李玲綜述,石蓓審校
心臟干細(xì)胞移植治療缺血性心臟病的研究進(jìn)展*
李玲綜述,石蓓審校
缺血性心臟病患者往往死于心力衰竭(心衰),而目前對(duì)于難治性心衰最好的治療方法是心臟移植。但隨著干細(xì)胞和祖細(xì)胞在再生潛能治療和預(yù)防心衰方面的深入研究,心臟干細(xì)胞移植有望成為治療缺血性心臟病最理想的方法。本文旨在對(duì)心臟干細(xì)胞移植治療缺血性心臟病的研究現(xiàn)狀及所面臨的問題進(jìn)行綜述。
心臟干細(xì)胞;缺血性心臟?。桓杉?xì)胞移植
目前用于缺血性心臟病治療的細(xì)胞主要包括胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞、骨髓源干細(xì)胞/祖細(xì)胞(如間充質(zhì)干細(xì)胞、內(nèi)皮祖細(xì)胞、單個(gè)核細(xì)胞以及以細(xì)胞抗原標(biāo)記命名的細(xì)胞,如CD34+細(xì)胞、CD133+細(xì)胞等)和心臟干細(xì)胞等[1-3]。由于存在倫理學(xué)爭議,無法控制增殖能力及異體免疫原性等原因胚胎干細(xì)胞及誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞僅用于基礎(chǔ)研究,而其它幾種骨髓源性的干/祖細(xì)胞由于分離、純化技術(shù)成熟、低免疫源性及多向分化能力被廣泛用于心肌再生治療[4],也是目前主要的臨床研究對(duì)象[5,6]。但最新的研究發(fā)現(xiàn)心臟干細(xì)胞因其具有組織特異性和專一性,在用于心臟再生治療中更具優(yōu)勢。有研究表明心臟干細(xì)胞與間充質(zhì)干細(xì)胞相比,心肌梗死后注射同等劑量的兩種細(xì)胞到梗死邊緣區(qū),發(fā)現(xiàn)前者的作用效果顯著優(yōu)于后者[7]。
2002年,Hierlihy等[8]報(bào)道了心臟組織中有一群具自我更新及多向分化能力的干細(xì)胞,并命名為心臟干細(xì)胞,推翻了心肌細(xì)胞不能再生的觀念。然而心臟干細(xì)胞的來源問題仍是眾多學(xué)者一直關(guān)注且存在爭議的一個(gè)問題。一項(xiàng)性別錯(cuò)配心臟移植的研究發(fā)現(xiàn),部分心臟干細(xì)胞表現(xiàn)骨髓系表型,提示心外來源的循環(huán)干細(xì)胞遷移到心臟是心臟干細(xì)胞的重要來源之一[9];但仍有大部分研究者認(rèn)為心臟干細(xì)胞來源于胚胎時(shí)期就存在于心臟中的內(nèi)源性細(xì)胞。從細(xì)胞生物學(xué)的理論可知供體和受體起源的原始細(xì)胞都可表達(dá)干細(xì)胞表面抗原,如c-kit、Sca-1和多藥耐藥基因1(MDR1)。c-kit+細(xì)胞從胎兒生命開始便遷移到卵黃囊、肝和其他器官,這些器官表達(dá)干細(xì)胞生長因子(一種c-kit受體的配基)。故有理由相信,這些干細(xì)胞樣細(xì)胞從胎兒期開始就出現(xiàn)在心臟中。Eberhard等[10]將增強(qiáng)型綠色熒光蛋白基因引入克隆回顧分析胚胎的囊泡轉(zhuǎn)換階段的實(shí)驗(yàn)就明確了成熟心肌起源于心內(nèi),排除了身體其他器官干細(xì)胞在成人生理狀態(tài)下遷移到心臟分化為心肌的可能性。
不少研究者認(rèn)為心臟干細(xì)胞即心臟祖細(xì)胞,實(shí)際上
心臟干細(xì)胞和心臟祖細(xì)胞有著很嚴(yán)格的區(qū)別:心臟干細(xì)胞能形成單克隆、自我更新,并分化為三種主要的心臟細(xì)胞類型,即心肌細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞;心臟祖細(xì)胞是一種未成熟的但已經(jīng)定向分化的心臟細(xì)胞,它能增殖分化為前體細(xì)胞,這些前體細(xì)胞能分化為三種主要心臟細(xì)胞類型中的一種(心肌細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞或血管內(nèi)皮細(xì)胞),分化成的細(xì)胞類型取決于其祖細(xì)胞的性質(zhì)。目前的研究普遍接受c-kit是心臟干細(xì)胞分子標(biāo)志,而Sca-1、MDR1以及轉(zhuǎn)錄因子Nkx2.5和Islet-1則是心臟祖細(xì)胞的分子標(biāo)志,但彼此又存在交集。其分類如下:①c-kit+細(xì)胞 :它是最早被發(fā)現(xiàn)的心臟干細(xì)胞,以表達(dá)c-kit為特征,同時(shí)也表達(dá)Sca-1和MDR1。