干细胞在治疗心血管疾病中的作用

概述：近年来，干细胞的再生特性已在多种疾病的背景下进行了研究，例如神经退行性疾病、骨关节炎和牙周炎。除了具有再生潜力外，干细胞还具有免疫调节特性，对炎症状况有有益的作用。心血管疾病（CVD）是导致死亡的主要原因。

本综述的目的是提出并讨论有关干细胞在心血管疾病治疗中作用的当前证据。我们将重点关注间充质干细胞（MSC）的使用。目前，间充质干细胞似乎是心脏再生领域最有吸引力的细胞。然而，大量研究探讨了增强间充质干细胞功能的潜在机制；因此，我们还将讨论进一步增强其有益效果的方法。

心血管疾病——特点及当前治疗策略

心血管疾病是一大类具有重大全球负担的疾病。2019年，心血管疾病患者超过5亿人。该术语包括一组心脏和血管疾病，包括动脉粥样硬化、冠状动脉疾病 (CAD)、中风和脑出血、心肌病和心力衰竭 (HF)。CVD经常同时存在，并且它们的发病机制是相关的。CVD的主要行为危险因素包括不良饮食、缺乏身体活动、吸烟和饮酒。这些因素可能导致高血压、高胆固醇血症、高血糖和肥胖，这些都与心脏病、中风和心力衰竭的风险增加有关。

• 冠状动脉疾病是一种与动脉壁上动脉粥样硬化斑块积聚相关的疾病。它导致动脉血流量减少、心肌缺氧和冠状动脉供血不足。CAD涵盖多种临床病症，包括无症状动脉粥样硬化、稳定型心绞痛和急性冠状动脉综合征（不稳定型心绞痛（UA）、非ST段抬高型心肌梗死（NSTEMI）、ST段抬高型心肌梗死（STEMI））。稳定型心绞痛的症状包括胸痛，尤其是与压力或体育锻炼有关的胸痛，放射至颈部、下颌或手臂。休息时或服用硝酸甘油后1-3分钟内疼痛就会减轻。重要的是，稳定型心绞痛不会导致心肌细胞坏死。加拿大心血管学会（CCS）根据疾病症状对CAD患者进行了四级分级。这些症状通常与运动能力有关，其中第一阶段是最温和的，不限制日常活动，第四阶段甚至与休息时症状的发生有关。

目前CAD的治疗策略基于血管内介入治疗、冠状动脉搭桥手术 (CABG) 、药物和非药物治疗。侵入性治疗更有效，但保守治疗方法也有好处。它们减缓动脉粥样硬化的进展，缓解症状，并预防动脉粥样硬化血栓事件。这些方法基于抗缺血药物（主要是β受体阻滞剂或钙通道抑制剂）和硝酸盐的特殊使用的组合。具有抗血小板特性的药物，例如乙酰水杨酸或氯吡格雷，可以降低主要血管事件的风险。此外，用他汀类药物和其他降脂药治疗高胆固醇血症可减少动脉粥样硬化斑块的积累。改变生活方式对于减少心血管危险因素至关重要，包括改变饮食、锻炼和戒烟。

• 心肌病是相对罕见的疾病，分为主要类型（遗传性、混合性或获得性）和次要类型，导致各种表型，例如扩张型、肥厚型和限制型。扩张型心肌病 (DCM) 的诊断是在收缩功能障碍和左心室 (LV) 扩张但没有CAD的情况下进行的。多种因素可能导致DCM的发生，包括感染、毒素、炎症和代谢因素。

• 心力衰竭是一种以结构性或功能性心脏缺陷引起的症状为特征的疾病，通过高利尿钠肽水平和/或肺部或全身充血的客观证据证实。心力衰竭分为急性或慢性。最常见的原因包括高血压、冠心病、心肌病、瓣膜缺陷和心包疾病。此外，其他心外疾病也可能导致心力衰竭的发生，例如糖尿病、肾衰竭、感染。
  • 慢性心力衰竭由左心室射血分数 (LVEF) 定义，分为三组：射血分数降低 (LVEF≤40%)；射血分数轻度降低（LVEF41–49%）；和射血分数保留（LVEF≥50%）。慢性心力衰竭主要症状为呼吸困难、运动受限、腿部肿胀、腹围增大等。心力衰竭患者按纽约心脏协会分级（NYHA量表）。该量表根据运动能力将患者分为四组。

