李小雪　綜述　孫　雷　審校

?

心肌干細(xì)胞與心肌梗死區(qū)微環(huán)境的研究進(jìn)展

李小雪綜述孫雷審校

急性心肌梗死；心肌干細(xì)胞; 經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈旁路介入術(shù)

目前治療急性心肌梗死(acutemyocardialinfarction,AMI)的方法主要有藥物治療、冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(coronaryarterybypassgrafting,GABG)、經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈旁路介入術(shù)(percutaneouscoronaryintervention,PCI)等。這些方法能通過(guò)恢復(fù)灌流來(lái)緩解患者癥狀，挽救部分缺血心肌，防止梗死創(chuàng)面的擴(kuò)大，但對(duì)已經(jīng)形成的纖維瘢痕無(wú)能為力，即不能從根本上使已經(jīng)壞死的心肌修復(fù)，改善心肌的舒縮功能。近幾年來(lái)，研究者們一直在探索解決這一問(wèn)題的途徑，而干細(xì)胞技術(shù)的興起和不斷發(fā)展，無(wú)疑給心血管病患者帶來(lái)了光明和希望。20世紀(jì)末以來(lái)，大量研究發(fā)現(xiàn)，在成體的心肌組織和骨髓中存在具有特異性心肌分化潛能的多能干細(xì)胞，即心肌干細(xì)胞(cardiacstemcells,CSCs)。心肌梗死后，局部組織缺血缺氧，微環(huán)境發(fā)生改變，CSCs在多種細(xì)胞因子、細(xì)胞基質(zhì)或炎性介質(zhì)等的作用下被動(dòng)員至心肌缺血區(qū)，向心肌細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞等分化并表達(dá)心肌特異性的蛋白。筆者就CSCs和微環(huán)境的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1　心肌干細(xì)胞

1.1生物學(xué)特性CSCs是已提交心肌譜系的具有特異性分化潛能的多能干細(xì)胞，包括骨髓源性CSCs和心肌源性CSCs[1]。CSCs主要有以下幾個(gè)生物學(xué)特性:(1)具有高度的自我更新能力和增殖分化潛能。在生命體的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，心肌細(xì)胞往往以一種逐步遞減的速度實(shí)現(xiàn)著自我更新與替換，年更新率從25歲時(shí)的1%降到75歲時(shí)的0.45%[2]，雖然成熟個(gè)體心肌組織大部分細(xì)胞已經(jīng)發(fā)育成熟，但仍有將近一半的心肌細(xì)胞完成了更新。(2)已啟動(dòng)早期心肌形成基因，同時(shí)表達(dá)一定多能干細(xì)胞表面標(biāo)志。CSCs膜表面可表達(dá)一種或多種干細(xì)胞相關(guān)抗原，如干細(xì)胞因子受體(tyrosinekinasereceptorpositive,c-kit+)，干細(xì)胞抗原(stemcellantigenpositive,Sca-1+)，譜系標(biāo)志物(lineagenegative,Lin-)，P-糖蛋白(MDR+)。(3)能夠向心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等分化并表達(dá)心肌特異性的蛋白。如心肌球蛋白重鏈，肌鈣蛋白Ⅰ、T、desmin、α-actin等。心肌梗死時(shí)，局部微環(huán)境發(fā)生改變，各種細(xì)胞因子釋放增加，細(xì)胞外基質(zhì)增多，在多種介質(zhì)的參與下，CSCs被動(dòng)員至缺血壞死區(qū)分化并修復(fù)心肌。

1.2分類(lèi)根據(jù)CSCs表面標(biāo)記以及被研究證實(shí)確實(shí)能分化為心肌細(xì)胞兩方面，將CSCs分為以下幾種類(lèi)型：Lin-/c-kit+細(xì)胞、Sca-1+細(xì)胞、Isl1+細(xì)胞、SP細(xì)胞、心肌球樣衍生細(xì)胞(cardiosphere-derivedcells,CDCs)等其他心肌前體細(xì)胞[3]。

