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不同干细胞在心脏修复中的作用机制
张磊 戚龙
冠心病如心肌梗塞和缺血性心肌病是发达国家的主要死因和重大的社会经济问题1。尽管药物治疗手段和血管重建技术（PCI和CABG）取得了巨大的进步，但这些方法在很大程度上仅仅是限制或延迟心功能的恶化2，这就刺激了血管与心脏修复的动机，如干/祖细胞的介入成为心血管研究领域的重要焦点3。
事实上，对于缺血性心力衰竭患者来说，除了儿茶酚胺、血管紧张素和醛固酮外，指望新的神经激素抑制进一步改善心血管预后是不可能的，促进心脏修复的治疗观念有其潜在的巨大需求4。
动物实验和最初的小规模临床试验已经证实，细胞治疗缺血性心肌病是可行而安全的5。在细胞治疗缺血性心脏病方面，原异体干细胞作为心脏祖细胞的潜在资源已经得到透彻的研究。迄今，作为骨髓源细胞的几种特殊亚型，不同的自体成人干细胞和祖细胞，来源于脂肪组织和心肌的干细胞/祖细胞等的预临床和临床评估正在进行中。另外，在动物模型的心肌缺血实验中，胚胎干细胞和诱导的多能干细胞表现出再生能力和改善心脏功能6。
心脏修复的细胞类型概述
在过去的十年间，早期的中小规模的临床实验中，已经对骨骼肌细胞7，8、循环内皮祖细胞9，10、骨髓单核细胞群11等，在治疗缺血性心脏病方面的效果进行了评估。
Figure 1. Synergism of G-CSF Therapy with Inhibition of Proteolytic Degradation of SDF-1 Results in Progenitor Recruitment to the Heart after Myocardial Infarction (Left) With G-CSF monotherapy, mobilized progenitors do not receive a homing signal to guide migration to the heart. (Right) Inhibition of proteolytic cleavage of SDF-1, in concert with G-CSF therapy, restores progenitor homing.

另外，几种祖细胞和干细胞，包括胚胎干细胞(ESCs)12 、造血干细胞(HSCs)13 、间充质干细胞(MSCs)14、内皮祖细胞(EPCs) 15、原位心脏干细胞(CSCs) 16等，对这些细胞的潜在用途在动物实验中得到验证。每种细胞类型在分离、培养、表面标记物表达、转录因子、表达蛋白、分化成其他细胞类型的能力等方面，都表现出不同的特征：
1，骨髓源和循环成体干/祖细胞：来源于骨髓、外周血和其他组织中的干/祖细胞已经在缺血性心脏病的细胞治疗中得到应用。不同于多能胚胎干细胞，成体干细胞转移分化成心肌细胞的能力受限而仍然存在争议。骨髓源干细胞的主要成分是HSCs和MSCs。无论从骨髓中抽吸还是通过细胞素动员的方法获取，真正的干细胞数量小于总骨髓细胞的0.01% 17。同其他干细胞比较，这些细胞在有机体内数量巨大，相对容易获取，从而得到研究的更加充分。其他骨髓中的祖细胞包括边沿细胞（side-population cells），其特征是具有清除烟酸己可碱染色的能力18。
造血干/祖细胞表达CD34 和CD133细胞表面抗原，并且显示出进入受损心肌细胞处的能力，但能否分化成心肌细胞还有争论。
2，间充质干细胞存在于成熟组织中，包括骨髓和脂肪组织。最近，细胞治疗的相关国际组织的立场声明中，对其特征以及标准进行了总结，包括CD105, CD73和CD90的表达，但不表达CD34, CD45, CD14 or CD11b, CD79alpha 或 CD19 和 HLA-DR 表面分子，在实验室中可分化成造血细胞、脂肪细胞和成软骨细胞19。MSCs容易分离和倍增，并且可能改善心肌梗塞后的左心室功能20。甚至，多模态成像技术提示，在实验室中，用异体MSCs治疗心肌梗塞促使了心肌修复的激活。
3，来源于脂肪组织中的MSCs可以转移分化成心肌样细胞和内皮细胞，这在实验室中得到证实21。然而，如上所述，迄今，还没有确切的证据证明，完全的转移分化成心肌细胞证据。脂肪细胞因为质量可靠、获取容易而具有巨大的吸引力。
