心脏自体干细胞移植治疗心肌梗死新进展

房昊　安毅

【摘 要】近几年心脏自体干细胞移植的研究较多，尤其在心肌梗死治疗方面取得了较多进展。随着研究深入，人们对干细胞分类、来源、移植及移植并发症有了更多认识。本文综述心脏自体干细胞移植治疗心肌梗死的新进展。

【关键词】心脏自体干细胞；心肌梗死；移植

研究报道：中国心肌梗死（myocardial infarction，MI）患病率呈逐年上升趋势，每年新发MI约50万例。尽管现在临床上可通过药物溶栓、冠脉支架置入和心脏搭桥等方法治疗MI，但这些方法并不能从根本上逆转梗死心肌、改善心脏功能。如何使受损或无功能心肌再生或被替代，从源头上改善心肌功能，已成为新的研究方向。干细胞移植开启了MI治疗新时代，而其中的心脏自体干细胞（cardiac stem cells，CSC）由于本身存有、无须归巢、无免疫排斥反应且具有定向分化的趋势等特点，成为近年研究热点[1]。

1 心脏自体干细胞研究概况

心肌细胞因为没有分化和再生能力而被定义为永久性细胞，它一旦受损则永不可逆。2002年，德国Strauer教授[2]开展了自体骨髓单核细胞移植治疗MI的临床研究，并首次成功证明此方法方法是可行的。这项试验开启了干细胞移植治疗MI新篇章，但是干细胞移植受免疫排斥、疗效不确定性及伦理因素的限制，因此寻找合适的移植细胞成为心肌再生领域新的难题。随着研究深入，发现在哺乳动物心脏中存在修复损伤心肌的自身干细胞。2015年干细胞移植专家共识表明： CSC是一组具有自我分裂分化能力的多能干细胞，能在体内分化为心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞[3-4]，它有定向分化为心脏细胞系的趋势，CSC所具备的各种优势可能使其在治疗MI方面可能最具有潜力。

2 心脏自体干细胞分类

CSC分类方式多种多样，根据细胞表面的标志和来源不同，可以将其分为8种类型：

2.1 C-Kit+心脏干细胞

2003年，Beltrami等[5]从大鼠心脏中分离出c-Kit+心脏干细胞，发现这些细胞在体外的具有集落生成和分化潜能特性，参与梗死后心肌细胞和血管重生。将其注射在心肌梗死数周后大鼠的心肌受损区域，发现注射该细胞的大鼠较未注射该细胞的大鼠的射血分数有明显提高，并运用荧光原位杂交技术在新生绿色荧光蛋白阳性心肌细胞中检测到12号染色体的克隆[6]，由此心肌细胞再生在动物体内得以证实。

2.2 Sca-1+心脏干细胞

Oh等医学家[7]通过抗体靶向作用和磁性分选的方法在小鼠心脏内分离出一种Sca-1+细胞。在小鼠梗死再灌注模型中，将正常小鼠提取的Sca-1+心脏干细胞移植到梗死小鼠的心脏，跟踪2周后发现梗死区有正常小鼠提取的Sca-1+心脏干细胞存活，证明了Sca-1+心脏干细胞能够分化为心肌细胞。同时，实验发现约50% Sca-1+心脏干细胞会和宿主细胞发生融合，但不管是否和宿主细胞融合，分化都是大致相同的[8]。

2.3 The cardiosphere（CSph）

Messina等[9]在小鼠和成人心脏中提取出一种未分化的细胞，它们在传代培养中自我黏附成簇为“心肌细胞球”（the cardio-sphere，CSph）。这种细胞可以分裂、分化、转移并且诱导心肌梗死后心肌和血管再生。将其注入成熟小鼠的心肌梗死区，能够生成心肌谱系细胞，从而部分修复缺血坏死心肌，改善心室功能。

2.4 SP心脏干细胞

Martin等[10]在心肌组织中分离出SP细胞（side population of cells，SP），这些细胞同样能够在体外不断增殖和分化成心肌细胞。目前仅仅能够检测ATP结合转录蛋白——ABCG2表达，但具体分化机制尚不能明确。

2.5 Islet-1+心脏干细胞

Laugwtiz等[11]从小鼠中分离出一种心脏前体细胞，它们利用Islet-1+转录因子作为细胞标记物，发现这些前体细胞能够分化成能产生动作电位和收缩性的心肌细胞，将这类细胞称为“Islet-1+心脏干细胞[12]”。

2.6 SSEA-1+心脏干细胞

Ott等[13]在大鼠心脏中分离出SSEA-1+干细胞，它具有较弱分化为心肌细胞能力，因此其修复心肌和逆转心肌重构的作用并不明显。目前针对SSEA-1+心脏干细胞研究较少，其分化机制仍难以明确。

