间充质干细胞（MSC）具有低免疫原性、可移植性、组织修复能力强等特征，对于包括糖尿病在内的多种疾病的治疗具有重要的研究价值。在MSC治疗应用研究中，细胞归巢以及向特定的目标细胞转化是其关键。基质细胞衍生因子-1（SDF-1）及其受体CXC趋化因子受体4（CXCR4）组成的SDF-1/CXCR4通路在MSC迁移中具有重要作用，通过调控SDF-1/CXCR4通路诱导MSC归巢至视网膜分化为特定的视网膜神经元治疗糖尿病视网膜病变为糖尿病视网膜病变治疗提供了一条全新的路径。
引用本文： 王健, 陈松. 基质细胞衍生因子-1/CXC趋化因子受体4通路在间充质干细胞治疗糖尿病视网膜病变中的作用研究. 中华眼底病杂志, 2016, 32(6): 663-666. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2016.06.029 复制
糖尿病视网膜病变(DR)以视网膜组织缺血、缺氧引起的视网膜新生血管形成为主要特征，临床现有治疗方法均是针对预防和抑制视网膜新生血管等并发症，但其效果不尽如人意。间充质干细胞(MSC)具有多向分化潜能、低免疫原性、免疫赦免等特性[1-3]，被广泛地用于多种疾病防治研究中并表现出良好的应用前景。在MSC应用研究中，细胞归巢以及向特定的目标细胞转化是其关键。近年来，MSC移植治疗DR的研究取得一定进展，基质细胞衍生因子-1(SDF-1)及其受体CXC趋化因子受体(CXCR)4组成的SDF-1/CXCR4通路在MSC归巢的调控机制备受关注。现将SDF-1/CXCR4通路在MSC治疗DR中的作用综述如下。
1 MSC治疗DR研究现状
目前用于治疗非增生期DR (NPDR)的干细胞主要有MSC、内皮祖细胞、脂肪源性干细胞等。其治疗NPDR主要机制包括分泌神经营养因子和神经保护因子以及潜在的血管修复作用[4-7]。MSC因其具有很高的可塑性与自我更新能力，免疫原性弱，是组织工程最理想的种子细胞来源之一。
MSC最初在骨髓中被发现，属于成体干细胞的一种，是中胚层发育的早期细胞，具有多向分化潜能、免疫调控和自我复制等特点。近年来，随着对视网膜疾病发病机制的深入研究和MSC治疗在各领域的应用，预示MSC未来将在DR、老年性黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性(RP)等疾病治疗中发挥重要作用[8]。研究人员已经可以从骨髓、脂肪、肌肉、胎盘、脐带等多种组织中分离和制备MSC。在MSC治疗DR的研究中发现，MSC通过自分泌作用的刺激可分化为胶质细胞和光感受器细胞，且其暴露在缺氧视网膜环境下通过旁分泌作用分泌神经保护因子，增加周围细胞存活[9, 10]。不仅如此，当糖尿病鼠移植MSC后，后者可通过旁分泌作用及分化为光感受器细胞和胶质样细胞两种方式来修复血视网膜屏障，改善DR病情[9]。MSC移植后产生的神经保护因子主要包括碱性成纤维细胞生长因子、神经生长因子、脑源性神经营养因子、睫状神经营养因子和胶质源性神经营养因子等，所以MSC移植比局部单纯应用生长因子更具优势[10-12]。MSC移植治疗DR最常见的移植途径是静脉输注和玻璃体腔注射，研究发现玻璃体腔注射比静脉输注效果更好[11]。糖尿病患者血糖升高会导致血小板凝聚、白细胞激活而黏附于视网膜血管中，从而使血流减慢、基底膜增厚。MSC移植后，通过免疫调节作用，能够抑制损伤部位炎症，调节损伤组织及自身的免疫应答，从而减缓DR进展[13]。但是在MSC治疗其他疾病的临床应用中，大多数静脉输注的MSC无法到达损伤部位，所以治疗效果较差[14, 15]。因此在移植较高数量干细胞的基础上，提高MSC归巢能力是改善干细胞移植治疗DR疗效的关键。
