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编辑、整理： 话匣子 急性心肌梗死造成冠状动脉闭塞、血流中断,使部分心肌因严重而持久的缺血发生局部坏死,从而导致心脏功能严重受损,是心血管疾病死亡的主要原因。研究发现,急性心肌梗死导致心脏梗死区大量心肌细胞坏死,最终由纤维组织替代。心肌组织中残留少量具有扩增能力的心肌细胞,在一定程度上具有再生性代偿能力。然而,此类细胞的代偿如不采取有效的干预措施, 将无力扭转心功能衰竭的进展趋势。 当前的干预手段主要有药物、介入和外科手术治疗等,但都难获得满意的治疗效果。无论什么方法均不能使心肌瘢痕组织重新变成有收缩功能的心肌组织。对于终末期的心功能不全患者,心脏移植是挽救他们生命的唯一办法。由于有限的心脏来源和免疫抑制剂的严重不良反应,迫切需要建立其他有效的疗法。干细胞移植技术是近年来迅速发展的重要治疗手段,受到人们的广泛关注。 图片源自baike.com 间充质干细胞连续传代培养和冷冻保存后仍具有多向分化潜能,且免疫原性低,不易引起免疫排斥,不涉及伦理道德问题,因此作为心肌损伤后干细胞移植治疗的热门种子细胞,间充质干细胞成为治疗缺血性心脏病的研究热点.
骨髓间充质干细胞 为非造血干细胞,在骨髓中含量极低,为0.001%-0.01%。研究发现,骨髓间 充质干细胞与造血干细胞不同,其不表达典型造血干细胞的表面标志CD34和CD45,能特征性地表达CD29、CD44、CD71、CD90、CD105、CD106、CD120a、CD124等。在体外经纯化、扩增、诱导后可表现心肌样细胞的生物学特性,可为间充质干细胞临床移植治疗提供可靠细胞来源,且因其强大的增殖能力,骨髓间充质干细胞在心肌修复中具有很明显的潜在优势。研究表明,心肌梗死后移植的干细胞不仅分化出了心肌细胞,而且局部移植的骨髓干细胞能够产生包括有心肌细胞和冠脉血管的新生心肌。应用骨髓间充质干细胞可明显减少心肌梗死面积,并可通过改变坏死心肌的局部微环境而上调血管内皮生长因子的表达。因此,利用骨髓间充质干细胞作为种子细胞取代受损的心肌细胞具有很好的应用前景。此外,骨髓间充质干细胞移植后还具有自动归巢到梗死区的特性,可能与趋化蛋白基质细胞衍生因子1(SDF-1)及其受体CXCR4作用有关。
图1 人骨髓间充质干细胞诱导 4 周后 ANP 和 CX43 免疫组化结果(DAB，×400) 脐血间充质干细胞 介于成体干细胞、胚胎干细胞之间,显得更为原始,具有亚全能分化潜能, 能分化为心脏、肝、肾等重要器官组织细胞。2000年, Erices等报道脐血中有很丰富的造血干细胞和间充质干细胞,提取出的干细胞也被多位研究者们证实具有良好的心肌修复功能。Lee等发现从脐血中提取的间充质干细胞可分化为中胚层细胞,推测心肌作为中胚层组织亦可由其分化得到。另外有研究发现向兔心肌梗死模型中联合移植脐血间充质干细胞和脐血CD34 ,可明显降低胶原蛋白沉积,并提高心肌功能。并由于全球人类出生率高,因一些脐血也能够通过脐血库很好的收集与保存,脐血间充质干细胞已被越来越多的研究者们重视,但因需在孕期采脐血,脐血间充质干细胞的提取仍存在争议。
