提高细胞移植心脏干细胞疗法

文摘

心肌梗死(MI)在全世界影响数以百万计的人。MI造成巨大的心脏细胞死亡和心脏功能降低。然而,心脏组织本身不能有效再生。尽管干细胞疗法已被认为是一个有效的方法再生,心脏干细胞疗法的疗效仍然很低由于劣质细胞移植在梗塞的地区。这主要是由于低细胞保留在组织和细胞生存缺血性,免疫排斥反应和炎症条件。已有多种方法被探索提高细胞移植:增加细胞保留使用生物材料作为细胞载体;增加预处理细胞,细胞在缺血条件下生存的基因修饰的细胞,和控制释放生长因子和氧气;和增强细胞生存的保护细胞免受过度的炎症和免疫监视。在本文中,我们审查当前进展,优点,缺点,这些方法和可能的解决方案。

1。介绍

心脏病的发病率和死亡率高(1]。心肌梗死(MI)是一个主要的心脏病导致巨大的心脏细胞死亡和心脏功能的部分损失。梗塞的心脏组织不能有效再生本身因为成人心肌细胞无法扩散,和心脏干细胞自发生成只有数量有限的心肌细胞(2]。心脏功能因此不能恢复。心肌梗死后左心室壁逐渐变得更薄,心脏功能逐渐降低。这个不良重塑过程会导致心脏衰竭(3]。心脏移植是终末期心力衰竭患者的唯一解决方案,但是捐赠者可供移植的数量是非常有限的,和收件人需要长期免疫抑制剂预防器官排斥。干细胞疗法是另一种策略。它的目标是重新生成心脏梗塞的组织和/或改善心脏功能。

2。为心脏干细胞疗法

多种细胞类型已经在动物模型和临床试验测试心脏治疗。一些干细胞类型能够分化成心肌细胞再生心脏组织,导致心脏功能的恢复。这些细胞包括心脏干细胞(4- - - - - -8心血管祖细胞和多能干细胞(9,10]。一些干细胞类型不能分化成心肌细胞的功能,但提供旁分泌作用,增强居民的生存心脏细胞,血管形成梗塞的心脏组织,调节免疫反应,招募内源性干细胞,促进有益的改造(11- - - - - -17),导致整体改善心脏功能。这些干细胞包括骨骨髓来源干细胞(18- - - - - -23),脂肪干细胞(24- - - - - -27(cdc) [], cardiosphere-derived细胞28- - - - - -35]。

在大多数当前的动物实验和临床试验,干细胞直接注入梗塞的心脏。但是大约90%的细胞是输给了循环,泄露或挤出的注射部位36]。对于那些细胞保留在梗塞的组织,它们中的大多数都死了在最初几周内(37]。总的来说,当前干细胞的细胞移植治疗低,及其治疗效果是有限的。

3所示。在梗塞的心中低细胞移植的主要原因

正如上面所讨论的,低细胞移植的主要原因是劣质梗塞的心脏组织细胞保留和生存。常用的盐溶液粘度很低,不能有效的细胞组织。移植细胞死亡主要是由于细胞对宿主组织不足,严重的缺血,过度的炎症。女性是一种程序性细胞死亡贫穷或贴壁细胞诱导的细胞和细胞外基质(ECM)之间的弱相互作用(38]。在正常心脏组织,贴壁细胞高度强烈周围的基质。然而在梗塞的组织,ECM不允许强大的细胞附件(39]。此外,盐水用于细胞移植不为细胞提供一个矩阵附件。这些事件导致女性(40]。

另一个因素是组织的氧张力。心肌梗死后,极低的氧气和养分缺血性梗塞的地区存在的环境。虽然缺氧保护干细胞被认为是必要属性(41),环境严酷的缺血性激活细胞死亡通路,导致死亡的移植细胞(42]。

心肌梗死后,急性炎症就会招聘的炎症细胞(中性粒细胞和单核细胞)梗塞的心脏组织。这些招募炎症细胞从事生产各种炎性细胞因子和趋化因子招募更多的炎症细胞,分泌各种蛋白水解酶和活性氧(ROS),和吞噬作用去除死细胞和组织碎片43- - - - - -45]。ROS和促炎细胞因子,如肿瘤坏死因子-α(肿瘤坏死因子-α),可以妥协移植细胞的生存。

