间充质干细胞治疗心肌梗死的研究进展

撰文│钱海燕   姜  俣

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

转载需获取授权，请后台与小编联系

一

间充质干细胞概述

骨髓主要包括造血干细胞（HSCs）和非造血细胞。非造血细胞充当HSCs在骨髓腔中的生长微环境，包含内皮细胞、成纤维细胞、脂肪细胞和间充质干细胞（Mesenchymal stem cell，MSC）。Friedenstein等于1970年发现MSC在特定条件下可分化为多种中胚层来源的细胞，故又称为“成纤维细胞样克隆形成细胞（Clony-forming units-fibroblast，CFU-F）”。随后研究发现在脐带血、外周血、胎肝、皮肤真皮层，甚至是软骨中也存在MSC。由于取材方便、可自体移植且不存在伦理争议，骨髓已经成为MSC的最主要来源。骨髓MSC大多处于静止期（G0/G1），只有约10％处于增殖期，提示MSC有强大的分裂增殖潜能。
MSC还具有强大的免疫调节能力，基本无免疫排斥风险，因而适于异体移植。此外，其旁分泌能力强，移植后可向心肌梗死微环境释放数百种调节蛋白和RNA等，发挥抑制氧化应激和炎症、改善心肌梗死微环境的作用，这是MSC相较于其他类型干细胞的突出优势。

二

间充质干细胞治疗心肌梗死的理论基础

1. 转分化

成体干细胞的转分化潜力及终末分化细胞“重编程（Reprogramming）” 为心肌的再生和（或）修复带来光明的应用前景。早期研究表明，将带有荧光标记的猪骨髓MSC注射至急性心肌梗死（Acute myocardial infarction，AMI）的猪心肌中，6周后心肌中可见有移植干细胞存活并表达心肌特异性标志物肌钙蛋白（cTnT），证明移植后的干细胞能够转分化为有功能的心肌细胞。

2. 细胞融合

虽有研究发现经5-氮胞苷诱导后， 各代MSC均可分化为心肌样细胞，具备典型的心肌细胞结构，但后续研究表明，这种转分化而来的心肌样细胞并不能持续维持表型和功能。近年来发现部分移植后的MSC能够与受体心肌细胞融合，起到一定心肌保护作用。新近证据表明，在大鼠梗死心肌局部约有9.39%的心肌细胞能与循环中的干细胞进行融合，使得融合后的心肌细胞重新进入分裂周期，促进心肌细胞增殖，起到改善心功能的效果。

3. 旁分泌作用

旁分泌（Paracrine） 是指细胞产生的激素或调节因子通过细胞间隙对邻近细胞起调节作用的现象。MSC具有强大的旁分泌活性，可分泌多种细胞因子、趋化因子、生长因子等促进心功能的恢复。其作用可包括促进心肌细胞存活，增强其抗凋亡能力，促进血管新生，促进循环中干细胞归巢及激活内源性干细胞修复等。这些作用机制一定程度上可解释干细胞移植后虽然滞留率和存活率低但疗效仍然明显的现象。

三

MSC 移植治疗心肌梗死的研究进展

数十年来，干细胞移植治疗被认为是真正意义上能够再生修复梗死心肌，逆转心功能的潜在治疗方式。Tomita等证实骨髓MSC在体外经5-氮杂胞苷诱导可分化成为有肌管样结构、表达肌钙蛋白I和心肌肌球蛋白重链的心肌样细胞。不同组织来源的MSC在AMI中的应用已有多项临床试验，MSC-HF研究是第一个在缺血性心力衰竭中的随机对照临床试验，该研究表明，自体骨髓MSC输注可改善梗死后心功能，减少再住院时间。Chen等在69例AMI患者发病后12小时内给予冠状动脉内注射自体骨髓MSC，显著改善左心室功能。
此外， 异体MSC移植的临床研究也展现令人振奋的结果，经心内膜注射同种异体MSC可行安全， 严重不良心血管事件减少，高剂量异基因MSC也可能获益。另一项异体移植的Prochymal（一种异体骨髓来源的MSC治疗药物）研究入组60例AMI患者，结果表明MSC可显著改善左心功能，室性心动过速发作减少，左室射血分数（LVEF）增加。

四

MSC治疗心肌梗死的新策略

1. 预处理移植细胞

移植前对细胞进行预处理可增强其抗恶劣微环境的能力，从而提高移植细胞存活率。研究表明，在细胞移植前采用低能激光、热休克、低氧等方法预处理干细胞，可促进细胞增殖，对缺血缺氧、炎症、氧化应激等微环境耐受性增强，提高细胞的抗凋亡能力，从而显著提高干细胞的移植效果。

2. 优化心肌梗死微环境

如前所述，由于梗死区域微环境极其恶劣，严重影响移植细胞的存活率。因此，有望通过改善心肌梗死局部微环境以提高移植细胞的存活率并促其更好发挥各种效应。

（1）抗氧化剂研究表明，增加移植局部的抗氧化剂水平，如超氧化物歧化酶（SOD）， 能改善移植干细胞的存活和增殖。Drowley等研究也发现提前在梗死区域注射N-乙酰半胱氨酸，也明显改善移植成肌细胞的存活。
（2）促血管生成因子AMI后梗死区局部缺血缺氧，不利于移植细胞存活，因此通过加入外源性促血管生成因子，如血管内皮生长因子（VEGF）、缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）等也可改善心肌缺血缺氧状态。Retuerto等发现利用腺病毒携带的VEGF 基因预处理梗死区，可明显提高移植细胞存活率。
（3）药物保护作用近年来，越来越多证据显示药物治疗也能改善心肌微环境，调节移植干细胞功能，并且具有更好的临床可行性。课题组前期系列研究在建立AMI猪模型前预先给予通心络和辛伐他汀口服，再移植骨髓MSC，结果发现，在未行药物预处理的单纯MSC移植组，移植细胞存活少，而经药物改良能显著提高MSC在梗死区心肌中的存活和分化效率，并显著改善心功能和减小灌注缺损面积。

