心脏再生——旧梦想的新希望

撰文│刘薇  何志颖

编辑│郑天慧

审校│汤红明

与肝脏、皮肤和骨骼肌等器官相比，心脏再生能力极小，心肌细胞的任何损失基本上都是不可逆的，并可能导致或加重心力衰竭。可以说，心脏修复的关键在于新的心肌细胞的生成，当前迫切需要开展心肌细胞及其再生机制研究。目前，使用不同来源的细胞补充心肌细胞的损失有三个不同途径：刺激心肌细胞增殖、非肌细胞转分化为心肌细胞、移植多能干细胞来源的心肌细胞。三种策略都实现了受损伤心脏的血管重建，但尚有大量的工作需要开展，以评估每种疗法的风险-效益比。

据【《Annual Review of Physiology》2020年10月报道】题：心脏再生——旧梦想的新希望（作者Florian Weinberger, Thomas Eschenhagen等）

与肝脏、皮肤和骨骼肌等器官相比，心脏再生能力极小。心脏的构成细胞中缺乏祖细胞群，心肌细胞在个体出生后不久就退出细胞周期。之后，即使心脏受伤，也不会再重新进入增殖周期。因此，心肌细胞的任何损失基本上都是不可逆的，并可能导致或加重心力衰竭。

临床证明，心肌细胞数量与心脏射血分数负相关，而心肌细胞的减少与心肌梗死的发生正相关。可以说，心脏修复的关键在于新的心肌细胞的生成，当前迫切需要开展心肌细胞及其再生机制研究。目前，使用不同来源的细胞补充心肌细胞的损失有三个不同途径：刺激心肌细胞增殖、非肌细胞转分化为心肌细胞、移植多能干细胞来源的心肌细胞。

一、心肌细胞激活

在未损伤的生理条件下，出生后心肌细胞的增殖是罕见的。对于心肌增殖的潜力，不同课题组使用不同的模型和方法得到的结论在细节上略有不同。但均认为心肌细胞在胚胎发育期间显示了巨大的再生潜力。这一增殖潜能在出生后仅存在一个短暂的时间窗口，随后迅速消失。2011年，Porello课题组证明新生小鼠在出生7天内，心脏根尖切除后会产生非常活跃的再生反应。2018年，Su课题组证明这一可再生时间窗口在猪身上也存在，只是时间缩短为2天。研究认为，人类可能也存在类似窗口。在这个短暂的再生周期之后，心脏只具有极小的再生能力。

为什么成人心肌损伤后不重新进入细胞周期? 研究显示，驱动心肌细胞退出细胞周期的可能不是单一因素，而是ROS、多倍体、脂肪酸氧化、细胞外基质成分改变、甲状腺相关信号通路等一系列因素共同导致的。一个常见的假设是，心肌细胞为了保持器官的功能抑制了细胞分裂。但是，心肌梗死导致的心肌损伤中，由于心脏需要大量新生的心肌细胞，大量成熟的心肌细胞不得不分解肌节，这进一步降低左心室功能。此外，新形成的心肌细胞必须在关键时期成熟并在结构和生理上与心脏原有的心肌细胞整合。新生心肌细胞整合不够迅速很可能在心肌梗死后早期引发心律失常。通过抑制瘢痕形成的小鼠心室破裂模型证明，心肌梗死后心脏瘢痕的形成可能是细胞再生的一个快速替代过程，可以快速稳定心脏，因此提供了进化优势。刺激心肌细胞重回细胞周期，进而诱发心肌细胞增殖是一种很有前景的再生治疗策略。这一策略的优势在于，心肌细胞来源是自体的，因此可以避免细胞移植的免疫问题。此外，刺激心肌细胞增殖可持续抑制损伤后的纤维化反应，导致瘢痕变小。目前为止，文献报道的刺激心肌细胞重回细胞周期的策略有通过转基因方法调控心肌细胞内周期蛋白的表达和调控Hippo信号通路。

心肌细胞过表达Ccnd家族的Ccnd1/2/3，与Cdk4一起调节G1/ s期的转变，过表达Ccnd1/2/3增加了健康心脏中DNA的合成。心脏受损后，Ccnd1、Ccnd3位于局部细胞质，Ccnd2位于核，增加了DNA合成并生成新的心肌。该方法的风险在于过表达转录因子可能会导致心肌增生。