1.2.1Lin-/c-kit+細(xì)胞是干細(xì)胞類(lèi)型中數(shù)量最多、研究較廣的一種[4]。c-kit+細(xì)胞主要集中分布在心房和心尖。將小鼠冠脈結(jié)扎后，發(fā)現(xiàn)梗死區(qū)c-kit+細(xì)胞增多，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子也增多，而c-kit受體缺陷的小鼠則在冠脈結(jié)扎后出現(xiàn)了擴(kuò)張型心肌病，生血管作用減弱。c-kit受體缺陷將影響心肌梗死后心臟細(xì)胞的修復(fù)。骨髓源性c-kit+細(xì)胞在梗死心肌血管生成轉(zhuǎn)換中起了非常重要的調(diào)節(jié)作用，有利于心肌的再生和修復(fù)，被認(rèn)為是一種具有心肌保護(hù)性的細(xì)胞[5]。Dawn等[6]在344只大鼠中分離出c-kit+細(xì)胞，經(jīng)培養(yǎng)植入大鼠心肌缺血再灌注損傷模型的冠狀動(dòng)脈中，35d后與未用c-kit+細(xì)胞處理組比較，處理組大鼠左室射血分?jǐn)?shù)、心搏出量有所增加，左室舒張末徑增加較小，心肌梗死面積明顯減小，心肌收縮功能明顯改善。

1.2.2Sca-1+細(xì)胞Matsuura等[7]運(yùn)用免疫磁珠法從小鼠中分選得到Sca-1+細(xì)胞,在催產(chǎn)素的誘導(dǎo)下可分化為心肌細(xì)胞，并表達(dá)心肌特異蛋白Cx43、α-actin、cTnI等。

1.2.3Isl1+細(xì)胞Laugwitz等[8]證實(shí)在新生的小鼠心肌中存在Isl1+細(xì)胞，將其與新生的心肌細(xì)胞共同培養(yǎng)，可分化為成熟的功能性心肌細(xì)胞。

1.2.4SP細(xì)胞Hierlihy等[9]第1次在新生小鼠的心肌中發(fā)現(xiàn)了這種細(xì)胞，約1/3可表達(dá)c-kit和Sca-1。

CDCs是一類(lèi)未分化細(xì)胞，其核心組成是c-kit+細(xì)胞，在體外用溫和酶消化心肌組織后直接培養(yǎng)，可自發(fā)黏附成團(tuán)，并表現(xiàn)出原始心肌的特性，能夠分化為心肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞故而得名[10]。

2　心肌梗死區(qū)微環(huán)境

干細(xì)胞微環(huán)境是在20世紀(jì)70年代人們研究造血系統(tǒng)時(shí)最初提出來(lái)的。心肌梗死造成心肌局部缺血缺氧，氧自由基生成過(guò)多，而抗氧化能力減退，氧化應(yīng)激產(chǎn)生，引起細(xì)胞壞死和凋亡，細(xì)胞內(nèi)溶酶體破裂，蛋白水解酶釋放增加，最終引發(fā)心肌細(xì)胞的自溶，心肌收縮蛋白斷裂，心肌正常的舒縮功能遭到破壞。但與此同時(shí)，心肌梗死后，心肌局部微環(huán)境中的一些因子，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(BMP-2)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(bFGF)、胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF-1)等釋放增加，細(xì)胞外基質(zhì)增多，由此，CSCs被動(dòng)員至缺血部位，在多種因子共同作用下分化成熟，實(shí)現(xiàn)心肌的自我更新和修復(fù)，且外周血液循環(huán)中這些細(xì)胞因子濃度相應(yīng)的升高[11]。