脐带间充质干细胞 脐带组织,包括其动脉、静脉、华氏胶组织(Wharton’s jelly)、脐带内膜等,是间充质干细胞的可靠来源。脐带间充质干细胞具有获得过程无需有创操作, 可分化为3个胚层细胞、易在组织受损或炎症反应部位聚集、可促进组织修复并调节炎症反应等明显优势。来源于Wharton’s jelly的间充质干细胞因其对心肌组织具有特异性趋化以及可分泌血管生成因子诱导心肌干细胞募集而受到关注。Wharton’s jelly间充质干细胞从胚胎外胚层组织中提取,已被证实具有人胚胎干细胞和成体干细胞的特性,因而可作为干细胞移植的来源,另外,它还被证实具有阻隔免疫排斥、肿瘤发生、畸胎瘤形成等作用。经冠状动脉注射Wharton’s jelly间充质干细胞,可明显提高左室射血分数,减少心肌梗死相关事件的发生,因而是替代骨髓间充质干细胞的最佳选择。
间充质干细胞的安全性和有效性 经研究证实，间充质干细胞体外扩增的过程是安全的,且癌变的概率很小。有趣的是，Khan等于2011年的实验中发现间充质干细胞的供体年龄会影响移植后的疗效。实验中, Khan等分别从2月龄和18月龄大鼠中提取出间充质干细胞移植入18月龄心肌梗死模型大鼠体内。移植后观察大鼠体内衰老主导基因p16的表达,发现来自年老大鼠的间充质干细胞表达更加活跃,并由此推断间充质干细胞的活跃程度并不随年龄的增长而降低。除此之外,胰岛素样生长因子1、纤维母细胞生长因子、血管内皮生长因子、肝细胞生长因子较年轻大鼠减少,而各项心功能指标也有所不及。这项研究结果表明了间充质干细胞移植需要年轻的供体,而临床上治疗年老者心肌梗死时自体间充质干细胞移植可能并不适用。
作用机制 间充质干细胞分化成心肌细胞 通过实验发现, 小鼠间充质干细胞在体外能诱导分化出自发跳动、具有心肌细胞形态和电机械特征的细胞。研究进一步证明了骨髓间充质干细胞可以在体内心脏局部微环境中诱导分化生成心肌细胞。胰岛素样生长因子1、干细胞生长因子、骨形态发生蛋白2等细胞因子通过与其受体结合,激活PI3-K/Akt信号转导途径,从而介导干细胞在移植微环境中的存活。
旁分泌 以往研究者认为干细胞移植改善肌细胞的作用是由干细胞分化替代原损伤的心肌细胞或者血管生成来完成,但越来越多的研究证明干细胞可通过旁分泌来促进心肌细胞的自身修复。 有国外科研人员于2009年尝试使用分化功能被抑制的间充质干细胞进行移植实验,发现其也能改善实验动物的心脏功能,且其改善程度与分化功能未被抑制的间充质干细胞无统计学差异。同年做了有关间充质干细胞移植治疗鼠心肌梗死的动物实验,证明了生长因子等对间充质干细胞移植疗效的积极作用。这一结果证实细胞因子对心肌修复的作用大于心肌再生。随后的研究中,研究者通过基因重组技术培养出高表达肝细胞生长因子和血管内皮生长因子的间充质干细胞,不管是体外研究还是体内研究,均明显增加了间充质干细胞的增殖。移植了高表达肝细胞生长因子和血管内皮生长因子的间充质干细胞的动物心肌梗死面积更小,梗死区周围血管密度更高,左室功能更好。
除此以外,大量的实验也已证实干细胞分泌的其他生长因子(如血小板源性生长因子、上皮生长因子等)能够促进心肌修复,分泌的白细胞介素6、白细胞介素10、肿瘤坏死因子α等细胞因子能够调节免疫炎症反应,可激活细胞内包括STAT3、PI3K-Akt、ERK1/2等在内的信号通路,促进细胞增殖],分泌胶原蛋白I、Ⅲ等改善心脏收缩功能。
介导免疫反应 间充质干细胞具有强大的免疫调节作用,将成为心肌梗死后平衡炎症反应和达到心肌修复的重要手段，经研究证实间充质干细胞对损伤心肌的保护作用是巨噬细胞介导的。
