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成骨骼肌细胞心脏移植治疗缺血性心脏病和心脏衰竭的过去,现在和未来

来源:中华医学研究杂志
摘要:【摘要】成骨骼肌细胞是两项细胞移植治疗缺血性心脏病和心脏衰竭中的一种。虽然动物实验成功地证明成骨骼肌细胞心脏移植能再生心肌细胞并改善受损的心功能,但是仍有不少问题有待解决。尤其是成骨骼肌细胞在心脏中的存活,转归和分化,以及成骨骼肌细胞对心率的影响。本文总结了成骨骼肌细胞移植在动物实验中的结果,分......

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  【摘要】  成骨骼肌细胞是两项细胞移植治疗缺血性心脏病和心脏衰竭中的一种。虽然动物实验成功地证明成骨骼肌细胞心脏移植能再生心肌细胞并改善受损的心功能, 但是仍有不少问题有待解决。尤其是成骨骼肌细胞在心脏中的存活,转归和分化,以及成骨骼肌细胞对心率的影响。本文总结了成骨骼肌细胞移植在动物实验中的结果,分析临床试验中出现的问题,并就解决方法进行了讨论。

  【关键词】  成骨骼肌细胞;细胞移植;心脏衰竭
   
    尽管新的药物和外科治疗方法日新月异, 心功能衰竭仍然高居西方发达国家死亡率之首。和其他脏器不同, 哺乳动物的心肌细胞在出生后数月就丧失了分裂增生的功能[1,2]。虽然近年来有研究发现心肌细胞在心肌梗死和心脏衰竭时会有一定程度的再生[3,4],甚至发现有心肌干细胞存在于心脏内[5],但是很明显这些细胞分裂增生远不足以补偿和修补受损的心肌, 以致纤维疤痕形成。

  随着现代生物技术的发展,细胞移植已成功应用于治疗心脏衰竭。细胞移植的目的是使心脏纤维疤痕组织重获心肌细胞,从而逆转衰竭心脏的功能。理论上有三种方法。 第一种方法是诱导疤痕组织内的残留心肌细胞重新进入细胞分裂周期[3,4],但是很明显细胞分裂的数量远远不够。第二种是通过转基因的方法诱导心脏纤维疤痕组织中的成纤维细胞分化成心肌细胞[6]。然而, 这种方法只停留于实验阶段, 没能进一步发展进入临床实验。最后一种最实际也是最有效的方法就是移植外源性细胞:在衰竭的心脏中移植入外源性的细胞以加强衰竭心脏的功能。细胞移植中所用细胞主要分为两大类:非肌源性细胞和肌源性细胞(表1)。

  表1  细胞移植治疗心脏病的细胞种类非肌源性细胞 略
  
    非肌源性细胞包括成纤维细胞和内皮细胞[7~9]。虽然动物实验显示了可行性,但它们的治疗效果令人质疑。

    肌源性细胞有平滑肌细胞,胚胎干细胞、心肌细胞、骨髓干细胞和成骨骼肌细胞等[7,10~14]。 其中有些细胞种类已被动物实验证实具有改善衰竭心脏做功和提高心功能的作用。骨髓干细胞和成骨骼肌细胞则更进一步, 已在临床进行Ⅰ期和Ⅱ期实验。鉴于独有的优越性,成骨骼肌细胞移植在治疗心脏衰竭中日益受到重视[11]。本文总结了成骨骼肌细胞在心脏衰竭中的应用和发展,并就目前存在的问题进行探讨, 从而对这种方法进行展望。

  1  成骨骼肌细胞移植:心肌细胞替代疗法

  成骨骼肌细胞是一种存在于骨骼肌内具有分裂、繁殖和分化功能的定向的骨骼肌干细胞。当骨骼肌受损时,成骨骼肌细胞能快速分裂并迁移至受损部位[15],单核的成骨骼肌细胞互相融合从而形成新的骨胳肌[16]。成骨骼肌细胞具有在体外生长快和容易培养的特点,因此即使需要大数量的成骨骼肌细胞也容易在实验室里达到。数种动物的成骨骼肌细胞已证实具有安全性和功效(表2)。

  1.1  成骨骼肌细胞移植的动物实验研究  早在1989年,Kao等首次报道了成骨骼肌细胞移植对受损心脏的修补[46]。成骨骼肌细胞被种植在心脏受损疤痕的中央。组织学检查显示在细胞移植的疤痕内有肌纤维形成。Marelli等进一步发展了这项技术[38]。在随后的5年内,其他的研究小组也进一步证实了这一发现[17,20,39]。