c-kit+心臟干細(xì)胞表達(dá)許多譜系標(biāo)記,如GATA-4,GATA-5,Nkx2.5和MEF2,而不表達(dá)骨骼肌系、血細(xì)胞系及神經(jīng)系的表面標(biāo)記。目前研究發(fā)現(xiàn)c-kit+心臟干細(xì)胞包括2種不同亞群,即肌源性和血管源性[11]。前者主要表達(dá)c-kit,定居于成熟心肌細(xì)胞間的肌細(xì)胞小生境中,主要分化為心肌細(xì)胞,后者表達(dá)c-kit和內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物KDR,存儲(chǔ)于血管壁的血管小生境中,主要分化為內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞。2種心臟干細(xì)胞在體外均能特異分化為心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞,但肌源性心臟干細(xì)胞分化為肌細(xì)胞數(shù)是血管源性心臟干細(xì)胞的6倍,血管源性心臟干細(xì)胞分化為平滑肌細(xì)胞數(shù)是肌源性心臟干細(xì)胞的6倍,內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)是肌源性心臟干細(xì)胞的5倍[12]。②Sca-1+細(xì)胞:它不同于c-kit+細(xì)胞,并不表達(dá)Nkx2.5和編碼肌小節(jié)蛋白基因,但表達(dá)心臟結(jié)構(gòu)基因(如肌球蛋白重鏈)和其他心臟源性轉(zhuǎn)錄因子,如GATA-4,MEF-2C和TEF-l。在體外或體內(nèi)具有克隆、增殖及多向分化能力。③側(cè)群細(xì)胞 :該細(xì)胞起初在一些成年器官(如骨骼肌、骨髓、肝臟等)發(fā)現(xiàn),是一群具有多能分化潛力的祖細(xì)胞。后來在心臟組織中也發(fā)現(xiàn)了這類細(xì)胞,且認(rèn)為Abcg2是心臟側(cè)群細(xì)胞表型的決定因素,其具有干細(xì)胞樣活性和心肌分化潛能。④Cardioblast細(xì)胞 :以轉(zhuǎn)錄因子Islet-1表達(dá)為特征的一類細(xì)胞。在新生的嚙齒類和人類心臟中,發(fā)現(xiàn)心臟干細(xì)胞并不表達(dá)c-kit 和Sca-1,而是通過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Islet-1來辨別它們。它們也表達(dá)那些在心臟發(fā)生早期出現(xiàn)的因子如Nkx2.5、GATA-4。但I(xiàn)slet-1+細(xì)胞稀少,到目前為止只有在新生兒的組織中才能被檢測到。⑤心球和心球衍生細(xì)胞:從心臟組織分離培養(yǎng)后形成的成簇聚集的細(xì)胞團(tuán),稱之為“心球”,由多種心臟干細(xì)胞混合組成,其中c-kit+心臟干細(xì)胞為心球核心,周圍環(huán)繞CDl05+支持細(xì)胞及豐富的IV型膠原。心球經(jīng)過傳代擴(kuò)增后獲得的細(xì)胞單層稱為心球衍生細(xì)胞。二者均具有突出的克隆性和多向分化潛能[13]。⑥其他亞群:除上述幾種細(xì)胞亞群外,在人體心耳組織中存在一種ALDH+的心臟干細(xì)胞群。它是一種非骨髓或外周來源的固有心臟干細(xì)胞群,具克隆性以及較心球衍生細(xì)胞更高的心肌分化潛能。而在成年哺乳動(dòng)物心外膜也有一種干細(xì)胞,即心外膜衍生細(xì)胞。但該細(xì)胞的分化潛能目前存在爭議,Zhou等[14]研究認(rèn)為小鼠心肌梗死后心外膜衍生細(xì)胞并不分化為心肌或內(nèi)皮細(xì)胞,其修復(fù)損傷心肌可能是通過旁分泌機(jī)制。
心臟干細(xì)胞是目前公認(rèn)的用于心臟再生治療較理想的干細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)心肌梗死后注射心臟干細(xì)胞到梗死心臟,可促進(jìn)血管發(fā)生,心肌再生,提高心功能。向免疫缺陷大鼠心肌梗死邊界區(qū)注射人心臟干細(xì)胞,可在心肌壁中央?yún)^(qū)形成有活力的心肌,包括心肌再生和血管發(fā)生,從而改善心臟功能[15]。