干细胞移植治疗心力衰竭的研究进展

1、干细胞移植治疗心力衰竭的研究进展04 级临床一班90401115 刘洋90401113 李渊90401116 米悦90401114 林杰荣90401118 齐越心肌梗死有很高的发病率和死亡率。 目前心肌梗死的治疗包括药物治疗、 介入治疗、 外 科手术治疗等。 这些治疗能够改善心肌缺血和心力衰竭的症状 , 使闭塞的血管再通 , 但要使病 损的心脏恢复功能 ,仍没有有效的方法。 一般认为成熟心肌细胞属于终末分化细胞, 已丧失再生能力。尽管研究发现 , 心肌中存在具有再生能力的心肌前体细胞 ( cardiac progenitor cells, CPCs) 在心梗后可发生分裂增殖 ,但 CPCs数量

2、有限 ,只能修复毛细血管闭塞后的亚临 床病变 , 而不能完整地修复组织 , 不足以阻止心室重构、心功能衰竭的发生 1 。心脏移植虽 能取代受损的心脏 ,但由于供者较难选择 , 且费用高 ,临床很难推广。基因治疗可增强心肌细 胞的收缩 ,但由于有功能的心肌细胞数目减少 , 使基因治疗的作用受到限制。 保护和增加具有 收缩功能的有效心肌细胞是治疗各种心肌损伤最为合理的途径。 随着人类对干细胞认识的加 深,利用干细胞分化潜能再生心肌细胞 , 修复受损心肌组织 ,恢复心脏功能 , 已成为目前治疗 心功能衰竭的一种新的策略。在心肌再生方面研究中, 干细胞移植和组织工程倍受关注。又由于成体肝细胞有定向分化

3、能力较强,自体成体干细胞较易获得 , 自体移植不存在免疫排斥问题 ,不会引起伦理道德上的争议等诸多优点,使成体干细胞移植成为研究的热点。 本文就成体干细胞移植治疗急性心肌梗死的基础研究及临床应用现状作一综述。1、干细胞的输注途径1.1 经血管途径尤其适用于新近发生的再灌注后的梗死心肌 , 此时各种化学趋化因子和细胞黏附分子表 达增加 , 有利于移植细胞的定植和存活。冠状动脉内输注 : 较为直接同时创伤较少 , 大部分临床实验采用了该种方法 6 -8 ,13 -16,在球囊扩张同时注入干细胞 , 最大限度地延长干 细胞与梗死周围微环境接触时间。 目前又有新型的介入设备问世 , 是目前最常用的移植

4、方式但是这种移植方式需要高浓度细胞 , 而且必须在介入操作情况下才能完成 , 而且这种暂时 阻断血流的技术能否增加干细胞停留尚不清楚。外周静脉内输注: 经静脉途径简单易行且能够改善心功能 , 但干细胞可归巢到非心脏组织导致移植效率低下, 因此影响了干细胞到达缺血区的数量而限制其临床应用。冠状静脉内输注: POZNAN研究采用TransAccess 系统在血管内超声的引导下经冠状静脉窦进行细胞移植 2 , 术后患者 NYHA心 功能改善 , 为细胞移植开辟了新的途径。1.2 经心肌途径 适用于有进行性冠脉疾病和慢性缺血性心肌病的患者。该法可造成坏死心肌穿孔 , 故对 急性心肌梗死患者应慎用。 心

5、外膜注射 : 直接将干细胞注射到心脏缺血的局部和周边组织 是当前研究中采用最多的一种细胞移植方式。 此法最为直接可靠 , 便于术后分化细胞的鉴定 , 多与冠脉旁路移植术 (C A B G ) 同时进行 3 ,因此对细胞移植的有效性很难加以评价。由于 该法需要开胸，患者创伤较大 ,对某些心力衰竭晚期患者可能难以承受 , 而且有诱导心律失 常、引起细胞回漏等副作用难以单独用于临床治疗。 心内膜注射 : 应用心脏自动导航系统 可实现心内膜心肌注射。 心脏自动导航系统在细胞注射前能够准确判定存活、 缺血和梗死的 心肌范围 , 从而准确高效地将干细胞注入心肌。 但由于标测导管较硬 , 操作时要轻柔 ,