  1.2  成骨骼肌细胞移植对受损心脏修补的效率  Taylor等具有里程碑意义的研究第一次论证了成骨骼肌细胞移植能改善受损的心功能[34]。成骨骼肌细胞被移植入兔子冷冻受损的心脏疤痕。组织学检查发现在心脏的纤维疤痕中有成束的带肌纹的细胞群。这些细胞群同时具有骨胳肌和心肌的特征。尤为重要的是Taylor 等的研究首次证明成骨骼肌细胞移植能改善心脏疤痕的收缩和舒张功能。Atkins 等进一步发现成骨骼肌细胞移植对舒张顺应性的改善先于收缩顺应性[33]。舒张功能的改善表现为增强局部张力,提高局部心室壁活动顺应性, 保持静态强度和维持心室壁的厚度[33,34]。

  成骨骼肌细胞移植也能改善局部[24,25,28,32,34,43,44]和整体[23,27]左心室的收缩功能。改善的收缩功能主要表现为提高收缩压[27]和减少射血分数的下降[43]。成骨骼肌细胞移植还具有限制和抑制心衰后左心室的的重塑过程[32,44]。成骨骼肌细胞能维持或恢复正常的心肌壁厚度[23,32], 从而达到减少将左心室扩张的作用[23,43]。

  表2  成骨骼肌细胞治疗心脏病的动物研究动物  略

    和其他种类的细胞相比,成骨骼肌细胞移植对心衰的治疗作用不逊于甚至优于心肌细胞和骨髓干细胞移植。Scorsin 等比较了胚胎心肌细胞和新生成骨骼肌细胞对大白鼠心肌梗死的修复[25]。移植后1个月后发现两种细胞移植均显著提高心功能。Thompson 等的研究也证实了这一点[35]。成骨骼肌细胞移植对改善局部心梗的作用能达到和骨髓干细胞移植类似的效果[47]。Pouzet发现成骨骼肌细胞具有协同抑制Ⅰ型血管紧张素转换酶的作用[28]。 但是就长期的效果来看(12周),成骨骼肌细胞移植对左心室功能的保存和改善要优于单纯的Ⅰ型血管紧张素转换酶抑制药物的应用。

  有研究表明,成骨骼肌细胞对心功能改善的效率和移植的细胞数量有密切的相关性。 移植细胞数量越大,心功能改善就越多。5×107成骨骼肌细胞能使心梗的心肌壁厚度恢复到正常尺寸,而且能最大程度地提高左心室舒张功能, 改善局部心肌的收缩功能和减小心梗面积[31]。Thompson等 移植了1×108成骨骼肌细胞成功地逆转了大白兔衰竭的心功能[35]。

  1.3  临床成骨骼肌细胞移植治疗心衰  鉴于令人鼓舞的动物实验结果,成骨骼肌细胞移植进一步发展到临床实验阶段。成骨骼肌细胞心脏移植已在世界范围内展开(表3)。Menasche 等报道了世界第一例在冠脉搭桥手术后自体成骨骼肌细胞移植的病例[48]。随后,同一研究小组又进行了九例相同的手术[50]。根据美国纽约心脏协会(NYHA)心功能分级的标准,平均心功能从术前的2.7下降到1.6。左心射血分数(LVEF)从23.8% 提高到32.1%,收缩时心肌壁的厚度也相应增加。但是其中有位患者在术后出现心动过缓。

    Herreros等报道了同样的手术[52]。12例患者接受了平均221×106成骨骼肌细胞心脏移植。研究显示心梗局部和整体左心室收缩功能都有提高。LVEF更是从35.5%上升到53.5%。可能是由于使用自体血清作为培养成骨骼肌细胞的基质以及围手术期的抗心律失常药物(amiodarone)的应用,没有心律失常的报道。Chachques等也证实,自体血清作为培养成骨骼肌细胞的基质可以避免心律失常的发生[57]。

  除了附属于冠脉搭桥手术, 成骨骼肌细胞移植也在接受左心辅助装置 (LVAD) 的患者中展开。Dib 等移植了(10~300)×106 的成骨骼肌细胞进入患者心脏内[51]。平均LVEF 从21%提高到29%,而且只有一例患者出现间断的室性心动过速。Smits 等成功利用心导管移植成骨骼肌细胞的病例[53]。13例患者中有8例患者达到中度的心功能改善。首例冠脉搭桥协同异体成骨骼肌细胞心脏移植成功地在俄罗斯进行。在短期免疫抑制药物的作用下(术后3个月), 患者没有出现细胞排斥现象,而患者的心功能也有提高[56]。

  目前几乎所有的临床成骨骼肌细胞心脏移植试验都伴随有冠脉搭桥手术或使用左心辅助装置,所以很难就成骨骼肌细胞移植对提高受损心脏功能的真正效率作出判决。 因此迫切需要进行随机、对照、双盲的大样本的临床研究。

