心肌干細胞與心肌梗死區微環境的研究進展

李小雪　綜述　孫　雷　審校

?

心肌干細胞與心肌梗死區微環境的研究進展

李小雪綜述孫雷審校

急性心肌梗死；心肌干細胞; 經皮冠狀動脈旁路介入術

目前治療急性心肌梗死(acutemyocardialinfarction,AMI)的方法主要有藥物治療、冠狀動脈旁路移植術(coronaryarterybypassgrafting,GABG)、經皮冠狀動脈旁路介入術(percutaneouscoronaryintervention,PCI)等。這些方法能通過恢復灌流來緩解患者癥狀，挽救部分缺血心肌，防止梗死創面的擴大，但對已經形成的纖維瘢痕無能為力，即不能從根本上使已經壞死的心肌修復，改善心肌的舒縮功能。近幾年來，研究者們一直在探索解決這一問題的途徑，而干細胞技術的興起和不斷發展，無疑給心血管病患者帶來了光明和希望。20世紀末以來，大量研究發現，在成體的心肌組織和骨髓中存在具有特異性心肌分化潛能的多能干細胞，即心肌干細胞(cardiacstemcells,CSCs)。心肌梗死后，局部組織缺血缺氧，微環境發生改變，CSCs在多種細胞因子、細胞基質或炎性介質等的作用下被動員至心肌缺血區，向心肌細胞及內皮細胞等分化并表達心肌特異性的蛋白。筆者就CSCs和微環境的研究進展進行綜述。

1　心肌干細胞

1.1生物學特性CSCs是已提交心肌譜系的具有特異性分化潛能的多能干細胞，包括骨髓源性CSCs和心肌源性CSCs[1]。CSCs主要有以下幾個生物學特性:(1)具有高度的自我更新能力和增殖分化潛能。在生命體的整個生長發育過程中，心肌細胞往往以一種逐步遞減的速度實現著自我更新與替換，年更新率從25歲時的1%降到75歲時的0.45%[2]，雖然成熟個體心肌組織大部分細胞已經發育成熟，但仍有將近一半的心肌細胞完成了更新。(2)已啟動早期心肌形成基因，同時表達一定多能干細胞表面標志。CSCs膜表面可表達一種或多種干細胞相關抗原，如干細胞因子受體(tyrosinekinasereceptorpositive,c-kit+)，干細胞抗原(stemcellantigenpositive,Sca-1+)，譜系標志物(lineagenegative,Lin-)，P-糖蛋白(MDR+)。(3)能夠向心肌細胞、內皮細胞、平滑肌細胞等分化并表達心肌特異性的蛋白。如心肌球蛋白重鏈，肌鈣蛋白Ⅰ、T、desmin、α-actin等。心肌梗死時，局部微環境發生改變，各種細胞因子釋放增加，細胞外基質增多，在多種介質的參與下，CSCs被動員至缺血壞死區分化并修復心肌。

1.2分類根據CSCs表面標記以及被研究證實確實能分化為心肌細胞兩方面，將CSCs分為以下幾種類型：Lin-/c-kit+細胞、Sca-1+細胞、Isl1+細胞、SP細胞、心肌球樣衍生細胞(cardiosphere-derivedcells,CDCs)等其他心肌前體細胞[3]。

1.2.1Lin-/c-kit+細胞是干細胞類型中數量最多、研究較廣的一種[4]。c-kit+細胞主要集中分布在心房和心尖。將小鼠冠脈結扎后，發現梗死區c-kit+細胞增多，血管內皮生長因子也增多，而c-kit受體缺陷的小鼠則在冠脈結扎后出現了擴張型心肌病，生血管作用減弱。c-kit受體缺陷將影響心肌梗死后心臟細胞的修復。骨髓源性c-kit+細胞在梗死心肌血管生成轉換中起了非常重要的調節作用，有利于心肌的再生和修復，被認為是一種具有心肌保護性的細胞[5]。Dawn等[6]在344只大鼠中分離出c-kit+細胞，經培養植入大鼠心肌缺血再灌注損傷模型的冠狀動脈中，35d后與未用c-kit+細胞處理組比較，處理組大鼠左室射血分數、心搏出量有所增加，左室舒張末徑增加較小，心肌梗死面積明顯減小，心肌收縮功能明顯改善。

