干细胞治疗缺血性心肌病的研究进展

石宇杰，易军，陈韵岱

· 综述 ·

干细胞治疗缺血性心肌病的研究进展

石宇杰1，易军1，陈韵岱1

急性心肌梗死已成为当前世界致残、致死的主要疾病之一。随着冠心病介入技术的发展以及早期再灌注策略的实施，对于急性心肌梗死的抢救治疗已取得了长足的进步，极大的降低了急性心肌梗死患者的死亡率，改善了预后。然而，急性心肌梗死导致的大量心肌细胞坏死以及随之而来心功能衰竭，依然是困扰心血管医师的主要难题。干细胞作为一类具有多种分化潜能的“万能细胞”，被人们寄予了厚望。近年来，关于干细胞治疗缺血性心肌病、心功能衰竭，进行了大量的实验与临床研究，取得了许多可喜的进展。同样，对于干细胞治疗，目前依然存在许多问题和挑战。干细胞种类繁多，不同干细胞治疗缺血性心肌病具有不同作用机制，有的通过心肌再生，有的通过新生血管或旁分泌发挥作用。不同细胞、不同途径、不同的治疗时间，其结果大相径庭。究竟何种干细胞是治疗缺血性心肌病的最佳选择？心肌再生治疗距离我们还有多远？本文就目前不同干细胞治疗缺血性心肌病的进展进行综述，并对未来进行展望。

1 心外源性干细胞

1.1 骨骼肌成肌细胞（SKM） SKM是一类可以分化为骨骼肌的祖细胞。SKM可由自体组织获得，并易于体外扩增并可分化为可收缩的骨骼肌细胞。早期研究显示，于心脏梗死区植入SKM细胞可以有效改善心脏功能[1]。然而，后续前瞻性、随机、对照研究却未能得出相似的结论，Menasche等[2]入选97例合并心力衰竭的心肌梗死患者，在接受冠状动脉旁路移植术同时经心外膜心肌内注射SKM，同安慰剂相比，随访6个月，SKM组心脏功能无显著差别，同时，其室性心律失常发生率显著增高。目前认为，SKM难以分化为心肌细胞，移植入梗死区后只能分化为肌管并保留骨骼肌特征，其难以同自身心肌细胞形成有效的电机械偶联，容易形成折返并引起恶性心律失常。

1.2 骨髓单核细胞（BMMNC） BMMNC存在于骨髓中造血干细胞（HSC）。早在2001年，Orlic等[3]采用心肌内注射方法将骨髓源性HSC直接注射至心肌梗死小鼠心肌内，移植入的细胞分化为了心肌细胞及血管床，并改善了左室功能。这一结果极大鼓舞了研究者们的信心，仅数月后，Strauer等[4]即公布了第一个HSC治疗心肌梗死的临床研究，然而其结果同之前动物实验相反。之后，又进行的临床研究也未能复制之前Orlic的结果[5]。目前观点认为，HSC很难分化为心肌细胞，然而，BMMNC可通过其他途径促进心肌梗死后心肌的修复，包括分泌生长因子以及蛋白促进新生血管生成以及内源性心脏干细胞及心肌细胞的增殖。目前针对BMMNC治疗心功能不全的meta分析显示，其具有较好的安全性，但临床获益十分有限[6]。目前关于BMMNC治疗的临床研究，多选用左心功能在影像或症状方面改善，仍缺乏对于临床硬终点如死亡率的评估。基于此问题，目前欧洲正在开展心肌梗死后经冠状动脉内注射BMMNC的随机多中心研究，采用全因死亡率作为研究的一级终点，其结果值得期待。

1.3 间充质干细胞（MSCs） MSCs是骨髓中除了HSC以外的另一大类细胞。研究发现，当同其他心肌细胞共同培养时，MSCs可分化为心肌细胞[7]。MSCs极易提纯及增殖，同时通过淋巴细胞修饰以及抑制炎性因子释放调节宿主免疫系统，因此，MSCs被认为是治疗梗死心肌的理想细胞之一。Rose等[8]研究显示，MSCs未能在体外分化为有功能的心肌细胞，但是它可以表达心肌特异性蛋白。然而部分动物实验证实MSCs可以改善心肌梗死后动物的左室功能。关于MSCs的第一个临床研究采用了随机、双盲、安慰剂对照的方法，对于心肌梗死后患者静脉注射MSCs，随访12个月，治疗具有良好的安全性，动态心电图检查显示同对照组相比，MSCs治疗显著降低了心律失常发生率。6个月时MSCs组心功能评分显著提高，左室功能在3个月时明显改善，然而在6个月时同对照组无明显差别[9]。Heldman等[10]采用经心内膜心肌内注射方法，比较MSCs与BMMNCs的疗效，结果显示，MSCs减少了梗死面积并改善了局部功能，而BMMNCs未得到相似结果。间充质干细胞对心脏外科手术患者疗效的随机前瞻研究，是一项针对MSCs的前瞻性研究，它采用核磁共振方法评价MSC改善左室功能的机制。结果显示，注射MSCs部位不仅瘢痕面积减少、心肌顺应性增加，而且心肌灌注有所增加[11]。MSCs治疗作用的机制目前尚不明了。目前研究并未显示MSCs可显著分化为心肌细胞，其可能机制考虑并非直接心肌再生，而是其他非直接方式，如旁分泌促进血管新生及新的宿主心肌细胞的生成。

