Sca-1+心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病研究进展与面临挑战

马玉龙 李树仁

综 述

Sca-1+心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病研究进展与面临挑战

马玉龙 李树仁

Sca-1+心脏干细胞；干细胞；心肌梗死；缺血性心脏病

1 引言

传统观点认为，心脏属于有丝分裂后期的器官，无再生和自我修复能力，在负荷量增大或疾病代偿时，通过细胞肥大来适应。因此，心脏受损后心肌组织被瘢痕组织替代从而导致心脏收缩功能障碍，引起心功能不全。但Kajstura等[1]发现，在终末期心衰患者的心脏中存在表达心肌细胞标志的细胞，该细胞正在分裂增殖，心脏属于终末器官的理论受到了极大的挑战。心肌细胞的更新速度不断加快，并且男性与女性不尽相同。女性在20岁、60岁和100岁时，心脏每年更新约10%、14%和40%，而男性心脏每年更新约7%、12%和32%[2]。

根据细胞表面标志物特性，心脏干（祖）细胞分为以下几类：SP细胞（side population cells）、C-kit+细胞、Sca-1+细胞、ISL-1（islet1）阳性祖细胞、阶段特异性胚胎抗原1（stage-specific embryonic antigen-1，SSEA-1）阳性细胞、心肌球来源的细胞及其衍生细胞[3，4]。Sca-1+心脏干细胞作为众所周知的诸多心脏干细胞的一种，各项研究均证实成体鼠心脏内的Sca-1+心脏干细胞具有增殖能力，并且可以分化为多种心肌系细胞[5,6]。敲除小鼠Sca-1基因可造成其心脏修复功能障碍，对C-kit+心脏干细胞增殖存活能力产生不利影响[7]。

2 Sca-1+心脏干细胞的生物学特性

Sca-1+心脏干细胞具有异质性，且显示间充质干细胞的轮廓、特性，在体内、体外甚至损伤后以其有限的能力分化为心肌细胞。在其他器官中，Sca-1主要在中胚层来源的细胞中表达，它不局限于干（祖）细胞群。在单细胞水平，Lin-Sca-1+细胞与成纤维细胞在某种程度上重叠。心肌组织中，Sca-1+细胞可能是数量最多的心肌祖细胞。有文献报道小鼠心脏中C-kit细胞仅占0.1%～0.5%，而Sca-1细胞可占10%[8]，因此它们容易从心肌组织中分离。Sca-1+心肌祖细胞可在早期、中期、晚期迅速传代扩增，接种后1～3天可持续生长，7天到达高峰[9]。

Zhou等[10]发现，小鼠心肌肥厚时Sca-1的表达水平显著提高，其通过抑制Src激酶介导的MAPKs和Akt/Foxo3a信号通路从而减轻压力负荷诱导的心肌肥厚。Rosenblatt-Velin等[11]也报道了Sca-1基因缺失可加剧压力负荷诱导的心肌肥厚与心功能障碍，原因可能是Sca-1基因缺失导致心脏干（祖）细胞池耗竭，致使其对抗心肌损伤的能力减弱。Sca-1+细胞的植入明显改善梗死后左室重塑对心肌结构、功能的不利影响，提高心肌再生和修复的能力。敲除小鼠Sca-1基因后表现出压力超负荷后老年性心脏肥大、纤维化和功能障碍。但Sca-1在心脏祖细胞分化中的机制还不清楚，可能是由于这些细胞亚群增殖、分化的反向效应。非心脏性的沃顿胶间充质干细胞可以刺激Sca-1+心脏祖细胞增殖[12]。在正常或者受损的心脏中未检测到Sca-1的表达，但Sca-1+细胞的衍生物似乎引起心肌细胞的分化。从心肌细胞分离的Sca-1细胞较少，但是在心脏衰老过程中［8个月时（0.17±0.06）细胞/mm2］和心肌梗死后［8个月时（0.24±0.04）细胞/mm2］不断地更新[13]。Rosenblatt-Velin等[11]研究证实，心脏发育过程中在心源性与内皮细胞系之间有共同的前体，这些前体细胞表达Nkx2.5。成体心脏中是否存在Sca-1+前体池，其是否可产生心肌细胞和内皮细胞还有待证实。此外，仍需要大量实验深入研究Sca-1缺失与血管缺陷之间的联系。