1.2.2Sca-1+細胞Matsuura等[7]運用免疫磁珠法從小鼠中分選得到Sca-1+細胞,在催產素的誘導下可分化為心肌細胞，并表達心肌特異蛋白Cx43、α-actin、cTnI等。

1.2.3Isl1+細胞Laugwitz等[8]證實在新生的小鼠心肌中存在Isl1+細胞，將其與新生的心肌細胞共同培養，可分化為成熟的功能性心肌細胞。

1.2.4SP細胞Hierlihy等[9]第1次在新生小鼠的心肌中發現了這種細胞，約1/3可表達c-kit和Sca-1。

CDCs是一類未分化細胞，其核心組成是c-kit+細胞，在體外用溫和酶消化心肌組織后直接培養，可自發黏附成團，并表現出原始心肌的特性，能夠分化為心肌細胞、血管內皮細胞故而得名[10]。

2　心肌梗死區微環境

干細胞微環境是在20世紀70年代人們研究造血系統時最初提出來的。心肌梗死造成心肌局部缺血缺氧，氧自由基生成過多，而抗氧化能力減退，氧化應激產生，引起細胞壞死和凋亡，細胞內溶酶體破裂，蛋白水解酶釋放增加，最終引發心肌細胞的自溶，心肌收縮蛋白斷裂，心肌正常的舒縮功能遭到破壞。但與此同時，心肌梗死后，心肌局部微環境中的一些因子，如骨形態發生蛋白-2(BMP-2)、轉化生長因子-β(TGF-β)、成纖維細胞生長因子(bFGF)、胰島素樣生長因子(IGF-1)等釋放增加，細胞外基質增多，由此，CSCs被動員至缺血部位，在多種因子共同作用下分化成熟，實現心肌的自我更新和修復，且外周血液循環中這些細胞因子濃度相應的升高[11]。

2.1骨形態發生蛋白-2(bonemorphogeneticprotein-2,BMP-2)BMP-2是骨形態發生蛋白(BMP)家族的重要成員，由396個氨基酸組成，BMP-2在胚胎發育早期即開始表達，對心肌的發育和形成具有重要意義。Behfar等[12]發現，心肌梗死后心肌組織中的BMP-2釋放增加，BMP-2不僅對梗死區周圍的心肌具有抗凋亡作用，而且還參與了心臟內的心肌祖細胞向心肌細胞的分化。

同時BMP-2作為一種多功能的信號分子可促進一系列心肌轉錄因子的表達。BMP-2可與CSCs表面受體結合，通過Smads、p38MAPK、PI3K/Akt等胞內信號分子啟動CSCs終末分化，提高心肌特異轉錄因子GATA4、Nkx2.5及MEF2C等的表達，分化為功能性心肌細胞[13]。BMP-2對胚胎干細胞等其他非心肌前體細胞分化為心肌細胞也有促進作用[14]。可見，BMP-2在心肌微環境中對干細胞的誘導分化起著十分重要的作用。

2.2轉化生長因子(transformgrowthfator-β,TGF-β)TGF-β和BMP-2都是轉化生長因子(TGF-β)超家族的成員。TGF-β具有調控細胞增殖、遷移、分化、凋亡，調節基質蛋白合成及胚胎早期發生發育的功能[15]。TGF-β家族分子在心肌形成和心內膜祖細胞的形成過程中，扮演重要角色，TGF-β基因缺陷的小鼠患有嚴重的先天性心血管疾病。TGF-β能夠促進梗死區血管的形成和側支循環的建立，從而起到改善局部微環境的作用[16]。

