干細胞與心臟再生的研究進展

肖宜申

【摘 要】心血管疾病的治療一直是當代醫學需要攻克的重要問題。絕大多數哺乳動物的心臟在出生后無法進行細胞分裂，不可再生，心肌細胞受損往往帶來致命的后果。本文對干細胞在心臟再生領域的應用潛能和研究進展進行綜述，著重講述了胚胎干細胞、誘導多功能干細胞和骨髓干細胞的研究歷史和研究現狀，并對未來的應用進行展望。

【關鍵詞】心血管疾病；心臟再生；胚胎干細胞；誘導多功能干細胞；骨髓干細胞

【中圖分類號】R318 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-0019（2018）20--02

現今，心血管疾病已經超過腫瘤疾病，成為威脅人類健康的頭號殺手，據報道，每年有超過七百萬人死于心力衰竭。人類的心肌細胞在出生后幾乎無法分裂，一旦受到損傷，難以進行自我替換和修復，需要人為介入。在臨床研究中，實現心肌再生的重點候選者為干細胞。干細胞的共同特征為：擁有自我更新能力，分裂方式不對稱，分化過程不可逆轉。其中，胚胎干細胞和誘導多功能干細胞等以其無限增殖及超強的全能性進入了人類的視野。

一、胚胎干細胞與心臟再生

早在2001年，研究者們已經證實利用小鼠的胚胎干細胞可以成功誘導分化出小鼠的心肌細胞。由于胚胎干細胞擁有分化為各種細胞的潛能，因此使其定向分化為心肌細胞是利用胚胎干細胞進行心肌再生的重中之重[1]。2005年，研究者實現了用聚羥基乙酸與胚胎干細胞相結合構建心臟補片，治療心臟疾病。2007年，科學家將胚胎干細胞種植至支架上，“打印”出3D心肌細胞，且能夠實現少量微血管功能。研究者還發現，石墨烯能夠促進胚胎干細胞向心肌細胞的分化，分化過程可能與SHOX2轉錄因子相關[2]。

對于人來說，取得人胚胎干細胞需要破壞人類的早期胚胎，有違反倫理道德的風險，因此利用胚胎干細胞進行心肌再生受到了一定的限制，并且胚胎干細胞與患者的基因不同會具有產生免疫排斥的風險。雖然利用胚胎干細胞進行心肌再生的問題頗多，但對其的進一步研究也有助于加深人們對組織工程心肌領域的了解以及探索人類心臟發育的過程，最終應用干細胞來治療心臟疾病。

二、誘導多功能干細胞與心臟再生

與胚胎干細胞相比，誘導多功能干細胞可以取自患者自身，可以避免倫理問題，減少排斥反應。在高中生物中，我們都學過，每個細胞都具有個體全部的遺傳信息，那么是否有方法讓分化后的終端細胞變成有分化能力的干細胞呢？科學家們進行了不懈的研究。終于，在2006年，日本科學家高橋雅代和山中伸彌找到了將小鼠成纖維細胞進行重編程成為類胚胎干細胞的“密碼”，即使用逆轉錄病毒搭載四種轉錄因子進行誘導，使用這種方式獲得的類胚胎干細胞與胚胎干細胞具有相似的全能性和后期的發育功能，被科學家命名為誘導多功能干細胞。次年，山中伸彌等又獲得了人源的誘導多功能干細胞，山中伸彌也因為他對干細胞的貢獻獲得了2012年的諾貝爾生理或醫學獎。隨著科技的發展，誘導多功能干細胞的獲取方法不斷地進步，重編程效率不斷提高。現在已經能夠使用較為容易獲取的皮膚成纖維細胞、血液或尿液中分離出的細胞進行重編程，成為誘導多功能干細胞[3]。

