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停止，由于發(fā)生凋亡和壞死，心肌細(xì)胞會不斷的減少。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，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)為心臟是一個不可更新的器官。心肌細(xì)胞的數(shù)量在出生后就不會再增多，只會隨著損傷、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，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)胞四個不同的階段。在分化的不同階段，它們會選擇性的表達(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)胞時時刻刻都在進(jìn)行著自我更新。根據(jù)計算6得知，人體心肌細(xì)胞全部更新一遍的時間約為4.5年，假如人的壽命以80年來計算，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)目始終處在一個丟失與再生的動態(tài)平衡中，如果這個平衡被打破，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)目就會進(jìn)行性的減少。當(dāng)這種情況出現(xiàn)的時候，心臟為了維持正常的收縮力和心功能，代償機(jī)制就會促使剩余的心肌細(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，染色體端粒的長度也相應(yīng)的縮短。當(dāng)端?？s短到一定長度以下時，細(xì)胞的分裂就無法繼續(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也在不斷的壞死和凋亡。最新的研究證明9：生長激素(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。在這個轉(zhuǎn)化過程中，血管內(nèi)皮生長因子(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象，計算分裂指數(shù)為500/106，據(jù)此，每天約有2.20x108個新的心肌細(xì)胞產(chǎn)生，這個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，但我們可以推測有三個可能因素：（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，無法補(bǔ)充壞死區(qū)域的心肌細(xì)胞缺損，從而導(dǎo)致無法修復(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)象可能都會導(dǎo)致新生的心肌細(xì)胞無法定居到壞死區(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，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。不過，由于胚胎干細(xì)胞并不等同于心肌干細(xì)胞，這個實(shí)驗(yàn)并不能完全證明沒有產(chǎn)生分化信號。但是，它也提出一個問題，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。另一個研究發(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)胞相似的動作電位。而對照組的Flk1-細(xì)胞卻不能產(chǎn)生這些結(jié)果。這個研究提示：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信號通路激活時，心肌干細(xì)胞的分化會顯著激活，這表明AKT通路可能是心肌干細(xì)胞分化的一條信號通路；Roberto G研究表明16,一些物理因素如極低頻磁場(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中時,細(xì)胞表面的標(biāo)志物會發(fā)生改變,細(xì)胞代謝活動加強(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。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，必然會引起相應(yīng)的免疫應(yīng)答13，從而導(dǎo)致免疫排斥。這就對心肌干細(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募せ钚盘柸匀皇且粋€難題。雖然研究發(fā)現(xiàn)了許多的信號分子和影響因素，但我們對這些信號通路似乎缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識，還未認(rèn)識到完整的信號通路。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)胞無異，但是，這些細(xì)胞無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. Beltrami, M.D., Nicoletta Finato, M.D., Carlo A. Beltrami, M.D., Bernardo Nadal-Ginard, M.D., Ph.D., Jan Kajstura, Ph.D., Annarosa Leri, M.D., and Piero Anversa, M.D.The New England Journal of Medcine. Volume 346:5-15,January 3, 2002.2 Hybrid cardiomyocytes derived by cell fusion in heterotopic cardiac xenografts Arben Dedja,Tania Zaglia,Luigi DallOlmo,Tatiana Chioato,Gaetano Thiene, Luca Fabris,Ermanno Ancona,Stefano Schiaffino,Simonetta Ausoni, Emanuele Cozzi. The FASEB Journal. 