干細(xì)胞是一組具有自我復(fù)制和多向分化潛能的原始細(xì)胞。在某些條件下，它們可以在體內(nèi)分化成多個成體細(xì)胞。干細(xì)胞療法，也稱為干細(xì)胞移植，是通過全身或局部注射將干細(xì)胞輸送到身體的特定部位，以修復(fù)患病或受損的組織。許多人類疾病是由某些器官內(nèi)的異常病變或組織死亡引起的。通過將干細(xì)胞移植到這些受損區(qū)域，可以再生健康細(xì)胞，從而改善器官功能并逆轉(zhuǎn)疾病狀態(tài)。

幾十年來，干細(xì)胞及其副產(chǎn)物在眾多臨床前研究和臨床試驗(yàn)中顯示出修復(fù)組織和器官的功效，為代謝性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重要疾病的替代療法和可能治愈提供了希望)、血液系統(tǒng)疾病、自身免疫性疾病和心血管疾病，包括心臟病。

設(shè)計(jì)更好的干細(xì)胞療法來治療心臟病

干細(xì)胞療法修復(fù)心臟病

根據(jù)美國心臟協(xié)會最近的報(bào)告，心血管疾病仍然是全世界的頭號死因。冠心病、擴(kuò)張型心肌病和嚴(yán)重的瓣膜病可在病程末期因心肌細(xì)胞缺血壞死而導(dǎo)致心力衰竭（HF）。同時，心臟移植存在供體缺乏、需要長期服用抗排斥藥物、醫(yī)療費(fèi)用高等問題。

由于現(xiàn)有的治療方法對心肌梗死后HF過程的逆轉(zhuǎn)能力仍然有限，因此心肌細(xì)胞的再生成為許多科學(xué)家研究的方向。越來越多的干細(xì)胞類型已被證明在心臟修復(fù)中可見，包括骨骼肌祖細(xì)胞、骨??髓干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSCs)、造血干細(xì)胞 (HSCs)、單核細(xì)胞等]、脂肪-衍生的干細(xì)胞、骨髓和血液衍生的內(nèi)皮祖細(xì)胞、心臟基質(zhì)細(xì)胞 (CSC) 等。

2016年8月，生物科技公司CardioCell在歐洲心臟病學(xué)會大會上公布了應(yīng)用干細(xì)胞治療慢性心力衰竭適應(yīng)癥的有效成果。這是世界上第一個研究間充質(zhì)干細(xì)胞 (itMSCs) 靜脈缺血耐受治療慢性心力衰竭效果的 2a 期臨床試驗(yàn)。該試驗(yàn)的結(jié)果證明是安全且耐受性良好的，但僅具有邊際功效。同年，在心血管造影和介入學(xué)會（SCAI）年會上，多位教授和專家共同宣布了RENEW（Auto CD34+ Stem Cells for Improvement難治性心絞痛患者的能力）試驗(yàn)和ATHENA（用于難治性慢性心肌缺血伴左心室功能障礙的自體脂肪再生細(xì)胞）試驗(yàn)。盡管這些試驗(yàn)的結(jié)果由于提前終止和有限的樣本量，它們?nèi)匀豢赡苁怯星巴镜陌l(fā)展，展示了可行的基于干細(xì)胞的心臟療法的潛力。

從工作臺到床邊的當(dāng)前限制和挑戰(zhàn)

干細(xì)胞移植具有巨大的潛力。理論上，干細(xì)胞可以分化成幾乎所有類型的人體細(xì)胞。然而，根據(jù)國際干細(xì)胞研究協(xié)會的說法，干細(xì)胞移植目前僅在造血系統(tǒng)治療中被認(rèn)為是安全有效的。其他廣泛使用的干細(xì)胞療法應(yīng)用于皮膚（在燒傷的情況下）、骨骼和角膜疾病以及骨髓移植。

