心脏干细胞及其应用研究进展

【关键词】 心脏干细胞　 治疗　 心肌再生　文献综述

　　传统观点认为，成年哺乳动物的心脏是一个“静止”器官，不具备完全修复损伤再生的能力。组成心脏的细胞成分如心肌细胞、内皮细胞，已停止克隆增殖、分化、生长，但最近这一观点受到了挑战。Kajstura等［1］在心脏组织中发现了一类正在分裂、增殖的细胞，同时发现这类细胞表达有心肌细胞生物标志。随后，Quaini等［2］在性别错配的心脏移植患者心脏中发现了一类具备干细胞特征的细胞，它们能够自我更新、克隆增殖，在心脏组织内分化为心脏的多种细胞成分，如心肌细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞等，据此Quaini等推断心脏中存在心脏干细胞(cardiac stem cells，CSCs)。CSCs的发现改变了人们以往对心脏自我稳态维持及损伤修复的认识，同时，它为终末期心脏病的治疗提供一条新的途径。现就CSCs及以其为基础的心脏病治疗作一综述。

　 1 CSCs的发现

　 Beltrami等［3］在大鼠的心脏中发现了CSCs，证实了Quaini等人的推断，他们在大鼠心脏中分离的这类细胞表达ckit及干细胞因子（stem cell factor，SCF）。Beltrai等人在研究中证实了这类细胞具有干细胞特征，在体外培养下这类细胞可以克隆增殖，而且可以分化出心肌细胞、血管平滑肌细胞和内皮细胞并表达其生物学标志。但在实验中同时发现，这类细胞虽然可以分化，但是其并未完全成熟。在将这类细胞注射到心肌梗死动物模型的心脏梗死部位后，人们观察到这类细胞在体内可以分化为表达肌球蛋白的圆形小细胞和带有血管样结构的小细胞。随后，研究人员在多种动物如小鼠［4］、狗［5］中发现存在CSCs。

　 Messina等［4］在人的心脏活检标本中发现分离出了表达ckit和sca1的细胞，并在体外培养中发现这些细胞可以自我更新，将其移植入小鼠心脏后可以分化为能够收缩、表达心肌蛋白的肌细胞及血管内皮细胞，证实这些细胞具有自我克隆增殖、多能分化能力，是人类心脏中固有的CSCs。

　 2 CSCs与心脏稳态

　　　随着对CSCs研究的深入，发现CSCs对心脏稳态的维持有重要意义，CSCs受损、功能退化将直接影响心脏功能。Urbanek等［6］对比研究了急性与慢性缺血性心脏病患者心脏组织中的CSCs，发现两组患者心脏中干细胞的数量较正常对照组都有提高，其端粒酶活性也较对照组高，且急性缺血性心脏病患者CSCs的数量与端粒酶活性显著高于慢性缺血性心脏病患者。在慢性缺血患者CSCs中，有较多是无活力、处于凋亡状态、不具备分裂与损伤修复能力的细胞。这项研究提示，慢性缺血性心脏病患者心功能进行性减退，最终发生心衰，可能与功能完好的CSCs减少有关。Huang等［7］在研究多柔比星的心脏毒性时也有相似发现。在予幼鼠多柔比星后，其成年后发生心衰可能是因为多柔比星损伤了CSCs，最终导致CSCs数量减少，心脏损伤修复能力减弱。Torella等［8］研究发现CSCs与心脏的衰老关系密切。随着年龄的增长，CSCs功能退化、数量减少，引起心脏再生修复能力减弱，最终导致心脏功能减退。近期的一项研究显示，运动可以激活CSCs，从而能够提高心脏功能［9］。

　 3 CSCs的分类

　 CSCs存在于哺乳动物心脏中。目前在研究中发现了多种心脏细胞，根据这些细胞生物学标志不同可以将其分为3类：(1)ckit+细胞。这类细胞以表达ckit为特征，常常共表达sca1(stem cell antigen1)和MDR1(muti drug resistancelike protein1)。这类细胞是目前发现最早也是研究较多的CSCs。ckit是一种干细胞生物学标志，细胞表达ckit一般被认为具有多能分化潜力，心脏中的ckit+细胞在动物实验中认定其有自我更新克隆、多能分化潜能等干细胞特性［3，5］。最近一些研究发现，ckit对于CSCs还有重要生物学功能。Kuang等［10］发现，ckit通过激活p38MAPK途径介导CSCs在心脏发生梗死时由正常心肌向梗死部位迁移。Li等［11］发现ckit可以促使CSCs开始分化，调节心肌细胞最终分化成熟。(2)侧群(side population，SP)细胞。SP细胞以低的Hoechst荧光染色为特征，目前在鼠及人等哺乳动物的多种组织中通过相同的弱荧光染料染色现象已分离出相应的SP细胞，其具有干细胞特性。研究人员已在心脏中分离出了SP细胞，并发现在体外培养下这些细胞能够自我更新，与心肌共培养能够分化成自发收缩的细胞［12］。Yamahara等［13］发现心脏SP细胞有多种细胞成分，包括血管内皮细胞、平滑肌细胞、间质干细胞等。(3)cardioblast细胞。这类细胞以表达Islet1为特征。Laugwitz等［14］在小鼠心脏中分离出了Islet1+细胞，与新生鼠的心脏细胞共培养后这些细胞能分化为可自发收缩的心肌样细胞，并与周围细胞形成电机械信号联系。RosenblattVelin等［15］在动物实验中发现，cardioblast细胞能够自动向心脏归巢，并分化为心肌组织。