臨床研究也得到類似結(jié)果,SCIPIO試驗(yàn)的研究者將自體來源的心臟干細(xì)胞經(jīng)冠狀動(dòng)脈輸入缺血性心肌病患者的心臟,4個(gè)月后發(fā)現(xiàn)患者的左心室射血分?jǐn)?shù)顯著提高[16],但SCIPIO是一項(xiàng)小規(guī)模的隨機(jī)公開標(biāo)簽試驗(yàn),帶有較強(qiáng)的主觀性,其試驗(yàn)結(jié)果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。且也有研究發(fā)現(xiàn),將從小鼠心臟分離出的心臟干細(xì)胞注入到小鼠心肌梗死的心臟中,通過體內(nèi)心臟干細(xì)胞活體動(dòng)物光學(xué)成像監(jiān)測發(fā)現(xiàn),心肌內(nèi)注射供體干細(xì)胞者急性死亡,更重要的是,與心肌梗死小鼠注射用生理鹽水者相比,心臟干細(xì)胞的移植未能表達(dá)任何對(duì)心臟功能有所改善的作用[17]。目前對(duì)心臟干細(xì)胞應(yīng)用于臨床還存在著爭議,有待細(xì)胞生物學(xué)對(duì)其機(jī)制的進(jìn)一步研究,但干細(xì)胞療法仍然是今后研究的熱點(diǎn),也是未來治療缺血性心臟病的趨勢所在。
為了讓移植細(xì)胞發(fā)揮其最大的效能,移植方法的選擇也至關(guān)重要。目前,心臟干細(xì)胞移植方法主要有兩種,一是經(jīng)冠狀動(dòng)脈內(nèi)輸入,二是直視下心肌內(nèi)注射。前者因其操作相對(duì)簡單、創(chuàng)傷較小、移植后分布較均勻等特點(diǎn)已成為目前應(yīng)用較多、移植效果較好的移植方法,但因其有發(fā)生血栓栓塞的風(fēng)險(xiǎn),使其應(yīng)用有一定局限性;而直視下心肌內(nèi)注射可避免栓塞風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也避免了細(xì)胞的流失,提高了移植效率,是目前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用得最多的一種移植方法,但其創(chuàng)傷大,臨床應(yīng)用局限。上述兩種移植方法各有利弊,但用于臨床仍有較大的局限性,而尋求一種安全、有效的移植方法將成為今后努力的方向。
不同的亞群細(xì)胞有著不同的表型特征和分化潛能,哪一類型心臟干細(xì)胞的心肌修復(fù)能力最強(qiáng),最適合用于缺血性心臟病的治療是需要明確的。研究表明c-kit+心臟干細(xì)胞對(duì)心臟最具保護(hù)作用,其對(duì)心肌的修復(fù)作用最強(qiáng),功能最強(qiáng)大[18]。 Linke等[19]的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),在犬的心臟組織中c-kit+心臟干細(xì)胞所占心臟干細(xì)胞的比例最大,分化能力也是最強(qiáng)的。此外,Welt等[20]在犬心肌梗死6周后移植c-kit+心臟干細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)30周后其仍能顯著抑制左室重構(gòu)、改善心功能,這說明c-kit+心臟干細(xì)胞對(duì)慢性心肌缺血也具有遠(yuǎn)期療效。另外,以c-kit+心臟干細(xì)胞為核心的心球和心球衍生細(xì)胞可能成為最有應(yīng)用潛力的一個(gè)心臟干細(xì)胞亞群,且心球衍生細(xì)胞已被應(yīng)用于Ⅰ期臨床試驗(yàn)。
細(xì)胞移植數(shù)量并不是越多越好,需要一個(gè)比較適中的量,量太多心梗后的惡劣微環(huán)境不足以支撐其較好的存活,量太少會(huì)使再生心肌細(xì)胞不足以替補(bǔ)已經(jīng)壞死的心肌細(xì)胞,使修復(fù)心臟的能力大打折扣。移植量的多少主要與移植方法的選擇有關(guān),冠狀動(dòng)脈輸入移植法需要的細(xì)胞量較直視下心肌內(nèi)注射移植法大,以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為例,通常前者需要1×106個(gè)細(xì)胞[21],而后者僅需5×105個(gè)細(xì)胞[22]。而對(duì)于心球衍生細(xì)胞而言,經(jīng)冠脈移植的安全有效劑量是1×107~2.5×107[23];經(jīng)開胸心肌內(nèi)注射移植心球衍生細(xì)胞的合適劑量為0.5×107/注射點(diǎn),總量不超過1×107[24]。目前移植細(xì)胞的數(shù)量尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),還需進(jìn)一步探索。