幾十年來，干細(xì)胞已在臨床前動物模型和臨床試驗(yàn)中得到廣泛研究。然而，很少有試驗(yàn)獲得FDA的批準(zhǔn)并成功上市。對于心血管缺血等心臟病，干細(xì)胞療法在心臟病中的臨床試驗(yàn)有264項(xiàng)，但尚未進(jìn)入臨床（表1）。其他基于細(xì)胞的 HF 或心肌病療法包括 DREAM-HF（間充質(zhì)前體細(xì)胞在慢性HF中的3期試驗(yàn)）、CONCERT-HF（間充質(zhì)和c-kit+心臟干細(xì)胞的組合作為心力衰竭的再生療法）、ELPIS（左心發(fā)育不全綜合征患者的同種異體人MSC注射）和POSEIDON-DCM（同種異體與非缺血性擴(kuò)張型心肌病的自體 MSCs）。

干細(xì)胞療法修復(fù)心臟病的機(jī)制

最初，干細(xì)胞治療領(lǐng)域在治療心臟病方面有兩種機(jī)制。

一種是“替代”理論。在這種情況下，移植的干細(xì)胞分化成心肌細(xì)胞，取代因心肌梗塞而丟失的細(xì)胞。在一次重大心臟病發(fā)作事件中，患者可能會損失多達(dá)5億個心肌細(xì)胞。干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化的研究自該理論首次建立以來一直在積累。然而，許多研究中記錄的低存活率和植入效率使這種機(jī)制的重要性受到質(zhì)疑。同時，多項(xiàng)研究表明，成體干細(xì)胞不能分化為心肌細(xì)胞，但這似乎并不影響其修復(fù)受損心肌、改善心肌功能的能力。一系列不斷改進(jìn)的檢測技術(shù)繼續(xù)增加了解其行為背后機(jī)制的可能性。

另一種觀點(diǎn)是“清醒”學(xué)說，認(rèn)為干細(xì)胞分泌細(xì)胞因子營養(yǎng)素，促進(jìn)內(nèi)源性細(xì)胞增殖，從而減少因心肌梗死而死亡的細(xì)胞數(shù)量。旁分泌活動是細(xì)胞與附近其他細(xì)胞交流的重要過程。它似乎對體內(nèi)活躍的細(xì)胞間過程特別有價值，例如基于干細(xì)胞的再生。事實(shí)上，現(xiàn)在有大量證據(jù)支持旁分泌機(jī)制對組織再生至關(guān)重要的假設(shè)。

近年來，更多證據(jù)表明移植的干細(xì)胞通過向常駐細(xì)胞分泌生物活性蛋白或旁分泌因子來發(fā)揮其治療作用。在心臟中，還有多種旁分泌因子在心臟修復(fù)中起著關(guān)鍵作用，包括生長因子和趨化因子，如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、堿性成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）、肝細(xì)胞生長因子（HGF）、胰島素樣生長因子1 (IGF-1) 和分泌的卷曲相關(guān)蛋白2 (Sfrp2) 。

對急性心肌梗死 (AMI) 干細(xì)胞療法的研究越來越多，這對心臟無法修復(fù)的傳統(tǒng)觀念提出了質(zhì)疑。推而廣之，人們對針對心血管疾病的干細(xì)胞療法的熱情持續(xù)高漲。但不幸的是，無論是基于干細(xì)胞的心臟再生的臨床前研究，還是干細(xì)胞療法的臨床試驗(yàn)，仍然存在許多局限性。

未來干細(xì)胞療法治療心臟病需要克服哪些挑戰(zhàn)？

長期療效

盡管有證據(jù)表明心臟功能有短期改善，但尚不清楚心臟干細(xì)胞療法是否具有長期益處。

2009年4月，Meyer等人發(fā)表了一項(xiàng)涉及骨髓細(xì)胞移植以促進(jìn)ST段抬高心肌梗死再生 (BOOST) 的臨床試驗(yàn)的長期（5 年）隨訪。結(jié)果顯示，與對照組相比，6個月后左心室功能（以左心室射血分?jǐn)?shù) (LVEF) 衡量）明顯改善。然而，在應(yīng)用治療后5年的長期隨訪中，兩組在左心室心臟功能或主要不良心血管事件 (MACE) 的改善方面沒有顯著差異。研究人員認(rèn)為，盡管治療組LVEF恢復(fù)較快，但需要解決接受干細(xì)胞移植的AMI患者左心室收縮功能長期改善不足的問題。