2.3成纖維細胞生長因子-2(fibroblastgrowthfactor,FGF-2)FGF-2是FGF家族的成員，因FGF-2的等電點(9.6)在溶液中處于堿性PH范圍內，故又稱為堿性成纖維細胞生長因子(basicfibroblastgrowthfactor,bFGF)。FGF-2是一種多功能細胞因子，在體內分布廣泛，生物學功能也相當繁多，具有促進細胞分化、血管生成、組織損傷修復、控制高血壓和動脈粥樣硬化等作用。梗死后的缺血缺氧環境可以刺激FGF-2從細胞內和細胞外基質中釋放出來，與靶細胞上特異性的FGF-2受體結合從而發揮生物學作用。研究表明，FGF-2可以誘導心肌梗死后新生血管形成和側支循環的開放，改善心肌血供，縮小心肌梗死面積，從而預防和減輕了心室重構[17]。FGF-2是強有效的心血管系統有絲分裂原，能夠促進血管內皮細胞和平滑肌細胞的增殖、遷移,是體內最為有效的血管生長因子之一。有研究顯示，移植轉染FGF-2的骨髓間充質干細胞(MSCs)時發現，FGF-2釋放增多，MSCs生存能力增強[18]。由于FGF-2對血管新生具有明顯的促進作用，所以可以用來改善局部微環境的血供和移植細胞的存活空間。此外，FGF-2還可與BMP-2協同促進中胚層的細胞向心肌細胞分化[19]。

2.4胰島素樣生長因子(insulin-likegrowthfactor-1,IGF-1)IGF-1是主要由肝細胞合成和分泌的生長激素依賴性堿性多肽。Linke等[20]向梗死的心肌內注射IGF-1后，梗死區血管密度增加，同時促進了CSCs向心肌細胞的分化，CSCs的存活率也顯著提高。研究證實，IGF-1對移植到心肌梗死區胚胎干細胞的增殖和分化均具有明顯的促進作用，同時抑制CSCs的衰老[21]。文獻[22-24]報道顯示，局部表達增高的IGF-1可以有效地誘導內皮細胞和心肌前體細胞的遷移、分化和增殖，促進CSCs和早期心肌細胞的存活能力，抑制其凋亡，有益于心肌的修復。

2.5細胞外基質中的其他因子血管內皮生長因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)是強有效的血管內皮生長刺激因子，可以促進內皮細胞的增殖、遷移及血管新生，通過改善局部血液循環，提高CSCs移植后的生存率，從而對心功能的改善發揮重要作用。心肌梗死后，微環境中的VEGF釋放增多，通過研究發現，心肌梗死患者外周血中的VEGF濃度變化與梗死區募集的骨髓來源的CSCs數目密切相關[25]。

2.5.1基質細胞衍生因子(stromalcell-derivedfactor,SDF-1)是一種干細胞趨化因子，通過與其趨化因子受體-4(CXCR-4)結合，使得CXCR-4二聚體形成，空間構象發生改變，進而激活多種信號通路，促進了CSCs的動員，并對CSCs的存活和進一步分化發揮著重要作用[26]。研究顯示，SDF-1主要在心肌梗死區和梗死周圍區表達升高。

2.5.2粒細胞集落刺激因子(granulocytecolony-stimulatingfactor,G-CSF)對CSCs的動員、增殖有重要影響，G-CSF可通過促進黏附分子的降解加速干細胞的動員。有研究顯示，將G-CSF作用于急性心肌梗死的小鼠，發現3d后外周血中c-kit+細胞增多大約250倍，梗死面積較對照組有所減小[27]。

2.5.3金屬基質蛋白酶9是可以誘導骨髓細胞釋放干細胞因子(stemcellfactor,SCF)。它可使c-kit+細胞進入增殖狀態，隨后這些增殖的c-kit+細胞進入外周血液循環，并歸巢至梗死區分化成功能性的心肌細胞。ICAM-1是一種黏附分子，早有研究表明，炎性反應與心肌缺血密切相關，心肌梗死發生時，患者外周血中的sICAM-1與白細胞變化水平呈正相關，應用ICAM-1單克隆抗體處理后發現缺血灌注區的白細胞數量和梗死面積均有所減少。肝細胞生長因子(hepatocytegrowthfactor,HGF)具有調節多種細胞生長發育、促進組織分化、抑制細胞凋亡等作用，并且參與了干細胞向心肌梗死區遷移的過程[28]。

