陳克功綜述 蔣樹林審校

?

心肌組織工程干細(xì)胞的研究進(jìn)展

陳克功綜述 蔣樹林審校

心肌組織工程；干細(xì)胞；心力衰竭

【DOI】 10.3969 /j.issn.1671-6450.2015.02.034

人類心臟一生正常跳動超過20億次，泵血超過1.5億升，血液供應(yīng)的急性或慢性短缺都會使心臟受到損害，導(dǎo)致心肌梗死。根據(jù)心肌組織損傷的程度，可能立即或延緩發(fā)展為心力衰竭。目前治療心力衰竭主要運(yùn)用內(nèi)科藥物及介入治療來降低急性心肌梗死病死率、減少并發(fā)癥和提高遠(yuǎn)期存活率，然而這些治療方法不能促進(jìn)心臟的大部分結(jié)構(gòu)修復(fù)，因?yàn)樗鼈儾荒芡耆珡母旧咸娲鷫乃阑蝰：坌募?。相反，心臟移植治療由于供體心臟的短缺和嚴(yán)重的并發(fā)癥，如感染和排斥反應(yīng)而受到限制。但隨著體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的成熟和組織工程概念的提出[1],心肌組織工程為解決這一難題提供了新的思路。

1 心肌組織工程的治療性細(xì)胞

從廣義上講，心肌組織工程是應(yīng)用工程和生命科學(xué)的原理和方法對心臟基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生認(rèn)識，研究關(guān)于正常心肌功能的關(guān)系、病理性心肌組織及用于修復(fù)、維持和改善組織功能生物替代品開發(fā)的一門新興學(xué)科，其主要內(nèi)容包括支架材料的3D性質(zhì)、生物物理學(xué)因子通過生物反應(yīng)器的環(huán)境控制、種子細(xì)胞的培養(yǎng)以及構(gòu)建由細(xì)胞和三維支架組成有特定功能的工程化心肌[2]。近年來心肌組織工程將治療方案集中在用一些潛在的細(xì)胞替代壞死心肌細(xì)胞。心肌細(xì)胞占心臟總細(xì)胞數(shù)量30%左右，但其占心臟體積70%。心肌損傷導(dǎo)致功能性心肌細(xì)胞丟失，隨后組織發(fā)生纖維化，最終導(dǎo)致心臟成纖維細(xì)胞的過度表達(dá)。移植胎兒和新生兒的心肌細(xì)胞能夠提高受損心肌的心肌細(xì)胞數(shù)量，從而提高受損心肌組織的收縮能力[3]。然而，移植后的細(xì)胞多數(shù)無法繼續(xù)存活，所以提高移植細(xì)胞的存活率是進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。

最近心臟干細(xì)胞已成為研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)上干細(xì)胞療法通常將細(xì)胞分為骨骼肌成肌細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，現(xiàn)已使用的其他類型細(xì)胞還包括胎兒心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、成人心臟干細(xì)胞和永生的成肌細(xì)胞[4]。這些細(xì)胞類型植入人體內(nèi)在不同程度上已取得成功，但尤以骨骼肌干細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞的研究最為廣泛。

1.1 骨骼肌成肌細(xì)胞 由于骨骼肌成肌細(xì)胞在理論上缺乏免疫原性而且來源豐富，所以自體骨骼肌成肌細(xì)胞常用于心肌細(xì)胞成形術(shù)，在體外骨骼肌成肌細(xì)胞更能抵抗缺氧的損害，為此可以在移植后生存下來。Gmeiner等[5]在動物體內(nèi)研究表明，注射骨骼肌成肌細(xì)胞具有改善心肌梗死的功能，這個(gè)初步臨床試驗(yàn)前景看好，并在動物模型上得到確認(rèn)。Povsic等[6]發(fā)現(xiàn)給予心力衰竭患者注射骨骼肌成肌細(xì)胞發(fā)現(xiàn)有降低心力衰竭癥狀的趨勢，術(shù)后持續(xù)12個(gè)月實(shí)施骨骼肌成肌細(xì)胞療法可以提高左心室射血分?jǐn)?shù)。在細(xì)胞水平上，移植到人類心臟組織中，證實(shí)了心肌內(nèi)骨骼肌成肌細(xì)胞存活并分化。但值得特別關(guān)注的問題是骨骼肌成肌細(xì)胞的臨床應(yīng)用可能具有使患者發(fā)展為惡性心律失常的趨勢，研究者指出患者經(jīng)骨骼肌成肌細(xì)胞治療后心律失常發(fā)病率增加。預(yù)防性地使用胺碘酮和植入心臟起搏器可以緩解患者的惡性心律失常，據(jù)推測骨骼肌成肌細(xì)胞保持特定的程控電刺激，植入后可緩解心律失常的發(fā)生[7]。1.2 骨髓干細(xì)胞Schuster等[8]在動物模型中發(fā)現(xiàn)骨髓干細(xì)胞與增加供給心肌細(xì)胞、冠狀動脈微血管生長和低水平膠原沉積有關(guān)，并能夠減少細(xì)胞凋亡。Jeevanantham等[9]對50項(xiàng)骨髓干細(xì)胞臨床試驗(yàn)中收集的結(jié)果進(jìn)行薈萃分析，從2 625例患者收集的結(jié)果顯示，骨髓干細(xì)胞的植入可適度改善左心室射血分?jǐn)?shù)和降低心肌梗死面積，并可以提高心肌細(xì)胞的存活率和降低心肌梗死的復(fù)發(fā)率。

