心脏干细胞及其应用研究进展

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心脏干细胞及其应用研究进展 【关键词】 心脏干细胞治疗心肌再生文献综述 传统观点认为， 成年哺乳动物的心脏是一个静止 器官， 不具备完全修复损伤再生的能力。 组成心脏的细胞成分如心肌细胞、 内皮细胞， 已停止克隆增殖、 分化、 生长， 但最近这一观点受到了挑战。 Kajstura 等［1］ 在心脏组织中发现了一类正在分裂、 增殖的细胞，同时发现这类细胞表达有心肌细胞生物标志。 随后， Quaini 等［2］在性别错配的心脏移植患者心脏中发现了 一类具备干细胞特征的细胞， 它们能够自我更新、 克隆增殖， 在心脏组织内分化为心脏的多种细胞成分， 如心肌细胞、 血管平滑肌细胞、 内皮细胞等， 据此 Quaini等推断心脏中存在心脏干细胞(cardiacstemcells, CSCs) 。 CSCs 的发现改变了人们以往对心脏自我稳态维持及损伤修复的认识， 同时， 它为终末期心脏病的治疗提供一条新的途径。 现就 CSCs 及以其为基础的心脏病治疗作一综述。 1CSCs 的发现 Beltrami 等［3］ 在大鼠的心脏中发现了 CSCs， 证实了 Quaini等人的推断， 他们在大鼠心脏中分离的这类细胞表达 c kit 及干细胞因子（stemcellfactor, SCF）。 Beltrai 等人在研究中证实了这类细胞具有干细胞特征， 在体外培养下这类细胞可以克隆增殖， 而且可以 分化出心肌细胞、 血管平滑肌细胞和内皮细胞并表达其生物学标志。 但在实验中同时发现， 这类细胞虽然可以分化， 但是其并未完全成熟。 在将这类细胞注射到心肌梗死动物模型的心脏梗死部位后， 人们观察到这类细胞在体内可以分化为表达肌球蛋白的圆形小细胞和带有血管样结构的小细胞。 随后， 研究人员在多种动物如小鼠［4］、 狗［5］ 中发现存在 CSCs。 Messina 等 ［4］在人的心脏活检标本中发现分离出了表达 c kit和 sca 1 的细胞， 并在体外培养中发现这些细胞可以自我更新， 将其移植入小鼠心脏后可以分化为能够收缩、 表达心肌蛋白的肌细胞及血管内皮细胞， 证实这些细胞具有自我克隆增殖、 多能分化能力， 是人类心脏中固有的 CSCs。 2CSCs 与心脏稳态 随着对 CSCs 研究的深入， 发现 CSCs 对心脏稳态的维持有重要意义， CSCs 受损、 功能退化将直接影响心脏功能。 Urbanek 等［6］ 对比研究了急性与慢性缺血性心脏病患者心脏组织中的 CSCs， 发现两组患者心脏中干细胞的数量较正常对照组都有提高， 其端粒酶活性也较对照组高， 且急性缺血性心脏病患者 CSCs 的数量与端粒酶活性显著高于慢性缺血性心脏病患者。 在慢性缺血患者 CSCs 中， 有较多是无活力、处于凋亡状态、 不具备分裂与损伤修复能力的细胞。 ---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 3 / 11 这项研究提示， 慢性缺血性心脏病患者心功能进行性减退， 最终发生心衰， 可能与功能完好的 CSCs 减少有关。 Huang 等［7］ 在研究多柔比星的心脏毒性时也有相似发现。 在予幼鼠多柔比星后， 其成年后发生心衰可能是因为多柔比星损伤了 CSCs， 最终导致 CSCs 数量减少， 心脏损伤修复能力减弱。 Torella 等［8］ 研究发现 CSCs 与心脏的衰老关系密切。 随着年龄的增长， CSCs 功能退化、 数量减少， 引起心脏再生修复能力减弱， 最终导致心脏功能减退。 近期的一项研究显示， 运动可以激活CSCs， 从而能够提高心脏功能［9］。 3CSCs 的分类 CSCs 存在于哺乳动物心脏中。 目 前在研究中发现了 多种心脏细胞， 根据这些细胞生物学标志不同可以将其分为 3 类： (1) c kit+细 胞。 这类细 胞以 表达 c kit 为 特征， 常 常 共表达 sca 1(stemcellantigen 1)和MDR1(mutidrugresistance likeprotein 1) 。 这类细胞是目前发现最早也是研究较多的 CSCs。 