2 SDF-1/CXCR4通路促进MSC归巢
归巢原指在骨髓移植疗法中经静脉输入的干细胞通过血液循环特定地植入到支持其生长发育的骨髓微环境中的过程。但随着研究范围的不断扩大，归巢目前的含义已经扩展为自体或移植的干细胞在特定条件下移行并定位于机体靶器官或靶组织的过程。当机体遭遇损伤时，损伤部位会表达和分泌多种趋化因子、黏附因子、生长因子等，吸引自体或干细胞归巢并定植于损伤处[16, 17]。MSC归巢过程被认为是一个瀑式效应事件, 包括MSC在毛细血管内的圈和、滚动, 进而黏附于内皮细胞表面并跨内皮迁移, 以及自血管内外渗并透过细胞外基质, 最终到达靶组织[18]。
SDF-1属于趋化因子中CXC亚家族，又名CXCL12，是一种进化上高度保守的蛋白质，相对分子质量为8~10×103。SDF-1基因位于第10号染色体长臂，编码SDF-1α和SDF-1β两种蛋白，两者调节表达和功能方面无明显差异，在体内主要以SDF-1α为主[19]。广泛表达于包括视网膜、免疫细胞、心、脑、肾等多种细胞和组织中。能调控多种重要生物学过程，包括干细胞迁移、心脏与神经发育、血管形成、凋亡与肿瘤发生。由于SDF-1可以刺激前B细胞生长并且具有高度趋化作用，因此又被称为前B细胞刺激因子。CXCR4属于CXCR类趋化因子受体，是趋化因子SDF-1的特异性受体，也是一个有7个跨膜结构域的G蛋白偶联受体，其编码基因位于第4号染色体。CXCR4广泛表达于血液、免疫和中枢神经系统细胞上，并且高度表达于CD34+造血干细胞及内皮祖细胞表面。当组织损伤后，受损部位会上调SDF-1的表达，使局部SDF-1的浓度升高并向周围扩散，使表面表达CXCR4的干细胞沿着SDF-1的浓度梯度到达损伤部分定植及修复组织。不仅如此，SDF-1与CXCR4结合后还可以发挥增加干细胞的存活率、提高干细胞增生活性及抗细胞凋亡等作用，从而提高干细胞移植的归巢效率[20-22]。因此SDF-1/CXCR4通路是调控干细胞迁移的重要信号通路，在MSC归巢、定植到损伤部位参与修复的过程中发挥重要作用[23-25]。
研究证实，DR患者血液、玻璃体内及视网膜前增生膜中SDF-1水平相对增高，并且SDF-1浓度随DR病情加重而增加[26]。所以了解SDF-1/CXCR4通路将会对研究DR患者MSC移植后MSC归巢、定植于视网膜的分子机制有重要借鉴意义。MSC在SDF-1的刺激下，会有30种不同基因表达，其中11种与细胞迁移相关[27]。在干细胞对骨折的修复中，SDF-1/CXCR4通路同样也起到重要作用。SDF-1信号阻断后，干细胞归巢发挥修复作用也会停止[24]。干细胞向缺血的肾脏迁移同样也主要与CXCR4相关，当用CXCR4拮抗剂AMD3100阻断CXCR4后，迁移会被完全抑制[28, 29]。刘楠梅等[30]研究过表达CXCR4的骨髓MSC (BMSC)对共培养低氧和(或)复氧肾小管上皮细胞的修复作用，发现过表达CXCR4的BMSC定向迁移能力增加，迁移BMSC的分泌能力增强。在心肌缺血模型中，静脉输注逆转录病毒介导的CXCR4高表达MSC，可明显增加MSC归巢至受损心肌，改善心肌功能[31]。