自体干细胞移植修复病损心脏

    尽管心血管研究领域近几年有许多突破，但心肌梗死（MI）和充血性心力衰竭仍居于显著威胁国民健康的疾病之列。传统治疗MI的方法只是改善心肌血液供应，挽救“冬眠”心肌。治疗后期坏死心肌被瘢痕组织取代，有收缩功能的心肌数量减少，随后发生“心室重构”，最终发展为充血性心力衰竭［1］。如何增加梗死区有收缩功能的心肌细胞数量，成为困扰MI治疗的主要障碍。干细胞具有分化多种细胞、形成多种组织的潜能，人们希望利用干细胞移植技术来治疗各种组织坏死性疾病，这也为MI的治疗开辟了新天地。

　　1  干细胞研究概况

　　干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。根据干细胞分化潜能的大小分为3种类型：①全能干细胞：具有形成完整个体的各种组织和器官的分化潜能，如胚胎干细胞。②多能干细胞：具有产生两种以上细胞组织的潜能，但失去了发育成完整个体的能力，如骨髓造血干细胞。③单能干细胞：只能分化为一种类型或密切相关的两种类型的细胞，如上皮组织基底层的干细胞。根据干细胞来源的不同，又可分为3种类型：①胚胎干细胞：胚胎干细胞来源于早期胚胎阶段（4～5 d）胚泡中的内细胞群。一旦离开胚泡，内细胞群的细胞就可以培养成胚胎干细胞。②胚胎生殖干细胞（EG）：胚胎生殖细胞来源于5～10周胎儿生殖嵴的原生殖细胞。生殖嵴将来发育成睾丸或卵巢，原生殖细胞生成精子或卵子。③成体干细胞：分布于已分化的特定的组织中，可以自我更新，生成其来源组织的所有特化细胞，如神经干细胞、间质干细胞、表皮干细胞。胚胎干细胞和胚胎生殖干细胞都是全能干细胞，成体干细胞既有多能干细胞，又有单能干细胞。

　　BOHELER等［2］和XU等［3］证实胚胎干细胞在体外可分化为心肌细胞，而MIN等［4］将鼠胚胎干细胞注射到MI模型，移植组大鼠心功能明显改善。虽然胚胎干细胞在体内能够定向分化为心肌细胞，但由于胚胎干细胞存在致肿瘤（畸胎瘤）可能、移植后免疫排斥反应等问题，短期内很难应用于临床治疗。相比之下，自身成体干细胞具有无免疫排斥反应、不存在伦理争议、易于获取等诸多优点，使之成为近几年干细胞移植实验和临床研究的主要对象。

　　2  成体干细胞种类及其可塑性［5，6］

　　2.1  骨髓造血干细胞（HSCs）

　　过去认为，HSCs只能分化产生髓系和淋巴系干、祖细胞，最新研究表明，HSCs还具有向其他组织横向分化的能力，表现出很强的可塑性。PITTENGER等［7］证实HSCs能诱导分化成为脂肪细胞、软骨细胞和肌腱细胞。BITTNER等［8］发现骨髓干细胞还能分化成心肌细胞，并修复受损的心肌。ORLIC等［9, 10］从某系转基因鼠骨髓中提取造血干细胞(表达Linckit pos)，纯化后注入到同系鼠的MI灶周围，与对照组相比，左心室功能明显改善，9 d后病理检查发现，病灶周围有由血管和心肌细胞组成的新生组织。实验动物病死率下降了68%，梗死灶面积减少40%，射血分数和血流动力学也得到改善。

　　2.2  骨髓间质干细胞（MSCs）

　　MSCs位于骨髓基质中，维持骨髓基质的更新，为HSCs分化提供环境。在体内外一定条件下，能分化成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞。WANG等［11］发现，MSCs在体外经5氮杂苷诱导，30%的细胞可以分化成心肌样细胞，同时进行同基因大鼠自体移植，在正常心肌微环境中形成心肌样细胞，并能和宿主心肌细胞以闰盘连接。TOMITA等［12］将经5氮杂苷在体外诱导的骨髓间质干细胞注射到低温损伤MI模型中，分化为心肌样细胞，5周后发现抑制了瘢痕区的变薄和左心室的扩张，同时左心室收缩压和左心室收缩压上升速率也较对照组提高。

　　2.3  骨髓单个核干细胞(BMMNCs)

