增強(qiáng)基于間充質(zhì)干細(xì)胞治療心血管疾病功效方法的研究進(jìn)展

潘信義 (柳州市人民醫(yī)院醫(yī)療保健部一病區(qū)，廣西 柳州 545000)

心血管疾病(CVD)通常會(huì)引發(fā)冠心病、腦卒中和缺血性疾病，是全球性公共衛(wèi)生問題，其死亡人數(shù)超過其他疾病〔1〕。缺血性疾病是血管異常引起組織或器官血流減少造成的，其治療通常以藥物或手術(shù)治療為主。藥物應(yīng)用包括溶栓劑和消炎藥，是治療這些疾病的典型策略〔2〕。然而，這些藥物的使用可能導(dǎo)致意想不到的不良反應(yīng)。此外，手術(shù)也有缺點(diǎn)，如手術(shù)并發(fā)癥和疾病復(fù)發(fā)〔3〕。雖然藥物和手術(shù)治療可以改善血管疾病的功能，但這些治療不能增強(qiáng)受CVD影響的周圍組織再生和功能恢復(fù)。因此，有必要制定更有效的治療CVD策略。間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)是從骨髓、脂肪組織、臍帶等多種組織中分離得到的，這些細(xì)胞可以分化為骨、肌肉、肌腱和脂肪組織〔4〕。此外，它們可以分泌多種細(xì)胞/生長因子，這些因子可以調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)并增加宿主細(xì)胞擴(kuò)增和分化的潛力，這可能有助于修復(fù)受損組織〔5〕。因此，它們是用于組織修復(fù)和治療各種病理狀況的細(xì)胞來源，例如心肌梗死、腦卒中和外周缺血性疾病等〔6〕。對(duì)于CVD的有效治療，提高基于MSCs的治療效率至關(guān)重要。本文主要探討基于MSCs的治療在CVD中的應(yīng)用，并列舉其潛在的治療機(jī)制、治療效果及增強(qiáng)MSCs的功能。

1 多種干細(xì)胞用于CVD治療

胚胎干細(xì)胞(ESCs)具有全能性，有能力分化為三種胚層細(xì)胞：外胚層、內(nèi)胚層和中胚層。已觀察到ESCs有能力分化為功能性心臟、神經(jīng)元和胰腺細(xì)胞〔7〕。ESCs分化的心肌細(xì)胞，其細(xì)胞形態(tài)和生理與成年心肌細(xì)胞相似。ESCs來源的心肌細(xì)胞能表達(dá)多種心臟特異性基因和轉(zhuǎn)錄因子，如鳥嘌呤-腺嘌呤-胸腺-腺苷結(jié)合蛋白(GATA)4和NK2同源框5(NKx2-5)〔8〕。此外，ESCs來源的心肌細(xì)胞還可通過心肌細(xì)胞特異性受體對(duì)藥物產(chǎn)生反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)〔9〕，在體內(nèi)移植的ESCs模型改善了缺血損傷大鼠的心臟功能。ESCs治療CVD很有前景，但由于其起源、形成畸胎瘤的可能性及人體的免疫排斥，在醫(yī)學(xué)倫理上存在爭議，從而限制了其使用。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)由成體細(xì)胞(如成纖維細(xì)胞)通過重新編程轉(zhuǎn)錄因子〔如八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子(Oct)4，性別決定區(qū)Y框蛋白(Sox)2，核轉(zhuǎn)錄因子(Klf)4和原癌基因(c-Myc)〕產(chǎn)生，可分化為人類多種細(xì)胞類型〔10〕。iPSCs與ESCs在體內(nèi)形態(tài)、表面標(biāo)志物、基因表達(dá)、畸胎瘤形成等多種特征相似，具有與ESCs相同的細(xì)胞培養(yǎng)條件。研究表明〔11〕，在小型豬心肌梗死模型中，iPSC來源的心肌細(xì)胞可顯著改善心功能。另一項(xiàng)研究表明〔12〕，將iPSCs細(xì)胞片與網(wǎng)膜瓣技術(shù)結(jié)合可提高移植iPSCs的細(xì)胞存活率。因此，iPSCs被認(rèn)為是CVD細(xì)胞治療的替代資源。與成體干細(xì)胞和ESCs相比，iPSCs的優(yōu)勢在于易生成，且在CVD治療過程中免疫排斥風(fēng)險(xiǎn)較低〔13〕。此外，iPSCs還可避免用ESCs引起的倫理和免疫排斥問題。

