心肌细胞产生方式

唐宝琛

(上海市川沙中学 上海 201200)

一、背景

心脏是哺乳动物非常重要的器官之一，心脏在工作时类似一个“泵”，可为身体各个器官提供血液，而血液中含有细胞代谢所需的氧气和营养物质，这些物质随着血液的流动而运输至全身各处。除此之外，细胞代谢产生的废弃物也可通过血液运输排出。哺乳动物的心脏具有四个腔室，包括左心室、左心房、右心室和右心房，四个腔室共同发挥心脏的功能。除此之外，心脏中含有瓣膜结构，其功能是为了防止血液的倒流。从微观上说，心脏由大量细胞组成，例如平滑肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞和心肌细胞等，共同构成心脏的各个组织。（如图1）[1]。

图1 心脏解剖结构示意图

随着现在人们生活水平的不断提高，许多不健康的生活习惯也在逐渐增加，这些不健康的生活习惯会导致多种疾病的发生，其中也可引起心脏疾病的产生。有研究表明，我国心脏疾病的患病率与死亡率都在逐年上升，其已经成为我国居民死亡的主要原因（如图2）[2]。不良生活习惯可能会导致心脏血管由于脂肪的累积而堵塞，从而导致血液流动不通畅，使得周围细胞供血不足，进而使大量心肌细胞死亡，甚至可导致人体死亡，因此，心脏疾病的治疗刻不容缓。

图2 心血管疾病死亡率居疾病死亡率首位

心肌细胞的增殖能力对于不同物种不同的生长发育阶段也存在差异。例如小鼠心肌细胞的增殖能力在出生后一周内不断减弱，但在青春期（出生后15天）有一个短暂的增强[4]。对于人来说，其心肌细胞增殖能力从一开始就较弱，但在20岁之前心肌细胞有着一定水平的更新能力[5]。再例如非哺乳动物斑马鱼，其心肌细胞增殖能力并不随着发育时间的延长而减弱，反而一直维持较高水平[3]。

心脏疾病可能导致大量心肌细胞死亡，然而哺乳动物心肌细胞增殖能力较弱，导致心脏受损后难以恢复。因此，如何提高心肌细胞的增殖能力，是心脏疾病治疗中较为关键的问题。而该过程中了解心肌细胞的产生方式也较为重要。本研究通过查阅文献的方式，了解、对比、总结心肌细胞产生方式，从而对心脏疾病治疗提供借鉴意见。

二、斑马鱼心肌细胞产生方式

对于非哺乳动物斑马鱼来说，如若对成年斑马鱼心脏切除20%的心脏组织，随后观察其心脏的恢复能力，可以发现在其受损后30天，心脏可以很好地恢复，并且瘢痕组织完全消失，该实验表明成年斑马鱼心脏具有较高水平的再生能力，并且有证据表明新增的心肌细胞是由原心肌细胞增殖而来（如图3）[3]。

图3 斑马鱼心脏损伤后可完全修复

心脏再生过程中是否存在心肌细胞增殖能力的增强？为验证该假设，实验人员利用BRDU（用于标记DNA复制）进行了标记实验，检测心肌细胞增殖能力的变化情况，发现斑马鱼心脏在损伤后，心肌细胞增殖能力相对于对照组来说明显增强，并且受损部位增殖能力明显强于未受损区域。

心肌细胞增殖能力的增强导致了心脏的再生，那么，在此过程中心肌细胞是如何产生的呢？未解决该问题，研究人员通过透射电子显微镜观察其细胞结构，发现在受损后5-7天内心肌细胞内部原周期性排列的结构被打乱，该过程称为心肌细胞退分化，而具有退分化的心肌细胞才具有增殖能力，才可进一步完成分裂过程。以上内容证明斑马鱼心肌细胞是通过细胞退分化来完成心肌细胞增殖能力的增强的（如图4）[4]。

图4 新的心肌细胞由已存在的细胞退分化产生

以上实验共同证明，斑马鱼在心脏受损后，新心肌细胞的产生可由原有心肌细胞退分化，完成分裂进而达到心脏再生的目的。

三、小鼠心肌细胞产生方式

对于哺乳动物的小鼠心脏，做类似斑马鱼的实验，在小鼠出生后一天切除其心尖的10%～15%心脏组织，在损伤后21天，发现其心脏可像损伤后的斑马鱼一样完全修复，并且胶原组织也完全消失（如图5），除此之外，心脏的功能及重量均与假手术组相当[4]。说明此时心脏已经完全修复，并与假手术组一。以上结果证明，小鼠出生后一天心脏同成年斑马鱼一样具有较强的再生能力。

图5 小鼠心脏损伤后可完全修复

同样的，为了验证心脏再生过程中心肌细胞增殖能力的变化情况，研究人员通过phospho-H3（可检测处于细胞核分裂的心肌细胞）标记实验，进而检测心肌细胞的增殖能力变化情况，发现在初生小鼠心脏受损后，其心脏各部分（损伤区、损伤边缘区及远端区）的心肌细胞增殖能力均有明显增强，并且其心肌细胞也出现退分化的现象，说明，此时心肌细胞也能够通过退分化的方式进行细胞增殖，以完成心脏修复（如图6）[5]。

图6 新的心肌细胞由已存在的细胞退分化产生

以上实验共同说明，初生的小鼠新的心肌细胞也是能够通过原有的心肌细胞通过退分化增殖产生。

四、讨论

心脏是人体重要的组织器官，心脏疾病会导致心脏大量细胞死亡，而心肌细胞的增殖能力较弱，因此，探寻如何提高心肌细胞的增殖能力，是心脏疾病治疗中较为关键的问题。本文通过查阅文献，整合了非哺乳动物斑马鱼和初生小鼠心脏受损后心肌细胞增殖能力变化情况，发现其皆能通过退分化恢复原有心肌细胞的增殖能力，产生新的心肌细胞。

那么，既然哺乳动物和非哺乳动物心肌细胞均可由原有的心肌细胞退分化产生，在人的心脏疾病治疗过程中，是否可以通过刺激心肌细胞退分化，从而使原有心肌细胞退分化产生新的心肌细胞，并对疾病进行治疗呢？该问题需要进行进一步研究。而本文可对心脏疾病的治疗提供些许借鉴意见。