CXC 趨化因子配體 12（CXC chemokine ligand 12, CXCL12）是一種能趨化細胞向特定部位運動的小分子多肽類物質，廣泛分布于心臟、骨骼肌、肝臟、腦組織等處。目前研究認為，CXCL12 通過與 CXC 趨化因子受體 4（CXC chemokine receptor 4, CXCR4）和非典型趨化因子受體 3（atypical chemokine receptor 3, ACKR3）2 種受體結合對心血管疾病的形成和進展發揮作用，但機制尚不十分清楚，甚至出現一些相悖的試驗結果。該文主要通過討論 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸在動脈粥樣硬化、心肌梗死、心肌重塑中的作用，探索冠心病發展過程中的炎癥機制，為臨床藥物的進一步研究提供依據。
引用本文： 文倩, 李芝霖, 丁玉蘭, 汪紅霞. CXC 趨化因子配體 12-CXC 趨化因子受體 4/非典型趨化因子受體 3 軸對冠心病影響機制的研究進展. 華西醫學, 2023, 38(8): 1262-1268. doi: 10.7507/1002-0179.202303010 復制
心血管疾病是我國城鄉居民的首要死亡原因，冠心病作為最常見的心血管疾病，造成了巨大的國民經濟負擔。近年來，藥物和心肌再灌注治療顯著降低了冠心病的死亡率[1]，冠心病患者的生存率提高，但部分患者由于各種原因導致的心臟修復和重塑，最終出現心功能下降并發展為心力衰竭。在冠心病的進展中，炎癥趨化因子在損傷和修復中發揮著至關重要的作用，其中 CXC 趨化因子配體 12（CXC chemokine ligand 12, CXCL12）及其受體廣泛分布在心內膜、血管、骨骼肌、肝臟、腦組織等處，基于其復雜的生物學作用，大量研究聚集于 CXCL12-CXC 趨化因子受體 4（CXC chemokine receptor 4, CXCR4）/非典型趨化因子受體 3（atypical chemokine receptor 3, ACKR3）軸對冠心病發生及發展過程的影響，但部分臨床研究存在不一致的研究結果，甚至出現相悖的結論與觀點。本綜述旨在探討 CXCL12 與 CXCR4/ACKR3 結合對冠心病的發生、進展的特異性作用和機制，以期發現此類心血管疾病的新的治療靶點。
1 冠心病的概況及發病機制
冠心病以冠狀動脈病變引起缺血缺氧性心肌損傷為主要特點，是心血管疾病最常見的死亡原因。據美國心臟協會統計，美國 20 歲以上成年人的冠心病總患病率為 6.3%[1]。中國冠心病患病率近年也不斷上升，根據 2020 年發布的《中國心血管健康與疾病報告》[2]推算，我國心血管疾病現患人數約 3.3 億，其中冠心病患者約 1139 萬，造成了嚴重的社會負擔。目前冠心病的治療包括健康的生活方式，控制血糖、血壓、血脂，抗血小板治療，抗凝治療，以及急性冠心病發作時的心肌再灌注治療。及時的藥物干預和早期成功實施再灌注治療顯著降低了冠心病的死亡率。隨著冠心病患者存活率的上升，部分患者由心臟的修復和重構等導致的心力衰竭也逐年上升，因此，改善冠心病的進展以期減少心力衰竭負擔至關重要。
冠狀動脈的多種病變均可引起冠心病，最常見的病因為冠狀動脈粥樣硬化。內膜病變、細胞功能異常等導致脂質和其他物質沉積在動脈壁內和動脈壁上形成動脈粥樣硬化斑塊并出現冠狀動脈重塑，斑塊進展致冠狀動脈狹窄、阻塞，心肌出現缺血缺氧性改變，患者可由穩定型冠心病發展為心肌梗死。同時，部分急慢性冠心病伴隨心肌纖維化形成并引起心肌重塑，最終導致心臟功能下降并發展為心力衰竭。在冠心病的形成和發展中，炎癥趨化因子廣泛分布于心臟內膜、血管等處，通過誘導白細胞、血管平滑肌細胞、內皮細胞等至病變部位，從而在動脈粥樣硬化形成、冠狀動脈疾病進展、急性冠狀動脈血栓形成和閉塞以及心肌重構中發揮著重要的作用。
2 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸
趨化因子作為具有多種生物學功能的炎癥介質，在感染或組織損傷時向病變部位聚集[3]。根據其氨基酸序列的相似性，趨化因子在結構上分為 C、CC、CX3C 和 CXC 四大類[4]。CXC 亞類中的 CXCL12 也稱基質細胞衍生因子（chemokine stromal cell-derived factor-1, SDF-1），它廣泛分布于心臟、骨骼肌、骨髓干細胞、肝臟、腦組織等，在誘導白細胞遷移和血管損傷修復中發揮重要作用，不僅是許多器官發育的核心，更進一步參與癌癥、炎癥和心血管疾病的發生發展過程[5-7]。
目前對于 CXCL12 的受體研究集中在 CXCR4 和 CXC 趨化因子受體 7，后者即 ACKR3，這 2 種受體均屬于 G 蛋白偶聯受體家族。CXCR4 廣泛表達于平滑肌細胞、血管內皮細胞、巨噬細胞、單核細胞等，通過 G 蛋白異源三聚體介導細胞內信號的進一步轉導而引起鈣離子流的變化，在炎癥細胞的募集、細胞遷移、增殖、歸巢、抗凋亡中發揮重要作用[8]。在小鼠、斑馬魚等動物實驗中，CXCL12-CXCR4 軸的作用被廣泛證實，即通過刺激內皮細胞遷移并在血管床中發揮作用從而調控血管生成[9-11]，CXCL12-CXCR4 信號軸則受細胞命運決定因子轉錄因子的激活進一步平衡冠狀動脈的生長和成熟[12]。另一項針對人誘導多能干細胞來源的心肌細胞研究顯示，CXCR4 通過直接相互作用調節 β2-腎上腺素能受體，敲除 CXCR4 顯著降低了心臟自發搏動，而 β-腎上腺素能受體刺激的典型肌力反應增強[13]。
