯(lián)途徑完成的。CXCR4信號主要耦合到Gαi亞基，刺激異三聚體G蛋白解離；αi單體抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，并觸發(fā)MAPK和PI3K通路，而β-γ二聚體通過磷脂酶C的激活觸發(fā)細胞內(nèi)鈣動員。CXCL12的降解受到DPP4調(diào)控。DPP4是一種細胞表面的絲氨酸蛋白酶，在腸、肝、胰腺、胎盤、胸腺等廣泛表達,并通過調(diào)節(jié)許多細胞因子和趨化因子調(diào)控機體的生理功能。已經(jīng)證明，CXCL12可以被血漿和缺血性心臟組織中的DPP4降解。

2　CXCL12/CXCR4軸對心肌梗死心臟保護作用

2.1介導(dǎo)干或祖細胞向梗死部位歸巢骨髓間充質(zhì)干細胞是骨髓中的一類自我復(fù)制、無限增殖具有多向分化潛能的成體干細胞，而祖細胞是其徹底分化前的中間細胞，是未分化的多能或?qū)Ｄ芨杉毎?。移植女性心臟的男性患者心臟中可以檢測到Y(jié)染色體，同時也存在Y染色體陰性的未分化細胞，這說明干或祖細胞參與了心肌再生與修復(fù)的過程。經(jīng)過缺氧預(yù)處理的Lin(-)c-kit(+)小鼠祖細胞CXCR4表達量升高，移植后對心肌的保護能力較常氧預(yù)處理的Lin(-)c-kit(+)更強。體外實驗證實，缺氧能增加骨髓間充質(zhì)干細胞中CXCR4的表達，同時發(fā)現(xiàn)CXCR4介導(dǎo)的骨髓間充質(zhì)干細胞向CXCL12的遷移需要PI3K / AKT信號參與。心肌缺血時CXCL12顯著上調(diào)，心肌梗死和缺血再灌注損傷后心內(nèi)或心肌內(nèi)注射CXCL12有助于縮小梗死面積，增加心臟功能。CXCR4及其配體CXCL12表達于心肌細胞和成纖維細胞。Agarwal等[1]在對小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，急性心肌梗死后梗死區(qū)CXCL12表達立即升高并在24 h內(nèi)達到峰值，而 CXCR4的升高則在48 h之后。從出現(xiàn)的時間看，起著心臟保護作用的應(yīng)該是梗死區(qū)上升的CXCL12而非CXCR4。Thackeray等[2]研究發(fā)現(xiàn),梗死區(qū)CXCR4的升高與炎細胞的浸潤在時間和部位上同步進行，但兩者之間的確切關(guān)系尚無定論。使用DPP4抑制劑MK-0626抑制DPP4之后，CXCL12的降解減少，循環(huán)中的內(nèi)皮祖細胞的數(shù)量上升，同時血管壁內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達水平上升[3]。甲狀旁腺激素能夠提高心肌梗死患者的生存率并改善心功能，可能的機制就包括甲狀旁腺激素能夠抑制DPP4的活性從而減少梗死區(qū)CXCL12的降解，進而促進CXCR4(+)干細胞向梗死部位的歸巢[4]。心肌梗死后如何有效動員干或祖細胞使之歸巢到梗死區(qū)發(fā)揮保護作用、進而改善心功能已經(jīng)成為當下研究的熱點之一。

2.2提高間充質(zhì)細胞存活率間充質(zhì)干細胞分泌CXCL12，并通過CXCL12/ CXCR4軸增加祖細胞的存活；移植的間充質(zhì)干細胞過表達CXCL12，在心肌梗死后24～48 h提高心肌細胞生存率并增加新生血管的密度，然而這一過程中并沒有心肌再生的證據(jù)。在氧化應(yīng)激的情況下，CXCL12/ CXCR4軸能通過增加細胞自噬作用而提高間充質(zhì)細胞的存活率[5]。移植過表達CXCR4的間充質(zhì)干細胞能夠減少心室重塑，這一過程中間充質(zhì)干細胞釋放MMP-9，MMP-9能夠疏松梗死灶細胞之間的連接，從而有助于細胞進入梗死區(qū)域[6]。Tang等[7]證實間充質(zhì)干細胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)不僅能促進血管新生，還能通過CXCL12/ CXCR4軸介導(dǎo)心肌干細胞向梗死灶歸巢進而改善心臟功能。

