黃露露 綜述 何勝虎 審校
(1.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院,湖南 長沙 410000;2.江蘇省蘇北人民醫(yī)院心內(nèi)科,江蘇 揚州 225001)
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脂肪干細(xì)胞在急性心肌梗死中的研究進(jìn)展
黃露露1,2綜述 何勝虎2審校
(1.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院,湖南 長沙 410000;2.江蘇省蘇北人民醫(yī)院心內(nèi)科,江蘇 揚州 225001)
脂肪干細(xì)胞具有自我更新能力,并具有向多種細(xì)胞分化的潛能,經(jīng)誘導(dǎo)后可分化為心肌細(xì)胞,其來源廣、數(shù)量多、取材容易、易于培養(yǎng)、自體移植無免疫排斥反應(yīng)、不存在倫理問題等優(yōu)點,使其成為了干細(xì)胞移植中細(xì)胞來源的研究熱點,具有治療心肌梗死的巨大潛力和良好的臨床應(yīng)用前景。
脂肪干細(xì)胞;急性心肌梗死;干細(xì)胞移植
心血管疾病的發(fā)病率和病死率在全球非常高,有研究顯示[1],2010年中國急性心肌梗死的發(fā)病率為48.75/10萬,目前仍有上升趨勢,發(fā)病群體也更加年輕化,越來越多的急性心肌梗死患者缺乏已知的危險因素,隨著生活條件改善,急性心肌梗死的發(fā)病率還會進(jìn)一步升高。
心肌梗死導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡,從而血流動力學(xué)紊亂,導(dǎo)致心臟衰竭。目前臨床上的治療方法只能恢復(fù)血液再灌注,已壞死的心肌不能被修復(fù)或逆轉(zhuǎn),而心臟移植因缺乏供體、具有排斥反應(yīng)等嚴(yán)重并發(fā)癥不能推廣。
干細(xì)胞移植技術(shù)進(jìn)入人們的視野,為心肌梗死的治療帶來了新曙光,已用來修復(fù)梗死心肌,改善心功能。相較于胚胎干細(xì)胞因倫理問題受限,成人自體干細(xì)胞無疑是較好的選擇,尤其當(dāng)應(yīng)用骨骼肌成肌細(xì)胞[2]、骨髓干細(xì)胞[3]治療心肌梗死取得一定療效后,前景一片看好,但因獲取細(xì)胞的途徑及數(shù)量少使得研究者們對資源豐富的細(xì)胞更感興趣。
2001年,Zuk等[4]發(fā)現(xiàn)人的脂肪組織存在一種細(xì)胞群,具有自我更新,并向多種細(xì)胞分化的潛能,命名為脂肪源性干細(xì)胞,2004年國際脂肪組織應(yīng)用技術(shù)協(xié)會統(tǒng)一將其命名為脂肪組織來源干細(xì)胞(adipose-derived stem cells,ASCs)[5]。更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其經(jīng)誘導(dǎo)后可分化為心肌細(xì)胞,具有治療心肌梗死的巨大潛力。
1.1 分離、培養(yǎng)、擴增
目前,許多研究都是在利用膠原酶消化脂肪組織后行離心培養(yǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,隨著實驗方法的改進(jìn),脂肪干細(xì)胞的提取率也隨之升高。人類脂肪組織的獲取一般是手術(shù)中切取部分脂肪組織或抽吸法,有研究表明[6-7]抽吸300 mL脂肪組織,可提取出約107個ASCs,純度為95%,但因負(fù)壓所造成的機械損傷使得抽吸法獲得的ASCs的成活率較直接切取低。在不同部位取材的ASCs的提取率的差異性目前仍存在爭議。
在脂肪組織中提取出的ASCs的成活率不高,要獲得大量的干細(xì)胞必須進(jìn)行體外分離擴增。常用的方法為膠原酶消化法:將脂肪組織剪碎,去除血管及纖維組織,用膠原酶消化后離心,沉淀物經(jīng)紅細(xì)胞裂解液裂解后用含胎牛血清的培養(yǎng)液洗滌并重懸,接種于培養(yǎng)瓶內(nèi),于37 ℃,5%的CO2飽和濕度培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)。培養(yǎng)24 h后首次換液,此后可每3 d換液一次,待細(xì)胞融合達(dá)80%~90%可按1∶2或1∶3傳代,繼續(xù)擴增。體外培養(yǎng)時,ASCs對培養(yǎng)液要求不高,不用添加生長因子等添加物就能生長,細(xì)胞的生長和表型不受低溫凍存的影響。有研究報道[8],原代培養(yǎng)傳至18代后,其生物學(xué)特性仍能保持穩(wěn)定,凋亡率很低,提示ASCs的體外擴增和自我更新能力較強。
1.2 鑒定
1.2.1 形態(tài)