2.1骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bonemorphogeneticprotein-2,BMP-2)BMP-2是骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)家族的重要成員，由396個(gè)氨基酸組成，BMP-2在胚胎發(fā)育早期即開(kāi)始表達(dá)，對(duì)心肌的發(fā)育和形成具有重要意義。Behfar等[12]發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后心肌組織中的BMP-2釋放增加，BMP-2不僅對(duì)梗死區(qū)周?chē)男募【哂锌沟蛲鲎饔?，而且還參與了心臟內(nèi)的心肌祖細(xì)胞向心肌細(xì)胞的分化。

同時(shí)BMP-2作為一種多功能的信號(hào)分子可促進(jìn)一系列心肌轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。BMP-2可與CSCs表面受體結(jié)合，通過(guò)Smads、p38MAPK、PI3K/Akt等胞內(nèi)信號(hào)分子啟動(dòng)CSCs終末分化，提高心肌特異轉(zhuǎn)錄因子GATA4、Nkx2.5及MEF2C等的表達(dá)，分化為功能性心肌細(xì)胞[13]。BMP-2對(duì)胚胎干細(xì)胞等其他非心肌前體細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞也有促進(jìn)作用[14]?？梢?jiàn)，BMP-2在心肌微環(huán)境中對(duì)干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化起著十分重要的作用。

2.2轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transformgrowthfator-β,TGF-β)TGF-β和BMP-2都是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β)超家族的成員。TGF-β具有調(diào)控細(xì)胞增殖、遷移、分化、凋亡，調(diào)節(jié)基質(zhì)蛋白合成及胚胎早期發(fā)生發(fā)育的功能[15]。TGF-β家族分子在心肌形成和心內(nèi)膜祖細(xì)胞的形成過(guò)程中，扮演重要角色，TGF-β基因缺陷的小鼠患有嚴(yán)重的先天性心血管疾病。TGF-β能夠促進(jìn)梗死區(qū)血管的形成和側(cè)支循環(huán)的建立，從而起到改善局部微環(huán)境的作用[16]。

2.3成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子-2(fibroblastgrowthfactor,FGF-2)FGF-2是FGF家族的成員，因FGF-2的等電點(diǎn)(9.6)在溶液中處于堿性PH范圍內(nèi)，故又稱(chēng)為堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basicfibroblastgrowthfactor,bFGF)。FGF-2是一種多功能細(xì)胞因子，在體內(nèi)分布廣泛，生物學(xué)功能也相當(dāng)繁多，具有促進(jìn)細(xì)胞分化、血管生成、組織損傷修復(fù)、控制高血壓和動(dòng)脈粥樣硬化等作用。梗死后的缺血缺氧環(huán)境可以刺激FGF-2從細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外基質(zhì)中釋放出來(lái)，與靶細(xì)胞上特異性的FGF-2受體結(jié)合從而發(fā)揮生物學(xué)作用。研究表明，F(xiàn)GF-2可以誘導(dǎo)心肌梗死后新生血管形成和側(cè)支循環(huán)的開(kāi)放，改善心肌血供，縮小心肌梗死面積，從而預(yù)防和減輕了心室重構(gòu)[17]。FGF-2是強(qiáng)有效的心血管系統(tǒng)有絲分裂原，能夠促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移,是體內(nèi)最為有效的血管生長(zhǎng)因子之一。有研究顯示，移植轉(zhuǎn)染FGF-2的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF-2釋放增多，MSCs生存能力增強(qiáng)[18]。由于FGF-2對(duì)血管新生具有明顯的促進(jìn)作用，所以可以用來(lái)改善局部微環(huán)境的血供和移植細(xì)胞的存活空間。此外，F(xiàn)GF-2還可與BMP-2協(xié)同促進(jìn)中胚層的細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化[19]。

