文摘
缺血性心脏病的影响大多数人,特别是老年患者。最近的研究利用自体成人干细胞/祖细胞疗法治疗心肌梗死后心脏组织。然而,供体细胞老化的病人更有可能在衰老阶段。振兴需要反向征收的损害衰老和促进年轻的表型。本文旨在讨论当前的策略是有效的振兴心脏干细胞老化和代表新颖的治疗方法来治疗衰老的心。最近的文献主要集中在三种方法,旨在扭转心脏衰老:基因改造、药品管理部门,优化细胞外因素。在体外转基因技术可以用于某些基因过表达或击倒,让衰老表型逆转的。药品管理部门是另一种方法,它允许操作的信号通路与细胞增殖和细胞衰老。由于干细胞利基有助于与年龄相关的干细胞功能的下降,复兴策略还包括细胞外因素的优化。总的来说,提高干细胞衰老的内在特性以及周边环境允许这些细胞采用表型类似于年轻的同行。
1。介绍
心血管疾病死亡的主要原因,在美国(1),其风险增加病人65岁以上2]。随着心脏年龄,心肌发生变性,导致心肌细胞死亡(3]。先前的实验在探索成人心肌是否包含一个未分化的细胞可能参与心肌修复(2]。心脏最初认为是postmitotic器官没有取代本身的能力。代表主要的范式转变,然而,最近的发现表明凋亡心肌细胞被新细胞取代来源于心脏干细胞/祖细胞(年度"特别关注国")4]。取得证据支持的再生心肌老化。在最近的一项研究中,注入自体年度"特别关注国"减少疤痕的大小,增加了可见心肌,改善心肌梗塞区域的函数(5]。局部刺激二者可以扭转不利影响衰老的心脏,因此代表了一个新颖的解决问题策略的心力衰竭老年人(2]。
阻碍成功的干细胞临床治疗包括穷人的生存供者细胞随着年龄相关干细胞再生能力的损失。超过90%的移植间充质干细胞(msc)死前几天内6]。老化导致减少增殖和分化潜力由于氧化应激增加,线粒体功能障碍,和基因组不稳定性7]。端粒重复的核苷酸序列的哺乳动物染色体维持染色体稳定性和完整性,减少长度与衰老(8]。累积损伤和缩短的端粒导致细胞senescence-a不可逆转的状态增长逮捕[9]。衰老细胞的特点是促进组织修复和再生的无能。老化也与活性氧(ROS)生成的线粒体(3,10,11]。线粒体活性氧的生产过剩也可能导致细胞衰老;它会导致形成高活性产品啊2或H2O2的积累促进衰老,DNA突变,炎症和细胞死亡通路(8]。细胞内的活性氧可以解毒,抗氧化剂如过氧化氢酶超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶的酶类,sulfiredoxin。然而,ROS水平的增加可以随后改变细胞的氧化还原状态正常,并引发氧化应激(12]。因此,振兴需要反向老化所强加的损伤恢复组织和器官功能,提高寿命。
本文旨在强调目前的工作领域的复兴衰老心脏干细胞。在这个领域的研究主要集中在三个不同的方法,总结在图1。第一类的策略使用基因改造过表达特定基因在心脏干细胞或敲下来。特定的蛋白质发现要么增加或减少在衰老生物表达,表明逆转这种变化的表达式可能重振老细胞年轻的表型。第二振兴战略使用药品管理部门逆转衰老,针对信号通路相关的重要的细胞过程,如增殖,凋亡、衰老。最后,第三个振兴战略涉及优化细胞外的因素,以防止衰老,促进一个年轻的表型。各种各样的干细胞/祖细胞移植来改善心脏再生,包括骨骼成肌细胞、造血干细胞,胚胎干细胞和诱导多能干细胞13- - - - - -15]。但是,本文主要关注居民/成人间充质干细胞和心脏干细胞/祖细胞。
2。基因改造
在体外衰老心脏干细胞的基因进行改造提高扩散,生存,和承诺是一种有效的策略来增强干细胞功能,确保改善心输出量。Pim-1,保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(1),增加表达的损伤和预防心肌梗死(16)凋亡和proproliferative行动(17]。Pim-1激酶表达在人类胎儿心脏祖细胞更高(hCPCs)老hCPCs相比,这表明Pim-1表达之间的相关性和年轻的表型特征18]。最近的研究利用hCPCs隔绝心脏衰竭患者;hCPCs工程过度表现Pim-1增加细胞移植和分化与改善脉管系统(19]。