2.7 心肌球源性干细胞

研究人员在心脏干细胞扩增培养液中放置心肌球后，发现一种可以不断分裂增殖的细胞，称为心肌球源性干细胞（cardiosphere-derived cells，CDCs）。考虑CDCs作用机制可能是通过再生和旁分泌血管内皮生长因子来代替受损组织、改善微循环[14]。

2.8 心外膜派生细胞（Epicardium-derived cells，EPDCs）[15]

EPDCs是通过上皮细胞间质转型（epithelial-mesenchymal transitions，EMT）方式分离出来。据相关研究发现它在成熟心脏内有分化为心肌细胞的潜能。然而，Peralta.M.[16]在研究中发现EPDCs对心肌的恢复作用同样微乎其微。

八种细胞联系：共识认为在一个具体部位中可能存在一种或一种以上的CSC，这些细胞都具有修复损伤心肌的潜能，它们相互联系，共同维持心脏稳态，但具体的协作机制仍不清楚[17]。

3 心脏自体干细胞的来源

普遍认为CSC来源于胚胎期和骨髓的心脏祖细胞。骨髓是体内各器官原始细胞的主要来源，这些细胞从骨髓微环境中分化出来后进入血液循环，定居在心脏和其他器官。Fazel教授等[18]发现c-Kit+心肌干细胞起源于骨髓，研究人员建立了一种嵌合体小鼠模型，此小鼠骨髓含有绿色荧光蛋白转基因，分离小鼠心脏干细胞后发现绝大多数c-Kit+细胞携带绿色荧光蛋白基因。因为在心脏胚胎发育过程中发现了Islet-1+细胞的存在，它可分化为心肌细胞[19]，因此考虑Islet-1+细胞很可能来自胚胎期心脏祖细胞。尽管如此，CSC的具体来源仍不明确，还需要进一步研究。

4 心脏自体干细胞移植

4.1 自体心脏干细胞移植的方法

目前有两种：经皮冠状动脉输入移植法和开胸心肌层内注射移植法。经皮冠状动脉注入移植法虽然有发生血栓的危险，但操作相对简单，创伤小，移植数量相对多，移植后分布均匀，是CSC最常用的移植方法[20]。开胸心肌层内注射移植法[21-22]，常用于开胸手术的患者，但创伤大，而且受很多条件约束。Lee等[22]在动物实验中，开胸直视下分别在猪心脏梗死区受损心肌区和梗死周边区的正常心肌区的心肌层内注射CSC，24h后发现梗死区的新移植CSC存活率为0，而移植到正常心肌区CSC存活率为8%-9%，从而证实CSC在正常心肌区更容易存活，移植效率更高。另外，经皮心内膜穿刺移植法虽然已经被广泛的应用于骨髓源干细胞移植，但对CSC移植的效果还有待考证。同时人们也在寻找不同的移植方法，如通过其他的介质把CSC移植到损伤的心脏区[23]。

4.2 心脏自体干细胞移植时机

CSC移植成功率受心肌微环境的影响，而心肌微环境很大程度上受MI时间长短的影响。心肌梗死早期炎性物质大量分泌，晚期瘢痕组织形成，都严重影响的移植细胞的生存及迁移。目前研究发现CSC移植最佳条件：（1）梗死区炎症反应基本减退。（2）梗死区形成微细毛细血管。（3）尚无瘢痕组织生成。同时大量研究表明在MI后7-8d，心肌分泌细胞血管内皮生长因子达到高峰，此时炎症反应既可以基本消失，瘢痕组织又未形成，为CSC移植的相对最佳时间窗口。虽然目前研究支持上述理论，但CSC移植治疗MI最佳移植时机仍不能确定，需要在以后的研究中继续探索。

4.3 心脏自体干细胞移植剂量

用于小鼠移植干细胞的数量无法推断出人类需要的剂量，剂量过低疗效较差，过高对分化效应的增加也不明显[24]。大多数临床研究表明无论细胞移植的数量多少，其到达梗死区心肌的干细胞数量有限，对于左心室射血分数的改善幅度在10%甚至更低。

4.4 心脏自体干细胞移植效果

大量的动物和前期的临床实验都证明了CSC移植确实能改善心脏功能，但根据最近新的荟萃分析发现干细胞移植对心肌梗死治疗效果仍不明确，若对移植后心脏进行评估影像技术分析：干细胞移植治疗确实可以抑制患者心肌重构，改善心脏功能（如提高左室射血分数等）和减少梗死面积；但通过心脏磁共振成像技术进行分析发现上述疗效并不明显，并不能降低心脏不良事件发生率[7]。同时有类似的研究表明：干细胞治疗组与安慰剂治疗组之间的MI患者全因死亡率相同[25]。目前CSC的移植效果仍有待考证。