1.3 心臟干細(xì)胞 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為哺乳動物的心臟是終末分化器官，在產(chǎn)前階段心肌細(xì)胞沒有再生的潛力[10]，然而有證據(jù)顯示心肌細(xì)胞具有增殖能力[11]，這表明心肌細(xì)胞的前體可能存在于成人心臟。Hsieh等[12]在成年和出生后嬰兒心臟內(nèi)檢測到心臟干細(xì)胞并被分離出來，這些干細(xì)胞具有不同表型，并展現(xiàn)出多向性分化潛能、集落生成和自我更新的能力，它們能夠在特定條件下增殖并分化成心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。多種表面標(biāo)記物被用來確定不同人群的心臟干細(xì)胞，基于干細(xì)胞研究理論已分離出包括c-kit+心臟干細(xì)胞在內(nèi)的幾組心臟干細(xì)胞組分。c-kit陽性細(xì)胞位于心臟內(nèi)，它們具有克隆性、多能性和自我更新的能力，在體外，c-kit陽性細(xì)胞分化成3個(gè)不同的譜系：心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。

心臟干細(xì)胞臨床初步移植可以改善左心室射血分?jǐn)?shù)，心臟干細(xì)胞逆轉(zhuǎn)心室功能障礙(CADUCEUS)和缺血性心肌病患者的心臟干細(xì)胞注射(SCIPIO)2項(xiàng)臨床試驗(yàn)已取得可喜的初步結(jié)果。CADUCEUS研究[13]采用心臟干細(xì)胞衍生細(xì)胞改善患心肌梗死1～2周后患者的心臟功能，應(yīng)用心臟干細(xì)胞結(jié)合支持性細(xì)胞混合劑的研究已取得具有里程碑意義的成果，通過MR檢測結(jié)果顯示瘢痕大小、心臟大小、局部收縮性和心臟收縮能力均有顯著改善，但在舒張末期、心臟收縮容積和左心室射血分?jǐn)?shù)改善并不明顯。Bolli等[14]設(shè)計(jì)SCIPIO試驗(yàn)，經(jīng)冠狀動脈旁路移植術(shù)獲得患者右心耳的心臟干細(xì)胞，志愿者左室射血分?jǐn)?shù)均<40%，8個(gè)月短期試驗(yàn)結(jié)果表明注入心臟干細(xì)胞使左心室射血分?jǐn)?shù)從30.3% 升高至38.5%，而對照組沒有明顯升高。此外，12個(gè)月的結(jié)果是值得關(guān)注的，表現(xiàn)為左心室射血分?jǐn)?shù)進(jìn)一步改善12.3%，而且伴隨的心肌梗死面積減少30%。

1.4 多能干細(xì)胞 細(xì)胞形成所有體系細(xì)胞的能力被認(rèn)為是多能的，原始多能干細(xì)胞是胚胎干細(xì)胞，可以從囊胚期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)獲得，在1998年分離出人類胚胎干細(xì)胞，為多能干細(xì)胞的臨床開發(fā)開辟廣闊前景[15]，但也提出明顯的倫理性問題，這些擔(dān)憂激勵(lì)著我們找出稀少的胚胎備用干細(xì)胞，包括單性生殖干細(xì)胞、男性生殖系干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。重要的是，相對于上述受限制的多譜系干細(xì)胞類型，多能干細(xì)胞誘導(dǎo)出的心肌細(xì)胞能作為心肌組織工程研究中種子細(xì)胞的嘗試[16]。另外，在心肌組織工程中胚胎干細(xì)胞衍生為心肌細(xì)胞效果已被確定。所有干細(xì)胞的固有缺點(diǎn)是它們傾向于形成腫瘤及干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞成熟度低[17]。

