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梳理心脏再生最新研究进展

来源:本站原创 2019-06-29 14:02

2019年6月29日讯/生物谷BIOON/---在心脏病发作后,死亡的心肌组织会由瘢痕组织替代。不过,瘢痕组织与心肌的搏动方式不相同,因而心脏的“泵血”能力下降。近年来,科学家们采用多种手段将心脏瘢痕组织和其他组织中的成纤维细胞直接重编程为心肌细胞。这一突破性的成果为未来的临床试验和心脏病患者治疗奠定基础。基于此,小编针对这一方面的最新进展,进行一番盘点,以飨读者。

1.Circulation Res:导入miR-294可让成体心脏细胞重获再生能力
doi:10.1161/CIRCRESAHA.118.314223


到了成年时,心脏不再能够补充受伤或患病的细胞。因此,心脏病发作等事件可能是灾难性的,比如导致大量细胞死亡和永久性功能下降。然而,在一项新的研究中,来自美国天普大学路易斯-卡茨医学院的研究人员发现,即使在严重的心脏病发作后,也有可能扭转这种损伤并恢复心脏功能。这是首次证实一种非常小的称为miR-294的RNA分子当被导入到心脏细胞中时,能够重新激活心脏细胞增殖并改善遭受类似于人类心脏病发作的事件的小鼠的心脏功能。相关研究结果于2019年6月21日在线发表在Circulation Research期刊上,论文标题为“Transient Introduction of miR-294 in the Heart Promotes Cardiomyocyte Cell Cycle Reentry After Injury”。
图片来自CC0 Public Domain。

论文共同通讯作者、天普大学路易斯-卡茨医学院代谢疾病研究中心生理学助理教授Mohsin Khan博士说道,“在之前的研究中,我们已发现miR-294在发育中的心脏中积极地调节细胞周期。但是出生后不久,miR-294就不再表达了。”

在维持心肌损伤后,这些小鼠连续用miR-294治疗两周。在治疗两个月后,这些研究人员观察到它们的心脏功能明显改善,受损组织面积减少。对经处理的心脏细胞的检查揭示出细胞周期再进入的证据,表明这些细胞已被重新激活,因而重新获得产生新细胞的能力。他们还能够控制miR-294的表达,使得它开启或关闭,因而可以决定心脏中的增殖活动水平。

2.Cell Stem Cell:构建单细胞图谱,将心脏瘢痕组织细胞重编程为健康的心肌细胞
doi:10.1016/j.stem.2019.05.020


每年有79万名美国人遭受心脏病发作,这会让受损的瘢痕组织存在于心脏中,并限制心脏的高效跳动能力。但是,如果科学家们能够将称为成纤维细胞的瘢痕组织细胞重编程为健康的心肌细胞会怎样呢?人们通过实验室实验和小鼠研究在这方面取得了很大进展,但人类心脏重编程仍然是一项巨大的挑战。

如今,在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校和加州大学欧文分校的研究人员首次开发出一种稳定的可重复使用的将人成纤维细胞重编程为心肌细胞的简约平台。通过利用最新的单细胞技术和数学模拟,他们绘制出高分辨率的分子路线图,以便指导精确和有效的重编程。相关研究结果于2019年6月20日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Single-Cell Transcriptomic Analyses of Cell Fate Transitions during Human Cardiac Reprogramming”。论文通讯作者为北卡罗来纳大学教堂山分校麦卡利斯特心脏研究所副主任、病理学与检验医学副教授Li Qian博士。

Qian和她的团队将三种基因Mef2c、Gata4和Tbx5的混合物以特定的优化剂量导入人心脏成纤维细胞中。为了提高效率,他们筛选了一系列补充因子并鉴定出一种称为MIR-133的小RNA分子。将MIR-133添加到这种三基因混合物中---以及进一步的体外培养调整---可以高达40%~60%的效率将人心脏成纤维细胞重编程为心肌细胞。

