文摘
已经在胚胎发育期间,心脏和肺器官完全连接。他们的相互依赖使我们的生存在陆地环境中通过耦合心输出量和气体交换。知识发展过程涉及干细胞和祖细胞是至关重要的理解人类心肺疾病的发病。各种成人的精确识别内源性祖细胞仍然是不完整的。因此,应该谨慎行使新提供干细胞治疗,直到特定的作用机理还披露。目标是在最近的将来提供可行的和更安全的细胞疗法的复杂人类心肺疾病的病理条件。在本文中,我们强调的重要知识进步有关干细胞和祖细胞在心肺领域:从胚胎发育到成年祖细胞到心肺的早期临床前模型再生。
1。心肺系统的开发:干细胞和祖细胞的贡献
适应陆地生活最近发生在人类的进化史。由于这个事件,心脏和肺系统并行开发允许心脏功能的耦合和肺气体交换。在哺乳动物中,这两个系统的合作已经明显在胚胎发育阶段:虽然心管循环和不对称分为成熟心脏室,肺前内胚层突出到心脏胚胎中胚层。这种相互依存形成心肺循环,一个专业室连接心脏和肺:接收心输出量,允许气体交换,并提供富氧的血液体循环。
心脏形态发生之前发生肺发展(1,2]。提供了早期胚胎心脏泵功能,对胎儿和出生后的生活至关重要。心发展是受高度保守的组织转录因子,信号分子和非编码rna。这个网络的核心是转录因子Wnt NKX2-5, GATA4, SRF,,连同他们的目标DNA元素,形成一个的进化分支电路必不可少的发展(3]。循环形态发生的过程使静脉极腹前肠内胚层。这种mesoderm-endoderm交互肺发展是至关重要的。前的胚胎肺外翻内胚层也将形成气管和喉。器官的上皮细胞来源于内胚层,肺间质中胚层起源。远地区的喉气管的槽(4,5),胚胎上皮细胞祖细胞迅速分裂,生成顺序中小学支气管气道和肺泡结构。因此,成人呼吸树形成(6,7]。
时空上的胚胎心脏和肺部的协调发展提出了一个共同的可能性多能祖源自两个器官和陆地哺乳动物的生理联系。最近,彭et al。8]报道一种新型多功能心肺人口中胚层祖细胞(cpp)源自心脏后杆前肺发展。Wnt2+/ Gli1+/ Isl1+cpp被血统追踪和识别克隆分析实验,证明了生成中胚层血统的心脏流入道,肺血管和气管平滑肌,肺近端内皮,pericyte-like细胞,心肌细胞。前肠内胚层的连接对心脏的肺血管调节所需的发展通过声波刺猬cpp(嘘)网络。嘘激活其效应Gli1与Wnt2 coexpressed和Isl1 CPP细胞。根据lineage-tracing实验,作者发现刺猬信号需要直接向肺平滑肌cpp的发展谱系和发起心肺连接。作者报道,最早的心脏祖细胞,位于第二心脏领域的特点是Isl1的表达。Isl1-positive (Isl1+人口进一步细分为Isl1)+/ Nkx2.5+腹侧细胞/内侧域和Isl1+/ Nkx2.5−分组人口在横向/背域。后一个族群,只有Isl1的表达特征,生成所有层的肺血管和心肌在E8.5流入道。具体来说,Isl1+祖细胞生成连接到心脏的腹侧肺间质流入,而Nkx2.5-positive祖细胞引起肺静脉心肌接近。Wnt2-positive祖细胞,位于后极发展中只在心中E8.5,形成细胞在心脏内流入,流出道内。这些细胞的转移到肺芽在其早期发展。后来在胚胎发育期间,Wnt2+心脏的心脏祖细胞生成所有中层血统包括心肌细胞及心内膜。此外,他们引起肺血管、肺周,和发展中肺气道平滑肌细胞。因此,作者证明了Wnt2+细胞代表多能祖细胞在发展中肺癌和流入心脏的小册子。作者还报道,心脏Gli1-positive细胞有助于心脏的族群中胚层间以及早期肺芽。总的来说,Wnt2的人口+/ Gli1+/ Isl1+心脏细胞生成大部分的中胚层细胞流入呼吸道和肺部。因此,肺血管和气管平滑肌细胞,近端内皮,pericyte-like细胞无性繁殖系地来自这些祖细胞。重要的是,这种发展模式的改变导致法洛四联症综合征等先天性缺陷的新生儿或持续肺动脉高压。最终,了解肺心脏中胚层和内胚层的角色交互开发期间将提供机械的见解的先天性心脏疾病血管模式和差异化是摄动。此外,破译肺血管发育所需的信号通路可能阐明机制参与血管再生和重构在成人肺疾病。成人心脏疾病,如心肌梗死(MI)造成大规模损失导致心力衰竭的心肌细胞。成功的治疗这些疾病缺乏。迫切需要澄清的机制调节心脏和肺部发展设计有效的心肺再生方法。
