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心肌梗死：心脏再生的细胞疗法

奥斯卡Bartulos1、2 *

1.耶鲁大学心血管研究中心，美国康涅狄格州纽黑文耶鲁大学内科心血管内科
2.美国康涅狄格州纽黑文，耶鲁大学，耶鲁干细胞中心

*通讯作者：Oscar Bartulos，耶鲁大学心血管研究中心，心血管内科，耶鲁大学，纽黑文，美国康涅狄格州，电话:203-737-3431;
E - mail: oscar.bartulos-encinas@yale.edu


条信息

文章类型:评论文章

引用:Bartulos O(2015)心肌梗死:心脏再生的细胞疗法。J Hear Health，卷1.1:http://dx.doi.org/10.16966/2379-769X.103

版权:©2015 Bartulos O.这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可的条款下发布，该条款允许在任何媒体上无限制地使用、传播和复制，前提是注明原作者和来源。

出版的历史:

  • 收到日期:2015年2月6日。

  • 接受日期:3月12日,2015年。

  • 发表日期:2015年3月16日。

    • 抽象的

    在5年的随访中，心力衰竭患者的死亡率约为50%，超过了癌症患者的死亡率。血管紧张素转换酶(ACE)抑制剂和受体阻滞剂对治疗心肌梗死(MI)有效，但目前还没有有效的治疗方法逆转疾病。在过去的20年里，细胞疗法已经成为心肌梗死患者需要考虑的重要治疗方法。在本综述中，我将总结在临床前和临床研究中使用的细胞疗法的多样性，并讨论每种疗法的优缺点。

    关键字

    心肌梗死;心血管疾病;心肌细胞;细胞疗法

    介绍

    根据世界卫生组织[1]，心血管疾病是全球死亡的主要原因，2008年死亡人数为1730万，2030年估计为2330万。最常见的心血管疾病是心肌梗死（MI）引起的心力衰竭.缺血性梗死后经历的氧气和营养物质的减少或完全缺乏导致受影响区域的心肌细胞大量死亡。该区域迅速重新填充迁移的肌成纤维细胞，负责形成瘢痕区域的细胞外基质蛋白的沉积已经在临床前研究中进行了试验，以延迟或干扰不利的心室重构，恢复工作心肌的丢失。生长因子和细胞因子的传递[2-5]，肌成纤维细胞的体内重编程和非心肌细胞分裂为心肌细胞[6,7]，或细胞治疗是已显示出边际效果的治疗方法之一。

    二十年前,出版的研究证明C2C12成肌细胞可以在小鼠心脏[8]和灌输老鼠胎儿心肌细胞可以嫁接,形成与宿主心肌闰盘[9],是一个里程碑,引发了第一次的研究利用细胞治疗心肌梗死。从那时起,该领域已经发表了数千篇论文(从PubMed检索了5000多篇介绍“心肌梗死的细胞疗法”的参考文献)和数十项临床试验。

    在这篇综述中，我将更新在心肌梗死后使用细胞治疗进行的最相关的工作，讨论每一种方法的挑战、优点和缺点。

    细胞疗法的策略

    骨髓细胞

    在90年代末和2000年代初，骨髓细胞(Bone Marrow Cells, BMCs)成为了再生医学的万能钥匙。据报道，它们能够在体内分化或转分化为肝细胞[10]、脑细胞[11]和心肌细胞[12,13]。分化后的心肌细胞甚至出现了缝隙连接蛋白连接蛋白43 (Cx43)[12]阳性染色，证明了梗死小鼠疤痕区新形成的肌细胞之间存在功能性连接。然而，其他研究小组试图复制这些结果均未成功[14-17]。在心脏的特殊情况下，植入后9-10天和28-30天，供体骨髓细胞泛造血标志物CD45[15,17]和粒细胞标志物Gr1[15]均呈阳性。然而，与之前发表的研究相比，没有证据表明心脏、平滑肌细胞或内皮细胞转分化[15][12,13]。此外，不同的研究小组报道，在体内被描述为BMC转分化的过程实际上是BMC与宿主器官细胞之间的细胞融合的产物[17-21]，打破了BMC的可塑性。

