心肌干细胞与心肌梗死区微环境的研究进展

李小雪　综述　孙　雷　审校



心肌干细胞与心肌梗死区微环境的研究进展

李小雪综述孙雷审校

急性心肌梗死；心肌干细胞; 经皮冠状动脉旁路介入术

目前治疗急性心肌梗死(acutemyocardialinfarction,AMI)的方法主要有药物治疗、冠状动脉旁路移植术(coronaryarterybypassgrafting,GABG)、经皮冠状动脉旁路介入术(percutaneouscoronaryintervention,PCI)等。这些方法能通过恢复灌流来缓解患者症状，挽救部分缺血心肌，防止梗死创面的扩大，但对已经形成的纤维瘢痕无能为力，即不能从根本上使已经坏死的心肌修复，改善心肌的舒缩功能。近几年来，研究者们一直在探索解决这一问题的途径，而干细胞技术的兴起和不断发展，无疑给心血管病患者带来了光明和希望。20世纪末以来，大量研究发现，在成体的心肌组织和骨髓中存在具有特异性心肌分化潜能的多能干细胞，即心肌干细胞(cardiacstemcells,CSCs)。心肌梗死后，局部组织缺血缺氧，微环境发生改变，CSCs在多种细胞因子、细胞基质或炎性介质等的作用下被动员至心肌缺血区，向心肌细胞及内皮细胞等分化并表达心肌特异性的蛋白。笔者就CSCs和微环境的研究进展进行综述。

1　心肌干细胞

1.1生物学特性CSCs是已提交心肌谱系的具有特异性分化潜能的多能干细胞，包括骨髓源性CSCs和心肌源性CSCs[1]。CSCs主要有以下几个生物学特性:(1)具有高度的自我更新能力和增殖分化潜能。在生命体的整个生长发育过程中，心肌细胞往往以一种逐步递减的速度实现着自我更新与替换，年更新率从25岁时的1%降到75岁时的0.45%[2]，虽然成熟个体心肌组织大部分细胞已经发育成熟，但仍有将近一半的心肌细胞完成了更新。(2)已启动早期心肌形成基因，同时表达一定多能干细胞表面标志。CSCs膜表面可表达一种或多种干细胞相关抗原，如干细胞因子受体(tyrosinekinasereceptorpositive,c-kit+)，干细胞抗原(stemcellantigenpositive,Sca-1+)，谱系标志物(lineagenegative,Lin-)，P-糖蛋白(MDR+)。(3)能够向心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞等分化并表达心肌特异性的蛋白。如心肌球蛋白重链，肌钙蛋白Ⅰ、T、desmin、α-actin等。心肌梗死时，局部微环境发生改变，各种细胞因子释放增加，细胞外基质增多，在多种介质的参与下，CSCs被动员至缺血坏死区分化并修复心肌。

1.2分类根据CSCs表面标记以及被研究证实确实能分化为心肌细胞两方面，将CSCs分为以下几种类型：Lin-/c-kit+细胞、Sca-1+细胞、Isl1+细胞、SP细胞、心肌球样衍生细胞(cardiosphere-derivedcells,CDCs)等其他心肌前体细胞[3]。

1.2.1Lin-/c-kit+细胞是干细胞类型中数量最多、研究较广的一种[4]。c-kit+细胞主要集中分布在心房和心尖。将小鼠冠脉结扎后，发现梗死区c-kit+细胞增多，血管内皮生长因子也增多，而c-kit受体缺陷的小鼠则在冠脉结扎后出现了扩张型心肌病，生血管作用减弱。c-kit受体缺陷将影响心肌梗死后心脏细胞的修复。骨髓源性c-kit+细胞在梗死心肌血管生成转换中起了非常重要的调节作用，有利于心肌的再生和修复，被认为是一种具有心肌保护性的细胞[5]。Dawn等[6]在344只大鼠中分离出c-kit+细胞，经培养植入大鼠心肌缺血再灌注损伤模型的冠状动脉中，35d后与未用c-kit+细胞处理组比较，处理组大鼠左室射血分数、心搏出量有所增加，左室舒张末径增加较小，心肌梗死面积明显减小，心肌收缩功能明显改善。

1.2.2Sca-1+细胞Matsuura等[7]运用免疫磁珠法从小鼠中分选得到Sca-1+细胞,在催产素的诱导下可分化为心肌细胞，并表达心肌特异蛋白Cx43、α-actin、cTnI等。

