缺血性心肌病的干細(xì)胞治療研究進(jìn)展

陳軼竹 劉志剛

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院 心臟外科， 天津 300457 )

缺血性心肌病(ischemic cardiomyopathy，ICM)是指由冠脈疾病導(dǎo)致的心肌變性、壞死甚至纖維化，并導(dǎo)致嚴(yán)重左心室功能障礙[左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)≤5%～40%]，是導(dǎo)致終末期心力衰竭最常見的原因之一[1,2]。盡管ICM的治療方法近年來不斷發(fā)展并逐步完善，但目前的治療方案始終無法逆轉(zhuǎn)壞死的心肌。在Strauer等[3]研究中，將20例急性心肌梗死患者分成細(xì)胞治療組和標(biāo)準(zhǔn)治療組，其中10例急性心肌梗死患者在球囊擴(kuò)張(經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈腔內(nèi)成形術(shù))過程中通過球囊導(dǎo)管將自體單核心肌細(xì)胞移植到梗死相關(guān)動(dòng)脈，另外10例急性心肌梗死患者僅接受標(biāo)準(zhǔn)治療。經(jīng)過3個(gè)月的隨訪，細(xì)胞治療組梗死區(qū)域(由左心室造影確定)明顯小于標(biāo)準(zhǔn)治療組(P=0.04)；且只有細(xì)胞治療組的梗死壁運(yùn)動(dòng)速度顯著增加[3]。這證明選擇性自體單核細(xì)胞冠狀動(dòng)脈內(nèi)移植是安全、有效的，冠狀動(dòng)脈內(nèi)自體細(xì)胞移植確實(shí)可以改善心肌梗死面積和左室收縮能力，其治療效果可能與骨髓干細(xì)胞(bone marrow stem cells，BMCs)相關(guān)的心肌再生和新生血管形成有關(guān)。因此，通過干細(xì)胞移植來治療ICM，是目前逆轉(zhuǎn)壞死心肌、改善患者預(yù)后的重要方向。本文就當(dāng)前ICM的最新干細(xì)胞治療進(jìn)展作一綜述。

干細(xì)胞是一類具有自我更新和分化能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下能夠產(chǎn)生高度分化的具有多種功能的細(xì)胞[4]。干細(xì)胞主要分為兩種類型：胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells，ESCs)和成體干細(xì)胞。成體干細(xì)胞又可以進(jìn)一步分為來自骨髓、心臟組織、脂肪組織、臍帶、骨骼肌和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，IPSCs)等。因此，可供移植的干細(xì)胞種類多樣，主要包括間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchyml stem cells，MSCs)、BMCs、心臟干細(xì)胞(cardiac stem cells，CSCs)、IPSCs、脂肪干細(xì)胞(adipose-derived stem cells，ASCs)、ESCs、內(nèi)皮祖細(xì)胞( endothelial progenitor cells，EPCs)、臍血干細(xì)胞、骨骼肌干細(xì)胞等。

1 間充質(zhì)干細(xì)胞

MSCs是存在于骨髓、骨骼肌、皮下脂肪組織、牙髓和肺等多種器官組織中，具有自我更新、分化和免疫調(diào)節(jié)特性的多能干細(xì)胞，它們能夠分化為多種細(xì)胞類型，如骨、軟骨、心肌、骨骼肌、血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞等。MSCs主要用于組織修復(fù)和再生，目前其臨床潛力已擴(kuò)展到心肌梗死、卒中、多發(fā)性硬化、肝硬化、糖尿病、肺損傷和腫瘤的治療。在各種MSCs中，骨髓源性間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow-derived MSCs，BMSCs)已被用于治療ICM。因此，MSCs是治療心肌梗死的潛在候選細(xì)胞。Bian等[5]研究報(bào)道了MSCs在缺氧刺激下可以釋放出大量直徑約100 nm的細(xì)胞外囊泡，釋放的細(xì)胞外囊泡可迅速被人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞吸收，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞體外增殖、遷移和血管形成能力增強(qiáng)；在急性心肌梗死大鼠模型中，心肌內(nèi)注射MSCs釋放的細(xì)胞外囊泡可增強(qiáng)血流恢復(fù)，縮小梗死面積，使心肌收縮和舒張功能得到保護(hù)。這表明，MSCs釋放的細(xì)胞外囊泡可通過促進(jìn)血管形成的方式保護(hù)心肌組織免受缺血性損傷。因此，利用MSCs治療ICM，能夠促進(jìn)心肌血管的生成，改善血供，減少心肌細(xì)胞的壞死，進(jìn)而改善心臟功能。另外，MSCs來源的外泌體通過其抗凋亡、抗炎、促血管生成和免疫調(diào)節(jié)作用，可以保護(hù)心臟[6]。分化潛能是MSCs修復(fù)組織的一種可能途徑，其分泌的介質(zhì)是促進(jìn)愈合作用的重要原因。MSCs可以通過自分泌作用促進(jìn)自身生存和增殖，也可以分泌營養(yǎng)因子，通過旁分泌作用于鄰近細(xì)胞[7]?？傮w來說，MSCs主要通過自分泌軸、旁分泌軸和內(nèi)分泌軸介導(dǎo)心臟修復(fù)。