　　BMMNCs是骨髓中细胞形态为单个的细胞的总称。包含造血干细胞、骨髓基质干细胞、内皮祖细胞等。有学者发现，将猪的BMMNCs移植到其缺血心肌中，3周后与对照组相比，标记的BMMNCs整合到31%的新生血管中，局部血流量增加4.6倍，毛细血管密度增加2.8倍，冠状动脉造影显示侧支循环增加5.7倍［13］。由于BMMNCs中有多种不同的细胞成分，可以促进坏死心肌和损伤血管的再生，因此应用BMMNCs较应用单一一种干细胞更加有效。

　　2.4  内皮祖细胞

　　现在研究人员对内皮细胞和平滑肌细胞相互作用生成血管的复杂的细胞和分子机制已经有了较深入的了解［14］。内皮细胞对生理或病理刺激做出反应，形成内皮衬里的管道，称作血管发生。内皮细胞对血管的成熟是必要的，而平滑肌细胞的填充，可使血管具有弹性和舒缩能力以调节组织血液灌注。血管内皮祖细胞可以从外周血和（或）骨髓中分离得到，通过体循环注射或直接心肌注射，可以促进生理或病理的新血管生成［15］。通过内皮祖细胞移植，可以在缺血器官原位分化和增殖成新生血管。鉴于此，内皮祖细胞在促进血管新生的介入治疗中和作为基因治疗平台来促进缺血组织和衰竭心脏的再生方面，展现了诱人的应用前景。

　　2.5  骨骼肌卫星细胞

　　骨骼肌卫星细胞是一种巨核的处于静止状态的肌源性干细胞，位于成体肌细胞或肌纤维基膜的表面。卫星细胞是肌肉生长的中介，在骨骼肌损伤或负重时，它们可进入增殖状态，生成成肌祖细胞然后分化为具有典型骨骼肌特征的肌纤维。由于骨骼肌卫星细胞具有更强的抗缺血、抗低氧能力，使之一度成为研究的热点。研究表明，将骨骼肌卫星细胞移植入坏死心肌，可分化形成核位于中央、多核的带横纹的肌纤维，新生的肌纤维间有闰盘相连，修复了受损心肌，改善了心功能［16~18］。

　　CHRISTENSEN［19］将骨骼肌卫星细胞植入1例准备接受心脏移植志愿病人的心脏，发现其心脏能较长时间良好工作而无需再接受心脏移植。虽然骨骼肌卫星细胞移植有了少量临床应用的报道，但由于其采集、分离和体外培养过程繁琐复杂，经冠状动脉注射有引起栓塞的可能，不能分化成具有真正心肌细胞结构和生理功能的细胞，以及局部注射后可形成异位兴奋灶诱发心律失常等弊端，限制它的临床应用。

　　干细胞可塑性理论是进行干细胞移植的理论基础之一，对于干细胞可塑性的机制，科学家已经做了大量的研究，提出了一些假说，主要集中在两方面：能诱发干细胞命运改变的微环境（外源性因素）和能对外源性信号做出反应的干细胞固有的特性（内源性调控）。干细胞的微环境或称生物位对干细胞的转化起着非常重要的作用。体液因子、细胞之间直接的接触、细胞外基质等对血液循环中或归巢至组织中的干细胞执行调控作用。至今，大多数的干细胞可塑性的报道都基于组织损伤造成的微环境的调控作用。对于内源性调控，人们普遍认为转录因子参与的转录的抑制和激活在其中起重要作用。细胞中一个已定型到特定的分化程序的特异性的转录因子的过表达，会导致其功能的对抗作用和正存在的基因程序的沉默，从而使细胞回复到一个多潜能的状态。有些研究人员对干细胞可塑性也提出了质疑，他们认为成体干细胞的横向分化是由于成年组织中余存数量稀少的胚胎原始干细胞所致［20］，或与细胞融合有关，即骨髓干细胞是通过与胚胎干细胞融合为胚胎样细胞，从而改变其分化潜能的［21］。但这些假说并不能解释所有横向分化的现象，需要进一步深入研究。

　　3  干细胞修复病损心脏的途径

　　3.1  干细胞动员修复心脏

　　干细胞动员是指通过利用干细胞动员剂如细胞因子来动员骨髓干细胞进入外周血池，然后归巢至病损组织，在特定组织微环境中分化为受损组织细胞来完成修复的办法。国外学者ORLIC等［9］建立小鼠MI模型后，静脉注射干细胞因子（SCF）和粒细胞集落刺激因子（GCSF），27 d后，在MI区发现骨髓干细胞，并分化成心肌样细胞和血管内皮细胞。同时发现心脏射血分数增加，血流动力学指标明显改善，小鼠MI面积减少40%，病死率下降了68%。KUETHE等［22］选取了5例急性MI病人，在成功进行血管再通和支架安置术48 h后，给予皮下注射GCSF 10 μg/(kg·d)，持续给药(7.6±0.5)d，在给药后(5.0±0.7)d，CD34+骨髓干细胞达到峰值。3个月后随访观察，左心室射血分数明显增加，室壁运动评分和室壁灌注分数下降。没有发现GCSF的严重副作用，也没有出现恶性心律失常等现象。