細(xì)胞移植的最佳時(shí)間受多個(gè)因素的制約,主要取決于心肌梗死后的病理變化和細(xì)胞作用機(jī)制,但就目前而言,移植的最佳時(shí)間仍不清楚。原則上干細(xì)胞移植越早越好,從而可挽救更多的心肌細(xì)胞,防止心室重構(gòu),減少瘢痕形成。但一項(xiàng)研究顯示,在心肌梗死后即刻、2周和4周移植胎心細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)移植效果最佳的是2周[25]。也有研究報(bào)道稱,在梗死后4周進(jìn)行心臟干細(xì)胞移植的效果較好[26],因?yàn)榇藭r(shí)心臟因缺血梗死后的自身修復(fù)基本結(jié)束,心臟結(jié)構(gòu)功能趨于穩(wěn)定。不同時(shí)間進(jìn)行細(xì)胞移植,可能產(chǎn)生不同的臨床結(jié)果,在慢性穩(wěn)定期,可能沒有急性期惡劣的病理環(huán)境,更有利于移植細(xì)胞的存活、分化。
大量研究證實(shí)心臟干細(xì)胞移植到受損心臟后可分化為心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞,通過增加功能細(xì)胞的數(shù)量來改善心功能,這支持直接分化機(jī)制。但心臟干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞數(shù)量是不足以替補(bǔ)心臟受損死亡的細(xì)胞數(shù)量,心臟功能的改善不能單純的用直接分化機(jī)制來解釋,而Chimenti等[27]的研究結(jié)果顯示,將心臟干細(xì)胞注射在大鼠心肌梗死的周邊區(qū)域后,其不僅可以直接再生為心肌,而且可通過旁分泌功能,增加血管內(nèi)皮生長因子、胰島素樣生長因子-1、肝細(xì)胞生長因子等的表達(dá),促進(jìn)血管再生。也有數(shù)據(jù)顯示心臟干細(xì)胞的旁分泌作用大于心臟干細(xì)胞的直接分化作用[28]。心臟干細(xì)胞修復(fù)心臟可能是直接分化和旁分泌機(jī)制共同的結(jié)果。
目前對(duì)心臟干細(xì)胞的研究只處于起步階段,仍存在著一些問題。①移植細(xì)胞存活率低:無論哪種類型的移植細(xì)胞都面臨著移植存活率低的問題,心臟干細(xì)胞也不例外,而少量的心臟干細(xì)胞根本不足以彌補(bǔ)心肌梗死所致的心臟損傷;②移植細(xì)胞增殖和分化的能力在體內(nèi)是否能長期維持,且在疾病和衰老狀態(tài)下是否能保持心源性分化潛力,目前尚未明確;③移植方法:目前使用的移植方法都有著較大的缺陷,臨床應(yīng)用局限,仍需尋求一種簡便、安全、有效的移植方法;④分離出來的心臟干細(xì)胞是否真的有區(qū)別,也許它們都是來源于一些移入到心臟中普通的干細(xì)胞, 只是分化階段不同而已,又或許像前面所說的分離出來的心臟干細(xì)胞是有區(qū)別的,且功能最強(qiáng)大的是c-kit+的心臟干細(xì)胞,那么又如何得到足夠數(shù)量的高純度的c-kit+心臟干細(xì)胞。要知道心臟干細(xì)胞在心臟組織中存在微乎其微。且目前對(duì)分離出c-kit+心臟干細(xì)胞的能力各家報(bào)道并不一致,分離的方法也各不相同,尚未標(biāo)準(zhǔn)化,也不夠成熟;⑤其臨床治療效果的機(jī)制還存在爭議,是再生形成新的心肌和血管,還是由于旁分泌效應(yīng),又或者兩者都有。
雖然心臟干細(xì)胞移植治療缺血性心臟病還存在諸多問題,但它對(duì)心臟的保護(hù)作用是有目共睹的,相信隨著對(duì)其進(jìn)一步地探索研究,上述問題會(huì)一一解決,心臟干細(xì)胞應(yīng)用于臨床治療指日可待。
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(編輯:常文靜)
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李玲 碩士研究生 研究方向?yàn)楣谛牟〗槿胫委?Email: 15387609@qq.com 通訊作者:石蓓 Email: shibei2147@163.com
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1000-3614(2015)03-0290-03
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2014-07-28)
綜述