利用干細胞進行心血管修復和再生的潛力與挑戰

安 琳 綜述，魏 蘭，楊曉容 審校

(1.陸軍重慶軍事代表局門診部 400060； 2.重慶市血液中心 400015；3.重慶市食品藥品檢驗檢測研究院 401121)

利用干細胞進行心血管修復和再生的潛力與挑戰

安 琳1綜述，魏 蘭2△，楊曉容3審校

(1.陸軍重慶軍事代表局門診部 400060； 2.重慶市血液中心 400015；3.重慶市食品藥品檢驗檢測研究院 401121)

心血管疾??；心肌修復；胚胎干細胞；成體干細胞；間質干細胞；造血干細胞；內皮祖細胞

隨著人口逐漸老齡化，心血管疾病成為威脅人類健康的重要疾病，盡管有許多藥物治療心血管疾病，但其仍然是老年人的主要死因[1]。文獻研究表明，超過500萬慢性心力衰竭患者因得不到有效治療而轉為急性心肌梗死[2]。因此，探尋有效治療心血管疾病的方法意義顯著。心血管再生治療方案的提出為心血管疾病的治療提供了新方向，該方案主要通過修復或再生受損的心肌或(和)血管來重建或恢復心臟功能[3]。這種新興治療方案與傳統以緩解癥狀為主的方案相比有巨大的優勢。傳統治療方法能夠有效治療心臟病患者的急性病變并延長患者生命周期，但并不能完全治愈患者，而使其患上慢性心臟病的后遺癥[4]。相反地，心血管再生方案利用患者特異性多能干細胞分化成心肌細胞來修復受損的心肌，避免了前面提及的醫學問題，還能阻止或者逆轉病情的發展[3]。研究證明，干細胞治療對許多心臟病均是有效的，如缺血性心臟病[5]、心力衰竭[6]、動脈粥樣硬化[7]、肺動脈高壓等[8]。

干細胞具有分化成多種特異型細胞的潛能，按其來源分為胚胎干細胞(embryonic stem cells,ESCs)和成體干細胞(adult stem cells,ASCs)，前者來自于胚胎而后者起源于成熟個體[9]。ASCs可以分化成組織特異性干細胞和骨髓干細胞(bone marrow-derived stem cells,BMCs)。骨髓包含至少兩種干細胞類型：造血干細胞(hematopoietic stem cells,HSCs)和間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)，內皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs)在骨髓中也被發現[10]。本文對不同干細胞的特性及它們還原或修復心臟結構和功能再生的能力進行綜述，以期為心血管疾病的治療提供理論依據和新思路。

1 ESCs

心臟干細胞治療的目的是恢復或再生心肌。如何選擇合適的干細胞來源，使其產生足夠的具有心肌細胞的表型是非常有挑戰性的。過去的十多年里，人們對干細胞的識別、衍生及特性描述方面有了飛速發展。在各種干細胞中，ESCs由于其獨特的性質而受到關注。ESCs是從囊胚期胚胎的內皮細胞團分離出來的多能干細胞。這些細胞在培養過程中長時間處于未分化狀態，但保持了分化成人類各種細胞(如心肌細胞)的潛能。人們對利用這些永生化多能細胞治療先天性和退行性疾病表現出極大的興趣。從大量研究中認識了一些與心肌早期分化相關的信號分子，如過表達轉錄因子[如鋅指蛋白(GATA4)，同源盒基因(Nkx2-5)或肌細胞增強子2C(MEF2C)]可以誘導人ESCs分化成心肌細胞,而抑制這些轉錄因子則能阻止細胞的形成[11]。其他一些因子如轉化生長因子β1(TGFβ1)和成纖維細胞生長因子2(FGF2)，活性氧和二甲基亞砜也能影響這一分化過程[12-13]。

盡管在老鼠和人類模型中，已經成功地將ESCs分化成心肌細胞，但仍有一些棘手的問題使其不能應用于臨床。(1)獲得人類ESCs需要破壞人類早期胚胎，這嚴重違反倫理道德。(2)ESCs源于胚胎，與患者的基因組不盡相同，因此在移植后存在免疫排斥反應的風險[14]。(3)移植ESCs到老鼠體內只能產生少量的心肌細胞，在人類模型中數量更少[15]。(4)體內移植人ESCs也可能導致畸胎瘤。盡管由ESCs引起的腫瘤惡性程度還不明確，但這一發現仍然令人擔憂其臨床應用的安全性[16]。而使用人源誘導的多能干細胞(human inducible pluripotent stem cells，hiPSCs)能克服ESCs的這些局限性，而且不會涉及倫理道德問題。一些研究小組已經對比了人源胚胎干細胞(hESCs)和hiPSCs及其分化后代。Laurent等[17]報道hESCs和hiPSCs具有相似程度的基因不穩定性，因此，在評價它們在心血管修復和再生能力前需要作更深入的研究。此外，有報道顯示hESCs和hiPSCs分化成心肌細胞的能力不同[18]。