2.3促進血管再生小鼠心肌梗死模型研究表明，梗死區(qū)CXCL12的增加能夠上調(diào)VEGF的含量，而VEGF促進血管再生，進而而加速側(cè)支循環(huán)建立，從而發(fā)揮心臟保護功能。內(nèi)皮祖細胞可提高缺血組織的血管新生能力，促進損傷血管的修復(fù)和再內(nèi)皮化。CXCL12在內(nèi)皮祖細胞向缺血性組織的遷移過程中起著重要作用。缺血性損傷后不久，血漿和缺血組織中CXCL12的水平就開始增加，CXCL12的增加是由于低氧上調(diào)HIF-1α， 而HIF-1α通過結(jié)合CXCL12的啟動子和啟動其轉(zhuǎn)錄上調(diào)CXCL12[8]。阻斷CXCL12或使用CXCR4抑制劑可以減少小鼠模型損傷誘導(dǎo)的內(nèi)膜和平滑肌細胞增生[9]。

2.4減少心肌細胞凋亡 研究證實，CXCL12 / CXCR4軸能夠促進抗凋亡因子的釋放從而減少心肌細胞的凋亡、提高心肌細胞生存率、發(fā)揮心肌保護作用。向心肌梗死模型小鼠的心肌內(nèi)注射CXCL12，72 h后梗死灶周圍心肌凋亡數(shù)量明顯少于空白對照組。缺血缺氧的心肌通過CXCL12/ CXCR4軸以自分泌或旁分泌的方式磷酸化AKT或ERK 1/2，進而通過PI3K/AKT或MAPK/ERK1/2通路減少心肌細胞凋亡；兩者相比較而言，近年來的研究結(jié)果更傾向于PI3K/AKT通路。移植同種異基因心臟的大鼠在心肌注射c-kit(+)心肌干細胞后，注射部位CXCL12的表達量上升并促進抗凋亡因子的釋放、減少心肌細胞凋亡，大鼠存活率明顯提高[10]。

3　CXCL12/CXCR4軸對心肌梗死心臟負性作用

CXCR4(+/-)基因缺陷的雜合小鼠心肌梗死時梗死面積較正常鼠小，新生血管密度、內(nèi)皮細胞數(shù)也低于正常小鼠，然而兩種小鼠在心肌梗死后的心臟功能變化并沒有明顯差異[11]。這一結(jié)果表明，心肌梗死時CXCL12/CXCR4軸的作用并不完全是正性作用，可能有某些負性作用抵消了保護作用。小鼠模型經(jīng)CXCR4抑制劑AMD3100處理后，M-CSF失去了促進損傷誘導(dǎo)內(nèi)膜增生的能力，這意味著CXCR4促進損傷處新生內(nèi)膜炎細胞浸潤，由此引發(fā)的炎性反應(yīng)可能導(dǎo)致基質(zhì)的降解和心肌細胞的凋亡。Chen等[12]發(fā)現(xiàn)，CXCR4的過表達增加大鼠心肌梗死面積、降低心臟功能。這可能與炎性細胞的招募增強、TNF-α的表達上升和心肌細胞的凋亡增加相關(guān)。但另有結(jié)果表明在心肌梗死后CXCR4心臟功能改變或心肌重塑的過程與CXCR4沒有明顯關(guān)聯(lián)。