ACKR3 作為非典型 G 蛋白偶聯受體，并不引起細胞鈣離子流的變化，它對 CXCL12 的生物學效應相對復雜，首先是作為細胞外 CXCL12 清除劑的清道夫功能，通過在質膜和細胞內結構之間不斷循環，從而建立 CXCL12 濃度梯度[14]，這主要受 CXCL12 誘導的受體蛋白磷酸化及其防止降解的保護作用調節[15]。其次是作為活性信號受體，一方面對 CXCR4 產生抑制作用[16-17]，一方面與 CXCR4 形成同型或異源二聚體對 CXCL12 進行應答，根據組織細胞類型的不同而產生復雜的生物學效應[18]，其細胞和組織特異性作用還在探索中。一項動物實驗中，切除平滑肌衍生的 CXCL12 的小鼠表現為嚴重的冠狀動脈血管缺陷和心肌肥大，而 ACKR3 激動劑治療可減輕病變小鼠的心肌肥厚并恢復心功能，提示平滑肌特異性 CXCL12 在動脈發育、血管成熟和心肌肥厚中起著關鍵作用，而 ACKR3 可能是其治療靶點[19]。
3 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸對冠心病的影響
3.1 動脈粥樣硬化
CXCL12 和 CXCR4/ACKR3 在參與動脈粥樣硬化斑塊形成的細胞如內皮細胞、血管平滑肌細胞、單核細胞、單核細胞衍生的巨噬細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞以及調節性 T 細胞等均有表達，其在動脈粥樣硬化形成過程中具有復雜的細胞生物學效應。一項同時建立了體內和體外動脈粥樣硬化模型的研究顯示，氧化低密度脂蛋白誘導了先前由肉豆蔻酸乙酯誘導的巨噬細胞釋放 CXCL12，后者通過促進血管平滑肌的增殖及其向泡沫細胞的轉化，導致了動脈粥樣硬化斑塊的形成和發展，而 CXCL12 的表達在體外共培養的細胞模型和體內動脈粥樣硬化模型中均顯著增加[20]。同樣地，在一項動物實驗中，動脈內皮細胞特異性 CXCL12 缺乏癥的小鼠胸腹主動脈和主動脈弓的動脈粥樣硬化病變面積顯著減少，CXCL12 血漿水平降低，該研究顯示內皮細胞衍生的 CXCL12 為動脈粥樣硬化的關鍵驅動因素[21]。
然而當 CXCL12 與 CXCR4 發生相互作用時，其結果似乎出現了不一致性。在一項動物實驗中，動脈內皮細胞或平滑肌細胞中 CXCR4 的細胞特異性缺失顯著增加高脂血癥小鼠動脈粥樣硬化的形成，該實驗認為血管 CXCR4 主要通過維持動脈完整性、維持內皮屏障功能和正常收縮平滑肌細胞表型來限制動脈粥樣硬化的發展[22]。這在 Mause 等[23]的研究中得到了進一步的驗證，該研究顯示，動脈損傷時，CXCL12 局部累積并形成一個基于 CXCL12-CXCR4 的自動調節反饋回路，同時內皮祖細胞和平滑肌細胞相互作用，共同建立了促進內皮細胞遷移和增殖的微環境，CXCL12 在微環境中釋放增強，從而促進了 CXCR4 依賴的內皮細胞增殖、遷移和傷口愈合。當血管 CXCR4 基因缺失而破壞這一信號通路時，內皮細胞的通透性增加，炎癥細胞的募集增加，從而可能推動動脈粥樣硬化的進展。相反地，在 Gao 等[24]的研究中，CXCL12 通過激活磷酸化糖原合成酶激酶 3β/β-連環蛋白 T120/轉錄因子 21 信號通路降低人腺苷三磷酸結合盒轉運體 A1 的表達來減少膽固醇從巨噬細胞流出到載脂蛋白 A-I，從而加重動脈粥樣硬化的形成，CXCR4 的敲低或抑制可阻斷 CXCL12 對人腺苷三磷酸結合盒轉運蛋白 A1 表達，這主要是從 CXCL12 促進膽固醇從巨噬細胞中流出的角度來證明其對動脈粥樣硬化形成過程脂質因素的不利影響。
此外，ACKR3 顯示出動脈硬化保護作用。在一項動物研究中，ACKR3 通過促進脂肪組織中膽固醇的攝取來調節血液膽固醇，從而抑制頸動脈粥樣硬化形成，并改善血管損傷后和動脈粥樣硬化期間的高脂血癥，但這可能是通過 CXCR4 受體發揮作用[25]。在另一項頸動脈研究中，TC14012（ACKR3 激活劑）逆轉了氧化脂多糖誘導的人臍靜脈內皮細胞功能障礙，如遷移、脈管形成和細胞凋亡等，TC14012 還抑制體內含有蛋白結構域 3 的核酸結合寡聚結構域樣受體家族信號通路介導的細胞凋亡，最終導致高脂飲食喂養的小鼠動脈粥樣硬化病變減少[26]。CXCL12 在介導動脈粥樣硬化形成的過程中同時維持了血管穩態，而不同細胞如內皮細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞、骨髓甚至脂肪或肝臟等來源[27]的 CXCL12 均發揮著相異的作用，這就需要研究特異性更強的靶向藥物，針對性地作用于致動脈粥樣硬化物質或路徑，才能在保證其有益作用的同時，抑制動脈粥樣硬化的進展。
3.2 冠心病
3.2.1 CXCL12 與冠心病的評估與預后
