心肌干細胞治療心衰：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，心肌干細胞的存在從不斷的質疑聲中走出來。各方面的實驗結果否認了長期以來人們的一致認為：出生后人心肌細胞的增殖和分化就會停止，由于發生凋亡和壞死，心肌細胞會不斷的減少。心力衰竭發生主要原因是心肌發生大面積梗死或高血壓導致的外周阻力升高，當原有的心肌收縮力不足以維持全身的血液供應時，心肌細胞就只能通過代償性的肥大來補償所需收縮效應，若代償作用不足彌補所需，病情就會進一步發展為失代償，導致心力衰竭。由于成體心肌中具有分裂分化能力的心肌干細胞的存在，通過增加心肌數量來發揮心肌代償作用成為可能，這一發現為心力衰竭的治療提供新的方向，但同時也面臨新的挑戰。關鍵詞：心肌干細胞，CSC，心力衰竭，心肌干細胞移植 從上世紀七十年代開始，人們普遍認為心臟是一個不可更新的器官。心肌細胞的數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。這一觀點從上世紀七十年代開始一直成為人們的主流觀點，并指導人們進行基礎和臨床研究。然而最近的研究否定了這一觀點。心肌中存在一種心肌干細胞(cardiac stem cells, CSCs)，它具有分裂和分化能力，能補充丟失的心肌細胞，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胞，我們就可以將它導入發生心力衰竭的心臟，從而加強心臟收縮力，逆轉心肌重構。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胞心肌中可能存在一種心肌干細胞，并且這種干細胞能分化為心臟中包括心肌細胞在內的各類細胞。Federico等1的臨床實驗證實：當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胞。這一結果表明，有一部分受者的細胞進入了移植的心臟心肌內，并且成功分化成了心肌細胞，這部分具有分化成心肌細胞能力的受者細胞可能就是心肌干細胞，它可能經過循環系統進入了移植心臟中。盡管如此，對于心肌干細胞的切確來源，目前仍然沒有定論。甚至有研究反對這一觀點：Arben等2的研究指出：這一現象的出現并不是由循環系統的細胞進入移植心臟并分化為心肌細胞而出現的，而是由于收受者細胞與移植心臟的心肌細胞發生融合而出現的假象。不過最新的實驗研究結果3支持骨髓源性細胞是心肌干細胞的最終來源。心肌干細胞存在于特定的微龕中，正常生理情況下，一部分細胞脫離微龕，進行遷移、生長和分化，從而補充因凋亡、衰老和死亡而減少的細胞，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，心肌干細胞的分化過程將被擾亂，從而使心肌數目發生功能上的不足并最終導致心肌肥大以至心力衰竭。在此之前，心肌干細胞的激活有一定的緩沖能力，從而使壞死組織得到修復，心功能得到加強4。2. 心肌細胞更新的特點心肌干細胞是一種多能干細胞，它可以分化為心肌細胞、平滑肌細胞和血管內皮細胞5等。在分化過程中，要經歷干細胞、祖細胞、前體細胞和周期擴增細胞四個不同的階段。在分化的不同階段，它們會選擇性的表達表面標志分子，不同的分化細胞類型有不同的標志分子，并有不同的分化方向，據此可以將干細胞進行分類，但目前人們對這些標志物本質和功能的理解還不是很清楚。人體在正常生理條件下，由于心肌干細胞的存在，心肌細胞時時刻刻都在進行著自我更新。根據計算6得知，人體心肌細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，全部心肌細胞要經歷18次的更新。這個觀點與以前的心肌細胞是終生細胞，永不更新的觀點截然相反。由此可見，正常人體的心肌細胞數目始終處在一個丟失與再生的動態平衡中，如果這個平衡被打破，即心肌細胞的再生不足以補充因死亡或凋亡而喪失的細胞，心肌細胞的總數目就會進行性的減少。當這種情況出現的時候，心臟為了維持正常的收縮力和心功能，代償機制就會促使剩余的心肌細胞發生肥大，從而導致了心肌重構。