3　展　　望

微環境是CSCs生存的直接接觸環境，其中含有大量的細胞因子和細胞外基質，這些生物活性成分與干細胞相互作用，從而影響CSCs的存活、增殖和分化。但是心肌梗死后的缺血缺氧環境十分不利于CSCs的生存和發育，因此，如何有效的改善和控制微環境狀態使其更有利于CSCs向梗死區動員并特異性的分化成有功能的心肌細胞，提高其存活率和分化效率，尚有待更加深入的研究和探討。CSCs從動員到分化成有功能的心肌細胞是一個非常復雜的過程，具體需要經歷哪些步驟和環節、CSCs的動員機制、微環境中那些對CSCs的分化具有特殊影響的因子其定向調控機制是怎樣的、遷移到梗死區的CSCs分化成的心肌能否與宿主心肌通過電偶聯機制形成功能上的合胞體達到生理上的再生修復，目前都還不太清楚。不過我們有理由相信，隨著研究的深入開展，CSCs作為一種新生力量，充滿了蓬勃的生命力和廣闊的前景，干細胞的明天一定會為患者帶來更多的福音和希望，從而對臨床治療產生更加深遠的影響和指導意義。

[1]RenMingliang,ZhangBo,WangZhengguo.Stemcellsforcardiacrepair:status,mechanisms,andnewstrategies[J].StemCellsInt, 2011,2011：4061-4068.

[2]BergmannO,BhardwajRD,BernardS, et al.Evidenceforcardiomyocyterenewalinhumans[J].Science, 2009, 324(5923): 98-102.

[3]HouJ,WangL,JiangJ, et al.Cardiacstemcellsandtheirrolesinmyocardialinfarction[J].StemCellRev, 2013, 9(3): 326-338.

[4]HosodaT.C-kit-positivecardiacstemcellsandmyocardialregeneration[J].AmJCardiovascDis, 2012, 2(1): 58-67.

[5]EllisonGM,VicinanzaC,SmithAJ, et al.Adultc-kit(pos)cardiacstemcellsarenecessaryandsufficientforfunctionalcardiacregenerationandrepair[J].Cell, 2013, 154 (4): 827-842.

[6]DawnB,SteinAB,UrbanekK, et al.Cardiacstemcellsdeliveredintravascu1ar1ytraversethevesselbarrier,regenerateinfarctedmyocardium,andimprovecardiacfunction[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2005, 102(10): 3766-3771.

[7]MatsuuraK,NagaiT.AdultcardiacSca-1-positivecellsdifferentiateintobeatingcardiomyocytes[J].JBiolChem, 2004, 279 (12): 11384-11391.

[8]LaugwitzKL,MorettiA,LamJ, et al.Postnatalisl1+cardioblastsenterfullydifferentiatedcardiomyocytelineages[J].Nature, 2005, 433 (7026): 647-653.

[9]HierlihyAM,SealeP,LobeCG, et al.Thepost-natalheartcontainsamyocardialstemcellpopulation[J].FEBSLett, 2002, 530(1-3): 239-243.

[10]ElisaM,LucianaDA,GiacomoF, et al.Isolationandexpansionofadultcardiacstemcellsfromhumanandmurineheart[J].CircRes, 2004,95: 911-921.

[11]BoomsmaRA,GeenenDL.Mesenchymalstemcellssecretemultiplecytokinesthatpromoteangiogenesisandhavecontrastingeffectsonchemotaxisandapoptosis[J].PLoSOne, 2012, 7(4):e35685.

[12]Teichert-KuliszewskaK,KutrykMJ,KuliszewskiMX, et al.Bonemorphogeneticproteinreceptor-2signalingpromotespulmonaryarterialendothelialcellsurvival:implicationsforloss-of-functionmutationsinthepathogenesisofpulmonaryhypertension[J].CircRes, 2006, 98(2): 209-217.