2 干細(xì)胞為基礎(chǔ)的心肌組織工程

心臟組織再生需要細(xì)胞水平的一系列復(fù)雜的相關(guān)聯(lián)的生物學(xué)事件，干細(xì)胞結(jié)合組織工程是一種用于恢復(fù)受損心肌組織的前途光明的工具，但有大量因素限制干細(xì)胞的療法，包括治療部位干細(xì)胞保持和生存的有效率和治療效應(yīng)最終能否發(fā)揮到靶器官。在過去幾十年，有大量關(guān)于組織工程的研究，實(shí)現(xiàn)了在亞微米級尺度組成納米纖維的細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，這不僅提供了細(xì)胞外基質(zhì)而且在調(diào)節(jié)細(xì)胞行為中起到關(guān)鍵作用[18]，而且促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)與干細(xì)胞結(jié)合的技術(shù)在不同學(xué)科的發(fā)展。心肌組織工程干細(xì)胞治療壞死心肌的各種技術(shù)及可能臨床應(yīng)用包括：微型膠囊技術(shù)改善心肌的輸送過程[19]；納米支架為干細(xì)胞的生長提供依附；水凝膠技術(shù)作為干細(xì)胞治療的潛在平臺；干細(xì)胞為種子細(xì)胞制作組織工程心肌補(bǔ)片；生物電噴鍍和空氣動力學(xué)技術(shù)幫助干細(xì)胞的注射[20]。通過這些技術(shù)我們更增加對干細(xì)胞應(yīng)用前景的信心。

通過注射細(xì)胞使終末期慢性心力衰竭患者受損心肌全面恢復(fù)到正常心肌組織的愿望看起來似乎是不現(xiàn)實(shí)的，特別是在瘢痕組織存在的情況下對于細(xì)胞的接種和保留是很不利的。移植后的工程化心肌組織具有類似心肌的功能并為心肌細(xì)胞的生存和保留提供平臺，這都?xì)w功于心肌組織工程支架材料的選擇，支架材料包括細(xì)胞板技術(shù)[21]以及水凝膠為基礎(chǔ)的組織工程技術(shù)[22]。最近研究的熱點(diǎn)工程化心肌組織根據(jù)細(xì)胞生物學(xué)、生物材料學(xué)和工程學(xué)原理，將具有形成心肌組織能力的干細(xì)胞與具有良好的生物相容性、可降解性和一定的生物力學(xué)特性的支架材料復(fù)合，在體外或體內(nèi)構(gòu)建出可用于移植，從而修復(fù)心肌損傷的生物材料,在理論上為我們提供了光明的前景?？傊@些研究表明心肌組織工程干細(xì)胞對心肌梗死及心力衰竭的治療具有巨大的潛力。

3 問題和展望

相互矛盾的臨床效果凸顯了干細(xì)胞療法的局限性。在臨床水平，干細(xì)胞療法具有侵入性和不發(fā)育性的特點(diǎn)。在細(xì)胞水平上，目前干細(xì)胞療法的細(xì)胞作用機(jī)制還不能完全理解，大量干細(xì)胞的生成和體內(nèi)干細(xì)胞移植后不適保留的問題值得關(guān)注。

盡管以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織工程技術(shù)仍處于發(fā)展階段，但從臨床角度考量，當(dāng)下心肌組織工程干細(xì)胞的發(fā)展對于患者來說是迫切需要的，越來越多的跨學(xué)科間合作和更多的臨床試驗(yàn)將幫助心肌組織工程這項(xiàng)技術(shù)邁上更高的臺階。

1 張倞,王永武.心肌組織工程研究進(jìn)展[J].心臟雜志,2007,19(2):230-231, 236.

2NovakovicGV,EschenhagenT,MummeryC.Myocardialtissueengineering:invitromodels[J].ColdSpringHarbPerspectMed,2014,4(3):1010-1019.

3EtzionS,BattlerA,BarbashIM,etal.Influenceofembryoniccardiomyocytetransplantationontheprogressionofheartfailureinaratmodelofextensivemyocardialinfarction[J].JMolCellCardiol,2001,33(7):1321-1330.