1.4 内皮祖细胞（EPCs） 1997年Asahara在骨髓中发现一类可表达CD34的干细胞，由于CD34在内皮细胞中表达，且研究发现这类干细胞可在体外分化为具有内皮细胞特征的细胞，因此，将这类细胞命名为内皮祖细胞。EPCs可能通过促进新生血管达到心脏修复目的。其可能机制包括直接分化为血管内皮细胞以及对血管生长因子的调控。由于其参与全身组织损伤后血管再生和修复，因此，目前研究主要将其作为修复损伤血管与缺血组织的新方法。Friis等[12]研究了EPSs对顽固性心绞痛患者的治疗效果，总计31例顽固性心绞痛患者接受了EPCs心肌内注射治疗，其结果表明EPCs治疗顽固性心绞痛安全有效，患者左室功能、运动能力及临床症状均得到了显著改善。

1.5 胚胎样干细胞（ESCs） ESCs是典型的多能干细胞，其具有自我更新和多向分化潜能，可分化成包括心肌细胞在内的3个胚层来源的所有组织细胞。因此，ESCs具有巨大治疗潜能并进行了广泛研究。目前多项动物实验均证实ESC分化的心肌细胞可移植入心肌梗死区域并改善心室功能[13,14]。然而，ESCs目前存在诸多问题，限制了其在临床的应用。由于ESCs具有多种分化潜能，给患者植入ESCs可能增加肿瘤发生率；其次，ESCs为异体细胞，植入后可能产生免疫排斥反应；另外对于伦理问题也是不可回避的重要问题。

1.6 诱导的多能干细胞（iPSCs） iPSCs是将类似多向分化相关基因导入人成体组织细胞，使之高表达转录因子，所获得的具有高度自我更新和多向分化潜能的细胞。iPSCs能分化为具有心肌特异性分子结构[肌钙蛋白I，α肌动蛋白，钙联接蛋白43（Cx43）]和功能特征的细胞类型，是干细胞移植治疗冠心病的新选择。2009年，Nelson等[15]首次将iPSCs用于心肌梗死的治疗，移植的iPSCs分化为心肌、血管内皮和平滑肌细胞，明显改善左心室收缩功能，减少心室壁厚度，抑制心室重构，增加心电稳定性。采集患者自身组织构建iPSCs可以避免免疫排斥反应，但iPSCs的构建需要病毒导入转录因子，有病毒扩散风险。而且iPSCs仍然无法克服类似于ESCs 的致瘤性，皮下注射5×105个iPSCs细胞导致明显的肿瘤形成。因此还需要进一步研究。

2 内源心脏干细胞

2003年，研究者首先报道成人心脏中可能存在内源性心脏干细胞，从而打破了心脏为终末分化器官的理论[16]。之后，研究人员分离出了数个心脏干细胞系，均具有自我更新、集落生成以及多能分化等干细胞的基本特征。同时，由于其心脏源性，其进一步向心肌细胞分化的可能性更大，因此，有望成为心脏再生治疗的理想干细胞之一。

2.1 c-kit+心脏干细胞（c-kit+CSCs） c-kit是最初在造血干细胞发现的一类酪氨酸激酶表面受体。现在用来识别包括心脏在内其他器官干细胞集落。研究发现，在大鼠、犬及人类心脏中均可发现c-kit+心脏干细胞。C-kit+心脏干细胞在心肌细胞与间质之间形成集落，通过表达转录因子GATA 4、Nkx2-5、Mef2c显示出早期心肌样分化。Berlo等[17]发现对于基因改造大鼠，心肌损伤后c-kit+心肌干细胞可轻度促进心肌细胞生成。自2011年，Bolli等[18]开展了干细胞对缺血性心肌病影响（SCIPIO）的I期临床实验，对于心肌梗死后接受冠状动脉旁路移植术的患者，自体c-kit+心脏干细胞被分离并与体外扩增后经冠状动脉内注入。本研究证实了C-kit+心脏干细胞分离扩增及冠状动脉内注入的可行性及安全性，同时，同传统治疗相比，接受c-kit+干细胞治疗的患者，梗死面积明显缩小，左室功能显著改善。

