间充质干细胞移植治疗心肌梗死的研究进展
时间：2023-06-08 19:40:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘舒恒(综述)， 柳美兰(审校)
心肌梗死是一种危及生命的疾病，可以造成心肌细胞的永久丧失和瘢痕组织的产生，导致心脏功能不可逆转的损害[1]。尽管心肌梗死的再灌注治疗和药物治疗取得了进展，但由于进行性左心室重构，仍有部分患者发展为顽固性心力衰竭[2]。研究证实了不同类型干细胞，如骨骼肌母细胞、骨髓间充质细胞、胚胎干细胞和内源性心脏干细胞在心血管疾病中的治疗潜力。其中，间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)具有分化为中胚层和非中胚层组织的能力，免疫调节特性以及释放营养因子[3]。目前对MSCs移植治疗心肌梗死的生物学特性、作用机制取得了较大进展。MSCs具有自我更新与多向分化潜能、免疫原性低、趋化归巢等特性以及治疗心肌梗死的关键作用机制——旁分泌途径。但MSCs移植后归巢数量少，生存率低，移植途径及能否分化为心肌细胞限制了其治疗发展。外泌体(exosomes，Exo)是一种纳米颗粒，从质膜中以多泡体的形式释放出来，CD9、CD63和CD81呈阳性[4]。它被认为是细胞间通讯、免疫调节、增殖、细胞衰老和分化的重要介质，通过将各种生物活性物质(如mRNA、microRNA、蛋白质和脂质)从一个细胞转移到另一个细胞，因其高生物相容性和低免疫原性而显示出巨大的前景。它具有诱导血运重建、增加供氧、抑制心肌细胞凋亡和减少心肌纤维化的能力[5]。研究发现，MSCs分泌的Exo表现出与MSCs相似的功能。因此，MSCs分泌的Exo可能作为治疗心肌梗死的一种新方法[6]。但Exo由于其细胞培养物的低产量加上复杂的纯化过程，其主要障碍仍然存在，用于治疗心肌梗死的机制仍有待进一步研究[7]。
1.1MSCs的增殖与分化潜能 MSCs可以从多种组织中获得，包括骨髓、脂肪组织、脐带组织、胎盘、脐带血、羊水、外周血、肝、肺、牙髓、骨骼肌和毛囊[8]，具有较强的增殖能力与分化潜能。在急性缺血的心脏中，波形蛋白诱导的心脏内源性MSCs似乎是增殖的第一反应[9]。心肌梗死后心肌内可检测到心肌MSCs的细胞群，其特征是波形蛋白、CD29、CD44、CD90、CD105、PDGFFRα和DDR2呈阳性表达，这些MSCs具有典型的克隆原性，具有集落形成单位-成纤维细胞以及成脂、成软骨和成骨分化特性。研究证明c-kit+MSCs来源的骨髓是一种新的c-kit+细胞群，骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)是转化生长因子-β(transforming growth factor-beta,TGF-β)超家族中的一员，可诱导胚胎干细胞、心肌前体细胞和c-kit+/SCA-1+骨髓来源细胞向功能性心肌细胞分化，改善心肌梗死后心功能[10]。研究表明miRNAs在调节心肌细胞的增殖、分化和功能方面起着至关重要的作用，在miRNAs中，miR-19a/19b能促进离体心肌细胞的增殖，在心脏再生和功能保护中发挥重要作用。MSCs可通过不同的化学培养方法在体外诱导转分化为心肌细胞[3]。5-氮杂胞苷、BMP-2、血管紧张素Ⅱ、二甲基亚砜、成纤维细胞生长因子-4是常用的诱导心肌细胞分化的化学物质。5-氮杂胞苷是胚胎和成体干细胞向心肌分化的有效诱导剂，在体外可诱导成年大鼠骨髓MSCs分化为心肌样细胞，诱导后的细胞表现出与心肌细胞相似的形态特征，并表达心肌特异性标志物。然而，它们在培养超过8周后的长期存活显示并没有导致分化的改善。因此，不建议延长5-氮杂胞苷诱导的骨髓MSCs在培养中的维持时间，5-氮杂胞苷进一步促进心肌细胞分化的机制仍有待阐明[11]。综上，MSCs的增殖与分化潜能在缺血心脏中发挥着重要作用，为心肌梗死后心肌细胞再生提供了可能性。