心力衰竭的药物治疗基于四类主要药物。第一种是肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制剂（RAASi），包括ACE抑制剂（ACE-I）、血管紧张素受体阻滞剂（ARB）和血管紧张素受体/脑啡肽酶抑制剂（ARNI）。其他治疗方法包括β受体阻滞剂 (BB)、盐皮质激素受体拮抗剂 (MRA) 和钠葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂 (SGLT2i) 。尽管过去几十年来在心力衰竭创新药物治疗方面取得了重大进展，但过早死亡的预防仅略有改善。环境因素恶化、饮食不良和人口老龄化导致受这些疾病影响的人数不断增加。

目前的治疗方法不能诱导心脏组织再生，并且不足以减少纤维化组织。因此，需要尽快制定新的治疗策略并将其实施到日常实践中。干细胞或继承旁分泌因子的使用可能成为一种新的治疗策略。

干细胞与冠状动脉疾病

干细胞和动脉粥样硬化——巨噬细胞

动脉粥样硬化是一种常见的炎症性血管疾病，其特征是大动脉内壁内脂蛋白、脂质、纤维成分的积累和钙化。由于动脉粥样硬化的患病率不断增加及其与不良反应的相关性，用现有药物调节血脂水平是不够的。

在血管动脉粥样硬化的背景下，间充质干细胞表现出抗凋亡和抗炎特性。它们具有免疫调节特性，可调节免疫细胞（包括巨噬细胞）的行为，巨噬细胞在动脉粥样硬化中发挥重要作用。巨噬细胞通常分为两种主要亚型：M1（经典激活）和M2（选择性激活）巨噬细胞。然而，最近的研究表明这些细胞有更多的亚群。在动脉粥样硬化斑块中，检测到促炎细胞、泡沫状抗炎细胞以及驻留巨噬细胞。

研究表明间充质干细胞具有通过介导巨噬细胞极化来调节动脉粥样硬化进展的能力。

范等人证明AD-MSCs移植降低了动脉粥样硬化大鼠血清中甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）和低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）的水平。表格1：总结了有关MSC通过调节巨噬细胞功能抑制动脉粥样硬化进展的临床前模型和研究结果。

干细胞和动脉粥样硬化——内皮细胞

除巨噬细胞外，内皮细胞是动脉粥样硬化发病机制中另一个非常重要的细胞群。由于血流紊乱、oxLDL和促炎细胞因子等多种因素，内皮细胞无法维持体内平衡，从而导致其功能障碍。因此，这些细胞被激活，血管壁刺激包括血小板激活、白细胞粘附、血管收缩和脂质积累在内的过程。

多项研究已经证明干细胞在减少内皮细胞炎症方面的功效，从而缓解动脉粥样硬化。具体来说，旁分泌产物，例如细胞外囊泡，在此过程中发挥重要作用。例如，高葡萄糖条件会损害人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 的功能，例如迁移和管破裂。MSC的条件培养基可以显着改善这些过程。
间充质干细胞与心肌梗塞和缺血性心脏病

缺血性心脏病（IHD）是一种以心肌细胞氧气和营养供应不足为特征的临床综合征。冠状动脉粥样硬化被认为是IHD的主要原因，它通过供应心肌的心外膜动脉管腔变窄而导致缺血。长期以来，缺血性心脏病一直是全球主要死亡原因，其在公共卫生中的重要性不断增强。缺血性心脏病引起的死亡大致可分为心源性猝死和急性心肌梗死（AMI）引起的死亡。由于AMI后许多患者的心肌细胞遭到破坏，导致LVEF降低并导致缺血性心力衰竭的发生。

