間充質干細胞（MSC）具有低免疫原性、可移植性、組織修復能力強等特征，對于包括糖尿病在內的多種疾病的治療具有重要的研究價值。在MSC治療應用研究中，細胞歸巢以及向特定的目標細胞轉化是其關鍵。基質細胞衍生因子-1（SDF-1）及其受體CXC趨化因子受體4（CXCR4）組成的SDF-1/CXCR4通路在MSC遷移中具有重要作用，通過調控SDF-1/CXCR4通路誘導MSC歸巢至視網膜分化為特定的視網膜神經元治療糖尿病視網膜病變為糖尿病視網膜病變治療提供了一條全新的路徑。
引用本文： 王健, 陳松. 基質細胞衍生因子-1/CXC趨化因子受體4通路在間充質干細胞治療糖尿病視網膜病變中的作用研究. 中華眼底病雜志, 2016, 32(6): 663-666. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2016.06.029 復制
糖尿病視網膜病變(DR)以視網膜組織缺血、缺氧引起的視網膜新生血管形成為主要特征，臨床現有治療方法均是針對預防和抑制視網膜新生血管等并發癥，但其效果不盡如人意。間充質干細胞(MSC)具有多向分化潛能、低免疫原性、免疫赦免等特性[1-3]，被廣泛地用于多種疾病防治研究中并表現出良好的應用前景。在MSC應用研究中，細胞歸巢以及向特定的目標細胞轉化是其關鍵。近年來，MSC移植治療DR的研究取得一定進展，基質細胞衍生因子-1(SDF-1)及其受體CXC趨化因子受體(CXCR)4組成的SDF-1/CXCR4通路在MSC歸巢的調控機制備受關注。現將SDF-1/CXCR4通路在MSC治療DR中的作用綜述如下。
1 MSC治療DR研究現狀
目前用于治療非增生期DR (NPDR)的干細胞主要有MSC、內皮祖細胞、脂肪源性干細胞等。其治療NPDR主要機制包括分泌神經營養因子和神經保護因子以及潛在的血管修復作用[4-7]。MSC因其具有很高的可塑性與自我更新能力，免疫原性弱，是組織工程最理想的種子細胞來源之一。
MSC最初在骨髓中被發現，屬于成體干細胞的一種，是中胚層發育的早期細胞，具有多向分化潛能、免疫調控和自我復制等特點。近年來，隨著對視網膜疾病發病機制的深入研究和MSC治療在各領域的應用，預示MSC未來將在DR、老年性黃斑變性(AMD)和視網膜色素變性(RP)等疾病治療中發揮重要作用[8]。研究人員已經可以從骨髓、脂肪、肌肉、胎盤、臍帶等多種組織中分離和制備MSC。在MSC治療DR的研究中發現，MSC通過自分泌作用的刺激可分化為膠質細胞和光感受器細胞，且其暴露在缺氧視網膜環境下通過旁分泌作用分泌神經保護因子，增加周圍細胞存活[9, 10]。不僅如此，當糖尿病鼠移植MSC后，后者可通過旁分泌作用及分化為光感受器細胞和膠質樣細胞兩種方式來修復血視網膜屏障，改善DR病情[9]。MSC移植后產生的神經保護因子主要包括堿性成纖維細胞生長因子、神經生長因子、腦源性神經營養因子、睫狀神經營養因子和膠質源性神經營養因子等，所以MSC移植比局部單純應用生長因子更具優勢[10-12]。MSC移植治療DR最常見的移植途徑是靜脈輸注和玻璃體腔注射，研究發現玻璃體腔注射比靜脈輸注效果更好[11]。糖尿病患者血糖升高會導致血小板凝聚、白細胞激活而黏附于視網膜血管中，從而使血流減慢、基底膜增厚。MSC移植后，通過免疫調節作用，能夠抑制損傷部位炎癥，調節損傷組織及自身的免疫應答，從而減緩DR進展[13]。但是在MSC治療其他疾病的臨床應用中，大多數靜脈輸注的MSC無法到達損傷部位，所以治療效果較差[14, 15]。因此在移植較高數量干細胞的基礎上，提高MSC歸巢能力是改善干細胞移植治療DR療效的關鍵。