6、采集每 个点时要待接触平稳后无明显损伤电流时方可 , 所以需要的时间可能较长 ; 术中标测导管 不断地接触左室心内膜 , 会诱发室性心律失常 , 检查的风险要高于超声心 , 图; 而且价格昂 贵, 不能重复使用。1.3 干细胞动员循环血中干细胞数量增加并向损伤心肌归巢 , 即存在干细胞自我动员现象 ; 细胞因子 (粒 细胞集落刺激因子 (G -C S F ) 、S C F 等)也可使外周血干细胞数量明显增加 , 自发向损伤 组织归巢 , 从而达到修复受损心肌的目的。但该方法所动员的干细胞归巢到坏死心肌的数量 较前两者少 , 其疗效是否与上述两种方法相当 , 尚有待于直接对比研究评价。2、心肌再

7、生中成体干细胞应用的种类2.1 骨胳肌成肌细胞 (skeletal myoblasts)骨骼肌成肌细胞或称骨骼肌卫星细胞 , 动物模型实验均证实成肌细胞移植能实现梗死 或缺血心肌的再生 , 但是这些卫星细胞并不能实现真正意义的心肌细胞再生 , 而是转变为 耐疲劳的慢收缩肌纤维 , 不能表达连接蛋白和钙粘连素 , 不能与受体心脏中自身心肌细胞 实现电机械藕联 , 因此有致严重心律失常的危险。但是 Smits 等4 的临床试验显示 , 骨骼肌 成肌细胞移植 , 并不引起严重心律失常发生。 Mensche5 认为 , 心律失常可能是成肌细胞移 植的“ 潜在但是暂时” 的不良反应。 由于目前的临床实验

8、规模小 , 缺乏对照组 , 并不能区 分为这些心律失常与移植的成肌细胞引起还是这些病人心脏本身病灶引起 , 因为这些病人本 来就是易发生心律失常的高危病。2.2 造血干细胞（ hematopoietic stem cells,HSCs）2001 年, Jackson 等6 首次通过动物实验提出 HSCs可以用来进行心肌再生 :细胞培养时 将表达 CD34- , c-Kit+ 和Sca-1+的HSCs分离出来移植到致死量照射的小鼠体内 , 然后复制鼠 冠脉缺血再灌注损伤模型 ,2-4 周后发现移植入的 HSCs迁移到缺血心肌处， 分化成心肌细胞和 内皮细胞，心肌功能得到修复。并且已证实HSCs对

9、梗死的心肌有再生作用 7： Orlic 等8 研究发现将来源于骨髓的 C-Kit+ /Lin- HSCs注入小鼠左心室心梗区 （冠状动脉结扎所致 ） 周围, 9d 后，移植细胞占梗死面积 68 % , 并形成了心肌细胞和血管组织 ,心脏功能有 33 %的改善。近期研究发现 G-CSF可以活化心肌细胞中 Jak-Stat 路径从而提高心肌梗死后存活率 , 表示 G-CSF对 Jak-Stat 路径活化作用具有治疗心肌梗死的潜能 9 。这种治疗措施因 G-CSF临床应 用的弱效性而限制了其临床开展。这些研究表明 HSCs的超越分化潜能。然而 Leora B. Balsam 等10 研究发现移植的

