心肌細(xì)胞產(chǎn)生方式

唐寶琛

(上海市川沙中學(xué) 上海 201200)

一、背景

心臟是哺乳動物非常重要的器官之一，心臟在工作時類似一個“泵”，可為身體各個器官提供血液，而血液中含有細(xì)胞代謝所需的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)隨著血液的流動而運輸至全身各處。除此之外，細(xì)胞代謝產(chǎn)生的廢棄物也可通過血液運輸排出。哺乳動物的心臟具有四個腔室，包括左心室、左心房、右心室和右心房，四個腔室共同發(fā)揮心臟的功能。除此之外，心臟中含有瓣膜結(jié)構(gòu)，其功能是為了防止血液的倒流。從微觀上說，心臟由大量細(xì)胞組成，例如平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和心肌細(xì)胞等，共同構(gòu)成心臟的各個組織。（如圖1）[1]。

圖1 心臟解剖結(jié)構(gòu)示意圖

隨著現(xiàn)在人們生活水平的不斷提高，許多不健康的生活習(xí)慣也在逐漸增加，這些不健康的生活習(xí)慣會導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，其中也可引起心臟疾病的產(chǎn)生。有研究表明，我國心臟疾病的患病率與死亡率都在逐年上升，其已經(jīng)成為我國居民死亡的主要原因（如圖2）[2]。不良生活習(xí)慣可能會導(dǎo)致心臟血管由于脂肪的累積而堵塞，從而導(dǎo)致血液流動不通暢，使得周圍細(xì)胞供血不足，進(jìn)而使大量心肌細(xì)胞死亡，甚至可導(dǎo)致人體死亡，因此，心臟疾病的治療刻不容緩。

圖2 心血管疾病死亡率居疾病死亡率首位

心肌細(xì)胞的增殖能力對于不同物種不同的生長發(fā)育階段也存在差異。例如小鼠心肌細(xì)胞的增殖能力在出生后一周內(nèi)不斷減弱，但在青春期（出生后15天）有一個短暫的增強(qiáng)[4]。對于人來說，其心肌細(xì)胞增殖能力從一開始就較弱，但在20歲之前心肌細(xì)胞有著一定水平的更新能力[5]。再例如非哺乳動物斑馬魚，其心肌細(xì)胞增殖能力并不隨著發(fā)育時間的延長而減弱，反而一直維持較高水平[3]。

心臟疾病可能導(dǎo)致大量心肌細(xì)胞死亡，然而哺乳動物心肌細(xì)胞增殖能力較弱，導(dǎo)致心臟受損后難以恢復(fù)。因此，如何提高心肌細(xì)胞的增殖能力，是心臟疾病治療中較為關(guān)鍵的問題。而該過程中了解心肌細(xì)胞的產(chǎn)生方式也較為重要。本研究通過查閱文獻(xiàn)的方式，了解、對比、總結(jié)心肌細(xì)胞產(chǎn)生方式，從而對心臟疾病治療提供借鑒意見。

二、斑馬魚心肌細(xì)胞產(chǎn)生方式

對于非哺乳動物斑馬魚來說，如若對成年斑馬魚心臟切除20%的心臟組織，隨后觀察其心臟的恢復(fù)能力，可以發(fā)現(xiàn)在其受損后30天，心臟可以很好地恢復(fù)，并且瘢痕組織完全消失，該實驗表明成年斑馬魚心臟具有較高水平的再生能力，并且有證據(jù)表明新增的心肌細(xì)胞是由原心肌細(xì)胞增殖而來（如圖3）[3]。

圖3 斑馬魚心臟損傷后可完全修復(fù)

心臟再生過程中是否存在心肌細(xì)胞增殖能力的增強(qiáng)？為驗證該假設(shè)，實驗人員利用BRDU（用于標(biāo)記DNA復(fù)制）進(jìn)行了標(biāo)記實驗，檢測心肌細(xì)胞增殖能力的變化情況，發(fā)現(xiàn)斑馬魚心臟在損傷后，心肌細(xì)胞增殖能力相對于對照組來說明顯增強(qiáng)，并且受損部位增殖能力明顯強(qiáng)于未受損區(qū)域。

