骨髓間充質干細胞治療心肌梗死的研究進展

趙麗平 周晨明 李菁菁 徐彥楠

1.河北醫科大學基礎醫學院，河北石家莊 050017；2.河北醫科大學電鏡實驗中心，河北石家莊 050017；3.河北醫科大學細胞生物學教研室，河北石家莊 050017；4.河北醫科大學教學實驗中心，河北石家莊 050017

隨著社會的發展，人們生活習慣的改變以及社會、心理等因素的影響，心血管疾病發病率逐年增高，嚴重威脅著人類的健康。心肌梗死起病急、發展迅速，是臨床常見的內科危重癥。因心肌細胞自我再生能力有限[1]，最終梗死的心肌隨著纖維性瘢痕的形成和左心室的重構，收縮力降低，導致心功能下降，引起心力衰竭，危及生命。雖然臨床上已采用溶栓、冠狀動脈支架植入術和冠狀動脈旁路移植術治療心肌梗死，但這些方法并不能從根本上扭轉梗死心肌的損害或改善心功能。因此，尋找一種通過心肌再生來改善心功能的方法已成為新的研究方向。近幾十年來，科學家們通過實驗證明干細胞治療是改善急性心肌梗死預后的一種有前景的治療方法[2-4]。目前，骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs）已成為各種類型干細胞研究的重點。因此，本文就BMMSCs 的特點及治療心肌梗死的機制進行如下綜述。

1 BMMSCs 的特點

間充質干細胞是干細胞家族的主要成員，是目前被臨床廣泛使用的細胞類型[5]。間充質干細胞最初是德國病理學家Julius Cohnheim 于19 世紀末在骨髓中觀察到的[6]。Friedenstein 等[7]通過研究于20 世紀70 年代提出了一種從小鼠骨髓中分離間充質干細胞的方法。間充質干細胞是一種起源于中胚層的多能干細胞，具有體外擴增和自我更新的能力，并且在一定條件下可分化為軟骨、脂肪、骨和神經細胞[8]。間充質干細胞來源包括骨髓、脂肪、臍血、胎盤、乳牙、真皮組織、滑液、羊水[9-13]。骨髓來源的間充質干細胞有較低的免疫原性和免疫調節能力，能有效地消除或避免免疫排斥反應，因此是目前研究最多、最為深入的間充質干細胞，現已用于梗死后心臟的修復和再生[14-15]。鑒于上述特點及易自體采集、分離簡單、易體外擴增等優勢，使其成為治療心血管疾病的理想種子細胞。

2 BMMSCs 治療心肌梗死的機制

2.1 移植細胞活性、遷移和歸巢

移植細胞的存活受多種因素的影響，如：移植細胞活性、遷移和歸巢等。有研究表明低氧濃度下培養的BMMSCs 較常氧條件下數目明顯增多，提示低氧環境有利于增加BMMSCs 的數量、活性[16-17]。除了細胞活力，BMMSCs 的遷移和歸巢的過程是移植成功的關鍵，因此，需要探索增強移植細胞遷移和歸巢能力的方法。間充質干細胞的歸巢過程有多種趨化因子參與，其中G 蛋白偶聯受體CXCR4 及其配體基質細胞衍生因子1（SDF-1）兩者特異性結合后，形成SDF-1/CXCR4 軸，啟動細胞內信號轉導系統，在引導干細胞的歸巢中起重要作用[18-19]。王志紅等[20]通過實驗表明過表達CXCR4 的BMMSCs，可通過SDF/CXCR4 信號通路介導，促進BMMSCs 遷移和歸巢。

2.2 轉化

眾多研究表明，BMMSCs 可以分化為心肌細胞和血管內皮細胞[21]。將BMMSCs 植入到受損的心肌組織中，通過誘導劑可以誘導其向心肌樣細胞定向轉化。陳曉依等[22]用p53 抑制劑（PFT-α）、骨形態發生蛋白2（BMP-2）對BMMSCs 進行誘導，結果發現PFT-α 和BMP-2 均可誘導大鼠BMMSCs 分化為心肌樣細胞。張亞楠等[23]也通過研究證明過表達GATA-4 基因能夠促進經5 氮雜胞苷誘導的大鼠BMMSCs 向心肌細胞分化。此外，BMMSCs 還可促進新生血管的生成，改善梗死心肌的缺血狀態。Stamm 等[24]在6 例發生心肌梗死并接受冠狀動脈旁路移植術患者的梗死邊緣區注射了自體BMMSCs，術后3～9 個月，所有患者均存活良好，4 例患者左心室整體功能增強，5 例患者梗死組織灌注明顯改善，該實驗證明干細胞植入心臟是安全的，并可能誘導血管生成，從而改善梗死心肌的灌注。

