Nat rev Cardiol：心脏修复细胞治疗综述

【编者按】心衰发病率日益增加，而心衰治疗不尽如人意，为此，人们不断探索着新的治疗手段。再生治疗似乎给我们带来了新的曙光，现阶段，心血管疾病再生治疗研究在患者心肌损伤后立即注射干细胞，以预防缺血性心肌病或充血性心力衰竭的发生发展。

全世界而言，已有数千名患者接受自体干细胞治疗，目前也已阐明干细胞治疗的安全可行性、存在的误区以及治疗优化策略。III期临床试验的开展将进一步证实细胞再生医疗的价值并解决成功过渡到临床实践的障碍。

但是，细胞治疗存在局限性，主要包括细胞类型不明确，细胞处理过程多样性以及自体干细胞功能变异性等。本文总结了“第一代”干细胞治疗研究经验，并强调了干细胞纯化和谱系定向分化推进心血管疾病“第二代”干细胞治疗发展方面的进展。

前言：

多能干细胞应用于心血管疾病再生治疗已有10余年的历史，多年来基础与临床研究经验，干细胞分离、生长和输送进展，干细胞治疗安全性和治疗机制的研究以及心衰患者逐年增长等因素使得再生治疗领域经久不衰。

人口老龄化，诊断和治疗水平的改善决定了心衰目前的流行病学特征。现阶段，年均心衰发生率已达到令人吃惊的程度，每年心脏相关死亡数达到2000万。失代偿心衰是患者重复入院的主要原因，全世界每年失代偿心衰治疗花费高达1200亿美元，5年死亡率50%左右。

心衰是一种进展性疾病，尽管β阻滞剂、ACEI和醛固酮受体拮抗剂等药物治疗和心脏同步化治疗以及左室辅助装置等器械治疗减少心衰死亡率，改善患者生活质量，但是对于终末期心衰患者而言，心脏移植才是唯一有效治疗手段，然而，全球范围内心脏移植供体短缺仍是巨大障碍。

目前，细胞再生治疗的主要目的在于增加标准治疗基础上的获益，为此，细胞治疗集中在两大领域：急性心肌梗死心脏保护治疗和慢性缺血性心脏病心脏恢复治疗。心脏保护治疗旨在限制心肌缺血损伤，而对于心衰患者，细胞再生治疗旨在保留正常心肌功能。

关于骨髓来源单个核干细胞（BMMNCs）的疗效众说纷纭，最初临床试用效果令人倍受鼓舞，欧洲开展的大多数研究也表明BMMNCs对急性心梗和充血性心衰有益，但在过去的2-3年，美国大型临床研究表明BMMNCs对急性心梗或充血性心衰均无益。这些背道而驰的结论使人们对BMMNCs，或者更进一步说是干细胞作为再生治疗工具产生了质疑。

随着对骨髓等非选择性组织细胞成分的深入了解，去除非再生细胞和扩增具有多功能特性细胞的新技术得以开辟，再生治疗概念机制也得以改变，即从直接细胞接到再生效应的假设转变为细胞治疗依赖旁分泌效应的理论。

再生医疗领域不再严格定义为细胞治疗，已拓展到包含以恢复组织再生先天过程为目的的方法。相应地，组织工程、分子药物或基因治疗已得到开展，这些技术单独或联合干细胞治疗用于达到组织再生的目的。研究人员也已废弃细胞输送介导再生概念，进而追求分子和细胞生物联合治疗以及增强细胞输送的生物工程，以达到细胞自由再生或构建新生器官结构基础。

干细胞科学本身也获得了长足的进步，比如在细胞的收集、分离和扩增方面以及细胞移植前实现干细胞再生能力预测等。

本文批判性评估 “第一代”BMMNCs治疗的临床试验以及向着治疗心脏疾病临床试验最后阶段和关键时刻稳步前行的干细胞平台的发展。另外，本文还阐述了细胞治疗进入临床实践的复杂性，并概述可能改造再生医学的技术。

再生机制图：移植细胞通过直接和间接途径介导组织再生

第一代细胞治疗:

基础研究最初表明BMMNCs在治疗急性心梗具有生物活性，干细胞可以分化为心肌细胞和内皮细胞，这些分化而来的细胞主要位于梗死交界区，并且在心脏梗死区产生新的功能性组织。尸检报告也提示骨髓移植患者存在骨髓源性心脏组细胞。

