心肌組織工程干細胞的研究進展

陳克功綜述 蔣樹林審校

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心肌組織工程干細胞的研究進展

陳克功綜述 蔣樹林審校

心肌組織工程；干細胞；心力衰竭

【DOI】 10.3969 /j.issn.1671-6450.2015.02.034

人類心臟一生正常跳動超過20億次，泵血超過1.5億升，血液供應的急性或慢性短缺都會使心臟受到損害，導致心肌梗死。根據心肌組織損傷的程度，可能立即或延緩發展為心力衰竭。目前治療心力衰竭主要運用內科藥物及介入治療來降低急性心肌梗死病死率、減少并發癥和提高遠期存活率，然而這些治療方法不能促進心臟的大部分結構修復，因為它們不能完全從根本上替代壞死或瘢痕心肌。相反，心臟移植治療由于供體心臟的短缺和嚴重的并發癥，如感染和排斥反應而受到限制。但隨著體外細胞培養技術的成熟和組織工程概念的提出[1],心肌組織工程為解決這一難題提供了新的思路。

1 心肌組織工程的治療性細胞

從廣義上講，心肌組織工程是應用工程和生命科學的原理和方法對心臟基本結構產生認識，研究關于正常心肌功能的關系、病理性心肌組織及用于修復、維持和改善組織功能生物替代品開發的一門新興學科，其主要內容包括支架材料的3D性質、生物物理學因子通過生物反應器的環境控制、種子細胞的培養以及構建由細胞和三維支架組成有特定功能的工程化心肌[2]。近年來心肌組織工程將治療方案集中在用一些潛在的細胞替代壞死心肌細胞。心肌細胞占心臟總細胞數量30%左右，但其占心臟體積70%。心肌損傷導致功能性心肌細胞丟失，隨后組織發生纖維化，最終導致心臟成纖維細胞的過度表達。移植胎兒和新生兒的心肌細胞能夠提高受損心肌的心肌細胞數量，從而提高受損心肌組織的收縮能力[3]。然而，移植后的細胞多數無法繼續存活，所以提高移植細胞的存活率是進一步研究的關鍵。

最近心臟干細胞已成為研究的熱點。傳統上干細胞療法通常將細胞分為骨骼肌成肌細胞和骨髓間充質干細胞，現已使用的其他類型細胞還包括胎兒心肌細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞、成人心臟干細胞和永生的成肌細胞[4]。這些細胞類型植入人體內在不同程度上已取得成功，但尤以骨骼肌干細胞和骨髓干細胞的研究最為廣泛。

1.1 骨骼肌成肌細胞 由于骨骼肌成肌細胞在理論上缺乏免疫原性而且來源豐富，所以自體骨骼肌成肌細胞常用于心肌細胞成形術，在體外骨骼肌成肌細胞更能抵抗缺氧的損害，為此可以在移植后生存下來。Gmeiner等[5]在動物體內研究表明，注射骨骼肌成肌細胞具有改善心肌梗死的功能，這個初步臨床試驗前景看好，并在動物模型上得到確認。Povsic等[6]發現給予心力衰竭患者注射骨骼肌成肌細胞發現有降低心力衰竭癥狀的趨勢，術后持續12個月實施骨骼肌成肌細胞療法可以提高左心室射血分數。在細胞水平上，移植到人類心臟組織中，證實了心肌內骨骼肌成肌細胞存活并分化。但值得特別關注的問題是骨骼肌成肌細胞的臨床應用可能具有使患者發展為惡性心律失常的趨勢，研究者指出患者經骨骼肌成肌細胞治療后心律失常發病率增加。預防性地使用胺碘酮和植入心臟起搏器可以緩解患者的惡性心律失常，據推測骨骼肌成肌細胞保持特定的程控電刺激，植入后可緩解心律失常的發生[7]。1.2 骨髓干細胞Schuster等[8]在動物模型中發現骨髓干細胞與增加供給心肌細胞、冠狀動脈微血管生長和低水平膠原沉積有關，并能夠減少細胞凋亡。Jeevanantham等[9]對50項骨髓干細胞臨床試驗中收集的結果進行薈萃分析，從2 625例患者收集的結果顯示，骨髓干細胞的植入可適度改善左心室射血分數和降低心肌梗死面積，并可以提高心肌細胞的存活率和降低心肌梗死的復發率。

1.3 心臟干細胞 傳統觀點認為哺乳動物的心臟是終末分化器官，在產前階段心肌細胞沒有再生的潛力[10]，然而有證據顯示心肌細胞具有增殖能力[11]，這表明心肌細胞的前體可能存在于成人心臟。Hsieh等[12]在成年和出生后嬰兒心臟內檢測到心臟干細胞并被分離出來，這些干細胞具有不同表型，并展現出多向性分化潛能、集落生成和自我更新的能力，它們能夠在特定條件下增殖并分化成心肌細胞、平滑肌細胞和內皮細胞。多種表面標記物被用來確定不同人群的心臟干細胞，基于干細胞研究理論已分離出包括c-kit+心臟干細胞在內的幾組心臟干細胞組分。c-kit陽性細胞位于心臟內，它們具有克隆性、多能性和自我更新的能力，在體外，c-kit陽性細胞分化成3個不同的譜系：心肌細胞、平滑肌細胞和內皮細胞。