MSCs是一種異質(zhì)性的細(xì)胞群，首先在骨髓中發(fā)現(xiàn)，然后在其他組織中發(fā)現(xiàn)，包括脂肪組織和臍帶血〔14〕。MSCs能表達(dá)一組特異性表面標(biāo)志物，如CD44、CD73和CD90〔15〕。在合適條件下，MSCs具有分化為成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的能力。此外，MSCs可在體外和體內(nèi)分化為心肌細(xì)胞〔16〕。研究表明〔17〕，由于在主要組織相容性復(fù)合體(MHC)Ⅱ類分子中缺乏表達(dá)，而在人白細(xì)胞抗原和MHC Ⅰ類分子中存在表達(dá)，MSCs在人和動(dòng)物模型中都有免疫特權(quán)?；贛SCs療法治療CVD的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這些細(xì)胞很容易從不同的組織中獲得。此外，MSCs可以在同種異體移植和異種移植動(dòng)物模型中存活和分化，而沒有免疫排斥風(fēng)險(xiǎn)〔18〕。

2 MSCs在CVD中潛在治療作用

MSCs具有在體外和體內(nèi)分化成不同類型細(xì)胞的能力，因此被用于CVD的干細(xì)胞治療〔19〕。與其他基于干細(xì)胞療法不同，MSCs在給藥前不需要分化為成熟細(xì)胞類型，并且細(xì)胞移植后在受損部位具有很強(qiáng)的歸巢能力〔20〕。Shin等〔21〕發(fā)現(xiàn)，靜脈注射的MSCs可特異性遷移到由缺血性損傷引起的炎癥部位，并證實(shí)心肌梗死損傷后給予MSCs可通過CD73活性增強(qiáng)腺苷的生成，減弱活性氧(ROS)介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。Meng等〔22〕研究表明急性心肌梗死后靜脈注射MSCs可以使受損部位MSCs動(dòng)員和歸巢來改善心肌功能。MSCs治療的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是同種異體細(xì)胞不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重免疫排斥問題，MSCs的免疫調(diào)節(jié)與吲哚-2，3雙加氧酶(IDO)表達(dá)有關(guān)，通過抑制T細(xì)胞增殖和功能減弱免疫反應(yīng)〔23〕。此外，MSCs可通過分泌抗炎因子減弱宿主免疫活性，并減少受損部位的炎癥反應(yīng)。Dias等〔24〕在一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中表明同種異體和自體MSCs治療缺血性心臟病安全有效，同種異體MSCs并不刺激受體產(chǎn)生特異性免疫反應(yīng)。

許多臨床研究已使用了MSCs，并證明它們對(duì)受損組織結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)的顯著優(yōu)勢。研究表明〔25〕，MSCs可釋放血管生成因子，通過新血管形成減輕心臟損傷并促進(jìn)心臟功能恢復(fù)，但在缺血性心臟病動(dòng)物模型中沒有直接作用。另一項(xiàng)研究表明〔26〕，在動(dòng)物模型中將同種異體MSCs作用于心肌梗死周圍部位使梗死面積顯著減少且左心室容量顯著改善。此外，在動(dòng)物模型中將同種異體MSCs作用于梗死心肌可增強(qiáng)局部收縮力和心肌血流量。MSCs治療可通過血管生成、受損區(qū)域修復(fù)和心肌功能增強(qiáng)顯著改善CVD癥狀。應(yīng)用MSCs治療CVD是一種有前途的治療策略。然而，也有證據(jù)表明MSCs的治療并不直接作用于損傷部位〔27〕。這些結(jié)果導(dǎo)致了旁分泌假說，即基于MSCs的治療產(chǎn)生了對(duì)恢復(fù)有積極影響的區(qū)域或系統(tǒng)因素。

3 MSCs來源外泌體治療CVD

外泌體是由質(zhì)膜和多泡內(nèi)泌體形成的直徑30～100 nm的分泌囊泡，釋放到細(xì)胞外環(huán)境中。研究表明〔28〕，外泌體可能含有細(xì)胞因子、蛋白質(zhì)、mRNAs、miRNAs和rRNAs。外泌體可由多種細(xì)胞釋放，包括T細(xì)胞、B細(xì)胞、肥大細(xì)胞、血小板和腫瘤細(xì)胞。例如，肥大細(xì)胞來源的外泌體增強(qiáng)了T細(xì)胞的增殖和分化〔29〕。從癌細(xì)胞中提取的外泌體可以將分子和遺傳信息從腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移到周圍或遠(yuǎn)處的正常或其他異常細(xì)胞〔30〕。因此，外泌體通過將蛋白質(zhì)、mRNA和miRNA轉(zhuǎn)移到附近的細(xì)胞，在生物體中誘導(dǎo)協(xié)調(diào)功能，對(duì)于細(xì)胞間的通訊十分重要。在MSCs來源的外泌體中，許多蛋白質(zhì)已被液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測到，根據(jù)這些蛋白質(zhì)的功能表明外泌體有可能影響許多生物學(xué)過程，如血管生成和炎癥相關(guān)通路等〔31〕，這種效果與報(bào)道的MSCs治療多種疾病的療效一致。2010年首次在心肌缺血/再灌注損傷小鼠模型中檢測到MSCs來源的外泌體，證實(shí)在心肌缺血再灌注損傷動(dòng)物模型中，MSCs來源的外泌體通過腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)/雷帕雷素靶蛋白(mTOR)和蛋白激酶B(Akt)/mTOR途徑減少ROS的產(chǎn)生并增強(qiáng)自噬，減少細(xì)胞凋亡和心肌梗死面積，改善了心臟功能〔32,33〕。