10、HSCs并 没有获得心肌表型， 而仅仅完成传统的造血使命。 他们将分离出的 HSCs用绿色荧光蛋白 （GFP） 标记，再注射到心肌缺血的老鼠体内， 发现 GFP+的细胞并没有表达心肌细胞的特异性标记物.对观察到的实验结果的另一种解释是细胞之间的融合。 干细胞呈现肌细胞特异性质是因为它 们与已存在的肌细胞相融合而不是分化成肌细胞 11 。目前干细胞的融合机制还在进一步的研 究中。国内，李占全等 12 观察经皮冠状动脉内移植自体外周血干细胞治疗急性下壁心肌梗死的 疗效与安全性。入选急性下壁心肌梗死患者 70 例, 其中干细胞移 植组 35 例。干细胞移植组在常规急性下壁心肌梗死治疗基础上加用粒细胞

11、集落刺激因子皮 下注射动员自体骨髓干细胞 ,6 个月时干细胞移植组收缩末容积明显减小 , 舒张末容积无显著性变化 , 左室射血分数显著增高 , 左室壁节段性运动积分指数明 显减低 , 左室射血分数增高与左室壁节段性运动积分指数降低共同提示左室收缩功能明显改善。2.3 骨髓间充质干细胞( mesenchymal stem cells,MSCs )MSCs又称骨髓基质细胞 , 是一种在骨髓和外周血中分离出的多潜能前体细胞,体内可以分化成各种中胚层类型细胞系 , 如内皮细胞、成骨细胞、软骨细胞等 , 在体外可以传 15 50 代。Shinji 等13将MSC在s 体外经 5-氮胞苷诱导后成功地将其分

12、化为心肌细胞注入大鼠心肌梗 死疤痕组织内 ,5周后,疤痕面积缩小 ,大鼠心功能改善。 尽管将 MSC注s 入缺血再灌注损伤的狗 后，心室功能得到增强 14 ，但将 MSCs通过冠脉注入健康的狗后诱发急性心肌缺血和亚急性心 肌微梗死 15 。此外未经选择的骨髓细胞移植入梗死心肌后引起显著的心肌钙化 16 。这可能 是由于 MSC可s 分化为骨、软骨、脂肪和结缔组织。国内王建安等 17 、郭素萍等 18 、张智亮等 19 、黄榕翀等 20 建立在动物实验的基础上开 展了以自身骨髓间充质干细胞经冠状动脉移植治疗原发性扩张型心肌病患者的随机对照、 小 样本临床研究 , 初步认为骨髓间充质干细胞移植可以

13、降低患者血浆脑钠肽水平 , 增加 6 分 钟步行路程 , 改善心衰症状 , 并通过缺血心肌血运改善、坏死心肌区有心肌细胞再生而改善 扩张型心肌病的心功能。但是 MSC骨s 髓含量低 , 几乎是 HSCs的1 /10 。需体外培养扩增 ,由此 带来了体外污染、 归巢功能减低、 细胞体积大易致微栓等不良因素。 其临床应用的安全性仍 待进一步观察。2.4 骨髓单个核细胞 (bone marrow mononuclear cells,BM-MNCs)骨髓单个核细胞分离简便 , 不需要体外培养和扩增 ,获取细胞数目多 , 可提供多种组分 混合的具有多向分化潜能的原始细胞,并发挥自分泌功能 ;而且, 由骨

14、髓干细胞分化来的心肌细胞能和周围宿主细胞形成有效的电-机械耦联 ,可弥补骨骼肌干细胞移植的缺点 , 也有人认为骨髓单个核细胞其细胞万分复杂 , 干细胞含量低 , 向心肌细胞和血管内皮细胞分化的发生 率很低 (约万分之一 ) 。黄榕翀等 21采用随机、对照、前瞻性方法 , 入组 S T段抬高的急性下壁 心肌梗死患者 40 例,进行骨髓单个核细胞移植 , 并进行 6 个月随访时发现 , 与对照组相比 骨髓细胞移植组左室射血分数增加 ,且左室心肌血流灌注明显改善。 同时对 14 例发病时间在 6 周内 22 、 28 例发病时间超过 6 个月的前壁心肌梗死患者进行同样方法移植 23 ,发现在前 壁心