    Orlic等人的研究。[12]描述通过移植的BMCs的68％的梗塞面积的占用率，增强它们的植入动物的左心室性能，促使许多群体引发第一个临床试验[22,23]。TopCare-AMI是第一个随机试验临床试验，涉及59名患者分为两组接受未分叉的BMC或循环祖细胞[22,24]。在5年的后续报告[24]作者检测到两组患者之间的差异，但在左心室喷射部分（LVEF）在4个月内保持明显的改善，直至基线5年为5年，在31名患者的队列中。不幸的是，该研究的设计缺乏对照组来比较所获得的结果的相关性[22,24]。在Astami临床试验中，3年的随访[25]显示对照和BMCS注入组的LVEF没有差异。有趣的是，他们在控制和细胞治疗组中观察到3个月内的LVEF增加，突出了对实验设计中对照的重要性。从十多个临床试验中进行，其中只有4个提供长期结果（> 2年）。

    Astami [25]和Boost [26]显示BMCs分别在3和5年分别对对照组进行的BMCS治疗患者的变化。修复 - ami [27]，虽然没有找到LVEF差异，但在BMCS植入后2年后，梗死地区的梗塞大小和壁增厚增加的显着降低了。第四次临床试验，TopCare-AMI的结果已在上面描述了5年的随访[24]。关于临床试验的更详细的评论，包括细胞交付数量和行政途径可以在Behfar等人找到。[28]和pavo等人。[29]。

    具有BMCs的临床试验表明了一种非常适度的效果，如最近在16项临床试验中进行的最近进行的META分析[30]，在对相应对照中对BMC治疗的患者的LVEF增加2.55％。令人惊讶的是，另一种Meta分析研究[31]考虑了49项临床试验，报告了绝大多数试验中的差异（除5）。在这项研究中，作者在每次试验的差异数量和对射血分数尺寸的影响之间表现出相关性，结论是在自由差异临床试验中，BMC对喷射级分有零[31]。在最近的四月哒聚石分析中，在12项随机研究中进行了具有自体细胞的颅内细胞施用，并使用原始个体患者数据（IPD），作者得出结论，在细胞治疗患者中没有观察到任何益处[32]。

    综上所述，BMCs治疗已被证明是安全可行的，但在患者LVEF中[30]降低或无效果[31,32]。

    成肌细胞

    1961年，毛罗描述了一群围绕在分化的肌纤维周围的细胞，他将其命名为“卫星细胞”[33]。这些细胞位于肌管基底层，体外培养时分化为成肌细胞[34]。成肌细胞作为心肌梗死的细胞疗法已经得到了详尽的研究，部分原因是在梗死心脏[35]中存在的恶劣环境中，成肌细胞能够生存、增殖并最终分化为骨骼肌。未分化的成肌细胞表达N-cadherin和Cx43[36]，这两种蛋白参与细胞粘附和间隙连接形成。然而，当成肌细胞分化为骨骼肌管[36]时，这两种蛋白都丢失了，而且已经证明移植的肌管是从宿主心肌[37]中分离出来的。一些研究小组在临床前研究中报道了植入成肌细胞在不同心肌梗死模型中的有益作用[38,39]。考虑到在梗死动物[40]中，成肌细胞不转分化为心肌细胞，推测其作用机制是通过分泌干扰不利的心室重塑[41]的因子。2001年首次将成肌细胞移植到临床，[42]显示在一名心肌梗死患者中植入成肌细胞是可行的。从2001年开始，多项临床试验开始进行。在一项为期四年的随访研究中，[43]比较了同时行冠状动脉旁路移植术(CABG)或左心室辅助装置(LVAD)植入术的患者的成肌细胞运送情况。造肌细胞植入和冠脉搭桥的患者LVEF和组织活力均有改善。 However, it is difficult to interpret these results since a control group is missing in the study. In other clinical trials in which control groups were included, patients with myoblast implantation did not have any effect in LVEF [44,45]. In both studies, the presence of ventricular arrhythmias in the treated group was the main concern exposed [44,45].

