仇志富 吳曉光

(承德醫(yī)學院，河北 承德 067000)

抑制缺血半暗帶神經元凋亡和血管損傷是對缺血性腦血管病治療的重點。腦缺血發(fā)生時，在腦室下區(qū)、海馬、大腦皮層等處的神經干細胞能夠自主增殖、遷移、分化成為神經元和膠質細胞，將神經缺損區(qū)填補，形成新神經環(huán)路，同時新神經元能夠部分取代受損的神經元行使其功能，由此觀之內源性神經干細胞能夠修復腦缺血損傷。但是，腦缺血之后被激活的內源性神經干細胞的數(shù)目極少，約有0.2%的內源性神經干細胞分化成新神經元；因而能夠對新神經元的遷移、分化及存活進行調節(jié)的因子分泌不夠充足，導致該自身修復作用不能夠完全發(fā)揮作用。近期發(fā)現(xiàn)小腦中的基質細胞衍生因子(SDF)-1能夠對突觸傳遞進行調節(jié)，SDF-1 mRNA和趨化因子受體(CXCR)4神經元也在成人大腦皮質和海馬中被表達，此發(fā)現(xiàn)提示大腦皮質及海馬區(qū)的SDF-1很可能發(fā)揮著神經調節(jié)的功效。神經再生的同時往往意味著血管也在新生，因而SDF-1/CXCR4信號軸在腦缺血中對神經修復和血管新生都有著潛在的作用〔1～3〕。

1 SDF-1/CXCR4信號軸簡介

1.1SDF-1的結構與功能 SDF-1被在1994年從小鼠骨髓基質細胞中克隆出來〔4〕。SDF-1是基質細胞衍生因子，別名前B細胞刺激因子，屬于趨化因子CXC超家族，系統(tǒng)命名是CXCL12，為一個標記CXCR4的自身穩(wěn)定趨化因子。其屬于小分子量(8～10 kD)細胞因子。分子結構：N端兩個半胱氨酸間被另一個氨基酸殘基分隔，由一個能變形的、可球形折疊N末端區(qū)、與其緊密連接的環(huán)狀結構、反式平行鏈3個、一個C末端以螺旋形式形成〔5〕。SDF-1亞型有兩種：SDF-1α、SDF-1β，前者是重要亞型，同時血中的酶易將其降解。SDF-1α的首次獲得是從骨髓間充質細胞分離實現(xiàn)的，其廣泛表達于多種組織中〔6〕。SDF-1α能使內皮祖細胞(EPCS)的遷移、黏附及成血管能力增強〔7〕， SDF-1α水平與早期外周血EPCS數(shù)目關系很大已在腦缺血模型大鼠的實驗中得到印證〔8〕。

1.2CXCR4的結構與功能 雖然CXCR7，CXCR4 皆是SDF-1的受體，可CXCR7是通過CXCR4來對SDF-1進行信號轉導的。所以我們認為CXCR4為SDF-1的唯一特異性受體〔9〕，CXCR4高度保守，作為一類G蛋白耦聯(lián)受體，它由7個疏水性跨膜區(qū)組成，能表達于不同細胞膜上。CXCR4在細胞表面和胞質中都可以檢測到其表達，CXCR4在免疫系統(tǒng)和中樞神經系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，能夠對內源性神經干/祖細胞向組織損傷處遷移和歸巢發(fā)揮正向誘導作用。所謂歸巢，即是指EPCs隨著骨髓內外SDF-1濃度梯度變化，向骨髓外缺血區(qū)損傷的高濃度SDF-1處遷移的過程。

