周云國，曹玲玲，洪葵

遺傳性心臟病是一類由遺傳因素引起的心臟病，是引起致命性心律失常和猝死的主要原因。遺傳性心臟病包括心臟結構異常的心肌病和心臟結構正常的離子通道病，如長Q-T綜合征、短Q-T綜合征等。目前，遺傳性心臟病有效治療手段欠缺。盡管近年來微創(chuàng)手術和內(nèi)科介入有了發(fā)展，新型藥物研發(fā)應用也為患者帶來一定幫助，患病率和病死率仍然居高不下。

以往遺傳性心臟病的研究多數(shù)利用動物模型或現(xiàn)有其他組織細胞株，而倫理等問題使人類胚胎干細胞的研究工作受到限制。誘導性多能干細胞(induced pluripotent stem cells,iPS細胞)因無倫理學限制且具有疾病特異性，已成為心血管病領域的研究熱點，為遺傳性心臟病發(fā)病機制的研究及治療帶來了曙光。

1 iPS細胞概況

2006年，Takahashi和Yamanaka等首次通過病毒載體系統(tǒng)向小鼠成纖維細胞導入4種基因：Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4，成功地將已分化成熟的小鼠正常體細胞去分化重編程為胚胎干細胞(ES)樣細胞，并命名為iPS細胞[1]。iPS細胞形態(tài)、端粒酶活性、核型以及細胞表面標志均與ES相似，在體外懸浮培養(yǎng)可形成擬胚體，接種至嚴重聯(lián)合免疫缺陷病(serious combined immunodeficiency disease,SCID)小鼠體內(nèi)可形成具有3個胚層的畸胎瘤，即具有全能性。2007年，美、日兩國科學家又使用人體細胞獲得了iPS細胞[2-3]。2009年，我國科學家周琪教授與曾凡一教授團隊合作，利用iPS細胞通過四倍體囊胚注射法，得到存活并具有繁殖能力的小鼠，在世界上首次獲得完全由iPS細胞制備的活體小鼠，有力地證明了iPS細胞具有真正的全能性，同時也為iPS細胞的安全性提供了可靠的依據(jù)[4]。

最初的iPS細胞具有罹患腫瘤的風險，可能原因包括c-Myc基因是癌基因，攜帶該基因的病毒轉(zhuǎn)錄到體細胞中可使c-Myc基因激活和表達[5]。為了避免腫瘤患病風險，科學家們已經(jīng)利用非整合性病毒、小分子化合物或蛋白質(zhì)等方法成功建立了iPS細胞系，但這些方法還存在誘導效率低的問題[6-7]。最近，中川昭一等用L-Myc代替c-Myc將iPS細胞分化發(fā)育成嵌合體小鼠。L-Myc提高了人類體細胞的重編程效率，并促進嵌合體小鼠的種系形成能力，但不增加腫瘤發(fā)生率[8]。Stadtfeld等應用不會被整合到宿主基因組內(nèi)的腺病毒及質(zhì)粒作為載體，可降低iPS細胞轉(zhuǎn)導后腫瘤發(fā)生率[9]。這些改進為今后的臨床研究提供了更多安全保證。

目前iPS細胞不僅可以來源于成纖維細胞，還可以來源于體內(nèi)其他已經(jīng)分化的細胞，如肝細胞、β細胞，從而提高了iPS細胞來源的可行性。iPS細胞在適當?shù)呐囵B(yǎng)條件下能進一步分化為神經(jīng)干細胞、功能性心肌細胞、肝細胞、骨細胞等體內(nèi)大部分細胞，具有與ES相似的多向分化潛能，有可能取代干細胞進入臨床研究。

2 iPS細胞分化為心肌細胞

隨著基因技術不斷改進，大部分疾病可以通過建立特定基因的小鼠模型進行研究。但高血壓、高脂血癥、冠心病等疾病，目前并不明確哪些基因起主導作用，離子通道病等疾病模型的建立也受到極大限制，而且動物疾病模型并不能完全真實地再現(xiàn)人體疾病的發(fā)生過程。iPS細胞保留了患者的特殊基因型，為研究遺傳性疾病發(fā)病機制、治療方法提供了機遇。