    脂肪tissue-derived细胞

    脂肪组织由成熟脂肪细胞和基质血管分数(SVF)组成。SVF包含血管细胞和间充质干细胞(MSCs)。MSCs在体外具有自发分化为心肌细胞的潜能，很少出现[46]事件，在体内和体外均有内皮细胞分化[47-49]。脂肪组织衍生细胞(adc)是一种很有吸引力的细胞治疗策略，因为通过微创技术如吸脂术[50]可以从每个患者身上分离出大量的细胞。在小鼠[51]和猪[49]的临床前研究中，使用细胞片[51]或直接注射冠状动脉[49]，表明脂肪细胞[51]或脂肪组织衍生干细胞(ADSCs)[49]处理的动物LVEF增加。与BMCs相比，BMCs组和ADSCs组LVEF均显著增加，但与对照组[49]相比，只有ADSCs组壁厚显著增加。有趣的是，ADSCs和bmmc处理的猪都没有表现出供体细胞[49]的心肌细胞分化。提出的脂肪组织来源细胞的作用机制是血管生成[49]和脂联素等旁分泌因子的分泌，这些因子可能调节肌成纤维细胞[51]的细胞外基质的生成。

    在临床方面，只有一项研究报道了脂肪组织来源的细胞具有非常温和的效果:PRECISE试验[50]。这项随机、安慰剂对照和双盲研究纳入了27例患者:21例使用脂肪来源的再生细胞(adrc，脂肪组织的SVF)治疗，6例对照组。组内不同时间点LVEF无差异，组间无差异。作者报告说，与基线[50]相比，接受adrc治疗的患者6个月时左室总质量显著增加。

    心脏祖细胞

    心脏/心血管祖细胞(CPC)是一种失去干细胞特性后，致力于至少分化为心血管系统的三个主要谱系的细胞:心肌细胞、内皮细胞和平滑肌细胞。许多不同的实验室已经宣称可以从胎儿[52]和成人心脏中分离出CPCs[52,54]，或在胚胎干细胞(ESCs)体外分化后分离出CPCs[55,56]。基于细胞表面标记物的CPC分离及其在成人心脏中的存在一直是一个争论不休的问题。1) c-kit(也称为干细胞因子受体;2)干细胞抗原-1 (Sca1)和3)胎儿肝激酶-1 (Flk1，也就是人们熟知的血管内皮受体2或KDR)。这三种表面标记物均存在于造血干细胞中[57-59]。研究人员对其真正的CPC身份提出质疑，认为这些在成人心脏中发现的CPC可能只是在心脏中循环的骨髓源性细胞。

    最近，通过谱系追踪研究，一组研究表明c-kit可能不适合识别心肌祖细胞，因为它们对心脏[60]中的心肌细胞贡献最小。虽然人类Sca1的同源性还没有被鉴定出来，但科学家已经使用针对小鼠Sca1[52]的抗体从成人心脏中分离出细胞。Sca1+细胞能够在体外分化为心肌细胞，尽管使用非传统的心脏分化方法:去甲基化剂5-氮杂胞苷(5-aza)[52]。值得注意的是，5-aza可诱导小鼠胚胎癌细胞系P19[61]、小鼠骨髓基质细胞[62]和人间充质干细胞[63]的心脏分化。因此，在5-aza存在的情况下，来自不同来源的多种细胞类型能够分化为心肌细胞。

    谱系追踪研究提供了更多关于Sca1+衍生后代的信息[64]。在本研究中，在出生2个月后首次检测到少量的Sca1来源的心肌细胞，但在MI后Sca1+细胞无法动员到梗死区域[64]。事实上直到出生后阶段都没有Sca1来源的心肌细胞，这加强了至少胎儿心肌细胞不是来自Sca1+细胞的观点。Flk1谱系追踪研究表明，在心脏中，它们主要作用于心内膜，尽管也有一些心肌细胞被染色[65]。然而，Flk1可能不是分离ESCderived CPCs的最佳标记物，因为最近有报道称Flk1是肝细胞祖细胞的早期标记物[66]。

