文摘
与高死亡率、冠心病(CHD)目前已成为一个主要的威胁生命的疾病。心肌梗死(MI)的主要病理改变是在梗死心肌坏死区域的感应,最终导致心力衰竭。传统的治疗方法不能有效地再生功能细胞。最近的研究表明,间充质干细胞(msc)能够分化成多种谱系,包括cardiomyocyte-like细胞体外和体内,它们已经用于心肌梗死的治疗修复受伤的心肌,改善心脏功能。在本文中,我们将着重于心肌细胞中最近的进展msc对心肌梗死后心脏再生。
1。介绍
心血管疾病死亡的主要原因,是一个主要的全球公共卫生问题。在心血管疾病、冠心病(CHD)的主要疾病导致死亡的多数类型。目前,冠心病的治疗主要包括药物,经皮冠状动脉介入(PCI)和操作。在某种程度上,这些疗法可以改善心肌缺血、心衰症状。虽然手术操作再闭塞动脉通畅,损害心肌壁是不可逆转的。目前的药物和手术措施仅限于姑息性治疗作用。供体短缺的心和高成本是阻碍心脏移植的患病率。2001年,Orlic et al。1)移植自体骨髓间充质干细胞(bmsc)小鼠受损的心脏,发现大多这些干细胞分化成心肌细胞。这个重要的发现引导科学家和临床医生进行大量的研究干细胞移植治疗心肌梗死(MI)。在MSC研究领域已取得显著进展,如细胞培养条件和体外诱导分化技术2,3]。干细胞的分化心肌细胞为细胞提供一个有前途的角度治疗心脏疾病(4- - - - - -6]。
ESCs干细胞包括胚胎干细胞()和成人干细胞(对asc),通常自我更新和分化的两个主要功能。对asc可以分离不同的成人可以分化成各种组织和细胞类型(7]。作为一种对asc,间充质干细胞(msc)中描述的几乎所有的产后组织或器官,包括脐带血(8,9),胎盘(10- - - - - -12),和骨髓13),等等。msc代表一个罕见的祖人口多分化潜能(14- - - - - -19]。他们能够分化成几间叶细胞谱系,如软骨、肌肉,血管内皮细胞,外皮的细胞(20.,21]。自体移植的优点,避免了免疫排斥和伦理问题,msc在个性化治疗心血管疾病有很大的应用前景[22- - - - - -24]。
2。细胞分化的诱导方法在体外和体内
目前,主要的方法诱导bmsc包括生物化学诱导心肌细胞,心肌微环境诱导,基因改造(图1)。
2.1。生化物质
2.1.1。5-Azacytidine (5-Aza)
5-Aza,胞嘧啶核苷的化学模拟,通常称为脱甲基制药可以诱导msc分化为cardiomyocyte-like细胞激活一些休眠基因通过脱甲基作用[37]。1995年,Wakitani et al。25)首次报道了msc在体外的成功的隔离和文化。与5-Aza 24小时孵化后,他们可以观察myotube-like结构和心脏蛋白质表达7 - 10 d。这些结果表明,bmsc可以分化成cardiomyocyte-like细胞5-Aza补充,为bmsc分化成cardiomyocyte-like细胞奠定基础。1999年,牧野et al。26)和其他诱导永生化bmsc与5-Aza分化。他们观察myotube-like结构1周后,自发击败后2周,3周后同步收缩。差异化的bmsc不仅表示心脏的蛋白质,而且表现出生物和心肌细胞的电生理特征。福田康夫(38)发现5-Aza引起的心肌细胞有两种动作电位。一个来自窦节细胞,另一个可能来自心室细胞。Jaquet et al。39)第一次分离人类msc在体外(hMSCs)文化和孵化这些hMSCs 10μmol / L 5-Aza。表达的免疫细胞化学显示80% hMSCs平滑肌肌动蛋白在两周内,表明这些hMSCs可能分化成其他肌肉细胞。尽管5-aza是最常用的化学诱导物,分化效率很低,主要是由于5-aza的潜在毒性和脂肪沉积在细胞质中,诱导细胞死亡。所有的诱导物应用于表列出bmsc分化1。
2.1.2。骨形成Protein-2 (BMP-2)
