心肌梗死是心肌的缺血缺氧性壞死，往往導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)、功能、力學(xué)性質(zhì)的永久性改變。由于治療方法的不斷進步，心肌梗死患者的預(yù)后得到明顯改善?；陂g充質(zhì)干細胞(MSC)的細胞療法在基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用方面有了長足發(fā)展。MSC是來源于中胚層的具有自我復(fù)制和多向分化潛能的多能干細胞，具有免疫調(diào)節(jié)特性[1-2]，能加速血管新生，促進心肌再生。移植后的MSC可向心肌梗死區(qū)自動歸巢。然而研究表明，只有大約3%的MSC在移植24 h后出現(xiàn)在梗死邊緣區(qū)，<1%的MSC能存活1周以上[3]。低歸巢率與低存活率嚴重影響了MSC對梗死心肌的修復(fù)作用，因此，有必要提高MSC向靶組織特異性歸巢的效率。

1 MSC的治療作用

1999年，Makino等[4]首次利用5-氮胞苷體外誘導(dǎo)骨髓基質(zhì)細胞分化為心肌細胞，探討干細胞在心肌修復(fù)中的作用。2004年，Chen等[5]報道MSC移植可使急性心肌梗死患者左室射血分數(shù)增加12%。在梗死心肌的功能重建方面，干細胞的旁分泌機制發(fā)揮了重要作用[6]。MSC通過表達多種趨化因子、生長因子和黏附分子，調(diào)節(jié)相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，激發(fā)梗死區(qū)的內(nèi)源性修復(fù)。MSC對心肌梗死的治療作用包括:(1)免疫調(diào)節(jié)和抗炎；(2)抗纖維化；(3)促進血管形成；(4)抗心肌細胞凋亡；(5)促進心肌再生[7]。

MSC的安全性及有效性在動物模型與臨床試驗中均得到證實。因低表達CD40、CD80、CD86以及主要組織相容性復(fù)合體Ⅰ類分子，MSC在體內(nèi)具有免疫耐受性[7]。Guo等[8]在心肌梗死小鼠中發(fā)現(xiàn)，MSC重復(fù)植入對心肌梗死的療效優(yōu)于單次植入，進一步證明了MSC的治療作用。一項研究表明，接受MSC移植的患者在移植3個月后心肌瘢痕減少，1年后心室收縮末期容積減小24%[9]。Rodrigo等[10]經(jīng)過5年隨訪，發(fā)現(xiàn)自體MSC心肌內(nèi)注射治療心肌梗死是可行和安全的。目前，MSC治療心肌梗死已進入Ⅲ期臨床試驗。

2 MSC歸巢的機制

歸巢是干細胞療法的初始環(huán)節(jié)，通常指MSC在體內(nèi)外因素的作用下定向遷移，越過毛細血管壁至靶組織并定植存活的過程。MSC向心肌的歸巢受多種趨化因子、生長因子、黏附分子的調(diào)節(jié)，其中起關(guān)鍵性作用的是基質(zhì)衍生因子-1(SDF-1)和趨化因子受體4(CXCR4)[11]。梗死心肌中SDF-1表達上調(diào)并向周圍擴散，MSC借助其質(zhì)膜受體CXCR4沿SDF-1濃度梯度遷移至受損組織。黏附于毛細血管壁的MSC跨內(nèi)皮細胞層進入靶組織，并通過細胞黏附分子及其配體歸巢至特定靶點[12]。在歸巢過程中，炎性因子白細胞介素-1β促進基質(zhì)金屬蛋白酶-1的表達，進而激活蛋白酶激活受體-1和G蛋白偶聯(lián)的信號通路，溶解細胞外基質(zhì)，促進MSC遷移[13]。

目前，MSC歸巢、分化的具體機制尚未完全闡明，不同來源的MSC顯示出不同的歸巢分子表達譜[2]，這進一步增加了研究的難度。

3 提高MSC歸巢效率的策略

細胞療法的療效與移植細胞在靶組織的有效歸巢和準確植入密切相關(guān)。通過預(yù)處理MSC、修飾靶組織、優(yōu)化移植方式，可從多方面提高MSC的歸巢效率。