2。成年祖细胞在人类心脏和肺再生
心脏和肺疾病频繁。他们对医疗费用的影响显著。在生物学中一个反复出现的问题是在这些成人器官发生再生。
心,焦点在于成人心肌细胞(CMs)增殖和到什么程度。这个问题被提出争议。在过去的几十年里,人类心肌细胞增殖的记录,以及它的稳定状态。伯格曼et al。9)提出了一个研究人类厘米体视学的基因组结合量化14C浓度在心肌细胞细胞核(回顾性出生约会)。他们报告说,根据分析厘米体积和核DNA合成,CM数量并没有显著改变产后生活和整个人类寿命仍然保持不变。具体来说,心脏内皮细胞和间充质细胞相比,心肌细胞显示最高的推断周转率局限于生活的第一个十年;心肌细胞随着年龄增长营业额下降指数≤1%的成年人。Mollova et al。10)用同样的方法,即体视学,发现大多数后天生成CMs生于年轻的人类:数量在第一个20年增加了3.4倍的生活,表明心脏细胞增殖率最高的发生在年轻的成年人。没有共识存在于成人心肌细胞更新的大小,估计从没有周转率来完成细胞交换几一年寿命(11,12]。
总的来说,报告结果显示,哺乳动物的心脏具有可衡量的更新的能力。重要的是,存在激烈争论关于新生成的心肌细胞的来源:目前尚不清楚是否心肌细胞通过分化重新从干细胞/祖人口或通过现有的心肌细胞(细胞分裂13,14]。然而,这两种可能性并不相互排斥,代表可能的机会增加心脏的心肌细胞代再生疗法。心脏再生领域,有一个相当大的兴趣分化转移事件是否会产生新的心肌细胞。骨骨髓来源的细胞造血干细胞和间充质干细胞(15,16]被认为区分心脏肌肉,导致心肌梗死后功能恢复。然而,后来的研究结果表明,这些细胞可能导致心脏修复的间接旁分泌机制,而不是直接分化成心肌细胞(17,18]。心肌细胞去分化的机制也可能发生。这个过程的特点是减少肌节结构和胎儿基因标记物的表达。显著进步领域将是了解如何去分化启动和识别目标分子诱导这些表型的变化(19,20.]。
基于争论的实际能力成年人心脏心肌细胞更新、替代治疗方法,以增加内源性再生是探索,如管理干细胞或祖细胞心脏或内源性心脏祖细胞的刺激。
在这个程度上,然而,清晰定义的内源性心脏祖细胞是必要的。这个问题仍然是难以捉摸的,有争议的今天。
许多公认的成人心脏祖细胞特征的不同标记的积极性。具体地说,在2003年,哦等人记录心脏祖细胞基于小鼠Sca1抗原的表达(21]。这可以丰富人口高射流的宏彻染料通过磷酸腺苷盒式运输车(一边人口细胞)或高PDGFRa的表情。丰富人口显示multilineage潜力和分化心肌细胞体内。同年,贝尔特拉米等人,心脏原始记录的另一个特点是受体的表达c - kit (CD117、干细胞因子受体)22]。最近几年,埃里森et al。23]认为c-kit-positive细胞是必要的和足够的再生成人急性心肌损伤基于cardiotoxic异丙肾上腺素治疗模式。2004年,墨西拿等人报道成人心脏祖细胞,在附着生长的孤立球体,名叫cardiospheres [24]。Cardiospheres由祖细胞、心脏myocyte-like细胞和血管细胞。作者认为这些细胞类型是一小部分未分化的子代细胞表达干细胞标记,如c - kit和本来就不同。Cardiosphere-derived细胞分离成年小鼠和人类心脏和可以扩展体外治疗使用。多个祖细胞的识别和concomitant-limited治疗再生研究中观察到执行到目前为止一些调查人员得出结论,大部分祖细胞是相同的细胞在分化的不同阶段(25- - - - - -29日]。
成年哺乳动物肺被组织成两个主要隔间:气道和肺泡进行气体,气体交换发生。大约40个不同的细胞存在于成人的肺。上皮血统是最好的定义。他们的特征是基于小鼠lineage-tracing研究。这些研究可能反映出成人肺组织;然而,人类的肺上皮细胞可能具有独特的属性。
