干细胞心肌再生的研究现状与未来

叶晓峰，唐耀亮，赵 强

1.上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海 2000252.乔治亚摄政大学，美国

·专家论坛·

干细胞心肌再生的研究现状与未来

叶晓峰1，唐耀亮2，赵 强1

1.上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海 200025
2.乔治亚摄政大学，美国

干细胞参与心肌再生这一领域目前主要仍处于基础研究阶段，但也有一些临床应用研究的报道。本文回顾了近几年干细胞参与心肌的基础和临床研究成果，并分析了研究较多的几种干细胞，比较总结了目前研究者对干细胞在心肌再生过程所起到的作用，以及将来潜在的研究趋势和前景。

干细胞；心肌再生；临床试验；应用

目前人们对心肌再生的认识仍存在较大的争议。虽然成人心肌细胞不能够再生这一传统观念已被否定，但是关于心肌细胞再生的程度和速度仍报道不一，而且心肌再生的细胞来源更是一直存在争论。了解干细胞在其中的作用能够帮助我们更深入地认识心肌再生和重构的生物动态过程，进而为临床上恢复心力衰竭患者心肌的结构和功能提供有效的治疗靶点和策略。本文对近年来心肌再生中关于干细胞的研究，最新的临床试验结果，干细胞再生心肌的途径以及干细胞主要类型作一介绍。

1 干细胞再生心肌的临床试验结果

美国ClinicalTrials网站上注册了1 000多个干细胞心肌再生的临床试验（http://www.clinicaltrials.gov/）。这些临床试验主要应用不同干细胞治疗心力衰竭，这些细胞包括脂肪来源的、骨髓来源的、人类胚胎来源的、自体CD133+和34+的干细胞等[1]。其中，自体骨骼成肌细胞是第一个用于心肌再生的细胞，虽然个别小的临床试验认为它有一定效果，但是大规模的临床试验的结果是阴性的。而应用不同干细胞来治疗缺血性心肌病更具有临床应用前景，但临床试验结果不一致。将骨髓干细胞从冠脉注入治疗急性心肌梗死的临床试验（REPAIR-AMI试验）显示骨髓干细胞能改善心功能，而且能维持超过2年[2]。相反，研究设计类似的Boost试验却得到了阴性的结果[3]。这些不同的研究结果可能是由于研究入组的患者群体不同，细胞准备流程的差异等所导致。最近的两个临床研究（SCIPIO试验和CADUCEUS试验）应用了心脏祖细胞（Cardiac progenitor cells，CPCs）再生心肌，结果均提示能改善心脏功能[4-5]。这两个研究中CPCs的作用机制尚不明了，但目前大多认为是细胞产生的一些旁分泌因子所起的作用，而不是CPCs直接向心肌细胞转化。具体来说，这些旁分泌因子可能对心肌保护，新生血管形成以及心肌细胞重构方面有所作用[6]。

2 干细胞再生心肌的组织工程技术的应用

虽然干细胞再生心肌的临床试验总体来说令人振奋，但实际上移植的大部分干细胞在患者心肌里都不能存活：移植的细胞在注射部位消失，或被血流冲走，或被细胞外基质中的酶所降解[7]。至今，研究者已经尝试过从冠状动脉、静脉、心肌内直接注射等方式移植干细胞，希望能促进心肌再生，但目前对于最合适的干细胞移植途径仍有争议。心肌组织工程则为干细胞再生心肌的治疗开辟一条全新的途径：将干细胞种植到可降解的支架上构建出具有功能的心肌组织或提高原有心肌收缩功能。应用可注射水凝胶被证明能提高移植干细胞的存留率[8]。也有研究者将可降解材料与干细胞和生长因子结合，提高干细胞的存活率和分化[9]。最近研究利用温度敏感的N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，在组织局部投递药物和干细胞，对促进CPCs的生长和分化有帮助[10]。