2.4胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-likegrowthfactor-1,IGF-1)IGF-1是主要由肝細(xì)胞合成和分泌的生長(zhǎng)激素依賴(lài)性堿性多肽。Linke等[20]向梗死的心肌內(nèi)注射IGF-1后，梗死區(qū)血管密度增加，同時(shí)促進(jìn)了CSCs向心肌細(xì)胞的分化，CSCs的存活率也顯著提高。研究證實(shí)，IGF-1對(duì)移植到心肌梗死區(qū)胚胎干細(xì)胞的增殖和分化均具有明顯的促進(jìn)作用，同時(shí)抑制CSCs的衰老[21]。文獻(xiàn)[22-24]報(bào)道顯示，局部表達(dá)增高的IGF-1可以有效地誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞和心肌前體細(xì)胞的遷移、分化和增殖，促進(jìn)CSCs和早期心肌細(xì)胞的存活能力，抑制其凋亡，有益于心肌的修復(fù)。

2.5細(xì)胞外基質(zhì)中的其他因子血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)是強(qiáng)有效的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)刺激因子，可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移及血管新生，通過(guò)改善局部血液循環(huán)，提高CSCs移植后的生存率，從而對(duì)心功能的改善發(fā)揮重要作用。心肌梗死后，微環(huán)境中的VEGF釋放增多，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死患者外周血中的VEGF濃度變化與梗死區(qū)募集的骨髓來(lái)源的CSCs數(shù)目密切相關(guān)[25]。

2.5.1基質(zhì)細(xì)胞衍生因子(stromalcell-derivedfactor,SDF-1)是一種干細(xì)胞趨化因子，通過(guò)與其趨化因子受體-4(CXCR-4)結(jié)合，使得CXCR-4二聚體形成，空間構(gòu)象發(fā)生改變，進(jìn)而激活多種信號(hào)通路，促進(jìn)了CSCs的動(dòng)員，并對(duì)CSCs的存活和進(jìn)一步分化發(fā)揮著重要作用[26]。研究顯示，SDF-1主要在心肌梗死區(qū)和梗死周?chē)鷧^(qū)表達(dá)升高。

2.5.2粒細(xì)胞集落刺激因子(granulocytecolony-stimulatingfactor,G-CSF)對(duì)CSCs的動(dòng)員、增殖有重要影響，G-CSF可通過(guò)促進(jìn)黏附分子的降解加速干細(xì)胞的動(dòng)員。有研究顯示，將G-CSF作用于急性心肌梗死的小鼠，發(fā)現(xiàn)3d后外周血中c-kit+細(xì)胞增多大約250倍，梗死面積較對(duì)照組有所減小[27]。

2.5.3金屬基質(zhì)蛋白酶9是可以誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞釋放干細(xì)胞因子(stemcellfactor,SCF)。它可使c-kit+細(xì)胞進(jìn)入增殖狀態(tài)，隨后這些增殖的c-kit+細(xì)胞進(jìn)入外周血液循環(huán)，并歸巢至梗死區(qū)分化成功能性的心肌細(xì)胞。ICAM-1是一種黏附分子，早有研究表明，炎性反應(yīng)與心肌缺血密切相關(guān)，心肌梗死發(fā)生時(shí)，患者外周血中的sICAM-1與白細(xì)胞變化水平呈正相關(guān)，應(yīng)用ICAM-1單克隆抗體處理后發(fā)現(xiàn)缺血灌注區(qū)的白細(xì)胞數(shù)量和梗死面積均有所減少。肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(hepatocytegrowthfactor,HGF)具有調(diào)節(jié)多種細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育、促進(jìn)組織分化、抑制細(xì)胞凋亡等作用，并且參與了干細(xì)胞向心肌梗死區(qū)遷移的過(guò)程[28]。