作为一个多功能糖蛋白,BMP-2有助于调节多种细胞功能,包括细胞生长、分化、凋亡等[40]。多项研究表明,BMP-2表达式开始在早期胚胎发育41]。BMP-2起着基本的作用在心脏干细胞定向分化和胚胎心脏的发展通过调节某些心脏转录因子的表达42]。他棋智和Haijie27]发现BMP-2也可以诱导bmsc分化成cardiomyocyte-like细胞体外。最近的研究表明,角色的BMP-2基因表达的心原性的因素和心脏分化bmsc的由三个分子途径:Smads P38-MAPK, PI-3K / Akt (43- - - - - -45]。
2.1.3。血管紧张素ⅱ(Ang-II)
Ang-II能够刺激血管平滑肌细胞的增殖(46和成纤维细胞47]。通过调节MAPK信号(48)和肿瘤生长因子(TGF) [49- - - - - -51)和随之而来的通路,Ang-II可以诱导bmsc分化成cardiomyocyte-like细胞。邢et al。28)诱导bmsc与Ang-II体外分化。四周感应后,心肌细胞的细胞表现出形态特征与cTnI表达和电子显微镜下显示肌肉平衡结构。
2.1.4。DMSO溶液
DMSO证明诱导小鼠P19细胞分化成心肌细胞搏动(29日,52- - - - - -55]。DMSO中扮演着一个关键的角色在增加prodynorphin和dynorphin B的表达在转录水平。结果GATA4和Nkx2.5表达式,然后它新兵αmhc和ventricle-specific心肌肌凝蛋白光chain-2 (MLC-2v)形成功能复合56]。另一项研究还显示,DMSO溶液可以调解释放肌浆网的钙从细胞内的商店。海拔的钙浓度可能诱导细胞分化中发挥重要作用[57]。
2.1.5节讨论。传统的中药
传统中药能有效诱导干细胞分化成心肌细胞没有毒性或副作用58]。几项研究[30.,59,60]表明,msc补充由notoginsenoside体外可以分化成cardiomyocyte-like细胞。这些细胞的形态学特征和特征标记与心肌细胞是一致的。进一步的研究(61年)声称,糖皮质激素释放心肌组织可以诱导bmsc迁移和分化成内皮细胞。还有其他几种中药诱导骨髓间充质心肌细胞,也可以如丹酚酸B (31日淫羊藿(浓度),32),和套33,62年]。
2.2。心肌微环境
2.2.1。体内心肌微环境
来自于胚胎中胚层,msc具有多种分化潜能为中胚层组织如骨骼,软骨,在合适的条件下心肌。生田斗真和他的同事们(34)报道,移植hMSCs可以成功地分化成心肌和表达特定蛋白质在细胞移植到心肌左心室SCID小鼠。心肌cTnT特定蛋白质和磷蛋白质可以调节肌浆网Ca-ATP活动。
2.2.2。体外心肌微环境
(1)心肌细胞溶解介质(CLM)。元等。35]成功地发起了msc分化成cardiomyocyte-like细胞使用心脏特定细胞溶解产物,主要产生心肌细胞。曹et al。63年)诱导hMSCs分化成心脏细胞minipig的心肌细胞溶解产物。这些派生的心肌细胞表达cTnT Cx43、CD31。他们还与5-Aza hMSCs诱导分化,分化心肌细胞表达cTnT Cx43、但不是CD31。指出某种成分的CLM还可以促进骨髓间充质内皮细胞的分化为血管再生可能帮助创造基本条件。
(2)培养心肌细胞的上清液。多个证据表明bmsc培养在媒体上补充了心肌细胞培养上清液能分化成cardiomyocyte-like细胞(64年]。王等人。65年)发现,10%,20%,30%,40%,和50%的上层清液中使用的心肌细胞组诱导bmsc,没有形态变化。a-SMA的表达式,β肌动蛋白,临床显著高于在10%,20%,30%,40%,50%,比对照组心肌细胞组织的上层清液,和最重要的比例是30%。李等人。66年)发现,胰岛素样生长因子- 1 (igf - 1)的含量,血小板源生长因子(PDGF)和纤维母细胞生长因子(FGF)心肌细胞文化的上层清液显著高于bmsc文化。他们的研究结果表明,igf - 1、PDGF和FGF的上层清液诱导bmsc分化成心肌细胞可能有能力cardiomyocyte-like细胞和胰岛素样生长因子可能作为主要的细胞因子。