　　3.2  干细胞移植修复心脏

　　干细胞移植途径与干细胞移植修复心脏的效果密切相关。目前常用方法包括：经心外膜心肌内注射、经心内膜心肌内注射、经冠状动脉输注、经外周静脉注射4种方法。

　　3.2.1  经心外膜心肌内注射  此方法需要在开胸状态时直视下将干细胞注入梗死心肌。主要应用于动物实验研究，近来临床上也有报道在心外科手术的同时，直视下植入BMMNCs到梗死区心肌，围手术期心血管事件发生率下降，术后心功能有所改善。但由于此方法有需要穿刺多个部位，创伤大，需要开胸手术等缺点，限制了它的临床应用。

　　3.2.2  经心内膜心肌内注射  随着介入技术的进步，可以通过导管引导直接进行心内膜注射。PERIN等［23］通过NOGA系统对14例因严重心肌缺血导致心力衰竭的病人进行了经心内膜心肌自体骨髓干细胞移植。术后4个月观察显示，与对照组相比较，移植组左心室射血分数由20%升高到29%（P=0.003），左心室舒张末期容积也显著减少（P=0.03），电机械三维图像显示，细胞注射部位心肌机械收缩舒张功能改善。由于此方法不需要开胸手术，创伤小，安全性高，使之可能成为心脏病介入治疗的重要手段。

　　3.2.3  经外周静脉注射  干细胞被注射到外周静脉后，随血液循环迁移至心脏缺血或损伤组织内。MICHELE等［24］将骨髓单个核细胞注入10只近亲Fish大鼠MI模型的股静脉中，结果显示，骨髓单个核细胞迁移至受损心肌病灶并增殖分化，其机制可能由于组织损伤导致细胞因子释放，后者作为化学诱导剂引导干细胞迁移至病损组织。由于冠状动脉血流量只占心排血量的4%～5%，移植效率低下，限制了它的临床应用。

　　3.2.4  经冠状动脉输注  此法主要适用于MI的急性期。急性MI的早期，由于炎性细胞浸润和炎性递质的释放，梗死区及周围组织毛细血管通透性增加，使注射到冠状动脉内的干细胞易于透过毛细血管壁进入心肌内。STRAUER等［25］对10例急性MI病人在标准治疗和PCI术后1周，经梗死相关动脉注入自体骨髓单个核细胞。随访3个月，发现梗死区面积减小，室壁运动障碍范围减少20%。

　　大量动物实验和近期小样本临床试验证实，经心内膜移植和经冠状动脉输注干细胞治疗急性心肌梗死切实可行，安全有效，因此这两种方法将成为将来临床治疗MI主要途径。

　　4  存在的问题与展望

　　自身成体干细胞移植相对于胚胎干细胞和异体成体干细胞移植具有诸多优点，如无免疫排斥反应、无伦理道德争议，动物实验和小规模临床应用也证实这种方法的可行性、安全性、有效性。然而就目前研究状况，尚有许多问题亟待解决：受体组织中移植细胞的远期命运如何;如何通过细胞标记技术准确鉴定组织中移植细胞或细胞群落;需要明确各种前体细胞的生物学特性以预测移植细胞的治疗效果;移植细胞致心律失常的潜在危险性;对不同心血管疾病进行干细胞替代疗法的最佳时机和干细胞种类的选择;移植后细胞在不同状态心肌环境中的分化方向如何;发展一种安全的基于导管的介入系统将干细胞输注到受体心肌。

　　干细胞移植临床应用前景诱人，促使研究人员继续进行大量的基础实验研究和临床应用的探索，相信在不久的将来，干细胞移植将成为临床治疗心血管疾病的大有前途的方法，人类将掀开缺血性心脏病治疗崭新的一页。

　　［关键词］  干细胞移植；心肌梗死；自体干细胞;

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　　（本文编辑  黄建乡）

　　［作者简介］丁立刚（1977），男，青岛大学心血管内科专业硕士研究生。

　　（青岛大学医学院附属医院心血管内科，山东 青岛  266003）