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蒋峻综述 王建安审校
浙江大学医学院附属邵逸夫医院, 杭州 310016
Jun Jiang, Jian-an Wang
Shao yifu Hospital, Medical College of Zhejiang University, Hangzhou 310016
一、前言
目前充血性心力衰竭发病率逐年升高, 全世界有1500万受累者, 在美国每年新发病例为46.5万[1], 因此在发达国家及一些疾病谱正向发达国家靠拢的发展中国家(包括中国), 充血性心力衰竭已成为卫生健康工作者面临的主要问题之一。常见病为冠状动脉粥样硬化性心脏病心肌梗死、未良好控制的高血压病、原发性扩张型心脏病等。当各种因素作用于心肌细胞引起不可逆损伤后, 心肌细胞死亡, 纤维组织形成, 左室重构, 最终心力衰竭进展。目前治疗充血性心力衰竭的方法主要有药物治疗、心脏再同步化治疗和心脏移植等。心脏移植近中期效果满意, 但受到供体来源少、创伤大、远期移植心冠脉粥样病变、排斥等因素的制约[2]。90年代以来, 陆续有研究着眼于如何提高心肌疤痕区内的心肌细胞数量来改善心室工作能力, 其中细胞移植是颇有前途的一种方法。
干细胞的“干”译自英文“Stem”, 意为“树”、“干”和“起源”。顾名思义, 干细胞即起源细胞。干细胞研究已成为生命科学中最活跃的研究领域之一。1999年和2000年连续2年, 干细胞研究被美国《科学》杂志评为世界十大科学突破之一。干细胞特性包括: 可无限自我复制, 其次可分化为组成器官的多种细胞。根据分化能力可将干细胞分为多能干细胞和单能干细胞。多能干细胞可分化为任一种细胞, 如胚胎干细胞。而单能干细胞只能沿一个细胞系分化, 如造血干细胞。骨髓间充质干细胞是一种多能干细胞, 已有研究证实可分化为骨骼组织成分如骨、软骨、支持造血基质和脂肪细胞, 此外还可能形成神经细胞和心肌细胞, 是出生后非造血干细胞的范例。
二、动物实验
Koh等首先将心房肿瘤(AT1)心肌细胞成功移植入宿主心肌并发现其对宿主心功能无损害[3]。Reinecke等将胚胎、乳鼠及成年大鼠心肌细胞移植入正常心肌、急性冷冻损伤心肌以及肉芽组织(损伤后6天), 发现成年大鼠心肌细胞在任何情况下都未存活, 而胚胎与乳鼠心肌细胞则能形成成熟的心肌组织并能与宿主心肌耦合[4]。Li等的研究证实自体心肌细胞移植可改善心肌梗塞后猪心脏功能, 表现为移植组有更高的室壁运动分数、灌注分数及更大的收缩末弹性[5]。我们先前的研究表明胚胎干细胞可向心肌细胞分化, 其动作电位类似心肌细胞, 移植后可在宿主内存活并改善梗塞后大鼠心功能[6]。骨骼肌成肌细胞对缺血缺氧耐受能力强, 移植后能在受损的心肌存活、增殖, 甚至在纤维疤痕内也能形成心肌样细胞, 但不能与宿主细胞建立紧密联系和同步收缩[7]。目前文献报道的供移植细胞中乳鼠心肌细胞、骨骼肌成肌细胞增生能力有限、取材不便, 胚胎干细胞则受到伦理问题及异体移植排异的影响, 因此都不是理想的移植细胞。
骨髓间充质细胞是具多分化方向能力的成体干细胞, 进行自体移植无排异及来源的限制, 故其定向分化与移植已成为现今研究的热点。Orlic等的研究表明骨髓Lin- c-kitPOS细胞可在小鼠梗死交界区心肌内形成新生心肌组织, 包含有增殖的心肌细胞与血管结构[8]。Fukuda等从鼠骨髓中分离建立了成心肌细胞间充质细胞株, 经5-氮胞苷处理后有30%的细胞形态发生改变, 1周后与相邻细胞连接, 2周后形成肌管样结构并开始自发跳动, 3周后自发跳动, 细胞动作电位类似窦房结或心室肌细胞。电镜下有类心肌细胞结构(肌浆网及心房颗粒), 互相连接, 有肌管样结构并能自发跳动, 这些细胞表达心房钠尿肽、肌凝蛋白、及结蛋白[9]。Hakuno等的进一步研究表明骨髓间充质细胞经5-氮胞苷诱导分化成的心肌细胞表达β1、 β2肾上腺素能受体及肌肉M1、M2受体, 这些受体具功能性的信号传导途径并可调节细胞功能[10]。我们对新西兰大白兔的研究表明, 将同种异体骨髓间充质干细胞直接注射移植入心肌梗死区域能改善新西兰白兔心肌梗死后的心脏功能。新西兰白兔分为3组。其中实验组制成MI模型后即刻在MI局部区域注射1×107个/ml的同种异体MSCs悬液, 共0.3ml; 模型组制成MI模型后在MI局部区域注射0.3ml磷酸缓冲液(PBS); 假手术组冠状动脉下穿线而不结扎, 对应实验组MSCs移植部位注射0.3ml PBS。