2.2 心肌球来源心脏干细胞（CDCs） 心肌球概念最早由Messina提出，用来描述心肌活检时发现的一类未分化的细胞系，其中央为c-kit+细胞组成的核心，周围环绕着包括表达基质标记物CD105的细胞在内的其他细胞[19]。Li等对CDCs以及c-kit+CSCs、BMMNCs、MSCs的对心肌梗死后小鼠的疗效进行了对比，发现CDCs具有更好的心肌修复作用。提示CDCs中不同细胞间的相互作用可能会带来更多获益[20]。

心肌球来源的自体干细胞逆转心功能不全研究，是一项前瞻、随机的I期临床研究，用来评估经冠状动脉内注射自体CDC对心肌梗死后患者的安全性。研究者采用经皮心内膜活检获取并分离CDCs，经体外扩增后于心肌梗死后2～4周经梗死相关冠状动脉内注入。研究表明，CDCs治疗具有良好安全性，治疗后3个月磁共振检查显示，CDC治疗可减少梗死瘢痕面积，同时提高局部收缩期室壁增厚率。然而，左室整体收缩功能改善并未达到统计学差异[21]。目前，关于CDC治疗更大规模的ALLSTAR临床研究正在进行，其结果值得期待。

2.3 Sca-1+心脏干细胞（Sca-1+CSCs） Sca-1+CSCs最早由Oh等于小鼠心肌中发现。他们发现通过刺激，部分Sca-1+CSCs可以表达心脏结构基因并获得同心肌细胞相同的细胞表型[22]。Matsuura等[23]发现Sca-1+CSC可以分化为成骨细胞及脂肪细胞，显示了其多能分化的潜能。同时他们发现，使用催产素诱导可使Sca-1+CSCs分化为具有自律性的心肌细胞。Tateishi等[24]研究发现，心肌细胞需要Sca-1上调旁分泌作用，从而促进血管新生并限制心肌细胞凋亡。这一结果提示Sca-1可促进CSC移植后在梗死区的存活，从而改善再血管化及心脏修复。研究显示[22]，心肌梗死后大鼠经静脉输注Sca-1+CSC，移植细胞可向损伤的心肌归巢并形成新的心肌细胞，证实Sca-1+CSC在心肌再生治疗中应用的可能性。

3 干细胞移植方式

目前心脏干细胞移植主要途径分为经静脉注射、经冠脉内注射以及心肌内直接注射三种，心肌内直接注射又分为开胸经心外膜注射以及经导管心内膜注射两种。关于何种方式为干细胞治疗的最佳移植方式，目前尚无定论。目前大多数的临床研究均采用经冠脉内注射的方法，通常在患者心肌梗死后接受冠状动脉介入治疗时同时实施，可以将干细胞通过梗死相关冠状动脉直接输送至心肌梗死区域。但这种方法对缺乏有效心肌灌注的病变区域并不适用，并且移植入的干细胞大多数在短期内会被清除[25]。经静脉注射方式具有创伤小、操作简单的优点，但植入的干细胞需要心肌损伤后生理标记以进行归巢，对于慢性心力衰竭的患者并不适用，而且输注的干细胞大多数存留于肺脏，能够存留于心脏梗死区域的十分稀少[25]。心肌内直接注射是目前最有效、最精确的干细胞移植方法，移植后有效存留于梗死区的干细胞数量最多。其缺点是需要开胸，患者创伤较大。近年来发展的经心内膜心肌内注射方法，同时具备了高效及相对微创的特点。Vrtovec[26]比较了经冠状动脉及经心内膜心肌内注射骨髓干细胞的疗效，经心内膜心肌内注射具有更多的细胞存留，可更好的改善心脏功能。

4 展望

采用干细胞进行心肌再生治疗，作为缺血性心肌病的新的治疗策略，近年来进行了大量的实验与临床研究。研究人员观察了多种干细胞以及不同移植方式的治疗效果，对干细胞治疗缺血性心肌病的安全性及有效性进行了初步的探讨，得到了许多令人振奋的结果及进展。干细胞治疗可促进损伤后心肌细胞的再生，为心肌梗死后心功能不全治疗提供了可能的有效治疗途径。然而，目前的实验结果仍存在争议，究竟哪种干细胞是心脏再生治疗的最佳选择，何种移植方式最佳，不同干细胞促进心肌再生的机制是怎样，这些问题仍然需要进一步研究予以解答。

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本文编辑：张灵

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