心肌組織工程研究進展

何玉蘭 孫 堯

(河北聯(lián)合大學(xué)附屬醫(yī)院老年科 河北唐山 063000)

心血管疾病(CVD)是當今社會的主要健康問題和死亡的主要原因。由于成熟心肌細胞(Cardiomyocytes，CMs)屬于終末分化期永久性細胞，不具有再生能力[1]，其對有絲分裂信號作出的反應(yīng)是細胞肥大[2]而不是再生。由于心肌損傷后無法通過自身的增殖、分化進行修復(fù)，壞死的心肌則由纖維疤痕組織取代[3，4]。幸存心肌細胞的有限增殖能力使受損的心肌發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致心力衰竭等病態(tài)后遺癥[5]。傳統(tǒng)的治療方法雖然能在一定程度上改善癥狀，但并不能徹底地治愈。心肌組織工程的發(fā)展，為解決這一難題開辟了一個新領(lǐng)域。心肌組織工程研究主要涉及種子細胞、支架材料、體外構(gòu)建方式以及心肌再血管化等方面。

1 種子細胞

種子細胞一直是組織工程研究的核心問題之一，理想的種子細胞應(yīng)該具有易獲得、易體外培養(yǎng)增殖、長期傳代不改變生物學(xué)特征、抗原性小、組織修復(fù)能力強等特性[6]。

胎幼心肌細胞:胎幼心肌細胞研究最早最廣泛，被認為是目前干細胞研究領(lǐng)域的一個重要方面。Soonpa等[7]最早將小鼠胚胎心肌細胞移植至正常小鼠心臟中，發(fā)現(xiàn)移植細胞成功存活分化，并與宿主細胞形成閏盤連接。Muller等[8]在大鼠心梗模型中進一步證實移植可減少梗死區(qū)的反常運動，改善心功能。但是對人類而言，胎幼心肌細胞移植存在供體細胞來源及社會倫理道德爭論，而且異體移植排斥反應(yīng)使移植物難以長期存活;心臟自體細胞:Quaini等[9]證實人的心肌細胞存在增殖活動，尤其在病理條件下心肌細胞增殖與再生加速。雖然心臟自體細胞具有移植心肌細胞與自體心肌細胞形成同步收縮的潛能，但此方法所獲得的心肌細胞肌絲排列紊亂，而且心肌細胞的再生機制尚不明確、心肌細胞的來源缺乏，這些因素都亟待解決;RA2nmol/L、DMSO6mL/L和FCS200mL/L的濃度和組成為最佳誘導(dǎo)條件，可將80%的小鼠ESCs誘導(dǎo)分化為心肌細胞，并存活達57d之久;誘導(dǎo)多能干細胞:2006年，Takahashi等[10]首次發(fā)現(xiàn)外源導(dǎo)入特定的轉(zhuǎn)錄因子能夠使已分化的細胞重編程回歸到胚胎細胞狀態(tài)，他們通過慢病毒載體介導(dǎo)將 Oct4、Sox2、c－Myc和Klf44種轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入小鼠皮膚成纖維細胞，獲得了具有強大的自我更新能力和分化潛能的多能性干細胞，命名為“誘導(dǎo)性多潛能干細胞”(Induced pluripotent stem cells，iPS細胞)。與經(jīng)典的胚胎干細胞技術(shù)不同，iPS細胞技術(shù)避開了長久以來一直困擾所有干細胞研究者的倫理、宗教、法律等問題，同時利用iPS技術(shù)可以用病人自己的體細胞制備專有的干細胞，所以不會有免疫排斥的問題，為某些疾病(脊髓損傷、神經(jīng)退行性變、心肌梗死、青少年糖尿病等)的治療帶來了新的方法與希望[11];骨髓間充質(zhì)干細胞:骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)由于具有多向誘導(dǎo)分化能力;來源于自體，無免疫源性;取材損傷小，僅行骨髓穿刺就可獲得;來源充足，可反復(fù)取材;擴張能力強;培養(yǎng)要求低等特點而成為心肌組織工程中前景廣闊的細胞來源。