  2  成骨骼肌细胞在心脏内的分化

  虽然几乎可以肯定成骨骼肌细胞心脏移植可以提高动物受损心脏的收缩和舒张功能, 抑制心梗后左心室的重塑过程, 但是成骨骼肌细胞在心脏内的分化和转归以及改善心功能的机制仍有争议。目前有越来越多的证据显示成骨骼肌细胞发展成骨胳肌纤维[17,19,33,58,59]或是和宿主心肌细胞融合形成一种杂交的肌纤维[60~62]。成骨骼肌细胞并没有分化成心肌细胞。

  表3  成骨骼肌细胞治疗心脏病的临床试验文献   略

    虽然在骨胳肌发展的早期阶段,缝隙连接(gap junction) 和连接蛋白-43(connexin-43)等均出现过,但是在骨胳肌成熟阶段这些蛋白的表达均下调[19,63]。体外实验发现,当心肌细胞和成骨骼肌细胞被培养在一起时,成骨骼肌细胞会表达心肌肌钙蛋-T和心房肽(atrial natriuretic peptide)[64]。连接蛋白-43(connexin-43) 也出现在心肌细胞和成骨骼肌细胞之间形成的连接。遗憾的是这些体外实验的结果和细胞移植后动物实验不相吻合。Reinecke 等发现老鼠成骨骼肌细胞形成多核的具有明显肌纹的肌纤维[19]。这些肌纤维表达了快型肌浆球蛋白, 提示他们是成熟骨骼。双重免疫染色显示这些肌纤维没有表达a-肌浆球蛋白链, 心肌肌钙蛋-T,心房肽和连接蛋白-43。Hagege等进一步证明了这一点[58]。在成骨骼肌细胞心脏移植17.5个月以后,荧光免疫染色显示有骨胳肌纤维存在于心脏内。其中的35%表达了快型肌浆球蛋白,32%表达了慢型肌浆球蛋白,而33%的肌纤维同时表达了这两种肌浆球蛋白。但却没有连接蛋白-43和心肌肌钙蛋白-T表达。Pagani 等的研究也发现只有骨胳肌在心脏内形成[59]。

  最新的研究表明成骨骼肌细胞在心脏内能和宿主心肌细胞融合[61]。Reinecke等采用Cre/lox reporter系统来激活Lac-Z的表达,以此来应证细胞融合。当Cre+-小鼠的新生心肌细胞和floxed Lac-Z小鼠的成骨骼肌细胞合养在一起时,一部分细胞表达了Lac-Z,这表明Lac-Z的表达被激活提示有细胞融合发生。动物心脏实验更证明了这一点。在floxed Lac-Z小鼠的成骨骼肌细胞移植入正常的Cre+小鼠的心脏后4天和1星期,Lac-Z表达可在心脏内发现。Rubart等[62]也发现了这个现象。我们的研究揭示人的成骨骼肌细胞不但和异种动物——猪的心肌细胞融合形成杂交肌纤维,而且成骨骼肌细胞的细胞核也和宿主细胞核融合形成杂交细胞核[65]。这些结果和早期的成骨骼肌细胞分化成心肌细胞的结论截然不同, 这可能和成骨骼肌细胞的纯度有关。
  Asakura 等的研究显示能从骨骼肌中分离出一种少量的干细胞。这种细胞在体外能分化成生血源细胞(CD45+) 而不是肌细胞[66]。而生血源细胞具有分化成心肌细胞的功能[67,68]。早期的研究中,除了Murry报道了成骨骼肌细胞的纯度(22%),其它研究大部分都没有检测细胞的纯度[33,34,38,39]。所以移植的所谓的成骨骼肌细胞就会包含有其他细胞种类, 进而影响实验结果。用细胞表面抗原——CD56和肌间线蛋白(desmin) 来检测成骨骼肌细胞的纯度也许能对这个问题有所帮助。Reinecke等能达到70%的纯度[19]。而 Law等能达到98% 以上[69]。

  3  成骨骼肌细胞心脏移植的挑战

  虽然成骨骼肌细胞心脏移植已发展成一项较成熟的技术,但是很多问题有待进一步解决。尤其是成骨骼肌细胞在心脏内的存活率和电生理的相容性仍是最棘手的问题。

  3.1  成骨骼肌细胞在心脏内的存活  决定成骨骼肌细胞心脏移植成功的一大因素是移植细胞的存活率。 超过90%的成骨骼肌细胞会在移植后的48h内死亡[70~73]。导致死亡的因素来自多方面:在早期和成骨骼肌细胞在心脏内生存的环境及缺氧状态有关;随后的炎症反应和免疫反应也有关。Skuk等发现成骨骼肌细胞移植后48h内有即中性粒细胞和巨噬细胞入侵[72]。广泛的细胞毒性T淋巴细胞,巨噬细胞和中等度的CD4+淋巴细胞和少量自然杀伤细胞的浸润从第二天开始。因此, 抗炎症治疗方法能提高成骨骼肌细胞移植的存活率。