基因改造与Pim-1有能力恢复和增强扩散,降低衰老,增加端粒长度(18]。最近的一项研究发现,Pim-1表达心中恰逢nucleostemin (NS),核仁的蛋白质所需的细胞周期进展和增殖。NS水平降低与增加衰老和衰老20.]。此外,通过修改Pim-1是极其强大的,因为最近的研究中,在其中Pim-1针对细胞核优先增强干细胞青春与衰老而减少Pim-1针对线粒体推广增加与凋亡蛋白如Bcl-x [21]。这些新发现表明,organelle-specific Pim1可能利用的超表达更个性化的形式的再生医学基于病人的hCPCs的特定属性。
文献指出,msc的旁分泌作用是主要负责心脏修复。一些细胞因子和生长因子由msc已被证明是至关重要的心脏保护而另一些则有害心脏复苏。因此,优化msc移植前需要最大化细胞生存(22]。在最近的一项研究中,Rap1优化是通过基因改造,参与NF -调制器κB通路(图2)。从NF -因素κB途径有重要的作用在调节线粒体ROS, DNA复制、细胞生存和炎症(23]。与删除Rap1 BM-MSCs比正常更宽容BM-MSCs缺氧,NF -激活降低κB的活动。同时,BM-MSCs删除Rap1显示一个更好的治疗效果;他们与减少炎症postmyocardial梗死和增强细胞存活心肌细胞(24]。另一个途径,可以进行基因改造,也是一个旁分泌调节器NRG1-ERBB4信号通路(图2)。NRG1是一个重要的旁分泌通过激活ERBB4监管机构的信息交流,进一步激活PI3K / Akt通路(25]。msc工程与ERBB4表达显著增加保护心脏功能伴随着减少梗塞大小和增强心肌细胞分裂。保护作用是由于Akt激活和bcl - 2,保护从细胞凋亡26]。
老化是伴随着所有组织线粒体功能下降。线粒体可能导致干细胞通过监管维护特定的代谢产物如NAD + (27),其影响是由sirtuin蛋白家族NAD-dependent酶(28]。在心肌组织,SIRT3定位线粒体(29日),减少活性氧簇(ROS)水平,并通过激活Foxo-dependent块心脏肥厚性反应抗氧化剂,锰超氧化物歧化酶(MnSOD)和过氧化氢酶(30.]。对小鼠的研究表明,SIRT3表达减少老年主动脉瓣与年轻人相比,标志着一个与年龄有关,SIRT3减少(31日]。超表达SIRT3增强细胞对抗氧化应激的能力和减少stress-mediated细胞损伤通过激活过氧化氢酶和人类msc MnSOD32]。SIRT6 sirtuin蛋白家族的另一个成员,是一个潜在的目标,振兴衰老的干细胞(33]。最近的一项研究表明,击倒的人类骨髓msc SIRT6导致受损的增长,扩散和迁移能力,增加细胞死亡和衰老34]。有趣的是,最近我们组的结果表明,cytoglobin基因与氧化应激和线粒体呼吸、促进心脏祖细胞生存与氧化应激通过upregulation NFκB /伊诺一氧化氮信号通路和生产,提供了一个新颖的分子目标,可以用来增强心脏干细胞/祖细胞的有效性治疗缺血性心脏病(35]。总的来说,mitochondria-associated蛋白质代表衰老心脏干细胞的潜在复兴的目标。然而,未来在活的有机体内研究需要完成为了显示改善治疗效果的心。
microrna在心脏疾病也是重要的贡献者;他们的表达改变可能是负责心血管疾病(36]。微分microrna的表达在老细胞相比,年轻细胞,mir - 17的差别,如对这些miR-19b, miR-20a, mir - 106岁细胞,其中牵扯到的microrna标志物的生物老化(37]。最近的研究发现了一个特定的microrna的表达增多,mir - 195,目标端粒酶逆转录酶(叔)基因,导致恶化的旧msc的再生能力。老msc移植的击倒mir - 195导致心脏功能改善和减少梗塞大小(38]。msc的miR-29c差别的另一项研究报道,对这些基因的抑制了p53-p21和p18-pRB通路和细胞衰老的废除39]。miR-34a,另一个microrna是升高后,老鼠心脏心肌梗死(40]。miR-34a的超表达与细胞凋亡增加,较低的生存能力,并增加衰老,可能通过激活SIRT1 / FOXO3a通路。抑制miR-34a导致更少的凋亡细胞和更好的生存能力41]随着分子签名和改善心脏血管生成增加。总的来说,microrna代表强大的治疗靶点,因为他们是小的长度,大约22个核苷酸,可以有效地抑制在活的有机体内(42]。然而,未来的工作需要了解各种microrna的机械参与调节细胞衰老和衰老。