稳态肺组织细胞营业额较低,包括静止的干细胞或祖细胞。这些细胞参与修复受损的肺(30.- - - - - -33]。基底细胞的特点是一个小的高度与相邻腔的细胞相比,它们位于基底膜(34]。基底细胞表达TRP63的N-terminus-truncated对碘氧基苯甲醚(p63)、细胞角蛋白5 (KRT5),神经生长因子受体(NGFR), podoplanin (PDPN) [35]。这些细胞自我更新和多功能:他们还产生其他基底细胞和分泌和纤毛细胞(36]。最近的研究由Pardo-Saganta et al。37)表明,在稳态条件下,基底细胞人口异构:他们表达激活Notch2胞内域(Notch2ICD)和c-myb (Myb)分泌和纤毛细胞,分别。基底细胞位于小鼠气管和支气管在人类,他们发现更多的远侧地,在小细支气管。
细胞分泌或俱乐部(原名克拉拉细胞)是圆顶的,具有分泌颗粒在细胞质中。鼠分泌细胞自我更新和分化成纤毛细胞。这些细胞在小鼠气管、支气管和细支气管,整个人类呼吸道上皮细胞。最近的研究由塔塔等。38)表示,他们是高度异构。
纤毛细胞也存在在大型和小型航空公司。他们以multicilia顶端表面和核转录因子FoxJ1来说是积极的。Lineage-tracing研究文档,它们是终末分化细胞。后直接从基底细胞纤毛细胞产生损伤。神经内分泌细胞单个细胞或组织集群与神经纤维密切接触。他们的特点是表达降钙素相关基因肽(CALCA) chromogranin A, achete-scute同族体1 (ASCL1)。他们存在于小鼠大型和小型航空公司和丰富的分支点的航空公司。肺神经内分泌细胞执行多种功能,比如氧气传感和转导。
2型和1型肺泡上皮细胞是立方形的surfactant-producing和gas-exchanging细胞,分别。通过lineage-tracing分析最近的研究表明,2型细胞维持稳态营业额的1型和2型细胞无性生殖产生更多的成人肺(39]。过渡的地带的细支气管肺泡被称为bronchioalveolar管结(BADJ)。在这个地区,bronchioalveolar干细胞(过时)。博来霉素受伤后他们发现了基于扩散(40]。在人类中,过时没有明显特征。
有趣的是,细胞可塑性现在是生物学中的一个新兴概念的多个成人器官。最近的多项研究表明,在不同的组织细胞可塑性是一种常见的现象在修复的过程中受伤后(41- - - - - -43]。在肺癌、可塑性的证据来源于细胞消融实验。塔塔等。44)报道,在气管上皮,完全成熟后分泌细胞肉瘤为基底干细胞白喉toxin-induced干细胞消融。有趣的是,分泌细胞开始复制时超过80%的基底细胞被切除的治疗。信号,调节细胞可塑性尚未定义。塔塔和Rajagopal说分化转移也可能发生(45]:小航空公司产生完全分化的神经内分泌细胞分泌细胞和纤毛细胞后naphthalene-induced H1N1 influenza-induced后伤害或损伤。Lineage-tracing实验证明上皮干细胞和祖细胞在稳态条件下保持稳定的身份但可以显示非凡的血统后塑性损伤。在人类,我们的知识在细胞可塑性是初步的。体外结果表明人类肺上皮细胞的可塑性。然而,结果可能不反映生物可塑性中观察到。进一步促进细胞可塑性的概念肯定会需要确认在未来几十年。
人的心里,都有一个缺乏共识的组成nonmyocyte细胞群。非常有趣的是,最近的一项研究平托等人表明成纤维细胞是一个相对较小的细胞群,内皮细胞中含量最丰富的细胞类型健康成年人的心(46]。作者使用可用的新基因追踪器,流仪分析,和一个无监督聚类算法(铲,扩充树Density-normalized事件的进展分析)。心肌细胞的分析表明,大约有65%是内皮细胞,10%是白细胞,大约25%是心肌细胞。这些意想不到的结果突出了这样一个事实:心脏成纤维细胞数量比之前报道[小得多47]。此外,全面了解心脏细胞成分将引导新疗法的发展促进心脏修复和再生。总的来说,这些发现重新定义细胞成分的成年小鼠和人类心脏和表明,内皮细胞间可能扮演一个潜在的重要的角色在心脏内稳态,疾病,和再生。