这些研究发现促成了所谓的“第一代”细胞治疗，即谱系非选择性BMMNCs登上心脏病治疗舞台。让我们一起回顾一下缺血性心脏病“第一代”细胞再生治疗研究（表一）。

第一代BMMNCs批判性分析

大多数BMMNCs研究疗效评估基于急性心梗后左室射血分数（LVEF）改变，而LVEF作为急性心梗后心功能测定指标对预测长期预后效能不足，大多数患者心梗后心功能自发性恢复一定程度，也因此可能减弱了细胞治疗获益。

与小分子药物或生物制剂不同，细胞治疗概念在于输送存活的有功能的整体以达到临床疗效。目前自体干细胞治疗不足以控制质量，保证一致的生物学活性。因此，原则上而言，采用同种异体干细胞或祖细胞更利于控制，因为这些细胞可以进行严格的质量控制和功能测试。

异体干细胞免疫原性仍存在争议。考虑到免疫介导细胞清除的可能性，异体干细胞生物活性必须是短暂的，反复输注可能带来引起免疫反应，另外需全面平衡产生反应性抗体带来的风险。而自体干细胞不存在免疫反应问题，但是需要质量控制和能力测试。现阶段BMMNCs研究都采用自体干细胞输送方式，但是在细胞分离、孵育、载体和输送细胞数方面均存在很大差异。另外，目前尚无针对“第一代”BMMNCs再生能力的有效评估手段 。

为了有效比较干细胞治疗获益，在质量控制条例、操作步骤标准、能力评估和释放标准等方面应该一致。基于欧洲临床试验经验，CCTRN在美国开展了符合上述标准的BMMNCs试验，但研究结果并不如人意。

TIME研究、Late-TIME研究和FOCUS-CCTRN研究均表明分离的BMMNCs治疗急性、亚急性或慢性缺血性心肌病均未改善心肌功能。但是，这些研究中细胞处理过程来源于REPAIR-AMI研究，人们不禁要问后期试验中细胞治疗减少死亡率、心肌损伤以及急性心梗后充血性心衰发生率是否由于BMMNCs不同旁分泌作用。这一问题或许可以从BAMIIII期试验得到答案。

如果BAMIIII期试验结果阳性，我们或许可以认为标准治疗上联合细胞治疗增加急性心梗后生存率。但是，回过头来看，第一代BMMNCs治疗研究混淆了我们对干细胞技术治疗价值的理解，但这些早期试验的方法变异性为后续优化构建了框架，另外，影像学技术发展和生物标记物的发现都可能使细胞治疗获益最大化。

纯化干细胞治疗:

纯化的组细胞或干细胞使再生医学超越了BMMNC范畴，细胞纯化通过细胞表面标记分选出特异性细胞谱系。纯化细胞用于再生治疗有助于消除生物变异性，为探测细胞功能提供了机遇。另外，纯化干细胞可能因清楚了“惰性”细胞亚群而增加修复能力。目前纯化细胞主要有两种：人间充质干细胞（hMSC）和CD34+内皮组细胞（EPCs），主要用于治疗慢性心脏病。

“下一代”干细胞治疗

“下一代”干细胞治疗指的是输送细胞来自靶器官（本文中即为心脏）或谱系定向分化，从而实现最优化治疗缺陷组织。接下来，让我们一起学习缺血性心脏病纯化细胞和“下一代”干细胞再生治疗研究

发现修复利基:

干细胞或组细胞在再生能力方面有很强的可塑性和克隆性，为了更好地修复受损心脏，干细胞生物制剂必须与移植微环境竞争，甚至逆转病理环境。有效改善心肌微环境可以提高细胞治疗疗效 。另外，立即和处理受体器官对于干细胞治疗效果而言与充分理解移植生物制剂同样重要。

心脏再生治疗的成功将在于发展针对特定患者的高特异性治疗，而“下一代”干细胞技术正是通向成功的至关重要的一步。未来细胞治疗优化需要了解细胞剂量间相互作用，细胞滞留以及如何在组织水平调整微环境。我们的研究已转向“下一代”干细胞技术，为了保证临床最佳疗效，建立生物鉴定和基础模型来检测新生物制剂的再生能力势在必行。

非细胞再生:

由于细胞剂量和心脏修复益处之间没有明确的关系，旁分泌或内分泌机制可能是细胞再生的主要途径。根据这一理论，可以认为移植干细胞是装有细胞因子和生长因子的容器，并且释放这些因子调节心肌微环境形成再生反应。目前，基础研究已表明生长因子促进细胞再生。但是，心血管修复生理过程远不止一个或两个生长因子，而是通过多条途径协同作用实现的。

