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急性心肌梗死造成冠狀動脈閉塞、血流中斷,使部分心肌因嚴重而持久的缺血發(fā)生局部壞死,從而導(dǎo)致心臟功能嚴重受損,是心血管疾病死亡的主要原因。研究發(fā)現(xiàn),急性心肌梗死導(dǎo)致心臟梗死區(qū)大量心肌細胞壞死,最終由纖維組織替代。心肌組織中殘留少量具有擴增能力的心肌細胞,在一定程度上具有再生性代償能力。然而,此類細胞的代償如不采取有效的干預(yù)措施, 將無力扭轉(zhuǎn)心功能衰竭的進展趨勢。

當前的干預(yù)手段主要有藥物、介入和外科手術(shù)治療等,但都難獲得滿意的治療效果。無論什么方法均不能使心肌瘢痕組織重新變成有收縮功能的心肌組織。對于終末期的心功能不全患者,心臟移植是挽救他們生命的唯一辦法。由于有限的心臟來源和免疫抑制劑的嚴重不良反應(yīng),迫切需要建立其他有效的療法。干細胞移植技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的重要治療手段,受到人們的廣泛關(guān)注。

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間充質(zhì)干細胞連續(xù)傳代培養(yǎng)和冷凍保存后仍具有多向分化潛能,且免疫原性低,不易引起免疫排斥,不涉及倫理道德問題,因此作為心肌損傷后干細胞移植治療的熱門種子細胞,間充質(zhì)干細胞成為治療缺血性心臟病的研究熱點.

骨髓間充質(zhì)干細胞 為非造血干細胞,在骨髓中含量極低,為0.001%-0.01%。研究發(fā)現(xiàn),骨髓間 充質(zhì)干細胞與造血干細胞不同,其不表達典型造血干細胞的表面標志CD34和CD45,能特征性地表達CD29、CD44、CD71、CD90、CD105、CD106、CD120a、CD124等。在體外經(jīng)純化、擴增、誘導(dǎo)后可表現(xiàn)心肌樣細胞的生物學(xué)特性,可為間充質(zhì)干細胞臨床移植治療提供可靠細胞來源,且因其強大的增殖能力,骨髓間充質(zhì)干細胞在心肌修復(fù)中具有很明顯的潛在優(yōu)勢。研究表明,心肌梗死后移植的干細胞不僅分化出了心肌細胞,而且局部移植的骨髓干細胞能夠產(chǎn)生包括有心肌細胞和冠脈血管的新生心肌。應(yīng)用骨髓間充質(zhì)干細胞可明顯減少心肌梗死面積,并可通過改變壞死心肌的局部微環(huán)境而上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子的表達。因此,利用骨髓間充質(zhì)干細胞作為種子細胞取代受損的心肌細胞具有很好的應(yīng)用前景。此外,骨髓間充質(zhì)干細胞移植后還具有自動歸巢到梗死區(qū)的特性,可能與趨化蛋白基質(zhì)細胞衍生因子1(SDF-1)及其受體CXCR4作用有關(guān)。

圖1 人骨髓間充質(zhì)干細胞誘導(dǎo) 4 周后 ANP 和 CX43 免疫組化結(jié)果(DAB，×400)

臍血間充質(zhì)干細胞 介于成體干細胞、胚胎干細胞之間,顯得更為原始,具有亞全能分化潛能, 能分化為心臟、肝、腎等重要器官組織細胞。2000年, Erices等報道臍血中有很豐富的造血干細胞和間充質(zhì)干細胞,提取出的干細胞也被多位研究者們證實具有良好的心肌修復(fù)功能。Lee等發(fā)現(xiàn)從臍血中提取的間充質(zhì)干細胞可分化為中胚層細胞,推測心肌作為中胚層組織亦可由其分化得到。另外有研究發(fā)現(xiàn)向兔心肌梗死模型中聯(lián)合移植臍血間充質(zhì)干細胞和臍血CD34 ,可明顯降低膠原蛋白沉積,并提高心肌功能。并由于全球人類出生率高,因一些臍血也能夠通過臍血庫很好的收集與保存,臍血間充質(zhì)干細胞已被越來越多的研究者們重視,但因需在孕期采臍血,臍血間充質(zhì)干細胞的提取仍存在爭議。