,4，内皮祖细胞是一种异质循环细胞族，可能大部分来源于骨髓。在提及内皮祖细胞的类型中，基于在内皮细胞培养基中的出现时机，特别分为“早期”和“晚期”EPCs。早期EPCs在很大程度上通过旁分泌促进可能的内皮修复和血管新生22，而晚期EPCs，数量非常少，可能直接形成内皮细胞。早期EPCs分化成心肌细胞的潜力已经受到质疑。
来自糖尿病或高血压患者的内皮祖细胞在促进裸露动脉再内皮化方面的活性是降低的23，这指出了当前细胞治疗手段在这些病人中应用的重大局限。在体内活性下降的原因需要进一步界定，但可能包括一氧化氮利用的下降和衰减的加速。很显然，骨髓源单核细胞功能降低的验证，包括受损的迁移或衰减的克隆形成能力，造成细胞治疗试验的功能获益的减少。
,5，胚胎和脐血细胞比成人祖细胞具有更大的可塑性。脐血包含许多种祖细胞族，包括造血干细胞（HSCs），间充质干细胞（MSCs），不受限的体干细胞，然而，在体外扩展后的多潜力证据依旧缺乏。动物研究的许多结果表明，左心室功能得到改善24。
,6，在心脏中，原位心肌干/祖细胞还是比较罕见的，有其自身的表面标记物或转录因子表达。C-Kit+细胞具有自我更新能力，集落和多潜能，在体外实验中，通过分化成肌原细胞、内皮和平滑肌系，由此修复缺血心肌。表达干细胞抗原－1（(Sca-1)）的的心肌干细胞可以进一步分化成表达心肌特异标记物的细胞25。
甚至，已经证实，Isl1＋ 细胞能够分化成具有成熟心肌细胞具有的电生理特征的心肌表型。心脏细胞球（Cardiospheres）呈簇的球形的多细胞集团，在培养中可以种植和生长，具有原位心肌祖细胞（resident cardiac progenitors）的特征。最近，Messina等的研究证实，心脏细胞球可被游离和体外扩展从而提供潜在的有用的自体心肌干细胞来源26。几个实验性研究使用了不同的心肌源干/祖细胞（cardiac-derived stem/progenitor cells），结果证明，在左心室功能、心肌重塑、和梗死面积方面具有正面的效果；然而，这个结果并不是所有的研究都支持。有其，在Sca-1阳性心肌源干/祖细胞移植后，长期随访的细胞成功嫁接与益处的结果尚未观察到。
7，将骨骼肌成肌细胞植入心脏改善了左心室功能和降低心肌重塑，这是干细胞产生的机械效应或脚手架效应（scaffolding effects）。不幸的是，骨骼肌成肌细胞不能转分化（transdifferentiate）成心肌细胞。很明显，这些细胞缺乏电学完整性，由此诱发心律失常。另外，这些细胞没有在左心功能方面显示出长期的益处。一个小规模的对比试验发现，应用三维指引导管系统移植成肌细胞在左心室功能、生活质量和症状缓解方面是有利的27。然而，成肌细胞的首个随机对照试验(MAGIC trial)结果采用超声评估，没有发现心功能的改善。
,8，胚胎干细胞是未分化的多潜能细胞，来源于内胚层组织，在器官再生方面最具有前景的。由于无限制的分化能力使得在再生心脏病学上应用兴趣越来越高。先前的缺血再灌注研究显示，在移植未分化的小鼠ESCs后，改善了心功能，这直接与旁分泌效应相关。值得注意的是，未分化的小鼠ESCs的移植可以导致畸胎瘤的形成。采用移植预分化（pre-differentiated）ESC源的心肌细胞能够降低这种风险。在梗死后的大鼠心脏中，这些细胞改善了心脏功能和削弱了左心室重塑，而没有畸胎瘤形成。在勾画分化后ESC的治疗前景时，需要对肿瘤形成、免疫反应和再生能力作进一步研究。
9，诱导的多能干细胞(iPSCs)是通过所谓的‘干细胞性（stemness）’转录因子的逆病毒转导技术产生的。这些细胞可以在培养基中保存好几个月，并且可以被分化为所有3个种子层，包括心肌细胞，具有电生理特征，其基因表达特征与ESC源的心肌细胞类似。为减少逆转录病毒载体感染后的嵌入性基因突变的风险，基因释放技术在最近得到进一步完善，包括免病毒基因释放手段。同样，来自诱导的人类多能干细胞的功能性心肌细胞已经有了报道。重组体细胞（reprogramming somatic cells）也可被培育成疾病特异性干细胞，在研究疾病进展的遗传机制，药物作用、再生生化方面具有独特的优势。

参考文献：

1，Ketil Lunde, M.D., Svein Solheim, M.D., Svend Aakhus, M.D., Ph.D..et al. Intracoronary Injection of Mononuclear Bone Marrow Cells in Acute Myocardial Infarction. N Engl J Med, 355:1199-1209 September 21, 2006.
