心肌干細(xì)胞治療心衰：新方向、新征途.doc

心肌干細(xì)胞治療心衰：新方向、新征途04口腔 楊靜文 張偉生 餘婧婷 徐赫 楊雪摘要：隨著研究的不斷推進(jìn)，心肌干細(xì)胞的存在從不斷的質(zhì)疑聲中走出來。各方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果否認(rèn)了長(zhǎng)期以來人們的一致認(rèn)為：出生后人心肌細(xì)胞的增殖和分化就會(huì)停止，由于發(fā)生凋亡和壞死，心肌細(xì)胞會(huì)不斷的減少。心力衰竭發(fā)生主要原因是心肌發(fā)生大面積梗死或高血壓導(dǎo)致的外周阻力升高，當(dāng)原有的心肌收縮力不足以維持全身的血液供應(yīng)時(shí)，心肌細(xì)胞就只能通過代償性的肥大來補(bǔ)償所需收縮效應(yīng)，若代償作用不足彌補(bǔ)所需，病情就會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為失代償，導(dǎo)致心力衰竭。由于成體心肌中具有分裂分化能力的心肌干細(xì)胞的存在，通過增加心肌數(shù)量來發(fā)揮心肌代償作用成為可能，這一發(fā)現(xiàn)為心力衰竭的治療提供新的方向，但同時(shí)也面臨新的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：心肌干細(xì)胞，CSC，心力衰竭，心肌干細(xì)胞移植 從上世紀(jì)七十年代開始，人們普遍認(rèn)為心臟是一個(gè)不可更新的器官。心肌細(xì)胞的數(shù)量在出生后就不會(huì)再增多，只會(huì)隨著損傷、衰老和死亡而不斷地減少。這一觀點(diǎn)從上世紀(jì)七十年代開始一直成為人們的主流觀點(diǎn)，并指導(dǎo)人們進(jìn)行基礎(chǔ)和臨床研究。然而最近的研究否定了這一觀點(diǎn)。心肌中存在一種心肌干細(xì)胞(cardiac stem cells, CSCs)，它具有分裂和分化能力，能補(bǔ)充丟失的心肌細(xì)胞，從而使心肌保持一定的再生能力。由此我們可以想象，只要我們分離出了這種心肌干細(xì)胞，我們就可以將它導(dǎo)入發(fā)生心力衰竭的心臟，從而加強(qiáng)心臟收縮力，逆轉(zhuǎn)心肌重構(gòu)。這可能是未來治療心力衰竭的一種全新但卻十分有效的方法。1. 成體心臟中存在心肌干細(xì)胞心肌中可能存在一種心肌干細(xì)胞，并且這種干細(xì)胞能分化為心臟中包括心肌細(xì)胞在內(nèi)的各類細(xì)胞。Federico等1的臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)將女性的心臟移植到男性身上時(shí)，在移植的心臟中可以找到帶有Y染色體的受者的心肌細(xì)胞。這一結(jié)果表明，有一部分受者的細(xì)胞進(jìn)入了移植的心臟心肌內(nèi)，并且成功分化成了心肌細(xì)胞，這部分具有分化成心肌細(xì)胞能力的受者細(xì)胞可能就是心肌干細(xì)胞，它可能經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入了移植心臟中。盡管如此，對(duì)于心肌干細(xì)胞的切確來源，目前仍然沒有定論。甚至有研究反對(duì)這一觀點(diǎn)：Arben等2的研究指出：這一現(xiàn)象的出現(xiàn)并不是由循環(huán)系統(tǒng)的細(xì)胞進(jìn)入移植心臟并分化為心肌細(xì)胞而出現(xiàn)的，而是由于收受者細(xì)胞與移植心臟的心肌細(xì)胞發(fā)生融合而出現(xiàn)的假象。不過最新的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果3支持骨髓源性細(xì)胞是心肌干細(xì)胞的最終來源。心肌干細(xì)胞存在于特定的微龕中，正常生理情況下，一部分細(xì)胞脫離微龕，進(jìn)行遷移、生長(zhǎng)和分化，從而補(bǔ)充因凋亡、衰老和死亡而減少的細(xì)胞，從而維持心臟功能的完整性。但是，在心肌梗死等病理情況下，心肌干細(xì)胞的分化過程將被擾亂，從而使心肌數(shù)目發(fā)生功能上的不足并最終導(dǎo)致心肌肥大以至心力衰竭。在此之前，心肌干細(xì)胞的激活有一定的緩沖能力，從而使壞死組織得到修復(fù)，心功能得到加強(qiáng)4。2. 心肌細(xì)胞更新的特點(diǎn)心肌干細(xì)胞是一種多能干細(xì)胞，它可以分化為心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞5等。