在識別冠心病因果關系的孟德爾隨機化分析中，CXCL12 水平升高被確定為冠心病的致病危險因素[27]。同時，在一項 88 例受試者參與的人類觀察性研究中，CXCL12 則被證實與冠狀動脈閉塞的嚴重程度相關[28]，而這可能與其通過血管生成和血管抑制作用參與側支循環發展相關。可見，CXCL12 及其受體在冠心病的發生發展中發揮著不可忽視的作用。
近年 CXCL12 也作為冠心病預后因子被研究。一項人類觀察性研究顯示，在對急性冠脈綜合征患者長達 5 年的隨訪中，高濃度 CXCL12 是全因死亡率和主要不良心腦血管事件的獨立預測因子，但盡管 CXCL12 的最高值有心肌梗死的趨勢，它卻并不是心肌梗死的獨立預測因子，并且 CXCL12 在隨訪期間與心肌梗死、卒中和心力衰竭的發展無關[29]。在另一項相關性研究結果中，入院 3 d 內的急性心肌梗死患者 CXCL12 值越高，則冠狀動脈受累越嚴重，1 個月時左心室射血分數降低越明顯，即 CXCL12 水平與急性缺血事件后 1 個月冠狀動脈病變的嚴重程度和左心室射血分數相關[30]。總體來說，CXCL12 作為冠心病心臟功能預后因子的研究較少，其 CXCR4 及 ACKR3 的功能狀態也未納入同步測定，且均為單中心小樣本研究，后期可能需要更多試驗以探索其對急性冠脈綜合征后心臟功能的預測及影響。
3.2.2 CXCL12-CXCR4 對心肌梗死的影響
CXCL12 及 CXCR4 在心肌梗死后上調，作為心臟損傷、修復和重塑的關鍵介質。新生兒動脈內皮細胞損傷后，刺激 CXCL12-CXCR4 信號啟動“動脈重新組裝”，即促進心臟再生，在成人中動脈內皮細胞則可被誘導與外源性 CXCL12 進行動脈重組裝形成側支動脈[31]，這為心肌梗死缺血損傷區的內皮細胞的治療提供了思路。再者，一項動物實驗研究顯示，斑馬魚心肌梗死后，新冠狀動脈通過發芽的方式在再生心內外膜上作出反應，而心外膜部分則通過 CXCL12-CXCR4 信號引導淺表冠狀動脈血運重建，它與心內膜 Vegfa 等信號的多組織協調最終形成了橫跨損傷區域的血管支架[32]。同樣，心肌梗死后糖尿病小鼠 CXCL12-CXCR4 軸受損，損傷區域的血管密度降低，而通過過度表達 CXCL12 拯救 CXCL12-CXCR4 軸的功能可以改善糖尿病小鼠的心功能[33]。可見，CXCL12 在心肌梗死后通過多種途徑作用于心內膜以及內皮細胞等，協同促進血管生成等，起到了保護梗死后心臟的作用。而 CXCL12 對于心肌細胞的作用中，Gong 等[34]的實驗顯示，骨髓間充質干細胞衍生的外泌體 Exo 中 CXCL12 過表達抑制了缺血性心肌細胞的凋亡和自噬，并促進了內皮細胞微血管的生成，從而保護了心肌梗死小鼠的心功能。相比之下，體外培養成年大鼠心肌細胞研究的結果表明，CXCL12 具有劑量依賴性效應，即用更高濃度的 CXCL12（300～500 ng/mL）處理成年大鼠心肌細胞可誘導腫瘤壞死因子-α 分泌，并隨后導致心肌細胞凋亡[35]。可見不同濃度的 CXCL12 對心肌細胞產生不同的生物學效應，這可能與心肌梗死后心臟功能的恢復程度相關。
除此之外，CXCL12 在招募干細胞到損傷部位刺激修復的同時，通過與缺血狀態相關的相同信號通路，即再灌注損傷補救激酶和生存活化因子增強途徑，使心臟免受致死性心肌再灌注損傷[36]。Bromage 等[37]在心肌梗死小鼠再灌注前給予 CXCL12 干預，小鼠心肌梗死面積較對照組減少，顯示出內皮 CXCL12 介導的心臟再灌注保護作用。另一方面，Bromage 等[37]在證明內皮細胞 CXCL12 介導心臟保護作用的同時，發現 CXCR4 天然缺乏的小鼠對缺血再灌注具有天然抵抗力，即 CXCR4 缺失本身也具有梗死急性保護作用。同樣在另一項實驗中，將 CXCR4 拮抗劑 POL55551 應用于心肌梗死小鼠中，小鼠梗死心肌邊緣血管生成增多，瘢痕減少，最終表現為左心室重塑減少和收縮功能障礙減輕，這可能是通過樹突狀細胞誘導的脾臟調節性 T 細胞影響巨噬細胞、單核細胞的炎癥表達以促進梗死修復[38]。相互矛盾的結果也進一步提示了心肌梗死后細胞修復的復雜性，這可能與 CXCL12 的細胞來源與濃度、分布、峰值時間，以及內源性 CXCL12 激增與 CXCR4 上調相結合的時間等密切相關[39]。
3.2.3 CXCL12-ACKR3 對心肌梗死的影響
目前研究顯示出 ACKR3 對心肌梗死后心臟的保護作用。在 CXCL12 升高的情況下，小鼠 ACKR3 特異性缺失加劇了心肌梗死后的心臟功能障礙，其死亡率和心肌梗死面積均增加，而通過左心室注射 ACKR3 基因轉染的腺病毒和使用 ACKR3 激動劑治療都可以在心肌梗死后提供心臟保護[40]。Ishizuka 等[41]的研究結果顯示，心肌細胞特異性 ACKR3 敲除的心肌梗死后小鼠，與對照組相比其心臟重量及左心室面積均顯著增大，心肌收縮功能則明顯降低。這在另一項動物實驗中同樣被證實，該研究中，心肌細胞特異性 ACKR3 缺失的心肌梗死小鼠出現明顯的心臟擴張和功能障礙，該實驗進一步指出 ACKR3 可能作為 β-阻遏蛋白偏向性受體，并通過激活細胞外信號調節激酶在心臟中發揮保護作用[42]。