1、山东医药2023 年第 63 卷第 19 期SDF-1/CXCR4轴在脊髓损伤干细胞治疗中的作用研究进展刘成贺1，2，3，刘强1，2，3，王攀1，2，3，陈腾1，2，31 山东大学齐鲁医院神经外科，济南250012；2 山东大学齐鲁医学院；3 山东大学脑与类脑科学研究院摘要：脊髓损伤（SCI）导致患者运动和感觉功能丧失，至今仍缺乏理想的治疗方法。干细胞具有神经再生和神经保护特性，干细胞移植有望成为治疗SCI的有效方法。但是，干细胞治疗SCI需要趋化因子介导其定向迁移至损伤组织部位，基质细胞衍生因子1（SDF-1）则在其中起重要作用。SDF-1/CXCR4轴在SCI干细胞治疗中发挥重要作用，它既
2、对多种干细胞的迁移、增殖和分化起调控作用，又能促进轴突生长和重新髓鞘形成，进而改善SCI。关键词：脊髓损伤；干细胞；趋化因子；基质细胞衍生因子1；CXC趋化因子受体4doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2023.19.027 中图分类号：R744 文献标志码：A 文章编号：1002-266X（2023）19-0107-04脊髓损伤（SCI）是患者致残的主要因素，通常由创伤引起。SCI会导致患者的感觉、运动和自主神经功能障碍，降低患者的生活质量。SCI治疗的难点源于其复杂的病理生理过程。首先，成熟神经元是不能分裂的终末分化细胞，内源性神经干细胞在脊髓中的数量和分布非常有限。
3、第二，脊髓的原发性损伤通常会引发一系列继发性损伤，包括兴奋性氨基酸的释放、离子稳态的丧失、细胞钙超载、线粒体功能障碍以及多种免疫和炎症反应，从而进一步加剧组织缺血和炎症，并导致神经元和胶质细胞凋亡。因此，二次伤害往往超过一次伤害。最后，在SCI的后期形成神经胶质瘢痕和囊腔，并作为轴突再生的物理屏障1。因此，SCI经常导致永久性神经功能缺损，其有效治疗方法成为当前研究的热点。近年来，干细胞因其具有多能性和自我更新能力，并且富含营养因子，作为各种疾病的有效治疗来源一直备受关注。SCI的干细胞治疗可大致分为两类。第一类为非神经干细胞，包括骨髓间充质干细胞（BMSC）、脐血间充质干细胞、脂肪间充质干细
4、胞（ADMSC）和内皮祖细胞（EPC）。第二类干细胞疗法是基于能够产生神经细胞的干细胞。神经干/祖细胞和源自胚胎干细胞或诱导多能干细胞的神经祖细胞 2。干细胞和祖细胞的自然动员是一个由炎症或受损组织发起的多步骤过程，在宿主防御和器官修复过程中释放各种信号分子，如细胞因子、趋化因子和蛋白水解酶。尽管许多趋化因子似乎参与了组织炎症和损伤后的过程，但基质细胞衍生因子1（SDF-1）被确定为主要的干细胞归巢因子，在CD34+干细胞的细胞运输和归巢中起主要作用。SDF-1可通过抑制神经胶质瘢痕，从而促进轴突生长和功能性神经元连接，从而促进SCI的恢复 3。已知SDF-1及其受体CXCR4通信作者：陈腾（
5、E-mail：）29LEE Y J，HUANG K H，YANG H J，et al.Solifenacin improves double-J stent-related symptoms in both genders following uncomplicated ureteroscopic lithotripsy J.Urolithiasis，2013，41（3）：247-252.30张志强，于德新，谢栋栋，等.托特罗定联合坦索罗辛治疗双J管置入后相关症状的临床观察 J.中华泌尿外科杂志，2012，33（9）：692-695.31LIM K T，KIM Y T，LEE T Y，et a
6、l.Effects of tamsulosin，solifenacin，and combination therapy for the treatment of ureteral stent related discomfortsJ.Korean J Urol，2011，52（7）：485-488.32SIVALINGAM S，STREEPER N M，SEHGAL P D，et al.Does combination therapy with tamsulosin and tolterodine improve ureteral stent discomfort compared with