需要强调的是，尽管目前PCI（经皮冠状动脉介入治疗）等再灌注疗法的应用具有广泛的可能性，但MI急性期LVEF降低仍然是不良结局的最关键的独立预后因素。由于心肌细胞的再生能力有限，研究人员正在仔细研究干细胞的潜在用途及其在心肌缺血治疗中的再生和抗炎特性。

间充质干细胞在心肌梗死后心肌再生中的作用多年来一直是研究和讨论的主题。潜在的修复机制包括刺激血管生成、影响微环境以促进心脏组织修复、调节免疫反应、减少炎症和减少疤痕组织以潜在地增强心肌梗死后心脏的功能恢复。

临床前研究已经证明，通过调节各种途径和细胞过程，使用干细胞治疗缺血和梗塞具有重要的潜在益处。间充质干细胞分泌的旁分泌因子在诱导有益效果方面发挥着重要作用。例如，MSC条件培养基可以通过增加基质金属蛋白酶的活性并抑制基质金属蛋白酶的组织抑制剂来影响心脏成纤维细胞的功能，从而影响细胞外基质重塑。

在一项研究中，Zhang及其同事报告说，lncRNA Mir9-3hg在源自BM-MSC的外泌体中大量表达。它可以结合并抑制PUM2，从而抑制心肌细胞的铁死亡（图1）。在MSC衍生的外泌体中检测到的其他对心肌细胞产生有益作用的分子包括miR-23a-3p、miR-214、miR-205和HAD2-AS1。

干细胞也在临床环境中进行了研究（表2）。干细胞移植可以是自体的或同种异体的。

在2004-2005年进行的一项多中心临床试验中，德国研究人员在成功再灌注治疗和支架植入后3-7天，向研究组的101名个体静脉注射自体BM-MSC。四个月后，观察到研究组的LVEF显着高于安慰剂组。初始LVEF最低的个体左心室收缩力的改善最为显着。

CHART-1是一项前瞻性、随机性、规模最大的临床试验之一，调查心脏生成干细胞的安全性和有效性。一百二十名患者接受了基于细胞的治疗，一百五十一名患者属于假手术队列。主要终点是多个函子综合指标的改善，包括死亡率、心力衰竭恶化和六分钟步行测试结果。总体人群未达到主要终点。然而，在LVEDV为200-370mL的患者亚组中观察到更好的结果。重要的是，在晚期左心室扩大的患者队列中，观察到生活质量显着改善。此外，最近的临床试验并未证明AD-MSCs治疗MI后患者能够取得先前预期的改善。

2017年发表的一项静脉输注脐带间充质干细胞（UC-MSC）治疗心脏病的随机临床试验中，心力衰竭和射血分数降低的患者被随机分为两组，每组n=15：静脉输注同种异体UC-MSCs (1×106细胞/kg)或安慰剂。UC-MSCs治疗的患者未出现与细胞注射相关的不良事件。

在随访的第3、6和12个月时经胸超声心动图和心脏MRI评估，只有经UC-MSCs治疗组显示出左心室射血分数的显著改善。两组间超声心动图左心室射血分数从基线到第12个月的变化差异显著。

结果表明心力衰竭和射血分数降低的患者静脉输注UC-MSC是安全的，且可观察到接受UC-MSCs治疗的患者在左心室功能、功能状态和生活质量的改善。

在另一项随机临床试验中，研究了WJ-MSC在MI后患者的冠状动脉内应用。五十八名患者接受了细胞治疗。重要的是，同种异体细胞治疗促进了心脏功能并减少了梗塞面积。此外，WJ-MSC影响LVEDV和LVESV，从而防止心脏重塑。重要的是，两个队列在主要不良心脏事件方面没有差异。

干细胞和扩张型心肌病

扩张型心肌病的特点是在没有CAD迹象的情况下出现心室扩张或收缩功能障碍，从而导致心力衰竭或患者死亡。当前的治疗策略并不总能提供所需的疗效。干细胞为多种心脏病的组织再生开辟了非凡的新途径。由于其分化特性，间充质干细胞可能在扩张型心肌病中发挥治疗作用。临床前观察表明它们在治疗心脏纤维化中的作用。