1.3SDF-1/CXCR4信號軸的激活與生物效應 SDF-1/CXCR4信號軸是指趨化因子SDF-1結合其特異性受體CXCR4的N端，同時CXCR4和第二胞外環(huán)相互作用而形成的耦聯(lián)分子對，后者和細胞間信號傳導及細胞遷移息息相關，能夠對CXCR4二聚體形成、空間構象內化發(fā)揮促進作用，且可以通過將與CXCR4耦聯(lián)的G蛋白改變或激活等多重作用方式來實現(xiàn)各種信號轉導通路的激活。如磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)信號轉導通路、細胞外調節(jié)蛋白激酶(ERK)1/2信號轉導通路、核因子(NF)-κB通路等，從而影響細胞的趨化、運動、黏附、分泌、血管生成、生長等生物效應。SDF-1/CXCR4信號軸生物效應很廣泛：促進血管、中樞神經系統(tǒng)祖細胞的遷移，參與血管重構；參與EPCS相關的生物學反應，如動員、遷移、歸巢等，其廣泛的生物效應在腦缺血疾病中越來越受到人們的重視〔10～12〕。

2 SDF-1/CXCR4生物學軸與腦缺血

2.1SDF-1/CXCR4生物學軸對于腦缺血的作用 該信號軸作用大致分成3方面：①對內源性祖細胞遷移進行調控：研究〔13〕證實可以將外源性神經祖細胞引入到腦組織內來治療腦卒中，說明外源性神經祖細胞對腦組織的修復有一定作用。此外，人們已發(fā)現(xiàn)腦損傷處出現(xiàn)了可以表達 CXCR-4 的神經祖細胞，這更有力的說明該信號軸能定向的調控神經祖細胞的遷移，來修復損傷的腦組織。②促進血管新生：研究〔13〕發(fā)現(xiàn)SDF-1和血管內皮生長因子(VEGF)都能夠促進血管新生，且二者之間起著協(xié)同作用，可能與二者都能夠相互誘導對方的表達有關。③增強機體抗缺氧的能力〔13〕?？傊?，SDF-1在腦缺血后內源性神經干細胞遷移中起重要作用， 可以促進中樞神經系統(tǒng)神經干細胞(NSC)增殖，是重要的干細胞歸巢因子。正常生理條件時SDF-1一直以低水平表達于神經系統(tǒng)中，病理狀態(tài)時(腦缺血)其上調自身的表達，通過結合CXCR4來發(fā)揮對內源性神經干/祖細胞向組織損傷處遷移和歸巢的生物學效應。SDF-1量的增加有利于促進腦缺血后神經干細胞向缺血區(qū)的遷移，進而分化為神經元。還可以促進血管內皮細胞成血管作用，此效應可促進損傷部位血流的重建。SDF-1/CXCR4信號軸通過增殖、遷移EPCS參與血管網絡的重建，來促進血管新生，從而發(fā)揮了缺血性損傷的腦保護作用〔14～19〕。

2.2SDF-1/CXCR4信號軸與缺血性腦病的作用機制

2.2.1SDF-1/CXCR4信號軸與神經元形成 調節(jié)干細胞的動員是SDF-1/CXCR4信號軸的一個突出作用。干細胞的遷移(動員)和SDF-1濃度梯度的趨化作用相關。正常生理條件時，骨髓中的缺氧環(huán)境使骨髓內皮細胞中SDF-1持續(xù)表達，僅有少量的造血干細胞持續(xù)地從骨髓釋放到外周血循環(huán)之外，其余大部分干細胞在骨髓內高濃度SDF-1作用下存于骨髓中。倘若將骨髓內的SDF-1濃度下調或將骨髓外的SDF-1濃度上升，那么由此一來形成的骨髓內外SDF-1濃度梯度落差將會使骨髓造血干細胞從骨髓中釋放出來，進而參與外周血循環(huán)，再遷移至靶器官，即受損部位。但是若將SDF-1或CXCR4阻斷，此定向遷移也將完結。SDF-1可以促進神經干細胞的動員、遷移、歸巢。而CXCR4的存在略為廣泛，不僅分布在造血干細胞中，亦可在CD34+等細胞中尋找到。組織所釋放的趨化因子及相關物質若想發(fā)揮生物作用，必須借助位于干細胞表面的黏附分子與CXCR4信號途徑方可實現(xiàn)，CXCR4不僅是干細胞歸巢的最終指導者，更是在干細胞歸巢過程中成功跨越內皮細胞的最佳協(xié)助者。SDF-1不單單能夠對遷移中的造血干細胞實現(xiàn)捕捉，而且能夠通過CXCR4介導的細胞反應，激活干細胞進一步穿越內皮細胞層完成遷移過程。換言之，缺血組織不但能夠介導炎性細胞的黏附，還能夠使組織缺血處對干細胞的捕獲能力提升，來實現(xiàn)對于局部損傷處結構與功能修復效果。歸根結底，SDF-1/CXCR4軸對于組織損傷和修復的最重要作用就是指導、啟動干細胞的歸巢過程。即缺血損傷發(fā)生后，可以上調SDF-1表達水平，使其從損傷組織中快速釋放，形成SDF-1的濃度落差，來發(fā)揮引導干細胞向損傷組織處動員、遷移的生物學效應。干細胞可以通過修復和旁分泌雙重作用來發(fā)揮缺血組織保護功效。SDF-1與CXCR4結合形成信號軸后，下游信號分子被激活，包括血小板原位蛋白激酶(PKC)信號轉導通路、PI3K/Akt信號轉導通路〔20〕、NF-κB信號轉導通路、ERK-1/2信號轉導通路等，激活的下游信號分子通過調節(jié)干細胞的遷移、細胞的骨架重構和細胞外基質的細胞黏附，從而來參與干細胞的黏附、存活及增殖的任何一個環(huán)節(jié)。簡而言之，SDF-1/CXCR4信號軸對促進神經干細胞遷移及歸巢和神經再生等起著重要作用，能夠促進內源性神經干細胞增殖、遷移，最終在缺血損傷區(qū)分化為神經元，修復神經功能缺損，實現(xiàn)腦保護作用〔21，22〕。

