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脐带间充质干细胞治疗心肌梗死的研究进展

【摘要】心肌梗死是全球范围内死亡的主要原因之一,尽管早期的血管重建可以挽救部分缺血心肌,但是坏死的心肌不可再生,需要干细胞的治疗以减少病死率并改善患者预后。脐带间充质干细胞作为有前景的干细胞类型,有较高的分化潜能,具有增殖能力强、免疫源性低等优势。先前研究认为其是通过移植细胞至梗死心肌处,分化为心肌细胞,从而改善心功能。然而近几年的实验表明其可能通过旁分泌机制起作用,其中分离出的外泌体可能是主要的作用因子。本文针对脐带间充质干细胞治疗心肌梗死的机制及临床试验的研究进展进行综述。

【关键词】心肌梗死; 脐带间充质干细胞; 外泌体; 干细胞治疗

心肌梗死(myocardial infarction,MI)是中国乃至全球范围内死亡的主要原因之一。《中国心血管病报告》显示,近10 年来MI 病死率总体呈上升态势[1];美国心脏协会(AHA)报道称,在美国,1 760 万冠心病患者中有850 万人是MI患者。世界卫生组织预测,到2020年,冠心病将成为全球最大的卫生负担。尽管及时有效的药物治疗、经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention,PCI)、冠状动脉旁路移植术(CABG)或溶栓等治疗方法可以挽救生命及部分缺血心肌,但是部分心肌坏死仍不可避免,目前国内外均无有效治疗坏死心肌的方法。有研究显示脐带间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cells,UC-MSCs)具有较高的分化潜能,取材方便,增殖能力强,免疫源性低,无致肿瘤性,无伦理学争议等优势[2],能替代并修复坏死心肌,是一种潜在治疗MI 的干细胞类型。本文将从UC-MSCs概述、作用机制和临床试验等方面进行综述。

1、UC-MSCs 概述

UC-MSCs具有类似胚胎干细胞的某些生物学特性,表达多种胚胎干细胞的特有分子标志,有较高的分化潜能,可分化为脂肪细胞、成骨细胞、成软骨细胞、内皮细胞、心肌细胞等[3]。UC-MSCs 可从脐带的不同隔室被分离,分为羊膜来源(amnion,AM)、羊膜下来源(subamnion,SA)、血管周来源(perivascular,PV)、华通胶来源(Wharton′s jelly)和混合脐带来源(mixed cord,MC),没有严格的标准确定哪个部分具有最好的临床效果。SUBRAMANIAN等[4]对各来源的UC-MSCs进行比较,发现华通胶来源的UC-MSCs具有优越特质。其取自足月行剖宫产手术后的脐带,在脐带内的两条动脉与一条静脉间,以及脐血管与脐带外膜间的胶状物质即为华通胶(Wharton′s jelly-derived mesenchymalstem cells,WJ-MSCs)。WJ-MSCs 富含透明质酸,占脐带中黏多糖(GAGs)的70%,形成成纤维细胞周围的水凝胶结构,确保脐带中不仅含有大量的胶原纤维,还包括大量增殖能力极强的间充质干细胞[5]。华通胶曾被认为是医疗的废弃物,然而现在很多研究者都以其为UC-MSCs中的研究重点,认为它是理想的种子细胞。

2、UC-MSCs 治疗MI 作用机制

现阶段,国内外公认UC-MSCs 的作用机制主要有3种:(1)多向分化为心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞;(2)旁分泌作用;(3)细胞间连接作用。

2.1 分化为心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞 移植的UC-MSCs可分化为心肌细胞[6],替代因心肌梗死受损死亡的细胞,从而减少梗死面积,修复心肌。同时,UCMSCs也可以分化为内皮细胞[7]及血管平滑肌细胞[8],促进血管的重建,最终达到改善MI 预后的目的。张嵬等[9]将UC-MSCs 植入小型猪急性梗死心肌后6周仍然存活,其中部分干细胞分化为心肌细胞和血管内皮细胞,新生的心肌细胞可部分取代梗死细胞而发挥组织修复功能。但事实上,移植后的细胞仅有一小部分能存活下来,并且存活的细胞不可能都分化为心肌细胞、内皮细胞或血管平滑肌细胞[10],所以有学者[11]认为细胞移植治疗MI 的作用机制可能不止这一个。