臍帶間充質(zhì)干細胞 臍帶組織,包括其動脈、靜脈、華氏膠組織(Wharton’s jelly)、臍帶內(nèi)膜等,是間充質(zhì)干細胞的可靠來源。臍帶間充質(zhì)干細胞具有獲得過程無需有創(chuàng)操作, 可分化為3個胚層細胞、易在組織受損或炎癥反應(yīng)部位聚集、可促進組織修復(fù)并調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)等明顯優(yōu)勢。來源于Wharton’s jelly的間充質(zhì)干細胞因其對心肌組織具有特異性趨化以及可分泌血管生成因子誘導(dǎo)心肌干細胞募集而受到關(guān)注。Wharton’s jelly間充質(zhì)干細胞從胚胎外胚層組織中提取,已被證實具有人胚胎干細胞和成體干細胞的特性,因而可作為干細胞移植的來源,另外,它還被證實具有阻隔免疫排斥、腫瘤發(fā)生、畸胎瘤形成等作用。經(jīng)冠狀動脈注射Wharton’s jelly間充質(zhì)干細胞,可明顯提高左室射血分數(shù),減少心肌梗死相關(guān)事件的發(fā)生,因而是替代骨髓間充質(zhì)干細胞的最佳選擇。

間充質(zhì)干細胞的安全性和有效性

經(jīng)研究證實，間充質(zhì)干細胞體外擴增的過程是安全的,且癌變的概率很小。有趣的是，Khan等于2011年的實驗中發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細胞的供體年齡會影響移植后的療效。實驗中, Khan等分別從2月齡和18月齡大鼠中提取出間充質(zhì)干細胞移植入18月齡心肌梗死模型大鼠體內(nèi)。移植后觀察大鼠體內(nèi)衰老主導(dǎo)基因p16的表達,發(fā)現(xiàn)來自年老大鼠的間充質(zhì)干細胞表達更加活躍,并由此推斷間充質(zhì)干細胞的活躍程度并不隨年齡的增長而降低。除此之外,胰島素樣生長因子1、纖維母細胞生長因子、血管內(nèi)皮生長因子、肝細胞生長因子較年輕大鼠減少,而各項心功能指標也有所不及。這項研究結(jié)果表明了間充質(zhì)干細胞移植需要年輕的供體,而臨床上治療年老者心肌梗死時自體間充質(zhì)干細胞移植可能并不適用。

作用機制 

間充質(zhì)干細胞分化成心肌細胞

通過實驗發(fā)現(xiàn), 小鼠間充質(zhì)干細胞在體外能誘導(dǎo)分化出自發(fā)跳動、具有心肌細胞形態(tài)和電機械特征的細胞。研究進一步證明了骨髓間充質(zhì)干細胞可以在體內(nèi)心臟局部微環(huán)境中誘導(dǎo)分化生成心肌細胞。胰島素樣生長因子1、干細胞生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2等細胞因子通過與其受體結(jié)合,激活PI3-K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,從而介導(dǎo)干細胞在移植微環(huán)境中的存活。

旁分泌  

以往研究者認為干細胞移植改善肌細胞的作用是由干細胞分化替代原損傷的心肌細胞或者血管生成來完成,但越來越多的研究證明干細胞可通過旁分泌來促進心肌細胞的自身修復(fù)。

有國外科研人員于2009年嘗試使用分化功能被抑制的間充質(zhì)干細胞進行移植實驗,發(fā)現(xiàn)其也能改善實驗動物的心臟功能,且其改善程度與分化功能未被抑制的間充質(zhì)干細胞無統(tǒng)計學(xué)差異。同年做了有關(guān)間充質(zhì)干細胞移植治療鼠心肌梗死的動物實驗,證明了生長因子等對間充質(zhì)干細胞移植療效的積極作用。這一結(jié)果證實細胞因子對心肌修復(fù)的作用大于心肌再生。隨后的研究中,研究者通過基因重組技術(shù)培養(yǎng)出高表達肝細胞生長因子和血管內(nèi)皮生長因子的間充質(zhì)干細胞,不管是體外研究還是體內(nèi)研究,均明顯增加了間充質(zhì)干細胞的增殖。移植了高表達肝細胞生長因子和血管內(nèi)皮生長因子的間充質(zhì)干細胞的動物心肌梗死面積更小,梗死區(qū)周圍血管密度更高,左室功能更好。

除此以外,大量的實驗也已證實干細胞分泌的其他生長因子(如血小板源性生長因子、上皮生長因子等)能夠促進心肌修復(fù),分泌的白細胞介素6、白細胞介素10、腫瘤壞死因子α等細胞因子能夠調(diào)節(jié)免疫炎癥反應(yīng),可激活細胞內(nèi)包括STAT3、PI3K-Akt、ERK1/2等在內(nèi)的信號通路,促進細胞增殖],分泌膠原蛋白I、Ⅲ等改善心臟收縮功能。

介導(dǎo)免疫反應(yīng)

間充質(zhì)干細胞具有強大的免疫調(diào)節(jié)作用,將成為心肌梗死后平衡炎癥反應(yīng)和達到心肌修復(fù)的重要手段，經(jīng)研究證實間充質(zhì)干細胞對損傷心肌的保護作用是巨噬細胞介導(dǎo)的。