MSCs移植前用BrdUrd体外标记。4周后发现实验组死亡率16.7%(2/12)显著低于模型组35%(7/20)(p<0.05)。存活4周动物中, 实验组术后LVIDd、LVIDs为1.17±0.21cm、0.74±0.13cm显著小于模型组1.64±0.14cm、1.19±0.12cm(p<0.05); 实验组术后LVEF为63±6%显著大于模型组53±6%(p<0.05)。实验组存活4周的10例动物中, 8例(80%), 发现移植细胞存活于非MI区、MI区及其周边, 并部分转化成心肌样细胞; 7例(70%), 移植细胞参与构成MI区域血管组织。[11]
目前认为在骨髓间充质细胞的定向分化中某些细胞因子(如G-CSF、干细胞因子(stem cell factor, SCF))及细胞生存的局部微环境起着重要的作用。如我们发现与单独移植人胎儿心肌细胞相比, 将人骨髓间充质细胞和胎儿心肌细胞一起移植入猪心肌梗死区可更明显地改善其心功能, 而且局部血流的改善也更为明显[12]。Orlic等报道小鼠经SCF与G-CSF皮下注射5天后建立心肌梗死模型, 再继续注射3天。27天后发现组织明显再生, 治疗组小鼠死亡率降低了68%, 梗死面积减少了40%, 心室腔扩张减少了26%, 病理检查发现大量新生心肌细胞、小动脉、毛细血管形成, 可能机理为细胞因子动员骨髓原始细胞使其到梗死区定植增殖分化[12]。SCF是c-kit酪氨酸激酶受体的配体, 对各种原始的祖细胞有着独特的作用。目前有充分的证据证实当没有其它细胞因子存在时, SCF可选择性地提升原始造血祖细胞的生存能力[14]。干细胞衍生因子I(SDF-I)在干细胞定植到骨髓总起着重要作用, Askaria等发现急性心肌梗死即刻SDF-I表达上调, 7天之内下调; 心肌梗死后8周单用G-CSF动员并不能使干细胞定植到梗死区; 而先把转染后稳定表达SDF-I的成纤维细胞移植到梗死交界区, 再用G-CSF动员可诱导CD117(+)细胞定植到受损心肌, 并且心功能改善更加明显[15] 。
现有各种证据提示当器官受到各种损伤后, 自发的干细胞动员并定植到受损器官的现象是存在的, 但往往比较微弱, 不足以恢复受损器官的功能[16]。
三、临床应用
由于胚胎干细胞或胎儿干细胞应用存在政治、伦理甚至宗教问题, 而使用同种来源的细胞(包括一些细胞系)则需使用免疫抑制剂, 因此目前临床研究中使用的细胞主要为自体骨髓干细胞和骨骼肌成肌细胞。报道细胞移植所采用的途径主要为经冠状动脉注入、开胸手术时注射入心外膜下、经导管注射入心内膜下三种。
Strauer 等用PTCA球囊将自体骨髓单核细胞植入梗死相关动脉, 随访3个月后发现10例接受BMC移植的患者梗死区显著缩小(由30+/-13%降低为12+/-7%, P=0.005), 且显著小于接受标准治疗的急性心肌梗死患者(P=0.04), 每搏输出量、左室收缩末期容积、收缩能力、梗死区心肌灌注显著改善[17]。Stamm等在搭桥手术时将1.5×106自体骨髓AC133 + 细胞注射入6例有心肌梗死病史患者梗死边缘区心肌, 随访3-9月所有患者存活良好, 4例左室功能增强, 5例梗死区组织灌注明显改善[18]。Perin等评价了用NOGA系统经皮心肌内注射自体骨髓单核细胞治疗缺血性心肌病患者。研究为前瞻性、非随机开放设计, 共21例终末期缺血性心肌病患者入选, 前14例为治疗组, 后7例为对照组。基线评估包括完整的临床和实验室检查、运动试验、2维多普勒超声心动图、SPECT灌注扫描和24小时动态心电图。通过电机械标测确定存活心肌(单极电压≥6.9 mV)再注射入细胞。随访2月后定量SPECT检查发现治疗组总可逆性充盈缺损显著降低、左室功能改善, 与对照组相比差异也有统计学显著意义。4月后治疗组射血分数由基线的20%升高至29% (P=0.003), 左室收缩末期容积缩小(P=0.03), 电机械标测发现移植区机械运动显著改善(P<0.0005)。目前证据表明自体骨髓干细胞可用于急性心肌梗死后早期(2天到数周)心肌再生, 移植后分化为肌细胞, 促进新生血管形成; 所以他们潜在的治疗用途是很有吸引力的; 未发现明显的副作用, 尤其是到目前为止未发现致心律失常作用[19]。
Siminiak 等研究了自体骨骼肌成肌细胞移植治疗心肌梗死后患者。入选标准为心肌梗死后准备行搭桥术, 左室壁存在不运动区。结果发现所有接受移植的患者2-3月后左室节段收缩能力增加, 一直持续到术后12月。2例术后早期出现持续性室性心动过速, 另外2例患者在术后2周随访时动态心电图检查发现, 预防性静脉用胺碘酮可预防持续性室性心动过速发作, 移植后3月都不再用胺碘酮[20]。