15、肌梗死恢复期经冠状动脉进行自体骨髓单个核细胞移植可以显著改善患者左室收缩功 能, 而对于发病时间超过 6 个月的前壁心肌梗死患者 , 择期自体骨髓细胞移植仅有限地改善左室收缩功能。2.5 心脏前体细胞( cardiac stem cells )很多研究小组已经证实了心脏前体细胞的存在 , 且具有复制和分化成心肌细胞的能力。 2003 年Beltrami 等24从小鼠心脏中分离出 Lin- 和c-kit- ( 一种干细胞相关抗原 )细胞, 实 验证明这些细胞可以分化成心肌细胞、 平滑肌细胞和内皮细胞 ;另外 ,另一种干细胞相关抗原 Sca-1+亚群也从鼠心脏中分离出来 25 。 Laugwitz

16、 等26 发现了心脏干细胞的另一个亚群 Isl1+ , 存在于新生鼠和人的心脏中 , Isl1+ 表达心脏转录因子 Nkx2、 5 和 GATA-4,但不表达 Sca-1, CD31 或c-kit, 与新生鼠心肌细胞共同培养时 , 30% Isl1+ 细胞分化成成熟心肌细胞 亚型 ,并表达心肌细胞标志 ,也未出现细胞融合。2.6 内皮祖细胞 (endothelial progenitor cells,EPCs)EPCs改善心功能作用机制主要与血管新生有关。心梗后EPCs释放入血液 , 循环中的 EPCs可在缺血部位形成血管 27 。 Kawamoto等 28 将人 EPCs注射入鼠静脉中 (

17、冠状动脉左前降支结31。扎术后 ) ,细胞聚集在梗死部位 , 并有新血管形成，梗死区域减小。有研究证明注射入梗死心 肌的 EPCs可以分化为有功能的心肌细胞 29 ；另外， 一些研究证明人类 EPCs在体外与鼠的心肌细胞一起培养可以分化为具有功能的心肌细胞然而， Gruh 等未发现人 EPCs与新生小鼠的心肌细胞一起培养有任何改变3、存在问题及前景实验表明骨髓干细胞能表达心脏特异性标记物 (如肌钙蛋白 -1和connexin-43 分子 )，这 与心脏功能的改善密切相关； 外源性骨髓干细胞的植入， 可重塑心肌结构， 改善心肌的收缩 功能和室壁的顺应性； 也有认为植入的细胞可以通过自分泌或旁分泌

18、生长因子， 促进血管新 生，最终全面改善心脏功能。 林峰等的研究认为骨髓细胞移植入梗死心肌后， 可通过分泌细 胞因子 bFGF、IGF-1 、TGF-1、IL-1 和 IL-8 对梗死心肌发挥积极作用。骨髓干细胞 移植 改善心肌梗死患者心功能的机制目前尚不明确。但有以下几种可能：1、诱导移植细胞定向分化为具有心肌特征的细胞， 可与宿主细胞同步收缩从而改善心功能。 2 、移植细胞能给心 室壁提供一个强有力的构架， 从而限制纤维化及坏死的扩张。 实验结果显示细胞移植后心脏 舒张末期容量减少，故认为移植细胞可通过限制心肌过度修复来发挥作用。3、通过表达生长因子和促血管生长因子来发挥作用。4、抑制损伤

19、处心肌细胞凋亡。各种动物试验及初期临床研究都取得了可喜的成绩。骨髓干细胞用于治疗心血管疾病的研究正日益深入 , 但由于骨髓干细胞分化为心肌细 胞的具体机制仍然不是十分清楚 , 关于骨髓干细胞的横向分化在医学领域还存在很多争议 , 甚至有人对成体干细胞的分化潜能提出了质疑 , 有研究人员将骨髓干细胞和胚胎干细胞体 外培养时发生自发融合 , 而且自发融合的骨髓干细胞染色体为 4n或 6n, 并表达骨髓干细胞 和 胚胎干细胞双重表型 , 而在将神经干细胞和胚胎干细胞体外一起培养时也发现了此种现象 , 他们认为这是对组织干细胞可塑性的合理解释 , 这种观点还有待进一步研究。 , 只有搞清楚 这些具体机