1.2.3Isl1+细胞Laugwitz等[8]证实在新生的小鼠心肌中存在Isl1+细胞，将其与新生的心肌细胞共同培养，可分化为成熟的功能性心肌细胞。

1.2.4SP细胞Hierlihy等[9]第1次在新生小鼠的心肌中发现了这种细胞，约1/3可表达c-kit和Sca-1。

CDCs是一类未分化细胞，其核心组成是c-kit+细胞，在体外用温和酶消化心肌组织后直接培养，可自发黏附成团，并表现出原始心肌的特性，能够分化为心肌细胞、血管内皮细胞故而得名[10]。

2　心肌梗死区微环境

干细胞微环境是在20世纪70年代人们研究造血系统时最初提出来的。心肌梗死造成心肌局部缺血缺氧，氧自由基生成过多，而抗氧化能力减退，氧化应激产生，引起细胞坏死和凋亡，细胞内溶酶体破裂，蛋白水解酶释放增加，最终引发心肌细胞的自溶，心肌收缩蛋白断裂，心肌正常的舒缩功能遭到破坏。但与此同时，心肌梗死后，心肌局部微环境中的一些因子，如骨形态发生蛋白-2(BMP-2)、转化生长因子-β(TGF-β)、成纤维细胞生长因子(bFGF)、胰岛素样生长因子(IGF-1)等释放增加，细胞外基质增多，由此，CSCs被动员至缺血部位，在多种因子共同作用下分化成熟，实现心肌的自我更新和修复，且外周血液循环中这些细胞因子浓度相应的升高[11]。

2.1骨形态发生蛋白-2(bonemorphogeneticprotein-2,BMP-2)BMP-2是骨形态发生蛋白(BMP)家族的重要成员，由396个氨基酸组成，BMP-2在胚胎发育早期即开始表达，对心肌的发育和形成具有重要意义。Behfar等[12]发现，心肌梗死后心肌组织中的BMP-2释放增加，BMP-2不仅对梗死区周围的心肌具有抗凋亡作用，而且还参与了心脏内的心肌祖细胞向心肌细胞的分化。

同时BMP-2作为一种多功能的信号分子可促进一系列心肌转录因子的表达。BMP-2可与CSCs表面受体结合，通过Smads、p38MAPK、PI3K/Akt等胞内信号分子启动CSCs终末分化，提高心肌特异转录因子GATA4、Nkx2.5及MEF2C等的表达，分化为功能性心肌细胞[13]。BMP-2对胚胎干细胞等其他非心肌前体细胞分化为心肌细胞也有促进作用[14]。可见，BMP-2在心肌微环境中对干细胞的诱导分化起着十分重要的作用。

2.2转化生长因子(transformgrowthfator-β,TGF-β)TGF-β和BMP-2都是转化生长因子(TGF-β)超家族的成员。TGF-β具有调控细胞增殖、迁移、分化、凋亡，调节基质蛋白合成及胚胎早期发生发育的功能[15]。TGF-β家族分子在心肌形成和心内膜祖细胞的形成过程中，扮演重要角色，TGF-β基因缺陷的小鼠患有严重的先天性心血管疾病。TGF-β能够促进梗死区血管的形成和侧支循环的建立，从而起到改善局部微环境的作用[16]。

2.3成纤维细胞生长因子-2(fibroblastgrowthfactor,FGF-2)FGF-2是FGF家族的成员，因FGF-2的等电点(9.6)在溶液中处于碱性PH范围内，故又称为碱性成纤维细胞生长因子(basicfibroblastgrowthfactor,bFGF)。FGF-2是一种多功能细胞因子，在体内分布广泛，生物学功能也相当繁多，具有促进细胞分化、血管生成、组织损伤修复、控制高血压和动脉粥样硬化等作用。梗死后的缺血缺氧环境可以刺激FGF-2从细胞内和细胞外基质中释放出来，与靶细胞上特异性的FGF-2受体结合从而发挥生物学作用。研究表明，FGF-2可以诱导心肌梗死后新生血管形成和侧支循环的开放，改善心肌血供，缩小心肌梗死面积，从而预防和减轻了心室重构[17]。FGF-2是强有效的心血管系统有丝分裂原，能够促进血管内皮细胞和平滑肌细胞的增殖、迁移,是体内最为有效的血管生长因子之一。有研究显示，移植转染FGF-2的骨髓间充质干细胞(MSCs)时发现，FGF-2释放增多，MSCs生存能力增强[18]。由于FGF-2对血管新生具有明显的促进作用，所以可以用来改善局部微环境的血供和移植细胞的存活空间。此外，FGF-2还可与BMP-2协同促进中胚层的细胞向心肌细胞分化[19]。