5 目前存在的问题

5.1 缺乏标准的评价手段

本就“脆弱”的CSC在心肌缺血、缺氧、代谢废物堆积的损伤部位如何归巢、分化？宿主心肌与新生心肌细胞如何无缝的协调产生机电偶联？ 目前由于术后在体细胞示踪技术还不完善，以及术后患者心脏功能和I期临床状态的评价方法缺乏统一标准，使得CSC移植后无法及时准确的评价有效性，而且移植后细胞在移植心肌局部微环境中的变化研究也不多。目前仅仅是靠影像学手段（冠脉造影、磁共振扫描、SPECT、心脏超声）来综合评价干细胞移植的疗效。细胞的移植过程和细胞移植后局部微环境对局部心肌的病理生理变化及移植细胞的去向的影响仍然没有一致意见。

5.2 干细胞移植并发症

目前的临床研究多为非随机化小样本的研究，这些小样本临床研究显示CSC移植治疗的疗效优劣不一，移植后的并发症在各种动物及临床试验中引人关注。Vulliet等[26]在动物实验中观察到CSC移植后发生室性心律失常。随后的研究发现干细胞移植有形成钙化[27]、微血栓、肿瘤的倾向[28]，但机制仍不能明确。近几年CSC移植已逐步在临床开展开来，但有关不良并发症的报道却很少。有人认为CSC移植移安全且无任何不良并发症[29]。

6 展望

CSC移植治疗MI作为一种新思维、新模式，已成为21世纪治疗MI的重要研究方向，希望最终成为攻克MI愈后差的好办法。目前，CSC移植治疗尚处于快速发展期，仍有许多问题丞待解决，如CSC是如何在心脏的环境内静止以及心肌修复完成后它是怎样被诱导凋亡的；CSC移植治疗所需要的的技术和设备要求较高，操作复杂以及可能引起的微梗死、心律失常等严重并发症。

因此，如果深入研究CSC移植治疗MI过程中的修复机制，并且在广泛应用于临床之前，充分认识并尽量地避免其可能引起的并发症，将会推动CSC移植治疗MI跨入全新的时代，而CSC本身所具有的天然优势使其具有广阔的应用前景。

【参考文献】

[1]自体干细胞移植规范化治疗心血管病的专家共识[J].中华细胞与干细胞杂志， 2015，5（5）：1-6.

[2]Roberto Bolli，Xian-Liang Tang，Santosh K.Sanganalmath，et.al.Intracoronary Delivery of Autologous Cardiac Stem Cells Improves Cardiac Function in a Porcine Model of Chronic Ischemic Cardiomyopathy[J].Circulation，2013，128：122-131.

[3]Peter V，Johnston，Tetsuo Sasano，et.al.Engraftment，Differentiation，and Functional Benefits of Autologous Cardiospher-Derived Cells in Porcine Ischemic Cardiomyopathy[J].Circulation，2009.120：1075-U95.

[4]Giuseppe Gianfranceschi，Angela Caragnano，Silvano Piazza，et al.Critical role of lysosomes in the dysfunction of human Cardiac Stem Cells obtained from failing hearts[J].International Journal of Cardiology，2016，216：140-150.

[5]Broughton，Kathleen M，Sussman，et al.A.Empowering Adult Stem Cells for Myocardial Regeneration V2.0 Success in Small Steps[J].Circulation Research，2016：867-880.

[6]Liang Hongliang，Duan，Weixun，et al.The roles of nanocarriers on pigment epithelium-derived factor in the differentiation of human cardiac stem cells[J].Cell And Tissue Research，2015，362：611-621.

[7]De Jong R，Houtgraaf JH，Samiei S，et al.Intracoronary stem cell infusion after acute myocardial infarction：a meta analysis and update on clinical trials[J].Circ Cardiovasc Interv，2014，7：156-167.

[8]K Kaur，J Yang，JG Edwards，et al.G9a histone methyltransferase inhibitor BIX01294 promotes expansion of adult cardiac progenitor cells without changing their phenotype or differentiation potential Authors[J].Cell Proliferation，2016，49：373-385.

[9]Pratico Elizabeth D.，Feger Bryan J.，Watson Michael J，et al.RNA-Mediated Reprogramming of Primary Adult Human Dermal Fibroblasts into c-kit+Cardiac Progenitor Cells[J].Stem Cells And Development，2015，24：2622-2633.