20、制才能彻底消除质疑 , 并可以人为调控干细胞定向分化为需要的细胞 , 提高其 分化效率又避免过度增长 , 使干细胞移植治疗更安全有效地应用于临床。心肌再生医学做到真正安全有效地应用到临床 , 目前也存在很多需要解决的问题 : (1) 选择适合移植的干细胞种类 ; (2) 干细胞的提取、扩增、纯化、分化等技术问题 , 即高数量高 纯度的干细胞来源问题 ; (3) 干细胞移植方式和最佳时机的选择，细胞的分化是一个非常复 杂的过程。首先 , 被诱导的细胞应含有靶细胞相应蛋白的沉默基因, 而且这些基因应该能在适当的环境条件下和 / 或某些转录因子的参与下被激活并合成相应蛋白；其次, 只有当这些合成的蛋

21、白整合到相应亚单位或经过翻译后水平的修饰后 , 被诱导的细胞才能获得相应靶 细胞的功能 ; ( 4) 接受干细胞移植的病人适应症及疗效评价体系的建立。另外，干细胞移植 后在人体内分化为心肌细胞目前还没有明确的证据，其分化调控机制有待进一步阐明， 远期疗效及相关并发症有待大量的临床试验进一步观察。尽管还有很多问题需要解决 , 但相信经过努力 , 骨髓干细胞用于治疗心血管疾病必将成为继传统药物、介入、 手术等治疗的一种全 新手段 , 为广大患者带来福音。参考文献1 Beltrami A P,Urbanek K, Kajstura J,et al. Evidence that humancardia

22、c myocyte divide after myocardial infarction J . New Engl JMed, 2001, 344 (23) : 1750-1757.2 G e J, LiY , Q ian J, etal. Transcather transplantation of stem cell fortreatment of acute myocardialinfarction (Abstract) .A m J Cardiol2004;94( suppl6A ):19E3 徐清斌 ,张馥敏 ,杨志健,等.自体骨骼肌卫星细胞移植治疗冠心病的实验及临床研究J.中国临床

23、康复 ,2004,8(3):440-4424 Pieter C. Smits, Robert-Jan M. van Geuns, Don Poldermans, et al .Catheter-Based intramyocardial injection of autologous skeletal myoblasts as a primary treatmentof ischemic heart failure: Clinical experience with Six-Month Follow-Up Journal of the American College of Cardiolog

24、y , Volume 42, Issue 12, 17 December2 003, Pages 2063-20695 PhilippeMenasch. Skeletal Myoblasts as a Therapeutic AgentProgress inCardiovascular Diseases , Volume 50, Issue 1 , July-August 2007 , Pages 7-176 Jackson KA, Majka SM, Wang H, et al. Regeneration of ischemic cardiac muscleand vascular endo

25、thelium by adult stem cells J . J Clin Invest, 2001, 107 (11)1395-1402.7 Peschle C, Condorelli G. Stem cells for cardiomyocyte regeneration: state ofthe art J . An n N YAcad Sci, 2005, 1047 (1) : 376-385.8 Orlic D ,Kajsmra J ,Chiment S ,et al .Bone marrow cells regenerate infracted myocardiumJ . Nat

26、ure ,2001 ,410(6829) :701.9 HaradaM, Qin Y, Takano H, et al. G2CSF p revents cardiac remodelingaftermyocardial infarction by activating the Jak2Stat pathway in cardiomyocytes J . NatMed, 2005, 11 (3) : 305-311.10 L.B. Balsam, A.J. Wagers, J.L. Christensen, T. Kofidis, I.L. Weissman and R.C.Robbins,

