骨髓间充质干细胞治疗心肌梗死的研究进展

赵丽平 周晨明 李菁菁 徐彦楠

1.河北医科大学基础医学院，河北石家庄 050017；2.河北医科大学电镜实验中心，河北石家庄 050017；3.河北医科大学细胞生物学教研室，河北石家庄 050017；4.河北医科大学教学实验中心，河北石家庄 050017

随着社会的发展，人们生活习惯的改变以及社会、心理等因素的影响，心血管疾病发病率逐年增高，严重威胁着人类的健康。心肌梗死起病急、发展迅速，是临床常见的内科危重症。因心肌细胞自我再生能力有限[1]，最终梗死的心肌随着纤维性瘢痕的形成和左心室的重构，收缩力降低，导致心功能下降，引起心力衰竭，危及生命。虽然临床上已采用溶栓、冠状动脉支架植入术和冠状动脉旁路移植术治疗心肌梗死，但这些方法并不能从根本上扭转梗死心肌的损害或改善心功能。因此，寻找一种通过心肌再生来改善心功能的方法已成为新的研究方向。近几十年来，科学家们通过实验证明干细胞治疗是改善急性心肌梗死预后的一种有前景的治疗方法[2-4]。目前，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs）已成为各种类型干细胞研究的重点。因此，本文就BMMSCs 的特点及治疗心肌梗死的机制进行如下综述。

1 BMMSCs 的特点

间充质干细胞是干细胞家族的主要成员，是目前被临床广泛使用的细胞类型[5]。间充质干细胞最初是德国病理学家Julius Cohnheim 于19 世纪末在骨髓中观察到的[6]。Friedenstein 等[7]通过研究于20 世纪70 年代提出了一种从小鼠骨髓中分离间充质干细胞的方法。间充质干细胞是一种起源于中胚层的多能干细胞，具有体外扩增和自我更新的能力，并且在一定条件下可分化为软骨、脂肪、骨和神经细胞[8]。间充质干细胞来源包括骨髓、脂肪、脐血、胎盘、乳牙、真皮组织、滑液、羊水[9-13]。骨髓来源的间充质干细胞有较低的免疫原性和免疫调节能力，能有效地消除或避免免疫排斥反应，因此是目前研究最多、最为深入的间充质干细胞，现已用于梗死后心脏的修复和再生[14-15]。鉴于上述特点及易自体采集、分离简单、易体外扩增等优势，使其成为治疗心血管疾病的理想种子细胞。

2 BMMSCs 治疗心肌梗死的机制

2.1 移植细胞活性、迁移和归巢

移植细胞的存活受多种因素的影响，如：移植细胞活性、迁移和归巢等。有研究表明低氧浓度下培养的BMMSCs 较常氧条件下数目明显增多，提示低氧环境有利于增加BMMSCs 的数量、活性[16-17]。除了细胞活力，BMMSCs 的迁移和归巢的过程是移植成功的关键，因此，需要探索增强移植细胞迁移和归巢能力的方法。间充质干细胞的归巢过程有多种趋化因子参与，其中G 蛋白偶联受体CXCR4 及其配体基质细胞衍生因子1（SDF-1）两者特异性结合后，形成SDF-1/CXCR4 轴，启动细胞内信号转导系统，在引导干细胞的归巢中起重要作用[18-19]。王志红等[20]通过实验表明过表达CXCR4 的BMMSCs，可通过SDF/CXCR4 信号通路介导，促进BMMSCs 迁移和归巢。

2.2 转化

众多研究表明，BMMSCs 可以分化为心肌细胞和血管内皮细胞[21]。将BMMSCs 植入到受损的心肌组织中，通过诱导剂可以诱导其向心肌样细胞定向转化。陈晓依等[22]用p53 抑制剂（PFT-α）、骨形态发生蛋白2（BMP-2）对BMMSCs 进行诱导，结果发现PFT-α 和BMP-2 均可诱导大鼠BMMSCs 分化为心肌样细胞。张亚楠等[23]也通过研究证明过表达GATA-4 基因能够促进经5 氮杂胞苷诱导的大鼠BMMSCs 向心肌细胞分化。此外，BMMSCs 还可促进新生血管的生成，改善梗死心肌的缺血状态。Stamm 等[24]在6 例发生心肌梗死并接受冠状动脉旁路移植术患者的梗死边缘区注射了自体BMMSCs，术后3～9 个月，所有患者均存活良好，4 例患者左心室整体功能增强，5 例患者梗死组织灌注明显改善，该实验证明干细胞植入心脏是安全的，并可能诱导血管生成，从而改善梗死心肌的灌注。

