水凝胶包裹干细胞治疗心肌梗死
心肌梗塞（MyocardialInfarction）是当下全球人口中最大的死因之一，表现为急性或持续性缺血、缺氧所引起的心肌坏死，而心肌本身又缺乏再生能力以进行修复。目前，临床上尚无手段以弥补心肌梗塞造成的心肌细胞数量减少。不过，已有一些试验性思路正在探索中，但是却因为种种挑战仍与实际医学应用有着相当的距离。
将干细胞悬液施于梗塞部位以使其分化为心肌细胞是一种看似最为直观的方法。然而，这些游离的单个细胞很难留存于梗塞部位，绝大多数在几天内便会“逃逸”进入血液循环。若将干细胞包裹在水凝胶的多孔小型组织支架中再植入梗塞部位，虽然留存情况会改善，但由于支架中氧气扩散的速率往往难以满足干细胞的需要，后者在这些支架中会大量死亡。此外，刚刚发生心肌梗塞的部位往往会聚集相当数量的巨噬细胞及其分泌的细胞因子。这不仅会直接伤害到植入的干细胞，还会因后者的加入还被进一步激发，从而十分不利于干细胞的存活。
更为令人担忧的是，分化程度较低的干细胞可能会在心肌内形成肿瘤。为了避免这一后果，上述干细胞通常需要经过一定程度的分化，以减少发生癌变的几率。在这一过程中，分化的时机需精确掌控。如果将较成熟心肌细胞植入，这些细胞会因已形成固有的且与受体心肌细胞不一致的电生理特性，而造成心肌功能异常；只有让干细胞成为处于早期分化阶段的心肌细胞，再进行植入，才能既减少癌变风险，又使其被周围的受体心肌细胞调试，发展出与其一致的电生理特性。
这么一说，心肌梗塞的干细胞疗法真是说起来容易，做起来难。然而即便这样，最近，美国俄亥俄州立大学的刘振国、何晓明和Noah Weisleder教授的研究团队仍然摸索出了一套有效的干细胞疗法，在心肌梗塞小鼠模型中取得了显著的效果。他们的成果发表在近期的Nature子刊《Nature Communications》上。
▲刘振国（左）、何晓明（中）和Noah Weisleder（右）教授
（图片来源：俄亥俄州立大学官网）
该方法模仿了早期胚胎发育的过程。研究人员先将20多个小鼠胚胎干细胞植入一个由半通透性的海藻酸盐水凝胶外壳包裹的微囊内，这里的外壳类似于早期胚胎的透明带。上述干细胞会首先分裂，形成由1000多个干细胞组成的聚集体，进入到了类似于桑椹胚的阶段。之后，研究人员通过引入BMP-4和bFGF等转录因子，用3天的时间将微囊中的干细胞团初步诱导为处于早期分化阶段的心肌细胞，再以柠檬酸钠将微囊的外壳溶解，将上述初步分化的细胞团释放出来。这些细胞团后者又会通过先后浸泡于壳聚糖和氧化海藻酸盐的溶液中，被包裹进入海藻酸盐-壳聚糖（ACM）微型基质中，形成另一种微囊，以备心肌植入。值得指出的是，尽管反复经历了这样的包裹和再包裹的过程，上述细胞团依然保持着高度的生活力。
接着，研究人员通过左前降支动脉的永久性结扎，造成野生型或具有巨噬细胞功能缺陷的Card9基因敲除小鼠发生心肌梗塞，并在仅5分钟后，将这些包裹有初步分化心肌细胞的ACM微囊植入小鼠的心肌梗塞部位，其中的ACM基质会在3天内自行降解。结果显示，小鼠的心肌功能在这之后出现了显著改善，反映在射血分数、心输出量、每搏输出量等指标上，且发生纤维化的比例下降。不仅如此，这些植入的初分化细胞在心肌中存活了下来，经过继续分裂和分化，已于周围的受体心肌细胞融为了一体，并且没有发生癌变。
相比之下，野生型的心肌梗塞小鼠在接受无包裹初分化细胞团或者干细胞悬浮液植入后，不仅心肌功能恢复效果下降了许多，而且一半以上均在梗塞部位形成了大型的肉芽肿，后者由巨噬细胞和T细胞等组成，显示出现了强烈的免疫反应。这不仅导致被植入的细胞很可能已被大部分杀灭，且造成了相当比例的小鼠死亡。如果是Card9基因敲除小鼠，上述操作产生大型肉芽肿的几率则会有所下降，说明巨噬细胞在针对植入细胞的免疫反应中发挥了一定的作用。
这一由胚胎发育过程启发而设计出的心肌梗塞干细胞疗法不仅显著恢复了小鼠模型的心肌功能，还有效地避免了受体免疫反应和癌变等风险。其中，ACM基质的重要性是显而易见的。它不仅提高了植入细胞的留存度和存活率，而且创造了一个局部性的保护性微环境，使其免受免疫攻击，并在“安全护送”万植入细胞后可自行降解。这一开创性的手段为心肌梗塞干细胞疗法的开发提供了宝贵的思路。