4PerinEC,SilvaGV.Cell-basedtherapyforchronicischemicheartdisease-aclinicalperspective.Cardiovasc[J].Ther,2011,29(3):211-217.

5GmeinerM,ZimpferD,HolfeldJ,etal.Improvementofcardiacfunctioninthefailingratheartaftertransferofskeletalmyoblastsengineeredtooverexpressplacentalgrowthfactor[J].JThoracCardiovascSurg,2011,141(5):1238-1245.

6PovsicTJ,O'connorCM,HenryT,etal.Adouble-blind,randomized,controlled,multicenterstudytoassessthesafetyandcardiova-sculareffectsofskeletalmyoblastimplantationbycatheterdeliveryinpatientswithchronicheartfailureaftermyocardialinfarction[J].HeartJ,2011,162(4):654-662.

7FernandesS,AmiraultJC,LandeG,etal.Autologousmyoblasttransplantationaftermyocardialinfarctionincreasestheinducibilityofventriculararrhythmias[J].CardiovascRes,2006,69(2):348-358.

8SchusterMD,KocherAA,SekiT,etal.Myocardialneovasculariz-ationbybonemarrowangioblastsresultsincardiomyocyteregeneration[J].J.Physiol.HeartCirc.Physiol,2004,287(2):525-532.

9JeevananthamV,ButlerM,SaadA,etal.Adultbonemarrowcelltherapyimprovessurvivalandinduceslong-termimprovementincardiacparameters:asystematicreviewandmeta-analysis[J].Circulation,2012,126(5):551-568.

10LeriA,KajsturaJ,AnversaP.Roleofcardiacstemcellsincardiacpathophysiology:aparadigmshiftinhumanmyocardialbiology[J].CircRes,2011,109(8):941-961.

11OgorekB,HosodaT,RondonC,etal.Myocyteturnoverintheaginghumanheart[J].Circulation,2010,122(21,S):1374-1386.

12HsiehPC,SegersVF,DavisME,etal.Evidencefromageneticfate-mappingstudythatstemcellsrefreshadultmammaliancardiomyocytesafterinjury[J].NatMed,2007,13(8):970-974.

13MakkarRR,SmithRR,ChengK,etal.Intracoronarycardiosphere-derivedcellsforheartregenerationaftermyocardialinfarction(CADUCEUS):aprospective,randomizedPhaseItrial[J].Lancet,2012,379(9819):895-904.

14BolliR,ChughAR,D'amarioD,etal.Cardiacstemcellsinpatientswithischaemiccardiomyopathy(SCIPIO):initialresultsofarandomizedPhaseItrial[J].Lancet,2011,378(9806):1847-1857.

15ThomsonJA,Itskovitz-EldorJ,ShapiroS,etal.Embryonicstemce-lllinesderivedfromhumanblastocysts[J].Science,1998,282(5391):1145-1147.

16TullochNL,MuskheliV,RazumovaMV,etal.Growthofengineeredhumanmyocardiumwithmechanicalloadingandvascularcoculture[J].CircRes,2011,109(1):47-59.

17MiuraK,OkadaY,AoiT,etal.Variationinthesafetyofinducedpluripotentstemcelllines[J].NatBiotechnol,2009,27(8):743-745.

18SingelynJM,ChristmanKL.Modulationofmaterialpropertiesofadecellularizedmyocardialmatrixscaffold[J].MacromolBiosci,2011,11(6):731-738.

19TroucheE,FullanaSG,MiasC,etal.Evaluationofalginatemicrospheresformesenchymalstemcellengraftmentonsolidorgan[J].CellTransplant,2010,19(12):1623-1633.

20JayasingheSN,QureshiAN,EaglesPA.Electrohydrodynamicjetprocessing:anadvancedelectric-field-drivenjettingphenomenonforprocessinglivingcells[J].Small,2006,2(2):216-219.

21FurutaA,MiyoshiS,ItabashiY,etal.Pulsatilecardiactissuegraftsusinganovelthree-demensionalcellsheetmanipulationtechniquefunctionallyintegrateswiththehostheart,invivo[J].CircRes,2006,98(5):705-712.

22ZimmermannWH,MelnychenkoI,WasmeierG,etal.Engineeredhearttissuegraftsimprovesystolicanddiastolicfunctionininfarctedrathearts[J].NatMed,2006,12(4):452-458.

150086 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院心外一科

蔣樹林，E-mail:765247522@qq.com

2014-10-21)