7、tamsulosin alone？a double-blind，randomized，controlled trial J.J Urol，2016，195（2）：385-390.33王斌，曹树琦，钟华，等.自拟通淋汤治疗双J管综合征的临床观察 J.中国中医药科技，2019，26（4）：613-614.34采有金，胡青林，陈维丽，等.疏肝通淋汤联合西医治疗对输尿管结石术后患者留置双J管后焦虑和生活质量的影响 J.现代中西医结合杂志，2020，29（10）：1082-1085.（收稿日期：2022-12-21）107山东医药2023 年第 63 卷第 19 期负责干细胞的动员和归巢 4。本文就SD
8、F-1/CXCR4轴在干细胞治疗SCI中的作用进行综述。1 SDF-1/CXCR4轴的生物学特性 SDF-1，也称为 CXC 家族趋化因子 CXCL12，最初是通过信号序列捕获克隆策略从小鼠骨髓基质细胞系中克隆出来，并首次被描述为前B细胞刺激因子。根据差异mRNA剪接，SDF-1被鉴定为6种不同的剪接变体，包括人类中的SDF-1到SDF-1，而在小鼠中确认了3个变体（SDF-1到SDF-1）。作为趋化因子的一员，SDF-1通常通过与相应的受体结合来实现生物学和病理功能。迄今为止，最显著的干细胞归巢因子是趋化因子 SDF-1/CXCL12。长期以来，CXCR4一直被认为是SDF-1的特异性受体。
9、最近，非典型趋化因子受体3，又被称为CXC趋化因子受体 7，被认为是 SDF-1 的另一个重要受体5，CXCR4一直是研究的重点。CXCR4是一种7次跨膜G蛋白偶联受体，首先在外周血白细胞中被发现，并在多种细胞（淋巴细胞、内皮细胞、上皮和造血干细胞、基质成纤维细胞和癌细胞）中高度表达。除了造血和免疫应答中公认的功能外，CXCR4还在神经发生、生殖细胞发育、心脏发生和血管形成等众多生理过程中发挥着关键作用。与其他类型的G蛋白偶联受体一样，CXCR4在其细胞外 N 末端包含 34 个氨基酸，7 次跨膜的-螺旋，以及一个C末端6。在SDF-1-GFP融合基因标记小鼠的研究中表明，SDF-1在正常、未
10、受损脊髓的脑膜和背侧皮质脊髓束（DCST）中高表达。此外，CXCR4-EGFP+融合基因标记的细胞仅在成年正常脊髓的室管膜层中存在7。因此，SDF-1、CXCR4在成年正常脊髓中在不同的、不相邻的区域表达。SCI发生后，损伤部位SDF-1 mRNA表达升高，主要归因于浸润性细胞8。在SCI组织中，SDF-1高表达形成浓度梯度，在间充质干细胞（MSC）及神经干细胞（NSC）等细胞膜上表达 CXCR4，使上述干细胞往SDF-1高浓度处移动，促进干细胞发挥治疗SCI的作用。2 SDF-1/CXCR4轴在干细胞治疗SCI中的作用 2.1MSCMSC 来源于多种生物组织，如成人骨髓、脂肪组织和新生儿脐带
11、、胎盘。MSC被认为是成体干细胞，容易获得，具有强大的自我更新能力和多向分化潜力，这使它们成为SCI细胞移植治疗有吸引力的候选者。MSC可以从多种来源获得，用于自体移植，避免了与胚胎干细胞相关的免疫和伦理问题。此外，MSC在畸胎瘤形成和基因操纵方面比胚胎干细胞或诱导多能干细胞更安全，可在体外和体内获得、维持、扩增和分化为神经细胞9。MSC可以归巢到组织中，特别是受伤或处于病理状态下的组织，包括骨或软骨、肝、肺、心脏、神经和皮肤。此外，MSC可分泌具有免疫调节特性的广谱生物活性大分子，有利于创造再生微环境10。越来越多的证据表明，BMSC移植减少了脊髓中巨噬细胞炎性蛋白1（MIP-1）、IL-4
