心脏干细胞不再生心肌细胞，起作用的关键原来是急性免疫反应

成年哺乳动物心脏在很大程度上是非再生性的，并且不包含常驻干细胞群。成体干细胞或祖细胞治疗心脏再生的初步动物研究报告，直接从注射细胞中获得强有力的新生肌，改善了心脏功能。自那以后，许多独立的研究小组用越来越多种类的成体干细胞重复了这些研究，虽然可以重复观察到功能的改善，但几乎所有的研究小组都没有观察到这些注射细胞形成新的心肌细胞。

与此同时，在过去的17年里，成体干细胞在急性心肌梗死(MI)损伤或失代偿性心力衰竭患者中的临床试验在全球范围内得到了扩展，数以千计的患者参与，资金使用超过10亿美元。但结果有好有坏，常常并不理想，干细胞发挥积极作用的真正机理基础存在巨大争议。

11月27日发表在同行评审期刊Nature上的一项研究表明，心脏干细胞以一种完全不同的方式帮助受伤心脏的修复，而不是像最初设想的那样替换受损或死亡的心脏细胞。

结果表明，将活的甚至是死的心脏干细胞注入小鼠受伤的心脏会触发急性免疫反应，产生大量特异性巨噬细胞。从机制上讲，这种选择性的巨噬细胞反应改变了心脏成纤维细胞的活性，减少了边界区细胞外基质(ECM)的含量，增强了受伤部位的机械性能。因此，直接心肌细胞再生不再是一种可靠的机制，心脏干细胞治疗的功能优势可能是基于急性炎症的伤口愈合反应，其可以使心脏梗塞区域的机械特性恢复活力。

这项研究成果来自美国辛辛那提儿童医院心血管生物学家Jeffery Molkentin及其同事，并且已于去年12月发表在生命科学预印本网站BioRxiv上。

▲ Jeffery Molkentin（图片来源：HHMI）

Molkentin说：“先天免疫反应强烈改变了心脏受伤部位周围的细胞活动，因此愈合后留下了更好的疤痕，收缩性能也得到改善。我们的研究意义非常直接，并为心血管医学领域尚未解决的争论提供了重要的新证据。”

充满怀疑的领域

成体干细胞治疗心脏病的想法出现在2000年代初，当时研究人员报告说，来自骨髓或成年人心脏的表达c-kit蛋白的细胞在被注射到啮齿类动物受损心肌时会产生新的肌肉组织。其发现者Piero Anversa教授也因此声名鹊起。2007年，Piero就职于哈佛大学医学院，在该机构附属的布里格姆妇女医院领导一个再生医学实验室。他陆续发表了多篇文章，被认为是心肌再生领域的开创者，全球许多地方的研究者都试图追随他的脚步，实现修复心脏这个充满希望的梦想。

▲ Piero Anversa（图片来源：The New York Times）

但这些研究从一开始就引起了一些争议，主要原因是因为人类患者的心脏在梗塞后不会自我再生。

早期的怀疑始于2004年，当时两组独立的研究人员背靠背发表论文，驳斥了骨髓来源的c-kit细胞可以再生受损心脏组织的说法。尽管如此，内源性心脏干细胞的概念仍然是主流观点，直到Molkentin和他的同事于2014年发表在Nature的一项研究报告说，成年小鼠心脏中的c-kit细胞几乎从未产生过新的心肌细胞。

更明确地说，内源性c-kit阳性细胞确实在心脏内产生了新的心肌细胞，但其百分比约为0.03或更低，并且如果考虑到细胞融合的优势，该百分比将降至约0.008以下。相比之下，c-kit阳性细胞可大量生成心脏内皮细胞。因此，内源性c-kit阳性细胞可以在心脏内生成心肌细胞，但在功能上可能微不足道。

随后，哈佛大学医学院和附属布莱根妇女医院对Piero的实验室展开了调查。同年，他发表在Circulation杂志的一篇论文被撤稿。2015年，Piero的实验室被关闭，他本人从布莱根妇女医院离职。2017年，哈佛大学医学院被判赔偿政府1000万美元。2018年10月，Piero发表的31篇论文被撤稿，这一消息震惊全球学术界。

许多科学家现在认为，干细胞没有再生受损的心肌细胞。取而代之的是，越来越多的研究现在支持另一种理论，认为祖细胞会分泌称为旁分泌因子的小分子，这些分子有助于修复受损的心脏细胞。

注射这些干细胞时，它们在小鼠损伤模型中有助于心脏功能的作用是无可争议的。但是事实是，这些细胞大多数在到达受伤部位时已经死亡。所以问题是：如果这些细胞死亡，为什么心脏功能仍在改善？

急性免疫反应是作用关键？

与2014年的研究一样，Molkentin等人的最新研究表明，将c-kit阳性心脏干细胞注入受损的心脏作为一种再生心肌细胞的策略是行不通的。值得注意的是，急性免疫反应可能是起作用的关键！

新研究使用了目前在临床试验中使用的两种类型的心脏干细胞：

• 骨髓单核细胞(MNC)：这是临床试验中最早、使用最多的细胞类型

• 心脏祖细胞(CPCs)：表达受体酪氨酸激酶c-Kit的心脏间充质细胞

他们惊讶地发现，除了两种干细胞之外，注射死细胞甚至是一种旨在引起先天免疫反应的惰性化学物质——酵母多糖(Zymosan)，也能通过优化愈合过程而对心脏有益。

研究人员报告说，这项研究中测试的干细胞或酵母聚糖疗法改变了免疫细胞反应，从而显著减少了损伤部位多余的细胞基质结缔组织的形成，同时还改善了疤痕本身的机械性能。作者得出结论：“随着拉伸的增加，注射的心脏在被动力量方面发生了显著的更大变化，其外形更像未受伤的心脏。”