3 参与心肌再生的干细胞类型

3.1 心脏祖细胞

心脏祖细胞（cardiac progenitor cells，CPCs）是存在于成年哺乳动物心脏中具有组织特异性的干细胞，能通过分化成心肌细胞和血管从而来改善心脏的功能。在健康人的心脏里CPCs的含量很少（大约8 000～20 000心肌细胞中只有1个干细胞），但是在损伤的心脏内，CPCs的数量增加的很快[11]。Barile等[12]提出通过培养，CPCs有增殖和分化成心肌细胞、血管平滑肌细胞和内皮细胞的潜力。van V liet 等[13]提出CPCs存在于心脏里边，能够表达心脏祖细胞转录因子，并且还能够分化成心肌细胞。同时也有研究表明，人心脏祖细胞（human CPCs，hCPCs）可以分化成心肌细胞，表达特殊的心脏标志物和间隙连接蛋白等[14]。大部分的干细胞在治疗心肌疾病的过程中只是稍微起到了一点作用，左室射血分数（LVEF）只是增加了不到5％。相反，临床试验证明CPCs在治疗心脏疾病方面起到了很大的作用。缺血性心肌病患者干细胞注射（stem cell infusion in patients with ischem ic cardiomyopathy，SCIPIO）研究表明用心脏祖细胞治疗后，左室射血分数（leftventricularejection fractions，LVEF）在4个月的时间内增加了＞8％，在1年的治疗时间内，左室射血分数（LVEF）＞12％[4]。同样的，Chugh等[15]入组了33个缺血性心肌病患者，其中20例作为实验组，13例作为对照组进行了干细胞治疗。将心脏祖细胞从右耳中分离出来，再将其注入到缺血区域。结果表明，干细胞治疗明显改善了心功能。目前运用CPCs再生心肌的实验研究相对少，有进一步探索的价值。

3.2 胚胎干细胞

胚胎干细胞（embryo stem cells，ESCs）是由早期胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外分离，抑制分化培养获得的多能干细胞。它具有分化的多潜能性，在体外可诱导分化出各个胚层的细胞，在一定的条件下，胚胎干细胞可以诱导分化为心肌细胞。Koichi等[16]将老鼠胚胎干细胞放在单层纳米碳管和多层纳米碳管的培养液中分别培养，结果表明多层纳米碳管不会影响老鼠胚胎干细胞分化成心肌细胞，而单层纳米碳管会抑制老鼠胚胎干细胞分化成心肌细胞。该结果同时也表明了老鼠胚胎干细胞具有分化成心肌细胞的能力。同时还有很多研究都表明ESCs可以分化成心肌细胞[17]。Akasha 等[18]通过将ESCs种植到大孔的明胶微球上边，这些种植到明胶微球上边的ESCs表达了心肌特异性蛋白，并且分化出的心肌细胞都具有同一的动作电位。还有研究用聚羟基乙酸和ESCs一起被用来制造心脏补片来修复梗塞的心肌[19]。近来，更是有学者将其运用到临床实验中。Benetti等[20]将人胚胎干细胞注入到晚期心力衰竭患者心脏中，结果表明，干细胞疗法改善了患者心脏的功能。虽然ESCs涉及伦理问题，但对其的进一步研究也有助于了解多能干细胞来源的心肌细胞，在心肌再生领域的研究和应用。

3.3 间充质干细胞

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是从神经组织、脂肪组织、骨髓组织、羊水、脐带、胚盘、月经血，甚至牙髓中提取出来，并具有分化成脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞、心肌细胞和神经细胞潜能的干细胞。在1999年，Makino等[21]首次提出了老鼠骨髓源性的MSCs可以在活体实验中分化成心肌细胞。另外MSCs具有旁分泌功能和免疫豁免的能力[22]。MSCs可以通过抑制T细胞的增殖来抑制免疫反应的发生，从而提高了分化出的心肌细胞的生存概率，提高了MSCs的治疗效果。但一项综合了33个关于MSCs的临床研究的meta分析指出，各个临床研究结果相当不一致，虽然总的结果能提高LVEF，但是对并发症发生率和死亡率不产生积极的影响[23]。