c kit 是一种干细胞生物学标志， 细胞表达 c kit 一般被认为具有多能分化潜力， 心脏中的 c kit+细胞在动物实验中认定其有自我更新克隆、 多能分化潜能等干细胞特性［3, 5］。 最近一些研究发现， c kit 对于 CSCs 还有重要生物学功能。 Kuang 等［10］ 发现， c kit通过激活p38MAPK途径介导CSCs在心脏发生梗死时由正常心肌向梗死部位迁移。 Li 等［11］ 发现 c kit 可以促使 CSCs 开始分化， 调节 心肌细胞最终分化成熟。 (2) 侧群(sidepopulation, SP) 细胞。 SP 细胞以低的 Hoechst 荧光染色为特征， 目前在鼠及人等哺乳动物的多种组织中通过相同的弱荧光染料染色现象已分离出相应的 SP 细胞， 其具有干细胞特性。 研究人员已在心脏中分离出了 SP 细胞， 并发现在体外培养下这些细胞能够自我更新， 与心肌共培养能够分化成自发收缩的细胞［12］。 Yamahara 等［13］ 发现心脏 SP 细胞有多种细胞成分， 包括血管内皮细胞、 平滑肌细胞、 间质干细胞等。 (3) cardioblast 细胞。 这类细胞以表达 Islet 1 为特征。 Laugwitz 等［14］ 在小鼠心脏中分离出了 Islet 1+细胞， 与新生鼠的心脏细胞共培养后这些细胞能分化为可自发收缩的心肌样细胞， 并与周围细胞形成电机械信号联系。 Rosenblatt Velin 等［15］ 在动物实验中发现， cardioblast 细胞能够自动向心脏归巢， 并分化为心肌组织。 需要指出， 由于缺少特异性生物标志， 这种对 CSCs 的分类---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 5 / 11 并不绝对严格， 存在一部分交叉 细胞， 可能表达多个类型的生物学标志。 目前这 3 类细胞之间的内在联系尚未明确， 它们如何协同完成对心脏稳态的维持及损伤的修复亦未明确。 4CSCs 的起源 关于 CSCs 的起源， 目前有两种观点。 一些学者认为其起源于骨髓，骨髓中的一部分细胞迁移定居在心脏中构成 CSCs， 主要依据有： (1) 在对性别错配的心脏移植患者的研究中发现， 女性供者的心脏在受者体内一段时间后可出现含有 Y 染色体的 CSCs［2］； 在性别错配的骨髓移植患者心脏中发现了异源的 CSCs［16］。 (2) Mouquet 等［17］ 发现心肌梗死后 CSCs 的数量将会减少， 在梗死 1 周后其数量将会恢复至基线水平， 新的 CSCs 共表达 CD45， 提示骨髓中的细胞补充了 CSCs。 (3) Pouly等 ［18］在人的心脏活检标本中分离得到的CSCs共表达CD45。 另一些学者认为起源于胚胎， CSCs 是残留的胚胎发育时期的原始细胞， 主要依据有： (1) cardioblast 细胞表达 Islet 1， Islet 是一种胚胎细胞生物学标志。 (2) Wu 等［19］ 在鼠胚中分离出的 c kit+/nkx2. 5+细胞与 c kit+CSCs 十分相似， 并且可以分化为心肌细胞。 5 以 CSCs 为基础的心脏疾病治疗 CSCs 可以自我增殖， 并能够分化为心肌细胞、 内皮细胞， 参与心脏损伤修复， 改善心功能， 以 CSCs 为基础的治疗方法为终末期心脏病的治疗提供了一条新途径。 5. 1 体外分离培养扩增 CSCs， 回植入体内 Bearzi 等［20］ 将体外培养的人类 CSCs 植入心肌梗死动物模型 的心脏内， 发现这些动物模型的心功能都较对照组有明显改善。 植入的人类 CSCs 可以分化心肌细胞， 替代梗死后无活力的心肌细胞。 目前这个以干细胞为基础的心肌再生治疗正处于探索阶段， 并未用于人类心脏疾病的治疗。 5. 2 药物提高 CSCs 功能 CSCs 的获取、 分离、 培养、 增殖较困难， 不利于临床的应用。 因此研究人员试图通过药物刺激心脏中原有的干细胞增殖分化修复损伤： (1) 生长因子。 Torella 等［21］ 发现， 造血生长因子和胰岛素样生长因子可以刺激动物 CSCs 增殖。 在给心肌梗死模型动物注射上述两种生长因子后， 发现动物的心脏中 CSCs 数量明显增加， 动物的心脏梗死面积明显缩小。 (2) periostin。 Kuhn 等［22］ 发现 periostin 可以刺激 CSCs 分裂， 从而提