MSCs的自分泌活性是由分泌因子作用于干細(xì)胞本身誘導(dǎo)的。MSCs的自分泌效應(yīng)與其分化能力密切相關(guān)。例如，Mayer等[8]研究表明，血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A)的自分泌信號(hào)活性可以影響人BMSCs的成骨分化。此外，自分泌效應(yīng)可以增強(qiáng)干細(xì)胞在惡劣微環(huán)境中的存活或增殖。Lee等[9]證明了人臍血MSCs分泌的前列腺素E2(prostate glands E2，PGE-2)可通過EP2受體維持其自我更新。

MSCs治療的主要優(yōu)勢是通過旁分泌多功能分子作用于鄰近細(xì)胞。MSCs可通過分泌可溶性旁分泌因子來保護(hù)心臟，促進(jìn)新生血管形成，并通過激活心源性祖細(xì)胞介導(dǎo)心肌內(nèi)源性再生。MSCs產(chǎn)生并分泌多種細(xì)胞因子、趨化因子和生長因子，這些因子參與了干細(xì)胞對心臟修復(fù)的過程[10]。心肌內(nèi)源性心肌祖細(xì)胞一旦被激活，可能分化為心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞，起到保護(hù)心臟的作用。移植的MSCs和心肌組織釋放的VEGF可使干細(xì)胞從心臟本身和骨髓動(dòng)員到心肌梗死區(qū)[11]。

內(nèi)分泌器官分泌的激素和因子遠(yuǎn)距離作用于其他組織，需要系統(tǒng)循環(huán)到達(dá)它們的特定受體，以干預(yù)它們的內(nèi)分泌反饋回路。我們認(rèn)為正五聚蛋白-3(pentraxin 3，PTX-3)可能是一種中介，以內(nèi)分泌樣方式對缺血再灌注損傷起保護(hù)作用。MSCs/ASCs可通過自分泌增強(qiáng)干細(xì)胞活性、旁分泌和內(nèi)分泌改善局部心臟修復(fù)等不同機(jī)制發(fā)揮作用，通過干細(xì)胞或祖細(xì)胞進(jìn)一步對抗心肌損傷[7]。

2 骨髓干細(xì)胞

在骨髓中存在著許多功能不同的前體細(xì)胞，包含造血干細(xì)胞( hematopoietic stem cells，HSCs)、EPCs及BMSCs等[12]。在ICM的治療中，BMSCs 已被證實(shí)能改善心肌功能，促進(jìn)血管新生，并減少心肌纖維化。Hare等[13]首次證實(shí)了BMSCs的療效，他們發(fā)現(xiàn)在30例ICM患者中，經(jīng)心臟注射異體BMSCs和自體BMSCs后均能減少心肌梗死面積和改善左心室舒張末期容積，其中異體BMSCs移植未見明顯免疫排斥反應(yīng)。BMSCs對心臟修復(fù)的遠(yuǎn)程影響可能是通過激活周細(xì)胞、微血管壁細(xì)胞來介導(dǎo)的；周細(xì)胞具有很強(qiáng)的再生能力，與MSCs非常相似。干細(xì)胞治療已經(jīng)證明，周細(xì)胞注射可以逆轉(zhuǎn)心臟重構(gòu)，抑制纖維化和炎癥，同時(shí)促進(jìn)血管生成[14]?？偟膩碚f，BMSCs注射對患者的心室重構(gòu)、心臟功能和生活質(zhì)量都有良好的影響。

