心臟是人類最重要的器官之一，它的作用是將血液泵至身體各個部分，為我們提供生命的動力。由于心臟組織的特殊性，人類能夠免受“心臟癌”的困擾，但各類心血管疾病卻讓我們束手無策。
近期，《干細(xì)胞雜志》（Stem cells journals）發(fā)表了一篇綜述，總結(jié)了人類多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞（hPSC-CMs）在心臟病治療、心臟病模型構(gòu)建和藥物研發(fā)中的最新進(jìn)展與臨床應(yīng)用挑戰(zhàn)。作者認(rèn)為，目前hPSC-CMs在臨床治療中已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但對其潛在的分子機(jī)制仍是霧里看花。
揭開人類多能干細(xì)胞的神秘面紗
目前為止，產(chǎn)生人類心肌細(xì)胞的唯一可靠來源就是人類多能干細(xì)胞，主要包括胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞。這些干細(xì)胞對于再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。病人可以直接用自己的血細(xì)胞、皮膚細(xì)胞，經(jīng)過重新編碼轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，最終再分化為心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等任何所需再生的細(xì)胞?？偠灾?，這種干細(xì)胞療法不僅可以彌補(bǔ)胚胎干細(xì)胞倫理方面的缺憾，而且免疫排斥風(fēng)險也大大降低。
人心臟再生能力有限，干細(xì)胞有何“奇招”？
成年人心臟的再生能力有限，心肌梗死后往往會造成心肌細(xì)胞的丟失或是被纖維化組織替代，最終導(dǎo)致致命的心衰。研究表明，心肌缺血后再灌注損傷或永久性心肌梗死后7-10天，在心肌中注射人胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞可改善和重塑大鼠缺血性心肌功能。同時，研究者在嚙齒動物梗死模型中注射人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞產(chǎn)生的心肌細(xì)胞，也發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果。不僅如此，人胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞也能通過電耦聯(lián)抑制受傷豚鼠心臟的心律失常。
臨床上從2002年至今也有很多干細(xì)胞治療心臟病的案例，如：TOPCARE-DCM、CardiAMP等臨床試驗(yàn)項(xiàng)目，目前大多數(shù)臨床試驗(yàn)都集中在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞通過冠狀動脈內(nèi)輸注、自體來源或間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療心血管疾病。
間充質(zhì)干細(xì)胞是一種多能干細(xì)胞，它具有干細(xì)胞的所有共性，即自我更新和多向分化能力。當(dāng)前在臨床應(yīng)用研究最為廣泛，例如與造血干細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用，可以提高移植的成功率，加速造血重建。近年來，間充質(zhì)干細(xì)胞在解決多種血液系統(tǒng)疾病、心血管疾病、肝硬化、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、自身免疫性疾病等方面取得了重大臨床研究突破，挽救了越來越多病患的生命。
大鼠心臟中注射人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞產(chǎn)生的心肌細(xì)胞的電鏡圖[1]
心臟病干細(xì)胞療法的五大挑戰(zhàn)
人多能干細(xì)胞產(chǎn)生的心肌細(xì)胞不僅在細(xì)胞替代和無細(xì)胞治療的預(yù)期應(yīng)用中取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，并且在治療由異常生理損傷引起心臟病或遺傳性心臟病方面卓有成效。然而，人多能干細(xì)胞的功能發(fā)育和成熟具有復(fù)雜性，其潛在分子機(jī)制尚未完全明晰，細(xì)胞內(nèi)電生理機(jī)制仍有待更深入的研究。
目前心臟病干細(xì)胞療法主要存在以下5點(diǎn)挑戰(zhàn)：