在分化過程中，要經(jīng)歷干細(xì)胞、祖細(xì)胞、前體細(xì)胞和周期擴(kuò)增細(xì)胞四個(gè)不同的階段。在分化的不同階段，它們會(huì)選擇性的表達(dá)表面標(biāo)志分子，不同的分化細(xì)胞類型有不同的標(biāo)志分子，并有不同的分化方向，據(jù)此可以將干細(xì)胞進(jìn)行分類，但目前人們對(duì)這些標(biāo)志物本質(zhì)和功能的理解還不是很清楚。人體在正常生理?xiàng)l件下，由于心肌干細(xì)胞的存在，心肌細(xì)胞時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著自我更新。根據(jù)計(jì)算6得知，人體心肌細(xì)胞全部更新一遍的時(shí)間約為4.5年，假如人的壽命以80年來計(jì)算，那么在人的一生中，全部心肌細(xì)胞要經(jīng)歷18次的更新。這個(gè)觀點(diǎn)與以前的心肌細(xì)胞是終生細(xì)胞，永不更新的觀點(diǎn)截然相反。由此可見，正常人體的心肌細(xì)胞數(shù)目始終處在一個(gè)丟失與再生的動(dòng)態(tài)平衡中，如果這個(gè)平衡被打破，即心肌細(xì)胞的再生不足以補(bǔ)充因死亡或凋亡而喪失的細(xì)胞，心肌細(xì)胞的總數(shù)目就會(huì)進(jìn)行性的減少。當(dāng)這種情況出現(xiàn)的時(shí)候，心臟為了維持正常的收縮力和心功能，代償機(jī)制就會(huì)促使剩余的心肌細(xì)胞發(fā)生肥大，從而導(dǎo)致了心肌重構(gòu)。在人體中，細(xì)胞的分裂受到端粒酶的影響。隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行，人體細(xì)胞中端粒酶的活性逐漸降低，染色體端粒的長(zhǎng)度也相應(yīng)的縮短。當(dāng)端?？s短到一定長(zhǎng)度以下時(shí)，細(xì)胞的分裂就無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行下去，也就是達(dá)到了Hayflick界限。人體的心肌干細(xì)胞并不具有完全的端粒酶活性，在其復(fù)制的過程中，端粒酶的活性也會(huì)不斷的降低。于是，心肌梗死一方面可以誘導(dǎo)心肌干細(xì)胞分化，出現(xiàn)心肌細(xì)胞的大量再生現(xiàn)象，另一方面由于端粒酶的活性會(huì)隨之下降，或者端粒結(jié)合蛋白的改變引起端粒的改變7,8，心肌細(xì)胞的再生能力將會(huì)削弱。從一定意義上說，心肌梗死導(dǎo)致了心肌細(xì)胞的大量增生，這種增生消耗了心肌細(xì)胞再生的儲(chǔ)備能力。隨著心肌細(xì)胞再生能力的減弱，衰老的細(xì)胞，低收縮力的細(xì)胞以及肥大細(xì)胞比例不斷上升，并最終導(dǎo)致了心力衰竭。3. 心肌干細(xì)胞的修復(fù)作用 心肌細(xì)胞也不斷再生的同時(shí)也在不斷的壞死和凋亡。最新的研究證明9：生長(zhǎng)激素(GH)能有效的促進(jìn)心肌細(xì)胞數(shù)目的增多。這可能是通過兩條途徑實(shí)現(xiàn)的，第一條是直接作用于心肌干細(xì)胞上生長(zhǎng)激素受體；第二條途徑可能是通過提高IGF-I的血漿水平，從而間接的作用于心肌干細(xì)胞。這兩條途徑使心肌干細(xì)胞提高分化速度，從而使新生心肌細(xì)胞的數(shù)目在實(shí)驗(yàn)中得到顯著的提高。另有實(shí)驗(yàn)證實(shí)10，在一定的培養(yǎng)條件下，皮下脂肪組織源性干細(xì)胞,即ADSC(adipose- derived stem cells)可以自發(fā)地轉(zhuǎn)化為心肌細(xì)胞。在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)起著非常重要的作用。急慢性心力衰竭中未損傷組織的心肌細(xì)胞會(huì)大量增生的現(xiàn)象也得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持6。以心肌梗死致死病人的未壞死心室肌為研究對(duì)象，計(jì)算分裂指數(shù)為500/106，據(jù)此，每天約有2.20x108個(gè)新的心肌細(xì)胞產(chǎn)生，這個(gè)再生速度是生理再生速度的70倍，雖然在心肌梗死的終末階段，分裂指數(shù)下降到140/106，但每天依然能產(chǎn)生3.4x107個(gè)細(xì)胞，也是生理再生速度的11倍既然心肌具有自我修復(fù)的能力，那么在心肌梗死后，能否由心肌細(xì)胞的再生來修復(fù)壞死區(qū)域呢？