心外膜细胞在心肌再生和修复中的应用
撰文│高崚 罗伟
编辑│陈圆圆
审校│汤红明
高崚 教授
同济大学转化医学高等研究院研究员，同济大学附属东方医院再生医学研究所研究员，博士生导师，曾任美国阿拉巴马大学伯明翰校区Research V。主要致力于心肌缺血损伤及内源性保护机制、多能干细胞向心血管细胞分化及转分化机制、利用组织工程构建心肌补片、探索人多能干细胞衍生心血管细胞移植对缺血心肌保护等方面的研究。在Circulation、Circulation Research等国际心血管专业期刊发表论文20余篇。参与或主持了国家重大新药创制专项、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目。
心外膜是覆盖在心脏外层的单层间皮组织，外侧与心包腔内的液体接触，内侧通过心外膜下层与心肌层相连。心外膜细胞是一类存在于心外膜中，包含多种祖细胞标记基因（比如TBX18、WT1、TCF21等）的细胞，可分化形成血管平滑肌细胞、成纤维细胞等多种心系细胞。它不仅能促进心脏的发育及冠脉系统的生成，而且能够在心梗发生后积极参与到心脏的损伤修复中。心外膜细胞的这些功能特征接近于人们理想中的“心脏干细胞”，因而成为心肌再生和修复领域的研究热点。本文将对心外膜细胞在心脏发育、损伤修复及心梗治疗方面的研究进展进行简要介绍。
一、心外膜细胞和心外膜源细胞的起源
心脏发育早期，仅有心肌和心内膜，无心外膜层，后来发育过程中，在心管流入极附近出现指状突起样器官，称之为前心外膜器官，心外膜来源于此处的前心外膜（proepicardium，PE）。PE来源于脏壁中胚层，当PE细胞指状突触与环化后的心肌表面接触后，前心外膜细胞开始增殖并包裹整个心脏，形成心外膜。一旦心外膜建立，心外膜细胞将直接开始参与心脏组成的形成。在发育过程中，一部分心外膜细胞经过上皮-间充质转化（epithelial - mesenchymal transition，EMT），形成具有多向分化能力的间充质细胞，即心外膜源细胞（epicardium-derived cell，EPDC），此后，EPDC可侵入心外膜下的基质并随后迁移到心肌层中去，并分化为心脏中的多种组成细胞，如血管平滑肌细胞、成纤维细胞、间充质干细胞等，参与心脏发育和形成原发冠脉系统的血管壁，但是EPDC是否可分化为心肌细胞和内皮细胞，目前尚存争议。
二、心外膜细胞和EPDC的功能
心外膜细胞及EPDC具有旁分泌作用，能分泌多种因子，在心脏生长发育、冠状血管形成等方面起到了非常重要的作用。目前已经证实的因子有以下几种：① 视黄酸（retinoic acid，RA），是哺乳动物心脏发育所必须的信号因子，影响心肌细胞的增殖；② 促红细胞生成素（erythropoietin，EPO），EPO及其受体缺失均可导致心室壁变薄及心外膜结构异常；③ 成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factors，FGFs），FGFs家族含有22个配体，其中FGF9，FGF16和FGF20在心外膜中表达，FGF2在心外膜及心肌均有表达，与其各自受体结合后可调节心外膜及心肌细胞的发育；④ 转化生长因子β （transforming growth factor-beta，TGFß），参与调控心外膜细胞间充质转化以及EPDC向平滑肌细胞分化。
三、心梗后心外膜细胞和EPDC的代偿作用
正常状态下，成体心脏心外膜细胞处于静止状态。心肌缺血梗死将导致大量心肌细胞死亡，心外膜细胞在心脏损伤初期即能迅速地做出响应并起到关键作用。首先，心外膜细胞重新转变为活化状态，表达胚胎期特异性基因。其次，活化的心外膜层由单细胞层转变为多细胞层，整个心脏心外膜均可出现活化状态，但以心梗周边区域最明显，并重新包覆损伤部位。同时心外膜再次出现EMT和EPDC迁移，分化成平滑肌细胞及成纤维细胞等，分泌胞外蛋白对损伤心脏进行了最初的支撑和修补，阻止损伤的扩大。
另外，心外膜细胞及EPDC也可通过旁分泌作用，促进梗死区和梗死周边区心脏微血管生成和细胞增殖，从而保护受损心肌。目前已经证实，心梗后心外膜的RA信号通路、Notch信号通路、Wnt/β-catenin信号通路、Insulin-like growth factor、Hippo-YAP信号通路均可被激活，从而通过旁分泌作用，影响心肌细胞的增殖，促进心梗后的心脏修复。
四、心外膜细胞在心梗治疗中的应用潜能
目前较为理想的治疗心梗的措施是通过注射或补片的形式直接移植心外膜细胞，并诱导其分化为心血管细胞，替代或修复受损的心脏细胞和血管，为心肌及血管再生提供关键细胞来源，并弥补目前干细胞移植存活率不高的缺陷。同时可通过增强所移植细胞的旁分泌能力，保护心梗后的心肌组织，促进原有心肌和血管再生，改善心功能。
然而在临床应用中，如果直接使用成人的原代心外膜细胞进行扩增后移植，会造成取材损伤并可能引起免疫排斥反应，技术上也有一定难度。如果使用胚胎心外膜细胞进行移植又存在伦理方面的问题。
体细胞重编程技术的出现成功解决了细胞来源的问题，诱导多能干细胞（iPSC）技术及iPSC定向分化成心外膜细胞系技术解决了细胞体外扩增和诱导分化的难题。人iPSC分化的心外膜细胞单独或联合其他分化的心血管细胞一起移植，预计将显著改善心梗病人心脏的收缩功能，提升其生活质量，在临床上有着广阔的应用前景。
总之，在心梗的损伤修复和再生研究中，人心外膜细胞是一种非常有潜力的治疗靶点和移植材料，应充分认识其调控机制并明确其疗效，以期早日将其应用于临床，造福人类。
（本文来源于《医学参考报》干细胞与再生医学频道2019-03期第二版原创文章，ID：yxckbsc2019030201。图片来源于网络，如有侵权，请联系删除。）
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