3 心臟干細(xì)胞

Hierlihy等[15]描述了在成人心臟中分離出的具有干細(xì)胞行為的細(xì)胞。此后，CSCs的存在已被多個(gè)研究小組證實(shí)[16，17]。CSCs是一種可再生的細(xì)胞，作為心肌細(xì)胞更新的基礎(chǔ)，已被證明可分化為心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞，且具有心臟再生的潛力[18]。Yamada等[19]誘導(dǎo)小鼠中期、晚期和終末期ICM模型，評估CSCs治療對左心室容量(疾病嚴(yán)重程度的一個(gè)替代指標(biāo))的獲益，發(fā)現(xiàn)在CSCs治療后1個(gè)月顯著獲益。中期ICM對CSCs介導(dǎo)的修復(fù)反應(yīng)最為明顯，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)；晚期ICM對CSCs治療反應(yīng)較差，雖然可以改善收縮力，但不能逆轉(zhuǎn)已存在的心臟擴(kuò)大；終末期ICM對CSCs治療反應(yīng)最差[19]。這一研究證明了CSCs的最佳治療窗口。因此，在細(xì)胞治療之前，應(yīng)考慮疾病嚴(yán)重程度分級，以便為再生醫(yī)學(xué)干預(yù)提供參考依據(jù)。

4 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞

IPSCs最早是在2006年通過小鼠成纖維細(xì)胞核重編程產(chǎn)生的[20]，而人類IPSCs是在2007年通過定義因子的轉(zhuǎn)導(dǎo)建立起來的[21]。它們具有巨大的分化潛力，因此是心臟再生治療中最有前途的干細(xì)胞之一[22]。IPSCs通過旁分泌細(xì)胞因子的作用可以改善ICM的心功能。心臟原生的心肌細(xì)胞可能不完全適合修復(fù)受損心肌。因此，IPSCs可能是修復(fù)受損心肌的重要方式，因?yàn)樗鼈冇锌赡苷系叫呐K系統(tǒng)中以恢復(fù)其功能。在精準(zhǔn)醫(yī)療的時(shí)代，患者特異性成纖維細(xì)胞可被重新編程為針對心臟系統(tǒng)的IPSCs，用于細(xì)胞移植。

5 脂肪干細(xì)胞

利用ASCs進(jìn)行心臟再生治療被認(rèn)為是修復(fù)心肌梗死后受損心肌的一種有前景的方法，它通過旁分泌作用改善左室收縮能力，同時(shí)分泌的血管生成因子可促進(jìn)新生血管形成[23]。Yang等[24]在小鼠心肌梗死模型中比較了人類ASCs和ASC條件下的培養(yǎng)基，觀察到兩種治療方式均降低了心肌梗死面積，減少了心肌細(xì)胞凋亡，并改善了心臟的功能。Preda等[25]研究發(fā)現(xiàn)，ASCs遠(yuǎn)程移植可保護(hù)心臟免于缺血再灌注損傷；他們發(fā)現(xiàn)皮下注射的ASCs沒有系統(tǒng)遷移，但在注射部位局部增殖；這些基因改良的ASCs能夠改善梗死后的心臟功能。Rasmussen等[26]和Paul等[27]研究亦表明ASCs對心臟具有保護(hù)作用。Lee等[28]研究表明，ASCs釋放的骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)可以保護(hù)心肌細(xì)胞免受活性氧誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。OPG由干細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生，是一種可溶性誘餌受體，可與腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體結(jié)合，從而中和凋亡誘導(dǎo)因子介導(dǎo)的凋亡信號(hào)[29]。這些研究結(jié)果進(jìn)一步為干細(xì)胞的旁分泌效應(yīng)提供了依據(jù)，并為設(shè)計(jì)一種有效的干細(xì)胞的治療策略奠定了基礎(chǔ)。

6 胚胎干細(xì)胞

ESCs可以產(chǎn)生生物體中所有類型的細(xì)胞。將ESCs移植到梗死心肌組織后，形成穩(wěn)定的心肌組織結(jié)構(gòu)，并可以明顯改善血流動(dòng)力學(xué)，因此它是治療ICM中最有希望的干細(xì)胞類型[30,31]。但ESCs的移植仍存一些問題，包括移植排斥反應(yīng)、心律失常和畸胎瘤的潛在風(fēng)險(xiǎn)，社會(huì)、法律、移植帶來的倫理等諸多問題，從而限制著ESCs移植在治療ICM中的應(yīng)用[32]。

7 展望

近年來ICM患者不斷增加，尋找一種治療ICM的有效方法是目前亟待解決的問題。目前，ICM的治療手段主要包括冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(coronary artery bypass grafting，CABG)、經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入術(shù)(percutaneous coronary intervention，PCI)以及心血管藥物治療等，但這些治療方法只對頓抑心肌和冬眠心肌有效，無法挽救壞死的心肌。干細(xì)胞修復(fù)ICM的壞死心肌組織、促進(jìn)血管新生及改善心臟功能的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)也證實(shí)了其有效性。眾多的研究提示，干細(xì)胞移植可能成為臨床治療ICM的有效手段，值得進(jìn)一步深入研究。