2.3 旁分泌機制

BMMSCs 的分泌功能在心肌梗死的治療中也起到了非常重要的作用。BMMSCs 能產生大量生物活性因子和RNA，包括血管內皮生長因子、成纖維細胞生長因子、促肝細胞生長素、胰島素樣生長因子等。這些旁分泌因子具有抗炎、減輕纖維化、促進新生血管生成、調節機體免疫，可幫助修復受損組織并改善心臟的功能。

2.3.1 促進血管生成 心肌梗死后，心肌細胞凋亡或壞死，成纖維細胞進行瘢痕修復，最終導致心室重構，嚴重影響心臟功能。因此，促進梗死區域的血管生成至關重要。移植到周圍梗死區的間充質干細胞可釋放血管 內皮生長因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF）、SDF-1 等旁分泌因子，調節血管生成，抑制信號通路，促進新血管神經節的形成。Zisa 等[25]證實VEGF 在間充質干細胞介導的心臟修復中是關鍵的治療性因子。研究進一步證明將VEGF 注射給心肌梗死后的豬后，結果發現心肌梗死及梗死周圍區血管密度明顯增加，并且促進心肌細胞增殖，從而促進心功能的恢復[26]。也有研究表明BMMSCs 還可以上調缺血心肌局部VEGF、血管緊張素-1（Ang-1）、血小板衍生因子-β（PDGF-β）、表皮生長因子-1（IGF-1）等多種生長因子的表達從而明顯促進梗死心肌邊緣區的血管新生，增加缺血區微血管密度，改善局部的血液供應[27]。

2.3.2 抗炎與抗纖維化 心肌梗死后，補體的激活和活性氧的產生誘導細胞因子和趨化因子的上調，從而引發強烈但短暫的炎癥反應。炎癥反應可以清除壞死細胞和基質碎片，同時為瘢痕的形成奠定基礎。因此，及時抑制炎癥反應對提升心功能，改善患者預后意義重大[28]。有研究將BMMSCs 來源外泌體直接注射到小鼠的心肌橫死區域周圍，結果發現心肌纖維化程度明顯降低，并且相關炎癥因子如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素（IL）-6、IL-1β、轉化生長因子-β（TGF-β）和趨附因子CCL2、CX3CL1 的釋放減少[29]。Lee 等[30]用內皮素-1 預處理臍帶間充質干細胞，通過轉錄因子GATA2 和MZF1 刺激Cadherin 2 和VEGF 的表達，可使內皮素-1 處理后的間充質干細胞增強心肌梗死大鼠的抗纖維化功能。肝細胞生長因子（HGF）作為一種抗纖維化因子，在體外間充質細胞抗纖維化功能中發揮重要的作用[31]。有研究表明間充質干細胞過表達HGF 在心肌梗死期間改善心功能和減少纖維化方面有明顯效果[32]。

2.3.3 免疫調節作用 間充質干細胞具有強大的免疫調節作用。研究表明，間充質干細胞通過修飾外周血單核細胞，產生大量的生長因子、細胞因子和分化因子，調節免疫反應和炎癥[33]。間充質干細胞免疫調節包括旁分泌機制調節和免疫細胞調節。

間充質干細胞分泌產生的多種可溶性因子在的免疫調節中起著重要作用，如NO 不僅可以抑制T 細胞的增長[34]，還能通過誘導型一氧化氮合酶（iNOS）的上調，對免疫細胞產生調節作用[35]。間充質干細胞免疫調節是通過減少免疫細胞的增殖和成熟，來抑制免疫反應。主要是利用下調T 細胞和樹突狀細胞的發育，降低B 細胞的功能和增殖，抑制NK 細胞的增殖和細胞毒性[36]。PD-1/PD-L1 通路對免疫穩態至關重要[37]。PD-1 的生理作用是通過抑制T 細胞的活化和增殖來維持T 細胞穩態，從而抑制自身免疫[38]。間充質干細胞分泌的PD-L1 會因促炎性細胞因子，如干擾素-γ（IFN-γ）和TNF-α 而明顯上調，從而抑制T 細胞的活化狀態[39]。樹突狀細胞在體液免疫和細胞免疫中具有重要作用，間充質干細胞可以通過阻斷DC 細胞的成熟，使其處于幼稚階段，導致DC 細胞表面的抗原的表達并刺激分子CD40、CD80 和CD86 的表達下調，結果導致其成熟、遷移、抗原遞呈和抗原處理的能力降低[40]。此外，間充質干細胞還可以下調效應B細胞的功能如免疫球蛋白的產生和漿細胞的分化[41]。

3 小結

BMMSCs 具有多向分化、易獲取、快速增殖、免疫原性低、可移植性強等優點，是治療心血管疾病的理想種子細胞。除此之外，移植的BMMSCs 可以抗炎與抗纖維化，促進新生血管形成，并能進行免疫調節。但移植細胞的存活問題仍需我們進一步的研究解決。目前，臨床試驗已對BMMSCs 治療的可行性和安全性進行了檢驗，但在治療心肌梗死中，BMMSCs 的最佳劑量和給藥途徑仍需進一步研究。