生长因子治疗

1998年，有研究报道直接注射编码血管内皮生长因子（ VEGF）的DNA质粒改善心脏血流，并缓解心绞痛症状。同年，研究表明FGF促进血管再生。但是，许多试验表明血管新生治疗疗效有限。尽管这些试验中有大部分针对病情复杂和终末期心血管疾病，可能掩盖了治疗潜在获益，但不管怎样，对于生长因子疗效还有待进一步研究来阐明。

趋化治疗

其它非细胞治疗聚焦在从内生池召集干细胞或祖细胞接到心肌修复。研究表明GCSF或粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（ GM-CSF）介导骨髓源性干细胞转移到外周循环，但是这些细胞因子并没有明确改善缺血性心肌病功能的证据。

另外一条招募分散干细胞的途径就是针对CXCR4–SDF-1轴。基础研究表明外源性SDF-1可以转移骨髓内CXCR4+细胞，有利于治疗小鼠慢性缺血性心肌病。临床研究表明，心内膜注射编码SDF-1的DNA质粒改善缺血性心衰患者6分钟步行距离和生活质量。也有研究表明急性心梗采用CXCR4抑制剂治疗阻断SDF-1信号通路改善缺血再灌小鼠恢复。因此，掌握时间点至关重要。找到平衡心脏损伤后炎症、心脏保护和再生的分子可能成为新的治疗靶点。

基质治疗:

干细胞和非细胞生物制剂输送载体是细胞再生治疗的重要组成部分。为了确保细胞在心肌组织最大程度保留，新的方法应运而生，即赋予基质理化特性，使细胞和因子极为贴近目标组织。研究人员已在细胞和组织水平研究干细胞悬浮在细胞外基质引导心脏分化，并且为整合到宿主心肌提供嫁接的能力。

有研究报道基质中同时潜入干细胞和生长因子可以促进干细胞分化为功能性心肌细胞。另外，金纳米复合材料或附加电场等可以增强功能性心肌细胞空间组成。这些新技术在动物水平安全有效性得到验证，但是，这些技术以及潜在治疗价值，需要在大动物或人类研究中进一步研究。

直接诱导心脏发育:

研究报道，胚胎干细胞（ESCs）拥有原始干细胞表型，可以作为心脏发育模型。通过骨形态生成蛋白2（BMP-2）和阶段特异性胚胎抗原（SSEA）选择的细胞类型，或许可以实现从基础到临床治疗。另外，模仿ESC表型或许可以治疗遗传疾病。

另一种新的心肌再生方案为将心脏成纤维细胞转变为功能性心肌细胞。基础研究表明通过逆转录病毒介导的基因输送可以将梗死瘢痕中的成纤维细胞分化为功能性心肌细胞。尽管逆转录病毒限制了该方案直接进入临床，但方法可能为缺血性心肌病纤维心肌再生绘制了蓝图。

随着心血管再生医学多学科发展和创新，特异性针对心肌损伤保护和心衰器官修复的技术规模将会进一步壮大。

结语：

再生医学新纪元即将到来，过去十年的发展为再生医学的继续前进奠定了基础。早期“第一代”干细胞治疗表明在急性损伤和器官衰竭情况下均可以将细胞有效输送至心肌。另外，基础和临床研究已经改又进了对心脏固有再生能力以及干细胞影响再生机制的认识。但是，细胞收集时间、质量控制等认识的匮乏形成了细胞成功移植的障碍。

“下一代”干细胞治疗实现了细胞纯化、细胞来源以及细胞反应的优化，并且在II期临床试验中展现获益证据。随着心脏再生基础以及心肌损伤和修复过程中微环境改变等认识的增加，细胞治疗治疗疾病类型可能更加局限化。

一些研究表明细胞量和临床预后之间存在负相关，因此明确干细胞治疗剂量和特征非常重要。谱系定向分化是“下一代”细胞治疗的重要方面，可能实现安全最大化。I期和II期临床试验也证实了这一点。

随着细胞治疗领域的发展，新的再生形式开始崭露头角。现代化治疗手段集细胞、基因、分子和生物工程技术于一体，以解决再生领域的生物复杂性。

生物制剂和干细胞治疗通常用于加快重建和整形修复过程，治疗类风湿性疾病或缓解退行性关节疾病患者疼痛，为细胞治疗应用于心脏病学开创了先例。尽管心脏再生的未来需要进一步研究和新发现作为担保，但过去的研究经验为治愈医疗理念奠定了基础。