骨髓基质干细胞自体移植治疗心肌梗死的研究进展
国际内科学杂志2007年1月第34卷第1期 -21・ 骨髓基质干细胞自体移植治疗心肌梗死的研究进展 魏玲 综述; 王建安 审校 摘要:骨髓基质干细胞(MSC)具有良好的分化潜能,能分化为心肌细胞和血管内皮细胞,从而再生心 肌和血管,重塑心肌结构,改善心肌收缩功能和室壁顺应性,促进血管再生,建立有效冠脉侧枝循环,提 高心脏整体功能,既改善了血供又解决心肌细胞数量减少这一心力衰竭的根本原因;而自体移植不受 来源限制,取材方便、创伤小,更新率低而代谢活力高,由其分化来的心肌细胞能与周围受体肌肉细胞 进行有效的电机械偶合,容易通过转基因技术获得目标基因并在体内外长期表达,也不存在免疫排斥 和基因突变等安全性问题,因此作为心肌梗死(MI)疾病治疗的新途径有着广阔的前景。现就近年来国 内外MSC自体移植在治疗MI方面的研究进展作一综述。 关键词:骨髓基质干细胞; 自体移植;心肌梗死 中图分类号:R542.22文献标识码:A文章编号:1004-2369(2007)叭-0021-04 The development of autologous mesenchymal stem cell transplantation in the treatment of myocardial infarction WEI Ling 。WANG Jian all .1.Department of Cardiology。Sir Run Run Shaw Hospital,College of medicine。Zhejiang University,Hangzhou 310016;2.Department of Cardiology,the Second Afifliated Hospi, tl,Colalege of medicine,Zhejiang Univesirty,Hangzhou 3 1003 1 China Abstract:The mesenchymal stem cell(MSC)has a powerful diferentiation potential to diferentiate into car- diomyocytes and vascular endothelial cells.This makes it possible for the myocardial and blood vessels to re— generate。myocardial structural to remodel,the myocardial contractile function and ventricular compliance to be,improved.Moreover。angiogenesis is promoted-effective coronary collateral circulation is established to improve the cardiac function。the blood supplement is increased and the decreasing of the cardiomyocytes Bum- ber is stopped which is the ultimate reason leading to heart failure.The source of autologous transplantation is unlimited。getting materials is easy,the trauma is small,the metabolic activity is high and the rate of renewal is low.The cardiomyocytes differentiated from the MSC have an effective electro-mechanical coupling with the peripheral receptor cells.Together with transgenic technology MSC makes the target gene express easily in vivo and in vito rofr a long time.There are no immune erjection,gene mutation or other safety problems after MSC transplantation. So it is a new way to treat myocardial infarction with autologous MSC transplntaation and it has bright prospects.In this review,the development of autologous MSC transplantation in the treatment of myocar- dil infaarction iS summarized. Key words:Mesenchymal stem cell;Autologous transplantation;Myocardial infarction (Int J Intern Med。