MSC对受损心肌发挥局部营养作用也与CXCR4表达相关[32]。在烧伤和脑梗死的干细胞修复研究中，SDF-1/CXCR4通路同样与干细胞迁移和修复作用密切相关[33, 34]。上述研究证实损伤部位局部产生的SDF-1与其受体MSC表达的CXCR4之间的相互作用在干细胞归巢和迁移中的作用至关重要。虽然DR患者SDF-1水平相对增高, 但随着MSC体外培养传代次数增加，CXCR4表达则降低[35, 36]。提示临床需要采取不同的方法来提高MSC表面CXCR4的表达，从而促进MSC归巢。
目前增加MSC归巢的研究主要包括：(1)基因修饰。通过慢病毒载体转染MSC，使其表面CXCR4高度表达。结果证实CXCR4表达上调的MSC归巢能力明显提升[37, 38]。同时超声微囊泡等非病毒载体的深入研究为基因修饰提供了新手段[39]。(2)细胞因子或化学物质预处理。肝细胞生长因子、白细胞介素(IL)-6、IL-3等细胞因子预处理体外培养的MSC能促进趋化因子CXCR4表达，进而促进MSC向SDF-1的迁移能力，促进其向骨髓归巢[40]。而且丙戊酸、去铁胺和过氧化氢等一些化学物质预处理MSC也同样达到上调CXCR4的效果[41-43]。(3)物理效应。主要包括低氧预处理、超声波、医用冲击波、磁性纳米颗粒等方法促进CXCR4表达上调，从而促进归巢[44-47]。使用不同的细胞因子或化学物质预处理或利用物理效应等均可使MSC趋化因子的表达水平短暂增加, 从而促进MSC迁移；然而这种效果持续时间较短, 且受体内环境的影响。因此, 通过基因工程的方法使促进干细胞迁移的关键因子持续高水平表达, 可能是目前更为有效的方法。
3 展望
MSC移植为DR治疗提供了一个新的思路，但目前还存在MSC体内生存时间短，修复损伤组织的归巢能力差等缺点，寻找简便而有效的方法使MSC归巢于视网膜组织将成为研究热点。SDF-1/CXCR4通路在MSC归巢中起重要作用，可以通过调控SDF-1/CXCR4通路诱导MSC的归巢及最大程度的发挥临床治疗作用，从而为MSC治疗包括DR、RP、AMD在内的各种视网膜疾病提供理论基础。
糖尿病视网膜病变(DR)以视网膜组织缺血、缺氧引起的视网膜新生血管形成为主要特征，临床现有治疗方法均是针对预防和抑制视网膜新生血管等并发症，但其效果不尽如人意。间充质干细胞(MSC)具有多向分化潜能、低免疫原性、免疫赦免等特性[1-3]，被广泛地用于多种疾病防治研究中并表现出良好的应用前景。在MSC应用研究中，细胞归巢以及向特定的目标细胞转化是其关键。近年来，MSC移植治疗DR的研究取得一定进展，基质细胞衍生因子-1(SDF-1)及其受体CXC趋化因子受体(CXCR)4组成的SDF-1/CXCR4通路在MSC归巢的调控机制备受关注。现将SDF-1/CXCR4通路在MSC治疗DR中的作用综述如下。
1 MSC治疗DR研究现状
目前用于治疗非增生期DR (NPDR)的干细胞主要有MSC、内皮祖细胞、脂肪源性干细胞等。其治疗NPDR主要机制包括分泌神经营养因子和神经保护因子以及潜在的血管修复作用[4-7]。MSC因其具有很高的可塑性与自我更新能力，免疫原性弱，是组织工程最理想的种子细胞来源之一。