1.2MSCs的免疫调节特性 MSCs的优点在于它们的免疫调节特性使得其可以作为供体细胞的普遍储备。研究表明，MSCs的表面抗原表型不是单一的，表面标志物CD105、CD73和CD90呈阳性(>95%)，而CD45、CD34、CD14/CD11b、CD79α/CD19呈阴性(≤2%)，这些独特的表面标记分布，使它们能够逃脱免疫细胞的检测[12]。骨髓MSCs的另一个重要特点是免疫原性低，它们低表达主要组织相容性复合体Ⅰ类蛋白，不表达共刺激分子CD40、CD80和CD86等[13]。MSCs的免疫调节有旁分泌效应和细胞间直接接触两种方式。前者是通过分泌TGF-β、肝细胞生长因子、一氧化氮、血红素加氧酶、白介素(interleukin,IL)-6、前列腺素E2和吲哚胺2，3双加氧酶、白血病抑制因子、CCL-2、半凝集素1，3和信号素-3a来实现的。MSCs还可以分泌Exo，这是一种包含特定亚群的mRNA、miRNA和蛋白质的小泡，调节各种生物过程。Exo是免疫细胞之间重要的交互作用的连接平台。因此，MSCs来源的Exo被认为可以调节免疫系统并帮助心脏保护[14]。MSCs也是免疫调节剂能抑制中性粒细胞、树突状细胞、T细胞和自然杀伤细胞的激活，同时促进调节性T细胞增殖和抗炎巨噬细胞极化，研究显示NES+cMSCs的修复功能部分是通过巨噬细胞对M2亚型的极化来实现的[15]。此外，MSCs影响B细胞对CXCL12和CXCL13的趋化能力，从而阻断B细胞向炎症区域的迁移[16]。MSCs具有通过抑制促炎反应和刺激抗炎活性来调节先天免疫反应和获得性免疫反应的能力，但其免疫调节特性是多方面复杂的过程，需要不断探索其调节机制。
1.3MSCs的归巢能力 心肌梗死后，干细胞可以通过趋化因子的趋化作用自发地归巢到受损的心肌上，并参与生理性修复。此外，归巢干细胞的数量受基质细胞衍生因子-1α(stromal cell-derived factor-1α,SDF-1α)表达水平的控制[17]。目前研究显示SDF-1/趋化因子受体4(CXCR4)轴是干/祖细胞归巢、趋化、植入和滞留到缺血组织中最重要的因素之一[18]。已有研究表明，超声介导的微泡破坏(ultrasound targeted microbubble destruction,UTMD)可以在毛细血管壁上形成孔隙，改变局部心肌微环境，促进移植干细胞从血管到缺血心肌组织的归巢[19]。目前研究结果显示提高MSCs归巢能力能显著改善受损心肌，具体调控机制仍有待进一步研究。
2.1促血管生成 MSCs能分泌多种细胞因子，在缺血组织中发挥有益的血管生成作用，血小板生成素和血管生成素这些因素都参与了MSCs的动员、迁移、归巢、黏附和滞留以及内皮细胞的分化等新生血管形成过程[3]。实验数据显示BMP-2预诱导的细胞促进移植后的心肌发生、血管生成和心脏功能的改善[10]。研究表明，在衰老的人骨髓MSCs中过表达miR-10a通过抑制KLF4可激活Akt，刺激血管生成因子的表达，使老化的人骨髓MSCs恢复活力，改善受损小鼠心脏的血管生成和心功能[20]。有结果表明，在心肌梗死大鼠模型中，CD73+脂肪组织(adipose derived,AD)-MSCs通过促进血管生成，比混合的AD-MSCs和CD73-AD-MSCs更有效地促进了心脏恢复功能。此外，在AD-MSCs中表达CD73后，可促进血管内皮生长因子、生长因子-1α和肝细胞生长因子的分泌[21]。MSCs通过分泌多种细胞因子促进缺血组织的血管生成，可能为心肌梗死后血管重建起到重要作用。
2.2免疫抑制 研究已证明目前使用MSCs的意义在于分泌多种免疫抑制可溶性因子、细胞因子和趋化因子，抑制宿主免疫细胞增殖。急性心肌梗死的炎性微环境对受损心肌再生的干细胞潜能有抑制作用，各种细胞因子表现出其免疫抑制特性，抑制过度炎症反应，改善心肌微环境。肿瘤坏死因子-β(tumor necrosis factor-β,TNF-β)、IL-1、IL-6等具有促炎作用的关键细胞因子的分泌，诱导缺氧状态，最终形成细胞毒成分，导致细胞死亡，阻碍干细胞的增殖和分化[22]。研究表明，MSCs来源的Exo通过将炎症巨噬细胞极化到心脏内的抗炎巨噬细胞群体来减轻心肌损伤。miR-182作用在MSCs来源的Exo中，通过靶向TLR4/NF-κB/PI3K/Akt信号级联参与巨噬细胞极化的调节[23]。CTRP9是一种新的心脏因子，现有研究结果提示，保留CTRP9产生或外源性CTRP9补充的分子干预可能会创造一个健康的微环境，促进干细胞存活，优化其对缺血性心脏损伤的心脏保护作用[10]。胰岛素样生长因子-1是MSCs重要的旁分泌生长因子，研究表明过表达胰岛素样生长因子-1在缺氧条件下具有较高的细胞增殖率、迁移能力和干性，并具有较强的抗凋亡能力[24]。多项研究结果表明，阿托伐他汀能提高心肌梗死模型中植入MSCs的存活率，并与MSCs联合，通过减少炎症细胞浸润、髓过氧化物酶活性和心肌纤维化，改善心肌环境[25]。MSCs通过细胞分泌多种免疫抑制因子、促进心脏保护因子的增殖以及联合药物等多种机制来发挥其治疗心肌梗死的作用，但具体临床实际应用还有待进一步探讨。