3.4 诱导的多功能干细胞

诱导的多功能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）具有分化成神经细胞、心肌细胞、胰腺细胞、肝细胞等的潜力。而当前，利用iPSCs分化而来的心肌细胞构建心肌组织是当前研究的一大热点。有的研究者们利用了不同的方法将体细胞分化成诱导的多功能干细胞，再将得到的iPSCs培养成了心肌细胞。Mauritz等[24]利用胚状体（EB）分化系统成功地利用老鼠诱导的多功能干细胞（mouse iPSCs）分化出了心肌细胞，并首次提出了miPSCs能够分化成心肌细胞。在另一项研究中，Narazaki等[25]将诱导的中胚层miPSC衍生物与OP9老鼠基质细胞一起培养，从而成功地培养出了心肌细胞。Zhang等[26]将iPSCs放在基质胶上培养，待其铺满培养皿后，再在其上边加一层基质胶，从而形成一种“三明治”样基质层。往基质层中加入一系列的生长因子，比如：活化素A、骨形态发生蛋白4等，可以促使iPSCs分化成心肌，纯度更是达到了98％。3个实验中，iPSCs都分化出了心肌细胞，并同时也具备了心肌所特有的组织和功能特点。近来，更有研究提取出人体细胞，诱导分化成人多功能干细胞（human iPSCs），从而产生心肌细胞。例如：最近，Zwi-Dantisis等[27]从严重心力衰竭的患者中提取出了hiPSCs。通过重新编辑这些患者真皮成纤维细胞，利用一种可抽取的多顺反子表达载体，从而产生心肌细胞。Zhao等[28]利用患者身上提取出的体细胞，将其诱导分化成iPSCs细胞，再通过一系列的实验技术将其引导分化成心肌组织。当诱导iPSCs分化成心肌组织时，其会朝着病变的心肌组织方向分化发展。由此研究掌握疾病发生发展过程中一系列的过程。iPSCs技术的到来为移植治疗带来了新的机遇，iPSCs平台也为自体同源组织工程提供了一个新的基础，同时也促进了再生医学的发展。目前如何成规模的定向诱导iPSCs，以及进一步的临床研究有待深入。

4 结语

干细胞再生心肌无疑是未来治疗心脏疾病的重要手段。目前的干细胞移植可能有效，而且并没有大的危害，临床研究者应严格地把握临床试验的要求。在干细胞再生心肌的研究初期，客观的设计好随机化双盲的临床试验，为这项新技术最终能够在临床上应用打好坚实的基础。

[1] Sanganalmath SK，Bolli R.Cell therapy for heart failure：a comprehensiveoverview of experimental and clinical studies，current challenges，and futuredirections[J].Circ Res，2013，113 （6）：810-834.

[2] Assmus B，Rolf A，Erbs S，et al.REPAIR-AM I Investigators.Clinical outcome 2 years after intracoronary adm inistration of bone marrow-derived progenitor cells in acute myocardial infarction[J].Circ HeartFail，2010，3（1）：89-96.

[3] Schaefer A，Zwadlo C，Fuchs M，et al.Long-term effects of intracoronary bonemarrow cell transferon diastolic function in patients after acute myocardial infarction：5-yearresults from the random ized-controlled BOOST trial-an echocardiographicstudy[J].Eur JEchocardiogr，2010，11（2）：165-171.

[4] Bolli R，Chugh AR，D'Amario D，et al.Cardiac stem cells in patients withischaem ic cardiomyopathy（SCIPIO）：initial results of a random ised phase1 trial[J].Lancet，2011，378 （9806）：1847-1857.

[5] Chugh AR，Beache GM，Loughran JH，et al.Adm inistration of cardiac stem cells in patients with ischem ic cardiomyopathy：the SCIPIO trial：surgical aspects and interim analysis of myocardialfunction and viability by magnetic resonance[J].Circulation，2012，126（11 Suppl1）：S54-S64.

[6] M irotsou M，Jayawardena TM，Schmeckpeper J，etal.Paracrine mechanisms of stem cell reparative and regenerative actions intheheart[J].JMolCellCardiol，2011，50（2）：280-289.

[7] Hong KU，Guo Y，Li QH，et al.c-kit+Cardiac stem cellsalleviate post-myocardial infarction left ventricular dysfunction despitepoor engraftment andnegligible retention in the recipientheart[J].PLoSOne，2014，9：e96725.

[8] Ye Z，Zhou Y，Cai H，et al.M yocardial regeneration：Roles ofstem cells and hydrogels[J].Adv.Drug Deliv Rev，2011，63 （8）：688-697.

[9] Karam JP，Muscari C，Montero-Menei CN.Combining adult stem cellsand polymeric devices for tissue engineering in infarcted myocardium[J].Biomaterials，2012，33（23）：5683-5695.

[10] Ren S，Jiang X，Li Z，et al.Physical properties of poly（N-isopropylacrylam ide）hydrogel promoteits effects on cardiac protection aftermyocardial infarction[J].J Int Med Res，2012，40（6）：2167-2182.

[11] Yang Z，von Ballmoos MW，Faessler D，et al.Paracrine factors secreted by endothelial progenitor cells preventoxidative stressinduced apoptosis of mature endothelial cells[J].Atherosclerosis，2010，211（1）：103-109.

[12] Barile L，Messina E，Giacomello A，et al.Endogenous cardiac stem cells[J].ProgCardiovasc Dis，2007，50（1）：31-48.