2 SDF-1/CXCR4通路促進MSC歸巢
歸巢原指在骨髓移植療法中經靜脈輸入的干細胞通過血液循環特定地植入到支持其生長發育的骨髓微環境中的過程。但隨著研究范圍的不斷擴大，歸巢目前的含義已經擴展為自體或移植的干細胞在特定條件下移行并定位于機體靶器官或靶組織的過程。當機體遭遇損傷時，損傷部位會表達和分泌多種趨化因子、黏附因子、生長因子等，吸引自體或干細胞歸巢并定植于損傷處[16, 17]。MSC歸巢過程被認為是一個瀑式效應事件, 包括MSC在毛細血管內的圈和、滾動, 進而黏附于內皮細胞表面并跨內皮遷移, 以及自血管內外滲并透過細胞外基質, 最終到達靶組織[18]。
SDF-1屬于趨化因子中CXC亞家族，又名CXCL12，是一種進化上高度保守的蛋白質，相對分子質量為8~10×103。SDF-1基因位于第10號染色體長臂，編碼SDF-1α和SDF-1β兩種蛋白，兩者調節表達和功能方面無明顯差異，在體內主要以SDF-1α為主[19]。廣泛表達于包括視網膜、免疫細胞、心、腦、腎等多種細胞和組織中。能調控多種重要生物學過程，包括干細胞遷移、心臟與神經發育、血管形成、凋亡與腫瘤發生。由于SDF-1可以刺激前B細胞生長并且具有高度趨化作用，因此又被稱為前B細胞刺激因子。CXCR4屬于CXCR類趨化因子受體，是趨化因子SDF-1的特異性受體，也是一個有7個跨膜結構域的G蛋白偶聯受體，其編碼基因位于第4號染色體。CXCR4廣泛表達于血液、免疫和中樞神經系統細胞上，并且高度表達于CD34+造血干細胞及內皮祖細胞表面。當組織損傷后，受損部位會上調SDF-1的表達，使局部SDF-1的濃度升高并向周圍擴散，使表面表達CXCR4的干細胞沿著SDF-1的濃度梯度到達損傷部分定植及修復組織。不僅如此，SDF-1與CXCR4結合后還可以發揮增加干細胞的存活率、提高干細胞增生活性及抗細胞凋亡等作用，從而提高干細胞移植的歸巢效率[20-22]。因此SDF-1/CXCR4通路是調控干細胞遷移的重要信號通路，在MSC歸巢、定植到損傷部位參與修復的過程中發揮重要作用[23-25]。
研究證實，DR患者血液、玻璃體內及視網膜前增生膜中SDF-1水平相對增高，并且SDF-1濃度隨DR病情加重而增加[26]。所以了解SDF-1/CXCR4通路將會對研究DR患者MSC移植后MSC歸巢、定植于視網膜的分子機制有重要借鑒意義。MSC在SDF-1的刺激下，會有30種不同基因表達，其中11種與細胞遷移相關[27]。在干細胞對骨折的修復中，SDF-1/CXCR4通路同樣也起到重要作用。SDF-1信號阻斷后，干細胞歸巢發揮修復作用也會停止[24]。干細胞向缺血的腎臟遷移同樣也主要與CXCR4相關，當用CXCR4拮抗劑AMD3100阻斷CXCR4后，遷移會被完全抑制[28, 29]。劉楠梅等[30]研究過表達CXCR4的骨髓MSC (BMSC)對共培養低氧和(或)復氧腎小管上皮細胞的修復作用，發現過表達CXCR4的BMSC定向遷移能力增加，遷移BMSC的分泌能力增強。在心肌缺血模型中，靜脈輸注逆轉錄病毒介導的CXCR4高表達MSC，可明顯增加MSC歸巢至受損心肌，改善心肌功能[31]。