2.2 旁分泌机制 越来越多的研究表明旁分泌机制起主导作用,UC-MSCs 通过旁分泌作用分泌出各种细胞因子,例如,血管内皮生长因子(VEGF),胰岛素样生长因子1(IGF-1),纤维母细胞生长因子(FGF)和血小板生成素等[11]。这些细胞因子作用于梗死心肌,有助于血管重建、促进心肌修复、延缓心室重构等。近年来,有人提出间充质干细胞治疗后观察到的旁分泌效应主要是由外泌体所介导[12]。

2.2.1 外泌体及其作用 2010 年LAI 等[12]首次在心肌局部缺血/再灌注损伤的大鼠模型中发现了MSC衍生的外泌体(MSC-derived exosomes)。外泌体来源于细胞内内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体,经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中[13],其含有不同种类的mRNA、DNA、大量microRNAs(miRNAs)、蛋白质和细胞器等。

2.2.2 抑制细胞凋亡 有文献[11,14-15]证实,MSCs的旁分泌作用是通过增强的磷酸化途径介导,尤其是PI3K/Akt 通路。ARSLAN 等[16]在活体小鼠心肌缺血-再灌注后的1 h内,用间充质干细胞来源的外泌体处理后立即引起磷酸化的Akt和GSK3显著增加,并且可维持24 h;与此同时,磷酸化的c-JNK,一种促凋亡信号的激活剂,迅速且显著降低。Evans蓝色染料注射和TTC染色显示小鼠心肌梗死面积减少45%、心肌细胞存活率显著提高、成分血的异常活化减少。在外泌体治疗后第28 天,心脏MRI 提示左室扩张被抑制,心功能明显增强,证实外泌体不仅减少心肌梗死的面积,而且明显减轻心室重构,显著改善MI的长期预后。外泌体中含有大量与心脏保护相关的miRNAs,其中miR-22 是研究中的热点。研究表明,缺氧导致MSCs 分泌富含miR-22 的外泌体通过下调Mecp2 从而减少心肌细胞凋亡[17]。李佳等[18]提取UC-MSCs 上清液中的外泌体,处理经Annexin V-FITC /PI标记小鼠缺氧复氧后的心肌细胞,流式细胞术检测显示细胞凋亡率显著减少。利用实时荧光定量PCR 检测显示外泌体中富含miR-1a、miR-22、miR-24、miR-133a 和miR-139p,其中miR-22 的表达水平最高,随后利用miR-22 抑制剂处理心肌细胞显示增加细胞凋亡率,说明miR-22 在心肌细胞缺氧复氧损伤下起到了一定的保护作用。以上研究结果提示miR-22 是参与调控细胞凋亡的重要因子。

2.2.3 减轻心肌纤维化 ZHAO等[19]结扎大鼠冠状动脉前降支建立MI 模型后,将悬浮于PBS 中的外泌体经尾静脉注入小鼠体内,4周后心脏彩超提示外泌体处理过的小鼠左心室前壁收缩功能强于未经外泌体处理的小鼠;左室射血分数(left ventricle ejection fraction,LVEF)和左室短轴缩短率(left ventricular shortening fraction,LVFS)较未处理组增高。证实脐带间充质干细胞通过外泌体可以增强心脏的收缩功能,减轻急性心肌缺血性损伤。同时Masson三色染色法染色提示外泌体能够抑制细胞凋亡、减轻心肌纤维化、促进边缘区域细胞增殖。