3.1 MSC預(yù)處理

3.1.1 改善擴增模式 各組織來源的MSC在植入心肌前都需要進行體外擴增，以獲得足量的細胞進行治療。然而，常規(guī)的二維培養(yǎng)方式易導(dǎo)致細胞表型的改變，如趨化因子標志物的丟失，從而降低細胞的歸巢遷移能力。三維細胞培養(yǎng)是介于二維細胞培養(yǎng)與動物實驗之間的一種技術(shù)，能最大程度地模擬體內(nèi)環(huán)境。有研究表明，CXCR4在球狀脂肪源性MSC中的表達水平是常規(guī)培養(yǎng)的2倍[14]。Joshi等[15]利用2 mg/mL膠原蛋白和10 μmol/L 5-氮雜胞苷構(gòu)建三維微環(huán)境，對MSC進行擴增，細胞移植后的MSC歸巢率顯著提高。

3.1.2 細胞表面工程 在細胞表面引入官能團或生物活性物質(zhì)可提高MSC的歸巢率，常用的引入方式有共價連接、疏水性相互作用、靜電相互作用等。Kean等[16]利用噬菌體展示技術(shù)在心肌梗死小鼠模型中鑒定CRPPR、 CRKDKC、KSTRKS、CARSKNKDC等4個具備心肌梗死靶向性的肽序列。在將該肽序列修飾的MSC注入心肌梗死小鼠模型后，小鼠心臟的MSC檢出率升高。由于心肌梗死后SDF-1高表達時段較短，而細胞因子共培養(yǎng)、病毒轉(zhuǎn)染以及常規(guī)的促CXCR4表達技術(shù)耗時較長，這些手段對于急性心肌梗死治療缺乏應(yīng)用價值。Won等[17]創(chuàng)新性地借助聚乙二醇將CXCR4分子結(jié)合于MSC細胞膜，全程僅耗時10 min，為改善MSC歸巢提供了一種臨床可行的方法。

3.1.3 基因修飾 MSC在體外分離、擴增的過程中易丟失趨化因子受體和黏附分子(如CXCR4)，借助病毒或非病毒載體對細胞進行轉(zhuǎn)染可實現(xiàn)相關(guān)分子的再表達。且通過基因修飾，MSC能夠針對特定配體表達目標受體，進一步提高了MSC的歸巢率。有研究將MSC用CXCR4過表達載體反向轉(zhuǎn)染后應(yīng)用于心肌梗死大鼠模型，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)染組的歸巢細胞數(shù)量是未轉(zhuǎn)染組的3倍[18]。但病毒轉(zhuǎn)染法在臨床應(yīng)用時存在潛在的致癌性、致病性和免疫原性風(fēng)險，非病毒轉(zhuǎn)染法轉(zhuǎn)染效率又偏低。Mun等[19]以微環(huán)(minicircle)作為基因表達載體，創(chuàng)新性地采用微孔法(microporation)轉(zhuǎn)染MSC，使轉(zhuǎn)染效率提高了66%。該研究發(fā)現(xiàn)，CXCR4的過表達明顯增強了MSC向受損心肌的歸巢能力。

3.1.4 組織工程 MSC在歸巢過程中易受到缺血缺氧、炎性細胞攻擊、血流沖擊等不利因素影響而失巢或凋亡，組織工程可構(gòu)建特異性支架、補片或合成仿生細胞外基質(zhì)，促進細胞的高活性注射、遷移和準確歸巢。如帶有高親和力趨化因子和黏附分子的生物支架，可以彌補細胞在分離、擴增過程中丟失的富含各種細胞因子的細胞外基質(zhì)[20]。在仿生基質(zhì)的構(gòu)建上，Saxena等[21]研究了MSC在不同剛度基質(zhì)上的趨化作用，結(jié)果表明MSC在軟基質(zhì)上具有更高的歸巢率。此外，He等[22]開發(fā)了一種對活性氧(ROS)敏感的含SDF-1α的納米顆粒，該納米顆粒能對組織病變中高濃度的ROS進行降解，達到靶向釋放SDF-1α的目的，從而促進MSC歸巢。

3.1.5 細胞因子/藥物共培養(yǎng) 在培養(yǎng)基中加入藥物或細胞因子可誘導(dǎo)細胞重要歸巢分子的表達上調(diào)，調(diào)節(jié)相關(guān)信號通路。白細胞介素-3已被證明能夠調(diào)節(jié)CXCR4/SDF-1α軸，進而促進MSC遷移[23]。Popa等[24]采用30 nmol/L二氫睪酮對MSC進行預(yù)處理，體外研究發(fā)現(xiàn)MSC向心肌切片的遷移速度增加了2倍，且整合率明顯高于對照組。另外，胰島素樣生長因子1、腫瘤壞死因子-α、γ-干擾素等也被證實可提高MSC歸巢率[25]。