無法控制的生物分布

損傷或疾病部位的干細(xì)胞移植不良被認(rèn)為是某些干細(xì)胞試驗(yàn)療效不佳的主要原因。傳統(tǒng)的干細(xì)胞全身輸送，通過靜脈注射完成，雖然很容易，但并不是特別擅長將細(xì)胞送到需要的地方。更重要的是，大部分注射細(xì)胞會積聚在其他器官中，例如肺。一種替代方法是直接將細(xì)胞或副產(chǎn)品注射到損傷組織中。這一直是心臟修復(fù)的流行研究策略。我們和許多其他人通常通過心肌內(nèi)注射將治療性干細(xì)胞注入心臟的梗塞邊界區(qū)。這種方法的一個明顯缺點(diǎn)是它通常需要開胸手術(shù)，導(dǎo)致術(shù)后疼痛增加和患者的一般風(fēng)險(xiǎn)。

另一個必須解決的臨床障礙是體內(nèi)干細(xì)胞的低存活。在許多基于干細(xì)胞的心臟修復(fù)臨床試驗(yàn)中，自體細(xì)胞被靜脈內(nèi)或冠狀動脈內(nèi)注射到患者體內(nèi)。不知何故，在移植24到48小時后，通常只有一小部分細(xì)胞（約 5%）留在移植部位。移植后四到六周，99%的保留細(xì)胞無法存活。據(jù)信導(dǎo)致細(xì)胞活力下降的原因之一是心臟或其他器官的惡劣環(huán)境，這會威脅到它們的增殖，加速細(xì)胞凋亡和向其他問題的遷移。

提高干細(xì)胞療法治療心臟病的方式有哪些？

提高瞄準(zhǔn)能力

干細(xì)胞療法面臨的第一個挑戰(zhàn)是有效遞送。具體來說，與常規(guī)的藥物治療類似，重要的是將細(xì)胞有針對性地送到損傷部位。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是生物工程的目標(biāo)之一。

克服低細(xì)胞保留

在實(shí)現(xiàn)更有效的細(xì)胞治療靶向遞送后，下一個要克服的障礙是改善損傷部位的細(xì)胞植入。為了改善移植干細(xì)胞的低保留率和存活率，在過去十年中開發(fā)了許多創(chuàng)新的生物材料，將它們封裝起來并在注射后保護(hù)它們?？勺⑸渌z采用不同類型的材料設(shè)計(jì)，并與內(nèi)部的特定干細(xì)胞結(jié)合。

無細(xì)胞療法

如上所述，干細(xì)胞移植不可避免的風(fēng)險(xiǎn)是致瘤性或免疫原性。因此，該領(lǐng)域的許多人都傾向于研究從干細(xì)胞中釋放的生物活性劑，這些生物活性劑具有相當(dāng)?shù)闹委熜Ч@表明有可能成為干細(xì)胞療法的有前途的替代方案。目前正在研究的最重要的生物活性劑是EV，包括微泡和外泌體，它們含有在干細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的生物活性成分 [mRNA、miRNA、蛋白質(zhì)（生長因子）]。這些已被證明對損傷后的心肌修復(fù)具有有益作用（類似于細(xì)胞療法）。

結(jié)論

縱觀數(shù)十年的干細(xì)胞臨床前研究和臨床試驗(yàn)，挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)并存，前景和創(chuàng)新也并存。如何以更具創(chuàng)新性的策略克服最顯著的短板，是擺在每一位生物工程師面前，一直在努力做，未來也需要做的問題（圖1)。無論如何，一個不可或缺的前提是更全面地解讀和理解干細(xì)胞有益于心臟再生的機(jī)制。

正如我們之前提到的，除了旁分泌效應(yīng)外，我們?nèi)匀徽J(rèn)為細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸在此過程中起著至關(guān)重要的作用。因此，結(jié)合旁分泌效應(yīng)和由細(xì)胞間串?dāng)_觸發(fā)的心臟細(xì)胞內(nèi)在程序的潛在激活，然后進(jìn)一步觀察細(xì)胞命運(yùn)、細(xì)胞生態(tài)位和細(xì)胞原位遷移，是我們的首要任務(wù)為未來十年推進(jìn)用于心臟修復(fù)的干細(xì)胞療法。