3　展　　望

微環(huán)境是CSCs生存的直接接觸環(huán)境，其中含有大量的細(xì)胞因子和細(xì)胞外基質(zhì)，這些生物活性成分與干細(xì)胞相互作用，從而影響CSCs的存活、增殖和分化。但是心肌梗死后的缺血缺氧環(huán)境十分不利于CSCs的生存和發(fā)育，因此，如何有效的改善和控制微環(huán)境狀態(tài)使其更有利于CSCs向梗死區(qū)動(dòng)員并特異性的分化成有功能的心肌細(xì)胞，提高其存活率和分化效率，尚有待更加深入的研究和探討。CSCs從動(dòng)員到分化成有功能的心肌細(xì)胞是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，具體需要經(jīng)歷哪些步驟和環(huán)節(jié)、CSCs的動(dòng)員機(jī)制、微環(huán)境中那些對(duì)CSCs的分化具有特殊影響的因子其定向調(diào)控機(jī)制是怎樣的、遷移到梗死區(qū)的CSCs分化成的心肌能否與宿主心肌通過(guò)電偶聯(lián)機(jī)制形成功能上的合胞體達(dá)到生理上的再生修復(fù)，目前都還不太清楚。不過(guò)我們有理由相信，隨著研究的深入開(kāi)展，CSCs作為一種新生力量，充滿(mǎn)了蓬勃的生命力和廣闊的前景，干細(xì)胞的明天一定會(huì)為患者帶來(lái)更多的福音和希望，從而對(duì)臨床治療產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響和指導(dǎo)意義。

[1]RenMingliang,ZhangBo,WangZhengguo.Stemcellsforcardiacrepair:status,mechanisms,andnewstrategies[J].StemCellsInt, 2011,2011：4061-4068.

[2]BergmannO,BhardwajRD,BernardS, et al.Evidenceforcardiomyocyterenewalinhumans[J].Science, 2009, 324(5923): 98-102.

[3]HouJ,WangL,JiangJ, et al.Cardiacstemcellsandtheirrolesinmyocardialinfarction[J].StemCellRev, 2013, 9(3): 326-338.

[4]HosodaT.C-kit-positivecardiacstemcellsandmyocardialregeneration[J].AmJCardiovascDis, 2012, 2(1): 58-67.

[5]EllisonGM,VicinanzaC,SmithAJ, et al.Adultc-kit(pos)cardiacstemcellsarenecessaryandsufficientforfunctionalcardiacregenerationandrepair[J].Cell, 2013, 154 (4): 827-842.

[6]DawnB,SteinAB,UrbanekK, et al.Cardiacstemcellsdeliveredintravascu1ar1ytraversethevesselbarrier,regenerateinfarctedmyocardium,andimprovecardiacfunction[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2005, 102(10): 3766-3771.

[7]MatsuuraK,NagaiT.AdultcardiacSca-1-positivecellsdifferentiateintobeatingcardiomyocytes[J].JBiolChem, 2004, 279 (12): 11384-11391.

[8]LaugwitzKL,MorettiA,LamJ, et al.Postnatalisl1+cardioblastsenterfullydifferentiatedcardiomyocytelineages[J].Nature, 2005, 433 (7026): 647-653.

[9]HierlihyAM,SealeP,LobeCG, et al.Thepost-natalheartcontainsamyocardialstemcellpopulation[J].FEBSLett, 2002, 530(1-3): 239-243.

[10]ElisaM,LucianaDA,GiacomoF, et al.Isolationandexpansionofadultcardiacstemcellsfromhumanandmurineheart[J].CircRes, 2004,95: 911-921.

[11]BoomsmaRA,GeenenDL.Mesenchymalstemcellssecretemultiplecytokinesthatpromoteangiogenesisandhavecontrastingeffectsonchemotaxisandapoptosis[J].PLoSOne, 2012, 7(4):e35685.

[12]Teichert-KuliszewskaK,KutrykMJ,KuliszewskiMX, et al.Bonemorphogeneticproteinreceptor-2signalingpromotespulmonaryarterialendothelialcellsurvival:implicationsforloss-of-functionmutationsinthepathogenesisofpulmonaryhypertension[J].CircRes, 2006, 98(2): 209-217.

[13]WANGGX,HUL,HUHX，et al.InvivoosteogenicactivityofbonemarrowstromalstemcellstransfectedwithAd-GFP-hBMP-2[J].GenetMolRes, 2014, 13(2): 4456-4465.