[13] V liet P，Sluijter JP，Doevendans PA，et al.Isolation and expansion of resident cardiac progenitor cells[J].Expert.Rev.Cardiovasc.Ther，2007，5（1）：33-43.

[14] Sm its AM，van V liet P，Metz CH，et al.Human cardiomyocyte progenitor cells differentiate into functional mature cardiomyocytes：an in vitro model for studying human cardiac physiology and pathophysiology[J].Nat Protoc，2009，4（2）：232.

[15] Chugh AR，Beache GM，Loughran JH，et al.Adm inistration of cardiac stem cells in patients with ischem ic cardiomyopathy：the SCIPIO trial：surgical aspects and interim analysis of myocardial function and viability by magnetic resonance[J].Circulation，2012，126（11 Suppl1）：S54-S64.

[16] Koichi IMAI，Kazuhiko SUESE，Tsukasa AKASAKA，et al.In Vitro Study of Cell Differentiation by Mouse Embryo Stem Cellson NanocarbonTubes[J].Nano Biomedicine，2010，2（1）：47-51.

[17] Chen K，Wu L，Wang ZZ.Extrinsic regulation of cardiomyocyte differentiation of embryonic stem cells[J].J Cell Biochem，2008，104（1）：119-128.

[18] Akasha AA，Sotiriadou I，Doss MX，et al.Entrapment of embryonic stem cells-derived cardiomyocytes in macroporous biodegradable m icrospheres：preparation and characterization [J].Cell PhysiolBiochem，2008，22（5-6）：665-672.

[19] Ke Q，Yang Y，Rana J，et al.Embryonic stem cells cultured in biodegradable scaffold repair infarcted myocardium in m ice[J].ActaPhysiologica Sinica，2005，57（6）：673-681.

[20] Benetti F，Penherrera E，Maldonado T，et al.Directmyocardial implantation of human fetal stem cells in heart failure patients：long-term results[J].Heart Surg Forum，2010，13（1）：S31-S35.

[21] Makino S，Fukuda K，M iyoshi S，et al.Cardiomyocytes can be generated from marrow stromal cells in vitro[J].JClin Invest，1999，103（5）：697-705.

[22] Ma S，Xie N，Li W，et al.Immunobiology of mesenchymal stem cells[J].Cell Death Differ，2014，21（2）：216-225.

[23] Clifford DM，Fisher SA，Brunskill SJ，et al.Stem cell treatment for acute myocardial infarction[J].Cochrane Database Syst.Rev，2012，2，CD006536.

[24] Mauritz C，Schwanke K，Reppel M，et al.Generation of functional murine cardiac myocytesfrom induced pluripotent stem cells[J].Circulation，2008，118（5）：507-517.

[25] Narazaki G，Uosaki H，TeranishiM，et al.Directed and systematic differentiation of cardiovascular cells from mouse induced pluripotent stem cells[J].Circulation，2008，118（5）：498-506.

[26] Zhang J，K los M，Wilson GF，et al.Extracellular matrix promotes highly efficient cardiac differentiation of human pluripotent stem cells：the matrix sandw ich method[J].Circ Res，2012，111（9）：1125-1136.

[27] Zw i-Dantsis L，Huber I，Habib M，et al.Derivation and cardiomyocyte differentiation of induced pluripotent stem cells from heart failure patients[J].Eur Heart J，2012，34（21）：1575-1586.

[28] Zhao Q，Cai H，Zhan Y，et al.Applications of human-induced pluripotent stem cells in the investigation of inherited cardiomyopathy[J].Int JCardiol，2014，177（2）：604-606.

Research in stem cellsmediated cardiac regeneration presentand future

YEXiaofeng1，TANG Yaoliang2，ZHAOQiang1
1.Ruijin Hospital，Shanghai Jiaotong University SchoolofMedicine，Shanghai200025，China
2.Georgia Regents University，USA

Research on stem cell and myocardial regeneration is still in its primary stage， with sporadic clinical reports in recent years.In this paper，we review the researches in the field of stem cell and myocardial regeneration，analyze the function of stem cells in this process，and summerize and envision the future of stem cells application during myocardial regeneration.

Stem cells；Myocardial regeneration；Clinical trial；Application

Q813.3

A

2095-378X（2015）03-0141-04

10.3969/j.issn.2095-378X.2015.03.001

国家自然科学基金青年项目（81000096）

叶晓峰（1978—），男，主治医生，麻省理工学院Langer实验室博士后，研究心血管组织工程

赵 强，电子信箱：zq11607@rjh.com.cn