2.2.2信號軸對血管的作用機制 血管生成是一個復雜的過程，涉及多細胞因子參與的、動態(tài)、協(xié)調，血管生成中最關鍵的步驟是血管內皮細胞的增殖、遷移和管腔形成，所以說血管生成的最根本機制是促進內皮細胞生存的同時抑制內皮細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，腦損傷發(fā)生時， 血管內皮細胞中SDF-1的表達增加，提示SDF-1在腦損傷發(fā)生后對于血管新生可能起到促進作用〔17〕。除SDF-1外，EPCS、堿性成纖維細胞生長因子(BFGF)、VEGF等都和血管新生關系密切〔23〕。

2.2.2.1信號軸與EPCS EPCS主要存在于骨髓之內，SDF-1/ CXCR4信號軸可以有效動員骨髓內的EPCS 遷移至外周血循環(huán)中參與缺血組織的血管新生。SDF-1/CXCR4信號軸作為EPCS動員的重要調控因素之一，增加外周血 SDF-1濃度時，則能夠促進 EPCS的分化，動員EPCS 入外周血循環(huán)；此外，CXCR4 表達增加，也可以促進 EPCS 歸巢到缺血損傷組織，促進局部損傷的血管內膜進行修復，實現(xiàn)了維持血管系統(tǒng)功能修復的生物效應〔24〕。

2.2.2.2信號軸與BFGF SDF-1還與許多其他的促血管生成因子相關，如實驗發(fā)現(xiàn)BFGF能夠促進血管內皮細胞上調SDF-1的表達，SDF-1能增加基質金屬蛋白酶的表達等，基質金屬蛋白酶的表達上升能夠促進血管損傷的修復。SDF-1/CXCR4就是通過對這些因子的相互影響與作用，來發(fā)揮對血管新生的調控作用〔25〕。