阻斷CXCL12/CXCR4軸通過干擾CXCR4(+)平滑肌祖細胞和炎細胞向損傷部位的聚集可減輕內(nèi)膜增生，CXCR4促使內(nèi)皮祖細胞歸巢到損傷的血管并促進其分化。CXCR4缺陷的小鼠在受到損傷時會形成較正常內(nèi)皮更大面積的內(nèi)膜損傷，同時損傷部位平滑肌細胞的增殖水平低于正常[13]。CXCL12/CXCR4軸引起的內(nèi)皮過度增生有導(dǎo)致血管腔狹窄和心肌梗死后再狹窄的可能。

4　CXCL12/CXCR4軸在心肌梗死治療中的應(yīng)用

目前已經(jīng)有臨床研究使用間充質(zhì)干細胞治療心肌梗死，并取得良好效果。在一項為期5年的對急性心肌梗死患者PCI術(shù)后的隨訪研究中，9位自體移植骨髓間充質(zhì)干細胞患者的心功能明顯優(yōu)于對照組[14]。Meta分析也驗證了骨髓干細胞療法治療心肌梗死的可行性[15]。

間充質(zhì)干細胞移植治療不但較傳統(tǒng)的藥物治療更為安全，而且易于獲取，避免了倫理學(xué)問題，但是卻存在植入細胞存活率低、很快凋亡、歸巢能力弱的問題，真正能起作用的干細胞只有大約1%。其治療效率低下的原因之一在于間充質(zhì)干細胞很容易丟失表面的CXCR4分子。不過已經(jīng)有方法可以將重組CXCR4分子快速整合到間充質(zhì)干細胞細胞膜上[16]，CXCL12/CXCR4軸所介導(dǎo)的間充質(zhì)干細胞移植有可能成為心肌梗死治療的新手段。

CXCR4抑制劑AMD3100已被批準作為造血干細胞的激動劑與G-CSF聯(lián)用治療非霍奇金淋巴瘤和多發(fā)性骨髓瘤患者，而且多種CXCR4抑制劑正處在臨床研究階段[17]。AMD3100能夠促進干或祖細胞動員，使用CXCR4抑制劑來治療心肌梗死的方法在理論上極具前景。但需要注意的是，阻斷CXCL12/CXCR4軸可能會加重心肌梗死后心肌的受損程度；CXCR4水平升高也可能會降低干細胞的歸巢效率[18]。針對CXCL12/CXCR4軸另一種增加祖細胞動員的可能途徑在于提高祖細胞CXCL12的含量。有報道對1例19個月齡晚期心衰患兒使用G-CSF 和DPP4抑制劑的雙重注射，結(jié)果患兒祖細胞動員增加并心衰癥狀緩解[19]。但是另有隨機雙盲臨床試驗表明，對心肌梗死后成功進行血運重建的患者聯(lián)合使用G-CSF和DPP4抑制劑并不能改善患者的預(yù)后。

目前，CXCL12 / CXCR4軸在心肌梗死過程中究竟發(fā)揮何種作用仍然不是十分明確。隨著對CXCL12/ CXCR4軸的結(jié)構(gòu)、功能、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及抑制劑等問題的深入探討，其在心肌梗死中的作用將進一步明確，并有可能成為心血管疾病防治的新靶標。

[1] Agarwal U, Ghalayini W, Dong F, et al. Role of cardiac myocyte CXCR4 expression in development and left ventricular remodeling after acute myocardial infarction[J]. Circ Res, 2010,107(5):667-676.

[2] Thackeray JT, Derlin T, Haghikia A, et al. Molecular imaging of the chemokine receptor CXCR4 after acute myocardial infarction[J]. JACC Cardiovasc Imaging, 2015,8(12):1417-1426.

[3] Shih CM, Chen YH, Lin YW, et al. MK-0626, a dipeptidyl peptidase-4 inhibitor, improves neovascularization by increasing both the number of circulating endothelial progenitor cells and endothelial nitric oxide synthetase expression[J]. Curr Med Chem, 2014,21(17):2012-2022.