2007,34:21—24) 1生物学性状 骨髓基质干细胞(Mesenchymal stem cell,MSC) 细胞、肌腱细胞和脂肪细胞等的报道 。 hMSC在骨髓中的丰度不高,不到0.05%,因此 体外分离培养并大量扩增hMSC就显得十分重要。 分离及培养方法对hMSC的纯度影响较大,而且培 养血清的浓度、接种细胞的密度、培养的温度、培养 具有自我更新,分化增殖和多向分化潜能的特点,能 在体内、外被诱导分化形成骨、软骨、脂肪、神经胶质 等细胞…,此外还能分化形成血液、皮肤、肝实质细 胞、胰腺细胞以及视网膜细胞等不同类型的细胞。 目前已有将人类骨髓基质干细胞(Human mesenchy- mal stem cell,hMSC)定向诱导分化为成骨细胞、骨 基的pH值等,也可以对体外培养hMSC的增殖和分 化特性产生很大的影响。研究表明hMSC较一般的 正常成年人体细胞具有更强的增生分化潜能,而且 收稿日期:2006-06-30;修回日期:2006-09—15 作者单位:1.浙江大学医学院附属邵逸夫医院心内科,杭州310016;2.浙江大学医学院附属第二医院心内科,杭州310031 维普资讯 http://www.cqvip.com
・22・ 不同年龄的hMSC体外增殖分化特点有很大差异, 年龄越小传代时间越短所收获的细胞数越多。体外 培养时hMSC细胞周期中有90%处于GO/G1期,生 长曲线呈s形,且倍增时间短,符合正常细胞的生长 特性;MTT法所描绘的生长曲线表明,hMSC经过一 段潜伏期.对数生长期一平台期后,随着细胞数量的 改变,细胞的活性开始下降,可能是细胞发生了接触 抑制的原因。 2表面标志 MSC表达多种表面标记物,包括细胞外基质成 分、细胞因子和生长因子及其受体,但尚未发现 MSC的特异性表面标志物。MSC属于非造血类细 胞,不会表达造血系统细胞的标志抗原如CD34、 CD38、CD45、CD11a和CD14等,但可以表达I型胶 原、Ⅳ型胶原、层黏连蛋白,还可以分泌一些细胞因 子如:IL.1、IL 、M.CSF、GM-CSF和SCF。 实际研究表明,MSC的表面标志由于细胞分 离、培养方法和培养时间等的不同而有差异。Pit— tenger等 用流式细胞仪发现MSC的阳性标志是 SH2 SH3 CD29 CD44 CD71 CD90 CDl06 CD120a、CD124和CD166等,阴性表面标志是 CD45、CD34、CD11a和CDI4等造血细胞标志。也 有报道采用带3 m孑L培养板的装置培养分离得 hMSC,然后培养至第二代末时发现其阳性表面标志 为CD44、CD90(THY一1)、CD105、CD29、CDS1,阴性 表面标志是CD34、CD133、CD7、CD45等;大鼠MSC 的阳性标志是CD90(THY一1),阴性标志为一些造血 细胞表面标志如CD14、CIM3、CIM5和CD31等。大 量研究表明hMSC的表面标志并非单一性,它不表 达内皮细胞和表皮细胞的表面标志,整合素家族成 员CD29、黏附分子CD44、CD166及CD105等是hM— Sc的标志物,尤其是CD105和CD166已被作为 hMSC的特征标志。值得一提的是,Stro一1对hMSC 纯化有较高的特异性。 3实验研究 大量文献报道,使用5一氮胞苷诱导分化小鼠 MSC,2周后就可以产生能自发收缩的心肌样细胞, 而且MSC也可以在体内受心脏环境影响而分化为 心肌细胞和(或)新生血管。 Grinnemo等 发现去胸腺SD大鼠植入hMSC 不会诱导异物排斥反应,植入细胞显示持久的活力, 而在有胸腺大鼠梗死心肌的MSC注入区域有明显 的巨噬细胞浸润,提示MSC移植仍然受种属屏障的 制约。Wang等 认为MSC为环境依赖定向分化细 国际内科学杂志2007年1月第34卷笫 塑 胞,当它们被移植人心肌组织后,周围的心肌微环境 可提供特定分化所需的成心肌生长因子以及其它的 分化所需因子,促使MSC在心肌微环境中分化成为 心肌样细胞。