同時，在 Zhang 等[43]對急性心肌梗死后小鼠的實驗結果中，ACKR3 的激活可能會減輕心功能的下降，其主要通過促進缺血心臟組織的血管生成以挽救缺血心肌。ACKR3 還參與心肌梗死中巨噬細胞相關的發病機制，它主要通過激活細胞外信號調節激酶抑制分泌促炎因子的 M1 樣巨噬細胞極化、趨化性和炎癥以改善心肌梗死后損傷[44]。血小板 CXCR4/ACKR3 參與 ST 段抬高型心肌梗死后的心肌再生，一項人類學研究發現血小板表面的 CXCR4、ACKR3 暴露與血小板存活率相關，高濃度的 ACKR3 血小板表面暴露有助于梗死后的心功能恢復[45]。CXCL12 通過 CXCR4/ACKR3 對心肌梗死的臨床研究見表1，可見 ACKR3 在心肌梗死后維持血管穩態、避免心臟不良重塑、改善心功能等方面有重要意義，尤其是心肌細胞特異性的 ACKR3，可作為心肌梗死后新的治療靶點。
表1
CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸對心肌梗死作用的臨床研究
3.3 心肌重塑
在冠心病病變過程中，心肌細胞死亡引發炎癥反應，成纖維細胞、內皮細胞等滲入梗死區，通過促進膠原沉積和血管生成，導致心肌纖維化和瘢痕形成，心肌重塑最終引起心力衰竭。CXCL12 及其受體通過各種途徑趨化細胞修復與凋亡，影響心臟梗死邊界區血運重建等，從而對左心室重構和收縮功能等產生影響。研究顯示，CXCL12-CXCR4 軸一方面參與成纖維祖細胞的募集[46]，另一方面直接驅動心臟成纖維細胞的增殖和肥大以及膠原蛋白的產生[47]。但同時，CXCL12 也是從循環血液中招募造血干細胞的成熟藥物，可顯著增加心臟瘢痕組織的血管形成和血管化，并持續改善心肌梗死后的左心室功能。一項動物實驗結合了 24 h 內遞送 Met-CCL5 的快速可降解水凝膠和 4 周內逐漸釋放蛋白酶抗性 CXCL12（S4V）的慢速降解水凝膠，將兩者按時間控制釋放，最終通過調控炎癥細胞的浸潤，促進了梗死心肌的新生血管形成并減少了細胞凋亡[48]。但目前臨床上在減少心肌壞死和優化心肌梗死后的修復方面的治療仍然有限，許多動物實驗結果在應用于人類時效果較差，未來還需要更多研究通過控制 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸以挽救冠心病后的心臟功能。
3.4 基因工程
研究者們根據 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸的特異性也作了廣泛的基因工程探索。一項研究報道，注射了長壽相關變異（LAV）-BPIFB4 基因的高脂飲食 ApoE 基因敲除小鼠動脈粥樣硬化形成減少，并通過調節 CXCR4 使巨噬細胞向抗炎性 M2 分解表型傾斜，從而為動脈粥樣硬化的治療開辟了新的可能性[49]。另外，低密度脂蛋白上氧化特異性表位的 B-1 細胞衍生的天然免疫球蛋白 M 抗體具有抗炎和抗動脈粥樣硬化的作用，而 B-1 細胞的 CXCR4 表達與血漿中低密度脂蛋白特異性免疫球蛋白 M 抗體水平呈正相關[50]，與人冠狀動脈斑塊負荷和壞死呈負相關，這提示可以通過增加 B-1 細胞上 CXCR4 的表達來限制動脈粥樣硬化斑塊的進展。
在對于心肌梗死治療的研究中，Huang 等[51]利用 SDF-1-AnxA5 錨定心肌梗死組織，提高局部 CXCL12 濃度，從而減輕小鼠心肌梗死面積、增強血管生成并改善心臟功能。Wang 等[52]開發的超高效促血管生成趨化因子工程基質細胞衍生因子 1α 類似物可以在心肌梗死后保持左心室雙軸力學性能，以改善心肌梗死后心室重構和心臟功能。再者，Jeong 等[53]將插入端粒酶逆轉錄酶的球形基因工程心臟干細胞移植到大鼠急性心肌梗死模型中，球形基因工程心臟干細胞通過旁分泌作用刺激 CXCL12/CXCR4 的下游 Erk 和 Akt 信號通路，改善心臟功能并減少纖維化面積，有助于有益的心肌梗死后心室重塑。另外，基于抗糖尿病藥物二肽基肽酶-4 抑制劑通過阻止 CXCL12 的降解來增加其半衰期的作用[33]，二肽基肽酶-4 抑制劑作為心肌保護劑，尤其是急性期心肌再灌注損傷時的藥物研究值得探討。靶向技術和分子成像技術的結合也為心肌梗死的治療開辟了新的途徑，在一項動物實驗中，研究者使用正電子發射斷層掃描成像技術早期識別冠狀動脈結扎小鼠的 CXCR4 上調，并在梗死后 3 d 的 CXCR4 峰值時通過使用 CXCR4 阻滯劑 AMD3100 治療小鼠，最終降低了左心室破裂的發生率，并改善了心臟收縮功能[54]。但這并不能確定 CXCR4 的來源，病變小鼠也均為完全性的冠狀動脈閉塞，這是否會引起跨壁組織損傷等從而影響研究結果也未可知。
由于 CXCL12 及其受體在不同細胞中的功能異質性，以及其時間、空間等有限可用性，局部特異性地調節 CXCL12 及其受體的表達以期減少不良作用、增強修復等有利作用將是未來研究的目標，而這還需要大量的臨床試驗進行驗證。
4 結語
CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸在心血管事件的病理活動中發揮著復雜的作用，一方面在損傷修復、維持血管穩態和心肌重塑過程中發揮保護作用，另一方面通過趨化炎癥因子、誘導凋亡等發揮其病理作用。未來的研究應進一步明確 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸在特定環境中的細胞來源、濃度變化、持續時間、作用機制及相互作用等，以期能找到治療心血管疾病更精確的靶向藥物。
作者貢獻：文倩負責文獻搜集、閱讀和文章撰寫，李芝霖、丁玉蘭負責文獻閱讀和校對，汪紅霞負責文章審核。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
心血管疾病是我國城鄉居民的首要死亡原因，冠心病作為最常見的心血管疾病，造成了巨大的國民經濟負擔。近年來，藥物和心肌再灌注治療顯著降低了冠心病的死亡率[1]，冠心病患者的生存率提高，但部分患者由于各種原因導致的心臟修復和重塑，最終出現心功能下降并發展為心力衰竭。在冠心病的進展中，炎癥趨化因子在損傷和修復中發揮著至關重要的作用，其中 CXC 趨化因子配體 12（CXC chemokine ligand 12, CXCL12）及其受體廣泛分布在心內膜、血管、骨骼肌、肝臟、腦組織等處，基于其復雜的生物學作用，大量研究聚集于 CXCL12-CXC 趨化因子受體 4（CXC chemokine receptor 4, CXCR4）/非典型趨化因子受體 3（atypical chemokine receptor 3, ACKR3）軸對冠心病發生及發展過程的影響，但部分臨床研究存在不一致的研究結果，甚至出現相悖的結論與觀點。本綜述旨在探討 CXCL12 與 CXCR4/ACKR3 結合對冠心病的發生、進展的特異性作用和機制，以期發現此類心血管疾病的新的治療靶點。
1 冠心病的概況及發病機制
冠心病以冠狀動脈病變引起缺血缺氧性心肌損傷為主要特點，是心血管疾病最常見的死亡原因。據美國心臟協會統計，美國 20 歲以上成年人的冠心病總患病率為 6.3%[1]。中國冠心病患病率近年也不斷上升，根據 2020 年發布的《中國心血管健康與疾病報告》[2]推算，我國心血管疾病現患人數約 3.3 億，其中冠心病患者約 1139 萬，造成了嚴重的社會負擔。目前冠心病的治療包括健康的生活方式，控制血糖、血壓、血脂，抗血小板治療，抗凝治療，以及急性冠心病發作時的心肌再灌注治療。及時的藥物干預和早期成功實施再灌注治療顯著降低了冠心病的死亡率。隨著冠心病患者存活率的上升，部分患者由心臟的修復和重構等導致的心力衰竭也逐年上升，因此，改善冠心病的進展以期減少心力衰竭負擔至關重要。
冠狀動脈的多種病變均可引起冠心病，最常見的病因為冠狀動脈粥樣硬化。內膜病變、細胞功能異常等導致脂質和其他物質沉積在動脈壁內和動脈壁上形成動脈粥樣硬化斑塊并出現冠狀動脈重塑，斑塊進展致冠狀動脈狹窄、阻塞，心肌出現缺血缺氧性改變，患者可由穩定型冠心病發展為心肌梗死。同時，部分急慢性冠心病伴隨心肌纖維化形成并引起心肌重塑，最終導致心臟功能下降并發展為心力衰竭。在冠心病的形成和發展中，炎癥趨化因子廣泛分布于心臟內膜、血管等處，通過誘導白細胞、血管平滑肌細胞、內皮細胞等至病變部位，從而在動脈粥樣硬化形成、冠狀動脈疾病進展、急性冠狀動脈血栓形成和閉塞以及心肌重構中發揮著重要的作用。
2 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸
趨化因子作為具有多種生物學功能的炎癥介質，在感染或組織損傷時向病變部位聚集[3]。根據其氨基酸序列的相似性，趨化因子在結構上分為 C、CC、CX3C 和 CXC 四大類[4]。CXC 亞類中的 CXCL12 也稱基質細胞衍生因子（chemokine stromal cell-derived factor-1, SDF-1），它廣泛分布于心臟、骨骼肌、骨髓干細胞、肝臟、腦組織等，在誘導白細胞遷移和血管損傷修復中發揮重要作用，不僅是許多器官發育的核心，更進一步參與癌癥、炎癥和心血管疾病的發生發展過程[5-7]。
目前對于 CXCL12 的受體研究集中在 CXCR4 和 CXC 趨化因子受體 7，后者即 ACKR3，這 2 種受體均屬于 G 蛋白偶聯受體家族。CXCR4 廣泛表達于平滑肌細胞、血管內皮細胞、巨噬細胞、單核細胞等，通過 G 蛋白異源三聚體介導細胞內信號的進一步轉導而引起鈣離子流的變化，在炎癥細胞的募集、細胞遷移、增殖、歸巢、抗凋亡中發揮重要作用[8]。在小鼠、斑馬魚等動物實驗中，CXCL12-CXCR4 軸的作用被廣泛證實，即通過刺激內皮細胞遷移并在血管床中發揮作用從而調控血管生成[9-11]，CXCL12-CXCR4 信號軸則受細胞命運決定因子轉錄因子的激活進一步平衡冠狀動脈的生長和成熟[12]。另一項針對人誘導多能干細胞來源的心肌細胞研究顯示，CXCR4 通過直接相互作用調節 β2-腎上腺素能受體，敲除 CXCR4 顯著降低了心臟自發搏動，而 β-腎上腺素能受體刺激的典型肌力反應增強[13]。