2.3旁分泌机制 MSCs发挥治疗作用的主要机制是旁分泌作用，分化为心肌细胞系、促血管生成、抗纤维化、抗炎、抗凋亡和免疫调节作用是心脏修复过程中MSCs功能的主要驱动因素。越来越多的证据表明，MSCs的分泌体和(或)其胞外小泡在介导这些功能的同时，以旁分泌的方式发挥着重要作用[3]。心肌梗死后，浸润的巨噬细胞和成纤维细胞表达的基质金属蛋白酶，特别是基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-9，通过基质金属蛋白酶/基质金属蛋白酶-9轴触发再生信号，介导细胞外基质蛋白降解、细胞增殖和迁移[26]。MSCs衍生的Exo对促进血管生成、抗细胞凋亡及抗炎方面发挥心脏保护作用，缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)增强的血管生成在介导心脏保护中起着关键作用，Exo-HIF-1α对缺血性心脏的促血管生成和心脏保护作用是通过血管内皮生长因子和血小板源性生长因子介导的。此外，Exo-HIF-1α可以挽救缺氧损伤的血管生成、增殖和迁移[5]。研究结果表明，SDF1可通过激活PI3K信号通路抑制心肌细胞自噬，促进内皮细胞微血管再生，保护心肌梗死小鼠的心脏功能，因此，SDF可以作为心肌梗死的治疗剂。但该研究尚处于临床前阶段，作用机制尚不充分。提高SDF1治疗心肌梗死的效率和安全性可能是关键[27]。研究显示，Exo通过抑制心肌细胞凋亡和促进血管生成和细胞基质重构来修复缺血心肌[28]。MSCs发挥心脏修复的功能主要是由旁分泌途径介导的，因此深入研究旁分泌机制将成为MSCs治疗心肌梗死的前景。
MSCs衍生的Exo与MSCs相比，保留了亲代细胞的功能，具有长期稳定性和最少的免疫排斥，是一种有前途的无细胞治疗方法[29]。近年来，已经设计和研究了各种新策略来增强基于干细胞的Exo疗法，包括细胞预处理、生物材料方法等。缺氧处理可增强MSCs的旁分泌作用，研究表明缺氧在增强MSCs治疗心血管适应证方面的有益作用在很大程度上可归因于缺氧对增强Exo中miR-210中性鞘磷脂酶2的活性，这些作用可能部分由HIF-1α介导[30]。研究发现，Exo通过NF-κB信号通路和Nrf2/HO-1轴发挥抗炎作用并促进M2巨噬细胞极化，有望成为心肌梗死的无细胞治疗方法[31]。生物材料方法近年来有较好的发展。实验显示具有高生物相容性和转染效率的基于Exo模拟纳米复合物的miRNA递送系统为miRNA治疗心肌梗死提供了广阔的前景[7]。单核细胞模拟物对受损心肌表现出更高的靶向效率，从而有助于单核细胞模拟物上的独特的黏附分子互动。与MSCs-Exo生物功能一致，以改善小鼠心肌缺血再灌注损伤治疗过程中干细胞-EVs的归巢[32]，开发了源自氧化铁纳米颗粒的Exo模拟细胞外纳米囊泡，减少细胞凋亡和纤维化，增强血管生成和心脏功能恢复[33]。Exo主要成分微小RNA(miRNA)在心肌梗死后的凋亡、血管生成和纤维化中起作用[29]。最高度表达的miRNA是miR-21a-5p，被认为是通过下调促细胞死亡靶基因来保护心脏的。此外，鉴定了几种具有高Exo表达的心脏保护性miRNA。如MSCs-Exo中的miR-22-3p显示通过下调甲基CpG结合蛋白2来保护小鼠心肌，在缺血再灌注损伤后升高；
miR-451a已被证明在缺血预处理后增加，并通过下调Rac-1在心脏中发挥保护作用，从而减少氧化应激；
miR-126-3p具有血管生成性，从而支持心脏修复。有研究证实，通过下调miR-21的靶标具有心脏保护作用[34]。其他研究显示miRNA-133具有抗凋亡和抗纤维化作用；
miRNA-1具有特定的抗氧化作用；
miRNA-499具有抗凋亡特性。在另一项研究中，在心肌梗死模型中存在水平升高的miR-210、miR-132和miR-146a-3p，诱导持续的抗凋亡和促血管生成反应[35]。随着对Exo的深入研究，其有可能改善MSCs增殖分化、免疫调节、促血管生成及抗细胞凋亡等生物学功能，从而提高MSCs移植的存活率，增加归巢数量，最终达到修复心脏结构和功能的效果，促进MSCs在临床研究中的应用。
