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(gè)部分，為我們提供生命的動(dòng)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(wú)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(duì)其潛在的分子機(jī)制仍是霧里看花。
揭開(kāi)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(lái)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(duì)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(guò)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。總而言之，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(xiǎn)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(huì)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(shí)，研究者在嚙齒動(dòng)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(guò)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(guò)冠狀動(dòng)脈內(nèi)輸注、自體來(lái)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(lái)，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(lái)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(wú)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?yè)p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(lái)源的心肌細(xì)胞（hESC-CMs）/iPSC來(lái)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(cè)；分離高產(chǎn)、臨床級(jí)和成本效益高的心肌細(xì)胞亞群，并為每個(gè)步驟建立標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需要新的方法來(lái)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(shí)，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(huì)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(huì)導(dǎo)致心律不齊。研究者通過(guò)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(xiǎn)。
3.細(xì)胞的存活率。細(xì)胞存活率低和長(zhǎng)期滯留是阻礙細(xì)胞治療的重要原因，為解決該問(wèn)題，科研人員提出可以在移植前對(duì)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(lái)優(yōu)化宿主組織以接受移植物等方法解決該問(wèn)題。
4.心律失常的風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)產(chǎn)生異常脈沖。因此，在未來(lái)的大型動(dòng)物研究中，測(cè)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(gè)問(wèn)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(dòng)物中，使用免疫抑制藥物會(huì)使動(dòng)物部分免疫力下降，同時(shí)也會(huì)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(guò)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(guò)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(lái)顯著降低外來(lái)細(xì)胞的免疫排斥反應(yīng)。同時(shí)，相關(guān)具有廣泛人類白細(xì)胞抗原多樣性的生物庫(kù)hPSC系、通用且免疫相容的供體hPSC系也在進(jìn)一步開(kāi)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(zhǎng)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(wèn)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(lái)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(hào)