心肌组织工程研究进展

何玉兰 孙 尧

(河北联合大学附属医院老年科 河北唐山 063000)

心血管疾病(CVD)是当今社会的主要健康问题和死亡的主要原因。由于成熟心肌细胞(Cardiomyocytes，CMs)属于终末分化期永久性细胞，不具有再生能力[1]，其对有丝分裂信号作出的反应是细胞肥大[2]而不是再生。由于心肌损伤后无法通过自身的增殖、分化进行修复，坏死的心肌则由纤维疤痕组织取代[3，4]。幸存心肌细胞的有限增殖能力使受损的心肌发生重构现象，并最终导致心力衰竭等病态后遗症[5]。传统的治疗方法虽然能在一定程度上改善症状，但并不能彻底地治愈。心肌组织工程的发展，为解决这一难题开辟了一个新领域。心肌组织工程研究主要涉及种子细胞、支架材料、体外构建方式以及心肌再血管化等方面。

1 种子细胞

种子细胞一直是组织工程研究的核心问题之一，理想的种子细胞应该具有易获得、易体外培养增殖、长期传代不改变生物学特征、抗原性小、组织修复能力强等特性[6]。

胎幼心肌细胞:胎幼心肌细胞研究最早最广泛，被认为是目前干细胞研究领域的一个重要方面。Soonpa等[7]最早将小鼠胚胎心肌细胞移植至正常小鼠心脏中，发现移植细胞成功存活分化，并与宿主细胞形成闰盘连接。Muller等[8]在大鼠心梗模型中进一步证实移植可减少梗死区的反常运动，改善心功能。但是对人类而言，胎幼心肌细胞移植存在供体细胞来源及社会伦理道德争论，而且异体移植排斥反应使移植物难以长期存活;心脏自体细胞:Quaini等[9]证实人的心肌细胞存在增殖活动，尤其在病理条件下心肌细胞增殖与再生加速。虽然心脏自体细胞具有移植心肌细胞与自体心肌细胞形成同步收缩的潜能，但此方法所获得的心肌细胞肌丝排列紊乱，而且心肌细胞的再生机制尚不明确、心肌细胞的来源缺乏，这些因素都亟待解决;RA2nmol/L、DMSO6mL/L和FCS200mL/L的浓度和组成为最佳诱导条件，可将80%的小鼠ESCs诱导分化为心肌细胞，并存活达57d之久;诱导多能干细胞:2006年，Takahashi等[10]首次发现外源导入特定的转录因子能够使已分化的细胞重编程回归到胚胎细胞状态，他们通过慢病毒载体介导将 Oct4、Sox2、c－Myc和Klf44种转录因子导入小鼠皮肤成纤维细胞，获得了具有强大的自我更新能力和分化潜能的多能性干细胞，命名为“诱导性多潜能干细胞”(Induced pluripotent stem cells，iPS细胞)。与经典的胚胎干细胞技术不同，iPS细胞技术避开了长久以来一直困扰所有干细胞研究者的伦理、宗教、法律等问题，同时利用iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专有的干细胞，所以不会有免疫排斥的问题，为某些疾病(脊髓损伤、神经退行性变、心肌梗死、青少年糖尿病等)的治疗带来了新的方法与希望[11];骨髓间充质干细胞:骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)由于具有多向诱导分化能力;来源于自体，无免疫源性;取材损伤小，仅行骨髓穿刺就可获得;来源充足，可反复取材;扩张能力强;培养要求低等特点而成为心肌组织工程中前景广阔的细胞来源。

1999年Makino等[12]首次报道MSCs体外成功地向CMs诱导分化，这是一个具有里程碑意义的研究。吕铁伟等诱导BMSCs分化成心肌细胞，可观察到BMSCs向心肌细胞形态的改变明显[13]，免疫组化显示血清肌钙蛋白T(cTnT)表达阳性率高。杨国勋等[14]将兔MSCs注入心肌梗死区，发现含有肌小节纤维的幼稚细胞，部分细胞与周围正常的心肌细胞形成缝隙连接。日本的研究人员把同种异体的MSCs植入大鼠心肌梗死区发现，在梗死区和非梗死区交界处心肌的纤维化明显减少，左心室舒张内径增大，左心室射血分数明显改善[15]。研究人员将BMSCs移植到大鼠左冠状动脉下支结扎造成心肌缺血模型后发现，在瘢痕区有大量的新生血管出现，8周时观察到左心室血流增加，移植2个月后移植区的心肌细胞凋亡明显较对照组少，心功能有明显改善[16]。

2 支架材料

支架材料作为种子细胞黏附、增殖和分化并最终引导组织再生的人工基质，在大多数组织工程策略中扮演着一个关键角色。理想的组织工程支架应具有以下特点:①良好的生物相容性，在体内不引起炎性反应和毒性反应。②可吸收性，能彻底被自身组织取代。③可塑性，可制备为任意的三维结构，植入后在体内仍可保持特定形状。④表面化学特性和表面微结构利于细胞的黏附和生长。⑤降解速率可根据不同细胞的组织再生速率进行调整。组织工程应用的支架材料可分为3类:①可降解的合成材料。主要有聚乙醇酸(PolyglycolicAcid，PGA)，聚乳酸(Polylactic Acid PLA)，PLA和 PGA(Poly－Lactic－Glycolic Acid，PLGA)共聚物等;②天然材料。包括大分子生物材料(如胶原蛋白、弹性蛋白硫酸软骨素等)和脱细胞纤维组织结构(如脱细胞血管基质、脱细胞心包基质等);③合成材料和天然材料的复合物。将两者按照一定的方法组合可构建成复合基质，发挥各自的优势。

目前，心肌组织工程的支架材料主要包括人工合成聚合物[如聚己内酰胺(PCL)、聚乙醇酸(PLA)、聚乳酸(PGA)及其共聚物]或天然生物材料(如藻酸盐、胶原或明胶)。

天然材料主要有胶原、氨基葡聚糖、硫酸软骨素、纤维蛋白凝胶等。在天然材料中，胶原因具有良好的生物相容性、可降解性和可塑性，被广泛用作组织工程化人体组织再造的支架材料。合成材料较多，但是聚乳酸和聚乙醇酸支架降解后引起局部pH值降低，使周围组织发生损伤，故目前的研究趋势倾向于合成新的材料或者用生物活性分子对现有的材料进行化学修饰的方法获得对人体无害的仿生材料。

3 体外构建方式

体外构建由种子细胞和支架材料所组成的复合体是心肌组织工程的核心。目前，心肌组织工程的体外构建主要包括以下几种方式:①直接在人工或天然材料上种植。②在可溶解的基质材料中培养。③叠加单层细胞，形成心肌样组织。

4 组织工程心肌的再血管化

组织工程化组织或者器官移植体内后的存活需要血管提供氧气及营养物质，并带走代谢产物，因此移植物有效形成血管是组织工程化组织或者器官成活的关键。

为了提高体内移植生存率，工程组织必须具备促进血运再生的能力。由于血管内皮细胞是形成血管网络的主要功能细胞，因此通过在心肌细胞和支架复合体中复合血管内皮细胞的方式促进再造心肌的血管化是目前研究的热点。Narmoneval于2004年在缩氨酸水凝胶中把心肌细胞接种于预形成的内皮细胞网中，发现内皮细胞可以显著抑制心肌细胞的凋亡和坏死，促进心肌细胞的存活和三维构建物的形成。

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