間充質(zhì)干細胞對T細胞的調(diào)節(jié)

心肌梗死發(fā)生后,T細胞識別特異性抗原內(nèi)源性心肌肌球蛋白和輔肌動蛋白, 導(dǎo)致輔助T細胞(Th細胞)和細胞毒T細胞(Tc細胞)對心肌產(chǎn)生持續(xù)性損害。

間充質(zhì)干細胞與T細胞共培養(yǎng)下有2條主要通路抑制T細胞增殖:間充質(zhì)干細胞上調(diào)色氨酸的代謝酶IDO使色氨酸代謝產(chǎn)物犬尿氨酸堆積,抑制T細胞增殖；環(huán)氧合酶2的表達使PGE2釋放增加也產(chǎn)生對T細胞增殖抑制的作用。

間充質(zhì)干細胞對B細胞的調(diào)節(jié)

間充質(zhì)干細胞有抑制NK細胞增殖的能力,同時也能降低其細胞毒性和減少促炎因子的釋放。NK細胞是通過IDO途徑和PGE2途徑迅速降低其增殖能力,且這兩條途徑還可能存在協(xié)同 作用。間充質(zhì)干細胞也可通過下調(diào)NK細胞活化受體NKp30、NKp44和NKG2D,從而減少NK細胞的活化,使其細胞毒性降低和促炎因子釋放減少。

間充質(zhì)干細胞對樹突細胞的調(diào)節(jié)

樹突細胞是體內(nèi)最重要的抗原遞呈細胞,心肌梗死后遞呈壞死心肌組織, 從而激活免疫應(yīng)答。間充質(zhì)干細胞可以通過阻斷樹突細胞的成熟,導(dǎo)致樹突細胞表面抗原表達和共刺激分子 CD40、CD80和CD86的表達下調(diào),從而抑制T細胞的激活。

此外,有研究表明,間充質(zhì)干細胞能夠促進損傷血管的再內(nèi)皮化,減輕新生內(nèi)膜的增殖,有助于減輕損傷血管的再狹窄。

間充質(zhì)干細胞治療缺血性心臟病的作用機制

間充質(zhì)干細胞移植的優(yōu)勢

研究發(fā)現(xiàn)，等通過隨機雙盲對照試驗證明經(jīng)靜脈移植同種異體人間充質(zhì)干細胞治療心肌梗死不僅是安全的并且是有效的，將間充質(zhì)干細胞與骨骼肌成肌細胞和平滑肌細胞進行了體外和體內(nèi)試驗的對比,發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細胞在體外實驗中凋亡率最高,但是移植入體內(nèi)后其存活能力并非處于絕對弱勢,且在體內(nèi)表現(xiàn)出了非常活躍的血管內(nèi)皮生長因子和干細胞因子分泌能力。移植后4周,間充質(zhì)干細胞組新生血管密度和心功能改善方面表現(xiàn)較平滑肌細胞好,與骨骼肌成肌細胞組無差異。

聯(lián)合治療

已有不少研究顯示間充質(zhì)干細胞聯(lián)合生物工程支架移植治療比單純的干細胞移植治療更加有效。國外學(xué)者于2009年行心肌鉆孔結(jié)合肝素化堿性成纖維細胞生長因子緩釋支架植入合并干細胞移植,觀察骨髓間充質(zhì)干細胞移植修復(fù)豬急性心肌梗死的療效。這項研究說明了手術(shù)聯(lián)合干細胞治療能夠顯著提升干細胞治療心肌梗死的療效。

Afanasev等發(fā)現(xiàn)射頻消融術(shù)能夠破壞梗死心肌已纖維化的結(jié)構(gòu),聯(lián)合間充質(zhì)干細胞移植治療使單核細胞浸潤心肌,促進肉芽組織和新生血管的形成,從而促進心肌組織梗死后的再生。

間充質(zhì)干細胞移植治療心肌梗死給臨床帶來了全新的方法,但仍存在許多需要去認識、解決的問題, 如在細胞質(zhì)量、細胞劑量、移植方法、移植時機和患者選擇等各個方面仍未得到確切的答案,故局限了其在臨床上的應(yīng)用。隨著實驗技術(shù)、研究方法和相關(guān)理論知識的完善,相信間充質(zhì)干細胞移植必將為心肌梗死患者的治療帶來希望。

參考出處：

《臨床與病理雜志》 , 2005 , 25 (4) :287-290。骨髓間充質(zhì)干細胞治療心肌梗死

《中國動脈硬化雜志》 , 2006 , 14 (7) :585-589，骨髓間充質(zhì)干細胞治療心肌梗死后心功能衰竭的遠期療效。

《中華實驗外科雜志》 , 2015 , 32 (8)。臍帶間充質(zhì)干細胞治療心肌梗死的旁分泌作用研究