临床试验,如西皮奥第一阶段,支持共产党疗法的疗效[5]。然而,缺血性心脏病与年龄增加有关;因此,有必要对细胞疗法减少衰老的有害影响。这可以用干细胞的基因操作。干细胞/祖细胞可以从一个自愿的病人通过临床方法然后分离,培养,和修改在体外基因改造。后来细胞可以移植到病人的心脏后,协助治疗受损的心肌dt (43]。nucleostemin,总的来说,Pim-1 Rap1 ERBB4, SIRT3 SIRT6,过氧化氢酶与各种不同的microrna代表潜在的基因的表达可以为了操纵干细胞采用年轻的表型。然而,基因改造的一个限制是基因的结合可能需要修改为了有效地治愈老化的梗塞的心。总体来说,基因改造的基本目标是最终导致增殖干细胞和再生能力的增加,抑制衰老表型。
3所示。药品管理部门
各种各样的途径(图2)包括mTOR / PI3K WNT /β连环蛋白、ERK / NRF2和STAT3 / NFκB可以针对振兴药理操纵。雷帕霉素等药物可以用来恢复衰老心脏干细胞。雷帕霉素是一种抑制剂的哺乳动物雷帕霉素靶(mTOR) [44),一个主要的下游组件在衰老PI3K通路(45]。mTOR的失活雷帕霉素抑制TORC1复杂(46),使细胞从衰老静止期(47]。最近的一项研究使用雷帕霉素与白藜芦醇激活AMPK的药物,从而增加线粒体生物起源和功能(48]。这些药物的组合检查参与组成分泌腺被发现修改的心脏干细胞移植失代偿性的心(E-CSC),预防心肌细胞死亡和衰老。额外的调查中,梗塞的老鼠注射E-CSC接受雷帕霉素和白藜芦醇改善心输出量。使用雷帕霉素等药物和白藜芦醇具有很高的潜力,因为它避免了可能的不利影响从基因改造49]。与任何药物一样,雷帕霉素的副作用,未来的工作需要暴露是否副作用可能限制它的使用44]。
另一个研究小组已经确认无翼集成(WNT) /β连环蛋白通路(图2)作为一个潜在的目标复兴hMSCs用于干细胞治疗心脏修复(9]。研究显示,年龄的增加与减少MSC增殖,MSC分化和WNT /β连环蛋白信号。然而,一些功能衰老个体的msc可以重振锂治疗,从而增加β连环蛋白可用性改善肌原性的分化(50]。WNT /β连环蛋白通路密切相关,通过调节CTNNB1干细胞更新和分化,这在心原性的发展中扮演着重要的角色9]。
针对衰老细胞是另一个可能性,可以通过药品管理部门带来复兴。大部分衰老细胞表达p16Ink4a细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂,导致细胞被激活Rb逮捕。p16的表达Ink4a也是随着衰老而增加(图2)。INK-ATTAC,一种新的转基因是用来消除p16Ink4a阳性的衰老细胞在罗格列酮诱导衰老。管理和结果清除衰老细胞导致多个增强健康跨度和延迟与年龄相关的表型progeroid老鼠(51]。此外,senolytics一类新的药物选择性地杀死衰老细胞,代表了一个改善健康跨度潜力巨大。两种药物,达沙替尼(D)和槲皮素(Q),成功地提高衰老小鼠心脏功能和减少的数量来源于小鼠的衰老骨msc通过干扰衰老细胞的凋亡和prosurvival机制。结果表明,衰老细胞产生有害影响心血管功能老化,而且这些细胞的间隙代表一个复兴的新治疗方法(52]。
