心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病的研究进展*

李玲综述，石蓓审校

心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病的研究进展*

李玲综述，石蓓审校

缺血性心脏病患者往往死于心力衰竭（心衰），而目前对于难治性心衰最好的治疗方法是心脏移植。但随着干细胞和祖细胞在再生潜能治疗和预防心衰方面的深入研究，心脏干细胞移植有望成为治疗缺血性心脏病最理想的方法。本文旨在对心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病的研究现状及所面临的问题进行综述。

心脏干细胞；缺血性心脏病；干细胞移植

目前用于缺血性心脏病治疗的细胞主要包括胚胎干细胞、诱导的多潜能干细胞、骨髓源干细胞/祖细胞（如间充质干细胞、内皮祖细胞、单个核细胞以及以细胞抗原标记命名的细胞，如CD34+细胞、CD133+细胞等）和心脏干细胞等[1-3]。由于存在伦理学争议，无法控制增殖能力及异体免疫原性等原因胚胎干细胞及诱导的多潜能干细胞仅用于基础研究，而其它几种骨髓源性的干/祖细胞由于分离、纯化技术成熟、低免疫源性及多向分化能力被广泛用于心肌再生治疗[4]，也是目前主要的临床研究对象[5，6]。但最新的研究发现心脏干细胞因其具有组织特异性和专一性，在用于心脏再生治疗中更具优势。有研究表明心脏干细胞与间充质干细胞相比，心肌梗死后注射同等剂量的两种细胞到梗死边缘区，发现前者的作用效果显著优于后者[7]。

1 心脏干细胞的发现及来源

2002年，Hierlihy等[8]报道了心脏组织中有一群具自我更新及多向分化能力的干细胞，并命名为心脏干细胞，推翻了心肌细胞不能再生的观念。然而心脏干细胞的来源问题仍是众多学者一直关注且存在争议的一个问题。一项性别错配心脏移植的研究发现，部分心脏干细胞表现骨髓系表型，提示心外来源的循环干细胞迁移到心脏是心脏干细胞的重要来源之一[9]；但仍有大部分研究者认为心脏干细胞来源于胚胎时期就存在于心脏中的内源性细胞。从细胞生物学的理论可知供体和受体起源的原始细胞都可表达干细胞表面抗原，如c-kit、Sca-1和多药耐药基因1(MDR1)。c-kit+细胞从胎儿生命开始便迁移到卵黄囊、肝和其他器官，这些器官表达干细胞生长因子(一种c-kit受体的配基)。故有理由相信，这些干细胞样细胞从胎儿期开始就出现在心脏中。Eberhard等[10]将增强型绿色荧光蛋白基因引入克隆回顾分析胚胎的囊泡转换阶段的实验就明确了成熟心肌起源于心内，排除了身体其他器官干细胞在成人生理状态下迁移到心脏分化为心肌的可能性。