1.干細(xì)胞的質(zhì)量。例如，胚胎干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞（hESC-CMs）/iPSC來源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）外顯子體在缺氧條件下存在差異表達(dá)。因此，我們需要嚴(yán)格地控制細(xì)胞生成的每一步，包括細(xì)胞生成、細(xì)胞系的選擇和基因組穩(wěn)定性檢測；分離高產(chǎn)、臨床級和成本效益高的心肌細(xì)胞亞群，并為每個步驟建立標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需要新的方法來降低細(xì)胞在質(zhì)量、亞型和成熟水平方面的異質(zhì)性。
2.心肌細(xì)胞的成熟度。研究表明，在分化的第20天時，干細(xì)胞的移植效果要好于第8天或第30天。細(xì)胞的成熟度會影響移入宿主心臟后的增殖和治療效果，將未成熟的細(xì)胞植入成年人心臟可能會導(dǎo)致心律不齊。研究者通過細(xì)胞外基質(zhì)工程、細(xì)胞排列技術(shù)、電刺激、機(jī)械拉伸、線粒體工程，以及microRNA和激素干預(yù)的方法促進(jìn)人類多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞的成熟，但其仍未達(dá)到成人心肌細(xì)胞的成熟度，因此有效的心臟病干細(xì)胞療法還需仔細(xì)調(diào)整干細(xì)胞的最佳成熟狀態(tài)，以平衡細(xì)胞存活和移植后心律失常風(fēng)險。
3.細(xì)胞的存活率。細(xì)胞存活率低和長期滯留是阻礙細(xì)胞治療的重要原因，為解決該問題，科研人員提出可以在移植前對細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理以增強(qiáng)其抗逆性、聯(lián)合應(yīng)用支持性生物材料、操縱梗塞心臟的局部免疫環(huán)境來優(yōu)化宿主組織以接受移植物等方法解決該問題。
4.心律失常的風(fēng)險。不同成熟度的干細(xì)胞可能有不同程度的功能耦合、異位激活和區(qū)域傳導(dǎo)，并會產(chǎn)生異常脈沖。因此，在未來的大型動物研究中，測試多種抗心律不齊方法的可行性至關(guān)重要，包括確定合適的細(xì)胞表面標(biāo)志物以準(zhǔn)備高純度的干細(xì)胞、確定適當(dāng)?shù)囊浦渤墒於龋⒄{(diào)移植的細(xì)胞數(shù)，并與抗心律失常藥物聯(lián)合使用等。
5.排異反應(yīng)。宿主免疫排斥是心臟病干細(xì)胞療法的“絆腳石”之一，這個問題也是免疫醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。研究表明，在接受心臟病干細(xì)胞療法的大型動物中，使用免疫抑制藥物會使動物部分免疫力下降，同時也會出現(xiàn)一些副作用。人多能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞是通過主要組織相容性復(fù)合體、人類白細(xì)胞抗原系統(tǒng)介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，能夠通過I類主要組織相容性復(fù)合體供體細(xì)胞和受體細(xì)胞的精細(xì)匹配來顯著降低外來細(xì)胞的免疫排斥反應(yīng)。同時，相關(guān)具有廣泛人類白細(xì)胞抗原多樣性的生物庫hPSC系、通用且免疫相容的供體hPSC系也在進(jìn)一步開發(fā)中。
人多功能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞在心臟病建模和修復(fù)中的應(yīng)用[2]
展望
目前，許多臨床試驗(yàn)結(jié)果都表明干細(xì)胞治療各類心臟疾病行之有效，心臟病干細(xì)胞療法在緩解患者病情、延長患者壽命和提高病人生活質(zhì)量上都有著極大的潛力，更多的科研人員也投身心臟病干細(xì)胞療法的研究中。然而，臨床應(yīng)用心臟病干細(xì)胞療法也存在極大的挑戰(zhàn)和許多問題亟待解決，隨著這些挑戰(zhàn)得到克服，相信干細(xì)胞治療心臟病在未來能夠造福更多患者。
參考文獻(xiàn)：
1.Heart regeneration using pluripotent stem cells.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S091450872030143X#fig0005
2.Perspective on human pluripotent stem cell‐derived cardiomyocytes in heart disease modeling and repair.
https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sctm.19-0340
110102000668（1）號