[10]Martin，CM （Martin，CM），Meeson，AP（Meeson，AP），Robertson，SM（Robertson，SM）， et al.Persistent expression of the ATP-binding cassette transporter，Abcg2，identifies cardiac SP cells in the developing and adult heart[J].Developmental Biology，2003，265：262-275.

[11]KiSook Parka，Barry M.Gumbinerc，et al.Cadherin-6B is required for the generation of Islet-1-expressing dorsal interneurons[J].Biochemical And Biophysical Research Communications，2015，459：504-508.

[12]Bu L，Jiang X，Martin-Puig S，et al.Human ISL1 heart progenitors generate diverse multipotent cardiovascular cell lineages[J].Nature，2009，460：113-117.

[13]Zhang，Yuan；Sivakumaran，Priyadharshini，et al.Cardiac Repair With a Novel Population of Mesenchymal Stem Cells Resident in the Human Heart[J].Stem Cells， 2015，33：3100-3113.

[14]Chimenti I，Smith RR，Li Ts，et a1.Relative roles of direct regeneration versus paracrine effects of human cardiosphere-derived cells transplanted into infareted mice[J].Circ Res，2010，106：97l-980.

[15]Vieira JM，Riley PR.Epicardium-derived cells：a new source of regenerative capacity[J].Heart.2011，97：15-19.

[16]González-Rosa，JM Peralta.MMercader N，et al.Pan-epicardial lineage tracing reveals that epicardium derived cells give rise to myofibroblasts and perivascular cells during zebrafish heart regeneration[J].Developmental Biology，2012，370：15-17.

[17]Farahani，Ensieh；Patra，et al.Cell adhesion molecules and their relation to （cancer） cell stemness[J].Carcinogenesis，2014，35：747-759.

[18]Chen，Chia-Ling，Faltusova，et al.Low c-Kit Expression Level Induced by Stem Cell Factor Does Not Compromise Transplantation of Hematopoietic Stem Cells[J]. Biology Of Blood And Marrow Trnsplantation，2016，22：1167-1172.

[19]Turner，Elizabeth C，Huang，et al.A Novel Selectable Islet 1 Positive Progenitor Cell Reprogrammed to Expandable and Functional Smooth Muscle Cells[J].Stem Cells，2016，34：1354-1368.

[20]Johnston PV，Sasano T，Mills K，et al.Engraftment，differentiation，and functional benefits of autologous cardiosphere-derived cells in porcine ischemic cardiomyopathy[J].Circulation，2009，120：1075-1083.

[21]陈振，王联发，周文兵.干细胞移植治疗心脏病进展[J].疑难杂症，2011，10（3）：236-239.

[22]Lee ST，White AJ，Matsushita S，et al.Intramyocardial injection of autolo-gous cardiospheres or cardiosphere-derived cells preserves function and minimizes adverse ventricular remodeling in pigs with heart failure post-myocardial infarction[J].Journal Of The American College Of Cardiology，2011，57：445-465.

[23]Zakharova L，Mastroeni D，Mutlu N，et al.Transplantation of cardiac progeny-tor cell sheet onto infarcted heart promotes cardiogenesis and improves function[J]. Cardiovasc Res，2010，87：40-49.

[24]Bedada，Fikru B，Wheelwright，et al.Maturation status of sarcomere structure and function in human iPSC-derived cardiac myocytes.Biochimica ET Biophysica Acta-Molecular Cell Research[J].2016，1863：1829-1838.

[25]中华临床医师杂志（电子版），2012，12，6（24）：8171-8172.

[26]Gianfranceschi，Giuseppe，Caragnano，et al.Critical role of lysosomes in the dysfunction of human Cardiac Stem Cells obtained from failing hearts[J]. International Journal Of Cardiology，2016，216：140-150.

[27]Agarwal，Udit Smith，Amanda W，et al.Age-Dependent Effect of Pediatric Cardiac Progenitor Cells After Juvenile Heart Failure[J].Stem Cells Translational Medicine，2015，5：883-892.

[28]Li Zhenqing，Fan Zhaobo，Xu Yanyi，et al.Thermosensitive and Highly Flexible Hydrogels Capable of Stimulating Cardiac Differentiation of Cardiosphere-Derived Cells under Static and Dynamic Mechanical Training Conditions[J].Acs Applied Materials& Interfaces，2016，85：15948-15957.

[29]Wu Yuanfan，Zhou Jing，Bi Liqing，et al.Effects of bone marrow mesenchymal stem cells on the cardiac function and immune system of mice with endotoxemia[J]. Molecular Medicine Reports，2016，13： 5317-5325.

[责任编辑：汤静]