3 Sca-1+心脏干细胞治疗缺血性心力衰竭的研究进展

3.1 现状 缺血性心力衰竭（ischemic heart failure）是由于心肌缺血（坏死）或者冠心病所致的心力衰竭。此类疾病的主要治疗方法有临床用药、介入手术和冠状动脉旁路术等。虽然介入治疗可以显著提高急性心肌梗死患者的生存率，但是心肌损害和不利的左室重塑导致心梗存活者恶化为心力衰竭。心脏移植是治疗严重心力衰竭的重要方法，但供体器官短缺限制了其发展；当前干细胞疗法是替代心脏移植治疗心衰的理想方法。心肌原位干细胞（CSCs）作为干细胞治疗心肌梗死的一种适宜选择，进行的一系列实验均证实其不仅可以明显改善心脏的血流动力学，使梗死面积减小，左室射血分数（LVEF）增加，而且其安全性较好[14,15]，具有广阔的发展前景。Sca-1+心脏干细胞作为众多CSCs中的一员，其在心肌梗死中的作用越来越被人们所熟知。一系列体内、体外实验表明，Sca-1+心脏干细胞可以促进心肌梗死后心肌修复[16-18]，其良好效果主要是通过旁分泌因子产生的。然而，目前尚无法确定将心脏干细胞植入缺血心脏中旁分泌细胞因子起主导作用的机制[19]。

3.2 进展 Soonpaa等[20]将小鼠的胚胎干细胞植入急性心肌梗死的心肌中发现，植入的细胞能够预防心肌梗死后心力衰竭等并发症，这表明干细胞的植入有利于心肌损伤后的修复，提示干细胞治疗可能从根本上解决心脏损伤后的恢复问题。Sca-1是干细胞表面抗原。心肌梗死后左室Sca-1+细胞数量显著增加，祖细胞从骨髓迁移至心肌受损区进行修复，心肌梗死后可促进心肌再生和修复[7]。将Sca-1+心脏干细胞植入心梗后小鼠的心脏中，能够促进其血管新生，减少梗死面积，改善心室重塑与受损的心肌功能[9]。

Wang等[21]研究发现，与单独植入心脏干细胞相比，将胰岛素样生长因子（IGF）、肝细胞生长因子（HGF）及Sca-1+/CD31-细胞同时植入小鼠梗死区和梗死周围区，能够进一步改善急性心肌梗死后左室结构重塑和功能重塑。联合治疗比任何单独治疗更有效，治疗后非梗死区域室壁厚度增加，心肌梗后心脏瘢痕也较小［与其他MI组相比，MI（35.70±0.02）%，MI+IGF+HGF（27.12±0.09）%，MI+Sca-1+/CD31-细胞（24.90±0.02）%，MI+IGF+HGF+Sca-1+/CD31-细胞（19.90±0.02）%；n=6，P<0.05］。Ye 等[22]报道，与非植入组相比，Sca-1+/CD45-细胞植入组梗死周围区的心肌明显增厚［（0.57±0.05）mm比（0.44±0.06）mm，P=0.002］，梗死面积较小［（24.4±13.8）%比（49.4±21.5）%，P=0.037］；然而两组后壁厚度［（0.70±0.05）mm 比（0.69±0.06）mm，P=N.S］、瘢痕大小［（0.29±0.03）mm 比（0.25±0.03）mm，P=N.S］未见统计学差异。Dey等[23]发现，从多种组织中分离的高醛脱氢酶活性细胞具有干细胞特性，特别是具有自我更新和分化能力，从血液中分离出来的高醛脱氢酶活性细胞用于缺血性心力衰竭的临床试验中。因此，有研究者进行试验鉴别和部分描述了人类胎儿心脏中高醛脱氢酶活性Sca-1+干细胞，这对诸多问题的解决迈出了重要的一步。

虽然干细胞移植表现出强大的优势，但仍存在许多问题。如当前的检测方法（PCR检测供体细胞特异性DNA原件，绿色荧光蛋白检测供体细胞）不能区分最初植入心脏的细胞与植入细胞后分化形成细胞之间的差异。它仅可检测供体及供体来源细胞的总体数量，对于受体组织中供体细胞增殖和死亡动力学的研究只提供了少量的信息。如果移植的细胞染色体结构异常（双核、多倍体）或者细胞融合，这种方法将会高估嫁接细胞的实际数量。即使移植的细胞表达心肌标志物（如α-肌节型肌动蛋白），它们也无法获得成体心肌细胞的表型[24,25]。此外，心脏缺血、再灌注损伤及梗死加剧干细胞移植后生存环境的恶化，这是因为存在细胞因子、炎性细胞，缺乏细胞外基质和支持细胞，氧气及营养物质供应不足等，这些因素都极大影响了移植细胞的疗效。注射进心脏的大部分细胞被冠状动脉血流“冲刷”。心脏干细胞注射5分钟后可发现其迅速流失，自然流失或细胞渗漏是影响细胞移植效率的主要因素。注射心脏干细胞5分钟后，供体细胞也被发现在除肺脏以外的其他大部分器官，这表明细胞已从左心室壁渗漏进入胸腔，而不是释放到血液循环中。心脏干细胞的最初流失不可能仅仅归因于无法恰当地定位左室壁。然而，小鼠的左室壁很薄（≤1 mm），特别是在梗死以后，所以进行心肌内注射是非常有挑战性的。如果其他物种的左室壁较厚，细胞的初始损失会很小。因此，目前还不清楚这些研究是否可以应用到其他物种中。

