缺血性心肌病的干细胞治疗研究进展

陈轶竹 刘志刚

(中国医学科学院 北京协和医学院 泰达国际心血管病医院 心脏外科， 天津 300457 )

缺血性心肌病(ischemic cardiomyopathy，ICM)是指由冠脉疾病导致的心肌变性、坏死甚至纤维化，并导致严重左心室功能障碍[左心室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)≤5%～40%]，是导致终末期心力衰竭最常见的原因之一[1,2]。尽管ICM的治疗方法近年来不断发展并逐步完善，但目前的治疗方案始终无法逆转坏死的心肌。在Strauer等[3]研究中，将20例急性心肌梗死患者分成细胞治疗组和标准治疗组，其中10例急性心肌梗死患者在球囊扩张(经皮冠状动脉腔内成形术)过程中通过球囊导管将自体单核心肌细胞移植到梗死相关动脉，另外10例急性心肌梗死患者仅接受标准治疗。经过3个月的随访，细胞治疗组梗死区域(由左心室造影确定)明显小于标准治疗组(P=0.04)；且只有细胞治疗组的梗死壁运动速度显著增加[3]。这证明选择性自体单核细胞冠状动脉内移植是安全、有效的，冠状动脉内自体细胞移植确实可以改善心肌梗死面积和左室收缩能力，其治疗效果可能与骨髓干细胞(bone marrow stem cells，BMCs)相关的心肌再生和新生血管形成有关。因此，通过干细胞移植来治疗ICM，是目前逆转坏死心肌、改善患者预后的重要方向。本文就当前ICM的最新干细胞治疗进展作一综述。

干细胞是一类具有自我更新和分化能力的多潜能细胞，在一定条件下能够产生高度分化的具有多种功能的细胞[4]。干细胞主要分为两种类型：胚胎干细胞(embryonic stem cells，ESCs)和成体干细胞。成体干细胞又可以进一步分为来自骨髓、心脏组织、脂肪组织、脐带、骨骼肌和诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells，IPSCs)等。因此，可供移植的干细胞种类多样，主要包括间充质干细胞(mesenchyml stem cells，MSCs)、BMCs、心脏干细胞(cardiac stem cells，CSCs)、IPSCs、脂肪干细胞(adipose-derived stem cells，ASCs)、ESCs、内皮祖细胞( endothelial progenitor cells，EPCs)、脐血干细胞、骨骼肌干细胞等。

1 间充质干细胞

MSCs是存在于骨髓、骨骼肌、皮下脂肪组织、牙髓和肺等多种器官组织中，具有自我更新、分化和免疫调节特性的多能干细胞，它们能够分化为多种细胞类型，如骨、软骨、心肌、骨骼肌、血管内皮细胞、血管平滑肌细胞等。MSCs主要用于组织修复和再生，目前其临床潜力已扩展到心肌梗死、卒中、多发性硬化、肝硬化、糖尿病、肺损伤和肿瘤的治疗。在各种MSCs中，骨髓源性间充质干细胞(bone marrow-derived MSCs，BMSCs)已被用于治疗ICM。因此，MSCs是治疗心肌梗死的潜在候选细胞。Bian等[5]研究报道了MSCs在缺氧刺激下可以释放出大量直径约100 nm的细胞外囊泡，释放的细胞外囊泡可迅速被人脐静脉内皮细胞吸收，导致内皮细胞体外增殖、迁移和血管形成能力增强；在急性心肌梗死大鼠模型中，心肌内注射MSCs释放的细胞外囊泡可增强血流恢复，缩小梗死面积，使心肌收缩和舒张功能得到保护。这表明，MSCs释放的细胞外囊泡可通过促进血管形成的方式保护心肌组织免受缺血性损伤。因此，利用MSCs治疗ICM，能够促进心肌血管的生成，改善血供，减少心肌细胞的坏死，进而改善心脏功能。另外，MSCs来源的外泌体通过其抗凋亡、抗炎、促血管生成和免疫调节作用，可以保护心脏[6]。分化潜能是MSCs修复组织的一种可能途径，其分泌的介质是促进愈合作用的重要原因。MSCs可以通过自分泌作用促进自身生存和增殖，也可以分泌营养因子，通过旁分泌作用于邻近细胞[7]。总体来说，MSCs主要通过自分泌轴、旁分泌轴和内分泌轴介导心脏修复。

MSCs的自分泌活性是由分泌因子作用于干细胞本身诱导的。MSCs的自分泌效应与其分化能力密切相关。例如，Mayer等[8]研究表明，血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A)的自分泌信号活性可以影响人BMSCs的成骨分化。此外，自分泌效应可以增强干细胞在恶劣微环境中的存活或增殖。Lee等[9]证明了人脐血MSCs分泌的前列腺素E2(prostate glands E2，PGE-2)可通过EP2受体维持其自我更新。

MSCs治疗的主要优势是通过旁分泌多功能分子作用于邻近细胞。MSCs可通过分泌可溶性旁分泌因子来保护心脏，促进新生血管形成，并通过激活心源性祖细胞介导心肌内源性再生。MSCs产生并分泌多种细胞因子、趋化因子和生长因子，这些因子参与了干细胞对心脏修复的过程[10]。心肌内源性心肌祖细胞一旦被激活，可能分化为心肌细胞、内皮细胞或平滑肌细胞，起到保护心脏的作用。移植的MSCs和心肌组织释放的VEGF可使干细胞从心脏本身和骨髓动员到心肌梗死区[11]。