间充质干细胞对T细胞的调节 心肌梗死发生后,T细胞识别特异性抗原内源性心肌肌球蛋白和辅肌动蛋白, 导致辅助T细胞(Th细胞)和细胞毒T细胞(Tc细胞)对心肌产生持续性损害。 间充质干细胞与T细胞共培养下有2条主要通路抑制T细胞增殖:间充质干细胞上调色氨酸的代谢酶IDO使色氨酸代谢产物犬尿氨酸堆积,抑制T细胞增殖；环氧合酶2的表达使PGE2释放增加也产生对T细胞增殖抑制的作用。
间充质干细胞对B细胞的调节 间充质干细胞有抑制NK细胞增殖的能力,同时也能降低其细胞毒性和减少促炎因子的释放。NK细胞是通过IDO途径和PGE2途径迅速降低其增殖能力,且这两条途径还可能存在协同 作用。间充质干细胞也可通过下调NK细胞活化受体NKp30、NKp44和NKG2D,从而减少NK细胞的活化,使其细胞毒性降低和促炎因子释放减少。
间充质干细胞对树突细胞的调节 树突细胞是体内最重要的抗原递呈细胞,心肌梗死后递呈坏死心肌组织, 从而激活免疫应答。间充质干细胞可以通过阻断树突细胞的成熟,导致树突细胞表面抗原表达和共刺激分子 CD40、CD80和CD86的表达下调,从而抑制T细胞的激活。 此外,有研究表明,间充质干细胞能够促进损伤血管的再内皮化,减轻新生内膜的增殖,有助于减轻损伤血管的再狭窄。
间充质干细胞治疗缺血性心脏病的作用机制
间充质干细胞移植的优势 研究发现，等通过随机双盲对照试验证明经静脉移植同种异体人间充质干细胞治疗心肌梗死不仅是安全的并且是有效的，将间充质干细胞与骨骼肌成肌细胞和平滑肌细胞进行了体外和体内试验的对比,发现间充质干细胞在体外实验中凋亡率最高,但是移植入体内后其存活能力并非处于绝对弱势,且在体内表现出了非常活跃的血管内皮生长因子和干细胞因子分泌能力。移植后4周,间充质干细胞组新生血管密度和心功能改善方面表现较平滑肌细胞好,与骨骼肌成肌细胞组无差异。
联合治疗 已有不少研究显示间充质干细胞联合生物工程支架移植治疗比单纯的干细胞移植治疗更加有效。国外学者于2009年行心肌钻孔结合肝素化碱性成纤维细胞生长因子缓释支架植入合并干细胞移植,观察骨髓间充质干细胞移植修复猪急性心肌梗死的疗效。这项研究说明了手术联合干细胞治疗能够显著提升干细胞治疗心肌梗死的疗效。
Afanasev等发现射频消融术能够破坏梗死心肌已纤维化的结构,联合间充质干细胞移植治疗使单核细胞浸润心肌,促进肉芽组织和新生血管的形成,从而促进心肌组织梗死后的再生。
间充质干细胞移植治疗心肌梗死给临床带来了全新的方法,但仍存在许多需要去认识、解决的问题, 如在细胞质量、细胞剂量、移植方法、移植时机和患者选择等各个方面仍未得到确切的答案,故局限了其在临床上的应用。随着实验技术、研究方法和相关理论知识的完善,相信间充质干细胞移植必将为心肌梗死患者的治疗带来希望。
参考出处： 《临床与病理杂志》 , 2005 , 25 (4) :287-290。骨髓间充质干细胞治疗心肌梗死 《中国动脉硬化杂志》 , 2006 , 14 (7) :585-589，骨髓间充质干细胞治疗心肌梗死后心功能衰竭的远期疗效。 《中华实验外科杂志》 , 2015 , 32 (8)。脐带间充质干细胞治疗心肌梗死的旁分泌作用研究  细胞王国 阅人识己，渡人自渡 |
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