Tomita等 采用鼠冻伤心肌模型进行 自体MSC移植,以BrdU作标记,移植后5周在移植 区域组织切片中检测到BrdU染色阳性细胞且其肌 钙蛋白T染色阳性,证实自体移植的5-氮胞苷诱导 的MSC转化为心肌样细胞,并改善了梗死心肌的功 能;2002年他们 还观察了自体MSC移植对大动 物的心肌再生作用,结果提示移植细胞可形成岛样 心肌细胞,促进血管新生,防止左室重塑,提高局部 及全心的收缩功能。Orlic等 利用MSC的归巢特 点制造心肌梗死(MI)模型,并注射集落刺激因子 (CSF)和粒细胞集落刺激因子(G-CSF)促使骨髓 Lin—c—kit阳性细胞增生,增加循环的Lin kit细胞 数量,结果发现心梗面积缩小了,40%心腔扩大程度 降低26%,左室舒张末压降低70%,射血分数增加, 血液动力学改善,死亡率减少。Buziashvili等 研 究了10例(AMI)接受自体MSC移植的男性患者, 平均年龄是(56.3±5.2)岁,梗死部位其中4例是 左冠状动脉前降支,3例是左冠状动脉回旋支,3例 是右冠状动脉。在心内介入术后5—7 d在梗死区 打人MSC,所有患者在MSC移植后1个月复查。结 果显示:左室射血分数明显提高,MI面积显著缩小, 舒张期流速明显增加,心超提示MSC移植组心肌灌 注增加。该研究表明,自体MSC移植治疗AMI是 安全可行的,而且介入治疗联合自体MSC移植较单 纯介入治疗更能改善心功能,增加心肌灌注。 Tang等 采用结扎左前降支的方法制作大鼠 MI模型,1周后将体外扩增的自体MSC用DAPI标 记后多点注射至心肌梗死区及其周围,结果表明,在 移植区域组织切片中能检测出DAPI标记的植入细 胞,移植后第1,2及4周,MI区移植细胞逐渐分化 成心肌细胞和平滑肌肌动蛋白,免疫荧光表明MSC 呈CTnT表达阳性,说明一小部分MSC分化成了心 肌细胞;半定量分析表明MSC移植组毛细胞血管密 度明显增加。而且4周后血液动力学表明MSC移 植组心功能明显改善,半定量组织形态学检查表明 MI区域面积显著减小,左室壁厚度较对照组为厚, 左室心腔扩张指数较低;超声心动图、心导管检查也 均证实了MI后MSC移植能改善心功能。该研究说 明了MSC移植能够通过血管再生和心肌重建改善 心脏结构和功能。此外,国内还有小型猪MSC自体 移植治疗AMI获得成功的报道,并且与Toma等¨ 维普资讯 http://www.cqvip.com
国际内科学杂志2oo7年1月第34卷第1期 ・23・ 的实验结果一致,从而也表明MSC自体移植可治疗 AMI并促进其恢复。以上实验说明未定型的MSC 具有环境依赖性分化的能力,MSC移植入损伤心肌 也有联合应用细胞移植和激光心肌打孔术的报道, 该方法治疗大鼠AMI取得了良好疗效,具有存活细 胞数多、增加心肌血供的优点,并可能成为治疗AMI 后,受特定微环境的信号分子作用,引起基因表达, 的有效方法。总之,联合移植较单用某一种方法可 以取得更显著的治疗效果,有广阔的研究和应用前 景。 5移植时机 决定分化方向,并与宿主心肌组织进行整合,参与心 肌及其血管的再生和修复。 4移植途径 4.1心肌内直接注射 Li等¨ 的实验提示在MI后第7天,血浆血管 内皮细胞生长因子水平达到高峰,梗死区域毛细血 目前绝大多数动物研究都采用此方式,但创伤 大,并发症多,比较复杂,并非一种理想的方法。 4.2外周血管内注射 Kocher等… 通过结扎左冠状动脉前降支制成 裸大鼠MI模型,然后利用干细胞归巢的特性经尾 静脉输注MSC至裸大鼠体内。2周后,发现梗死区 微血管数、细胞数以及Ⅷ因子阳性的血管于细胞数 均明显增加,基质沉积和纤维化明显减少。缺点在 于MSC须循环多次才能至lJ达病变相关的血管,在此 过程中,于细胞可在其它组织归巢,使到达坏死心肌 的细胞明显减少。 4.3冠状动脉内注射 冠状动脉内注射使所有的细胞都能在梗死区以 及梗死周围区组织经过,而使病变部位最大限度地 接触移植细胞,实现全层均匀高度选择性的移植,同 时又免去了开胸手术所带来的风险,理论上是用细 胞移植治疗MI后心力衰竭的最佳途径。但也有人 认为经冠状动脉灌注的方法有形成MI及在冠状动 脉内形成栓子的可能。 4.4经心内膜注射 通过注射导管经心内膜进行注射的方法直观、 准确,近期的安全性也已得到证实,但操作时需十分 小心以免注射到易致心律失常的区域,且该方法远 期的安全性尚有待证实。 4.5经心外膜心肌内注射 在小型动物实验及冠状动脉搭桥(CABG)联合 细胞移植时常采用直视下梗死区心肌内注射MSC, 该方法具有定位准确的优点,但创伤性大,应用于临 床往往不易为患者接受。 4.6 自我移植 即应用集落刺激因子或促血管生成因子促进 MSC动员等,操作相对简单、安全。 4.7联合移植 即多种方法的联合使用。可以是以上方法的联 合使用,如自我移植与冠状动脉内注射联合,可有效 增加局部MSC的数量,达到更好的移植效果。