紡錘形或梭形,細(xì)胞核居中,可雙核或多核,核仁明顯;60 h時細(xì)胞逐漸增大,以梭形為主;經(jīng)三四代培養(yǎng)后,梭形細(xì)胞大量增殖,可局部融合呈漩渦狀或平行排列,胞質(zhì)和核仁豐富,類似成纖維細(xì)胞。田霖等[9]培養(yǎng)人的脂肪干細(xì)胞,4~8 d后進(jìn)入指數(shù)增長期,9~10 d后進(jìn)入平臺期,第三代對數(shù)期倍增時間為37.20 h。而吳尉等[8]的實驗在第2~4天處于指數(shù)生長期,6~7 d進(jìn)入平臺期,第三代對數(shù)期倍增時間為45.90 h,經(jīng)過對比考慮實驗研究結(jié)果的差異可能與個體性別、紅細(xì)胞裂解液對原代細(xì)胞的損傷、接種密度等因素有關(guān),但仍需更多的研究報道明確。另外,有研究發(fā)現(xiàn)人脂肪干細(xì)胞在連續(xù)傳代25代后出現(xiàn)染色體核型等的改變[10],同時也有研究并未發(fā)生上述改變,證實了人脂肪干細(xì)胞在體外培養(yǎng)過程中能保持穩(wěn)定的二倍體結(jié)構(gòu),有一定的遺傳穩(wěn)定性;但是仍需更多的相關(guān)研究報道支持,指導(dǎo)后續(xù)的體外細(xì)胞移植。
1.2.2 表面抗原
目前對于ASCs的細(xì)胞表面標(biāo)記尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),但通過免疫組化或流式細(xì)胞儀技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)大多都有表達(dá)CD10、CD13、CD29、CD44、CD49e、CD90、CD105;而不表達(dá)CD14、CD45、CD116、人類白細(xì)胞抗原DR;對于CD34、CD106、CD49d、基質(zhì)細(xì)胞抗原尚存在爭議,大部分ASCs主要表達(dá)組織相容性抗原Ⅰ,而不表達(dá)或低表達(dá)組織相容性抗原Ⅱ,可抑制混合淋巴細(xì)胞反應(yīng),表明ASCs具有低免疫原性,具有細(xì)胞移植的巨大潛力。
1.2.3 基因、蛋白
對于脂肪干細(xì)胞與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的來源認(rèn)定仍存在爭議,甚至不認(rèn)可脂肪組織提取物ASCs是干細(xì)胞;但是,在Peroni等[11]的研究中可以發(fā)現(xiàn)ASCs與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可表達(dá)多種相同的基因,如 UTF-1、Nodal和Snail2,而這幾種基因是胚胎干細(xì)胞特有的基因表達(dá)物,提示ASCs與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的基因表達(dá)有許多相似之處,涉及細(xì)胞黏附因子、基質(zhì)蛋白、生長因子、生長因子受體和蛋白酶等,為ASCs的潛在治療應(yīng)用提供了支持的依據(jù)。
1.3 誘導(dǎo)分化潛能
已有多項研究表明脂肪干細(xì)胞具備多向分化潛能,可分化為中胚層起源的脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞;外胚層起源的神經(jīng)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞;還有分化為內(nèi)胚層起源的肝細(xì)胞、胰腺細(xì)胞等多種細(xì)胞的潛力。另外,組織供體的性別、年齡、獲取部位、傳代次數(shù)、保存方法等的不同,也會影響ASCs的誘導(dǎo)分化能力,如小鼠來源的ASCs優(yōu)于人來源,皮下組織來源優(yōu)于其他組織;心臟獲得的脂肪干細(xì)胞較其他部位倍增時間更短,分化潛能更大[12-13]。
ASCs在特殊的生長因子和環(huán)境的培養(yǎng)下,其生長和分化方向不同。比如牛血清、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)、成纖維細(xì)胞生長因子2可促進(jìn)ASCs細(xì)胞生長,而馬血清有助于細(xì)胞分化。體外培養(yǎng)ASCs時向培養(yǎng)基中添加胰島素、地塞米松、異丁基甲基黃嘌呤、間充質(zhì)介質(zhì)細(xì)胞生長添加物和L-谷氨酰胺或吲哚美辛誘導(dǎo)向脂肪細(xì)胞分化;添加地塞米松、β-甘油磷酸鈉、抗壞血酸鹽和維生素D誘導(dǎo)向成骨細(xì)胞分化;添加抗壞血酸、胰島素、地塞米松、TGF-β聯(lián)合誘導(dǎo)向軟骨細(xì)胞分化;骨形態(tài)蛋白-6、成纖維細(xì)胞生長因子2、表皮生長因子(EGF)也有誘導(dǎo)分化的作用;添加地塞米松、馬血清利于向骨骼肌細(xì)胞分化;添加TGF-β1、5-氮雜胞苷誘導(dǎo)向平滑肌細(xì)胞分化;添加血