    2003年，Anversa的实验室描述了c-kit+细胞在成年大鼠心脏中的存在，它具有在体外分化为心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞[53]的潜力。根据上述结果，这些c-kit+细胞在体外扩增后，能够移植并分化成心肌细胞，改善梗死动物[53]的LVEF。从成人心脏中提取的c-kit+细胞以SCIPIO的名义翻译到临床[67]。这项临床试验有16名患者和7名对照组患者接受了细胞治疗，报告了非常令人鼓舞的结果。在使用细胞治疗的患者中，LVEF在4个月和1年时分别增加了8.2和12.3个单位[67]。读者应该意识到，《柳叶刀》的编辑们已经就这项工作提出了关切的表达[68]。

    Anversa的组结果首次受到质疑，因为一项新的研究报道了c-kit+细胞有助于新生儿心肌细胞的形成，但在成人心肌梗死中没有[69]。

    2007年，EduardoMarban的组描述了在聚-D-赖氨酸涂覆板上膨胀后形成心肌活检的细胞分离细胞[54]。这些膀胱晶源细胞（CDC）是在其他标记，C-kit和CD105中表达的异质细胞群，并且在培养物中没有自发收缩[54]。已经使用所谓的心脏体产生了广泛的文学，显示了MI的不同动物模型中心脏功能的改善[54,70]。在临床试验CADUCEUS中正在研究CDC（CD105 +细胞）[71]。在本研究中，31例患者被随机化，其中23例用自体CDC处理（17后除去一些技术故障）和8个对照。LVEF的1年内没有发现差异，并且在1年内，CDC组对照组的唯一显着效果在CDC组对照组中减少了[71]。

    虽然这两个临床试验证明，从成年心中提取的细胞，C-kit + [67]或CD105 +细胞[71]，是MI患者的安全治疗，需要更多的临床前研究以识别细胞表面用于用常规分化方法区分现实CPC的明确隔离的标记。

    ESC-derived心肌细胞

    科学家们正在寻求的另一种策略是用完全分化的心肌细胞替代死亡的心肌，这一策略仍处于临床前研究阶段。最初的研究使用胎儿和成人心肌细胞[72-74]，显示在梗死区域有胎儿和新生儿[72-74]心肌细胞长期固位，但没有成人[73]心肌细胞。值得注意的是，移植后8周大鼠新生心肌细胞呈杆状，细胞-细胞接触区出现N-cadherin和Cx43，类似于成年心肌细胞[73]。

    1998年的第一人体ESC（HESCS）来自人胚囊[75]的分离和人类心脏分化初始方案的后序[76]打开了探索HESC衍生的心肌细胞的潜力（HESC-CMS）对于MI。HESC-CMS能够用新生大鼠心肌细胞在体外用新生大鼠心肌细胞进行耦合，并在完整的房室间块的猪模型中节奏心脏[77]。后来，在MI的大鼠模型中测试的HESC-CMS，呈现了对照大鼠的长期植入和心脏功能的改善[78,79]。在这些研究中，在冠状动脉结扎在存在的存在[78]或缺失因子鸡尾酒的存在[78]或缺席[79]中，在4天或7〜10天[79]中注射HESC-CM。有趣的是，其中一项研究报告称，大多数移植物在梗塞边界[79]中，另一个移植物在瘢痕区域内部的移植物在瘢痕区域内部[78]。大鼠中获得的成功结果在更大的动物中被复制，具有较慢的心率。使用表达钙传感器GCAMP3的工程化学 - CMS，研究人员能够证明HESC-CMS与豚鼠中的宿主心肌耦合，与非人类灵长类动物[81] MI模型。虽然在豚鼠模型中获得的结果令人鼓舞，研究人员观察到HESC-CMS移植物的心律失常抑制作用[80]，提出了心律失常过程的存在，作为HESC治疗的非人类原始化物中的主要问题之一CMS [81]。尽管HESC-CMS的相当大的植入，覆盖了40％的疤痕体积，并且在非人类主题中观察到的机电移植宿主偶联[81]，心律失常事件可能是由于HESC-CMS获得成熟的表型在活的有机体内，可能延迟hESC-CMs向临床研究的转化。