心肌細(xì)胞增殖能力的增強(qiáng)導(dǎo)致了心臟的再生，那么，在此過程中心肌細(xì)胞是如何產(chǎn)生的呢？未解決該問題，研究人員通過透射電子顯微鏡觀察其細(xì)胞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在受損后5-7天內(nèi)心肌細(xì)胞內(nèi)部原周期性排列的結(jié)構(gòu)被打亂，該過程稱為心肌細(xì)胞退分化，而具有退分化的心肌細(xì)胞才具有增殖能力，才可進(jìn)一步完成分裂過程。以上內(nèi)容證明斑馬魚心肌細(xì)胞是通過細(xì)胞退分化來完成心肌細(xì)胞增殖能力的增強(qiáng)的（如圖4）[4]。

圖4 新的心肌細(xì)胞由已存在的細(xì)胞退分化產(chǎn)生

以上實驗共同證明，斑馬魚在心臟受損后，新心肌細(xì)胞的產(chǎn)生可由原有心肌細(xì)胞退分化，完成分裂進(jìn)而達(dá)到心臟再生的目的。

三、小鼠心肌細(xì)胞產(chǎn)生方式

對于哺乳動物的小鼠心臟，做類似斑馬魚的實驗，在小鼠出生后一天切除其心尖的10%～15%心臟組織，在損傷后21天，發(fā)現(xiàn)其心臟可像損傷后的斑馬魚一樣完全修復(fù)，并且膠原組織也完全消失（如圖5），除此之外，心臟的功能及重量均與假手術(shù)組相當(dāng)[4]。說明此時心臟已經(jīng)完全修復(fù)，并與假手術(shù)組一。以上結(jié)果證明，小鼠出生后一天心臟同成年斑馬魚一樣具有較強(qiáng)的再生能力。

圖5 小鼠心臟損傷后可完全修復(fù)

同樣的，為了驗證心臟再生過程中心肌細(xì)胞增殖能力的變化情況，研究人員通過phospho-H3（可檢測處于細(xì)胞核分裂的心肌細(xì)胞）標(biāo)記實驗，進(jìn)而檢測心肌細(xì)胞的增殖能力變化情況，發(fā)現(xiàn)在初生小鼠心臟受損后，其心臟各部分（損傷區(qū)、損傷邊緣區(qū)及遠(yuǎn)端區(qū)）的心肌細(xì)胞增殖能力均有明顯增強(qiáng)，并且其心肌細(xì)胞也出現(xiàn)退分化的現(xiàn)象，說明，此時心肌細(xì)胞也能夠通過退分化的方式進(jìn)行細(xì)胞增殖，以完成心臟修復(fù)（如圖6）[5]。

圖6 新的心肌細(xì)胞由已存在的細(xì)胞退分化產(chǎn)生

以上實驗共同說明，初生的小鼠新的心肌細(xì)胞也是能夠通過原有的心肌細(xì)胞通過退分化增殖產(chǎn)生。

四、討論

心臟是人體重要的組織器官，心臟疾病會導(dǎo)致心臟大量細(xì)胞死亡，而心肌細(xì)胞的增殖能力較弱，因此，探尋如何提高心肌細(xì)胞的增殖能力，是心臟疾病治療中較為關(guān)鍵的問題。本文通過查閱文獻(xiàn)，整合了非哺乳動物斑馬魚和初生小鼠心臟受損后心肌細(xì)胞增殖能力變化情況，發(fā)現(xiàn)其皆能通過退分化恢復(fù)原有心肌細(xì)胞的增殖能力，產(chǎn)生新的心肌細(xì)胞。

那么，既然哺乳動物和非哺乳動物心肌細(xì)胞均可由原有的心肌細(xì)胞退分化產(chǎn)生，在人的心臟疾病治療過程中，是否可以通過刺激心肌細(xì)胞退分化，從而使原有心肌細(xì)胞退分化產(chǎn)生新的心肌細(xì)胞，并對疾病進(jìn)行治療呢？該問題需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。而本文可對心臟疾病的治療提供些許借鑒意見。