1、1心肌干细胞治疗心衰：新方向、新征途04 口腔 楊靜文 張偉生 餘婧婷 徐赫 楊雪摘要：随着研究的不断推进，心肌干 细胞的存在从不断的质 疑声中走出来。各方面的 实验结果否认了长期以来人们的一致认为：出生后人心肌细胞的增殖和分化就会停止，由于 发生凋亡和坏死，心肌细胞会不断的减少。心力衰竭发生主要原因是心肌 发生大面积梗死或高血压导致的外周阻力升高，当原有的心肌收缩力不足以维持全身的血液供 应时，心肌 细胞就只能通过代偿性的肥大来补偿所需收缩效应，若代 偿作用不足弥 补所需，病情就会 进一步发展为失代偿，导致心力衰竭。由于成体心肌中具有分裂分化能力的心肌干 细胞的存在，通过增加心肌数量来发挥心
2、肌代偿作用成为可能， 这一发现为心力衰竭的治 疗提供新的方向，但同 时也面临新的挑战。关键词：心肌干细胞，CSC，心力衰竭，心肌干细胞移植从上世纪七十年代开始，人们普遍认为心脏是一个不可更新的器官。心肌细胞的数量在出生后就不会再增多，只会随着损伤、衰老和死亡而不断地减少。这一观点从上世纪七十年代开始一直成为人们的主流观点，并指导人们进行基础和临床研究。然而最近的研究否定了这一观点。心肌中存在一种心肌干细胞(cardiac stem cells, CSCs)，它具有分裂和分化能力，能补充丢失的心肌细胞，从而使心肌保持一定的再生能力。由此我们可以想象，只要我们分离出了这种心肌干细胞，我们就可以将它
3、导入发生心力衰竭的心脏，从而加强心脏收缩力，逆转心肌重构。这可能是未来治疗心力衰竭的一种全新但却十分有效的方法。1. 成体心脏中存在心肌干细胞心肌中可能存在一种心肌干细胞，并且这种干细胞能分化为心脏中包括心肌细胞在内的各类细胞。Federico 等1 的临床实验证实：当将女性的心脏移植到男性身上时，在移植的心脏中可以找到带有 Y 染色体的受者的心肌细胞。这一结果表明，有一部分受者的细胞进入了移植的心脏心肌内，并且成功分化成了心肌细胞，这部分具有分化成心肌细胞能力的受者细胞可能就是心肌干细胞，它可能经过循环系统进入了移植心脏中。尽管如此，对于心肌干细胞的切确来源，目前仍然没有定论。甚至有研究反对
4、这一观点：Arben 等2的研究指出：这一现象的出现并不是由循环系统的细胞进入移植心脏并分化为心肌细胞而出现的，而是由于收受者细胞与移植心脏的心肌细胞发生融合而出现的假象。不过最新的实验研究结果3支持骨髓源性细胞是心肌干细胞的最终来源。心肌干细胞存在于特定的微龛中，正常生理情况下，一部分细胞脱离微龛，进行迁移、生长和分化，从而补充因凋亡、衰老和死亡而减少的细胞，从而维持心脏功能的完整性。但是，在心肌梗死等病理情况下，心肌干细胞的分化过程将被扰乱，从而使心肌数目发生功能上的不足并最终导致心肌肥大以至心力衰竭。在此之前，心肌干细胞的激活有一定的缓冲能力，从而使坏死组织得到修复，心功能得到加强4。2
5、. 心肌细胞更新的特点心肌干细胞是一种多能干细胞，它可以分化为心肌细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞5等。在分化过程中，要经历干细胞、祖细胞、前体细胞和周期扩增细胞四个不同的阶段。在分化的不同阶段，它们会选择性的表达表面标志分子，不同的分化细胞类型有不同的标志分子，并有不同的分化方向，据此可以将干细胞进行分类，但目前人们对这些标志物本质和功能的理解还不是很清楚。人体在正常生理条件下，由于心肌干细胞的存在，心肌细胞时时刻刻都在进行着自我更新。根据计算6得知，人体心肌细胞全部更新一遍的时间约为 4.5 年，假如人的寿命以280 年来计算，那么在人的一生中，全部心肌细胞要经历 18 次的更新。这个观点与