在人體中，細胞的分裂受到端粒酶的影響。隨著細胞分裂的進行，人體細胞中端粒酶的活性逐漸降低，染色體端粒的長度也相應的縮短。當端粒縮短到一定長度以下時，細胞的分裂就無法繼續進行下去，也就是達到了Hayflick界限。人體的心肌干細胞并不具有完全的端粒酶活性，在其復制的過程中，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心肌干細胞分化，出現心肌細胞的大量再生現象，另一方面由于端粒酶的活性會隨之下降，或者端粒結合蛋白的改變引起端粒的改變7,8，心肌細胞的再生能力將會削弱。從一定意義上說，心肌梗死導致了心肌細胞的大量增生，這種增生消耗了心肌細胞再生的儲備能力。隨著心肌細胞再生能力的減弱，衰老的細胞，低收縮力的細胞以及肥大細胞比例不斷上升，并最終導致了心力衰竭。3. 心肌干細胞的修復作用 心肌細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)能有效的促進心肌細胞數目的增多。這可能是通過兩條途徑實現的，第一條是直接作用于心肌干細胞上生長激素受體；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胞。這兩條途徑使心肌干細胞提高分化速度，從而使新生心肌細胞的數目在實驗中得到顯著的提高。另有實驗證實10，在一定的培養條件下，皮下脂肪組織源性干細胞,即ADSC(adipose- derived stem cells)可以自發地轉化為心肌細胞。在這個轉化過程中，血管內皮生長因子(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胞會大量增生的現象也得到了實驗數據的支持6。以心肌梗死致死病人的未壞死心室肌為研究對象，計算分裂指數為500/106，據此，每天約有2.20x108個新的心肌細胞產生，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，分裂指數下降到140/106，但每天依然能產生3.4x107個細胞，也是生理再生速度的11倍既然心肌具有自我修復的能力，那么在心肌梗死后，能否由心肌細胞的再生來修復壞死區域呢？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）在壞死區域內由于缺血缺氧，心肌細胞和心肌干細胞一起死亡。這一點已經得到證實4，11；（二）由于心肌干細胞以及分化出的各種細胞遷移能力弱，無法補充壞死區域的心肌細胞缺損，從而導致無法修復；（三），心肌梗死后常常發生壞死區域炎癥細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胞因子作用，新生心肌細胞的定植和生存受到考驗。這些現象可能都會導致新生的心肌細胞無法定居到壞死區域，從而使得心肌干細胞的修復活動不能順利進行。關于最后兩點也有相關的實驗表明：在心肌梗死發生后，壞死區域缺少新生細胞的修復，但在未壞死區域和壞死區域邊緣，新生的心肌細胞卻大量增加4。這說明并不是壞死不能激活心肌細胞的分化增生，但由于壞死區域的特殊性質導致壞死區域不能順利地進行修復。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。由此可以得出結論：壞死的心臟雖然能進行快速的自我修復，但是，這種修復僅僅發生在未壞死區域，并在長期內不足以補充丟失的心肌細胞。這種現象促使殘余心肌細胞肥大，依靠功能的增強來維持心臟的泵血功能。但通過移植心肌干細胞到心肌梗死區域來補充減少的細胞數量，也許能成為未來心力衰竭的一種全新治療方法。4. 心肌干細胞的治療作用目前，人們已經進行了一系列的臨床實驗來探索心肌干細胞的治療作用。雖然有臨床實驗證實，當心肌干細胞導入壞死心肌后，心臟的功能的確有所改善，但是這并不能成為心肌干細胞分化成為心肌細胞的有力證據。有實驗證實12，將干細胞導入心肌梗死的心臟能有效的改善心室的結構和提高心室的功能，但這可能是導入的干細胞能釋放某些激活心臟的細胞因子，它們刺激了血管的生成，細胞外基質的重構以及提高殘余心肌的收縮力來達到加強心臟功能的目的。