2 心脏干细胞/心脏祖细胞的分类

不少研究者认为心脏干细胞即心脏祖细胞，实际上

心脏干细胞和心脏祖细胞有着很严格的区别：心脏干细胞能形成单克隆、自我更新，并分化为三种主要的心脏细胞类型，即心肌细胞、血管平滑肌细胞和血管内皮细胞；心脏祖细胞是一种未成熟的但已经定向分化的心脏细胞，它能增殖分化为前体细胞，这些前体细胞能分化为三种主要心脏细胞类型中的一种（心肌细胞、血管平滑肌细胞或血管内皮细胞），分化成的细胞类型取决于其祖细胞的性质。目前的研究普遍接受c-kit是心脏干细胞分子标志，而Sca-1、MDR1以及转录因子Nkx2.5和Islet-1则是心脏祖细胞的分子标志，但彼此又存在交集。其分类如下：①c-kit+细胞 ：它是最早被发现的心脏干细胞，以表达c-kit为特征，同时也表达Sca-1和MDR1。c-kit+心脏干细胞表达许多谱系标记，如GATA-4，GATA-5，Nkx2.5和MEF2，而不表达骨骼肌系、血细胞系及神经系的表面标记。目前研究发现c-kit+心脏干细胞包括2种不同亚群，即肌源性和血管源性[11]。前者主要表达c-kit，定居于成熟心肌细胞间的肌细胞小生境中，主要分化为心肌细胞，后者表达c-kit和内皮细胞标志物KDR，存储于血管壁的血管小生境中，主要分化为内皮细胞和血管平滑肌细胞。2种心脏干细胞在体外均能特异分化为心肌细胞、内皮细胞和血管平滑肌细胞，但肌源性心脏干细胞分化为肌细胞数是血管源性心脏干细胞的6倍，血管源性心脏干细胞分化为平滑肌细胞数是肌源性心脏干细胞的6倍，内皮细胞数是肌源性心脏干细胞的5倍[12]。②Sca-1+细胞：它不同于c-kit+细胞，并不表达Nkx2.5和编码肌小节蛋白基因，但表达心脏结构基因(如肌球蛋白重链)和其他心脏源性转录因子，如GATA-4，MEF-2C和TEF-l。在体外或体内具有克隆、增殖及多向分化能力。③侧群细胞 ：该细胞起初在一些成年器官（如骨骼肌、骨髓、肝脏等）发现，是一群具有多能分化潜力的祖细胞。后来在心脏组织中也发现了这类细胞，且认为Abcg2是心脏侧群细胞表型的决定因素，其具有干细胞样活性和心肌分化潜能。④Cardioblast细胞 ：以转录因子Islet-1表达为特征的一类细胞。在新生的啮齿类和人类心脏中，发现心脏干细胞并不表达c-kit 和Sca-1，而是通过表达转录因子Islet-1来辨别它们。它们也表达那些在心脏发生早期出现的因子如Nkx2.5、GATA-4。但Islet-1+细胞稀少，到目前为止只有在新生儿的组织中才能被检测到。⑤心球和心球衍生细胞：从心脏组织分离培养后形成的成簇聚集的细胞团，称之为“心球”，由多种心脏干细胞混合组成，其中c-kit+心脏干细胞为心球核心，周围环绕CDl05+支持细胞及丰富的IV型胶原。心球经过传代扩增后获得的细胞单层称为心球衍生细胞。二者均具有突出的克隆性和多向分化潜能[13]。⑥其他亚群：除上述几种细胞亚群外，在人体心耳组织中存在一种ALDH+的心脏干细胞群。它是一种非骨髓或外周来源的固有心脏干细胞群，具克隆性以及较心球衍生细胞更高的心肌分化潜能。而在成年哺乳动物心外膜也有一种干细胞，即心外膜衍生细胞。但该细胞的分化潜能目前存在争议，Zhou等[14]研究认为小鼠心肌梗死后心外膜衍生细胞并不分化为心肌或内皮细胞，其修复损伤心肌可能是通过旁分泌机制。

3 心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病的研究进展

3.1 移植疗效

心脏干细胞是目前公认的用于心脏再生治疗较理想的干细胞。研究发现心肌梗死后注射心脏干细胞到梗死心脏，可促进血管发生，心肌再生，提高心功能。向免疫缺陷大鼠心肌梗死边界区注射人心脏干细胞，可在心肌壁中央区形成有活力的心肌，包括心肌再生和血管发生，从而改善心脏功能[15]。临床研究也得到类似结果，SCIPIO试验的研究者将自体来源的心脏干细胞经冠状动脉输入缺血性心肌病患者的心脏，4个月后发现患者的左心室射血分数显著提高[16]，但SCIPIO是一项小规模的随机公开标签试验，带有较强的主观性，其试验结果还需进一步验证。且也有研究发现，将从小鼠心脏分离出的心脏干细胞注入到小鼠心肌梗死的心脏中，通过体内心脏干细胞活体动物光学成像监测发现，心肌内注射供体干细胞者急性死亡，更重要的是，与心肌梗死小鼠注射用生理盐水者相比，心脏干细胞的移植未能表达任何对心脏功能有所改善的作用[17]。目前对心脏干细胞应用于临床还存在着争议，有待细胞生物学对其机制的进一步研究，但干细胞疗法仍然是今后研究的热点，也是未来治疗缺血性心脏病的趋势所在。

3.2 移植方法

为了让移植细胞发挥其最大的效能，移植方法的选择也至关重要。目前，心脏干细胞移植方法主要有两种，一是经冠状动脉内输入，二是直视下心肌内注射。前者因其操作相对简单、创伤较小、移植后分布较均匀等特点已成为目前应用较多、移植效果较好的移植方法，但因其有发生血栓栓塞的风险，使其应用有一定局限性；而直视下心肌内注射可避免栓塞风险，同时也避免了细胞的流失，提高了移植效率，是目前动物实验用得最多的一种移植方法，但其创伤大，临床应用局限。上述两种移植方法各有利弊，但用于临床仍有较大的局限性，而寻求一种安全、有效的移植方法将成为今后努力的方向。

3.3 移植细胞类型

不同的亚群细胞有着不同的表型特征和分化潜能，哪一类型心脏干细胞的心肌修复能力最强，最适合用于缺血性心脏病的治疗是需要明确的。研究表明c-kit+心脏干细胞对心脏最具保护作用，其对心肌的修复作用最强，功能最强大[18]。 Linke等[19]的实验也发现，在犬的心脏组织中c-kit+心脏干细胞所占心脏干细胞的比例最大，分化能力也是最强的。此外，Welt等[20]在犬心肌梗死6周后移植c-kit+心脏干细胞，发现30周后其仍能显著抑制左室重构、改善心功能，这说明c-kit+心脏干细胞对慢性心肌缺血也具有远期疗效。另外，以c-kit+心脏干细胞为核心的心球和心球衍生细胞可能成为最有应用潜力的一个心脏干细胞亚群，且心球衍生细胞已被应用于Ⅰ期临床试验。