2008年，Park等首次將包括1型糖尿病、帕金森病、亨廷頓病和唐氏綜合征在內(nèi)10種遺傳疾病的患者體細胞誘導成iPS細胞，鑒定后肯定了這10種iPS細胞的全能性[10]。同年，Mauritz和Narazaki的兩個研究小組將小鼠iPS細胞成功分化為心肌細胞[11-12]。2009年，Zhang等進一步將人類iPS細胞分化為功能性心肌細胞[13]。但心肌細胞分化效率低，且分化出的細胞不純。Laflamme等通過添加一些信號分子，如激活素A(Activin A)和骨形態(tài)生成蛋白4(BMP-4)，提高了心肌細胞分化效率[14]。

利用iPS技術獲得人類心肌細胞可以為患者量身定做疾病特異性細胞系。Nelson等把iPS技術運用于探索心臟病的治療：他們將普通小鼠成纖維細胞重編程為iPS細胞并植入小鼠子宮內(nèi)，分化出心臟實質(zhì)細胞，再將心臟實質(zhì)細胞植入受損的小鼠心臟，2周后嫁接，4周后明顯改善受損心臟的結構和功能，使心肌細胞收縮性恢復且電位穩(wěn)定性增強[15]。之后，大量科學家對iPS技術應用于心臟病治療展開了進一步的研究和探索[16-18]。這一技術可以為個性化治療、藥物療效評估甚至疾病發(fā)病機制的研究提供方便，在臨床藥物試驗中可能不再需要大量患者作為試驗對象。

3 iPS在遺傳性心臟病領域中的應用

iPS細胞來源的心肌細胞攜帶疾病特異基因的優(yōu)點使其成為遺傳性心臟病研究中的重要工具。2010年，Moretti等首次將遺傳性心臟病患者的皮膚成纖維細胞重編程為心肌細胞，建立了1型長Q-T綜合征的細胞模型[19]。同年，Lemischka等構建了LEOPARD綜合征(以肥厚性心肌病為主要癥狀)的細胞模型[20]。2011年，Itzhaki等將1例2型長Q-T綜合征患者的皮膚成纖維細胞誘導重編程為iPS細胞，通過模擬心肌細胞分化的過程，進一步誘導iPS細胞分化成心肌細胞。RT-PCR及免疫熒光染色技術證實該心肌細胞具有α-肌球蛋白重鏈、心肌特異肌鈣蛋白I、肌球蛋白輕鏈2α和連接蛋白CX43等心肌特異表達標志，膜片鉗和胞外多電極記錄顯示該細胞的Q-T間期明顯延長，電壓鉗證實動作電位延長主要起源于心肌細胞鉀離子流明顯減少。更重要的是，此細胞主要表現(xiàn)出早后除極和觸發(fā)性心律失常[21]。Yazawa等將源于Timothy綜合征患者的皮膚成纖維細胞重編程為iPS細胞，進一步誘導分化成心肌細胞，應用電生理記錄和鈣離子成像技術顯示了細胞的異常收縮、過度鈣離子內(nèi)流、動作電位延長、異常的生物電活性和鈣瞬變[22]。iPS技術可應用于制作疾病特異性遺傳性心臟病細胞模型，在新藥開發(fā)、藥效學、毒理學等研究方面具有良好的應用前景。

4 總結與展望

以患者自身體細胞誘導的多能干細胞，細胞取材廣，不存在倫理學爭議；重編程的iPS細胞具有全能性、安全性以及疾病特異性。iPS技術的以上優(yōu)點，為研究遺傳性心臟病發(fā)病機制和治療帶來希望。然而，目前iPS技術研究還處于起步階段，還有一系列問題有待深入系統(tǒng)研究，如成熟體細胞重編程為iPS細胞的效率低；iPS細胞重編程和再分化的分子機制尚不清楚；雖然通過改變轉(zhuǎn)錄因子和載體系統(tǒng)后，植入iPS細胞罹患腫瘤的風險有所降低，但是致癌性仍不可避免[23]。

一種新技術在發(fā)展之初都會存在許多理論和技術上的問題，iPS技術目前并非盡善盡美，但應用iPS技術建立疾病特異性細胞模型，仍為研究疾病機制、篩選有效藥物、個體化治療等帶來新的希望。

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