药物治疗与钴原卟啉(库普)是另一种方法来改善心肌修复治疗的有效性。库普是血红素的诱导物oxygenase-1 (HO-1),导致细胞的保护。先前的研究表明,预处理的hCSCs库普增加这些细胞的抗氧化应激通过ERK / NRF2信号通路的激活细胞凋亡(图2)。击倒的HO-1导致减少细胞因子的影响,这表明库普预处理的有益效应可能是由于保护性的分泌细胞因子(53]。另一项研究表明,库普治疗缺氧细胞减少细胞损伤和心肌细胞的生存能力,增加了保护线粒体膜电位(54]。此外,预处理hCSCs库普导致增加细胞移植后生存和扩散到心脏梗塞的还有更大的(LV功能和结构改善55]。库普,总的来说,HO-1诱导物是一种很有前途的候选人,可以改善CSC-based治疗缺血性心脏病的效率。一氧化氮(NO)是一种气体信号分子显示有一个在许多细胞凋亡的作用。一氧化氮二乙撑三胺加合物(DETA-NO)是一个化工没有排气装置。最近的一项研究表明,预处理人类心脏干细胞DETA-NO促进细胞生存和超强的抗氧化能力。未来的工作将需要检查在活的有机体内生存DETA-NO hCSCs增强的预处理(56]。
为振兴药品管理部门是一个有效的方法。类似于基因改造技术,提取的干细胞/祖细胞可以从病人和讲究的在体外与代理药品而接受治疗。然而,这一策略的潜在限制药品代理可以有各种各样的影响,因此,副作用之间的平衡和利益之前必须达到可以使用药物在临床设置。也许,药物治疗和基因改造可以用来恢复老化干细胞,允许一个更全面的方法。
4所示。优化细胞外因素
主机环境起着非常重要的作用在细胞疗法的结果;同种异体的细胞年轻健康的捐赠者被用来克服与年龄相关的干细胞功能障碍(57]。此外,组织老化是影响系统和循环因素。由邻近的健康细胞衰老因素的检测可能会进一步进展细胞衰老,导致功能障碍与年龄相关的心脏疾病相关(2]。减缓细胞的年龄相关性恶化利基因素代表了一种新的方法治疗老年性疾病(58]。使用系统性和循环因素恢复衰老细胞已被证明在神经58)和骨(59)细胞。Heterochronic间生态实验,年轻和年老的老鼠手术相关所以他们开发一个共同的血液循环(60),表明信号从一个年轻的循环会影响老化的功能组织(61年]。
操纵Notch通路,配体如δ切口受体相互作用(图2),可以用来恢复老化心脏干细胞(62年]。研究发现,该通路被激活的失败会导致肌肉的再生潜力下降随着年龄的增长,部分是由于损害upregulation切口配体三角洲的肌肉损伤后(63年]。使用heterochronic间生态恢复三角洲upregulation老化卫星细胞可以增强活化和增殖64年]。切口激活已经发现抑制心脏肥大和纤维化和促进心脏前体扩张。Jagged1-expressing心肌细胞和Notch-expressing msc之间的沟通是很重要的响应转向心脏前体扩张(65年]。梗死后激活Notch信号在边境地区促进生存和改善心脏功能。交付的肽模拟Notch1配体Jagged1梗塞的老鼠心脏导致心脏功能改善和收缩性66年]。Notch信号也起着至关重要的作用在细胞衰老;过度的切口延长通过抑制血管内皮细胞的寿命p16-dependent通路(62年]。总的来说,操纵Notch信号通路可能是一个治疗与年龄有关的血管疾病新的治疗目标。
另一个循环因素与心脏疾病是胰岛素样生长因子1 (igf - 1)。igf - 1心脏复苏过程中是非常重要的,因为它随后激活PI3K / Akt信号(图2),它可以增强细胞生存,释放生长因子、干细胞动员、和血管生成。igf - 1过度也强调了各种生长因子的释放,包括HGF和VEGF,有助于对细胞凋亡减少。本地化的igf - 1超表达也显著保护LV壁厚和收缩功能在活的有机体内(67年]。一项研究得出的结论是,igf - 1受体(IGF-1R)标识一个人类心脏干细胞池,有优越的心肌再生治疗的潜力。总的来说,IGF-1R的存在导致降低细胞凋亡率,增强端粒酶活性,端粒保存完整,hCSC部门支持和生存。的表达IGF-1R和igf - 1的合成在老化hCSCs减毒。因此,研究表明,仔细分析细胞的表型属性可以用来考虑哪些细胞用于临床治疗(68年]。