在临床上被称为急性心肌梗死（MI）的心脏病发作时，心肌细胞受到严重损伤，最终死亡。根据美国心脏协会介绍，心肌梗死是全球死亡的主要原因。部分原因是由于，人类心脏修复或再生其细胞（被称为心肌细胞）的能力有限。在过去的十年中，干细胞治疗已被探索作为一种方法来再生心肌细胞，但效果喜忧掺半。
水凝胶包裹干细胞治疗心肌梗死
来自俄亥俄州立大学的研究人员，在生物医学工程教授何晓明（Xiaoming He）的带领下，发明了一种新的干细胞治疗方法，表现出极大的潜力。
研究人员准备多能性干细胞植入心脏，类似于女性身体在生殖过程中准备胚胎细胞植入子宫壁，即预分化和两个阶段的包裹（encapsulation）。多能性干细胞几乎可以生成身体修复本身所需的任何细胞或组织。
自然生殖步骤包括，组织细胞的增殖，以形成一个聚合体或桑椹胚，包裹在一个薄的保护凝胶壳内。同样的，研究人员将小鼠胚胎干细胞包裹在一个小核内，封装在一个半透明的凝胶壳内，在那里它们进行增殖。这个胚胎状结构非常有助于保持所谓的多能性状态，或细胞自我更新而没有自发分化的能力。在女性生殖系统的下一步是预分化，或将桑椹胚编程成更特定的细胞类型。对于心肌梗死的治疗研究而言，研究人员将聚集的干细胞预分化为一种早期的心脏阶段。
根据何教授介绍，细胞到早期心脏阶段的预分化是至关重要的，因为它似乎能把当前再生医学方法中的一个常见问题最小化，即，畸胎瘤的形成，这可能发展为恶性或良性肿瘤。
他说：“细胞定向成为心肌细胞，但还没有完全存在。”精确的时间是由细胞的生物标志物所决定的。微阵列芯片和流式细胞仪的数据分析表明，聚集的细胞可在预分化之后成功地定向成为早期心脏细胞系。
在大自然中，已分化的桑椹胚（或囊胚）中的人类胚胎干细胞，可短暂地从凝胶状的壳中孵出来，然后在植入子宫壁前被再次封装在一个新的壳中（称为滋养层）。研究人员通过释放这些聚集的早期心肌细胞，并在植入受损小鼠心脏之前将它们再封装进一个生物相容性和可生物降解的支架，模仿了这些步骤。
何教授解释道：“这种微矩阵重新封装程序，与传统的支架设计是相反的，后者首先制备一个支架，然后是与细胞一起播种。”
重新封装，对于从宿主免疫系统上暂时分离出植入的细胞，也是至关重要的，这样细胞就能够适应宿主微环境，而不会引起明显的免疫反应。这确保了细胞的高存活率。在重新封装到暂时的微矩阵中之后，他和他的同事们将细胞聚集体注入小鼠体内，这些小鼠有着与心脏病一致的损伤。
植入的细胞，一旦受到人体心脏诱导性的化学、机械和电气线索的指导，就表现出极好的心肌组织再生能力。注射封装的多能性干细胞，显著减少了纤维化，恢复了心肌梗死小鼠的心脏功能，并且改善了动物的存活率。
何教授说：“我们的仿生方法是基于模仿自然现象，并在制备多功能干细胞治疗心肌梗死和其他潜在的缺血性疾病方面，具有多重优势。”
他说，下一步是对人体心脏再生进行研究，在这一阶段，研究人员将开始使用来自人类皮肤、脂肪或其他组织的诱导性多能干细胞。
该项目的合作者包括生物医学工程教授Mingjun Zhang、Wexner医学中心病理学家和医学副教授Rulong Shen、Wexner医疗中心医师和医学院教授Zhenguo Liu、医学院副教授Noah Weisleder，以及Davis心肺研究所的研究生和博士后研究员。
何教授表示：“这项研究是工程学、细胞生物学、生理学、病理学和临床医学专业知识的绝佳组合的结果。而在俄亥俄州立大学，所有这些专家都离的非常近。”
（ 生物通/ 王英 2016-10-28）
Zhao S, Xu Z, HaiW, et al. Bioengineering of injectable encapsulated aggregates of pluripotentstem cells for therapy of myocardial infarction[J]. Nature Communications,2016, 7.
转自：齐鲁细胞治疗