ACKR3 作為非典型 G 蛋白偶聯受體，并不引起細胞鈣離子流的變化，它對 CXCL12 的生物學效應相對復雜，首先是作為細胞外 CXCL12 清除劑的清道夫功能，通過在質膜和細胞內結構之間不斷循環，從而建立 CXCL12 濃度梯度[14]，這主要受 CXCL12 誘導的受體蛋白磷酸化及其防止降解的保護作用調節[15]。其次是作為活性信號受體，一方面對 CXCR4 產生抑制作用[16-17]，一方面與 CXCR4 形成同型或異源二聚體對 CXCL12 進行應答，根據組織細胞類型的不同而產生復雜的生物學效應[18]，其細胞和組織特異性作用還在探索中。一項動物實驗中，切除平滑肌衍生的 CXCL12 的小鼠表現為嚴重的冠狀動脈血管缺陷和心肌肥大，而 ACKR3 激動劑治療可減輕病變小鼠的心肌肥厚并恢復心功能，提示平滑肌特異性 CXCL12 在動脈發育、血管成熟和心肌肥厚中起著關鍵作用，而 ACKR3 可能是其治療靶點[19]。
3 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸對冠心病的影響
3.1 動脈粥樣硬化
CXCL12 和 CXCR4/ACKR3 在參與動脈粥樣硬化斑塊形成的細胞如內皮細胞、血管平滑肌細胞、單核細胞、單核細胞衍生的巨噬細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞以及調節性 T 細胞等均有表達，其在動脈粥樣硬化形成過程中具有復雜的細胞生物學效應。一項同時建立了體內和體外動脈粥樣硬化模型的研究顯示，氧化低密度脂蛋白誘導了先前由肉豆蔻酸乙酯誘導的巨噬細胞釋放 CXCL12，后者通過促進血管平滑肌的增殖及其向泡沫細胞的轉化，導致了動脈粥樣硬化斑塊的形成和發展，而 CXCL12 的表達在體外共培養的細胞模型和體內動脈粥樣硬化模型中均顯著增加[20]。同樣地，在一項動物實驗中，動脈內皮細胞特異性 CXCL12 缺乏癥的小鼠胸腹主動脈和主動脈弓的動脈粥樣硬化病變面積顯著減少，CXCL12 血漿水平降低，該研究顯示內皮細胞衍生的 CXCL12 為動脈粥樣硬化的關鍵驅動因素[21]。
然而當 CXCL12 與 CXCR4 發生相互作用時，其結果似乎出現了不一致性。在一項動物實驗中，動脈內皮細胞或平滑肌細胞中 CXCR4 的細胞特異性缺失顯著增加高脂血癥小鼠動脈粥樣硬化的形成，該實驗認為血管 CXCR4 主要通過維持動脈完整性、維持內皮屏障功能和正常收縮平滑肌細胞表型來限制動脈粥樣硬化的發展[22]。這在 Mause 等[23]的研究中得到了進一步的驗證，該研究顯示，動脈損傷時，CXCL12 局部累積并形成一個基于 CXCL12-CXCR4 的自動調節反饋回路，同時內皮祖細胞和平滑肌細胞相互作用，共同建立了促進內皮細胞遷移和增殖的微環境，CXCL12 在微環境中釋放增強，從而促進了 CXCR4 依賴的內皮細胞增殖、遷移和傷口愈合。當血管 CXCR4 基因缺失而破壞這一信號通路時，內皮細胞的通透性增加，炎癥細胞的募集增加，從而可能推動動脈粥樣硬化的進展。相反地，在 Gao 等[24]的研究中，CXCL12 通過激活磷酸化糖原合成酶激酶 3β/β-連環蛋白 T120/轉錄因子 21 信號通路降低人腺苷三磷酸結合盒轉運體 A1 的表達來減少膽固醇從巨噬細胞流出到載脂蛋白 A-I，從而加重動脈粥樣硬化的形成，CXCR4 的敲低或抑制可阻斷 CXCL12 對人腺苷三磷酸結合盒轉運蛋白 A1 表達，這主要是從 CXCL12 促進膽固醇從巨噬細胞中流出的角度來證明其對動脈粥樣硬化形成過程脂質因素的不利影響。
此外，ACKR3 顯示出動脈硬化保護作用。在一項動物研究中，ACKR3 通過促進脂肪組織中膽固醇的攝取來調節血液膽固醇，從而抑制頸動脈粥樣硬化形成，并改善血管損傷后和動脈粥樣硬化期間的高脂血癥，但這可能是通過 CXCR4 受體發揮作用[25]。在另一項頸動脈研究中，TC14012（ACKR3 激活劑）逆轉了氧化脂多糖誘導的人臍靜脈內皮細胞功能障礙，如遷移、脈管形成和細胞凋亡等，TC14012 還抑制體內含有蛋白結構域 3 的核酸結合寡聚結構域樣受體家族信號通路介導的細胞凋亡，最終導致高脂飲食喂養的小鼠動脈粥樣硬化病變減少[26]。CXCL12 在介導動脈粥樣硬化形成的過程中同時維持了血管穩態，而不同細胞如內皮細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞、骨髓甚至脂肪或肝臟等來源[27]的 CXCL12 均發揮著相異的作用，這就需要研究特異性更強的靶向藥物，針對性地作用于致動脈粥樣硬化物質或路徑，才能在保證其有益作用的同時，抑制動脈粥樣硬化的進展。
3.2 冠心病
3.2.1 CXCL12 與冠心病的評估與預后
在識別冠心病因果關系的孟德爾隨機化分析中，CXCL12 水平升高被確定為冠心病的致病危險因素[27]。同時，在一項 88 例受試者參與的人類觀察性研究中，CXCL12 則被證實與冠狀動脈閉塞的嚴重程度相關[28]，而這可能與其通過血管生成和血管抑制作用參與側支循環發展相關。可見，CXCL12 及其受體在冠心病的發生發展中發揮著不可忽視的作用。