4所示。方法以提高干细胞移植

增加细胞移植在梗塞的心中,改善细胞保留和生存是必要的。前者可能通过使用粘性,可注射水凝胶作为细胞载体由于低粘度盐水不能有效保持细胞组织。可注射水凝胶可以交在梗塞的心通过微创注射方法(图1)[49]。种子细胞支架和修补到心脏也会增加细胞保留(图1)。可注射水凝胶和支架都可以增加细胞的生存。它们为细胞提供一个环境附件,它是细胞生存所必需的。他们还可以被修改以促进干细胞生存在缺血性和炎症条件下(50]。此外,水凝胶和支架提供机械支持梗塞组织改善心脏功能。

解决细胞在缺血条件下生存的问题,方法包括缺血性预曝光的细胞,细胞遗传调制和交付的生长因子和氧细胞已经被使用。促进细胞在炎症条件下生存,生物材料已被修改,以防止免疫蛋白和促炎细胞因子渗透攻击内部封装的干细胞。

4.1。使用生物材料和细胞粘附分子干细胞交付

生物材料用于干细胞移植应该是可生物降解和生物相容性51]。具体地说,他们应该有一个控制的生物降解速率,理想情况下的同时,新的组织再生的速度52]。降解产物应该是无毒的。理想的生物材料应该模仿心脏组织的机械性能,例如,刚度。这样可以减少壁压力升高改善心脏功能(53]。天然和合成聚合物用于干细胞移植。天然高分子生物衍生材料。他们中的一些人,如纤维蛋白(49,54),海藻酸(55- - - - - -57),胶原蛋白(58,59),人工基底膜(60),透明质酸(61年)和壳聚糖(62年),被用来提供干细胞梗塞的心。

通过化学法合成聚合物生成追求理想的属性和功能。属性可以控制的构造和化学成分。的能力赋予合成聚合物官能团和可调属性是使用这些聚合物进行干细胞移植的优势(63年]。常用的合成聚合物包括聚酯,如polyglycolide (PGA),聚乳酸(PLA)、聚(lactide-co-glycolide) (PLGA),聚已酸内酯(PCL)及其共聚物(64年]。这些聚合物中经常使用支架的形式。PLGA支架装载bFGF被用来促进心脏血管生成(65年]。多孔PCL支架被用来提供内皮祖细胞到心脏组织,促进血管化(66年]。

一些合成聚合物可以用于水凝胶的形式。例如,李等人作生成基于N-isopropylacrylamide (NIPAAm)、丙烯酸(AAc) dimethyl-gamma-butyrolactone丙烯酸酯(DBA), 2-hydroxyethyl methacrylate-poly(碳酸环丙烷)(HEMAPTMC) [46]。水凝胶是注射在室温和巩固在体温在10秒。他们可以因此迅速巩固有效保持细胞组织。有趣的是,间充质干细胞(msc)能(图内增殖2)。其他合成水凝胶为心脏修复开发包括聚(环氧乙烷)-b-poly(氧化丙烯)-b-poly(环氧乙烷)(PEO-PPO-PEO) [67年),聚(D-lysine) (PDL) [68年],MPEG-PCL-MPEG [69年,70年]。

生物材料与细胞粘附分子来改善细胞可以修改附件,从而减少anoikis-induced干细胞移植期间死亡(71年]。细胞粘附分子常常混合或结合生物材料。卡鲁比等人研究了MSC生存在琼脂糖和没有添加纤连蛋白和纤维蛋白原(72年]。结果表明,细胞存活率显著增加后增加纤连蛋白和纤维蛋白原。同样,纤维蛋白胶显著提高细胞生存在梗塞的心54]。库克等人研究了细胞粘附在表面改性与几个细胞粘附分子,胶原蛋白,胶原蛋白,细胞纤连蛋白、层粘连蛋白,发现附件增加(71年]。肽YIGSR / IKVAV和RGD源自纤连蛋白和层粘连蛋白,分别也被用来修改生物材料来改善细胞亲和力(73年]。