[4] Huber BC, Stefan B, Alexander S, et al. Parathyroid hormone is a DPP-IV inhibitor and increases SDF-1-driven homing of CXCR4(+) stem cells into the ischaemic heart[J]. Cardiovasc Res, 2011,90(3):529-537.

[5]Herberg S, Shi X, Johnson MH, et al. Stromal cell-derived factor-1β mediates cell survival through enhancing autophagy in bone marrow-derived mesenchymal stem cells[J]. PloS One, 2013,8(3):e58207.

[6] Huang W, Wang T, Zhang D, et al. Mesenchymal stem cells overexpressing CXCR4 attenuate remodeling of postmyocardial infarction by releasing matrix metalloproteinase-9[J]. Stem Cells Dev, 2011,21(5):778-789.

[7] Tang JM, Wang JN, Zhang L, et al. VEGF/SDF-1 promotes cardiac stem cell mobilization and myocardial repair in the infarcted heart[J]. Cardiovasc Res, 2011,91(3):402-411.

[8] Youn SW, Lee SW, Lee J, et al. COMP-Ang1 stimulates HIF-1α-mediated SDF-1 overexpression and recovers ischemic injury through BM-derived progenitor cell recruitment[J]. Blood, 2011,117(16):4376-4386.

[9] Hamesch K, Subramanian P, Li X, et al. The CXCR4 antagonist POL5551 is equally effective as sirolimus in reducing neointima formation without impairing re-endothelialisation[J]. Thromb Haemost, 2012,107(2):356-368.

[10] Rong XS, Li MQ, Xu Y, et al. Injection of Cardiac Stem Cells Prolongs the Survival of Cardiac Allograft Rats[J]. Am J Med Sci, 2015,349(1):67-71.

[11] Liehn EA, Tuchscheerer N, Kanzler I, et al. Double-edged role of the CXCL12/CXCR4 axis in experimental myocardial infarction[J]. J Am Coll Cardiol, 2011,58(23):2415-2423.

[12] Chen J, Chemaly E, Liang L, et al. Effects of CXCR4 gene transfer on cardiac function after ischemia-reperfusion injury[J]. Am J Pathol, 2010,176(4):1705-1715.

[13] Noels H, Zhou B, Tilstam PV, et al. Deficiency of endothelial CXCR4 reduces reendothelialization and enhances neointimal hyperplasia after vascular injury in atherosclerosis-prone mice[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2014,34(6):1209-1220.

[14] Rodrigo SF, van Ramshorst J, Hoogslag G E, et al. Intramyocardial injection of autologous bone marrow-derived ex vivo expanded mesenchymal stem cells in acute myocardial infarction patients is feasible and safe up to 5 years of follow-up[J]. J Cardiovasc Transl Res, 2013,6(5):816-825.

[15] Fisher SA, Doree C, Brunskill SJ, et al. Bone marrow stem cell treatment for ischemic heart disease in patients with no option of revascularization: a systematic review and meta-analysis[J]. PloS one, 2013,8(6):e64669.

[16] Won YW, Patel AN, Bull DA. Cell surface engineering to enhance mesenchymal stem cell migration toward an SDF-1 gradient[J]. Biomaterials, 2014,35(21):5627-5635.

[17] Debnath B, Xu S, Grande F, et al. Small molecule inhibitors of CXCR4[J]. Theranostics, 2013,3(1):47-75.

[18] Dai S, Yuan F, Mu J, et al. Chronic AMD3100 antagonism of SDF-1α-CXCR4 exacerbates cardiac dysfunction and remodeling after myocardial infarction[J]. J Mol Cell Cardiol, 2010,49(4):587-597.

[19] Chatterjee M, Borst O, Walker B, et al. Macrophage migration inhibitory factor limits activation-induced apoptosis of platelets via CXCR7-dependent Akt signaling[J]. Circ Res, 2014,115(11):939-949.

浙江省新苗人才計劃項目(2015R413052)。

汪洋(E-mail: wangydh995@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.33.037

R542.2+2

A

1002-266X(2016)33-0102-03

2016-03-22)