心肌梗死后心肌組織內(nèi)環(huán)境對(duì)移植干細(xì)胞心肌內(nèi)存活、分化影響

艾 旗，袁春菊(綜述)，余國(guó)龍(審校)

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)院心內(nèi)科，長(zhǎng)沙 410008)

目前多個(gè)實(shí)驗(yàn)及臨床研究[1-2]表明，經(jīng)心肌、冠狀動(dòng)脈及靜脈三類干細(xì)胞移植途徑治療急性心肌梗死，干細(xì)胞在心肌內(nèi)存活、分化不足，心功能增加僅達(dá)10%，甚至近期國(guó)外實(shí)驗(yàn)與臨床研究報(bào)道的結(jié)論為陰性結(jié)果[3-4]。干細(xì)胞在心肌內(nèi)存活、分化不足使干細(xì)胞移植療法停滯不前。因此，如何增加干細(xì)胞在心肌內(nèi)存活、分化，提高干細(xì)胞移植治療心肌梗死療效是目前急需解決的主要問(wèn)題。

1 心肌梗死后心肌內(nèi)環(huán)境變化

心肌內(nèi)環(huán)境對(duì)干細(xì)胞在心肌內(nèi)存活、分化起決定性作用。心肌內(nèi)環(huán)境是心肌細(xì)胞賴以生存的環(huán)境，心肌細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞產(chǎn)生或分泌的細(xì)胞外基質(zhì)成分及某些生物活性分子,對(duì)心肌細(xì)胞發(fā)揮支持、連接、營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)等作用[5]。急性心肌梗死發(fā)生后，繼發(fā)于心肌細(xì)胞壞死，外周血中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞短時(shí)間內(nèi)募集到受損壞死心肌組織。心肌梗死急性期心肌組織內(nèi)微環(huán)境突出表現(xiàn)為大量中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞浸潤(rùn)和腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)1β、IL-6等促炎因子顯著增加。同時(shí)，心肌梗死后氧化應(yīng)激反應(yīng)增加，有氧代謝抑制，代謝物質(zhì)堆積，pH值下降、滲透壓升高及其細(xì)胞外基質(zhì)降解[5-6]。

2 移植干細(xì)胞在心肌梗死后心肌內(nèi)環(huán)境存活

Geng等[7]用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,MSCs)移植治療心肌梗死,治療后2 h移植細(xì)胞開(kāi)始發(fā)生死亡,4 d內(nèi)定植在心肌內(nèi)移植MSCs細(xì)胞99%發(fā)生死亡,即使將移植的MSCs數(shù)增加到25倍也未能明顯改善移植效果。Hale等[4]用骨骼肌成肌干細(xì)胞移植治療大鼠心肌梗死,證實(shí)注射在心肌內(nèi)骨骼肌成肌干細(xì)胞90%以上在24 h內(nèi)發(fā)生凋亡或壞死。Azarnoush等[8]研究顯示，骨骼肌成肌干細(xì)胞與低氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)聯(lián)合注射于心肌梗死部位，心肌內(nèi)移植細(xì)胞仍然在24 h內(nèi)死亡超過(guò)76%,僅有15%移植細(xì)胞存活超過(guò)12周。Fernanda等[9]研究顯示,即使心肌內(nèi)注射自身同基因的骨髓干細(xì)胞，72 h后心肌組織內(nèi)僅有5%移植細(xì)胞存活。Mouquet等[10]和Joggerst等[11]分析多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究均證實(shí),大多數(shù)干細(xì)胞在移植到受損心肌組織4 d內(nèi)凋亡和丟失。