MSC對受損心肌發揮局部營養作用也與CXCR4表達相關[32]。在燒傷和腦梗死的干細胞修復研究中，SDF-1/CXCR4通路同樣與干細胞遷移和修復作用密切相關[33, 34]。上述研究證實損傷部位局部產生的SDF-1與其受體MSC表達的CXCR4之間的相互作用在干細胞歸巢和遷移中的作用至關重要。雖然DR患者SDF-1水平相對增高, 但隨著MSC體外培養傳代次數增加，CXCR4表達則降低[35, 36]。提示臨床需要采取不同的方法來提高MSC表面CXCR4的表達，從而促進MSC歸巢。
目前增加MSC歸巢的研究主要包括：(1)基因修飾。通過慢病毒載體轉染MSC，使其表面CXCR4高度表達。結果證實CXCR4表達上調的MSC歸巢能力明顯提升[37, 38]。同時超聲微囊泡等非病毒載體的深入研究為基因修飾提供了新手段[39]。(2)細胞因子或化學物質預處理。肝細胞生長因子、白細胞介素(IL)-6、IL-3等細胞因子預處理體外培養的MSC能促進趨化因子CXCR4表達，進而促進MSC向SDF-1的遷移能力，促進其向骨髓歸巢[40]。而且丙戊酸、去鐵胺和過氧化氫等一些化學物質預處理MSC也同樣達到上調CXCR4的效果[41-43]。(3)物理效應。主要包括低氧預處理、超聲波、醫用沖擊波、磁性納米顆粒等方法促進CXCR4表達上調，從而促進歸巢[44-47]。使用不同的細胞因子或化學物質預處理或利用物理效應等均可使MSC趨化因子的表達水平短暫增加, 從而促進MSC遷移；然而這種效果持續時間較短, 且受體內環境的影響。因此, 通過基因工程的方法使促進干細胞遷移的關鍵因子持續高水平表達, 可能是目前更為有效的方法。
3 展望
MSC移植為DR治療提供了一個新的思路，但目前還存在MSC體內生存時間短，修復損傷組織的歸巢能力差等缺點，尋找簡便而有效的方法使MSC歸巢于視網膜組織將成為研究熱點。SDF-1/CXCR4通路在MSC歸巢中起重要作用，可以通過調控SDF-1/CXCR4通路誘導MSC的歸巢及最大程度的發揮臨床治療作用，從而為MSC治療包括DR、RP、AMD在內的各種視網膜疾病提供理論基礎。
糖尿病視網膜病變(DR)以視網膜組織缺血、缺氧引起的視網膜新生血管形成為主要特征，臨床現有治療方法均是針對預防和抑制視網膜新生血管等并發癥，但其效果不盡如人意。間充質干細胞(MSC)具有多向分化潛能、低免疫原性、免疫赦免等特性[1-3]，被廣泛地用于多種疾病防治研究中并表現出良好的應用前景。在MSC應用研究中，細胞歸巢以及向特定的目標細胞轉化是其關鍵。近年來，MSC移植治療DR的研究取得一定進展，基質細胞衍生因子-1(SDF-1)及其受體CXC趨化因子受體(CXCR)4組成的SDF-1/CXCR4通路在MSC歸巢的調控機制備受關注。現將SDF-1/CXCR4通路在MSC治療DR中的作用綜述如下。
1 MSC治療DR研究現狀
目前用于治療非增生期DR (NPDR)的干細胞主要有MSC、內皮祖細胞、脂肪源性干細胞等。其治療NPDR主要機制包括分泌神經營養因子和神經保護因子以及潛在的血管修復作用[4-7]。MSC因其具有很高的可塑性與自我更新能力，免疫原性弱，是組織工程最理想的種子細胞來源之一。