3.3 前景 将Sca-1+细胞皮下注射至裸鼠体内，至少观察3个月，没有发现肿瘤出现。应用磁珠分选技术从新生小鼠心脏中分离出Sca-1+心脏干细胞，它可以在体外长期培养中增殖，同时保持干细胞特性和多向分化潜能，这为将来心肌再生的临床试验提供了可能，届时我们可以从微小的心肌组织分离出充足的种子细胞。因此，Sca-1+心脏干细胞对改善急性心肌梗死后心肌修复与心室重塑具有广阔的发展前景。目前，虽然细胞移植还处于基础研究向临床应用的过渡阶段，但是一系列的实验研究都证实了其具有可行性和有效性，显示出强大的生命力。

3.4 面临挑战 移植后局部驻留量不足、存活率低、细胞分化效率低、宿主免疫排斥等限制了心脏干细胞移植的发展。心肌梗死后细胞因子与炎性细胞被激活、氧供和营养物质缺乏等都加速了移植细胞的凋亡。Hong等[26]报道，不同来源干细胞都面临生存能力低下的问题，在移植后几周内只有少数的细胞能够存活。冠脉内进行注射，5分钟时大约60%的心脏干细胞丢失，随后的24小时内剩余85%的细胞也随之丢失，在第7天与第35天仅发现有3.5%和4.2%的细胞[27]。边缘细胞植入和滞留问题是影响干细胞疗效的重要因素，由于在心肌坏死的环境中其存活率较低[28,29]。因此增强或者提高干细胞的驻留率可强化其治疗效果。深入了解控制细胞命运（生存或分化）的机制，可更有效地发挥其修复心肌的作用，促存活信号通路可能是干细胞潜在的治疗靶点。人类心脏干细胞的过继转移会导致其修复缓慢，这是由于心肌梗死后一部分移植的细胞不能够存活、增殖与驻留。老年目标人群再生疗法具有伴随年龄增长而衰老标志物上调、端粒长度缩短及代谢活性降低等特点，这些因素都对干细胞池产生不利影响，从而使干细胞疗法更加复杂。老年人干细胞再生能力较差，限制其使用自体疗法。修饰人类心脏祖细胞是一种可行的治疗方法，可提高其增殖、存活的能力，增加干细胞移植的有效性和驻留率[30]。

目前关注的焦点是如何有效控制植入心脏内干细胞的命运，如何最大程度地提高它们的再生能力来进行有效心脏损伤的修复。多种方法可提高供体细胞的生存率，如暴露于低氧或缺氧的环境、生长因子基因的传递、抗炎或免疫处理、优化注射程序等。原卟啉钴在转录水平上调节ERK/NRF2或ERK/COX-2信号通路以保护人类心脏干细胞，从而上调HO-1与COX-2基因，其发挥作用的机制可能是限制细胞凋亡[31]。HO-1可抑制细胞凋亡，但其发生的确切机制尚未完全阐明。虽然在动物研究中已广泛应用基因传递方法诱导HO-1表达，但是该技术尚无法运用在人体试验中。近年的研究表明，药物诱导HO-1的表达在治疗心血管疾病方面具有广阔的发展前景，然而仍需深入研究HO-1靶向药物的药效学及药动学。随着靶向治疗技术的快速发展，HO-1在治疗心血管疾病中将发挥重要作用[31]。Mohsin等[32]用Pim-1基因修饰心脏干细胞以提高其生存与修复的能力，荧光素酶标记的心脏干细胞实验组可以持续到第8周，且心脏组织中毛细血管密度增加、梗死面积缩小，到20周时实验组血流动力学明显改善，而对照组仅仅持续了1周。随后的研究显示，实验组细胞增殖能力的提高是暂时的，Pim-1过表达不会引起无限增殖或者致瘤型转变。Zafir等[33]研究一种糖基化修饰蛋白，这种蛋白能够在缺氧再灌注损伤中保护心脏干细胞。因此，移植前预先对心脏干细胞进行处理或者与其他因子共培养可能很好地改善其生存能力[34-37]。