4.2。预曝光增强干细胞的细胞生存

预曝光cytoprotection干细胞与缺血或细胞因子的另一种策略来减轻细胞死亡。它能增强细胞耐受严酷的缺血性条件。聪聪等人表明,干细胞循环接触缺血改善缺血性心肌细胞存活率(74年]。Maulik等人进一步表明缺血性预曝光允许细胞适应缺血,因此衰减细胞死亡在缺血(75年]。格伦德等人发现ischemically preexposed细胞降低了耗氧量(76年]。此外,缺血性预曝光增强细胞分泌的生长因子(77年,78年]。

细胞因子预曝光也可以提高细胞存活率(79年- - - - - -81年]。msc使用SDF-1α发布凋亡和血管生成细胞因子,提高细胞生存和扩大组织血管生成(79年]。预曝光的内皮祖细胞VEGF和bFGF增强细胞旁分泌作用,导致增强细胞生存,血管生成,减少梗塞大小和左心室重构(80年,81年]。细胞用igf - 1显示cytoprotection预处理效果在体外和在活的有机体内(82年,83年]。PI3K / Akt和MAPK / Erk1/2通路负责prosurvival效果。

4.3。释放生长因子,提高细胞存活率

高水平的短期和长期细胞生存对于心脏干细胞疗法是必要的。这些可能是通过使用生长因子。Prosurvival生长因子允许短期细胞生存,而血管生成生长因子刺激血管生成细胞长期存活(84年- - - - - -86年]。igf - 1和HGF是两个常用的prosurvival生长因子。FGF [87年],PDGF [88年),VEGF (89年)血管生成生长因子用来促进血管生成在不同的组织。bFGF也增强了细胞在缺血条件下生存47]。此外,可以使用特定生长因子prosurvival和血管生成生长因子促进干细胞分化为功能性细胞如心肌细胞(90年- - - - - -92年]。

然而,关心使用生长因子在干细胞移植是大多数人有一个相对较短的半衰期(93年,94年]。基因修饰的干细胞,促进细胞分泌prosurvival proangiogenic生长因子和持续释放生长因子使用生物材料是常用的方法来解决这个问题。

干细胞与编码基因转染血管生成生长因子VEGF和FGF,凋亡Akt、血红素oxygenase-1等因素,能够分泌自分泌和旁分泌生长因子(95年,96年]。这些细胞移植到梗塞的心之后,细胞生存,血管生成,心脏功能改善(97年- - - - - -99年]。松本龙等人转染VEGF基因msc,修改后的细胞注入MI老鼠的心脏(One hundred.]。高表达VEGF的检测。这不仅减少细胞死亡和毛细血管密度增加,但也减少梗塞大小。

生长因子通常封装在生物材料对控释101年- - - - - -103年]。李等人开发了一个bFGF释放系统基于thermoresponsive和降解水凝胶47]。bFGF可以逐步释放水凝胶超过2周。bFGF释放系统显著增加MSC生存在低氧和营养条件下(图3)。预计移植干细胞的使用这个bFGF发布系统将增强细胞生存梗塞的心。发布系统也可能由于bFGF的血管生成作用促进血管生成。

Padin-Iruega等人拴在igf - 1对自组装多肽纳米纤维,它们用于心脏祖细胞(年度"特别关注国")在梗塞的心里104年]。发现igf - 1,不断释放的纳米纤维心肌。发布的igf - 1不仅增强共产党的生存,而且促进心脏分化,导致增强心脏再生。

4.4。增强细胞的生存移植细胞通过释放氧气

氧对细胞生存是至关重要的。极低的氧气浓度在心脏梗塞的结果显著的细胞死亡(105年,106年]。移植的干细胞氧气释放系统被认为是一个可行的策略来提高细胞存活率(107年]。