2，J Trevelyan, E W A Needham, A Morris, et al. Comparison of the effect of enalapril and losartan in conjunction with surgical coronary revascularisation versus revascularisation alone on systemic endothelial function. Interventional cardiology and surgery. 2005; 91:1053-1057.
3，Volker Schächinger, Sandra Erbs, Albrecht Elsässer,et al. for the REPAIR-AMI Investigators. Intracoronary Bone Marrow–Derived Progenitor Cells in Acute Myocardial Infarction. N Engl J Med 2006; 355:1210-1221 September 21, 2006.
4，Birgit Assmus, Jörg Honold, Volker Schächinger, et al. Transcoronary Transplantation of Progenitor Cells after Myocardial Infarction. N Engl J Med 2006; 355:1222-1232September 21, 2006.

5，Peter V. Johnston,Tetsuo Sasano, Kevin Mills, et al. Heart Failure: Engraftment, Differentiation, and Functional Benefits of Autologous Cardiosphere-Derived Cells in Porcine Ischemic Cardiomyopathy. Circulation. 2009; 120: 1075-1083.
6，Timothy J. Nelson, Almudena Martinez-Fernandez, Satsuki Yamada, et,al. Repair of Acute Myocardial Infarction by Human Stemness Factors Induced Pluripotent Stem Cells.Circulation. 2009; 120: 408-416。
7，Philippe Menasche, Albert A. Hage`ge, Jean-Thomas Vilquin, et al. Autologous Skeletal Myoblast Transplantation for Severe Postinfarction Left Ventricular Dysfunction. Journal of the American College of Cardiology Vol. 41, No. 7, 2003.
8，Philippe Menasché, Ottavio Alfieri, Stefan Janssens, et al. The Myoblast Autologous Grafting in Ischemic Cardiomyopathy (MAGIC) Trial: First Randomized Placebo-Controlled Study of Myoblast Transplantation。Circulation 2008;117;1189-1200.
9，Birgit Assmus, Volker Schächinger,Claudius Teupe, et al. Transplantation of Progenitor Cells and Regeneration Enhancement in Acute Myocardial Infarction (TOPCARE-AMI). Circulation. 2002; 106: 3009-3017.
10，Marc-Michael Zaruba, Hans Diogenes Theiss, Markus Vallaster, et al. Synergybetween CD26/DPP-IV Inhibition and G-CSF Improves Cardiac Function after Acute Myocardial Infarction. Cell stem cell. Volume 4, Issue 4, 3 April 2009, Pages 313–323.
11，Kai C Wollert, Gerd P Meyer, Joachim Lotz, et al. Intracoronary autologous bone-marrow cell transfer after myocardial infarction: the BOOST randomised controlled clinical trial. The Lancet, Volume 364, Issue 9429, Pages 141 - 148, 10 July 2004. Original Text
12，Michael A Laflamme,Kent Y Chen,Anna V Naumova, et al. Cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells in pro-survival factors enhance function of infracted rat hearts. NATURE BIOTECHNOLOGY. VOLUME 25 NUMBER 9 SEPTEMBER 2007.