4 小结

大量研究证实，Sca-1+心脏干细胞的植入改善了小鼠心肌梗死后左室重塑对心肌结构、功能的影响，促进心肌再生与修复。尽管在实验中细胞在植入后流失很快，但其在心脏中发挥的重要作用并不因此终止，主要是依赖它的旁分泌功能促进血管生成，增强心肌细胞的活力。目前，研究者应用基因修饰种子细胞来提高细胞移植后的驻留率，但是仍存在许多问题亟待解决。

［1］Kajstura J，Leri A，Finato N，et al.Myocyte proliferation in end-stage cardiac failure in humans.Proc Natl Acad Sci USA，1998，95：8801-8805.

［2］Kajstura J，Gurusamy N，Ogorek B，et al.Myocyte turnover in the aging human heart.Cire Res，2010，107：1374-1386.

［3］郑楠，张宁坤，高连如.成体心肌干细胞的研究进展.解放军医学杂志，2013，38：334-337.

［4］王国宏.干细胞治疗缺血性心肌病研究进展.中国医刊，2013，48：11.

［5］Wang H，Chen H，Feng B，et al.Isolation and characterization of a Sca-1+/CD31-progenitor cell lineage derived from mouse heart tissue.BMC Biotechnology，2014，14：75.

［6］Nagai T，Matsuura K，Komuro L，et al.Cardiac side population cells and sca-1-positive cells.Methods in Molecular Biology，2013，1036：63-74.

［7］Bailey B，FransioliJ，Gude NA，etal.Sca-1 knockout impairs myocardial and cardiac progenitor cell function.Circ Res，2012，111：750-760.

［8］ Dey D，Han L，Bauer M，et al.Dissecting the Molecular Relationship Among Various Cardiogenic Progenitor Cells.Circ Res，2013，112：1253-1262.

［9］Takamiya M，Haider KH，AshrafM，et al.Identification and characterization of a novel multipotent sub-population of Sca-1+cardiac progenitor cells for myocardial regeneration.PLoS One，2011，6：e25265.

［10］Zhou H，Bian ZY，Zong J，et al.Stem cell antigen 1 protects against cardiac hypertrophy and fibrosis after pressure overload.Hypertension，2012，60：802-809.

［11］ Rosenblatt-Velin N，Ogay S，Felley A，et al.Cardiac dysfunction and impaired compensatory response to pressure overload in mice deficient in stem cell antigen-1.FASEB J，2012，26：229-239.

［12］ Nascimento DS，Mosqueira D， Sousa LM， et al.Human umbilicalcord tissue-derived mesenchymalstromalcells attenuate remodeling following myocardial infarction by proangiogenic，antiapoptotic and endogenouscellactivation mechanisms.Stem Cell Res Ther，2014，5：5.

［13］Uchida S，De Gaspari P，Kostin S，et al.Sca1-derived cells are a source of myocardial renewal in the murine adult heart.Stem Cell Reports，2013，1：397-410.

［14］Mohsin S，Siddiqi S，Collins B，et al.Empowering adult stem cells for myocardial regeneration.Circ Res，2011，109：1415-1428.

［15］Makkar RR，Smith RR，Cheng K，et al.Intracoronary cardiosphere-derived cells for heart regeneration after myocardial infarction （CADUCEUS）：a prospective，randomised phase 1 trial.Lancet，2012，379：895-904.

［16］Freire AG，Nascimento DS，Forte G，et al.Stable phenotype and function of immortalized Lin-Sca-1+cardiac progenitor cells in long-term culture：a step closer to standardization.Stem Cells Dev，2014，23：1012-1026.

［17］Maxeiner H，Krehbiehl N，Muller A，et al.New insights into paracrine mechanisms of human cardiac progenitor cells.Eur J Heart Fail，2010，12：730-737.

［18］Ryzhov S，Goldstein AE，Novitskiy SV，et al.Role of A2B adenosine receptors in regulation of paracrine functions of stem cell antigen 1-positive cardiac stromal cells.J Pharmacol Exp Ther，2012，341：764-774.

［19］Huang C，Gu H，Yu Q，et al.Sca-1+Cardiac Stem Cells Mediate Acute Cardioprotection via Paracrine Factor SDF-1 following Myocardial Ischemia/Reperfusion.PLoS One，2011，6：e29246.