一个氧释放系统可以生成使用无机过氧化物。哦等人开发了一个钙氧化物氧释放系统中加入钙过氧化PLGA支架(108年]。该系统可以连续释放氧气10天。释放氧增强细胞在缺氧条件下生存在体外。然而,这种方法并不适合心脏应用Ca^{2 +}一起生成的氧气可能导致异常的Ca^{2 +}瞬态在心肌细胞(109年]。为了避免离子效应,有机molecules-based氧气释放系统,如吡啶内过氧化物氧释放系统(110年),过氧化氢/聚(甲基丙烯酸甲酯)微胶囊释放氧气系统(111年],porphyrin-hemoprotein (rHSA (FeP-Glu)氧气释放系统(112年),开发和发现提高细胞生存。然而,这些氧气释放系统可以为[不到24小时释放氧气108年,110年- - - - - -112年]。

实现长期氧释放,Abdi等人封装过氧化氢在PLGA微球和获得氧气释放(7天113年]。李等人封装过氧化氢/ PVP复杂PLGA微球,取得了持续发布在一个相对较高的氧水平(图2周4)[48]。这个氧释放系统显著提高细胞在缺氧条件下生存在体外。它有一个巨大的潜力,以增加细胞生存梗塞的心在较长一段时间。还需要控制释放氧气的浓度,以免过量的活性氧。

4.5。修改生物材料来增强细胞免疫排斥反应和炎症条件下生存

免疫排斥和过度的炎症也减少移植细胞的存活率。促炎细胞因子如TNF -α和il - 1诱导过度炎症和创建一个有毒微环境,除了引起细胞凋亡的细胞(114年]。优化生物材料性能和抗炎分子引入生物材料可以提供保护移植的细胞。通过控制孔隙大小的生物材料,可以immunoisolated移植细胞,导致更好的细胞移植的细胞存活率(115年- - - - - -119年]。然而,小细胞毒性分子如TNF -α和il - 1β仍然可以扩散到生物材料(120年,121年]。为了解决这个问题,提高交联度等方法的应用,矩阵的浓度。然而,这些方法可能会阻碍营养物质运输到细胞。另一种方法是修改与抗炎分子生物材料。例如,anti-TNF-peptide WP9QY (YCWSQYLCY)可能结合成水凝胶防止TNF穿透内(122年]。

心肌梗死后,心脏衰竭的调节(ROS含量123年),细胞毒性对移植的细胞。减少ROS的细胞毒性效应、休谟和Anseth整合超氧化物歧化酶模拟(SODm)水凝胶挂钩。这在很大程度上保护细胞免受氧化应激损伤和提高细胞生存(124年]。

5。结论和前景

干细胞治疗被认为是一个强有力的心脏治疗和有前途的方法。然而,效果是有限的,只有一小部分在梗塞组织移植细胞的道。低细胞保留伪劣细胞生存主要负责有限细胞移植。水凝胶和支架可以用来改善细胞保留。可注射水凝胶可能更方便比支架细胞交付它们可以由一种微创注射的方法。可注射水凝胶细胞保留,因为他们的高粘度增加。然而,凝胶化时间长可能不允许水凝胶主要增加细胞保留,因为它们可能被挤出的心脏组织或凝胶之前冲进循环。一些水凝胶需要紫外线辐射、pH值变化或离子固化,这可能会导致潜在的伤害细胞。热敏的生物可降解水凝胶,凝胶率(以秒为单位)可能很快解决这个问题。

不同的方法已经被探索提高细胞生存在梗塞的心中。虽然他们可以提高细胞存活率在某种程度上,不同类型的干细胞可能需要不同的优化方法制备、活化,移植过程和维护在活的有机体内。与这些方法也有缺点。缺血性预曝光可能会损害细胞过程中,细胞移植可能不够缺血条件下生存很长一段时期。转基因的细胞可能会引起安全问题。生长因子的控制释放和氧气和免疫保护似乎更有效促进细胞存活。然而,进一步的研究这些方法的长期影响细胞生存,功能,和分化是必要的。

从临床角度看,安全性和有效性仍是最重要的问题。更多的研究需要对动物为了发展一个可靠cell-biomaterial交付系统的长期安全性和有效性。生物材料类型、降解产物毒性剂量,必须深入研究临床应用之前和时机。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会(1006734和1006734),美国心脏协会(15 grnt25830058 grnt17150041 13日),中国(81471788)、国家科学基金会材料研究所种子格兰特在俄亥俄州立大学,和有竞争力的医学研究基金来自匹兹堡大学医学中心的卫生系统。

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