接下来,Qian团队试图解答这种将人心脏成纤维细胞转化为心肌细胞的过程如何发挥作用。为了解答这个问题,他们研究了整个重编程过程中细胞的分子变化。他们的分析鉴定出这个重编程过程中的一个关键点,即细胞必须“决定”是继续向前变成心肌细胞,还是后退继续维持它们之前的成纤维细胞命运。一旦这个过程开始启动,一套信号分子和蛋白将细胞推向不同的分子途径上,这决定了它们产生的细胞类型。

这些研究人员还构建出一种独特的细胞命运指数(cell fate index)来定量评估这种重编程过程的进展。通过使用这种指数,他们确定人类心脏重编程的进展速度比先前描述的小鼠心脏重编程慢得多,这揭示了物种和重编程条件之间的关键差异。

3.Development:揭示心脏发育过程中的细胞信号
doi:10.1242/dev.172619


在心脏发育的后期,心内膜(细胞的内层)和心肌(心肌)之间的相互作用是至关重要的。而在心脏发育的最初阶段,这两个细胞层之间的信号传递一直比较难研究。

如今,医学博士H. Scott Baldwin和他的同事建立了一个模型,在体外探索心内膜与心肌的相互作用。他们发现去除心内膜细胞可以减少收缩心肌细胞的数量和心肌特异性基因的表达。生长因子Bmp2的加入在一定程度上挽救了心肌细胞的成熟和功能。

发表在《Development》杂志上的这项研究为心内膜在早期心肌发育中的作用提供了直接证据,并可能指导基于干细胞的心肌生成疗法。

研究结果还指出,早期发育过程中心内膜与心肌相互作用的改变可能会导致先天性心脏缺陷。在近1%的活产婴儿中,先天性心脏缺陷仍然是导致出生缺陷死亡的主要原因。

4.PNAS:重大进展!发现胎盘干细胞能够再生心脏,有望开发出新型干细胞疗法来治疗心脏病
doi:10.1073/pnas.1811827116


在一项新的研究中,来自美国西奈山伊坎医学院的研究人员证实在动物模型中,来自胎盘的称为Cdx2细胞的干细胞能够在心脏病发作后再生健康的心脏细胞。这些研究结果可能代表了一种再生心脏和其他器官的新疗法。相关研究结果发表在2019年5月20日的PNAS期刊上,论文标题为“Multipotent fetal-derived Cdx2 cells from placenta regenerate the heart”。
图片来自PNAS, 2019, doi:10.1073/pnas.1811827116。

论文通讯作者、西奈山伊坎医学院心血管再生医学主任Hina Chaudhry博士说道,“Cdx2细胞在历史上被认为仅在早期胚胎发育过程中产生胎盘,但是在此之前从未显示出再生其他器官的能力,这就是这项研究如此令人兴奋的原因。这些发现也可能为除心脏之外的其他器官开发再生疗法铺平道路。它们看起来就像是一群超动力的干细胞,这是因为它们能够靶向损伤部位,通过循环系统直接迁移到损伤部位,而且能够避免遭受宿主免疫系统排斥。”

为了测试Cdx2细胞的再生特性,这些研究人员在三组雄性小鼠中诱发了心脏病发作。第一组接受来自终末妊娠小鼠胎盘的Cdx2干细胞处理,第二组接受不表达Cdx2的胎盘细胞处理,第三组作为对照接受盐水处理。他们使用磁共振成像技术在诱导心脏病发作后立即分析所有小鼠,并且在诱发心脏病发作后接受细胞或生理盐水处理3个月后再次分析这些小鼠。他们发现,Cdx2干细胞处理组中的每只小鼠在心脏健康组织方面都有明显的改善和再生。到三个月时,这些干细胞直接迁移到心脏受损部位,并且形成新的血管和新的心肌细胞(跳动的心肌细胞)。注射生理盐水和非Cdx2胎盘细胞的小鼠发生心力衰竭,而且它们的心脏并未出现再生的证据。