MSC最初在骨髓中被發現，屬于成體干細胞的一種，是中胚層發育的早期細胞，具有多向分化潛能、免疫調控和自我復制等特點。近年來，隨著對視網膜疾病發病機制的深入研究和MSC治療在各領域的應用，預示MSC未來將在DR、老年性黃斑變性(AMD)和視網膜色素變性(RP)等疾病治療中發揮重要作用[8]。研究人員已經可以從骨髓、脂肪、肌肉、胎盤、臍帶等多種組織中分離和制備MSC。在MSC治療DR的研究中發現，MSC通過自分泌作用的刺激可分化為膠質細胞和光感受器細胞，且其暴露在缺氧視網膜環境下通過旁分泌作用分泌神經保護因子，增加周圍細胞存活[9, 10]。不僅如此，當糖尿病鼠移植MSC后，后者可通過旁分泌作用及分化為光感受器細胞和膠質樣細胞兩種方式來修復血視網膜屏障，改善DR病情[9]。MSC移植后產生的神經保護因子主要包括堿性成纖維細胞生長因子、神經生長因子、腦源性神經營養因子、睫狀神經營養因子和膠質源性神經營養因子等，所以MSC移植比局部單純應用生長因子更具優勢[10-12]。MSC移植治療DR最常見的移植途徑是靜脈輸注和玻璃體腔注射，研究發現玻璃體腔注射比靜脈輸注效果更好[11]。糖尿病患者血糖升高會導致血小板凝聚、白細胞激活而黏附于視網膜血管中，從而使血流減慢、基底膜增厚。MSC移植后，通過免疫調節作用，能夠抑制損傷部位炎癥，調節損傷組織及自身的免疫應答，從而減緩DR進展[13]。但是在MSC治療其他疾病的臨床應用中，大多數靜脈輸注的MSC無法到達損傷部位，所以治療效果較差[14, 15]。因此在移植較高數量干細胞的基礎上，提高MSC歸巢能力是改善干細胞移植治療DR療效的關鍵。
2 SDF-1/CXCR4通路促進MSC歸巢
歸巢原指在骨髓移植療法中經靜脈輸入的干細胞通過血液循環特定地植入到支持其生長發育的骨髓微環境中的過程。但隨著研究范圍的不斷擴大，歸巢目前的含義已經擴展為自體或移植的干細胞在特定條件下移行并定位于機體靶器官或靶組織的過程。當機體遭遇損傷時，損傷部位會表達和分泌多種趨化因子、黏附因子、生長因子等，吸引自體或干細胞歸巢并定植于損傷處[16, 17]。MSC歸巢過程被認為是一個瀑式效應事件, 包括MSC在毛細血管內的圈和、滾動, 進而黏附于內皮細胞表面并跨內皮遷移, 以及自血管內外滲并透過細胞外基質, 最終到達靶組織[18]。
SDF-1屬于趨化因子中CXC亞家族，又名CXCL12，是一種進化上高度保守的蛋白質，相對分子質量為8~10×103。SDF-1基因位于第10號染色體長臂，編碼SDF-1α和SDF-1β兩種蛋白，兩者調節表達和功能方面無明顯差異，在體內主要以SDF-1α為主[19]。廣泛表達于包括視網膜、免疫細胞、心、腦、腎等多種細胞和組織中。能調控多種重要生物學過程，包括干細胞遷移、心臟與神經發育、血管形成、凋亡與腫瘤發生。由于SDF-1可以刺激前B細胞生長并且具有高度趨化作用，因此又被稱為前B細胞刺激因子。CXCR4屬于CXCR類趨化因子受體，是趨化因子SDF-1的特異性受體，也是一個有7個跨膜結構域的G蛋白偶聯受體，其編碼基因位于第4號染色體。CXCR4廣泛表達于血液、免疫和中樞神經系統細胞上，并且高度表達于CD34+造血干細胞及內皮祖細胞表面。當組織損傷后，受損部位會上調SDF-1的表達，使局部SDF-1的濃度升高并向周圍擴散，使表面表達CXCR4的干細胞沿著SDF-1的濃度梯度到達損傷部分定植及修復組織。不僅如此，SDF-1與CXCR4結合后還可以發揮增加干細胞的存活率、提高干細胞增生活性及抗細胞凋亡等作用，從而提高干細胞移植的歸巢效率[20-22]。因此SDF-1/CXCR4通路是調控干細胞遷移的重要信號通路，在MSC歸巢、定植到損傷部位參與修復的過程中發揮重要作用[23-25]。