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)誘導(dǎo)向內(nèi)皮細(xì)胞分化;添加TGF-β1、血管內(nèi)皮生長因子、干擾素3、干擾素6、干細(xì)胞因子及5-氮雜胞苷誘導(dǎo)向心肌細(xì)胞分化[14-15],雙相脈沖電刺激[16]亦促進(jìn)向心肌細(xì)胞分化;含有胰島素吲哚美辛、異丁基甲基黃嘌呤、EGF、bFGF可誘導(dǎo)向神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分化;添加制瘤素M、肝細(xì)胞生長因子(HGF)、干細(xì)胞因子、bFGF誘導(dǎo)向肝細(xì)胞分化;bFGF、尼克酰胺參與了誘導(dǎo)分化為胰腺細(xì)胞;含有EGF、角質(zhì)細(xì)胞生長因子、HGF可誘導(dǎo)向表皮細(xì)胞分化。
急性心肌梗死的發(fā)病率居高不下,發(fā)病群體日益年輕化,是人類健康的嚴(yán)重威脅。雖然隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,病死率有所下降,但因其造成的不可逆損傷,使患者的生活質(zhì)量下降。心臟中的心臟干細(xì)胞數(shù)量較少,再生能力極為有限,難以補足因心肌梗死而喪失的大量心肌細(xì)胞,且心臟干細(xì)胞難以分離、培養(yǎng)、擴增和分化,無法成為干細(xì)胞移植的主要細(xì)胞來源。ASCs在創(chuàng)傷修復(fù)領(lǐng)域的成果引起了人們的關(guān)注,并將其作為移植供體細(xì)胞的猜想付諸于實踐,取得了成就,提示此猜想在不久的將來有實現(xiàn)的可能。
2.1 急性心肌梗死的機制
急性心肌梗死是冠狀動脈急性缺血缺氧所引起的心肌壞死。典型的急性心肌梗死是因冠狀動脈血管的急性閉塞,導(dǎo)致局部心肌缺血,使心臟收縮力減弱,發(fā)生心律失常和心力衰竭的風(fēng)險增加。若不能及時恢復(fù)血流,則心肌嚴(yán)重受損,心臟功能隨之發(fā)生急性或慢性改變。目前臨床上治療心肌梗死的方法包括藥物溶栓、經(jīng)皮冠狀動脈介入術(shù)及冠狀動脈旁路移植,雖然可以改善心臟功能,但不能使受損的心臟組織再生。
2.2 脂肪干細(xì)胞治療心肌梗死的機制
諸多動物實驗證明,ASCs可以減輕心肌梗死動物模型的心臟損傷并有效改善左心室功能。目前認(rèn)為,其機制可能有以下幾點:(1)植入后的ASCs分化為心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞,促進(jìn)血管形成及受損心肌修復(fù);(2)激活心臟內(nèi)的心肌干細(xì)胞;(3)通過旁分泌功能來改善梗死區(qū)微環(huán)境,保護局部心肌并促進(jìn)增殖。干細(xì)胞在心肌梗死的微環(huán)境中凋亡率>95%,但脂肪組織中氧氣質(zhì)量濃度低,一般小于3%,有研究[17]表明脂肪干細(xì)胞在1%的低氧環(huán)境中能促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子、HGF等的分泌,Kim等[18-19]得到相似的結(jié)果,其進(jìn)一步研究更提示中、低量活性氧能改善脂肪干細(xì)胞擴增、遷移以及再生的能力,但仍需進(jìn)一步的體內(nèi)研究。
2.3 移植途徑
目前移植途徑包括經(jīng)心內(nèi)膜下注射、開胸心內(nèi)注射、冠狀動脈內(nèi)注射、靜脈注射及組織工程。干細(xì)胞移植后可能引起諸多不良反應(yīng),包括多器官種植、癌基因轉(zhuǎn)化、意外細(xì)胞分化、心律失常、加速動脈粥樣硬化及冠狀動脈血栓形成等。
2.4 移植時機
急性心肌梗死后,其炎癥反應(yīng)強,干細(xì)胞不易存活,在心肌梗死后2周,炎癥反應(yīng)消退,瘢痕尚未形成,此時移植存活可能性大。但也有人認(rèn)為在心肌梗死急性期行移植,植入的細(xì)胞可以釋放一些細(xì)胞因子,利于缺血再灌注后心臟功能的恢復(fù)。移植時機的選擇尚需要更多的實驗結(jié)果來輔助。
急性心肌梗死是一種常見的危及生命的心血管疾病,而干細(xì)胞移植是一種全新的治療方式。但自體移植的細(xì)胞來源仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前針對心肌干細(xì)胞移植研究的較多的干細(xì)胞資源主要有胚胎干細(xì)胞、心肌干細(xì)胞、成體干細(xì)胞(骨骼肌干細(xì)胞、骨髓干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞及肝臟干細(xì)胞等)。然而,胚胎干細(xì)胞因免疫排斥和倫理問題而使其臨床應(yīng)用面臨巨大的挑戰(zhàn);心肌干細(xì)胞的存在尚存爭議,其來源、數(shù)量、培養(yǎng)、誘導(dǎo)分化也缺乏有力的證據(jù);自體干細(xì)胞中骨骼肌細(xì)胞移植雖能改善心功能,但不能分化成心肌細(xì)胞,是否具備心肌細(xì)胞的電生理特性及同步收縮仍缺乏證據(jù),易發(fā)生心律失常;骨髓干細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)可分化為心肌細(xì)胞,促進(jìn)再生血管形成,但對心臟功能改善有限;脂肪干細(xì)胞具有自我更新能力和多分化潛能,已被證實可分化為心肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞,在促進(jìn)心肌再生的同時,也導(dǎo)致了新生血管形成,能有效改善心功能。