[13]WANGGX,HUL,HUHX，et al.InvivoosteogenicactivityofbonemarrowstromalstemcellstransfectedwithAd-GFP-hBMP-2[J].GenetMolRes, 2014, 13(2): 4456-4465.

[14]HondaH,TamaiN,NakaN, et al.Bonetissueengineeringwithbonemarrow-derivedstromalcellsintegratedwithconcentratedgrowthfactorinRattusnorvegicuscalvariadefectmodel[J].JArtifOrgans, 2013, 16(3): 305-315.

[15]ChablaisF,JazwinskaA.TheregenerativecapacityofthezebrafishheartisdependentonTGFβsignaling[J].Development, 2012, 139(11): 1921-1930.

[16]ZhaoL,HantashBM.TGF-β1regulatesdifferentiationofbonemarrowmesenchymalstemcells[J].VitamHorm, 2011, 87:127-141.

[17]WangY,LiuXC,ZhaoJ, et al.DegradablePLGAscafoldswithbasicfibroblastgrowthfactor:experimentalstudiesinmyocardialrevascularization[J].TexHeartInstJ, 2009, 36(2): 89-97.

[18]SongH,KwonK,LimS, et al.TransfectionofmesenchymalstemcellswiththeFGF-2geneimprovestheirsurvivalunderhypoxicconditions[J].MolCells, 2005, 19(3): 402-407.

[19]ChenG,DengC,LiYP.TGF-βandBMPsignalinginosteoblastdifferentiationandboneformation[J].IntJBiolSci, 2012, 8(2): 272-288.

[20]LinkeA，MullerP,NurzynskaD, et al.Stemcellsinthedogheartareself-renewing，clonogenic，andmultipotentandregenerateinfarctedmyocardium，improvingcardiacfunction[J].PNAS，2005,102(25): 8966-8971.

[21]TorellaD,RotaM,NurzynskaD, et al.Cardiacstemcellandmyocyteaging,heartfailure,andinsulin-likegrowthfactor-1overexpression[J].CircRes, 2004, 94(4): 514-524.

[22]GuoJ,ZhengD,LiWF, et al.Insulin-likegrowthfactor1treatmentofMSCsattenuatesinflammationandcardiacdysfunctionfollowingMI[J].Inflammation, 2014, 37(6): 2156-2163.

[23]JacksonR,TilokeeEL,LathamN, et al.Paracrineengineeringofhumancardiacstemcellswithinsulin-likegrowthfactor1enhancesmyocardialrepair[J].JAmHeartAssoc, 2015, 4(9):e002104.

[24]EngelsMC,RajarajanK,FeistritzerR, et al.Insulin-likegrowthfactorpromotescardiaclineageinductioninvitrobyselectiveexpansionofearlymesoderm[J].StemCells, 2014, 32(6): 1493-1502.

[25]MathisonM,GerschRP,NasserA, et al.Invivocardiaccellularreprogrammingefficacyisenhancedbyangiogenicpreconditioningoftheinfarctedmyocardiumwithvascularendothelialgrowthfactor[J].JAmHeartAssoc, 2012, 1(6):e005652.

[26]TakahashiM.RoleoftheSDF-1/CXCR4systeminmyocardialinfarction[J].CircJ, 2010, 74(3): 418-423.

[27]OrlicD,KajsturaJ,ChimentiS, et al.Bonemarrowstemcellsregenerateinfarctedmyocardium[J].PediatrTransplant, 2003, 7(Suppl3): 86-88.

[28]HaX,DongF,LvT.Modificationandactivityobservationofhepatocytegrowthfactorgeneonbonemarrowmesenchymalstemcells[J].ZhongguoXiuFuChongJianWaiKeZaZhi, 2010, 24(5): 613-617.

(2015-07-30收稿2015-09-25修回)

(責任編輯武建虎)

李小雪,碩士研究生,醫師。

1.250014濟南，武警山東總隊醫院病理科；2.116044，大連醫科大學病理學教研室

孫雷，E-mail:sunlei100@yahoo.com.cn

R542