研究證實，DR患者血液、玻璃體內及視網膜前增生膜中SDF-1水平相對增高，并且SDF-1濃度隨DR病情加重而增加[26]。所以了解SDF-1/CXCR4通路將會對研究DR患者MSC移植后MSC歸巢、定植于視網膜的分子機制有重要借鑒意義。MSC在SDF-1的刺激下，會有30種不同基因表達，其中11種與細胞遷移相關[27]。在干細胞對骨折的修復中，SDF-1/CXCR4通路同樣也起到重要作用。SDF-1信號阻斷后，干細胞歸巢發揮修復作用也會停止[24]。干細胞向缺血的腎臟遷移同樣也主要與CXCR4相關，當用CXCR4拮抗劑AMD3100阻斷CXCR4后，遷移會被完全抑制[28, 29]。劉楠梅等[30]研究過表達CXCR4的骨髓MSC (BMSC)對共培養低氧和(或)復氧腎小管上皮細胞的修復作用，發現過表達CXCR4的BMSC定向遷移能力增加，遷移BMSC的分泌能力增強。在心肌缺血模型中，靜脈輸注逆轉錄病毒介導的CXCR4高表達MSC，可明顯增加MSC歸巢至受損心肌，改善心肌功能[31]。MSC對受損心肌發揮局部營養作用也與CXCR4表達相關[32]。在燒傷和腦梗死的干細胞修復研究中，SDF-1/CXCR4通路同樣與干細胞遷移和修復作用密切相關[33, 34]。上述研究證實損傷部位局部產生的SDF-1與其受體MSC表達的CXCR4之間的相互作用在干細胞歸巢和遷移中的作用至關重要。雖然DR患者SDF-1水平相對增高, 但隨著MSC體外培養傳代次數增加，CXCR4表達則降低[35, 36]。提示臨床需要采取不同的方法來提高MSC表面CXCR4的表達，從而促進MSC歸巢。
目前增加MSC歸巢的研究主要包括：(1)基因修飾。通過慢病毒載體轉染MSC，使其表面CXCR4高度表達。結果證實CXCR4表達上調的MSC歸巢能力明顯提升[37, 38]。同時超聲微囊泡等非病毒載體的深入研究為基因修飾提供了新手段[39]。(2)細胞因子或化學物質預處理。肝細胞生長因子、白細胞介素(IL)-6、IL-3等細胞因子預處理體外培養的MSC能促進趨化因子CXCR4表達，進而促進MSC向SDF-1的遷移能力，促進其向骨髓歸巢[40]。而且丙戊酸、去鐵胺和過氧化氫等一些化學物質預處理MSC也同樣達到上調CXCR4的效果[41-43]。(3)物理效應。主要包括低氧預處理、超聲波、醫用沖擊波、磁性納米顆粒等方法促進CXCR4表達上調，從而促進歸巢[44-47]。使用不同的細胞因子或化學物質預處理或利用物理效應等均可使MSC趨化因子的表達水平短暫增加, 從而促進MSC遷移；然而這種效果持續時間較短, 且受體內環境的影響。因此, 通過基因工程的方法使促進干細胞遷移的關鍵因子持續高水平表達, 可能是目前更為有效的方法。
3 展望
MSC移植為DR治療提供了一個新的思路，但目前還存在MSC體內生存時間短，修復損傷組織的歸巢能力差等缺點，尋找簡便而有效的方法使MSC歸巢于視網膜組織將成為研究熱點。SDF-1/CXCR4通路在MSC歸巢中起重要作用，可以通過調控SDF-1/CXCR4通路誘導MSC的歸巢及最大程度的發揮臨床治療作用，從而為MSC治療包括DR、RP、AMD在內的各種視網膜疾病提供理論基礎。