另外也有實驗證實13，在運用胚胎干細胞導入心肌中來進行心肌梗死的治療時，胚胎干細胞并不能定向分化為心肌細胞，而是分化成了畸胎瘤。這說明心肌梗死可能并沒有產生心肌干細胞的分化信號。不過，由于胚胎干細胞并不等同于心肌干細胞，這個實驗并不能完全證明沒有產生分化信號。但是，它也提出一個問題，要運用心肌干細胞來治療心肌梗死，必須要產生足夠強度的分化誘導信號。另一個研究發現14：將胚胎干細胞分化出的Flk1+細胞導入小鼠心臟中，成功的分化成了心肌細胞，這些細胞不僅具有成熟心肌細胞的標志分子，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，這些細胞還能產生與成體心室細胞相似的動作電位。而對照組的Flk1-細胞卻不能產生這些結果。這個研究提示：Flk1是心肌干細胞的標志分子，只有Flk1+干細胞才具有分化成為心肌細胞的潛能。還有一些試驗為如何控制心肌干細胞分化提供了思路：Mark S研究發現15：當AKT信號通路激活時，心肌干細胞的分化會顯著激活，這表明AKT通路可能是心肌干細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)也能影響心肌干細胞的分化。當心肌干細胞暴露于極低頻磁場中時,細胞表面的標志物會發生改變,細胞代謝活動加強,細胞的分裂速度上升；還有Scobioala一項研究發現17巢蛋白(nestin)在梗死心肌與非梗死心肌的邊緣區有大量的表達，而這一區域同時有各種類型的分化細胞，包括心肌細胞、內皮細胞、平滑肌細胞等。由于巢蛋白是祖細胞分化的標志物，因此，梗死心肌邊緣巢蛋白的大量表達意味著這一區域存在大量的心肌干細胞分化活動。5. 心肌干細胞用于治療的缺點在現有的治療過程中，一般用導入外源性心肌干細胞的方法來進行。但是，由于外源心肌干細胞與受者的組織相容性抗原(HLA)不同，必然會引起相應的免疫應答13，從而導致免疫排斥。這就對心肌干細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胞,似乎并不容易。目前，心肌干細胞大約有四種來源18：第一種是自體骨骼肌母細胞；第二種是自體骨髓細胞，第三種是自體固有心肌祖細胞；第四種是同源的胚胎干細胞來源的心肌干細胞。這些來源的心肌干細胞都或多或少的有缺陷。制約了心肌干細胞用于治療的進程。即使我們獲得了合適的心肌干細胞，我們把它導入心肌的壞死區域，但是我們如何建立有效的激活信號仍然是一個難題。雖然研究發現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的認識，還未認識到完整的信號通路。最后，我們假設導入的干細胞在心肌梗死的區域能成功的分化為心肌細胞，但它依然難以成為有收縮力的心肌細胞，原因如下：干細胞在壞死區域新生的心肌細胞即使的形態上與未壞死的心肌細胞無異，但是，這些細胞無法與未壞死的心肌細胞有效的通過閏盤連為一體。因此，從竇房結傳來的興奮并不能成功地刺激新生心肌細胞收縮，可能導致心律不齊19。6. 結論心肌干細胞是一種存在于心臟中的具有多分化潛能的干細胞。生理條件下，它的功能是補充凋亡和壞死的心肌細胞，維持心肌細胞丟失與再生的平衡；病理條件下，它能大量增生分化，緩解心肌的功能性損害。心臟干細胞在病理條件下大量分化因受到hayflick界限的影響，隨著病理過程的進行其分化能力會降低。目前，心肌干細胞能否成功移植，移植的心肌干細胞是否可以分化為有功能的心肌細胞還存在很大的爭論。運用心肌干細胞在臨床上治療心力衰竭的理論和技術都還不夠成熟。因此，要想讓心肌干細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1 Chimerism of the Transplanted Heart.Federico Quaini, M.D., Konrad Urbanek, M.D., Antonio P. 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