13，Murry CE, Soonpaa MH, Reinecke H, et al. Haematopoietic stem cells do not transdifferentiate into cardiac myocytes in myocardial infarcts. Nature. 2004 Apr 8;428(6983):664-8.
14，Mangi AA, Noiseux N, Kong D, et al. Mesenchymal stem cells modified with Akt prevent remodeling and restore performance of infarcted hearts. Nat Med. 2003 Sep; 9(9):1109-10.
15，Giovanna Giannotti, Carola Doerries, Pavani S. Mocharla, et al. Impaired Endothelial Repair Capacity of Early Endothelial Progenitor Cells in Prehypertension Relation to Endothelial Dysfunction. Hypertension. 2010; 55: 1389-1397.
16，Beltrami, Laura Barlucchi, Daniele Torella, et al. Adult Cardiac Stem Cells Are Multipotent and Support Myocardial Regeneration. Cell, Vol. 114, 763–776, September 19, 2003.
17， Janis L. Abkowitz, Sandra N. Catlin, Monica T. McCallie, et al. Evidence that the number of hematopoietic stem cells per animal is conserved in mammals. Blood. October 1, 2002 vol. 100 no.7.
18，GRANT A. CHALLEN, MELISSA H. LITTLE . A Side Order of Stem Cells: The SP Phenotype. STEM CELLS, 2006;24:3–12.
19，Dominici M, Le Blanc K, Mueller I, et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 2006;8(4):315-7.
20，Karl H Schuleri,Andrew J Boyle, Marco Centola, et al.The Adult Göttingen Minipig as a Model for Chronic Heart Failure After Myocardial Infarction: Focus on Cardiovascular Imaging and Regenerative Therapies.Comp Med. 2008 December; 58(6): 568–579.
21，Valérie Planat-Benard, Jean-Sébastien Silvestre,Béatrice Cousin, et al. Plasticity of Human Adipose Lineage Cells Toward Endothelial Cells Physiological and Therapeutic Perspectives. Circulation. 2004; 109: 656-663.
22，Daniel P. Sieveking , Andrew Buckle, David S. Celermajer, et al. Strikingly Different Angiogenic Properties of Endothelial Progenitor Cell Subpopulations Insights From a Novel Human Angiogenesis Assay. J Am Coll Cardiol, 2008; 51:660-668.
23，Sajoscha A. Sorrentino, Ferdinand H. Bahlmann, Christian Besler, et al. Oxidant Stress Impairs In Vivo Reendothelialization Capacity of Endothelial Progenitor Cells From Patients With Type 2 Diabetes Mellitus. Circulation. 2007; 116: 163-173.
24，Sung-Whan Kim, Hoon Han, Gue-Tae Chae,et al.Successful Stem Cell Therapy Using Umbilical Cord Blood-Derived Multipotent Stem Cells for Buerger's Disease and Ischemic Limb Disease Animal Model。STEM CELLS. Volume 24, Issue 6, pages 1620–1626, June 2006.
25，Hidemasa Oh, Steven B. Bradfute, Teresa D. Gallardo,et al. Cardiac progenitor cells from adult myocardium: Homing, differentiation, and fusion after infarction. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 October 14; 100(21): 12313–12318.
26，Isotta Chimenti, Rachel Ruckdeschel Smith, Tao-Sheng Li, et al. Relative Roles of Direct Regeneration Versus Paracrine Effects of Human Cardiosphere-Derived Cells Transplanted Into Infarcted Mice. Circulation Research. 2010; 106: 971-980
27，Nabil, MSc, Jonathan Dinsmore, Zaki Lababidi, et al. One-Year Follow-Up of Feasibility and Safety of the First U.S., Randomized, Controlled Study Using 3-Dimensional Guided Catheter-Based Delivery of Autologous Skeletal Myoblasts for Ischemic Cardiomyopathy (CAuSMIC Study). JACC，Volume 2, Issue 1, January 2009, Pages 9–16.