MSC最初在骨髓中被发现，属于成体干细胞的一种，是中胚层发育的早期细胞，具有多向分化潜能、免疫调控和自我复制等特点。近年来，随着对视网膜疾病发病机制的深入研究和MSC治疗在各领域的应用，预示MSC未来将在DR、老年性黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性(RP)等疾病治疗中发挥重要作用[8]。研究人员已经可以从骨髓、脂肪、肌肉、胎盘、脐带等多种组织中分离和制备MSC。在MSC治疗DR的研究中发现，MSC通过自分泌作用的刺激可分化为胶质细胞和光感受器细胞，且其暴露在缺氧视网膜环境下通过旁分泌作用分泌神经保护因子，增加周围细胞存活[9, 10]。不仅如此，当糖尿病鼠移植MSC后，后者可通过旁分泌作用及分化为光感受器细胞和胶质样细胞两种方式来修复血视网膜屏障，改善DR病情[9]。MSC移植后产生的神经保护因子主要包括碱性成纤维细胞生长因子、神经生长因子、脑源性神经营养因子、睫状神经营养因子和胶质源性神经营养因子等，所以MSC移植比局部单纯应用生长因子更具优势[10-12]。MSC移植治疗DR最常见的移植途径是静脉输注和玻璃体腔注射，研究发现玻璃体腔注射比静脉输注效果更好[11]。糖尿病患者血糖升高会导致血小板凝聚、白细胞激活而黏附于视网膜血管中，从而使血流减慢、基底膜增厚。MSC移植后，通过免疫调节作用，能够抑制损伤部位炎症，调节损伤组织及自身的免疫应答，从而减缓DR进展[13]。但是在MSC治疗其他疾病的临床应用中，大多数静脉输注的MSC无法到达损伤部位，所以治疗效果较差[14, 15]。因此在移植较高数量干细胞的基础上，提高MSC归巢能力是改善干细胞移植治疗DR疗效的关键。
2 SDF-1/CXCR4通路促进MSC归巢
归巢原指在骨髓移植疗法中经静脉输入的干细胞通过血液循环特定地植入到支持其生长发育的骨髓微环境中的过程。但随着研究范围的不断扩大，归巢目前的含义已经扩展为自体或移植的干细胞在特定条件下移行并定位于机体靶器官或靶组织的过程。当机体遭遇损伤时，损伤部位会表达和分泌多种趋化因子、黏附因子、生长因子等，吸引自体或干细胞归巢并定植于损伤处[16, 17]。MSC归巢过程被认为是一个瀑式效应事件, 包括MSC在毛细血管内的圈和、滚动, 进而黏附于内皮细胞表面并跨内皮迁移, 以及自血管内外渗并透过细胞外基质, 最终到达靶组织[18]。
SDF-1属于趋化因子中CXC亚家族，又名CXCL12，是一种进化上高度保守的蛋白质，相对分子质量为8~10×103。SDF-1基因位于第10号染色体长臂，编码SDF-1α和SDF-1β两种蛋白，两者调节表达和功能方面无明显差异，在体内主要以SDF-1α为主[19]。广泛表达于包括视网膜、免疫细胞、心、脑、肾等多种细胞和组织中。能调控多种重要生物学过程，包括干细胞迁移、心脏与神经发育、血管形成、凋亡与肿瘤发生。由于SDF-1可以刺激前B细胞生长并且具有高度趋化作用，因此又被称为前B细胞刺激因子。CXCR4属于CXCR类趋化因子受体，是趋化因子SDF-1的特异性受体，也是一个有7个跨膜结构域的G蛋白偶联受体，其编码基因位于第4号染色体。CXCR4广泛表达于血液、免疫和中枢神经系统细胞上，并且高度表达于CD34+造血干细胞及内皮祖细胞表面。当组织损伤后，受损部位会上调SDF-1的表达，使局部SDF-1的浓度升高并向周围扩散，使表面表达CXCR4的干细胞沿着SDF-1的浓度梯度到达损伤部分定植及修复组织。不仅如此，SDF-1与CXCR4结合后还可以发挥增加干细胞的存活率、提高干细胞增生活性及抗细胞凋亡等作用，从而提高干细胞移植的归巢效率[20-22]。因此SDF-1/CXCR4通路是调控干细胞迁移的重要信号通路，在MSC归巢、定植到损伤部位参与修复的过程中发挥重要作用[23-25]。