　 需要指出，由于缺少特异性生物标志，这种对CSCs的分类并不绝对严格，存在一部分“交叉”细胞，可能表达多个类型的生物学标志。目前这3类细胞之间的内在联系尚未明确，它们如何协同完成对心脏稳态的维持及损伤的修复亦未明确。

　 4 CSCs的起源

　 关于CSCs的起源，目前有两种观点。一些学者认为其起源于骨髓，骨髓中的一部分细胞迁移定居在心脏中构成CSCs，主要依据有：(1)在对性别错配的心脏移植患者的研究中发现，女性供者的心脏在受者体内一段时间后可出现含有Y染色体的CSCs［2］；在性别错配的骨髓移植患者心脏中发现了异源的CSCs［16］。(2)Mouquet等［17］发现心肌梗死后CSCs的数量将会减少，在梗死1周后其数量将会恢复至基线水平，新的CSCs共表达CD45，提示骨髓中的细胞补充了CSCs。(3)Pouly等［18］在人的心脏活检标本中分离得到的CSCs共表达CD45。

　 另一些学者认为起源于胚胎，CSCs是残留的胚胎发育时期的原始细胞，主要依据有：(1)cardioblast细胞表达Islet1，Islet是一种胚胎细胞生物学标志。(2)Wu等［19］在鼠胚中分离出的ckit+/nkx2.5+细胞与ckit+CSCs十分相似，并且可以分化为心肌细胞。

　 5 以CSCs为基础的心脏疾病治疗

　 CSCs可以自我增殖，并能够分化为心肌细胞、内皮细胞，参与心脏损伤修复，改善心功能，以CSCs为基础的治疗方法为终末期心脏病的治疗提供了一条新途径。
　　
　　5.1 体外分离培养扩增CSCs，回植入体内

　　　Bearzi等［20］将体外培养的人类CSCs植入心肌梗死动物模型的心脏内，发现这些动物模型的心功能都较对照组有明显改善。植入的人类CSCs可以分化心肌细胞，替代梗死后无活力的心肌细胞。目前这个以干细胞为基础的心肌再生治疗正处于探索阶段，并未用于人类心脏疾病的治疗。

　　 5.2 药物提高CSCs功能

　 CSCs的获取、分离、培养、增殖较困难，不利于临床的应用。因此研究人员试图通过药物刺激心脏中原有的干细胞增殖分化修复损伤：(1)生长因子。Torella等［21］发现，造血生长因子和胰岛素样生长因子可以刺激动物CSCs增殖。在给心肌梗死模型动物注射上述两种生长因子后，发现动物的心脏中CSCs数量明显增加，动物的心脏梗死面积明显缩小。(2)periostin。Kuhn等［22］发现periostin可以刺激CSCs分裂，从而提高心肌细胞数量，改善心脏功能。(3)HMGCoA还原酶抑制剂。在之前的研究中发现，HMGCoA还原酶抑制剂如辛伐他汀，可以有效地减少心肌死亡和减轻心脏肥厚［23］。随后研究证实该药的这种作用与其激活CSCs，促进心肌细胞再生有关［24］。

　 6 小结与展望

　　　综上所述，CSCs是一类存在于心脏组织内能够自我更新及克隆增殖的细胞，它具有多能分化潜力，能够分化为心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞等多种细胞，对心脏的稳态维持有重要意义。心脏病变时CSCs能够增殖分化，参与心脏损伤修复。以CSCs为基础的治疗方法为心脏疾病的治疗提出了一条新的途径。

　 目前，CSCs增殖分化调节的机制尚未明确。在多项研究中发现，CSCs并不能自发地分化，常常需要与心肌细胞共培养，或是在培养基中加入一些细胞因子后细胞才能够分化。移植入心脏中的CSCs虽然可能分化为心肌细胞但并不能完全分化成熟，提示需要额外的因子促进其完全分化成熟。CSCs移植治疗心脏疾病尚处于探索阶段，移植入体内的干细胞分化效率并不高，需要寻找提高细胞分化效率的方法。
　　
　　随着对CSCs认识的深入，以CSCs为基础的治疗结合心脏辅助技术，给予心脏充分的休息与修复时间，将可能达到心脏再生，从而减少心脏移植需求。

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