3.1.6 物理環(huán)境預(yù)適應(yīng) 讓細胞提前適應(yīng)即將面臨的環(huán)境變化，有助于提高移植細胞的存活率與植入率。(1)缺氧預(yù)處理：心肌梗死邊緣區(qū)是MSC臨床治療常用的注入靶點，其氧分壓通常不超過1%[26]。Heirani-Tabasi等[27]采用丙戊酸、氯化鈷等化合物模擬缺氧環(huán)境對MSC進行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MSC在缺氧環(huán)境下過表達CXCR4，進而明顯促進了MSC遷移。CXCR4的表達受缺氧誘導(dǎo)因子-1α的調(diào)節(jié)[28]，這可能是CXCR4在缺氧環(huán)境中表達上調(diào)的合理解釋。此外，Hu等[29]在心肌梗死猴子模型中進行的研究提示，0.5%低氧培養(yǎng)的MSC的遷移能力增強，凋亡數(shù)目減少。(2)酸性環(huán)境預(yù)處理：CXCR4對MSC遷移、歸巢和分化的調(diào)節(jié)在心肌再生中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Cencioni等[30]研究發(fā)現(xiàn)，酸性預(yù)處理能夠增加干細胞中CXCR4的表達，進而增強細胞的治療潛力，有利于梗死心肌的修復(fù)。(3)自體血清預(yù)處理：MSC雖無免疫原性，但在體外培養(yǎng)過程中受異種血清的影響，移植后宿主可能會出現(xiàn)急性排斥反應(yīng)。Haque等[31]提出了兩階段的細胞體外培養(yǎng)策略。第一階段，MSC在常規(guī)培養(yǎng)基中分離和擴增；第二階段，擴增后的MSC在自體血清中培養(yǎng)，進行移植前的適應(yīng)。這種短暫的適應(yīng)有助于細胞趨化因子受體的表達和組織特異性分化，從而提高細胞的歸巢率和存活率。

3.1.7 磁性靶向技術(shù) 磁性靶向技術(shù)是一種促進MSC歸巢的新型輔助策略。將MSC與磁性納米顆粒共培養(yǎng)可使其磁化，磁化的MSC可借助特定的磁場在體內(nèi)靶向移動，從而使分散的MSC高效地集中于靶組織并維持一定的滯留率。Huang等[32]的研究表明，借助磁性靶向技術(shù)，MSC經(jīng)冠狀動脈注射24 h后，心臟的細胞滯留率增加了2.73～2.87倍。

3.2 靶組織修飾

3.2.1 輻射預(yù)處理 低水平激光照射是干細胞靶向歸巢的有效策略，有助于梗死心肌募集MSC。輻射預(yù)處理的效果受激光的波長、功率密度、持續(xù)時間、能量密度、傳輸時間、照射類型等參數(shù)的影響。El Gammal等[33]發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死4 h內(nèi)利用804 nm波長和1 J/cm2能量密度的低水平激光處理梗死心肌能達到較好的治療效果，主要體現(xiàn)在干細胞存活率與歸巢率的提高及心肌梗死面積的減小。

3.2.2 超聲波的應(yīng)用 超聲波方向性好，穿透能力強，近年來也被用于促進干細胞歸巢。超聲靶向微泡破壞技術(shù)(UTMD)可使毛細血管壁形成孔隙，從而提高其通透性，有助于MSC從血管遷移至梗死心肌，但具體機制尚不清楚[34]。Li等[35]進行的體內(nèi)外實驗表明，UTMD不僅促進SDF-1的分泌，而且使表達CXCR4的MSC比例增加。Chang等[36]在心肌梗死犬模型上通過對照試驗證明了UTMD聯(lián)合冠狀動脈內(nèi)移植能夠提高MSC歸巢至梗死區(qū)的準確性與有效性。