3 移植干細(xì)胞在心肌梗死后心肌內(nèi)環(huán)境分化

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為心肌細(xì)胞是終末分化細(xì)胞,壞死心肌不能再生,只能由瘢痕替代,導(dǎo)致心室重構(gòu)造成頑固性心力衰竭，干細(xì)胞移植到心肌梗死后缺血病變區(qū)能夠替代、修復(fù)受損心肌[1]。部分學(xué)者認(rèn)為干細(xì)胞移植后在心肌內(nèi)環(huán)境下分化為心肌樣細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞，重建缺血區(qū)的微循環(huán)及激活心肌內(nèi)干細(xì)胞而明顯改善心功能[12-13]。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，內(nèi)環(huán)境是干細(xì)胞定向分化的決定因素[13]，內(nèi)環(huán)境中組織細(xì)胞、細(xì)胞基質(zhì)和細(xì)胞因子與干細(xì)胞相互作用，而決定干細(xì)胞分化方向與進(jìn)程。Wang等[14]發(fā)現(xiàn)，MSCs可在心臟微環(huán)境的誘導(dǎo)下分化為心肌細(xì)胞，并可明顯改善受損心臟的功能。心肌梗死局部組織合成和釋放骨形態(tài)發(fā)生蛋白2、胰島素樣生長(zhǎng)因子1和IL-1β等細(xì)胞因子增多[15]。體外實(shí)驗(yàn)表明，骨形態(tài)發(fā)生蛋白2、胰島素樣生長(zhǎng)因子1和IL-1β等生物因子與MSCs表面受體結(jié)合，從而激活Smad和磷脂酰肌醇-3-激酶/絲蘇氨酸蛋白激酶信號(hào)途徑，調(diào)控MSCs向心肌細(xì)胞分化[16]。

4 心肌內(nèi)環(huán)境對(duì)移植干細(xì)胞存活、分化的影響

4.1炎癥微環(huán)境 曹豐等[17]在大鼠心肌梗死模型制備后不同時(shí)間移植MSCs，以觀察心肌梗死后不同程度的炎性反應(yīng)對(duì)MSCs在大鼠梗死心肌中存活、分化的影響。結(jié)果顯示，局灶炎性反應(yīng)在心肌梗死后第1周最強(qiáng)，第2周時(shí)減弱，第4～8周炎性反應(yīng)消退，瘢痕完全形成。如MSCs第1周移植，心肌組織內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有移植細(xì)胞存活,心功能及瘢痕面積與對(duì)照組無(wú)差異；而第2～4周MSCs移植，心肌組織中可觀察到大量MSCs存在,并向周圍遷移分布,且與對(duì)照組比較，心功能及瘢痕面積均有顯著改善。Hu等[18]采用大鼠心肌梗死模型研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后7 d是干細(xì)胞存活率最佳時(shí)期，得到干細(xì)胞最大存活率。目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究均提示，干細(xì)胞移植最佳時(shí)期是在炎癥減退、瘢痕形成前的心肌梗死后病程的1～2周[19]。

心肌梗死后炎癥微環(huán)境促進(jìn)移植干細(xì)胞歸巢，部分因素有利于移植干細(xì)胞分化。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后，梗死局部心肌細(xì)胞釋放細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1β、腫瘤壞死因子α，通過(guò)Smads、p38絲裂素活化蛋白激酶和磷脂酰肌醇3-激酶等3條信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)移植細(xì)胞表達(dá)特異心肌蛋白，分化為心肌樣細(xì)胞[20]。Kobayashi等[21]的大鼠模型研究顯示，MSCs移植誘導(dǎo)的血管生成、新生的心肌細(xì)胞與IL-1β的表達(dá)增加呈正相關(guān)。因此，炎癥微環(huán)境不利于移植干細(xì)胞的存活、分化，而隨后產(chǎn)生一些細(xì)胞因子又可促進(jìn)干細(xì)胞分化。

4.2缺血、缺氧環(huán)境 心肌梗死后，心肌組織缺氧、血流動(dòng)力學(xué)改變可促使心肌組織合成腫瘤壞死因子α，其細(xì)胞毒效應(yīng)引起心肌細(xì)胞凋亡和壞死[22]。Zhu等[23]發(fā)現(xiàn)缺血、缺氧能夠通過(guò)激活caspase-3,從而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，MSCs在這種缺血、缺氧的微環(huán)境中同樣易發(fā)生凋亡，從而降低其在心肌組織中的存活率。數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)在缺氧的條件下血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子分泌增加,促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞分裂增殖、趨化和遷移;還能動(dòng)員骨髓中的內(nèi)皮祖細(xì)胞進(jìn)入外周循環(huán),并歸巢于缺血組織，在缺血區(qū)分化為成熟的內(nèi)皮細(xì)胞，從而形成新生血管，為移植細(xì)胞提供更多的血液供應(yīng)[24]。因此，缺血、缺氧環(huán)境有不利于干細(xì)胞存活、分化的一面，同時(shí)也有有利的一面。