近年 CXCL12 也作為冠心病預后因子被研究。一項人類觀察性研究顯示，在對急性冠脈綜合征患者長達 5 年的隨訪中，高濃度 CXCL12 是全因死亡率和主要不良心腦血管事件的獨立預測因子，但盡管 CXCL12 的最高值有心肌梗死的趨勢，它卻并不是心肌梗死的獨立預測因子，并且 CXCL12 在隨訪期間與心肌梗死、卒中和心力衰竭的發展無關[29]。在另一項相關性研究結果中，入院 3 d 內的急性心肌梗死患者 CXCL12 值越高，則冠狀動脈受累越嚴重，1 個月時左心室射血分數降低越明顯，即 CXCL12 水平與急性缺血事件后 1 個月冠狀動脈病變的嚴重程度和左心室射血分數相關[30]。總體來說，CXCL12 作為冠心病心臟功能預后因子的研究較少，其 CXCR4 及 ACKR3 的功能狀態也未納入同步測定，且均為單中心小樣本研究，后期可能需要更多試驗以探索其對急性冠脈綜合征后心臟功能的預測及影響。
3.2.2 CXCL12-CXCR4 對心肌梗死的影響
CXCL12 及 CXCR4 在心肌梗死后上調，作為心臟損傷、修復和重塑的關鍵介質。新生兒動脈內皮細胞損傷后，刺激 CXCL12-CXCR4 信號啟動“動脈重新組裝”，即促進心臟再生，在成人中動脈內皮細胞則可被誘導與外源性 CXCL12 進行動脈重組裝形成側支動脈[31]，這為心肌梗死缺血損傷區的內皮細胞的治療提供了思路。再者，一項動物實驗研究顯示，斑馬魚心肌梗死后，新冠狀動脈通過發芽的方式在再生心內外膜上作出反應，而心外膜部分則通過 CXCL12-CXCR4 信號引導淺表冠狀動脈血運重建，它與心內膜 Vegfa 等信號的多組織協調最終形成了橫跨損傷區域的血管支架[32]。同樣，心肌梗死后糖尿病小鼠 CXCL12-CXCR4 軸受損，損傷區域的血管密度降低，而通過過度表達 CXCL12 拯救 CXCL12-CXCR4 軸的功能可以改善糖尿病小鼠的心功能[33]。可見，CXCL12 在心肌梗死后通過多種途徑作用于心內膜以及內皮細胞等，協同促進血管生成等，起到了保護梗死后心臟的作用。而 CXCL12 對于心肌細胞的作用中，Gong 等[34]的實驗顯示，骨髓間充質干細胞衍生的外泌體 Exo 中 CXCL12 過表達抑制了缺血性心肌細胞的凋亡和自噬，并促進了內皮細胞微血管的生成，從而保護了心肌梗死小鼠的心功能。相比之下，體外培養成年大鼠心肌細胞研究的結果表明，CXCL12 具有劑量依賴性效應，即用更高濃度的 CXCL12（300～500 ng/mL）處理成年大鼠心肌細胞可誘導腫瘤壞死因子-α 分泌，并隨后導致心肌細胞凋亡[35]。可見不同濃度的 CXCL12 對心肌細胞產生不同的生物學效應，這可能與心肌梗死后心臟功能的恢復程度相關。
除此之外，CXCL12 在招募干細胞到損傷部位刺激修復的同時，通過與缺血狀態相關的相同信號通路，即再灌注損傷補救激酶和生存活化因子增強途徑，使心臟免受致死性心肌再灌注損傷[36]。Bromage 等[37]在心肌梗死小鼠再灌注前給予 CXCL12 干預，小鼠心肌梗死面積較對照組減少，顯示出內皮 CXCL12 介導的心臟再灌注保護作用。另一方面，Bromage 等[37]在證明內皮細胞 CXCL12 介導心臟保護作用的同時，發現 CXCR4 天然缺乏的小鼠對缺血再灌注具有天然抵抗力，即 CXCR4 缺失本身也具有梗死急性保護作用。同樣在另一項實驗中，將 CXCR4 拮抗劑 POL55551 應用于心肌梗死小鼠中，小鼠梗死心肌邊緣血管生成增多，瘢痕減少，最終表現為左心室重塑減少和收縮功能障礙減輕，這可能是通過樹突狀細胞誘導的脾臟調節性 T 細胞影響巨噬細胞、單核細胞的炎癥表達以促進梗死修復[38]。相互矛盾的結果也進一步提示了心肌梗死后細胞修復的復雜性，這可能與 CXCL12 的細胞來源與濃度、分布、峰值時間，以及內源性 CXCL12 激增與 CXCR4 上調相結合的時間等密切相關[39]。
3.2.3 CXCL12-ACKR3 對心肌梗死的影響
目前研究顯示出 ACKR3 對心肌梗死后心臟的保護作用。在 CXCL12 升高的情況下，小鼠 ACKR3 特異性缺失加劇了心肌梗死后的心臟功能障礙，其死亡率和心肌梗死面積均增加，而通過左心室注射 ACKR3 基因轉染的腺病毒和使用 ACKR3 激動劑治療都可以在心肌梗死后提供心臟保護[40]。Ishizuka 等[41]的研究結果顯示，心肌細胞特異性 ACKR3 敲除的心肌梗死后小鼠，與對照組相比其心臟重量及左心室面積均顯著增大，心肌收縮功能則明顯降低。這在另一項動物實驗中同樣被證實，該研究中，心肌細胞特異性 ACKR3 缺失的心肌梗死小鼠出現明顯的心臟擴張和功能障礙，該實驗進一步指出 ACKR3 可能作為 β-阻遏蛋白偏向性受體，并通過激活細胞外信號調節激酶在心臟中發揮保護作用[42]。同時，在 Zhang 等[43]對急性心肌梗死后小鼠的實驗結果中，ACKR3 的激活可能會減輕心功能的下降，其主要通過促進缺血心臟組織的血管生成以挽救缺血心肌。ACKR3 還參與心肌梗死中巨噬細胞相關的發病機制，它主要通過激活細胞外信號調節激酶抑制分泌促炎因子的 M1 樣巨噬細胞極化、趨化性和炎癥以改善心肌梗死后損傷[44]。血小板 CXCR4/ACKR3 參與 ST 段抬高型心肌梗死后的心肌再生，一項人類學研究發現血小板表面的 CXCR4、ACKR3 暴露與血小板存活率相關，高濃度的 ACKR3 血小板表面暴露有助于梗死后的心功能恢復[45]。CXCL12 通過 CXCR4/ACKR3 對心肌梗死的臨床研究見表1，可見 ACKR3 在心肌梗死后維持血管穩態、避免心臟不良重塑、改善心功能等方面有重要意義，尤其是心肌細胞特異性的 ACKR3，可作為心肌梗死后新的治療靶點。