内分泌器官分泌的激素和因子远距离作用于其他组织，需要系统循环到达它们的特定受体，以干预它们的内分泌反馈回路。我们认为正五聚蛋白-3(pentraxin 3，PTX-3)可能是一种中介，以内分泌样方式对缺血再灌注损伤起保护作用。MSCs/ASCs可通过自分泌增强干细胞活性、旁分泌和内分泌改善局部心脏修复等不同机制发挥作用，通过干细胞或祖细胞进一步对抗心肌损伤[7]。

2 骨髓干细胞

在骨髓中存在着许多功能不同的前体细胞，包含造血干细胞( hematopoietic stem cells，HSCs)、EPCs及BMSCs等[12]。在ICM的治疗中，BMSCs 已被证实能改善心肌功能，促进血管新生，并减少心肌纤维化。Hare等[13]首次证实了BMSCs的疗效，他们发现在30例ICM患者中，经心脏注射异体BMSCs和自体BMSCs后均能减少心肌梗死面积和改善左心室舒张末期容积，其中异体BMSCs移植未见明显免疫排斥反应。BMSCs对心脏修复的远程影响可能是通过激活周细胞、微血管壁细胞来介导的；周细胞具有很强的再生能力，与MSCs非常相似。干细胞治疗已经证明，周细胞注射可以逆转心脏重构，抑制纤维化和炎症，同时促进血管生成[14]。总的来说，BMSCs注射对患者的心室重构、心脏功能和生活质量都有良好的影响。

3 心脏干细胞

Hierlihy等[15]描述了在成人心脏中分离出的具有干细胞行为的细胞。此后，CSCs的存在已被多个研究小组证实[16，17]。CSCs是一种可再生的细胞，作为心肌细胞更新的基础，已被证明可分化为心肌细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞，且具有心脏再生的潜力[18]。Yamada等[19]诱导小鼠中期、晚期和终末期ICM模型，评估CSCs治疗对左心室容量(疾病严重程度的一个替代指标)的获益，发现在CSCs治疗后1个月显著获益。中期ICM对CSCs介导的修复反应最为明显，表现为结构和功能的恢复；晚期ICM对CSCs治疗反应较差，虽然可以改善收缩力，但不能逆转已存在的心脏扩大；终末期ICM对CSCs治疗反应最差[19]。这一研究证明了CSCs的最佳治疗窗口。因此，在细胞治疗之前，应考虑疾病严重程度分级，以便为再生医学干预提供参考依据。

4 诱导多能干细胞

IPSCs最早是在2006年通过小鼠成纤维细胞核重编程产生的[20]，而人类IPSCs是在2007年通过定义因子的转导建立起来的[21]。它们具有巨大的分化潜力，因此是心脏再生治疗中最有前途的干细胞之一[22]。IPSCs通过旁分泌细胞因子的作用可以改善ICM的心功能。心脏原生的心肌细胞可能不完全适合修复受损心肌。因此，IPSCs可能是修复受损心肌的重要方式，因为它们有可能整合到心脏系统中以恢复其功能。在精准医疗的时代，患者特异性成纤维细胞可被重新编程为针对心脏系统的IPSCs，用于细胞移植。

5 脂肪干细胞

利用ASCs进行心脏再生治疗被认为是修复心肌梗死后受损心肌的一种有前景的方法，它通过旁分泌作用改善左室收缩能力，同时分泌的血管生成因子可促进新生血管形成[23]。Yang等[24]在小鼠心肌梗死模型中比较了人类ASCs和ASC条件下的培养基，观察到两种治疗方式均降低了心肌梗死面积，减少了心肌细胞凋亡，并改善了心脏的功能。Preda等[25]研究发现，ASCs远程移植可保护心脏免于缺血再灌注损伤；他们发现皮下注射的ASCs没有系统迁移，但在注射部位局部增殖；这些基因改良的ASCs能够改善梗死后的心脏功能。Rasmussen等[26]和Paul等[27]研究亦表明ASCs对心脏具有保护作用。Lee等[28]研究表明，ASCs释放的骨保护素(osteoprotegerin，OPG)可以保护心肌细胞免受活性氧诱导的细胞死亡。OPG由干细胞、成纤维细胞和内皮细胞产生，是一种可溶性诱饵受体，可与肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体结合，从而中和凋亡诱导因子介导的凋亡信号[29]。这些研究结果进一步为干细胞的旁分泌效应提供了依据，并为设计一种有效的干细胞的治疗策略奠定了基础。

6 胚胎干细胞

ESCs可以产生生物体中所有类型的细胞。将ESCs移植到梗死心肌组织后，形成稳定的心肌组织结构，并可以明显改善血流动力学，因此它是治疗ICM中最有希望的干细胞类型[30,31]。但ESCs的移植仍存一些问题，包括移植排斥反应、心律失常和畸胎瘤的潜在风险，社会、法律、移植带来的伦理等诸多问题，从而限制着ESCs移植在治疗ICM中的应用[32]。

7 展望

近年来ICM患者不断增加，寻找一种治疗ICM的有效方法是目前亟待解决的问题。目前，ICM的治疗手段主要包括冠状动脉旁路移植术(coronary artery bypass grafting，CABG)、经皮冠状动脉介入术(percutaneous coronary intervention，PCI)以及心血管药物治疗等，但这些治疗方法只对顿抑心肌和冬眠心肌有效，无法挽救坏死的心肌。干细胞修复ICM的坏死心肌组织、促进血管新生及改善心脏功能的研究已经取得了一定进展，大量动物实验及临床试验也证实了其有效性。众多的研究提示，干细胞移植可能成为临床治疗ICM的有效手段，值得进一步深入研究。