(3)Coculture与心肌细胞。后coculturing GFP标记大鼠msc与心肌细胞在不同比例为7天,他等。67年)成功地检测到心脏特定的蛋白质表达和动作电位。Rangappa [36)和其他人表示,与心肌细胞诱导msc cocultured效率明显高于单独培养。通过调查心肌细胞之间的连接结构的差距,Plotnikov和他的同事们声称直接收缩细胞在分化过程中非常重要的68年- - - - - -70年]。
2.3。基因改造
近年来,转基因技术已成为小说诱导策略可以交谈bmsc成心肌细胞在分子水平上。通过诱导一个或几个关键基因激活心脏基因网络,bmsc可获得心脏分化。几个关键转录因子包括Nkx2.5、GATA4 TBX5表示心脏早期发育和调节许多心脏结构蛋白的表达的发展不可替代的心(71年- - - - - -75年]。最近,贾玛利等人发现外生Nkx2.5基因表达可以诱导P19细胞分化成cardiomyocyte-like [76年]。此外,随着外源表达Nkx2.5, P19CL6可以分化成心肌细胞和更有效的早些时候提供DMSO (77年]。
3所示。识别成功的心脏从msc分化
bmsc可以通过诱导分化成心肌细胞的化学物质,细胞因子,模拟心肌微环境。显微镜下的分化细胞多边形或明星造型。超微结构和灯丝在细胞质中观察到透射显微镜和心脏细胞之间存在特定的细胞连接。
首先,我们可以检测心脏标记基因的表达Nkx 2.5和GATA-4 qPCR。组织转录因子GATA-4和同源蛋白质Nkx2.5是两个心脏前体细胞的早期标志,在心脏早期发育中发挥着重要的作用[78年]。
第二,我们可以测试心肌细胞特定蛋白包括肌动蛋白、cTnT,肌间线蛋白,Cx43免疫荧光技术。肌肉细胞的肌动蛋白是细胞骨架蛋白,这是表现在骨骼和心脏肌肉,扮演着一个重要的角色在维持肌纤维形态和信号传输的肌节[79年- - - - - -81年]。心脏临床(cTnT)只是表达心肌,因此作为一个特定的蛋白在心肌细胞的鉴定82年,83年]。肌间线蛋白中间丝蛋白在肌肉和476个氨基酸。它不仅连接相邻的肌原纤维,而且连接肌原纤维,细胞核,细胞骨架和细胞器。此外,肌间线蛋白在信号转导中扮演重要的角色(84年]。进一步的研究(85年)表明,肌间线蛋白参与细胞信号转导和基因表达调控与左心室重构密切相关。Cx43主要存在于心房和心室肌参与缝隙连接的形成。它组成三种特殊结构的闰盘中间连接和桥粒。缝隙连接形成电子和化学之间的耦合相邻的心肌细胞,通过细胞间形成的有序传播路径波电励磁负责功能合胞体(86年]。Cx43表达的msc诱导后表明,心肌细胞的形态学基础闰盘结构的形成。它提供了有节奏的收缩和舒张运动的物质基础。Cx43维护电活动和同步收缩和舒张功能的保持对心肌功能是非常重要的。
成人心肌细胞显示复杂的电生理特征。它已经表明,离子通道蛋白表达不同的分化。两种离子通道蛋白表达在早期阶段的持续钙电流(Ica-L)和瞬时外向钾电流(Ito),但在后期心肌细胞的分化表达所有的离子电流:电压依赖性钠电流(INa),延迟整流钾电流(Ik)内向整流钾电流(Ik1),毒蕈碱的受体激动剂内向整流钾电流(IKAch)和心脏起搏器电流(如果有)。
进一步的研究(2,87年- - - - - -90年)表明,动作电位由窦上动作电位、心房纤维动作电位,ventricular-like动作电位。这些细胞动作电位持续时间越长,平台期,小休息潜力,起搏器目前在舒张中晚期慢去极化。早期心肌细胞表达像起搏器细胞动作电位来源于两个离子电流(Ica-L Ik-to),而心肌细胞,如心房和心室肌细胞,表达三个行动potentials-a 75 mV休息潜力,最大动作电位,超调率(87年]。