3.2.3 靶組織基因修飾 在MSC移植前對靶組織進行基因修飾，有望增加歸巢相關(guān)分子的表達。Su等[37]將攜帶SDF-1α基因的腺病毒裝載在微泡載體上，利用UTMD將腺病毒轉(zhuǎn)染至梗死大鼠心肌，轉(zhuǎn)染后大鼠外周血中SDF-1α水平明顯升高。進一步分析發(fā)現(xiàn)，MSC向心肌的歸巢數(shù)量增加，說明干細胞的歸巢數(shù)量受SDF-1α表達水平的調(diào)控。

3.2.4 其他 SDF-1α對缺血心肌具有多向性作用，既可梯度引導(dǎo)MSC歸巢至心肌損傷靶點，又能通過細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路直接保護心肌。心肌梗死后SDF-1α表達上調(diào)，但其在血漿中的半衰期相對較短，僅為(25.8±4.6) min[38]。二肽酰肽酶4(DPP-4)抑制劑可減少DPP-4對SDF-1α的降解，將SDF-1α維持在較高的水平[39]。MSC移植前,在心肌靶點人工注入趨化因子SDF-1α，有可能提高MSC的歸巢率。此外，化療、放療以及電場在靶組織修飾中的作用也得到了深入研究。

3.3 MSC移植方式

3.3.1 注射途徑 在臨床應(yīng)用中，可采用不同的注射方式植入MSC，如動/靜脈注射、冠狀動脈注射、心肌內(nèi)注射。其中靜脈注射因具有創(chuàng)傷小、可重復(fù)的特點，應(yīng)用最廣泛，但細胞易遷移到梗死心肌以外的區(qū)域而導(dǎo)致MSC失巢凋亡或微血栓形成。研究表明，經(jīng)靜脈注射的MSC主要滯留于肺部，可能是由于體外擴增使細胞體積增加。在注射MSC前給予血管擴張劑，滯留于肺部的MSC數(shù)量明顯減少，歸巢率增加[40]。此外，在應(yīng)用納米生物材料注射系統(tǒng)時，直徑在10～100 nm的納米顆粒能夠有效改善循環(huán)時間[41]。

3.3.2 最佳劑量與注射時間 MSC在臨床應(yīng)用中的最佳移植時間和最佳劑量仍不明確。近期的一項薈萃分析表明，對于行經(jīng)皮冠狀動脈介入術(shù)(PCI)的急性心肌梗死患者，術(shù)后1周內(nèi)注射不超過1×107個MSC可能是改善左室收縮功能的最佳策略[42]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，在急性心肌梗死后1周進行MSC移植，細胞存活率與歸巢率最高。過遲移植會導(dǎo)致細胞滯留于心臟以外的組織而失巢凋亡，過早移植則易出現(xiàn)植入不良，因為在急性心肌梗死急性期，心肌存在明顯的炎性反應(yīng)[43]。

SDF-1α/CXCR4信號通路在引導(dǎo)MSC定向遷移中至關(guān)重要。但梗死心肌表達的SDF-1α半衰期較短，心肌梗死后注射MSC可能錯過心肌表達SDF-1α的高峰期，從而使歸巢率降低。通過調(diào)控趨化信號的表達來優(yōu)化干細胞歸巢和植入，有可能成為MSC治療的關(guān)鍵。

4 挑戰(zhàn)與展望

MSC對心肌梗死的治療作用已經(jīng)得到證實，優(yōu)化歸巢策略有助于在不增加MSC注射數(shù)量的情況下提高療效。但由于生理微環(huán)境的易變性以及個體的差異性，準確歸巢的細胞比例仍然偏低。此外，MSC的臨床應(yīng)用缺乏統(tǒng)一的、標準的操作流程，且具體的歸巢機制仍不明確，這就限制了干細胞療法的進一步發(fā)展。我們總結(jié)了提高MSC歸巢的策略，但其中許多方法尚未在臨床試驗中得到證實，故最優(yōu)的治療策略仍然有待探索。

建立合理的個體化干細胞治療策略有助于最大限度地減少個體差異對療效的影響，進而更易于評估MSC的臨床療效。此外，建立特定的疾病模型對患者個體化的特征(如血管幾何形狀、血流特性、梗死區(qū)的位置)進行參數(shù)分析，可從給藥途徑、注射部位、輸注速度等方面確定最佳的臨床治療條件。未來的研究應(yīng)著眼于更精準的靶向治療，探索更標準的操作流程，開展更廣泛的臨床試驗，以實現(xiàn)個體化靶向治療的目標。