12、、IL-2、IL-1、IL-6、IL-12p70和肿瘤坏死因子的表达11，表明MSC可能主要通过免疫调节发挥其治疗作用。因此，MSC可能是组织修复和再生有价值的介质。研究证实，BMSC在神经疾病（SCI、中风和肌萎缩侧索硬化）动物模型中有潜在治疗应用。BMSC移植可刺激组织再生，减少损伤大小，并促进SCI的功能恢复10。SDF-1/CXCR4轴有助于 MSC在受伤情况下向包括损伤脑、心脏、肝和骨等组织迁移12。SDF-1/CXCR4轴在MSC迁移中发挥重要作用，对MSC的归巢能力有一定影响13。与 SCI+BMSC组相比，SCI+BMSC+SDF-1 组 SDF-1、CXCR4、神 经 生 长
13、 因 子（NGF）、脑源性神经营养因子（BDNF）和生长相关蛋白43的表达增加，但胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的表达减少。这表明SDF-1/CXCR4轴通过介导BMSC促进 SDF-1、CXCR4、NGF 和 BDNF 的表达。SDF-1将MSC吸引到损伤部位，增强SCI后的轴突萌发，减轻SCI诱导的病理进展，并减轻严重脊髓挫伤大鼠的功能缺陷14。研究表明，P物质、转化生长因子（TGF-）、SDF-1 之间相互作用，可影响 MSC 的迁移。P物质预处理可削弱BMSC响应TGF-的迁移，TGF-预处理抑制了BMSC对SDF-1的迁移，需要进一步研究来探讨信号分子间的复杂作用15。相比于BMSC，
14、ADMSC具有来源广泛、获取方便、增殖速度快等优势，成为治疗 SCI 较为理想的选择。在ADMSC和电针联合治疗大鼠脑缺血损伤的研究证实，SDF-1和CXCR4的表达与促进ADMSC的迁移和存活有关16。并且还发现，ADMSC外泌体具有治疗潜力，通过减轻SCI中的炎症反应，来促进受损组织再生及运动功能恢复17。2.2NSCNSC是一种具有自我更新能力的干细胞，具有分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的潜力，足以提供大量神经组织细胞。由于脊髓自我再生的局限性，NSC移植到损伤部位，可提供神经营养因子，改善微环境，刺激受损轴突的再生，是治疗SCI患者的一个有希望的选择。根据SCI修复的过程，N
15、SC可以调节炎症和免疫微环境，将巨噬细胞极化为抗炎M2型18。NSC可以分泌生长因子来支持运动和感觉轴突的生长，它们还可以分化为神108山东医药2023 年第 63 卷第 19 期经元和神经胶质谱系，作为 SCI 修复的细胞来源。而且改变NSC的分化命运，有助于减少SCI修复过程中形成的胶质瘢痕。此外，NSC可能通过分化为少突胶质细胞在SCI修复过程中促进髓鞘形成19。这些变化以协同方式促进细胞移植后受损脊髓的可塑性和组织再生。神经发生是一个发育过程，涉及 NSC的增殖、迁移和分化以及新生神经元的突触整合。SDF-1/CXCR4信号传导对大脑发育和神经源性疾病的贡献已被广泛报道。SDF-1在N
16、SC中的聚集或过度表达增强了NSC向损伤区域的迁移，并维持了NSC的干细胞特征。且NSC具有表达CXCR4的特征，可沿着SDF1的趋化因子梯度迁移，由血管、胼胝体和胶质细胞形成支架，参与轴突生长和模式、突触功能和重塑的调节20。有证据表明，SDF-1能够通过吸引NSC中CXCR4的表达和促进NSC成熟，对脑缺血再灌注损伤诱导的神经元损伤提供保护作用21。最近的研究表明，SDF-1单次治疗通过激活CXCR4、氨基末端激酶（JNK）、细胞外调节蛋白激酶、丝苏氨酸蛋白激酶、丝裂原激活的蛋白激酶和核因子B促进NSC增殖、侵袭和神经球的形成22。用CXCR4拮抗剂AMD3100处理后，SCI大鼠的运动功能会更差，并可抑制损伤脊髓NSC中Nestion和神经元细胞-微管蛋白的表达增加，表明SDF-1/CXCR4在其中发挥一定作用23。另外，过表达 SDF-1 的 BMSC 与 NSC共移植治疗SCI小鼠模型，可以改善其运动功能，增加病变周围的轴突密度21。2.3EPCEPC来源于造血干细胞，具有强大的血管生成功能。EPC具有早期祖细胞和内皮细胞的混合表型，主要表达CD34、血管内皮生长因子受体2、