这些研究人员注意到Cdx2细胞的另外两个特性:它们除了具有胚胎干细胞的所有蛋白,还具有其他的蛋白,这使得它们能够直接迁移到损伤部位,这是胚胎干细胞无法做到的事情,而且它们似乎避免了宿主免疫反应。当将来自胎盘的Cdx2细胞注射到另一只动物中时,宿主免疫系统并不排斥它们。

5.Nature重磅:基因疗法促进心脏再生
doi:10.1038/s41586-019-1191-6


来自伦敦国王学院的研究人员发现,一种基因疗法可以诱导心脏病发作后的心脏细胞再生。

在近日发表在《Nature》杂志上的这项研究中,研究团队将一小段名为microRNA-199的基因材料植入猪的心脏。这段基因可以在猪发生心肌梗死一个月后,促进其心功能几乎完全恢复。研究报告的主要撰写者、伦敦国王学院的Mauro Giacca教授说:"这对这一领域来说是一个非常激动人心的时刻。在用干细胞再生心脏的多次尝试都失败之后,我们第一次在大型动物身上看到了真正的心脏修复。"

这是第一次证明心脏再生可以通过使用一种有效的基因药物来实现,这种药物可以刺激大型动物的心脏再生,就像人类的心脏解剖和生理一样。

"我们还需要一段时间才能进行人体临床试验。我们仍然需要学习如何将RNA作为一种合成分子应用于大型动物,然后应用于患者,但我们已经知道,这在老鼠身上效果很好。"Giacca教授解释说。

6.Science:意外!甲状腺激素让我们失去心脏再生能力
doi:10.1126/science.aar2038; doi:10.1126/science.aax1006


尽管在美国每年发生的73.5万起心脏病发作中,大多数患者都存活了下来,但是与体内许多其他细胞不同的是,心脏细胞一旦遭受损伤,就不能够再生。在一项新的研究中,来自美国、澳大利亚和法国的研究人员发现,这个问题可追溯到我们最早的哺乳动物祖先,这些哺乳动物祖先可能失去了再生心脏组织的能力来换取温血状态(endothermy,也译作温血性),这是一场浮士德式的进化交易,它开启了哺乳动物时代,但却让现代人在心脏病发作后容易受到无法弥补的组织损伤。相关研究结果于2019年3月7日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Evidence for hormonal control of heart regenerative capacity during endothermy acquisition”。
图片来自CC0 Public Domain。

甲状腺产生一对经过充分研究的激素,已知这些激素可调节体温、代谢率和正常的心脏功能。鉴于这些激素在促进热量产生以维持体温方面发挥着关键作用,因此它们被认为是从冷血到温血的进化过渡背后的驱动力。但是,这项新的研究表明,这些激素也有助于关闭心脏细胞分裂,从而阻止心脏组织在遭受损伤后自行修复。这一发现首次证实甲状腺激素、心脏发育和修复以及温血进化之间的关联性。

Huang团队采用一种多物种方法,比较了41种不同脊椎动物物种中的心脏细胞“倍性(ploidy)”---细胞中每对染色体的拷贝数。倍性与细胞分裂和复制的能力密切相关。事实上,所有活跃分裂的动物细胞都是二倍体,每对染色体仅有一对,在每对染色体中,一个来自母本,另一个来自父本。相反,多倍体细胞含有每对染色体的多个拷贝并且通常不能分裂。

这种比较方法揭示了倍性与体温之间存在明显的关联性。冷血动物---鱼类、两栖动物和爬行动物---的心脏细胞主要是二倍体,并通过加快细胞分裂对心脏损伤作出反应。温血哺乳动物的心脏细胞主要是多倍体,而且实验室实验证实这些细胞很少因心脏损伤而发生分裂。

Huang说,“这导致我们猜测这些负责调解体温的甲状腺激素也可能负责二倍体-多倍体转变和心肌细胞停滞。”这些研究人员在一系列的实验室实验中证实了他们的猜测。这些实验涉及小鼠和斑马鱼,其中小鼠是一种心脏细胞通常无法再生的温血哺乳动物,而斑马鱼是一种冷血动物,因能够完全修复它的心脏而闻名,即便通过外科手术切除一大部分---高达20%,也是如此。