Hippo通路被确定为发育过程中调节心肌细胞增殖的主要枢纽，抑制Hippo通路会促进心肌细胞增殖。YAP和TAZ是Hippo信号传导的效应因子。这一方法已应用于多个心肌损伤动物模型，成功促进心肌细胞增殖和改善左心室功能。无论是在发育过程中还是在出生后的早期心脏中表达，组成性活跃的YAP突变体可以增加心肌细胞增殖，缺失YAP降低了心肌细胞增殖并导致心肌发育不全。组成性活跃的YAP和心肌细胞特异性Salv敲除可刺激心肌损伤后心肌细胞增殖，改善左心室功能。但是，心肌细胞的增殖总是以降低收缩功能为代价，这对该方法的临床应用提出了警告，持续抑制Hippo信号可以诱导心肌细胞去分化，并在慢性压力超负荷模型中产生有害影响。

二、非心肌细胞重编程后移植

心肌损伤后，成纤维细胞被激活，分泌大量的细胞外基质蛋白，最终与细胞外基质一起形成瘢痕组织。因此，如果可以诱导心脏中的成纤维细胞向心肌细胞转分化，则可同时解决促进新生心肌细胞的生成和减少疤痕组织产生的问题。

Bruneau团队通过表达两种转录因子(Tbx5、Gata4)和一种染色质重塑复合物(Baf60c)诱导了非心脏中胚层向心肌细胞转分化。Ieda团队通过病毒过表达三个转录因子Gata4、Mef2c和Tbx5 (GMT)，证明新生小鼠心脏和皮肤成纤维细胞可在体外转分化为心肌细胞。在转分化过程中，细胞绕过了多能性或中胚层祖细胞状态，从成纤维细胞分化为诱导心肌细胞。在体内应用GMT或类似的GMHT虽然效率低，但在形态上和电生理上诱导了更完全的转分化。2012年，Qian团队证明心脏损伤4周后，使用GMT治疗约35%的交界区生成了新的心肌细胞。这些心肌细胞来源于转分化生成。而Song团队发现GMHT处理3周后，约有6%的交界区心肌细胞新生，并计算出产生了1万多个新的心肌细胞。

用GMT或GMHT诱导转分化可持续改善左心室功能，但人类心脏再生仍存在重大障碍，一是人类细胞被证明比小鼠细胞具有更强的抵抗力，重新编程需要更多的因素，且效率低下，转分化会诱导出发育不完全仅具微弱收缩性的心肌细胞；二是成人成纤维细胞比胎儿成纤维细胞更难重新编程，尤其是患有心力衰竭的老年人，年龄已被证明会影响成纤维细胞的组成、激活状态、重编程效率；三是活的心肌细胞的特征尚不清楚，正确的整合和成熟将是决定其心律失常风险的重要因素。

三、多能干细胞移植

研究证明，只有在移植大量细胞时，才能实现受损心脏中血管实质性再生。心肌细胞的缺乏一直是临床研究的主要瓶颈。多能干细胞为人类心肌细胞大量产生提供了来源。

研究发现，干细胞来源的未成熟的心肌细胞在移植后会增殖。当移植到具有类人电生理的实验动物的健康心肌时，移植的心肌细胞能够与宿主心肌发生电耦合。Murry团队开发了一种结合热休克和药物来改善移植的方法。在大鼠梗死模型中移植10×10^6人胚胎干细胞(hESC)来源的心肌细胞，可产生相对大量的定植产物，并可显著改善左心室功能。后续研究显示，当将移植细胞注入瘢痕内时，移植细胞可以存活，并与宿主心肌细胞发生电耦合。

研究证明，多能干细胞在宿主心肌的移植效果比成熟细胞更好。多能干细胞临床应用的困难在于多能干细胞来源的心肌细胞尚不成熟，且这些细胞不能长期存活(140天)。此外，多能干细胞具有致瘤可能性，大量细胞增加了此风险。

四、展望

三种策略都实现了受损伤心脏的血管重建，但三种策略各有隐患。首先，目前的实验结果主要基于(亚)急性前心肌梗死/损伤的动物模型。此外，晚期冠状动脉疾病患者表现出更多样化的疾病特征，病人往往伴随着多种血管疾病和反复缺血事件，很可能会阻碍再生途径。已有研究结果并不完全一致，有研究称左心室功能增加比肌化程度大或循环心肌细胞的百分比所预期的要大，可能原因是由于分析左心室功能或阈值效应的技术限制，也可能是还存在未知机制需要继续研究和解释。目前三种策略应用时，都有不同程度的不良副作用，每种疗法各有利弊。因此，为使心衰患者真正受益于再生疗法，尚有大量的工作需要开展，以评估每种疗法的风险-效益比。

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