2006;20:2534-2536.3 Cardiac stem cells can be generated in damaged heart from bone marrow-derived cells.Lucio Barile, Francesco Cerisoli, Roberto Gaetani, Elvira Forte, Sergio Ottolenghi, Maria C. Magli, E. Messina. Journal of Molecular and Cellular Cardiology 42 (2007) S88S101.4 Stem cells in the dog heart are self-renewing, clonogenic, and multipotent and regenerate infarcted myocardium, improving cardiac function.Axel Linke,Patrick Mller,Daria Nurzynska,Claudia Casarsa,Daniele Torella,Angelo Nascimbene,Clotilde Castaldo,Stefano Cascapera,Michael Bhm,Federico Quaini,Konrad Urbanek,Annarosa Leri,Thomas H. Hintze,Jan Kajstura,Piero Anversa. PNAS,June 21, 2005,vol. 102,8966-8971.5 Adult Cardiac Stem Cells Are Multipotent and Support Myocardial Regeneration. Antonio P. Beltrami, Laura Barlucchi, Daniele Torella, Mathue Baker, Federica Limana, Stefano Chimenti, Hideko Kasahara, Marcello Rota, Ezio Musso, Konrad Urbanek, Annarosa Leri1, Jan Kajstura, Bernardo Nadal-Ginard,Piero Anversa.Cell, Volume 114, Issue 6, 19 September 2003, Pages 763-776.6 Life and Death of Cardiac Stem Cells A Paradigm Shift in Cardiac Biology. Piero Anversa, Jan Kajstura, Annarosa Leri, Roberto Bolli. Circulation. 2006;113:1451-1463.7 Myocardial regeneration by activation of multipotent cardiac stem cells in ischemic heart failure.Konrad Urbanek,Daniele Torella,Farooq Sheikh,Antonella De Angelis,Daria Nurzynska,Furio Silvestri,C. Alberto Beltrami,Rossana Bussani,Antonio P. Beltrami,Federico Quaini,Roberto Bolli,Annarosa Leri,Jan Kajstura,Piero Anversa. PNAS,June 14, 2005,vol. 102, 8692-8697.8 Senescence and Death of Primitive Cells and Myocytes Lead to Premature Cardiac Aging and Heart Failure. Cristina Chimenti, Jan Kajstura, Daniele Torella, Konrad Urbanek, Hubert Heleniak, Claudia Colussi, Franca Di Meglio, Bernardo Nadal-Ginard, Andrea Frustaci, Annarosa Leri, Attilio Maseri, Piero Anversa. Circulation Research. 2003;93:604.9 Growth hormone increases the proliferation of existing cardiac myocytesand the total number of cardiac myocytes in the rat heart.Annemarie Brel,Tue E.H. Christoffersen,Jens R. Nyengaard. Cardiovascular Research 76 (2007) 40040810 VEGF is critical for spontaneous differentiation of stem cells into cardiomyocytes.Yao-Hua Song, Sebastian Gehmert, Sanga Sadat, Kai Pinkernell, Xiaowen Bai,Nadine Matthias, Eckhard Alt. Biochemical and Biophysical Research Communications 354 (2007) 9991003.11 Cardiac Stem Cells and Mechanisms of Myocardial Regeneration.Annarosa Leri, Jan Kajstura,Piero Anversa. Physiol. Rev. 85: 1373-1416, 2005.12 Cellular Cardiomyoplasty: Improvement of Left Ventricular Function Correlates with the Release of Cardioactive Cytokines. Henning Ebelta, Mirco Jungblutb, Ying Zhanga, Thomas Kubinc, Sawa Kostinc, Antje Technaub, Svetlana Oustaninab, Sylvia Niebrgged, Jrgen Lehmannd, Karl Werdana, Thomas Braunb. Stem Cells Vol. 25 No. 1 January 2007, pp. 236 -244.13 Transplantation of undifferentiated murine embryonic stem cells in the heart: teratoma formation and immune response.Jeannette Nussbaum,Elina Minami,Michael A. Laflamme,Jitka A. I. Virag, Carol B. Ware,Amanda Masino,Veronica Muskheli,Lil Pabon,Hans Reinecke,and Charles E. Murry. The FASEB Journal. 2007;21:1345-1357.14 Flk1+ cardiac stem/progenitor cells derived from embryonic stem cells improve cardiac function in a dilated cardiomyopathy mouse model.Shiro Babaa,Toshio Heikea, Momoko Yoshimotoa, Katsutsugu Umedaa, Hiraku Doia,Toru Iwasaa, Xue Linb, Satoshi Matsuokac, Masashi Komedab, Tatsutoshi Nakahataa. Cardiovascular Research 76 (2007) 119131.15 “AKT”ing Lessons for Ste