6、以前的心肌细胞是终生细胞，永不更新的观点截然相反。由此可见，正常人体的心肌细胞数目始终处在一个丢失与再生的动态平衡中，如果这个平衡被打破，即心肌细胞的再生不足以补充因死亡或凋亡而丧失的细胞，心肌细胞的总数目就会进行性的减少。当这种情况出现的时候，心脏为了维持正常的收缩力和心功能，代偿机制就会促使剩余的心肌细胞发生肥大，从而导致了心肌重构。在人体中，细胞的分裂受到端粒酶的影响。随着细胞分裂的进行，人体细胞中端粒酶的活性逐渐降低，染色体端粒的长度也相应的缩短。当端粒缩短到一定长度以下时，细胞的分裂就无法继续进行下去，也就是达到了 Hayflick 界限。人体的心肌干细胞并不具有完全的端粒酶活性，在
7、其复制的过程中，端粒酶的活性也会不断的降低。于是，心肌梗死一方面可以诱导心肌干细胞分化，出现心肌细胞的大量再生现象，另一方面由于端粒酶的活性会随之下降，或者端粒结合蛋白的改变引起端粒的改变7,8，心肌细胞的再生能力将会削弱。从一定意义上说，心肌梗死导致了心肌细胞的大量增生，这种增生消耗了心肌细胞再生的储备能力。随着心肌细胞再生能力的减弱，衰老的细胞，低收缩力的细胞以及肥大细胞比例不断上升，并最终导致了心力衰竭。3. 心肌干细胞的修复作用心肌细胞也不断再生的同时也在不断的坏死和凋亡。最新的研究证明9：生长激素(GH)能有效的促进心肌细胞数目的增多。这可能是通过两条途径实现的，第一条是直接作用于心
8、肌干细胞上生长激素受体；第二条途径可能是通过提高IGF-I的血浆水平，从而间接的作用于心肌干细胞。这两条途径使心肌干细胞提高分化速度，从而使新生心肌细胞的数目在实验中得到显著的提高。另有实验证实10，在一定的培养条件下，皮下脂肪组织源性干细胞,即ADSC(adipose- derived stem cells)可以自发地转化为心肌细胞。在这个转化过程中，血管内皮生长因子(VEGF)起着非常重要的作用。急慢性心力衰竭中未损伤组织的心肌细胞会大量增生的现象也得到了实验数据的支持6。以心肌梗死致死病人的未坏死心室肌为研究对象，计算分裂指数为 500/106，据此，每天约有 2.20x108 个新的心
9、肌细胞产生，这个再生速度是生理再生速度的 70 倍，虽然在心肌梗死的终末阶段，分裂指数下降到 140/106，但每天依然能产生 3.4x107 个细胞，也是生理再生速度的 11 倍既然心肌具有自我修复的能力，那么在心肌梗死后，能否由心肌细胞的再生来修复坏死区域呢？到目前为止还没有可行的途径，虽然其具体的原因还没有完全揭示，但我们可以推测有三个可能因素：（一）在坏死区域内由于缺血缺氧，心肌细胞和心肌干细胞一起死亡。这一点已经得到证实4，11；（二）由于心肌干细胞以及分化出的各种细胞迁移能力弱，无法补充坏死区域的心肌细胞缺损，从而导致无法修复；（三） ，心肌梗死后常常发生坏死区域炎症细胞的浸润以及
10、随后的纤维化和瘢痕形成，加上该过程中的各种细胞因子作用，新生心肌细胞的定植和生存受到考验。这些现象可能都会导致新生的心肌细胞无法定居到坏死区域，从而使得心肌干细胞的修复活动不能顺利进行。关于最后两点也有相关的实验表明：在心肌梗死发生后，坏死区域缺少新生细胞的修复，但在未坏死区域和坏死区域边缘，新生的心肌细胞却大量增加4。这说明并不是坏死不能激活心肌细胞的分化增生，但由于坏死区域的特殊性质导致坏死区域不能顺利地进行修复。综合考虑，在心肌梗死中，初期的心肌再生速度略快于丢失速度，但长期来看，再生速度将不及丢失速度。由此可以得出结论：坏死的心脏虽然能进行快速的自我修复，但是，这种修复仅仅发生在未坏死
11、区域，并在长期内不足以补充丢失的心肌细胞。这种现象促使残余心肌细胞肥大，依靠功能的增强来维持心脏的泵血功能。但通过移植心肌干细胞到心3肌梗死区域来补充减少的细胞数量，也许能成为未来心力衰竭的一种全新治疗方法。4. 心肌干细胞的治疗作用目前，人们已经进行了一系列的临床实验来探索心肌干细胞的治疗作用。虽然有临床实验证实，当心肌干细胞导入坏死心肌后，心脏的功能的确有所改善，但是这并不能成为心肌干细胞分化成为心肌细胞的有力证据。有实验证实12，将干细胞导入心肌梗死的心脏能有效的改善心室的结构和提高心室的功能，但这可能是导入的干细胞能释放某些激活心脏的细胞因子，它们刺激了血管的生成，细胞外基质的重构以及
