Nature子刊：受胚胎髮育過程啟發而來的心肌梗塞幹細胞療法新思路

心肌梗塞（Myocardial Infarction）是當下全球人口中最大的死因之一，表現為急性或持續性缺血、缺氧所引起的心肌壞死，而心肌本身又缺乏再生能力以進行修復。目前，臨床上尚無手段以彌補心肌梗塞造成的心肌細胞數量減少。不過，已有一些試驗性思路正在探索中，但是卻因為種種挑戰仍與實際醫學應用有著相當的距離。

將幹細胞懸液施於梗塞部位以使其分化為心肌細胞是一種看似最為直觀的方法。然而，這些遊離的單個細胞很難留存於梗塞部位，絕大多數在幾天內便會“逃逸”進入血液循環。若將幹細胞包裹在水凝膠的多孔小型組織支架中再植入梗塞部位，雖然留存情況會改善，但由於支架中氧氣擴散的速率往往難以滿足幹細胞的需要，後者在這些支架中會大量死亡。此外，剛剛發生心肌梗塞的部位往往會聚集相當數量的巨噬細胞及其分泌的細胞因子。這不僅會直接傷害到植入的幹細胞，還會因後者的加入還被進一步激發，從而十分不利於幹細胞的存活。

更為令人擔憂的是，分化程度較低的幹細胞可能會在心肌內形成腫瘤。為了避免這一後果，上述幹細胞通常需要經過一定程度的分化，以減少發生癌變的機率。在這一過程中，分化的時機需精確掌控。如果將較成熟心肌細胞植入，這些細胞會因已形成固有的且與受體心肌細胞不一致的電生理特性，而造成心肌功能異常；只有讓幹細胞成為處於早期分化階段的心肌細胞，再進行植入，才能既減少癌變風險，又使其被周圍的受體心肌細胞調試，發展出與其一致的電生理特性。

這麼一說，心肌梗塞的幹細胞療法真是說起來容易，做起來難。然而即便這樣，最近，美國俄亥俄州立大學的劉振國、何曉明和Noah Weisleder教授的研究團隊仍然摸索出了一套有效的幹細胞療法，在心肌梗塞小鼠模型中取得了顯著的效果。他們的成果發表在近期的Nature子刊《Nature Communications》上。

▲劉振國（左）、何曉明（中）和Noah Weisleder（右）教授

（圖片來源：俄亥俄州立大學官網）

該方法模仿了早期胚胎髮育的過程。研究人員先將20多個小鼠胚胎幹細胞植入一個由半通透性的海藻酸鹽水凝膠外殼包裹的微囊內，這裡的外殼類似於早期胚胎的透明帶。上述幹細胞會首先分裂，形成由1000多個幹細胞組成的聚集體，進入到了類似於桑椹胚的階段。之後，研究人員通過引入BMP-4和bFGF等轉錄因子，用3天的時間將微囊中的幹細胞團初步誘導為處於早期分化階段的心肌細胞，再以檸檬酸鈉將微囊的外殼溶解，將上述初步分化的細胞團釋放出來。這些細胞團後者又會通過先後浸泡於殼聚糖和氧化海藻酸鹽的溶液中，被包裹進入海藻酸鹽-殼聚糖（ACM）微型基質中，形成另一種微囊，以備心肌植入。值得指出的是，儘管反覆經歷了這樣的包裹和再包裹的過程，上述細胞團依然保持著高度的生活力。

▲處分化心肌細胞團製作步驟（右）與胚胎髮育過程（右）對照

（圖片來源：Nature Communications）

接著，研究人員通過左前降支動脈的永久性結紮，造成野生型或具有巨噬細胞功能缺陷的Card9基因敲除小鼠發生心肌梗塞，並在僅5分鐘後，將這些包裹有初步分化心肌細胞的ACM微囊植入小鼠的心肌梗塞部位，其中的ACM基質會在3天內自行降解。結果顯示，小鼠的心肌功能在這之後出現了顯著改善，反映在射血分數、心輸出量、每搏輸出量等指標上，且發生纖維化的比例下降。不僅如此，這些植入的初分化細胞在心肌中存活了下來，經過繼續分裂和分化，已於周圍的受體心肌細胞融為了一體，並且沒有發生癌變。

▲小鼠心肌梗塞手術和療法操作示意

（圖片來源：Nature Communications）

相比之下，野生型的心肌梗塞小鼠在接受無包裹初分化細胞團或者幹細胞懸浮液植入後，不僅心肌功能恢復效果下降了許多，而且一半以上均在梗塞部位形成了大型的肉芽腫，後者由巨噬細胞和T細胞等組成，顯示出現了強烈的免疫反應。這不僅導致被植入的細胞很可能已被大部分殺滅，且造成了相當比例的小鼠死亡。如果是Card9基因敲除小鼠，上述操作產生大型肉芽腫的機率則會有所下降，說明巨噬細胞在針對植入細胞的免疫反應中發揮了一定的作用。

這一由胚胎髮育過程啟發而設計出的心肌梗塞幹細胞療法不僅顯著恢復了小鼠模型的心肌功能，還有效地避免了受體免疫反應和癌變等風險。其中，ACM基質的重要性是顯而易見的。它不僅提高了植入細胞的留存度和存活率，而且創造了一個局部性的保護性微環境，使其免受免疫攻擊，並在“安全護送”萬植入細胞後可自行降解。這一開創性的手段為心肌梗塞幹細胞療法的開發提供了寶貴的思路。

參考資料：

[1] Bioengineering of injectable encapsulated aggregates of pluripotent stem cells for therapy of myocardial infarction

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