干細(xì)胞與心臟再生的研究進(jìn)展

肖宜申

【摘 要】心血管疾病的治療一直是當(dāng)代醫(yī)學(xué)需要攻克的重要問題。絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物的心臟在出生后無法進(jìn)行細(xì)胞分裂，不可再生，心肌細(xì)胞受損往往帶來致命的后果。本文對(duì)干細(xì)胞在心臟再生領(lǐng)域的應(yīng)用潛能和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，著重講述了胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞的研究歷史和研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來的應(yīng)用進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】心血管疾病；心臟再生；胚胎干細(xì)胞；誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞；骨髓干細(xì)胞

【中圖分類號(hào)】R318 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1005-0019（2018）20--02

現(xiàn)今，心血管疾病已經(jīng)超過腫瘤疾病，成為威脅人類健康的頭號(hào)殺手，據(jù)報(bào)道，每年有超過七百萬人死于心力衰竭。人類的心肌細(xì)胞在出生后幾乎無法分裂，一旦受到損傷，難以進(jìn)行自我替換和修復(fù)，需要人為介入。在臨床研究中，實(shí)現(xiàn)心肌再生的重點(diǎn)候選者為干細(xì)胞。干細(xì)胞的共同特征為：擁有自我更新能力，分裂方式不對(duì)稱，分化過程不可逆轉(zhuǎn)。其中，胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞等以其無限增殖及超強(qiáng)的全能性進(jìn)入了人類的視野。

一、胚胎干細(xì)胞與心臟再生

早在2001年，研究者們已經(jīng)證實(shí)利用小鼠的胚胎干細(xì)胞可以成功誘導(dǎo)分化出小鼠的心肌細(xì)胞。由于胚胎干細(xì)胞擁有分化為各種細(xì)胞的潛能，因此使其定向分化為心肌細(xì)胞是利用胚胎干細(xì)胞進(jìn)行心肌再生的重中之重[1]。2005年，研究者實(shí)現(xiàn)了用聚羥基乙酸與胚胎干細(xì)胞相結(jié)合構(gòu)建心臟補(bǔ)片，治療心臟疾病。2007年，科學(xué)家將胚胎干細(xì)胞種植至支架上，“打印”出3D心肌細(xì)胞，且能夠?qū)崿F(xiàn)少量微血管功能。研究者還發(fā)現(xiàn)，石墨烯能夠促進(jìn)胚胎干細(xì)胞向心肌細(xì)胞的分化，分化過程可能與SHOX2轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)[2]。

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

二、誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞與心臟再生

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

患者的體細(xì)胞在體外經(jīng)過誘導(dǎo)后成為誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞，大量擴(kuò)增后，繼續(xù)借助不同的誘導(dǎo)因子和方法將其分化成為心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等心血管類細(xì)胞，可以完成受損心臟的組織修復(fù)，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(jīng)成功在多種動(dòng)物中進(jìn)行了心臟再生試驗(yàn)，并取得了不斷優(yōu)化的顯著效果[2]。誘導(dǎo)多功能干細(xì)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(xì)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(dǎo)多功能干細(xì)胞在體外提前進(jìn)行分化而非令其在體內(nèi)分化，經(jīng)過體外篩選后，選擇高純度的純化心肌細(xì)胞進(jìn)入患者體內(nèi)，降低成瘤等副作用[4]。另外，誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞分化后的心肌細(xì)胞更偏向于胚胎心肌細(xì)胞或新生兒心肌細(xì)胞，成熟度不夠，所以鈣處理能力、肌漿網(wǎng)功能和對(duì)腎上腺素能系統(tǒng)的反應(yīng)能力不夠完善，有可能會(huì)導(dǎo)致畸形或心律失常。降低致畸率、降低心律失常的風(fēng)險(xiǎn)是目前需要攻克的難關(guān)[5]。

三、骨髓干細(xì)胞與心臟再生

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞主要存在與骨髓組織中，是最早作為心肌細(xì)胞再生的原材料而被研究的細(xì)胞之一，在經(jīng)過特定條件的誘導(dǎo)后，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以分化為不同種類的中胚層細(xì)胞[6]，在上世紀(jì)即有研究表明其可以成功分化為心肌細(xì)胞[4]，誘導(dǎo)條件有：使用心肌細(xì)胞培養(yǎng)基上清液進(jìn)行培養(yǎng)；在體外加入10M的5-氮胞苷；增加細(xì)胞生長因子作用；模擬心肌細(xì)胞微環(huán)境等[1]。由于其具有很強(qiáng)的分化潛能，且獲得和培養(yǎng)難度較低，因此是一條治療心肌細(xì)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(zhì)干細(xì)胞具有免疫調(diào)節(jié)作用，能夠誘導(dǎo)免疫耐受，促進(jìn)移植細(xì)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(zhì)干細(xì)胞，分化后的心肌細(xì)胞在形態(tài)上是與受體本身相同的[7]。

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

運(yùn)動(dòng)能夠增強(qiáng)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(yùn)動(dòng)能夠動(dòng)員骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，并促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)心肌梗死的改善功能，提高生長相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)，促進(jìn)心肌再生。

四、展望

盡管在理論和實(shí)踐上已經(jīng)能夠利用干細(xì)胞再生出新的心肌組織，但是距離臨床應(yīng)用仍有漫長的路要走：首先，誘導(dǎo)和培養(yǎng)環(huán)境需要較為復(fù)雜的系統(tǒng)；其次，進(jìn)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。

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