表1
CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸對心肌梗死作用的臨床研究
3.3 心肌重塑
在冠心病病變過程中，心肌細胞死亡引發炎癥反應，成纖維細胞、內皮細胞等滲入梗死區，通過促進膠原沉積和血管生成，導致心肌纖維化和瘢痕形成，心肌重塑最終引起心力衰竭。CXCL12 及其受體通過各種途徑趨化細胞修復與凋亡，影響心臟梗死邊界區血運重建等，從而對左心室重構和收縮功能等產生影響。研究顯示，CXCL12-CXCR4 軸一方面參與成纖維祖細胞的募集[46]，另一方面直接驅動心臟成纖維細胞的增殖和肥大以及膠原蛋白的產生[47]。但同時，CXCL12 也是從循環血液中招募造血干細胞的成熟藥物，可顯著增加心臟瘢痕組織的血管形成和血管化，并持續改善心肌梗死后的左心室功能。一項動物實驗結合了 24 h 內遞送 Met-CCL5 的快速可降解水凝膠和 4 周內逐漸釋放蛋白酶抗性 CXCL12（S4V）的慢速降解水凝膠，將兩者按時間控制釋放，最終通過調控炎癥細胞的浸潤，促進了梗死心肌的新生血管形成并減少了細胞凋亡[48]。但目前臨床上在減少心肌壞死和優化心肌梗死后的修復方面的治療仍然有限，許多動物實驗結果在應用于人類時效果較差，未來還需要更多研究通過控制 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸以挽救冠心病后的心臟功能。
3.4 基因工程
研究者們根據 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸的特異性也作了廣泛的基因工程探索。一項研究報道，注射了長壽相關變異（LAV）-BPIFB4 基因的高脂飲食 ApoE 基因敲除小鼠動脈粥樣硬化形成減少，并通過調節 CXCR4 使巨噬細胞向抗炎性 M2 分解表型傾斜，從而為動脈粥樣硬化的治療開辟了新的可能性[49]。另外，低密度脂蛋白上氧化特異性表位的 B-1 細胞衍生的天然免疫球蛋白 M 抗體具有抗炎和抗動脈粥樣硬化的作用，而 B-1 細胞的 CXCR4 表達與血漿中低密度脂蛋白特異性免疫球蛋白 M 抗體水平呈正相關[50]，與人冠狀動脈斑塊負荷和壞死呈負相關，這提示可以通過增加 B-1 細胞上 CXCR4 的表達來限制動脈粥樣硬化斑塊的進展。
在對于心肌梗死治療的研究中，Huang 等[51]利用 SDF-1-AnxA5 錨定心肌梗死組織，提高局部 CXCL12 濃度，從而減輕小鼠心肌梗死面積、增強血管生成并改善心臟功能。Wang 等[52]開發的超高效促血管生成趨化因子工程基質細胞衍生因子 1α 類似物可以在心肌梗死后保持左心室雙軸力學性能，以改善心肌梗死后心室重構和心臟功能。再者，Jeong 等[53]將插入端粒酶逆轉錄酶的球形基因工程心臟干細胞移植到大鼠急性心肌梗死模型中，球形基因工程心臟干細胞通過旁分泌作用刺激 CXCL12/CXCR4 的下游 Erk 和 Akt 信號通路，改善心臟功能并減少纖維化面積，有助于有益的心肌梗死后心室重塑。另外，基于抗糖尿病藥物二肽基肽酶-4 抑制劑通過阻止 CXCL12 的降解來增加其半衰期的作用[33]，二肽基肽酶-4 抑制劑作為心肌保護劑，尤其是急性期心肌再灌注損傷時的藥物研究值得探討。靶向技術和分子成像技術的結合也為心肌梗死的治療開辟了新的途徑，在一項動物實驗中，研究者使用正電子發射斷層掃描成像技術早期識別冠狀動脈結扎小鼠的 CXCR4 上調，并在梗死后 3 d 的 CXCR4 峰值時通過使用 CXCR4 阻滯劑 AMD3100 治療小鼠，最終降低了左心室破裂的發生率，并改善了心臟收縮功能[54]。但這并不能確定 CXCR4 的來源，病變小鼠也均為完全性的冠狀動脈閉塞，這是否會引起跨壁組織損傷等從而影響研究結果也未可知。
由于 CXCL12 及其受體在不同細胞中的功能異質性，以及其時間、空間等有限可用性，局部特異性地調節 CXCL12 及其受體的表達以期減少不良作用、增強修復等有利作用將是未來研究的目標，而這還需要大量的臨床試驗進行驗證。
4 結語
CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸在心血管事件的病理活動中發揮著復雜的作用，一方面在損傷修復、維持血管穩態和心肌重塑過程中發揮保護作用，另一方面通過趨化炎癥因子、誘導凋亡等發揮其病理作用。未來的研究應進一步明確 CXCL12-CXCR4/ACKR3 軸在特定環境中的細胞來源、濃度變化、持續時間、作用機制及相互作用等，以期能找到治療心血管疾病更精確的靶向藥物。
作者貢獻：文倩負責文獻搜集、閱讀和文章撰寫，李芝霖、丁玉蘭負責文獻閱讀和校對，汪紅霞負責文章審核。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