另外 管增多,并且有缺乏周细胞的“母血管”及内皮桥形 成,这时进行细胞移植则移植细胞较易到达破坏最 严重的区域;而28 d后,肌性血管就已形成,这时移 植细胞要经内皮细胞迁移就比较困难了。因此认 为,MI后7~14 d可能是最佳的时机。Ren等¨ 对 AMI病理变化的研究中发现,对于经外周循环或冠 脉途径,MI后7—28 d移植有利于细胞从循环中进 人心肌损伤区域。在一项观察不同移植时机对于大 鼠胎心细胞移植治疗心肌冷冻损伤疗效的研究中发 现,在MI后即刻,2周和4周进行细胞移植,2周时 进行移植获得最佳效果。 曹丰等 在移植时机对MSC修复梗死心肌的 影响研究中发现,MI后1 h内心肌内尚无炎症细胞 浸润,1周时梗死相关的炎症反应较强,网状内皮吞 噬系统功能活跃,大量中性粒细胞浸润,心肌左室游 离壁出现心肌纤维排列紊乱,2周时炎症反应减弱, 心肌纤维断裂,胶原组织增生伴有新生血管形成,4 —8周时左室游离壁心肌组织被大量胶原纤维组织 取代,心肌细胞核溶解,存活的少量心肌组织被分隔 呈岛状,散在分布,瘢痕组织完全形成并出现左室腔 扩大、室壁变薄,心室腔球形改变等左室重塑特征, 因此他们认为2—4周为最佳移植时机。 6治疗机制 自体MSC能够治疗MI,就在于它实现了心肌 重建和血管重建¨引:①移植细胞的环境依赖性分化 使其分化为具有心肌特性的细胞,与宿主细胞同步 收缩从而改善心功能;②限制梗死区瘢痕扩张,改善 MI后左室重构;③移植细胞在梗死区分化为新生血 管,即外源性血管新生;④移植细胞的细胞因子分泌 作用,通过分泌血管内皮生长因子(VEGF)、白细胞 介素(IL)一lB等细胞因子促进血管再生,即内源性 血管新生。新生血管可以抑止细胞凋亡,而MI区 MSC移植后细胞凋亡的减轻有助于防止心力衰竭, 促进心功能的恢复。 7问题及展望 维普资讯 http://www.cqvip.com
・24・ 目前,尽管MSC在治疗心血管疾病方面的临床 应用已有个案报道,但这方面的研究工作在国内外 均属起步和探索阶段,所以仍有许多亟待解决的问 题:①Msc的提取、纯化方式仍无统一标准;②动物 研究中输注细胞途径的多样性,何者最为安全有效; ③进行MSC移植的准确时机还有待于进一步探索; ④目前使用的试验模型与MI的病理联系存在一定 差异;⑤MSC增殖、分化的触发因素,启动、参与和 促进诱导分化的相关因子,细胞间的信号传递及电 机械联系和舒缩功能等的基因调控机制还不清楚; ⑥移植细胞在缺血区和瘢痕区的繁殖情况是直接作 用于受体心脏还是刺激未损害心肌组织起作用的仍 未明了;⑦移植细胞在植入心肌后的远期效果尚未 得到有效评估,移植细胞与宿主细胞之间能否建立 有效的心电偶联,是否会形成肿瘤细胞或成为导致 新的心律失常的物质等。 但是,我们也要看到MSC已经成为国内外研究 的热点,相信随着研究的不断深入,上述问题会得到 一定的解决。目前,MSC已经成为人类战胜MI的 一道曙光,它的应用前景必将越来越广阔。 参考文献: 1 Pittenger MF,Martin 13J.Mesenchymal stem cells and their potential as cardiac therapeutics.Circ Res,2004,95(1):9・ 20. 2 Muraki K,Hirose M,Kotobuki N,et a1.Technical report: assessment of viability and osteogenic ability of human me¥一 enchymal stem cells after being stored in suspension for clin・ ieal transplantation.Tissue Eng,2006,12(6):1711・1719. 3 Grinnemo KH,Mansson A,Dellgren G,et a1.Xenoreactivi・ ty and engraftment of human mesenchymal stem cells trans・ planted into infarcted rat my ̄ardium.J Thorae Cardiovasc Surg,2004,127(5):1293—1300. 4 Wang JS,Shum・Tim D,Galipeau J,et a1.Marrow stromal cells for cellular cardiomyoplasty:feasibility and potentila clinical advantages.J Thorac Cardiovasc Surg,2000,120 (5):999・1005. 