到目前為止還沒有可行的途徑，雖然其具體的原因還沒有完全揭示，但我們可以推測(cè)有三個(gè)可能因素：（一）在壞死區(qū)域內(nèi)由于缺血缺氧，心肌細(xì)胞和心肌干細(xì)胞一起死亡。這一點(diǎn)已經(jīng)得到證實(shí)4，11；（二）由于心肌干細(xì)胞以及分化出的各種細(xì)胞遷移能力弱，無(wú)法補(bǔ)充壞死區(qū)域的心肌細(xì)胞缺損，從而導(dǎo)致無(wú)法修復(fù)；（三），心肌梗死后常常發(fā)生壞死區(qū)域炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)以及隨后的纖維化和瘢痕形成，加上該過程中的各種細(xì)胞因子作用，新生心肌細(xì)胞的定植和生存受到考驗(yàn)。這些現(xiàn)象可能都會(huì)導(dǎo)致新生的心肌細(xì)胞無(wú)法定居到壞死區(qū)域，從而使得心肌干細(xì)胞的修復(fù)活動(dòng)不能順利進(jìn)行。關(guān)于最后兩點(diǎn)也有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明：在心肌梗死發(fā)生后，壞死區(qū)域缺少新生細(xì)胞的修復(fù)，但在未壞死區(qū)域和壞死區(qū)域邊緣，新生的心肌細(xì)胞卻大量增加4。這說明并不是壞死不能激活心肌細(xì)胞的分化增生，但由于壞死區(qū)域的特殊性質(zhì)導(dǎo)致壞死區(qū)域不能順利地進(jìn)行修復(fù)。綜合考慮，在心肌梗死中，初期的心肌再生速度略快于丟失速度，但長(zhǎng)期來看，再生速度將不及丟失速度。由此可以得出結(jié)論：壞死的心臟雖然能進(jìn)行快速的自我修復(fù)，但是，這種修復(fù)僅僅發(fā)生在未壞死區(qū)域，并在長(zhǎng)期內(nèi)不足以補(bǔ)充丟失的心肌細(xì)胞。這種現(xiàn)象促使殘余心肌細(xì)胞肥大，依靠功能的增強(qiáng)來維持心臟的泵血功能。但通過移植心肌干細(xì)胞到心肌梗死區(qū)域來補(bǔ)充減少的細(xì)胞數(shù)量，也許能成為未來心力衰竭的一種全新治療方法。4. 心肌干細(xì)胞的治療作用目前，人們已經(jīng)進(jìn)行了一系列的臨床實(shí)驗(yàn)來探索心肌干細(xì)胞的治療作用。雖然有臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)心肌干細(xì)胞導(dǎo)入壞死心肌后，心臟的功能的確有所改善，但是這并不能成為心肌干細(xì)胞分化成為心肌細(xì)胞的有力證據(jù)。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)12，將干細(xì)胞導(dǎo)入心肌梗死的心臟能有效的改善心室的結(jié)構(gòu)和提高心室的功能，但這可能是導(dǎo)入的干細(xì)胞能釋放某些激活心臟的細(xì)胞因子，它們刺激了血管的生成，細(xì)胞外基質(zhì)的重構(gòu)以及提高殘余心肌的收縮力來達(dá)到加強(qiáng)心臟功能的目的。另外也有實(shí)驗(yàn)證實(shí)13，在運(yùn)用胚胎干細(xì)胞導(dǎo)入心肌中來進(jìn)行心肌梗死的治療時(shí)，胚胎干細(xì)胞并不能定向分化為心肌細(xì)胞，而是分化成了畸胎瘤。這說明心肌梗死可能并沒有產(chǎn)生心肌干細(xì)胞的分化信號(hào)。不過，由于胚胎干細(xì)胞并不等同于心肌干細(xì)胞，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并不能完全證明沒有產(chǎn)生分化信號(hào)。但是，它也提出一個(gè)問題，要運(yùn)用心肌干細(xì)胞來治療心肌梗死，必須要產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的分化誘導(dǎo)信號(hào)。另一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)14：將胚胎干細(xì)胞分化出的Flk1+細(xì)胞導(dǎo)入小鼠心臟中，成功的分化成了心肌細(xì)胞，這些細(xì)胞不僅具有成熟心肌細(xì)胞的標(biāo)志分子，而且具有縫隙連接和收縮能力，能提高小鼠心臟的功能。更重要的是，這些細(xì)胞還能產(chǎn)生與成體心室細(xì)胞相似的動(dòng)作電位。