［20］Soonpaa MH，Koh GY，Klug MG，et al.formation of nascent intercalated disks between grafted fetal cardiomyocytes and host myocardiomyocyte.Science，1994，264：98-101.

［21］Wang X，Li Q，Hu Q，et al.Intra-myocardial injection of both growth factors and heart derived Sca-1+/CD31-cells attenuates post-MI LV remodeling more than does cell transplantation alone：neither intervention enhancesfunctionallysignificant cardiomyocyte regeneration.PLoS One，2014，9：e95247.

［22］Ye J，Boyle A，Shih H，et al.Sca-1+Cardiosphere-derived cells are enriched for Isl1-expressing cardiac precursors and improve cardiac function after myocardial injury.PLoS One，2012，7：e30329.

［23］Dey D，Pan G，Varma NR，et al.Sca-1+cells from fetal heart with high aldehyde dehydrogenase activity exhibit enhanced gene expression for self-renewal，proliferation，and survival.Oxid Med Cell Longev，2015，2015：730683.

［24］Li Q，Guo Y，Ou Q，et al.Intracoronary administration of cardiac stem cells in mice：a new，improved technique for cell therapy in murine models.Basic Res Cardiol，2011，106：849-864.

［25］Tang XL，Rokosh G，Sanganalmath SK，et al.Intracoronary administration of cardiac progenitor cells alleviates left ventricular dysfunction in rats with a 30-day-old infarction.Circulation，2010，121：293-305.

［26］ Hong KU，Li QH，Guo Y，et al.A highly sensitive and accurate method to quantify absolute numbers of c-kit+cardiac stem cells following transplantation in mice.Basic Res Cardiol，2013，108：346.

［27］Tang YL，Tang Y，Zhang YC，et al.Improved graft mesenchymal stem cell survival in ischemic heart with a hypoxia-regulated heme oxygenase-1 vector.J Am CollCardiol，2005，46：1339-1350.

［28］Malliaras K，Kreke M，Marban E，et al.The stuttering progress of cell therapy for heart disease.Clin Pharmacol Ther，2011，90：532-541.

［29］Mohsin S，Siddiqi S，Collins B，et al.Empowering adult stem cells for myocardial regeneration.Circ Res，2011，109：1415-1428.

［30］Mohsin S，Kha M，Toko H，et al.Human cardiac progenitor cells engineered with Pim-I kinase enhance myocardial repair.J Am Coll Cardiol，2012，60：1278-1287.

［31］Cai C，Teng L，Vu D，et al.The Heme Oxygenase 1 Inducer（CoPP） Protects Human Cardiac Stem Cells against Apoptosis through Activation of the Extracellular Signal-regulated Kinase（ERK）/NRF2 Signaling Pathway and Cytokine Release.J Biol chem，2012，287：33720-33732.

［32］Mohsin S，Khan M，Toko H，et al.Human cardiac progenitor cells engineered with Pim I kinase enhance myocardial repair.J Am Coll Cardiol，2012，60：1278-1287.

［33］ Zafir A，Readnower R，Long BW，et al.Protein OGlcNAcylation is a novel cytoprotective signal in cardiac stem cells.Stem Cells，2013，31：765-775.

［34］Ye L，Zhang P，Duval S，et al.Thymosin β4 increases the potency of transplanted mesenchymal stem cells for myocardial repair.Circulation，2013，128：S32-41.

［35］Iso Y，Rao KS，Poole CN，et al.Priming with ligands secreted by human stromal progenitor cells promotes grafts of cardiac stem/progenitor cells after myocardial infarction.Stem Cells，2014，32：674-683.

［36］Penna C，Perrelli MG，Karam JP，et al.Pharmacologically active microcarriers influence VEGF-A effects on mesenchymal stem cell survival.J Cell Mol Med，2013，17：192-204.

［37］ Pendergrass KD，Boopathy AV，Seshadri G，et al.Acute preconditioning ofcardiac progenitor cells with hydrogen peroxide enhances angiogenic pathways following ischemiareperfusion injury.Stem Cells Dev，2013，22：2414-2424.

The progress of Sca-1 cardiac stem cells in the treatment of patients with ischemic heart disease and the existing problems

Sca-1+cardiac stem cells；Stem cells；Myocardial infarction；Ischemic heart disease

050051 河北省石家庄市，河北医科大学研究生学院（马玉龙）；河北医科大学附属河北省人民医院心脏中心（李树仁）

李树仁，E-mail：lsr64@126.com

10.3969/j.issn.1672－5301.2015.11.001

R541

A

1672-5301（2015）11-0961-05

2015-07-14）