3. 干细胞联合基因治疗

上述措施尽管可显著提高移植细胞存活，但效果仅能维持较短时间（1~2周）。近年来，为解决这一难题，国际研究采用基因工程的方法改造修饰干细胞或利用microRNAs提高移植细胞的耐缺氧和抗凋亡能力，不影响移植物的大小，从而可应用于多种移植途径。研究发现， 含有miR-21、miR-24、miR-221 的混合物能增强心肌前体细胞（CPC）的抗凋亡能力，显著改善移植效果。

4. 干细胞联合组织工程技术

细胞外基质是心肌细胞微环境的重要成分，包括层粘连蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白等，这些组分为细胞的生长、修复、纤维化提供重要支撑。合成的水凝胶具有与心肌细胞外基质相似的物理和生物特性，将移植细胞包裹后进行移植，细胞的存活率明显提高。而胶原蛋白是细胞外基质的天然组分，具有低免疫原性和高组织亲和性，因此其与干细胞共同注射到大鼠心肌梗死边缘可明显提高细胞存活。

5. 干细胞来源外泌体

从2006年开始， 多项研究发现MSC培养液对心肌缺血再灌注损伤有保护作用。2010年Lai等从MSC培养液中提取外泌体（Exosome），为直径介于30~100nm，包含多种细胞因子和RNA囊泡小体，可介导细胞信号传递、免疫调节等作用，在血管生成、组织修复方面发挥关键作用。
越来越多研究证实，外泌体显著抑制细胞凋亡、纤维化和炎症，并促进血管生成。在离体实验中， 将MSC-Exo注射至大鼠心肌梗死区边缘，产生对肌管形成的刺激作用和对T淋巴细胞增殖的抑制作用。体内动物实验进一步证实了MSC-Exo可增加LVEF， 缩小梗死面积，保持心脏收缩和舒张功能，增加新生毛细血管的密度，改善心功能。研究还发现，与MSC-Exo相比，经阿托伐他汀预处理的MSC-Exo可进一步改善心功能，缩小梗死面积，减少心肌细胞凋亡，促进梗死周围区域的血管生成，并抑制IL-6和TNF-a的升高。

五

问题及展望

干细胞尤其是MSC移植治疗AMI的初步疗效已明确，为心肌修复开创了一个崭新的生物疗法，但尚存在一些亟待解决的问题。
第一， 移植后干细胞心肌定向分化是否真的存在？如果存在则其发生、发展和调控机制如何？这些都有待深入研究。第二，移植细胞的最优类型、剂量、途径和时机仍不清楚。第三，多能干细胞如ESCs和iPSCs有待进一步扫清障碍开展临床试验。第四，新型干细胞的治疗效果有待更高质量的大规模临床试验进行验证。第五，如何进一步提高移植后干细胞的滞留率、存活率，最终提高疗效？第六，干细胞治疗后长期的不良反应是什么？因目前大部分临床试验和基础研究所观察的时间较短，其最终的转归还不清楚。第七，移植后干细胞与内源性干细胞的如何相互作用？如何促进内源性再生修复机制的激活？
总之，干细胞移植治疗心肌梗死的研究已取得了举世瞩目的进展，随着生物学技术的飞速发展，干细胞移植将被赋予更活跃的生命力。如果上述问题通过进一步基础研究与临床研究得到解决，则AMI的治疗将出现革命性的飞跃。（ID ：yxckbsc2022050401）

作者简介

钱海燕 教授

现任中国医学科学院阜外医院心内科主任医师，擅长疑难复杂危重心血管病救治和冠心病介入诊疗，年介入手术1 000 例左右。 学术兼职：美国心脏病学会会员（FACC）、中华医学会心血管病分会青年委员、中华医学会修复再生分会心脏学组委员、中国整形美容协会干细胞研究与应用分会常务理事、中国健康促进会心脏重症委员会常委、中国健康促进会外周血管病和难治性高血压专家委员会委员、海峡两岸医药卫生交流协会老年分会青委会副主任兼总干事长、海峡两岸医药卫生交流协会心血管分会委员，以及Frontiers Drug Safety Regulat、Frontiers Cardiovas Med、Inter J Cardio Res、Intern and Emerg Med、CMJ、《中华心脏与心律电子杂志》等期刊编委。主持国家级、省部级课题7 项， 参与863、973及国家重大研发计划10余项。以第一或通讯作者发表论文40余篇；主译和副主译（编）专著7部，参编10余部；获国家发明专利2项。执笔多份专家共识；获教育部自然科学奖二等奖、中国医药卫生事业基金会优秀成果奖，荣获“北京科技新星”“协和新星”“中国好大夫”等荣誉称号。

《医学参考报》干细胞与再生医学专刊   由同济大学附属东方医院承办感谢大家的支持！

扫码关注

征稿链接

相关链接