12、提高残余心肌的收缩力来达到加强心脏功能的目的。另外也有实验证实13，在运用胚胎干细胞导入心肌中来进行心肌梗死的治疗时，胚胎干细胞并不能定向分化为心肌细胞，而是分化成了畸胎瘤。这说明心肌梗死可能并没有产生心肌干细胞的分化信号。不过，由于胚胎干细胞并不等同于心肌干细胞，这个实验并不能完全证明没有产生分化信号。但是，它也提出一个问题，要运用心肌干细胞来治疗心肌梗死，必须要产生足够强度的分化诱导信号。另一个研究发现14：将胚胎干细胞分化出的Flk1 +细胞导入小鼠心脏中，成功的分化成了心肌细胞，这些细胞不仅具有成熟心肌细胞的标志分子，而且具有缝隙连接和收缩能力，能提高小鼠心脏的功能。更重要的是，这些细
13、胞还能产生与成体心室细胞相似的动作电位。而对照组的Flk1 -细胞却不能产生这些结果。这个研究提示：Flk1是心肌干细胞的标志分子，只有Flk1 +干细胞才具有分化成为心肌细胞的潜能。还有一些试验为如何控制心肌干细胞分化提供了思路：Mark S研究发现15：当AKT信号通路激活时，心肌干细胞的分化会显著激活，这表明AKT通路可能是心肌干细胞分化的一条信号通路；Roberto G研究表明16,一些物理因素如极低频磁场(ELF-MF)也能影响心肌干细胞的分化。当心肌干细胞暴露于极低频磁场中时,细胞表面的标志物会发生改变,细胞代谢活动加强,细胞的分裂速度上升；还有Scobioala一项研究发现17巢
14、蛋白(nestin)在梗死心肌与非梗死心肌的边缘区有大量的表达，而这一区域同时有各种类型的分化细胞，包括心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞等。由于巢蛋白是祖细胞分化的标志物，因此，梗死心肌边缘巢蛋白的大量表达意味着这一区域存在大量的心肌干细胞分化活动。5. 心肌干细胞用于治疗的缺点在现有的治疗过程中，一般用导入外源性心肌干细胞的方法来进行。但是，由于外源心肌干细胞与受者的组织相容性抗原(HLA)不同，必然会引起相应的免疫应答13，从而导致免疫排斥。这就对心肌干细胞的来源提出了要求，但是，要找到 HLA 相同或相近的心肌干细胞,似乎并不容易。目前，心肌干细胞大约有四种来源18：第一种是自体骨骼肌母细
15、胞；第二种是自体骨髓细胞，第三种是自体固有心肌祖细胞；第四种是同源的胚胎干细胞来源的心肌干细胞。这些来源的心肌干细胞都或多或少的有缺陷。制约了心肌干细胞用于治疗的进程。即使我们获得了合适的心肌干细胞，我们把它导入心肌的坏死区域，但是我们如何建立有效的激活信号仍然是一个难题。虽然研究发现了许多的信号分子和影响因素，但我们对这些信号通路似乎缺乏系统的认识，还未认识到完整的信号通路。最后，我们假设导入的干细胞在心肌梗死的区域能成功的分化为心肌细胞，但它依然难以成为有收缩力的心肌细胞，原因如下：干细胞在坏死区域新生的心肌细胞即使的形态上与未坏死的心肌细胞无异，但是，这些细胞无法与未坏死的心肌细胞有效的
16、通过闰盘连为一体。因此，从窦房结传来的兴奋并不能成功地刺激新生心肌细胞收缩，可能导致心律不齐19。6. 结论4心肌干细胞是一种存在于心脏中的具有多分化潜能的干细胞。生理条件下，它的功能是补充凋亡和坏死的心肌细胞，维持心肌细胞丢失与再生的平衡；病理条件下，它能大量增生分化，缓解心肌的功能性损害。心脏干细胞在病理条件下大量分化因受到 hayflick 界限的影响，随着病理过程的进行其分化能力会降低。目前，心肌干细胞能否成功移植，移植的心肌干细胞是否可以分化为有功能的心肌细胞还存在很大的争论。运用心肌干细胞在临床上治疗心力衰竭的理论和技术都还不够成熟。因此，要想让心肌干细胞在未来成为一种有效的治疗手
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