心脏纤维化是由上皮间质转化和肌成纤维细胞活性引起的，参与DCM 的发病机制。重要的是，这个过程与心源性猝死的发生有关。干细胞具有很强的抗纤维化特性，可用于治疗DCM。张等人的一项研究。证明UC-MSC治疗可减少DCM大鼠模型的心脏纤维化。从机制上讲，干细胞被发现可以抑制TGF-β1、III 型胶原和p-ERK1/2的表达。

如何提高干细胞在心脏病中的活性？

干细胞疗法是治疗心血管疾病的一个有前途的概念，但移植细胞的存活率低可能与其疗效降低有关。然而，干细胞的活性和活力或其向心肌细胞的分化可以通过用天然和药物制剂进行预处理以及基因转染来增强，以增加干细胞治疗的益处。此外，当心力衰竭患者表现出功能改变的细胞时，对其环境的刺激或改变可以进一步增强其活性。

已经研究了用经典药物预处理MSC的影响：这包括广泛用于降低胆固醇浓度的他汀类药物。已发现阿托伐他汀刺激干细胞可促进促血管生成机制。此外，预处理与动物MI模型中CXC趋化因子受体4 (CXCR4) 的上调和干细胞心脏归巢的改善以及疗效的提高、炎症和纤维化的减少有关。阿托伐他汀可以通过改变外泌体的负载来调节MSC的分泌组。具体来说，正如Huang和合作者所证明的那样，阿托伐他汀增强了干细胞来源的外泌体中lncRNA H19的分泌，这可能是预处理干细胞的有益活性的原因。

多项研究已证明H19对各种心脏疾病模型中的心脏功能具有有益影响。在另一份报告中，阿托伐他汀刺激显着下调了外泌体中的6个miRNA分子并上调了3个miRNA。上调的miR-139-3p可以刺激巨噬细胞向M2抗炎表型极化，从而改善其在MI模型中的效果（图2）。这些有希望的临床前研究结果为临床试验铺平了道路；杨等人比较了阿托伐他汀强化治疗联合单核细胞移植的疗效。与接受强效阿托伐他汀治疗的组相比，联合治疗组获得了显着更高的LVEF值，表明这些方法之间存在重要的协同作用。

相反，他汀类药物还可能通过降低iPSC来源的心肌细胞的活力和代谢活性来对其功能产生负面影响。用各种其他药物预处理MSC与提高疗效相关。总体而言，用多种各自的试剂和基因对干细胞进行预处理或转染与改善CVD治疗的疗效有关。图3，表3）。

结论和未来展望

总而言之，干细胞和外泌体疗法代表了MI后心肌病或HF患者令人兴奋的治疗策略，可诱导心脏组织再生并改善器官功能。多项研究表明，在CVD中加入MSC和iPSC衍生的心肌细胞以及干细胞衍生的细胞外囊泡进行治疗可产生有益的结果。其中一些细胞已经过临床检查，但临床试验表明这些疗法的功效较为有限。可以考虑几个因素来改善临床试验的结果，例如包括同质研究组、施用具有不同生物活性的MSC以及递送方法。

此外，可以通过改善干细胞的存活、植入、心脏归巢和促血管生成能力以及刺激心肌细胞分化来增强干细胞的有效性。这些过程可以通过调节循环脂肪因子、用天然或药物制剂预处理干细胞以及基因转染来实现。这些修饰可能会显着改变MSC的表达谱和分泌组，从而影响其免疫调节和再生特性。未来的研究需要调查干细胞诱导的有益机制以及如何改善其心脏保护和再生特性。

参考资料：Bakinowska E, Kiełbowski K, Boboryko D, et al. The Role of Stem Cells in the Treatment of Cardiovascular Diseases. International Journal of Molecular Sciences. 2024 Mar;25(7):3901. DOI: 10.3390/ijms25073901. PMID: 38612710; PMCID: PMC11011548.

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