我们在2003年2月对一例扩张型心肌病心功能Ⅳ级患者获得知情同意书后行自体骨髓间充干细胞移植术。该患者术前在用米力农针、多巴酚丁针等治疗后复查心脏超声提示: LVEF 42%, SV 104ml, 心功能改善。但停用米力农针、多巴酚丁针, 改用标准的口服药物抗心力衰竭治疗2月后复查心脏功能提示LVEF 30.1%、每搏输出量(SV)66 ml, 心功能又有恶化。移植术中将1×107个CD34、CD45表达阴性而CD166、CD17、CD29表达阳性的骨髓间充质干细胞经导管注射入左冠状动脉内。术中及术后24小时心电监护无室性心动过速等恶性心律失常发生, 术后24h内查心肌酶谱正常, 1月后24小时动态心电图检查亦示无恶性心律失常发生。1月后心脏ECT心血池显影提示LVEF 46%, 6月后为48%。到目前为止我们共有9例扩张性心肌病患者、6例缺血性心肌病患者接受了自体骨髓间充质干细胞移植, 未发现明显致心律失常作用, 部分患者心功能及左室壁组织灌注改善, 患者仍在继续随访中。
四、结论
细胞移植治疗心肌梗死后心力衰竭患者是可行的。虽然目前初步的临床观察发现其有效且没有明显副作用, 但证据均来自小样本非对照研究, 因此还需进一步严格设计的大样本随机对照研究来证实这种方法的效果, 以及明确细胞移植在今后临床实践中的地位和适应证。未来的研究可能会比较不同细胞及移植途径之间的差异, 以及对干细胞进行遗传学改造后(如转染某些细胞因子)再移植; 其次能否操纵干细胞向特定细胞分化(如起搏细胞, 可治疗病态窦房结综合征等); 再者如何提高老年患者干细胞的增殖能力。目前的研究表明对临床应用而言, 心肌梗死后早期移植自体骨髓细胞可能是最好的选择, 而自体骨骼肌成肌细胞移植可能会在心肌梗死疤痕区内存活并改善其收缩能力。对于特发性扩张型心肌病充血性心力衰竭而言, 需要有更好的动物模型以确定细胞移植的治疗效果, 而在临床推广应用之前也需要有良好设计的随机对照研究来获得有力的支持证据。
参 考 文 献
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8. Orlic D, Kajstura J, Chimenti S,et al. Bone marrow cells regenerate infarcted myocardium. Nature 2001;410(6829):701-5
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14.Pérez-Losada J, Sánchez-Martín M, Pérez-Caro1 M, et al. The ra dioresistance biological function of the SCF/kit signaling pathway is mediated by the zinc-finger transcription factor Slug. Oncogene 2003;(22):4205-4211
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19.Perin EC, Dohmann HFR, Borojevic R, et al. Transendocardial, autologous bone marrow cell transplantation for severe, chronic ischemic heart failure. Cir culation 2003;107:2294-2302
20.Siminiak T, Kalawski R, Fiszer D, et al. Transplantation of autologous skeletal myoblasts in the treatment of patients with postinfarction heart failure. Circula tion 2002;106(suppl II):II-636
王建安，博士生导师，副院长，中华医学会浙江心血管学会委员兼秘书。在心血管病的介入治疗和高血压、冠心病及心衰的基础与临床研究有精深造诣。获省部级科技进步二等奖一项，其他成果奖多项。 |