2 ASCs

在臨床上運用人源ESCs會有政治、種族和技術上的擔憂。最近在ASCs方面的研究發現:其可能有希望替代hESCs進行細胞水平的治療[3]。使用ASCs能夠避免使用hESCs產生的倫理道德和宗教爭議。它們從分離出來就具有和患者相同的基因型，可以最小化免疫排斥反應[19]。因此，要從細胞水平上修復或再生心血管使用ASCs似乎更合適。此前，一直認為心臟是一個缺乏自我更新能力的終末分化器官，然而最新證據表明，存在內源性心肌干細胞(cardiac stem cells，CSCs)能夠分化出新的細胞和血管[20]。事實上，只有少量的CSCs(每1 000個心肌細胞中有1個)分布在心房、心室和心外膜中。在生理條件下，CSCs處于失活狀態并且脫離細胞周期，只有2%～3%處于激活分化狀態來維持正常心肌功能。但是，在局部缺血或細胞損傷等生理或病理條件刺激下，大部分CSCs均能被激活并且分化成新的心肌或血管細胞[21]。盡管已有實驗證明在心肌梗死中，注入CSCs可以產生新的心肌細胞來取代壞死細胞[20]，但CSCs在自然狀態下再生能力太弱，無法應用于臨床，因而需要在體外進行擴增。只要得到有效刺激，使用這種來源于心肌的干細胞進行心肌細胞的修復和替換具有巨大優勢。但是，如何從心肌樣本中取得并分離CSCs是主要難題。另外，CSCs增殖和分化成心肌細胞的分子機制還未被闡明。盡管有大量相關研究，但它們并沒有在CSCs的識別、更新及再生能力方面達成共識。因此，在這些所有的限制條件被適當解決前，應用CSCs治療心血管疾病仍有待繼續研究。

3 MSCs

MSCs是一類具有成纖維細胞特性的亞型細胞，具有分化成不同的中胚層細胞的潛能(如成骨細胞、脂肪細胞和心肌細胞)[22]。在1例主要組織相容性復合體(MHC)錯配的小鼠心臟移植模型中，MSCs可以誘導免疫耐受和長時間的不排斥,這一免疫抑制效應是通過抑制樹突狀細胞成熟，抑制T、B和自然殺傷細胞功能等實現的[23]。而移植的MSCs也可分泌旁分泌因子，從而調節免疫系統和炎癥反應[22]。這些獨特性質使得MSCs能在組織修復和基因導入等病例中允許同種異體移植而無需免疫抑制藥物，因此將會在免疫醫學受到青睞。

MSCs因其自我更新、增殖、分化能力，是一個理想的替代細胞來源。有研究表明，將人MSCs直接注入成年老鼠左心室能有效嫁接于心肌并分化成心肌細胞，并且與本體心肌細胞在形態學上無法區分[24]。值得關注的是，MSCs也能通過促進鄰近細胞的旁分泌來促進其生長和增殖。 MSCs能分泌不同的調控和營養因子(如生長因子，細胞因子、趨化因子)，能進入循環系統到達受損原發灶，或者通過其再生和旁分泌功能參與傷口愈合過程中炎癥反應[25]。此外，MSCs也有一些其他特性促進其臨床應用，如擴張潛能，易于獲得，體外傳代時易感基因突變率低。