4.3氧化產(chǎn)物 在心肌缺血、缺氧性損傷和缺血/再灌注過(guò)程中，由于活性氧化產(chǎn)物即活性氧類(reactive oxygen species,ROS)清除系統(tǒng)功能降低，生成系統(tǒng)活性增強(qiáng)，引起ROS大量產(chǎn)生和堆積，從而導(dǎo)致MSCs移植后存活率很低，極大地限制了MSCs的治療效果[25]。Xu等[26]發(fā)現(xiàn)，活性氧化物通過(guò)磷脂酰肌醇3-激酶/絲蘇氨酸蛋白激酶信號(hào)分子介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。氧化應(yīng)激被證實(shí)參與了心肌梗死后的MSCs凋亡過(guò)程，從而不利于移植干細(xì)胞在心肌內(nèi)的存活。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，ROS不僅參與氧化應(yīng)激的病理過(guò)程，還參與許多生理過(guò)程的調(diào)節(jié)，如細(xì)胞的增殖、遷移、分化等[1,3]。近期實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，H2O2刺激增加N-ras基因細(xì)胞內(nèi)ROS水平，并改變細(xì)胞的形態(tài)和遷移能力，增加干細(xì)胞遷移與活性；血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子介導(dǎo)的平滑肌細(xì)胞遷移需要ROS[27]。因此，ROS對(duì)干細(xì)胞的存活、分化有有利的一面。

4.4周圍正常心肌細(xì)胞 Fukuhara等[28]通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)證實(shí)了干細(xì)胞與心肌細(xì)胞直接的電機(jī)械刺激是干細(xì)胞心肌環(huán)境依賴性分化的必要條件，他們發(fā)現(xiàn)隨著共培養(yǎng)時(shí)間的增加，干細(xì)胞表達(dá)心肌特異性蛋白的陽(yáng)性率也隨之增加。Xue等[29]將人類胚胎干細(xì)胞與大鼠心肌細(xì)胞共同培養(yǎng),可誘導(dǎo)人類胚胎干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化，分化的心室肌細(xì)胞表現(xiàn)為擬胚體的節(jié)律性收縮與大鼠組織的電活動(dòng)同步，且細(xì)胞連接處縫隙連接蛋白43免疫染色陽(yáng)性。Condorelli等[30]研究發(fā)現(xiàn)，僅有與心肌細(xì)胞發(fā)生直接接觸的內(nèi)皮細(xì)胞方能分化為心肌細(xì)胞，表明細(xì)胞的直接接觸可能是影響干細(xì)胞定向分化的關(guān)鍵因素。因此，梗死區(qū)周邊正常心肌細(xì)胞對(duì)促進(jìn)干細(xì)胞的分化起到一定作用。

5 展 望

心肌內(nèi)環(huán)境對(duì)于移植干細(xì)胞存活率和向心肌細(xì)胞分化效率起決定性作用。炎癥微環(huán)境、缺血、缺氧，氧化應(yīng)激等惡劣心肌內(nèi)環(huán)境可導(dǎo)致心肌梗死后移植干細(xì)胞存活率、分化率降低；同時(shí)，缺血的心肌微環(huán)境激活又可誘導(dǎo)干細(xì)胞存活和分化的生物因子分泌或干細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通道,促進(jìn)干細(xì)胞存活及向心肌細(xì)胞分化。因此，進(jìn)一步研究心肌梗死后內(nèi)環(huán)境對(duì)干細(xì)胞存活、分化的影響對(duì)干細(xì)胞治療心肌梗死的臨床應(yīng)用推廣具有重要意義。

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