2.2.2.3信號軸與VEGF 參與血管生成的細胞因子中最重要的一類是促進血管生成的生長因子，即VEGF，該類細胞因子從根本上決定著血管新生。SDF-1/CXCR4信號軸通路在內皮細胞形成血管的過程中發(fā)揮著重要的作用，是多種血管生成因子影響血管生成的最關鍵性通路。眾所周知，大鼠皮下注射VEGF可起到促皮下血管生成作用，然而當同樣于大鼠皮下注射SDF-1，亦可發(fā)揮相同作用，效果不相上下。不僅如此，對于皮膚創(chuàng)面的血管，SDF-1亦可起到促其新生的效應。SDF-1/CXCR4信號軸與VEGF間存有相互作用，VEGF可以增加血管內皮細胞的SDF-1和CXCR4的表達；同時 SDF-1/CXCR4也可以誘導VEGF 的高分泌。VEGF上調血管內皮細胞CXCR4的表達既與血管新生相關又與血管內皮細胞的遷移相關。SDF-1可促進血管內皮細胞 VEGF mRNA 的轉錄，且可以與VEGF起到協(xié)同作用共同促進血管內皮細胞增殖和遷移，抑制新生血管內皮細胞的凋亡。換句話說， 機體內應該含有一個VEGF和SDF-1/CXCR4通路的調節(jié)鏈：即SDF-1使VEGF表達上調，而VEGF使CXCR4表達上調。倘若在微血管的發(fā)生及形成過程中探究該聯(lián)系性，就會觀察到VEGF對CXCR4的表達有顯著的促進作用。當阻斷SDF-1/CXCR4通路時，則可起到抑制血管生成的效果。此研究提示VEGF可通過SDF-1/CXCR4通路影響血管生成〔26〕?？傊?，由于VEGF是一種高度特異的血管內皮細胞有絲分裂素，不但能夠特異地作用于血管內皮細胞，高效的促進后者增殖、分化，誘發(fā)缺損部位血管新生，而且可以增多內皮細胞內囊泡，進而使微血管通透性提高，提高血漿纖維蛋白外滲程度，還可以起到對血管結構進一步分化、改建、維持穩(wěn)定的作用，因而我們認為SDF-1/CXCR4信號軸和VEGF協(xié)同作用參與了血管新生〔27，28〕。

3 小結與展望

腦缺血可自行誘導神經再生，有助于腦損傷后的神經功能恢復，其中神經干細胞(NSCS)扮演著相當重要的角色。誘導NSCS定向遷移至缺血損傷區(qū)，是治療腦缺血損傷的重中之重。腦缺血后神經發(fā)生可大體可以分成3個步驟，第一步：激活海馬齒狀回顆粒細胞層下區(qū)(SGZ)和室管膜下區(qū)(SVZ)的NSCS，促進其發(fā)生增殖；第二步：NSCS增殖后遷移至缺血損傷區(qū)；第三步：NSCS遷移至特定部位后，分化為特定的經元表型，繼續(xù)整合到神經網絡來發(fā)揮生物效應〔29〕。而SDF-1/CXCR4信號軸通路的激活則可以實現(xiàn)這一效果。但是這種代償性反應極為有限，因而急需尋找促進NSCS增殖和遷移的藥物，也就是說能夠快速激活生物學軸的藥物有待進一步探究發(fā)現(xiàn)。

缺血半暗帶的血管損傷修復也是腦缺血后的一大難題，然而令人欣慰的是新的神經元形成的同時往往伴隨著血管的新生，生物學軸激活后不但能夠促進神經干細胞的增殖、遷移、分化成為神經元，同時也能夠激活與血管生成相關的各類重要因子：VEGF、BFGF、EPCS等的增加，因而生物學軸的激活是解決血管損傷修復的一個重要手段與研究方向。生物學軸的生物效應不單單的局限于腦缺血性疾病，而是涉及醫(yī)科領域的各個方面，其在腦缺血研究作用日益突出，可以將腦缺血后出現(xiàn)的神經元凋亡與血管損傷全都解決。然而，我們對其作用機制的探索尚不夠深入、全面、透徹、需要更深層次的探究；同時能夠激活生物學軸的藥物并不是很多，有待人們不斷地探索、發(fā)現(xiàn)。生物學軸為人們治療缺血性疾病損傷提供了一個明確的靶點與研究方向，腦缺血后 EPCS的變化與SDF-1/CXCR4 軸密切相關，因而能夠作用于SDF-1/CXCR4生物學信號軸的治療藥物和方法一定能夠對EPCS的動員、遷移及歸巢到缺血區(qū)域實現(xiàn)促進作用，會給我們今后的腦缺血治療提供新的作用靶點，其發(fā)展趨勢必然蒸蒸日上，相應藥物的發(fā)現(xiàn)、合成與開發(fā)必然前途美好。

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