miRNA是一種內(nèi)源性、保守的小分子非編碼RNA，其與mRNA相互作用并與mRNA降解、翻譯抑制和基因表達(dá)調(diào)控的增強(qiáng)相關(guān)聯(lián)〔34〕。miRNA被認(rèn)為是細(xì)胞過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，包括增殖、分化、凋亡和代謝。研究表明〔35〕，MSCs通過外泌體miR-22靶向甲基CpG結(jié)合蛋白(Mecp)2減少細(xì)胞凋亡，在CVD中具有保護(hù)作用。另一項(xiàng)研究表明〔36〕，MSCs來源的外泌體中的miR-221通過抑制p53上調(diào)凋亡調(diào)節(jié)因子促進(jìn)抗細(xì)胞凋亡作用，增強(qiáng)心臟保護(hù)作用。此外，MSCs來源的外泌體miR-21通過激活磷酸酶張力蛋白同源物和Akt途徑調(diào)節(jié)抗凋亡蛋白的抑制并增加血管生成蛋白，然后提高M(jìn)SCs來源的外泌體在心肌梗死模型中的治療效果〔37〕。

研究表明〔38〕，MSCs來源的外泌體與炎癥反應(yīng)的抑制有關(guān)，并可在治療上有益于CVD。據(jù)報(bào)道〔39〕，體外培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)外泌體通過抑制細(xì)胞增殖，顯著促進(jìn)HUVECs管的形成，降低了T細(xì)胞功能。大鼠心肌梗死模型給予的外泌體，通過改善新生血管和血流量來縮小梗死面積及保護(hù)心臟功能。此外，MSCs來源的外泌體可減輕缺血再灌注損傷后心臟炎癥反應(yīng)，減少梗死面積，促進(jìn)心臟功能〔38〕。

血管生成是受外泌體影響的多種過程之一，這一過程與內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、分化和遷移有關(guān)〔40〕。脂肪MSCs(AdMSCs)可產(chǎn)生細(xì)胞外囊泡，包括外泌體和微囊泡，其中含有豐富的促血管生成分子。AdMSCs來源的外泌體作用與體內(nèi)外血管生成的潛在影響顯著相關(guān)〔41〕。AdMSCs來源的外泌體顯著增加了內(nèi)皮細(xì)胞管的形成。在裸鼠模型中，經(jīng)外泌體預(yù)處理的HUVECs皮下注射可促進(jìn)血管生成。在缺血性心臟病小鼠模型中，AdMSCs來源的外泌體可促進(jìn)梗死周圍部位的血管生成并維持心臟功能〔42〕。此外，HUVECS可以攝取MSCs來源的外泌體，從而增加內(nèi)皮細(xì)胞的功能。因此，在急性心肌梗死大鼠模型中，利用MSCs來源的外泌體可以促進(jìn)血流恢復(fù)，進(jìn)而減輕梗死面積，保護(hù)心臟功能〔43〕。一致的研究結(jié)果表明，MSCs來源的外泌體具有促進(jìn)抗凋亡、抗炎癥和新血管形成的顯著優(yōu)勢，這些結(jié)果導(dǎo)致了MSCs來源的外泌體與CVD恢復(fù)相關(guān)的旁分泌效應(yīng)。

4 天然產(chǎn)物增強(qiáng)MSCs治療CVD

干細(xì)胞治療在心肌梗死動(dòng)物模型和缺血性CVD患者的心功能治療方面進(jìn)展迅速〔44〕。研究表明〔45〕，骨髓MSCs的移植可增強(qiáng)缺血性CVD的功能恢復(fù)并減少受損部位。MSCs的細(xì)胞治療能夠通過血管生成和心肌細(xì)胞生成恢復(fù)心肌梗死后的心臟功能〔46〕。然而，MSCs移植后在受損區(qū)域的存活率較低，限制其治療效果。例如，許多成年小鼠在心臟左心室注射MSCs后1 w內(nèi)死亡〔47〕，說明梗死心肌缺血微環(huán)境不利于MSCs的存活。研究表明〔48〕，植入的MSCs向心肌細(xì)胞分化可以增強(qiáng)急性心肌梗死患者的心臟功能。因此，移植后提高植入MSCs的存活率和分化率是細(xì)胞治療成功的重要因素。