而對(duì)照組的Flk1-細(xì)胞卻不能產(chǎn)生這些結(jié)果。這個(gè)研究提示：Flk1是心肌干細(xì)胞的標(biāo)志分子，只有Flk1+干細(xì)胞才具有分化成為心肌細(xì)胞的潛能。還有一些試驗(yàn)為如何控制心肌干細(xì)胞分化提供了思路：Mark S研究發(fā)現(xiàn)15：當(dāng)AKT信號(hào)通路激活時(shí)，心肌干細(xì)胞的分化會(huì)顯著激活，這表明AKT通路可能是心肌干細(xì)胞分化的一條信號(hào)通路；Roberto G研究表明16,一些物理因素如極低頻磁場(chǎng)(ELF-MF)也能影響心肌干細(xì)胞的分化。當(dāng)心肌干細(xì)胞暴露于極低頻磁場(chǎng)中時(shí),細(xì)胞表面的標(biāo)志物會(huì)發(fā)生改變,細(xì)胞代謝活動(dòng)加強(qiáng),細(xì)胞的分裂速度上升；還有Scobioala一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)17巢蛋白(nestin)在梗死心肌與非梗死心肌的邊緣區(qū)有大量的表達(dá)，而這一區(qū)域同時(shí)有各種類型的分化細(xì)胞，包括心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等。由于巢蛋白是祖細(xì)胞分化的標(biāo)志物，因此，梗死心肌邊緣巢蛋白的大量表達(dá)意味著這一區(qū)域存在大量的心肌干細(xì)胞分化活動(dòng)。5. 心肌干細(xì)胞用于治療的缺點(diǎn)在現(xiàn)有的治療過程中，一般用導(dǎo)入外源性心肌干細(xì)胞的方法來進(jìn)行。但是，由于外源心肌干細(xì)胞與受者的組織相容性抗原(HLA)不同，必然會(huì)引起相應(yīng)的免疫應(yīng)答13，從而導(dǎo)致免疫排斥。這就對(duì)心肌干細(xì)胞的來源提出了要求，但是，要找到HLA相同或相近的心肌干細(xì)胞,似乎并不容易。目前，心肌干細(xì)胞大約有四種來源18：第一種是自體骨骼肌母細(xì)胞；第二種是自體骨髓細(xì)胞，第三種是自體固有心肌祖細(xì)胞；第四種是同源的胚胎干細(xì)胞來源的心肌干細(xì)胞。這些來源的心肌干細(xì)胞都或多或少的有缺陷。制約了心肌干細(xì)胞用于治療的進(jìn)程。即使我們獲得了合適的心肌干細(xì)胞，我們把它導(dǎo)入心肌的壞死區(qū)域，但是我們?nèi)绾谓⒂行У募せ钚盘?hào)仍然是一個(gè)難題。雖然研究發(fā)現(xiàn)了許多的信號(hào)分子和影響因素，但我們對(duì)這些信號(hào)通路似乎缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，還未認(rèn)識(shí)到完整的信號(hào)通路。最后，我們假設(shè)導(dǎo)入的干細(xì)胞在心肌梗死的區(qū)域能成功的分化為心肌細(xì)胞，但它依然難以成為有收縮力的心肌細(xì)胞，原因如下：干細(xì)胞在壞死區(qū)域新生的心肌細(xì)胞即使的形態(tài)上與未壞死的心肌細(xì)胞無(wú)異，但是，這些細(xì)胞無(wú)法與未壞死的心肌細(xì)胞有效的通過閏盤連為一體。因此，從竇房結(jié)傳來的興奮并不能成功地刺激新生心肌細(xì)胞收縮，可能導(dǎo)致心律不齊19。6. 結(jié)論心肌干細(xì)胞是一種存在于心臟中的具有多分化潛能的干細(xì)胞。生理?xiàng)l件下，它的功能是補(bǔ)充凋亡和壞死的心肌細(xì)胞，維持心肌細(xì)胞丟失與再生的平衡；病理?xiàng)l件下，它能大量增生分化，緩解心肌的功能性損害。心臟干細(xì)胞在病理?xiàng)l件下大量分化因受到hayflick界限的影響，隨著病理過程的進(jìn)行其分化能力會(huì)降低。目前，心肌干細(xì)胞能否成功移植，移植的心肌干細(xì)胞是否可以分化為有功能的心肌細(xì)胞還存在很大的爭(zhēng)論。運(yùn)用心肌干細(xì)胞在臨床上治療心力衰竭的理論和技術(shù)都還不夠成熟。因此，要想讓心肌干細(xì)胞在未來成為一種有效的治療手段，研究者們還有很長(zhǎng)的路要走。 參考文獻(xiàn)1 Chimerism of the Transplanted Heart.Federico Quaini, M.D., Konrad Urbanek, M.D., Antonio P. 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