  Qu等通过转基因的方法使成骨骼肌细胞过度表达白介素1受体的抗体成功地提高了成骨骼肌细胞的存活率[74]。去除宿主体内的C3补体 也能明显提高供体细胞的早期存活率[75]。通过应用抗CD154抗体能抑制宿主产生抗成骨骼肌细胞的抗体,从而延长成骨骼肌细胞的存活[76]。免疫抑制药物(Cyclosporine或FK506)的使用也证明有助于成骨骼肌细胞的存活[69,77,78]。在异体细胞移植时, 短期应用免疫抑制药物——Cyclosporine可以取得长期的存活效果[69,77]。

  除了抗炎症方法, 生长因子和骨骼肌蛋白对成骨骼肌细胞的存活也有影响,比如肌间线蛋白和肌球蛋白重链。成骨骼肌细胞表达肌间线蛋白的含量越高,成骨骼肌细胞的存活率就越高[74]。供体和受体骨骼肌肌球蛋白重链的配型越接近,供体的成骨骼肌细胞就越容易存活[79]。有选择地挑选具有干细胞性质的成骨骼肌细胞具有明显的抗凋亡的功能[80]。

  成纤维细胞生长因子-b具有刺激成骨骼肌细胞分裂和加强存活的作用[81]。促红细胞生成素也具有促进成骨骼肌细胞分裂 的作用[82]。胰岛素样生长因子能在体内诱导未分化的成骨骼肌细胞生长[83]。血管内皮生长因子能加强成骨骼肌细胞移动, 分化和预防凋亡的作用[84]。用热(40°)预处理成骨骼肌细胞能加强成骨骼肌细胞在心脏的存活[18]。细胞移植的技巧也对成骨骼肌细胞的存活有影响[78]。当每个细胞注射点非常接近(1mm),存活的细胞就越多。

  3.2  心率的影响  一个值得考虑的问题是成骨骼肌细胞心脏移植后早期可能会影响心率,导致心律失常和心动过速[50,59]。但是其中的确切机制还有待研究。

  一个原因可能和心肌细胞和成骨骼肌细胞的不同电生理有关。细胞移植的早期,成骨骼肌细胞成团地存在于细胞注射的地方。 这些成团存在的异种细胞会影响心脏正常的电生理平衡。由于大部分接受成骨骼肌细胞的患者都是冠心病或心脏衰竭的患者,部分患者也有心律不齐和心动过速的病史。 因此抗心律不齐的阈值比正常人为低。 因此当他们的心脏受到异种电信号的干扰时就容易发生心律不齐。在后期阶段, 由于成骨骼肌细胞或形成骨胳肌或和心肌细胞融合。前者表达慢型肌球蛋白以适应心脏的工作; 后者形成的杂交细胞同时具有骨骼肌和心肌的特点, 也就不容易出现心律不齐的现象。

  第二个原因可能和细胞培养有关。有研究发现使用小牛血清培养的人成骨骼肌细胞心脏移植后, 发生心律不齐而需要安装心脏除颤器[50,53]。小牛血清可能是诱因, 因为使用患者自体血清培养的成骨骼肌细胞, 心脏移植后却没有心律不齐的发生[52,57]。动物血清内的蛋白可能在细胞培养过程中粘附在细胞表面, 再通过移植进入人的心脏。这些异体蛋白会在心脏引发炎症反应, 从而诱发心律失常[85]。

  预防心律失常发生的简单方法是在细胞移植前和后短期(6~12 周)应用抗心律失常药物。Herreros等给成骨骼肌细胞移植的患者口服amiodarone 3个月成功预防了心律失常的发生[52]。

  4  成骨骼肌细胞心脏移植的未来

  目前,除了单纯移植以外,成骨骼肌细胞也被应用于基因治疗中。转基因的成骨骼肌细胞可以作为血管生长因子或心肌保护因子的载体,把它们输送到受损的心脏部位,由此达到多重治疗效果。虽然成骨骼肌细胞心脏移植对修补受损的动物心脏具有明显的益处,而且在技术上也已较为成熟,但是要真正成为一种最前卫和最有效的治疗心脏衰竭的常规方法还有待临床试验进一步论证。

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  作者单位:1 National University Medical Institutes,National University of Singapore,Singapore

       2 Department of Pathology and Laboratory of Medicine,University of Cincinnati,Ohio,United of States

       3 Department of Surgery,National University of Singapore,Singapore

  (编辑:李  弋)

作者: 叶磊Haider Kh Hussain沈观伟 2006-8-19
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