心臟干細胞臨床初步移植可以改善左心室射血分數，心臟干細胞逆轉心室功能障礙(CADUCEUS)和缺血性心肌病患者的心臟干細胞注射(SCIPIO)2項臨床試驗已取得可喜的初步結果。CADUCEUS研究[13]采用心臟干細胞衍生細胞改善患心肌梗死1～2周后患者的心臟功能，應用心臟干細胞結合支持性細胞混合劑的研究已取得具有里程碑意義的成果，通過MR檢測結果顯示瘢痕大小、心臟大小、局部收縮性和心臟收縮能力均有顯著改善，但在舒張末期、心臟收縮容積和左心室射血分數改善并不明顯。Bolli等[14]設計SCIPIO試驗，經冠狀動脈旁路移植術獲得患者右心耳的心臟干細胞，志愿者左室射血分數均<40%，8個月短期試驗結果表明注入心臟干細胞使左心室射血分數從30.3% 升高至38.5%，而對照組沒有明顯升高。此外，12個月的結果是值得關注的，表現為左心室射血分數進一步改善12.3%，而且伴隨的心肌梗死面積減少30%。

1.4 多能干細胞 細胞形成所有體系細胞的能力被認為是多能的，原始多能干細胞是胚胎干細胞，可以從囊胚期內細胞團獲得，在1998年分離出人類胚胎干細胞，為多能干細胞的臨床開發開辟廣闊前景[15]，但也提出明顯的倫理性問題，這些擔憂激勵著我們找出稀少的胚胎備用干細胞，包括單性生殖干細胞、男性生殖系干細胞和誘導多能干細胞。重要的是，相對于上述受限制的多譜系干細胞類型，多能干細胞誘導出的心肌細胞能作為心肌組織工程研究中種子細胞的嘗試[16]。另外，在心肌組織工程中胚胎干細胞衍生為心肌細胞效果已被確定。所有干細胞的固有缺點是它們傾向于形成腫瘤及干細胞衍生的心肌細胞成熟度低[17]。

2 干細胞為基礎的心肌組織工程

心臟組織再生需要細胞水平的一系列復雜的相關聯的生物學事件，干細胞結合組織工程是一種用于恢復受損心肌組織的前途光明的工具，但有大量因素限制干細胞的療法，包括治療部位干細胞保持和生存的有效率和治療效應最終能否發揮到靶器官。在過去幾十年，有大量關于組織工程的研究，實現了在亞微米級尺度組成納米纖維的細胞與細胞外基質的相互作用，這不僅提供了細胞外基質而且在調節細胞行為中起到關鍵作用[18]，而且促進了生物醫學與干細胞結合的技術在不同學科的發展。心肌組織工程干細胞治療壞死心肌的各種技術及可能臨床應用包括：微型膠囊技術改善心肌的輸送過程[19]；納米支架為干細胞的生長提供依附；水凝膠技術作為干細胞治療的潛在平臺；干細胞為種子細胞制作組織工程心肌補片；生物電噴鍍和空氣動力學技術幫助干細胞的注射[20]。通過這些技術我們更增加對干細胞應用前景的信心。

通過注射細胞使終末期慢性心力衰竭患者受損心肌全面恢復到正常心肌組織的愿望看起來似乎是不現實的，特別是在瘢痕組織存在的情況下對于細胞的接種和保留是很不利的。移植后的工程化心肌組織具有類似心肌的功能并為心肌細胞的生存和保留提供平臺，這都歸功于心肌組織工程支架材料的選擇，支架材料包括細胞板技術[21]以及水凝膠為基礎的組織工程技術[22]。最近研究的熱點工程化心肌組織根據細胞生物學、生物材料學和工程學原理，將具有形成心肌組織能力的干細胞與具有良好的生物相容性、可降解性和一定的生物力學特性的支架材料復合，在體外或體內構建出可用于移植，從而修復心肌損傷的生物材料,在理論上為我們提供了光明的前景。總之這些研究表明心肌組織工程干細胞對心肌梗死及心力衰竭的治療具有巨大的潛力。

3 問題和展望

相互矛盾的臨床效果凸顯了干細胞療法的局限性。在臨床水平，干細胞療法具有侵入性和不發育性的特點。在細胞水平上，目前干細胞療法的細胞作用機制還不能完全理解，大量干細胞的生成和體內干細胞移植后不適保留的問題值得關注。

盡管以干細胞為基礎的組織工程技術仍處于發展階段，但從臨床角度考量，當下心肌組織工程干細胞的發展對于患者來說是迫切需要的，越來越多的跨學科間合作和更多的臨床試驗將幫助心肌組織工程這項技術邁上更高的臺階。

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150086 哈爾濱醫科大學附屬第二醫院心外一科

蔣樹林，E-mail:765247522@qq.com

2014-10-21)