3所示。当前的心肺疾病的干细胞治疗方法
肺动脉高压(PAH)与右心室肥大或失败有关。这是由于在右心室压力过载。目前的治疗方法仍处于试验阶段,我们需要谨慎的声明他们的功效。然而,潜能存在,目前的治疗方法可能扩大在未来几十年。
总的来说,干细胞和祖细胞疗法在心肺疾病证明有效的多环芳烃在动物模型。主要是,这些干细胞实验模型躺在观察干细胞和祖细胞可能肺血管再生。因此,内皮祖细胞(epc)是优秀的候选人对这个目标:内皮祖细胞循环细胞来源于骨髓。他们能够分化为成熟内皮细胞来修复血管。尚不清楚内皮干细胞或祖细胞如何发挥他们的作用为肺。适当的移植肺组织被认为很少发生。伴随生物机制的组合更有可能发生,包括干细胞cell-induced旁分泌效应由于微泡的释放或液。最近的非编码小分子核糖核酸是球员在这个领域。有趣的是,spe等人调查的影响monocrotalin (MCT) GFP-positive骨移植和分化的骨髓来源的细胞在动物模型中多环芳烃(48]。作者观察到移植的细胞在肺部和分化成管理肺上皮细胞(克拉拉细胞)、血管内皮细胞和平滑肌细胞。此外,GFP-positive细胞道右和左心室hyperthophic老鼠的心脏。在右心室,接种细胞主要分化成血管细胞和心肌细胞。没有细胞融合事件观察内源性心肌细胞和管理之间的骨骨髓来源的细胞。联合治疗包括管理干细胞或祖细胞与药物更有效。太阳等人给予西洛地唑,三磷酸二酯酶抑制剂,以及epc MCT注入三天后(49]。作者观察到减少装修造成的肺阻力动脉内皮细胞和血管平滑肌细胞的增殖。一般来说,联合治疗比内皮祖细胞更成功或citostazol独自在预防由于MCF-induced PAH血管重建。
Takemiya坚称等人观察到,通过静脉注射间充质干细胞(msc)的大鼠肺部受到MCT-induced PAH是不足以降低肺动脉压力。然而,当msc是结合环前列腺素合成酶,作者报道显著降低肺动脉收缩压和右心室扩张。值得注意的是,由于细胞旁分泌作用释放的可溶性因子,而不是大规模细胞移植被认为施加影响。
在肺气肿的临床状况,肺泡上皮细胞受损和修复过程中不太可能发生。所有transretinoic酸的作用(ATRA)是目前正在接受调查的治疗治疗肺气肿。视黄酸的活性代谢物是维生素A(即。,retinol) that is essential for multiple cellular functions such as cell homeostasis and differentiation. Retinoic acid is acquired from diet. However, the long-term use of oral retinoic acid causes side effects such as dry skin, headache, hyperlipidemia, muscle, and bone soreness. Specifically, Mao et al. performed a double-blind, placebo-controlled feasibility trial to test the long-term administration of ATRA. Patients affected by moderate to severe emphysema were subjected to the standard of care plus twice-daily oral administration of ATRA for 12 weeks [50]。这项研究并没有显示任何肺气肿的治疗效果,并观察副作用。布鲁克斯等人测试的影响雾化ATRA肺气肿的啮齿动物模型,证明它是可行的,代表了一个更安全的替代口服维甲酸(51]。