4所示。MSCs-Based临床治疗心肌梗死
最重要的基本研究msc的目的是服务于临床治疗。msc,有能力分化成cardiomyocyte-like细胞,内皮细胞,平滑肌细胞,成为最受欢迎的细胞在心肌梗死治疗区域。cardiomyocyte-like细胞可以分化从msc在体外诱导的几个外部诱导因素。这些cardiomyocyte-like细胞可以移植到心肌梗死病人和心肌细胞直接接触提供了微环境的诱导msc成心肌细胞。因此,它可以帮助修复心脏肌肉的效果更好。
4.1。基于干细胞疗法的安全性和有效性评价
2001年,第一例自体干细胞移植对急性心肌梗死的临床试验是由Strauer博士从德国杜塞尔多夫医疗科学家是谁91年]。总共1×107自体干细胞移植到效果动脉导管在经皮冠状动脉血管成形术。10周后,结果表明:冠脉内自体干细胞移植对急性心肌梗死是安全的和可行的通过心肌单光子发射计算机断层扫描、超声心动图、核素脑室造影术。目前,也验证了干细胞移植治疗缺血性心脏病是安全的,通过临床试验初步有效REPAIR-AMI [92年],魔法Cell-3-DES [93年,提高94年],PROTECT-CAD [95年),等等。
4.2。合适的移植后心肌梗死
MI后,有几个因素生存不利的移植细胞等大量的炎性细胞浸润,主要从事微循环障碍ischemical再灌注损伤,。与此同时,一系列的细胞因子包括基质细胞衍生因子,血管内皮生长因子,和肝细胞生长因子是调节,有利于聚合,移植细胞的增殖和分化向梗死区。因此,当移植是一个重要的因素影响移植细胞的存活和疗效。如果移植还为时过早,大量的移植细胞会死亡由于不利的局部微环境。相反,如果太晚了,移植的效果是有限的,因为不可逆转心肌损伤,形成心室重塑。
有几个临床试验进行干细胞移植在不同的时间点。比较与移植心肌梗死后1小时,存活细胞的数量远低于1 - 2周后,和左心室功能的改善和减少疤痕面积也较低(96年]。移植在24小时内无法改善心脏收缩功能,但可以减少梗死面积(97年]。REPAIR-AMI的研究表明,综合治疗4天后MI不是有益的,而是可以改善心脏收缩功能在梗死后4 - 8天。
2009年,MYSTAR试验首次采用注入自体跨国公司通过冠状动脉和心肌治疗心肌梗死病人。这些患者LVEF的不到45%。移植疗效之间的差异来衡量LVEF的早期阶段目标(3 - 6周)和晚期(3 - 4个月)。
4.3。心肌梗死后移植细胞的剂量
剂量的干细胞用于治疗心肌梗死不同调查之间差别巨大。2002年,Ghostine et al。98年)注射5×104细胞心肌内的输送系统。福岛等。99年)注射5×106GFP-expressing骨骼成肌细胞内逆行或心肌内的路线。作为一个紧急的问题,研究者们正在投球努力探索最佳的移植细胞的剂量。
4.4。移植细胞的传递路线
4.1.1。内(IC)动脉注入
msc注入受伤的网站是由经皮动脉注入冠状动脉。这种方法保证了高剂量的移植msc梗死及其周边地区在第一次One hundred.]。在民国的研究中,这种“自导”细胞心肌细胞的迁移现象只存在于冠脉内注射而非静脉注射。该方法是一种常见的临床实践方法(101年),但也有安全问题。在冠状动脉阻塞患者,msc需要注入冠状静脉逆行(RCV)输送系统。Vicario et al。102年)和Yokoyama et al。103年在这个地区)还提供相关数据。
10/24/11。手术心肌内的(IM)注入