4 HSCs

HSCs是成人造血的基礎，能在生命周期內產生所有類型的血細胞。HSCs在治療白血病和血液相關遺傳病方面具有顯著的臨床意義。HSCs被認為是一種多能干細胞，能夠分化成許多類型的細胞，包括心肌細胞和內皮細胞。HSCs能夠在骨髓和外周血中被分離出來，但循環系統的含量少于骨髓。在正常情況下，骨髓中休眠的HSCs水平是有限的(每1 000個骨髓細胞中含有1個)[9]。在病理或生理條件的刺激下，這些干細胞能迅速增殖，并從骨髓區域轉移到外周血循環，到達受損部位[10]。鼠源祖細胞沒有特異性的表面標志物，而人源HSCs表達CD34和AC133特異表面標志物，這些標志物能夠幫助人們進行陽性篩選和分離。人的臍帶血相對有豐富的HSCs，此外，造血祖細胞也在人胚胎肝臟中被分離出來。有報道顯示，HSCs可通過骨髓依賴機制促進心肌細胞生成[26]。利用HSCs進行心血管修復能滿足干細胞移植的目的，即肌細胞生成和血管生成。但是，需解決HSCs不易獲得和培養的問題，闡明調控其增殖和分化的分子機制[9]。另外，特異性誘導HSCs分化成心肌細胞還必須要避免腫瘤的發生。

5 EPCs

有研究報道， EPCs及其派生物在心血管疾病方面具有治療潛能，EPCs能分化成內皮細胞并參與產后血管生成[27]。EPCs起源于骨髓，也存在于外周血和臍帶血[10]。在正常情況下，外周血和骨髓中EPCs的含量稀少，因此很難在體外擴增出足夠的EPCs用于臨床[9]。有研究報道EPCs屬于血管生成細胞，能在缺血或外源性細胞因子刺激下移動到缺血部位，參與修復和維持血管平衡，因為它們能替代并修復受損的內皮細胞[28]。在心臟研究領域中，EPCs在心肌缺血或細胞因子的刺激下，能通過增加循環細胞的數量，到達受損部位并分化成新的心肌細胞[29]。EPCs具有循環、增殖和分化為成熟內皮細胞的能力，但是既沒有成熟的內皮標志物，也不能形成內腔[30]。

6 展 望

利用干細胞進行心血管修復為臨床治療心血管疾病提供了新思路，然而在選擇合適的干細胞進行心血管組織再生和功能修復中面臨很多問題。以下問題必須納入考慮：如何獲得充足的干細胞；如何提高體外擴增效率；目標干細胞移植入人體的最佳實施方案；目標干細胞在人體內的分化效率和功能整合?；谇懊嫠撌龅南拗疲@得足夠的ESCs是有挑戰的。相比之下，分離BMCs(如HSCs、MSCs、EPCs)相對比較容易，因為它們既存在于外周血，也存在骨髓。

由于在體內直接分離獲得的干細胞數量極其有限，因此，可將這些目標干細胞進行體外分離和純化以促進其利用率。利用體外擴增，移植前必須確保所篩選的細胞具有心肌細胞性質，心肌細胞應該具有自律性并表現出動作電位。早期心肌細胞可能會有不成熟的動作電位特性，但是隨著培養時間的延長，其功能會逐漸成熟。人們曾經嘗試過3種方法將干細胞導入心血管系統(靜脈、冠狀動脈和心肌)。將干細胞移植到心臟可以通過冠狀動脈或冠狀竇路徑，也可直接利用心內膜映射儀器直接將心肌細胞導入到心肌內部[28]。此外，骨髓源性的細胞可以采用靜脈注射，而將這些細胞靶向受損心肌可以采用特異性標志物。為了確定干細胞移植的最佳方案，非常有必要在心肌梗死的動物模型中比較這3種方法的優劣。部分臨床試驗表明，移植的干細胞可能無法完全取代心肌細胞的功能。改善心功能也可以通過其他方法，比如由移植細胞的旁分泌效應調控激活殘余心肌的功能，或者增強內源性修復過程[19]。由干細胞分化而來的心肌細胞的結構和功能特性，以及它們整合到宿主組織的能力仍然有待研究。

綜上所述，通過干細胞進行心血管修復和再生還有很長的一段路需要走，還有很多問題亟待解決：(1)確定這些細胞是否具有成熟心肌細胞的結構蛋白，如肌節、肌動蛋白α(α-actin)、心肌鈣蛋白、肌球蛋白重鏈、肌球蛋白輕鏈等。(2)還應研究這些細胞的離子通道和動作電位傳播所涉及的電生理學。(3)為了確定干細胞移植能否恢復，維持或改善受損心肌功能，有必要評估一些臨床指標，如心泵出功能、冠狀血流量、心臟重塑等。當然，干細胞治療的不良反應也需要被充分評估，從而更好地指導未來臨床運用。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2017.07.039

安琳(1972-)，主管護師，本科，主要從事心血管疾病治療相關研究。△

，E-mail:weilanpostbox@sina.com。

R459.9

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1671-8348(2017)07-0985-03

2016-07-18

2016-11-16)