[14]HondaH,TamaiN,NakaN, et al.Bonetissueengineeringwithbonemarrow-derivedstromalcellsintegratedwithconcentratedgrowthfactorinRattusnorvegicuscalvariadefectmodel[J].JArtifOrgans, 2013, 16(3): 305-315.

[15]ChablaisF,JazwinskaA.TheregenerativecapacityofthezebrafishheartisdependentonTGFβsignaling[J].Development, 2012, 139(11): 1921-1930.

[16]ZhaoL,HantashBM.TGF-β1regulatesdifferentiationofbonemarrowmesenchymalstemcells[J].VitamHorm, 2011, 87:127-141.

[17]WangY,LiuXC,ZhaoJ, et al.DegradablePLGAscafoldswithbasicfibroblastgrowthfactor:experimentalstudiesinmyocardialrevascularization[J].TexHeartInstJ, 2009, 36(2): 89-97.

[18]SongH,KwonK,LimS, et al.TransfectionofmesenchymalstemcellswiththeFGF-2geneimprovestheirsurvivalunderhypoxicconditions[J].MolCells, 2005, 19(3): 402-407.

[19]ChenG,DengC,LiYP.TGF-βandBMPsignalinginosteoblastdifferentiationandboneformation[J].IntJBiolSci, 2012, 8(2): 272-288.

[20]LinkeA，MullerP,NurzynskaD, et al.Stemcellsinthedogheartareself-renewing，clonogenic，andmultipotentandregenerateinfarctedmyocardium，improvingcardiacfunction[J].PNAS，2005,102(25): 8966-8971.

[21]TorellaD,RotaM,NurzynskaD, et al.Cardiacstemcellandmyocyteaging,heartfailure,andinsulin-likegrowthfactor-1overexpression[J].CircRes, 2004, 94(4): 514-524.

[22]GuoJ,ZhengD,LiWF, et al.Insulin-likegrowthfactor1treatmentofMSCsattenuatesinflammationandcardiacdysfunctionfollowingMI[J].Inflammation, 2014, 37(6): 2156-2163.

[23]JacksonR,TilokeeEL,LathamN, et al.Paracrineengineeringofhumancardiacstemcellswithinsulin-likegrowthfactor1enhancesmyocardialrepair[J].JAmHeartAssoc, 2015, 4(9):e002104.

[24]EngelsMC,RajarajanK,FeistritzerR, et al.Insulin-likegrowthfactorpromotescardiaclineageinductioninvitrobyselectiveexpansionofearlymesoderm[J].StemCells, 2014, 32(6): 1493-1502.

[25]MathisonM,GerschRP,NasserA, et al.Invivocardiaccellularreprogrammingefficacyisenhancedbyangiogenicpreconditioningoftheinfarctedmyocardiumwithvascularendothelialgrowthfactor[J].JAmHeartAssoc, 2012, 1(6):e005652.

[26]TakahashiM.RoleoftheSDF-1/CXCR4systeminmyocardialinfarction[J].CircJ, 2010, 74(3): 418-423.

[27]OrlicD,KajsturaJ,ChimentiS, et al.Bonemarrowstemcellsregenerateinfarctedmyocardium[J].PediatrTransplant, 2003, 7(Suppl3): 86-88.

[28]HaX,DongF,LvT.Modificationandactivityobservationofhepatocytegrowthfactorgeneonbonemarrowmesenchymalstemcells[J].ZhongguoXiuFuChongJianWaiKeZaZhi, 2010, 24(5): 613-617.

(2015-07-30收稿2015-09-25修回)

(責(zé)任編輯武建虎)

李小雪,碩士研究生,醫(yī)師。

1.250014濟(jì)南，武警山東總隊(duì)醫(yī)院病理科；2.116044，大連醫(yī)科大學(xué)病理學(xué)教研室

孫雷，E-mail:sunlei100@yahoo.com.cn

R542