患者的體細胞在體外經過誘導后成為誘導多功能干細胞，大量擴增后，繼續借助不同的誘導因子和方法將其分化成為心肌細胞、平滑肌細胞、內皮細胞等心血管類細胞，可以完成受損心臟的組織修復，降低心臟的纖維化，治療心肌梗死，改善心臟的功能。此方法已經成功在多種動物中進行了心臟再生試驗，并取得了不斷優化的顯著效果[2]。誘導多功能干細胞在治療心臟疾病的過程中，最大的缺陷在于具有無限增殖能力的干細胞容易在心臟中形成腫瘤。解決該問題的方法之一為令誘導多功能干細胞在體外提前進行分化而非令其在體內分化，經過體外篩選后，選擇高純度的純化心肌細胞進入患者體內，降低成瘤等副作用[4]。另外，誘導多功能干細胞分化后的心肌細胞更偏向于胚胎心肌細胞或新生兒心肌細胞，成熟度不夠，所以鈣處理能力、肌漿網功能和對腎上腺素能系統的反應能力不夠完善，有可能會導致畸形或心律失常。降低致畸率、降低心律失常的風險是目前需要攻克的難關[5]。

三、骨髓干細胞與心臟再生

骨髓間充質干細胞主要存在與骨髓組織中，是最早作為心肌細胞再生的原材料而被研究的細胞之一，在經過特定條件的誘導后，骨髓間充質干細胞可以分化為不同種類的中胚層細胞[6]，在上世紀即有研究表明其可以成功分化為心肌細胞[4]，誘導條件有：使用心肌細胞培養基上清液進行培養；在體外加入10M的5-氮胞苷；增加細胞生長因子作用；模擬心肌細胞微環境等[1]。由于其具有很強的分化潛能，且獲得和培養難度較低，因此是一條治療心肌細胞壞死的有效途徑，因而成為治療心力衰竭等心臟疾病的潛在治療手段[2]。骨髓間充質干細胞具有免疫調節作用，能夠誘導免疫耐受，促進移植細胞的存活，使得同種異體之間無需使用免疫抑制藥物的移植成為可能。甚至，在異種之間（如人和鼠）移植骨髓間充質干細胞，分化后的心肌細胞在形態上是與受體本身相同的[7]。

2013年，研究者將骨髓間充質干細胞在體外種植至膠原支架上，培養出心肌組織補片，成功逆轉了大鼠的心肌梗死。該細胞的旁分泌功能使得細胞之間相互促進生長及傷口愈合。研究表明，在心梗的治療中，骨髓間充質干細胞能夠提高患者的心臟功能，然而，機制尚不明朗，需要進一步探索。骨髓間充質干細胞移植后在體內存活率較低，原因或許為梗死區域缺乏足夠的血液供應營養，ROS的產生也會造成二次損傷[5]，需要進行多次移植，該問題亟待解決，需要改善心臟微環境。

運動能夠增強心臟的收縮能力，減少梗死面積，提高心臟功能。研究表明，有氧運動能夠動員骨髓間充質干細胞，并促進骨髓間充質干細胞對心肌梗死的改善功能，提高生長相關細胞因子的表達，促進心肌再生。

四、展望

盡管在理論和實踐上已經能夠利用干細胞再生出新的心肌組織，但是距離臨床應用仍有漫長的路要走：首先，誘導和培養環境需要較為復雜的系統；其次，進入人體后需克服免疫排斥性；最后，新生組織是否真的能夠大概率治愈衰竭心臟仍有待研究。未來投入使用后，有望治愈大量心血管疾病患者，解決供體短缺等問題。

參考文獻

陳光濤，章嵐，任文君.干細胞誘導心肌細胞增殖與運動促進心肌細胞再生的研究進展[J].中國組織工程研究，2015，19（36）5872-5877.

李森，葉曉峰，龔文輝，趙強.不同類型干細胞在心肌組織工程中的應用及進展[J].臨床與病理雜志，2015，35（3）490-494.

胡士軍，虞游，方星，等.誘導多能干細胞與心臟再生[J].上海大學學報（自然科學版），2016，22（3）285-292.

龔惠，陳志丹，鄒云增.干細胞與心肌再生[J].上海大學學報（自然科學版），2016，22（3）280-284.

劉磊，曾彬.心臟再生的干細胞研究進展[J].中華心血管病雜志，2018，46（7）577-580.

段宇，涂應鋒.干細胞對心肌細胞再生影響的研究進展[J].醫學研究雜志，2018，47（4）4-6.

安琳，魏蘭，楊曉容.利用干細胞進行心血管修復和再生的潛力與挑戰[J].重慶醫學，2017，46（7）985-991.