1999年Makino等[12]首次報道MSCs體外成功地向CMs誘導(dǎo)分化，這是一個具有里程碑意義的研究。呂鐵偉等誘導(dǎo)BMSCs分化成心肌細胞，可觀察到BMSCs向心肌細胞形態(tài)的改變明顯[13]，免疫組化顯示血清肌鈣蛋白T(cTnT)表達陽性率高。楊國勛等[14]將兔MSCs注入心肌梗死區(qū)，發(fā)現(xiàn)含有肌小節(jié)纖維的幼稚細胞，部分細胞與周圍正常的心肌細胞形成縫隙連接。日本的研究人員把同種異體的MSCs植入大鼠心肌梗死區(qū)發(fā)現(xiàn)，在梗死區(qū)和非梗死區(qū)交界處心肌的纖維化明顯減少，左心室舒張內(nèi)徑增大，左心室射血分數(shù)明顯改善[15]。研究人員將BMSCs移植到大鼠左冠狀動脈下支結(jié)扎造成心肌缺血模型后發(fā)現(xiàn)，在瘢痕區(qū)有大量的新生血管出現(xiàn)，8周時觀察到左心室血流增加，移植2個月后移植區(qū)的心肌細胞凋亡明顯較對照組少，心功能有明顯改善[16]。

2 支架材料

支架材料作為種子細胞黏附、增殖和分化并最終引導(dǎo)組織再生的人工基質(zhì)，在大多數(shù)組織工程策略中扮演著一個關(guān)鍵角色。理想的組織工程支架應(yīng)具有以下特點:①良好的生物相容性，在體內(nèi)不引起炎性反應(yīng)和毒性反應(yīng)。②可吸收性，能徹底被自身組織取代。③可塑性，可制備為任意的三維結(jié)構(gòu)，植入后在體內(nèi)仍可保持特定形狀。④表面化學(xué)特性和表面微結(jié)構(gòu)利于細胞的黏附和生長。⑤降解速率可根據(jù)不同細胞的組織再生速率進行調(diào)整。組織工程應(yīng)用的支架材料可分為3類:①可降解的合成材料。主要有聚乙醇酸(PolyglycolicAcid，PGA)，聚乳酸(Polylactic Acid PLA)，PLA和 PGA(Poly－Lactic－Glycolic Acid，PLGA)共聚物等;②天然材料。包括大分子生物材料(如膠原蛋白、彈性蛋白硫酸軟骨素等)和脫細胞纖維組織結(jié)構(gòu)(如脫細胞血管基質(zhì)、脫細胞心包基質(zhì)等);③合成材料和天然材料的復(fù)合物。將兩者按照一定的方法組合可構(gòu)建成復(fù)合基質(zhì)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

目前，心肌組織工程的支架材料主要包括人工合成聚合物[如聚己內(nèi)酰胺(PCL)、聚乙醇酸(PLA)、聚乳酸(PGA)及其共聚物]或天然生物材料(如藻酸鹽、膠原或明膠)。

天然材料主要有膠原、氨基葡聚糖、硫酸軟骨素、纖維蛋白凝膠等。在天然材料中，膠原因具有良好的生物相容性、可降解性和可塑性，被廣泛用作組織工程化人體組織再造的支架材料。合成材料較多，但是聚乳酸和聚乙醇酸支架降解后引起局部pH值降低，使周圍組織發(fā)生損傷，故目前的研究趨勢傾向于合成新的材料或者用生物活性分子對現(xiàn)有的材料進行化學(xué)修飾的方法獲得對人體無害的仿生材料。

3 體外構(gòu)建方式

體外構(gòu)建由種子細胞和支架材料所組成的復(fù)合體是心肌組織工程的核心。目前，心肌組織工程的體外構(gòu)建主要包括以下幾種方式:①直接在人工或天然材料上種植。②在可溶解的基質(zhì)材料中培養(yǎng)。③疊加單層細胞，形成心肌樣組織。

4 組織工程心肌的再血管化

組織工程化組織或者器官移植體內(nèi)后的存活需要血管提供氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)，并帶走代謝產(chǎn)物，因此移植物有效形成血管是組織工程化組織或者器官成活的關(guān)鍵。

為了提高體內(nèi)移植生存率，工程組織必須具備促進血運再生的能力。由于血管內(nèi)皮細胞是形成血管網(wǎng)絡(luò)的主要功能細胞，因此通過在心肌細胞和支架復(fù)合體中復(fù)合血管內(nèi)皮細胞的方式促進再造心肌的血管化是目前研究的熱點。Narmoneval于2004年在縮氨酸水凝膠中把心肌細胞接種于預(yù)形成的內(nèi)皮細胞網(wǎng)中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞可以顯著抑制心肌細胞的凋亡和壞死，促進心肌細胞的存活和三維構(gòu)建物的形成。

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