2.4胰岛素样生长因子(insulin-likegrowthfactor-1,IGF-1)IGF-1是主要由肝细胞合成和分泌的生长激素依赖性碱性多肽。Linke等[20]向梗死的心肌内注射IGF-1后，梗死区血管密度增加，同时促进了CSCs向心肌细胞的分化，CSCs的存活率也显著提高。研究证实，IGF-1对移植到心肌梗死区胚胎干细胞的增殖和分化均具有明显的促进作用，同时抑制CSCs的衰老[21]。文献[22-24]报道显示，局部表达增高的IGF-1可以有效地诱导内皮细胞和心肌前体细胞的迁移、分化和增殖，促进CSCs和早期心肌细胞的存活能力，抑制其凋亡，有益于心肌的修复。

2.5细胞外基质中的其他因子血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)是强有效的血管内皮生长刺激因子，可以促进内皮细胞的增殖、迁移及血管新生，通过改善局部血液循环，提高CSCs移植后的生存率，从而对心功能的改善发挥重要作用。心肌梗死后，微环境中的VEGF释放增多，通过研究发现，心肌梗死患者外周血中的VEGF浓度变化与梗死区募集的骨髓来源的CSCs数目密切相关[25]。

2.5.1基质细胞衍生因子(stromalcell-derivedfactor,SDF-1)是一种干细胞趋化因子，通过与其趋化因子受体-4(CXCR-4)结合，使得CXCR-4二聚体形成，空间构象发生改变，进而激活多种信号通路，促进了CSCs的动员，并对CSCs的存活和进一步分化发挥着重要作用[26]。研究显示，SDF-1主要在心肌梗死区和梗死周围区表达升高。

2.5.2粒细胞集落刺激因子(granulocytecolony-stimulatingfactor,G-CSF)对CSCs的动员、增殖有重要影响，G-CSF可通过促进黏附分子的降解加速干细胞的动员。有研究显示，将G-CSF作用于急性心肌梗死的小鼠，发现3d后外周血中c-kit+细胞增多大约250倍，梗死面积较对照组有所减小[27]。

2.5.3金属基质蛋白酶9是可以诱导骨髓细胞释放干细胞因子(stemcellfactor,SCF)。它可使c-kit+细胞进入增殖状态，随后这些增殖的c-kit+细胞进入外周血液循环，并归巢至梗死区分化成功能性的心肌细胞。ICAM-1是一种黏附分子，早有研究表明，炎性反应与心肌缺血密切相关，心肌梗死发生时，患者外周血中的sICAM-1与白细胞变化水平呈正相关，应用ICAM-1单克隆抗体处理后发现缺血灌注区的白细胞数量和梗死面积均有所减少。肝细胞生长因子(hepatocytegrowthfactor,HGF)具有调节多种细胞生长发育、促进组织分化、抑制细胞凋亡等作用，并且参与了干细胞向心肌梗死区迁移的过程[28]。

3　展　　望

微环境是CSCs生存的直接接触环境，其中含有大量的细胞因子和细胞外基质，这些生物活性成分与干细胞相互作用，从而影响CSCs的存活、增殖和分化。但是心肌梗死后的缺血缺氧环境十分不利于CSCs的生存和发育，因此，如何有效的改善和控制微环境状态使其更有利于CSCs向梗死区动员并特异性的分化成有功能的心肌细胞，提高其存活率和分化效率，尚有待更加深入的研究和探讨。CSCs从动员到分化成有功能的心肌细胞是一个非常复杂的过程，具体需要经历哪些步骤和环节、CSCs的动员机制、微环境中那些对CSCs的分化具有特殊影响的因子其定向调控机制是怎样的、迁移到梗死区的CSCs分化成的心肌能否与宿主心肌通过电偶联机制形成功能上的合胞体达到生理上的再生修复，目前都还不太清楚。不过我们有理由相信，随着研究的深入开展，CSCs作为一种新生力量，充满了蓬勃的生命力和广阔的前景，干细胞的明天一定会为患者带来更多的福音和希望，从而对临床治疗产生更加深远的影响和指导意义。

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(2015-07-30收稿2015-09-25修回)

(责任编辑武建虎)

李小雪,硕士研究生,医师。

1.250014济南，武警山东总队医院病理科；2.116044，大连医科大学病理学教研室

孙雷，E-mail:sunlei100@yahoo.com.cn

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