5 Tomita S,Li PK,Weisel RD,et a1.Autologous transplanta- tion of bone marrow cells improves damaged heart function. 国际内科学杂志2007年1月第34卷第l期 Criculation,1999,100(19 Supp1):1I247-1I256. 6 Tomita S,Mickle DA,Weisel RD,et a1.Improved heart function with myogenesis and angiogenesis after autologous porcine bone malTOW stromal cell transplantation.J Thorac Cardiovasc Surg,2002,123(6):1132. 7 Orlic D,Kajstur J,Chimenti S,et a1.Mobilized bone mar- row cells repair the infracted heart,improving function and surviva1.Proc Nat Acad Sci U S A,2001,98(18):103・ 144. 8 Buziashvili IuI,Matskeplishvili ST,Alekian BG,et a1.A・ cute coronary syndrome and cell technologies.Vestn Ross Akad Med Nauk,2005,(4):65-70. 、9 Tang J,Xie Q,Pan G,et a1.Mesenchymal stem cells par- ticipate in angiogenesis and improve heart function in rat model of myocardial ishemia with reperfusion.Eur J Cardio・ thorac Surg,2006,30(2):353-361. 10 Toma C,Pittenger MF,Cahill BS,et a1.Human mesenchy・ mal stem cells diferentiate to a cardiomyocyte phenotype in the adult murine heart.Circulation,2002,105(1):93・98. 1 1 Kocher AA,Schuster MD,Szabolcs MJ,et a1.Neovascu・ lafization of ischemic myocardium by human bone marrow・ derived angioblasts prevents cardiomyoeyte apoptosis,re- duces remodeling and improves cardiac function.Nat Med, 2001,7(4):430-436. 12 Li RK,Mickle DA,Weisel RD,et a1.Optimal time for cardiomyocyte transplantation to maximize myocardial rune・ tion after left ventricular injury.Ann Thorac Surg,2001,72 (6):1957.1963. 13 Ren G,Michael LH,Entman MI,et a1.Morphological characteristics of the microvasculature in healing myocardial infarcts.J Histochem Cytochem,2002,50(1):71-79. 14曹丰,牛丽丽,贾国良,等.移植时机对骨髓间充质干 细胞修复梗死心肌的影响.第四军医大学学报,2005, 26(1):22.27. 15 Katritsis DG,Sotiropoulou PA,Karvouni E,et a1. Transcoronary transplantation of autologous mesenehymal stem cells and endothelila progenitor into infarcted human myocardium.Cathet Cardiovasc Intervent.2005,65(3): 321.329. (编辑:林影)
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