▲ 心肌细胞注射引起局部炎症，并伴有不同的巨噬细胞亚型的积累（图片来源：Nature）

▲ 细胞或炎症疗法可诱导一些内皮细胞，但不诱导心肌细胞形成（图片来源：Nature）

Molkentin及其同事还发现，干细胞和其他治疗性物质(如酵母聚糖)必须直接注射到梗塞灶周围的心脏。这与过去的大多数人类临床试验形成鲜明对比，出于患者安全的考虑，这些临床试验只是将干细胞注入循环系统。

Molkentin解释说：“目前的大多数试验设计也不正确，因为它们将细胞注入血管中。我们的结果表明，所注入的材料必须直接进入梗死区域两侧的心脏组织。这是愈合发生的地方，巨噬细胞可以发挥其神奇作用。”

研究人员还指出了一个有趣的发现，与混合干细胞或死细胞碎片相比，使用酵母聚糖治疗小鼠受伤的心脏对受伤的组织产生了更大、更持久的益处。

▲ 细胞或炎症疗法可恢复缺血/再灌注后的心脏功能（图片来源：Nature）

▲ 细胞疗法通过细胞外基质的重塑有益于梗塞的机械特性（图片来源：Nature）

这些结果显示，是免疫反应而非干细胞本身发出的信号在帮助心脏修复。Molkentin及其同事得出结论，有必要“重新评估目前基于细胞疗法的临床试验计划，以了解这种疗法实际上是如何起作用的”。

综上，以c-kit阳性心脏干细胞为基础的研究重心，仍然需要放在基础科研上。展望未来，Molkentin说，他和其他合作科学家将通过寻找方法来利用它们所测试的干细胞和化合物的愈合特性来跟踪研究结果。例如，考虑到心脏干细胞、细胞碎片和酵母聚糖如何在当前论文中均引发涉及巨噬细胞的急性先天免疫应答，他们将测试一种利用巨噬细胞选择性治愈特性的理论。他说，进一步测试对于制定未来的治疗策略可能非常重要。

其他心脏病干细胞疗法

心脏病仍然是全球的头号杀手，根据最新发表的《中国心血管病报告2018》报告，我国冠心病患者有1100万，肺原性心脏病患者500万，心力衰竭患者450万，风湿性心脏病患者250万，先天性心脏病患者200万，且发病人数和死亡人数逐年上升。

→ 2018年5月16日，日本厚生劳动省为诱导多能干(iPS)细胞的临床应用大开绿灯，有条件批准将其用于心脏病的临床试验。此项临床试验将由大阪大学心血管外科医生泽芳树(Yoshiki Sawa)领导的研究小组开展。但是，一个月后，日本西部发生强烈地震，这损害了原本可以培养必要细胞的研究设施。这项研究被推迟了。

▲ Yoshiki Sawa教授（图片来源：NHK）

今年10月，该研究小组表示已向大阪大学的审查委员会提出申请，希望实施临床试验，使用“心肌膜”进行手术，以推动该疗法早日用于患者治疗。据称，大阪大学已在22日前批准了这一申请。接下来，研究小组将向厚生劳动省提出实施临床试验的申请。截至目前，世界上还没有使用iPS细胞进行心脏病治疗手术的案例。研究人员表示，如果该试验申请获得批准，他们希望在明年三月之前进行第一次手术。

去年5月的公开报道称，临床计划将覆盖缺血性心肌病患者，或因动脉狭窄或阻塞而导致心脏虚弱的患者。3名年龄在18岁到79岁之间的患者将在心脏表面贴上两个圆形的细胞薄片，它们是由其他人的iPS细胞制成的心肌细胞“薄片”(厚度约0.1毫米)，主要通过这些细胞分泌蛋白质等物质来改善心脏功能。每一层的厚度为0.05毫米，直径为几厘米。

▲ 心肌贴片（图片来源：NHK）

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→ 澳大利亚Mesoblast公司正在开发由1.5亿个间充质前体细胞(MPCs)组成的Revascor，通过直接注射到患者的心肌中治疗疾病。一项III期试验(NCT02032004)正在评估Revascor用于治疗晚期心力衰竭患者。该试验已经完成了北美55个中心的患者登记，其中566名患者随机接受Revascor或安慰剂治疗。Mesoblast在今年早些时候表示，当积累了足够的主要终点事件时，这项研究将完成。

▲ MLC的抗炎特性（图片来源：Mesoblast）

Mesoblast专有的间充质谱系成体干细胞(MLCs)存在于多种组织中，它们在维持组织健康方面发挥着重要作用。MLCs是在血管周围发现的罕见细胞，可响应与组织损伤相关的信号；分泌促进组织修复和调节免疫反应的介质和生长因子。MLC技术平台能够开发基于不同细胞类型的广泛产品系列。临床前研究表明，MLCs对受损组织分泌的生物分子的生物活性包括血管功能和再生、组织修复和免疫调节。

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尽管干细胞治疗心脏病的研究领域受到了许多的波折，但是众多科学严谨的研究也不断为该领域带来活力。我们期待，多种类型的干细胞最终能实现心脏病治疗的突破！

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参考出处：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1802-2

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/506626v1

https://medicalxpress.com/news/2019-11-stem-cell-therapy-broken-hearts.html

https://www.nature.com/articles/nature13309

科技日报：移植干细胞可修复心脏机理找到

https://www.the-scientist.com/news-opinion/adult-cardiac-stem-cells-dont-exist--study-64752

http://www.xinhuanet.com/2018-10/17/c_1123573235.htm