肺上皮修复的过程是目前未知尽管干细胞研究的重大进展在过去的几十年中(52- - - - - -54]。
个性化医疗方法治疗囊性纤维化至关重要。超过1500种已知CFTR突变的检测(囊性纤维化跨膜电导调节)基因存在。他们在不同功能的病理结果变量。雌性生殖道表达表面等离子体膜,特别是在纤毛细胞。氯通道,当蚀变,产生氯和碳酸氢盐分泌受损导致厚粘液和复发性感染。一代的患者体外模型这一临床疾病是至关重要的。patient-derived文化主要人工气道或鼻腔上皮细胞及其目标分化可能构成的一个有价值的目标治疗调查在这个领域。另外,patient-specific-induced多能干细胞的分化(万能)成人上皮细胞可能是追求。针对病人的干细胞或祖细胞治疗囊性纤维化的临床前模型将在未来从而使药物开发(55]。
值得注意的是,当前位置的COPD基金会(https://www.copdfoundation.org)干细胞疗法是谨慎。基金会警告说在一些诊所提供所谓干细胞治疗无法治愈的肺病,包括慢性阻塞性肺病(COPD)。FDA不同意这样的治疗。因此,COPD基金会不建议使用自体干细胞疗法治疗慢性阻塞性肺病或其他肺部疾病直到有效性提供更有说服力的证据。COPD基金会鼓励患者参加临床试验,测试开发和该方法的潜在好处。
总的来说,干细胞治疗方法对人体心肺疾病仍在初步阶段。我们获得有价值的信息的内源性心脏和肺干细胞或祖细胞,这些器官的分布在不同的隔间。干细胞和祖细胞可能代表关键主角可用的新治疗方法。我们获得的知识,到目前为止,尽管不足以保证立即治疗用途,需要进一步的研究来对这种大规模的临床需求的影响。
4所示。反思当前的治疗进展
正如前面提到的,不存在共识目前内生特性的肺和心脏干细胞或祖细胞。许多作者提出了这样的可能性,那就是相同的细胞在随后的分化阶段不同群体的特点。
一旦正确的识别,具体的祖细胞可能成功地用于lineage-tracing在疾病动物模型研究,以理解他们的角色。此外,特定的表面标记排序通过fluorescence-activated细胞分选仪(流式细胞仪)可以用来丰富候选人祖细胞更均匀。这种有针对性的方法将阐明特定角色的体内接种时细胞分类。
管理内皮祖细胞(epc)或间充质基质细胞(msc)是新兴战略治疗严重的心肺疾病,如肺动脉高血压。这些研究是初步的,主要依靠临床前动物模型。msc被认为通过免疫调节特性产生的影响。然而,精确的机制,允许干细胞或祖细胞在心肺改造仍然是未知的。可能多个伴随的生理、生化和生物分子的线索。
诱导多能干细胞)的细胞则代表一个额外的细胞来源。他们是病人具体的和可能作为可再生来源。iPSC技术的直接影响不在于再生医学应用,但主要是在研究的细胞机制,生成心肺疾病。这允许未来潜在的特定的药物筛选和基因治疗,个性化医学领域内的一个强大的方法。
另一方面,增加知识的机制,控制胚胎心肺发展可能突出关键分子感受器。相同的通路经常损害心肺疾病的发作。此外,最近的一个共同的祖细胞的识别,指导发展心肺循环进一步加强这两个器官的连接。
5。结论
知识积累的临床前模型和初步临床试验表明,干细胞疗法可能代表潜在的心肺损伤后修复策略。同时,进一步描述内源性干细胞和祖细胞在肺和心脏提供了可靠的科学依据在心肺疾病治疗使用。这种方法在特定的精确识别标记每个祖细胞类型。
显著的进步人类心脏和肺干细胞的基础研究在过去几十年持续提交大量的人类临床试验新药临床试验申请。虽然目前的理解是人类申请仍然局限于保证一个安全的心肺疾病、自体干细胞和祖细胞成为关键球员可用的新疗法。最近的未来将更好的见解来开发更安全、可行的治疗选择。这进一步发展会发生只有科学合理的方法使人类心肺疾病的研究仍然是未满足临床需要的一个领域。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。