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细胞|心脏病干细胞疗法的机遇与五大挑战

心脏是人类最重要的器官之一 ， 它的作用是将血液泵至身体各个部分 ， 为我们提供生命的动力 。 由于心脏组织的特殊性 ， 人类能够免受“心脏癌”的困扰 ， 但各类心血管疾病却让我们束手无策 。
近期 ， 《干细胞杂志》（Stem cells journals）发表了一篇综述 ， 总结了人类多能干细胞衍生的心肌细胞（hPSC-CMs）在心脏病治疗、心脏病模型构建和药物研发中的最新进展与临床应用挑战 。 作者认为 ， 目前hPSC-CMs在临床治疗中已取得了实质性进展 ， 但对其潜在的分子机制仍是雾里看花 。
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揭开人类多能干细胞的神秘面纱
目前为止 ， 产生人类心肌细胞的唯一可靠来源就是人类多能干细胞 ， 主要包括胚胎干细胞和诱导性多能干细胞 。 这些干细胞对于再生医学的发展有着至关重要的作用 。 病人可以直接用自己的血细胞、皮肤细胞 ， 经过重新编码转化为诱导性多能干细胞 ， 最终再分化为心肌细胞、神经细胞等任何所需再生的细胞 。 总而言之 ， 这种干细胞疗法不仅可以弥补胚胎干细胞伦理方面的缺憾 ， 而且免疫排斥风险也大大降低 。
人心脏再生能力有限 ， 干细胞有何“奇招”？
成年人心脏的再生能力有限 ， 心肌梗死后往往会造成心肌细胞的丢失或是被纤维化组织替代 ， 最终导致致命的心衰 。 研究表明 ， 心肌缺血后再灌注损伤或永久性心肌梗死后7-10天 ， 在心肌中注射人胚胎干细胞诱导的心肌细胞可改善和重塑大鼠缺血性心肌功能 。 同时 ， 研究者在啮齿动物梗死模型中注射人诱导性多能干细胞产生的心肌细胞 ， 也发现了相同的结果 。 不仅如此 ， 人胚胎干细胞诱导的心肌细胞也能通过电耦联抑制受伤豚鼠心脏的心律失常 。
临床上从2002年至今也有很多干细胞治疗心脏病的案例 ， 如：TOPCARE-DCM、CardiAMP等临床试验项目 ， 目前大多数临床试验都集中在骨髓间充质干细胞通过冠状动脉内输注、自体来源或间充质干细胞移植治疗心血管疾病 。
间充质干细胞是一种多能干细胞 ， 它具有干细胞的所有共性 ， 即自我更新和多向分化能力 。 当前在临床应用研究最为广泛 ， 例如与造血干细胞联合应用 ， 可以提高移植的成功率 ， 加速造血重建 。 近年来 ， 间充质干细胞在解决多种血液系统疾病、心血管疾病、肝硬化、神经系统疾病、自身免疫性疾病等方面取得了重大临床研究突破 ， 挽救了越来越多病患的生命 。
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大鼠心脏中注射人诱导性多能干细胞产生的心肌细胞的电镜图[1] 。
心脏病干细胞疗法的五大挑战
人多能干细胞产生的心肌细胞不仅在细胞替代和无细胞治疗的预期应用中取得了实质性进展 ， 并且在治疗由异常生理损伤引起心脏病或遗传性心脏病方面卓有成效 。 然而 ， 人多能干细胞的功能发育和成熟具有复杂性 ， 其潜在分子机制尚未完全明晰 ， 细胞内电生理机制仍有待更深入的研究 。
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目前心脏病干细胞疗法主要存在以下5点挑战：
1.干细胞的质量 。 例如 ， 胚胎干细胞来源的心肌细胞（hESC-CMs）/iPSC来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）外显子体在缺氧条件下存在差异表达 。 因此 ， 我们需要严格地控制细胞生成的每一步 ， 包括细胞生成、细胞系的选择和基因组稳定性检测；分离高产、临床级和成本效益高的心肌细胞亚群 ， 并为每个步骤建立标准 。 此外 ， 还需要新的方法来降低细胞在质量、亚型和成熟水平方面的异质性 。
2.心肌细胞的成熟度 。 研究表明 ， 在分化的第20天时 ， 干细胞的移植效果要好于第8天或第30天 。 细胞的成熟度会影响移入宿主心脏后的增殖和治疗效果 ， 将未成熟的细胞植入成年人心脏可能会导致心律不齐 。 研究者通过细胞外基质工程、细胞排列技术、电刺激、机械拉伸、线粒体工程 ， 以及microRNA和激素干预的方法促进人类多能干细胞衍生的心肌细胞的成熟 ， 但其仍未达到成人心肌细胞的成熟度 ， 因此有效的心脏病干细胞疗法还需仔细调整干细胞的最佳成熟状态 ， 以平衡细胞存活和移植后心律失常风险 。
3.细胞的存活率 。 细胞存活率低和长期滞留是阻碍细胞治疗的重要原因 ， 为解决该问题 ， 科研人员提出可以在移植前对细胞进行预处理以增强其抗逆性、联合应用支持性生物材料、操纵梗塞心脏的局部免疫环境来优化宿主组织以接受移植物等方法解决该问题 。
4.心律失常的风险 。 不同成熟度的干细胞可能有不同程度的功能耦合、异位激活和区域传导 ， 并会产生异常脉冲 。 因此 ， 在未来的大型动物研究中 ， 测试多种抗心律不齐方法的可行性至关重要 ， 包括确定合适的细胞表面标志物以准备高纯度的干细胞、确定适当的移植成熟度 ， 微调移植的细胞数 ， 并与抗心律失常药物联合使用等 。
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5.排异反应 。 宿主免疫排斥是心脏病干细胞疗法的“绊脚石”之一 ， 这个问题也是免疫医学的研究热点 。 研究表明 ， 在接受心脏病干细胞疗法的大型动物中 ， 使用免疫抑制药物会使动物部分免疫力下降 ， 同时也会出现一些副作用 。 人多能干细胞衍生心肌细胞是通过主要组织相容性复合体、人类白细胞抗原系统介导的适应性免疫系统产生免疫排斥反应 。 研究人员发现 ， 能够通过I类主要组织相容性复合体供体细胞和受体细胞的精细匹配来显著降低外来细胞的免疫排斥反应 。 同时 ， 相关具有广泛人类白细胞抗原多样性的生物库hPSC系、通用且免疫相容的供体hPSC系也在进一步开发中 。
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人多功能干细胞衍生心肌细胞在心脏病建模和修复中的应用[2]
展望
目前 ， 许多临床试验结果都表明干细胞治疗各类心脏疾病行之有效 ， 心脏病干细胞疗法在缓解患者病情、延长患者寿命和提高病人生活质量上都有着极大的潜力 ， 更多的科研人员也投身心脏病干细胞疗法的研究中 。 然而 ， 临床应用心脏病干细胞疗法也存在极大的挑战和许多问题亟待解决 ， 随着这些挑战得到克服 ， 相信干细胞治疗心脏病在未来能够造福更多患者 。
参考文献：
1.Heart regeneration using pluripotent stem cells.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S091450872030143X#fig0005
2.Perspective on human pluripotent stem cell‐derived cardiomyocytes in heart disease modeling and repair.
【细胞|心脏病干细胞疗法的机遇与五大挑战】https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sctm.19-0340


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