2.3 旁分泌机制

BMMSCs 的分泌功能在心肌梗死的治疗中也起到了非常重要的作用。BMMSCs 能产生大量生物活性因子和RNA，包括血管内皮生长因子、成纤维细胞生长因子、促肝细胞生长素、胰岛素样生长因子等。这些旁分泌因子具有抗炎、减轻纤维化、促进新生血管生成、调节机体免疫，可帮助修复受损组织并改善心脏的功能。

2.3.1 促进血管生成 心肌梗死后，心肌细胞凋亡或坏死，成纤维细胞进行瘢痕修复，最终导致心室重构，严重影响心脏功能。因此，促进梗死区域的血管生成至关重要。移植到周围梗死区的间充质干细胞可释放血管 内皮生长因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF）、SDF-1 等旁分泌因子，调节血管生成，抑制信号通路，促进新血管神经节的形成。Zisa 等[25]证实VEGF 在间充质干细胞介导的心脏修复中是关键的治疗性因子。研究进一步证明将VEGF 注射给心肌梗死后的猪后，结果发现心肌梗死及梗死周围区血管密度明显增加，并且促进心肌细胞增殖，从而促进心功能的恢复[26]。也有研究表明BMMSCs 还可以上调缺血心肌局部VEGF、血管紧张素-1（Ang-1）、血小板衍生因子-β（PDGF-β）、表皮生长因子-1（IGF-1）等多种生长因子的表达从而明显促进梗死心肌边缘区的血管新生，增加缺血区微血管密度，改善局部的血液供应[27]。

2.3.2 抗炎与抗纤维化 心肌梗死后，补体的激活和活性氧的产生诱导细胞因子和趋化因子的上调，从而引发强烈但短暂的炎症反应。炎症反应可以清除坏死细胞和基质碎片，同时为瘢痕的形成奠定基础。因此，及时抑制炎症反应对提升心功能，改善患者预后意义重大[28]。有研究将BMMSCs 来源外泌体直接注射到小鼠的心肌横死区域周围，结果发现心肌纤维化程度明显降低，并且相关炎症因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素（IL）-6、IL-1β、转化生长因子-β（TGF-β）和趋附因子CCL2、CX3CL1 的释放减少[29]。Lee 等[30]用内皮素-1 预处理脐带间充质干细胞，通过转录因子GATA2 和MZF1 刺激Cadherin 2 和VEGF 的表达，可使内皮素-1 处理后的间充质干细胞增强心肌梗死大鼠的抗纤维化功能。肝细胞生长因子（HGF）作为一种抗纤维化因子，在体外间充质细胞抗纤维化功能中发挥重要的作用[31]。有研究表明间充质干细胞过表达HGF 在心肌梗死期间改善心功能和减少纤维化方面有明显效果[32]。

2.3.3 免疫调节作用 间充质干细胞具有强大的免疫调节作用。研究表明，间充质干细胞通过修饰外周血单核细胞，产生大量的生长因子、细胞因子和分化因子，调节免疫反应和炎症[33]。间充质干细胞免疫调节包括旁分泌机制调节和免疫细胞调节。

间充质干细胞分泌产生的多种可溶性因子在的免疫调节中起着重要作用，如NO 不仅可以抑制T 细胞的增长[34]，还能通过诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的上调，对免疫细胞产生调节作用[35]。间充质干细胞免疫调节是通过减少免疫细胞的增殖和成熟，来抑制免疫反应。主要是利用下调T 细胞和树突状细胞的发育，降低B 细胞的功能和增殖，抑制NK 细胞的增殖和细胞毒性[36]。PD-1/PD-L1 通路对免疫稳态至关重要[37]。PD-1 的生理作用是通过抑制T 细胞的活化和增殖来维持T 细胞稳态，从而抑制自身免疫[38]。间充质干细胞分泌的PD-L1 会因促炎性细胞因子，如干扰素-γ（IFN-γ）和TNF-α 而明显上调，从而抑制T 细胞的活化状态[39]。树突状细胞在体液免疫和细胞免疫中具有重要作用，间充质干细胞可以通过阻断DC 细胞的成熟，使其处于幼稚阶段，导致DC 细胞表面的抗原的表达并刺激分子CD40、CD80 和CD86 的表达下调，结果导致其成熟、迁移、抗原递呈和抗原处理的能力降低[40]。此外，间充质干细胞还可以下调效应B细胞的功能如免疫球蛋白的产生和浆细胞的分化[41]。

3 小结

BMMSCs 具有多向分化、易获取、快速增殖、免疫原性低、可移植性强等优点，是治疗心血管疾病的理想种子细胞。除此之外，移植的BMMSCs 可以抗炎与抗纤维化，促进新生血管形成，并能进行免疫调节。但移植细胞的存活问题仍需我们进一步的研究解决。目前，临床试验已对BMMSCs 治疗的可行性和安全性进行了检验，但在治疗心肌梗死中，BMMSCs 的最佳剂量和给药途径仍需进一步研究。