    在诱导多能干细胞（IPSC）技术的出现中，克服了从人胚囊中的HECS分离[82]后提出的伦理问题[82] [83]。目前，可以使用自由基因的基因组的基因组无线技术生成IPSC，如RNA的仙台病毒载体[84]。HESC / IPSC分化后，少量细胞可能仍然是未分化的;成为畸胎瘤形成的潜在来源。不同的方法试图消除未分化的细胞，最近，李等人．[85]开发了一种使用小分子对抗survivin的临床级策略。这些分子选择性地消除未分化细胞，而不干扰分化过程[85]。人ipsc -心肌细胞在实验室中可以获得高纯度(90%)[86]，一旦解决了非人类灵长类动物的心律失常事件[81]，就可以很容易地用于患者特异性治疗。

    结论

    自从近二十年前进行的第一次研究证明了细胞治疗的可行性[35,72]作为心肌梗死治疗中需要考虑的一种新方法，在临床前研究中已经测试了多种细胞类型。BMC、ADC和成肌细胞是有吸引力的来源，因为它们可以提取大量细胞用于自体治疗。BMC和ADC通过诱导细胞凋亡对心功能产生有益影响梗死心脏中的血管生成和旁分泌因子分泌[49,51,87]。心肌梗死临床前模型中的成肌细胞增殖和分化[35]干扰不良心室重构[41]，但不能与宿主心肌细胞机电耦合[37].到目前为止，没有证据表明BMC、ADC或成肌细胞介导宿主心脏增殖的诱导，也没有证据表明它们在体内分化或转分化为心肌细胞[15,40,49]。

    心肌细胞的吸引力在于，它们不仅能产生心肌细胞，还能产生平滑肌细胞和内皮细胞[88]，并具有形成血管的潜力，这是心脏移植存活所必需的。许多实验室已经报道了胎儿、成人或hesc来源的CPCs的分离[52,53,56]，其基于的细胞表面标记物对心血管谱系并不特异[57,60,66]。我们需要与发育生物学实验室密切合作，以更好地帮助我们识别cpc特有的细胞表面标记物。

    HESC-CMS能够在MI的非人类动态模型中用宿主心肌细胞[81]在MI的非人群体模型中对大区域进行机电，将其定位为未来临床试验的优秀细胞来源。细胞植入的改善，室性心肌细胞的特异性分离，并在体内寻找策略以增强HESCCM成熟，以缓解心律失常过程，有助于这种治疗从长凳跳到床边。

    作为预测的临床前研究，细胞疗法转化为临床研究的疗法尚未奖励。可能涉及不同的因素，从用于将细胞分离在植入前的技术，密度梯度[24]和Ficoll [26]到植入从半百万[68]的细胞数量的差异到超过20亿[26]．关于细胞的数量，Poseidon试验报告了在LVEF中的反向剂量反应效应[89]。在临床研究中，应该被认为是在临床前研究中的“患者”中的受控条件不能达到。

    总之，在临床试验中，细胞治疗心肌梗死已经被证明是安全的[24-27,50,71]，但它们是否对患者有任何有益的效果仍存在争议[30-32]。这些结果表明，为心肌梗死寻找理想细胞类型的竞赛仍比以往任何时候都更加开放。

    确认

    我要感谢我的资金来源，康涅狄格州政府干细胞种子基金13-SCA-YALE-32。

    特别感谢Yibing Qyang教授和Carol Y. Suh对本文的评论。

    脚注

    作者声明没有利益冲突。

    我向这篇文章中没有提及的科学家们道歉。这篇综述文章旨在对这一不断扩展的领域进行概述。

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