脂肪干細(xì)胞來源廣、數(shù)量多、取材容易、易于培養(yǎng)、多項分化潛能、自體移植無免疫排斥反應(yīng)、不存在倫理問題等優(yōu)點,使其成為了干細(xì)胞移植中細(xì)胞來源的研究熱點。目前,脂肪干細(xì)胞移植對心肌梗死的治療研究仍處于臨床試驗階段。有實驗表明利用基因技術(shù)對ASCs進(jìn)行改良[20]、預(yù)處理ASCs并優(yōu)化心肌細(xì)胞生存微環(huán)境[21],均能有效提高ASCs治療急性心肌梗死后的治療效果,而糖尿病患者的ASCs分化潛能降低,且能分泌阻礙細(xì)胞信號傳導(dǎo)的因子致療效降低[22-23];ASCs在有HGF和胰島素樣生長因子-1的環(huán)境中,雖能改善心功能,但是易誘發(fā)心律失常[24]。
目前,對ASCs分化為心肌細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞的深層機制尚未明確,體外長時間保存后,其增殖和分化能力也有降低趨勢,其分離和培養(yǎng)方法仍需完善。有些實驗室的結(jié)果還不能完全肯定,而且,在ASCs的應(yīng)用上,尚存在移植細(xì)胞成活率低、性能不穩(wěn)定、最佳細(xì)胞移植時機及移植區(qū)血運建立等問題,需要大規(guī)模隨機對照的臨床研究進(jìn)一步證實它的有效性和安全性及移植后的長期觀察。
通常ASCs在體外經(jīng)過2~5個通路進(jìn)行轉(zhuǎn)化至少需要2~5周,限制了其對急性心肌梗死后的床邊治療,然而隨著研究的不斷深入,未來可以通過研究ASCs的免疫特性來實現(xiàn)異體治療的可能,應(yīng)用ASCs治療心血管疾病必定會有更廣闊的前景。
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Progress of Adipose Derived Stem Cells in Acute Myocardial Infarction
HUANG Lulu1,2,HE Shenghu2
(1.XiangYaSchoolofMedicine,CSU,Changsha410000,Hunan,China;2.NorthernJiangsuPeople’sHospital,Yangzhou225001,Jiangsu,China)
Adipose-derived stem cells(ASCs) are capable of self-renewal,and after induction can differentiated into a variety of cells,including myocardial cells.ASCs have the advantage of a wide range of sources,a large number of materials,are easy to take,easy to cultivate,no immune rejection of autologous transplantation or ethical issues and is the research focus of cell source in stem cell transplantation.With the progress of study,ASCs may provide a new promising treatment of acute myocardial infarction in the future.
Adipose-derived stem cells;Acute myocardial infarction;Stem cell transplantation
黃露露(1990—),住院醫(yī)師,在職碩士,主要從事冠心病研究。Email:lulu2007jie@sina.com
何勝虎(1963—),主任醫(yī)生,碩士,主要從事冠心病介入性診斷與治療研究。Email:yzhshys@163.com
R542.2
A 【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2016.06.010
2016-05-14
2016-08-19