27、Haematopoietic stem cells adopt mature haematopoietic fates in ischaemicmyocardium, Nature 428 (2004), pp. 668 673.11 Nygren JM, Jovinge S, Breitbach M, Sawen P, Roll W, Hescheler J,et al. Bone marrow-derived hematopoietic cells generate cardiomyocyte at a low frequency through cell fusion, but not

28、transdifferentiation. NatMed 2004;10:494 501.12 李占全 ,张明,金元哲 ,等.粒细胞集落刺激因子动员自体骨髓外周血干细胞移植治疗急 性心机梗死的临床研究 J. 中华心血管病杂志 ,2006,34(2):99-10213 Shinji M, keiichi F , et al . Cardiomyocytes can be generated from marrow stromal cells in vitroJ . J Clin Invest ,1999 ,103 :697-705.14 Shake JG, Gruber PJ, Baumgart

29、nerWA, Senechal G, Meyers J, Redmond JM, et al. Mesenchymal stem cell implantation in a swine myocardial infarct model: engraftment and functional effects. Ann Thorac Surg 2002;73:1919 25 discussion 1926.15 Vulliet PR, Greeley M, Halloran SM, MacDonald KA, Kittleson MD. Intra-coronary arterial injec

30、tion of mesenchymal stromal cells and microinfarction in dogs. Lancet 2004;363:783 4.16 Yoon YS, Park JS, Tkebuchava T, Luedeman C, Losordo DW. Unexpected severe calcification after transplantation of bone marrow cells in acute myocardial infarction. Circulation 2004;109:3154 7.17 王建安 , 谢小洁 ,何红, 等.骨

31、髓间质干细胞移植治疗原发性扩张型心肌病的 疗效与安全性 J. 中华心血管病杂志 ,2006,34(2):107-11018 郭素萍,高传玉 ,刘煜昊 ,等.自体骨髓单个核细胞移植治疗扩张型心肌病的 临床观察 J. 中国临床医学 ,2006,13(1):18-2119 张智亮,王梦洪 ,彭景添 ,等.自体骨髓干细胞冠状动脉内移植治疗扩张型心肌病 J. 实用临床医学 ,2005,6(12):23-2520 黄榕翀 , 姚康,李延林 , 等.经冠状动脉骨髓单个核细胞移植治疗原发性扩张型心肌病的 安全性与疗效近期观察 J. 中华心血管病杂志 ,2006,34(2):111-11321 黄榕翀 , 姚康

32、,邹云增 , 等.急诊经冠脉自体骨髓单个核细胞移植治疗急性下 壁心肌梗死长期随访观察 J. 中华医学杂志 ,2006,86(16):1107-111022 李延林,葛均波 ,钱菊英 ,等.急诊经冠状动脉自体骨髓单个核细胞移植治疗急性心肌梗 死的临床研究 ( TC T-S TA M I)J.中国介入心脏病学杂志 ,2005,13(3):142-14523 葛均波,李延林 ,钱菊英 ,等.陈旧性前壁心肌梗死患者自体骨髓单个核细胞移植后左室 心肌灌注及收缩功能的变化 J. 中国介入心脏病学杂志 ,2004,12(5):261-26424 BeltrmiA P, Barlucchi L, Torell

33、a D, et al. Adult cardiac stem cells are multipotent and support myocardial regeneration J . Cell, 2003, 114 (6) : 763-776.25 Oh H,Bradfute S B, Gallardo T D, et al. Cardiac p rogentitor cells fromadultmyocardiun: homing, differentiation, and fusion after infarction J . ProcNatl Acad Sci USA, 2003, 100 ( 21 ) : 12313-12318.26 Laugwitz K L,Moretti A, Lam J, et al. Postnatal isl1 ( + ) cardioblasts enterfully differentiated cardiomyocyte lineages J . Na