銀杏(EGb)葉是一種天然產(chǎn)物，長期以來一直被用作中藥。EGb761是木樨草葉的一種提取物，已被開發(fā)并作為膳食補(bǔ)充劑和草藥治療使用〔49〕。研究表明〔50〕，EGb761治療可顯著減少心肌梗死小鼠模型中浸潤性炎癥細(xì)胞的數(shù)量。EGb761的干預(yù)提高了抗氧化酶、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶的活性，對(duì)MSCs移植過程中心肌梗死誘導(dǎo)的MSCs凋亡也有保護(hù)作用。此外，EGb761治療增加了MSCs移植后向心肌細(xì)胞分化。

速效救心丸(SJP)由四甲基吡嗪和冰片兩大成分組成，是治療急性缺血性心臟病的重要中藥〔51〕。SJP對(duì)氧化應(yīng)激和血管反應(yīng)活性有顯著影響，可改善血流。SJP的作用是通過Rab27(Rab家族中的一種小GTP酶)增加外泌體釋放，并控制小鼠心臟MSCs中的外泌體分泌〔52〕。此外，SJP處理的MSCs來源的外泌體下調(diào)了去甲基化酶UTX的表達(dá)，然后調(diào)節(jié)與組蛋白重構(gòu)相關(guān)的H3K27三甲基化的表達(dá)水平，并最終促進(jìn)小鼠心肌細(xì)胞的增殖〔53〕。

?；撬崦撗跄懰?TUDCA)是一種內(nèi)源性親水性三級(jí)膽汁酸，以低水平存在于人體內(nèi)。研究表明〔54〕，TUDCA可緩解多種疾病癥狀，包括神經(jīng)退行性疾病、血管疾病和糖尿病。TUDCA治療AdMSCs可減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的激活，從而降低細(xì)胞凋亡。此外，TUDCA治療增加了Akt磷酸化調(diào)控的細(xì)胞朊蛋白(PrPC)的表達(dá)，增加了AdMSCs的抗氧化作用。TUDCA處理的AdMSCs移植提高了小鼠后肢缺血模型的血灌注比、血管形成和移植細(xì)胞存活率〔55〕。

褪黑素是松果體內(nèi)分泌的吲哚胺激素，由多種組織分泌，包括骨髓、肝臟和腸道。褪黑素能增強(qiáng)AdMSCs的增殖、抗氧化應(yīng)激能力，并賦予其免疫調(diào)節(jié)特性，PrPC的上調(diào)促進(jìn)了MSCs增殖和自我更新〔56〕。此外，褪黑素能調(diào)節(jié)AdMSCs的免疫調(diào)節(jié)作用。在小鼠后肢缺血模型中，經(jīng)褪黑素預(yù)處理的AdMSCs通過減少浸潤的巨噬細(xì)胞、受影響的局部細(xì)胞和移植的AdMSCs中的細(xì)胞凋亡來改善血流灌注、保肢和血管再生〔57〕。這些結(jié)果表明褪黑素促進(jìn)了缺血組織中MSCs功能和新生血管的形成。

綜上，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)均證明不同組織來源MSCs治療CVD的可行性、安全性和有效性，但MSCs在促進(jìn)CVD移植和恢復(fù)方面的實(shí)際效果仍存在不確定性。由于MSCs具有多種功能，多種類型的MSCs被用作CVD和缺血性疾病的治療工具。然而，盡管MSCs具有很高的治療潛力，但由于其在CVD損傷區(qū)域如炎癥、氧化應(yīng)激和營養(yǎng)限制等惡劣環(huán)境下存活率低，其應(yīng)用受到限制。此外，從CVD患者中分離MSCs用作自體時(shí)，由于患者的健康狀況惡化，MSCs的功能通常會(huì)降低。因此，有必要開發(fā)一種能在病理生理?xiàng)l件下增強(qiáng)MSCs治療功效的新方法。本文提出了各種改善MSCs功能的策略，以提高其對(duì)CVD的治療效果。此外，MSCs的特征因年齡、性別、MSCs來源、MSCs衰老狀態(tài)、健康狀況和CVD分期而存在顯著差異，因此，應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆椒▉碓鰪?qiáng)患者特異性MSCs的治療潛力也很重要。