许多其他的细胞因子和生长因子涉及作为振兴的潜在候选人。巨噬细胞移动抑制因子(MIF)(图2)是一种细胞因子,缺血性心肌细胞释放的心,允许免受损伤和细胞凋亡(69年]。MIF-treated msc岁幸存下来比年轻的msc治疗MIF,表明MIF具有凋亡属性。MIF也恢复了msc的营养活动被VEGF的量化,HGF, IGF水平(70年]。此外,组织工程已被用于种子血管生成细胞因子,VEGF和bFGF在胶原支架上。cytokine-enhanced,组织工程补丁更新老化细胞,延长细胞存活,改善血管生成恢复心室功能(71年]。Gdf6,发现在旧msc表达下调,是另一个可能在振兴中发挥作用的生长因子。最近的一项研究是Gdf6的管理导致恢复岁msc的分化潜能在体外和老鼠施加有益的影响与年龄有关的疾病72年]。机制的理解各种生长因子的再生效应可能导致新的治疗制剂的发展为心肌梗死的治疗。
氧含量的干细胞龛已知在干细胞静止中发挥作用;改变氧气浓度会影响干细胞的生存和增殖时用于心肌治疗。已经表明,扩大hCSCs在缺氧条件下会导致更大的移植和功能效益后植入到梗塞的老鼠的心(73年]。进一步研究表明,msc培养缺氧激活一种蛋白激酶和HGF-cMet信号通路(图2),导致迁移率的增加。文化在缺氧条件下也是有益的,因为它是更类似于骨髓msc的生理生态位。后肢缺血损伤模型被用来表明,老鼠接受低氧预处理msc恢复速度比对照组(74年]。内皮祖细胞的研究表明,缺氧可以防止衰老,增加扩散能力和寿命和维护通过HIF1内皮祖细胞的干细胞特性α全身的扭曲表情(图2),它能抑制细胞周期阻滞和复制衰老75年]。另一项研究显示显著增加prosurvival蛋白质如NF -的表达κB和凋亡蛋白bcl - 2和Blc-xL。Hypoxia-preconditioned MSC移植导致增强的血管生成和血管化比正常的MSC。因为90%的移植细胞死亡的最初几天内移植,这缺氧的保护作用是至关重要的保护移植细胞(6]。
振兴经济增长因素的识别和环境条件打开新局面逆转心脏衰老的影响。这个策略允许预处理的干细胞以优化前的细胞外环境移植到dt -心。改变系统性因素的表达,促进干细胞活动和培养细胞在缺氧条件下强大的复兴的方法。然而,干细胞利基是非常复杂的;因此,进一步的研究需要在此之前可能导致临床翻译策略。
5。其他策略
其他工程策略正在开发恢复衰老的心。两个新颖的干细胞产品工程:CardioChimeras CardioClusters。与msc CardioChimeras被融合在一起形成年度"特别关注国"。结合管理hMSCs和人类c-kit-positive年度"特别关注国"变成一个有显著提高的心脏梗塞的心肌结构和功能(76年]。这种技术创建一个单元相结合的混合最优特征如增殖、生存和旁分泌分泌。此外,CardioClusters组成的三维微环境组成的特定的细胞类型与人心如年度"特别关注国"、msc、内皮祖细胞和成纤维细胞。此外,Cardiospheres 3 d自发聚合的异构创建了干细胞和干细胞之间加强沟通和心脏环境(9]。墨丘利的节探讨了临床试验的影响冠脉内cardiosphere-derived细胞,发现显著减少疤痕质量(77年]。CardioClusters、Cardiospheres CardioChimeras代表了下一代的干细胞疗法,可以用来恢复心脏。然而,这些组合细胞疗法是有限的,因为不同的扩散率和生存后注入受损的心脏(9]。需要更多的研究才能转化为临床应用这一技术。
6。结论和未来的发展方向
本文讨论了当前干细胞衰老的复兴策略以提高治疗心肌修复的技术。心脏干细胞有一种天生的能力恢复心肌;然而,病人的人口老龄化人口破坏干细胞的功能能力和再生潜力(78年]。因此,这些干细胞老化必须由技术,如新生的讨论方法在体外基因改造、药品管理部门和细胞外因素的优化。最近的研究显示的有前景的结果,这些技术的能力恢复衰老的心。然而,更多的了解这些干预措施的组合效应和微调这些技术,描绘在图1,需要评估这些方法的转化潜力。每个策略都有自己的优点和缺点是表中列出1。总的来说,心肌再生治疗的成功需要团队合作在各种学科为心脏干细胞疗法一个可靠的方法修复。
的利益冲突
作者声明没有潜在的利益冲突。