目前,大多数研究建议通过心外膜穿刺移植干细胞在心内直视手术像搭桥术104年- - - - - -106年]或胸腔镜。心肌内的注入已经最准确、最直接的方法注射心脏干细胞心肌梗死区。针对局部心肌的优势,该方法避免了许多复杂的问题,如移植细胞的归航。IM注射的最大的缺点是侵入性检查,注射部位是可能导致心律失常和系统性栓塞(107年]。
4.4.3。注入静脉注射(IV)
没有心脏外科手术和导管,静脉注射的干细胞是一个简单的和最小侵入性交付路线。急性心肌梗死的实验模型,心脏功能明显改善内皮祖细胞的外周静脉注射或伴108年),但很多移植细胞留在外面的心肌109年]。这限制了临床应用。
4.4.4。组织工程技术
组织工程技术是一种新型的战略来提高细胞移植的疗效。msc培养等生物材料的水凝胶,3 d支架与更好的细胞间粘附形成单层细胞。这使得直接组织移植和最大限度地减少损失的细胞(110年]。道表幸存在缺血性心肌和增长厚层包括一些新成立的血管和心肌细胞(111年]。技术创造了一个优秀的环境适合msc生存、增殖和分化。
4.5。评估各种细胞的交付方法
为了检测bmsc的细胞生存能力和修复效果通过不同的路线,跟踪技术和应用心脏超声。侯et al。112年)通过放射性标签追踪细胞对细胞移植的疗效进行评估。他们报道11(手术注射),2.6(冠状动脉)和3.2%(冠状静脉)被保留,分别。李等人。113年)双标记的干细胞HSVttk报告基因和氧化铁粒子的PET成像细胞生存能力和细胞的成像先生的位置。他们应用心脏超声和心电图来验证它的治疗潜力MI。改善心室功能通过射血分数和中风体积测量。增加先进技术基于干细胞疗法,疗效的评价msc移植会更完美的和强大的。
5。结论
总之,诱导bmsc分化成cardiomyocyte-like细胞的方法包括生物化学药物诱导体外,如5-aza BMP-2 AngII, DMSO和各种草药。化学诱导物已知可能的毒性。即使在最好的浓度和最佳诱导时间,化学诱导物可能导致细胞死亡。由于其毒性和不良的影响,化学诱导物不能被用于临床翻译。此外,心肌微环境可能影响bmsc分化。因此,创造文化更真实的模拟心脏的环境条件,是一个好主意,如心肌细胞溶解产物,心肌细胞的培养基。因此,差异化方法与心肌微环境会更准。一项研究[114年)表明,心肌细胞的诱导培养基的速度不如CLM。有证据表明,一些可溶性物质导致诱导bmsc分化可能发布的心肌细胞。然而,这些物质不会被释放,直到心肌细胞破碎(114年,115年]。因为msc与心肌细胞通过旁分泌和自分泌与心肌细胞直接coculturing之后,有电活动等物理刺激和机械牵引msc和心肌细胞之间68年- - - - - -70年]。因此,在各种感应方法,CLM和直接coculturing与心肌细胞可能更可行。这将是预期的应用CLM和coculturing都将进一步提高msc分化为心肌细胞。
人类骨髓间充质干细胞具有广泛的应用前景,因为它可以获得自体和没有免疫排斥。此外,它很容易文化在体外可以诱导分化成心肌细胞通过多种方式。然而,仍然有一些问题需要解决。的具体途径和监管机制hMSCs分化成cardiomyocyte-like细胞仍不清楚。需要更多的研究来确定最优注入剂量、时间与不同的诱导方法。满足临床使用,它需要改善条件的诱导和分化效率进一步提高。然而,基于干细胞治疗的临床翻译是一个更复杂的过程,及其功效需要全面调查在一个更大的样本量和评估大量临床实验。
因此,我们需要在干细胞研究的调查是最好的/安全的细胞类型和临床治疗心肌梗死后改进。令人信服的研究需要更多的考虑,周密的计划,严格的实验。这是确信的深化研究和技术的提高,bmsc移植治疗心肌梗死的应用前景将是非常光明的。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
汉沈和王应了同样的工作。
确认
这项工作是支持的江苏省的主要医疗中心(没有。BL2014051)和中国国家自然科学基金(81402090和81402090号)。