研究证实，DR患者血液、玻璃体内及视网膜前增生膜中SDF-1水平相对增高，并且SDF-1浓度随DR病情加重而增加[26]。所以了解SDF-1/CXCR4通路将会对研究DR患者MSC移植后MSC归巢、定植于视网膜的分子机制有重要借鉴意义。MSC在SDF-1的刺激下，会有30种不同基因表达，其中11种与细胞迁移相关[27]。在干细胞对骨折的修复中，SDF-1/CXCR4通路同样也起到重要作用。SDF-1信号阻断后，干细胞归巢发挥修复作用也会停止[24]。干细胞向缺血的肾脏迁移同样也主要与CXCR4相关，当用CXCR4拮抗剂AMD3100阻断CXCR4后，迁移会被完全抑制[28, 29]。刘楠梅等[30]研究过表达CXCR4的骨髓MSC (BMSC)对共培养低氧和(或)复氧肾小管上皮细胞的修复作用，发现过表达CXCR4的BMSC定向迁移能力增加，迁移BMSC的分泌能力增强。在心肌缺血模型中，静脉输注逆转录病毒介导的CXCR4高表达MSC，可明显增加MSC归巢至受损心肌，改善心肌功能[31]。MSC对受损心肌发挥局部营养作用也与CXCR4表达相关[32]。在烧伤和脑梗死的干细胞修复研究中，SDF-1/CXCR4通路同样与干细胞迁移和修复作用密切相关[33, 34]。上述研究证实损伤部位局部产生的SDF-1与其受体MSC表达的CXCR4之间的相互作用在干细胞归巢和迁移中的作用至关重要。虽然DR患者SDF-1水平相对增高, 但随着MSC体外培养传代次数增加，CXCR4表达则降低[35, 36]。提示临床需要采取不同的方法来提高MSC表面CXCR4的表达，从而促进MSC归巢。
目前增加MSC归巢的研究主要包括：(1)基因修饰。通过慢病毒载体转染MSC，使其表面CXCR4高度表达。结果证实CXCR4表达上调的MSC归巢能力明显提升[37, 38]。同时超声微囊泡等非病毒载体的深入研究为基因修饰提供了新手段[39]。(2)细胞因子或化学物质预处理。肝细胞生长因子、白细胞介素(IL)-6、IL-3等细胞因子预处理体外培养的MSC能促进趋化因子CXCR4表达，进而促进MSC向SDF-1的迁移能力，促进其向骨髓归巢[40]。而且丙戊酸、去铁胺和过氧化氢等一些化学物质预处理MSC也同样达到上调CXCR4的效果[41-43]。(3)物理效应。主要包括低氧预处理、超声波、医用冲击波、磁性纳米颗粒等方法促进CXCR4表达上调，从而促进归巢[44-47]。使用不同的细胞因子或化学物质预处理或利用物理效应等均可使MSC趋化因子的表达水平短暂增加, 从而促进MSC迁移；然而这种效果持续时间较短, 且受体内环境的影响。因此, 通过基因工程的方法使促进干细胞迁移的关键因子持续高水平表达, 可能是目前更为有效的方法。
3 展望
MSC移植为DR治疗提供了一个新的思路，但目前还存在MSC体内生存时间短，修复损伤组织的归巢能力差等缺点，寻找简便而有效的方法使MSC归巢于视网膜组织将成为研究热点。SDF-1/CXCR4通路在MSC归巢中起重要作用，可以通过调控SDF-1/CXCR4通路诱导MSC的归巢及最大程度的发挥临床治疗作用，从而为MSC治疗包括DR、RP、AMD在内的各种视网膜疾病提供理论基础。