2.2.4 促进血管生成 文献[20]证实在组织工程领域,外泌体促进血管生成研究已取得实质性进展。研究显示miRNA通过特定旁分泌因子和分子途径调节转录后水平基因表达,在新生血管形成的各个环节发挥重要作用,包括血管细胞分化、增殖、迁移和形态发生[21]。BIAN等[22]研究证实骨髓间充质干细胞来源的外泌体促进血管生成,但是UC-MSCs 来源的外泌体对MI后促进血管生成作用机制却不清楚。SANTOS 等[23]将UC-MSCs 移植到小鼠的梗死心脏,发现梗死组织周边毛细血管密度增加,心功能明显改善。ZHANG 等[24]研究发现UC-MSCs 来源的外泌体激活Wnt/β-catenin 通路,释放microRNAs、mRNAs 和活性蛋白等,从而促进血管生成。

2.2.5 免疫调节 心肌缺血导致细胞死亡,引发炎症反应,最终导致瘢痕形成。既往研究证实UC-MSCs 来源的外泌体分泌白介素10(IL-10)、IL-6、转化生长因子β(TGF-β)、前列腺素E2(PGE2)和NO 等介质,从而使细胞具有局部抗炎作用。

2.3 细胞连接 UC-MSCs可以与宿主细胞通过紧密连接、缝隙连接、桥粒相互作用,进而影响宿主细胞的增殖、迁移和分化等。然而,我们能从文献中查阅出的研究屈指可数MENGE等,在MSCs与内皮细胞(ECs)的体外共培养实验

中发现,MSCs通过细胞间的缝隙连接起直接作用,主要的机制是抑制内皮细胞的增殖和内皮细胞血管网的形成,进而对内皮细胞起到稳定的作用。这些结果证实了MSCs一个新的作用机制,提供了进一步优化MSCs 治疗方法的见解。

3 临床应用

PIOTR等[ 30]纳入行PCI的10例急性心肌梗死患者,从冠状动脉中注入30 × 106 个WJ-MSCs 共30 mL 干细胞悬液,上述患者在24 h 动态心电图中,未见有心肌缺血的心电图改变或临床症状(未见肌钙蛋白T 升高)。随访1 年后,仍未发生心血管事件。研究证实了WJ-MSCs用于治疗MI的可行性和安全性,为随机双盲试验提供依据。张晓霞等选择缺血性心脏病心功能不全患者30例,随机分为治疗组和对照组各15例,分别行冠脉内注入干细胞悬液或0.9%氯化钠注射液。治疗组术后3 个月及6个月左室舒张末容积(left ventricle end-diastolic volume,LVEDV)和左室收缩末容积均较术前显著减小,LVEF较术前显著提高;对照组各指标无明显变化。这证明冠脉内移植UC-MSCs可改善缺血性心脏病患者心功能。GAO等进行了长达18个月的随机、双盲、多中心试验,将116 例ST 段抬高性急性心肌梗死(AMI)成功再灌注后5 ~ 7 d 的患者随机分配,分别接受冠状动脉内注射WJ-MSCs 或者梗死动脉内注射安慰剂。在18 个月的随访中,实验组的心肌功能(PET)、梗死区域灌注(SPECT)和左心室射血分数显著增强。同时,实验组左室收缩末期的容积和舒张末期的容积均较对照组显著增大。说明WJMSCs治疗AMI效果显著。

4 总结与展望

UC-MSCs 来源外泌体的上述特性表明其治疗MI 有广泛的应用前景,尽管目前其作用的分子机制尚不完全明确且局限于临床前实验,但已有研究佐证其治疗的安全性[33]。深入探索其分子机制,积极开展临床试验,我们有信心期望在不久的将来,UC-MSCs 联合外泌体针对性治疗MI 将成为开创性的进展。UC-MSCs目前已进行的临床试验少,试验中细胞悬液体积及数量、细胞植入途径及方法等未能形成统一标准;病例数不够多且后期随访时间较短,还有待于下一阶段进一步研究与探讨。


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