Tbx3诱导心脏起搏细胞的再生

撰文  │  张   喜 杨向群（审校）

编辑  │  毕紫娟

审校  │  汤红明

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作者简介

张喜 副教授

      现为海军军医大学人体解剖学教研室副教授，硕士生导师。主要从事心血管再生医学及生物心脏起搏器的研究。从人早胚心管成功分离培养了胚胎心脏祖细胞，此后利用该细胞系深入开展了组织工程化窦房结/传导束的研究工作。以第一作者或通信作者在国内外重要学术期刊发表论文20多篇，其中1篇论文被Global Medical Discovery列为了“关键科学论文”。申请专利共14项，其中11项获授权。作为项目负责人承担国家、军队、上海科研课题项目多项，承担校级以上教改课题项目4 项。

        心脏起搏细胞（pacemaker cells）即P细胞，主要存在于窦房结和房室结中，故又称结细胞。这类细胞能够自发产生动作电位，并传导至心房和心室，驱动工作心肌产生收缩。临床上，窦房结和房室结中的起搏细胞若发生损伤退变，常可导致病窦综合征、房室传导阻滞等心律失常疾患，严重危害人类健康。因此，起搏细胞的再生多年来一直是心脏疾病治疗中备受关注的热点。转录因子Tbx3作为T-box家族的成员之一，广泛存在胚胎组织中，参与胚胎时期许多重要器官的发育调控。它与心脏传导系统发育密切相关，在房室沟和窦房结原基形成之初即开始表达，诱导起搏相关基因表达，调控结细胞表型的最终分化成熟。

一、Tbx3体内重编程心肌细胞成为起搏细胞

        传统观点认为心脏传导系统细胞来源于周围腔室心肌的募集特化，但近年来的研究倾向于认为心脏原基很早即特化为传导类型细胞，通过发育演化最终形成成体传导系统各结构。研究显示， 早胚心管Tbx3⁺的祖细胞逐渐发育为具有自发活性的传导系细胞，Tbx3^-细胞则发育分化为心房、心室的工作心肌细胞。有研究者尝试在心肌中过表达Tbx3，探讨重编程工作心肌细胞向起搏细胞表型分化的可能。国外研究发现异位激活Tbx3能抑制Connexin43和Connexin40、诱导HCN4 的表达，转变鼠胚胎心房肌出现起搏细胞表型。这些研究证实了Tbx3体内重编程工作心肌诱导起搏细胞再生的可行性，提示其在利用生物起搏器治疗心律失常疾病中有较大的应用潜力。

二、Tbx3体外诱导干细胞成为起搏细胞

       在体外， 起搏细胞的再生主要是通过干细胞的诱导获取。其中，胚胎干细胞（ESC）和诱导多能干细胞（iPSC）在其来源中研究最多，因这两种干细胞的自发分化可产生少量具有自发活性的起搏样细胞。Tbx3在这两种干细胞诱导为起搏细胞过程中能够发挥重要作用，研究显示过表达Tbx3，能够明显促进iPSC向起搏细胞分化。但更多的研究显示，转录因子Tbx3作为单一的工具，不足以在体外诱导促进干细胞分化为起搏细胞，尚须结合其他转录因子或者功能分子干预，才能有效发挥作用。目前发现的与Tbx3共同干预促起搏分化的分子包括有转录因子Tbx18、Myh6及起搏基因HCN2，其主要作用是能够使ESC和iPSC来源的起搏细胞得率更高、功能更好。

三、利用Tbx3上游信号调控分子诱导起搏细胞再生

      Tbx3 参与起搏细胞发育与再生的分子机制十分复杂，除了Nkx2.5、Shox2、Tbxl8、Tbx5等转录因子的多重调控和相互作用外，尚涉及多种信号通路分子的调控影响。有研究显示，利用这种调控作用，可以有效诱导起搏细胞的再生。国外研究者发现抑制Nodal（ 属TGF-β 家族）信号，引起Pitx2c下调，可促进iPSC向起搏细胞分化。其机制在于Pitx2c在发育早期是Shox2转录调控的抑制子，而Shox2是已知的通过上调Tbx3促进起搏细胞生成的调控子。有研究证实在ESC向心脏类型细胞分化过程中，Wnt/β-catenin能够上调Tbx18、Shox2、Tbx3等的表达，决定ESC向起搏表型的分化。此外，多项研究发现，在一定时间内通过干预NRG-1/ErbB通路可使ESC及脂肪干细胞（ADSC）Tbx3表达升高，进而促进起搏相关基因的表达，诱导其分化为起搏样细胞。上述研究表明，调控Tbx3上游信号分子是诱导起搏细胞再生的有效手段，尤其是对于体外干细胞分化为起搏细胞。

四、Tbx3对病损房室结再生修复的潜在应用

      房室结的功能是将窦房结传来的冲动向下传导至心室，而且冲动在结内作短暂的延搁，从而使心房和心室先后有序地收缩，保证泵血功能的完成。病损的房室结则会出现传导和延搁异常的问题，即房室传导阻滞或者预激综合征。窦房结的冲动之所以能在房室结产生延搁，是因为房室结的传导速度很低。房室结的生理性传导和延搁依赖于房室结内的起搏细胞表型，即结内的P细胞和T细胞表达以传导性低的Connexin45和Connexin30.2为主，而较少表达传导性高的Connexin40和Connexin43。对房室结内表型结构的发育，Tbx3是最核心的调控因子，起主导作用。国外研究在Tbx3敲除鼠中发现，房室结增加了包括Connexin40在内的工作肌基因表达，减少了各起搏相关基因表达，同时显示PR间期缩短，这些结果进一步证实了Tbx3对房室结功能结构发育调控的核心作用。所以，对于病损房室结的再生修复，Tbx3是一个潜在的关键分子靶点。

五、展望

       综合以往研究分析，Tbx3在起搏细胞发育中的调控作用和机制，已得到较深入研究，证实其在起搏细胞生成中的主导作用。但该转录因子相关的起搏细胞研究，尚未能转化为心脏传导系统疾病再生治疗实践，距离临床应用尚有一段距离。目前存在问题较多。相信随着对Tbx3及起搏细胞再生的深入研究，终将带来生物起搏的临床应用。
（本文来源于《医学参考报》干细胞与再生医学频道2021-03期第5版文章，ID：yxckbsc2021030501）

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