3.4 移植细胞数量

细胞移植数量并不是越多越好，需要一个比较适中的量，量太多心梗后的恶劣微环境不足以支撑其较好的存活，量太少会使再生心肌细胞不足以替补已经坏死的心肌细胞，使修复心脏的能力大打折扣。移植量的多少主要与移植方法的选择有关，冠状动脉输入移植法需要的细胞量较直视下心肌内注射移植法大，以动物实验为例，通常前者需要1×106个细胞[21]，而后者仅需5×105个细胞[22]。而对于心球衍生细胞而言，经冠脉移植的安全有效剂量是1×107～2.5×107[23]；经开胸心肌内注射移植心球衍生细胞的合适剂量为0.5×107/注射点，总量不超过1×107[24]。目前移植细胞的数量尚无统一标准，还需进一步探索。

3.5 移植最佳时间

细胞移植的最佳时间受多个因素的制约，主要取决于心肌梗死后的病理变化和细胞作用机制，但就目前而言，移植的最佳时间仍不清楚。原则上干细胞移植越早越好，从而可挽救更多的心肌细胞，防止心室重构，减少瘢痕形成。但一项研究显示，在心肌梗死后即刻、2周和4周移植胎心细胞，发现移植效果最佳的是2周[25]。也有研究报道称，在梗死后4周进行心脏干细胞移植的效果较好[26]，因为此时心脏因缺血梗死后的自身修复基本结束，心脏结构功能趋于稳定。不同时间进行细胞移植，可能产生不同的临床结果，在慢性稳定期，可能没有急性期恶劣的病理环境，更有利于移植细胞的存活、分化。

3.6 心脏干细胞修复心脏的机制

大量研究证实心脏干细胞移植到受损心脏后可分化为心肌细胞、内皮细胞和平滑肌细胞，通过增加功能细胞的数量来改善心功能，这支持直接分化机制。但心脏干细胞分化的心肌细胞数量是不足以替补心脏受损死亡的细胞数量，心脏功能的改善不能单纯的用直接分化机制来解释，而Chimenti等[27]的研究结果显示，将心脏干细胞注射在大鼠心肌梗死的周边区域后，其不仅可以直接再生为心肌，而且可通过旁分泌功能，增加血管内皮生长因子、胰岛素样生长因子-1、肝细胞生长因子等的表达，促进血管再生。也有数据显示心脏干细胞的旁分泌作用大于心脏干细胞的直接分化作用[28]。心脏干细胞修复心脏可能是直接分化和旁分泌机制共同的结果。

3.7 当前面临的问题及展望

目前对心脏干细胞的研究只处于起步阶段，仍存在着一些问题。①移植细胞存活率低：无论哪种类型的移植细胞都面临着移植存活率低的问题，心脏干细胞也不例外，而少量的心脏干细胞根本不足以弥补心肌梗死所致的心脏损伤；②移植细胞增殖和分化的能力在体内是否能长期维持，且在疾病和衰老状态下是否能保持心源性分化潜力，目前尚未明确；③移植方法：目前使用的移植方法都有着较大的缺陷，临床应用局限，仍需寻求一种简便、安全、有效的移植方法；④分离出来的心脏干细胞是否真的有区别，也许它们都是来源于一些移入到心脏中普通的干细胞, 只是分化阶段不同而已，又或许像前面所说的分离出来的心脏干细胞是有区别的，且功能最强大的是c-kit+的心脏干细胞，那么又如何得到足够数量的高纯度的c-kit+心脏干细胞。要知道心脏干细胞在心脏组织中存在微乎其微。且目前对分离出c-kit+心脏干细胞的能力各家报道并不一致，分离的方法也各不相同，尚未标准化，也不够成熟；⑤其临床治疗效果的机制还存在争议，是再生形成新的心肌和血管，还是由于旁分泌效应，又或者两者都有。

虽然心脏干细胞移植治疗缺血性心脏病还存在诸多问题，但它对心脏的保护作用是有目共睹的，相信随着对其进一步地探索研究，上述问题会一一解决，心脏干细胞应用于临床治疗指日可待。

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(编辑：常文静)

国家自然科学基金（81360021）

563003 贵州省遵义市，遵义医学院附属医院 心血管内科

李玲 硕士研究生 研究方向为冠心病介入治疗 Email： 15387609@qq.com 通讯作者：石蓓 Email： shibei2147@163.com

R54

A

1000-3614（2015）03-0290-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2015.03.023

2014-07-28)

综述