7.Nat Commun:抗炎药物双氯芬酸或有望增强心肌细胞的重编程 修复损伤心脏的功能
doi:10.1038/s41467-019-08626-y


近日,一项刊登在国际杂志Nature Communications上的研究报告中,来自筑波大学的科学家们通过研究利用一种高通量的筛选方法发现,一种用来治疗炎症和风湿性疾病的药物—双氯芬酸或许能对出生后和成体成纤维细胞进行心脏重编程(并非胚胎细胞),相关研究有望帮助重新定义机体细胞衰老的独特障碍。

此前研究人员鉴别出的心脏重编程因子并不适合进行大规模筛选,研究者Taketaro Sadahiro说道,作为一种替代方法,我们开发出了一种先进的技术来对含有8400种化合物的化学文库进行筛选,第一轮筛选中研究者就鉴别出了37种潜在的化合物,第二轮筛选后研究者确定了4种化合物,其中最具潜力的化合物就是双氯芬酸,此前研究人员发现,双氯芬酸能通过抑制COX-2酶以剂量依赖性的方式来改善心脏的重编程,COX-2在出生后和成体的成纤维细胞中会高度表达,同时双氯芬酸还能抑制宿主一系列信号分子,包括多种炎性介导子。

研究者发现,在心脏重编程的早期阶段双氯芬酸就能发挥作用,相比TGF和Wnt抑制剂而言,其能快速高效地增加心肌细胞的产生,TGF和Wnt抑制剂能够促进重编程作用。研究者Masaki Ieda说道,与炎症在预防心脏重编程中的重要性相一致,我们的微阵列数据也表明,双氯芬酸能够下调成纤维细胞和炎症基因的表达,并上调心脏基因的表达;因此双氯芬酸主要会沉默成纤维细胞的特性,而这发生在细胞重编程为心肌细胞之前。

与COX-2一样,相比胚胎的成纤维细胞而言,与炎症和成纤维细胞相关的基因在出生后和成体细胞中会高度表达,这就表明,炎症和纤维形成是心脏细胞重编程的年龄相关的障碍,本文研究结果对于后期科学家们开发新型疗法为儿科和成年患者进行心脏细胞重编程至关重要。

8.Nature:重大突破!科学家成功将猪心脏移植到狒狒身上 并使狒狒的存活期达到6个月
doi:10.1038/s41586-018-0765-z


近日,一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中,来自德国、瑞典、瑞士和美国的科学家们通过研究成功将猪的心脏移植到狒狒机体中,并让移植的心脏在狒狒机体中存活了很长一段时间;文章中,研究人员描述了心脏移植的步骤以及被移植的心脏如何在狒狒机体中发挥作用。他们通过研究克服重重障碍,改进了方法成功将猪的心脏移植到狒狒机体中,并有效延长了狒狒的存活时间,该研究或有望帮助在人类患者机体中有效移植心脏并延长患者的存活期。

此前研究中研究者发现了两大引起猪心脏在狒狒机体中发育不良的原因,即在移植过程中心脏受到了损伤,另外一个原因就是猪和狒狒的体型和心脏尺寸存在一定差异。在移植前从动物机体中取出心脏后,通常的保存方法是将其浸泡在冷水中,但这种方法常常会对心脏组织造成损伤;为了抑制心脏损伤的发生,研究人员为所移植的心脏定期泵送含有营养物质和激素的血液溶液,同时提供额外的氧气供应,这样做似乎就能抑制心脏损伤的发生。

猪的体型要比狒狒大,因此其心脏尺寸也要比后者大一些,如果猪的心脏在狒狒体内能够生长到正常大小,那么其或许会因耗尽空间而死亡,为了有效防止这一问题的发生,科学家们给予狒狒服用药物使其机体血压降低至猪体内的血压水平,同时让狒狒服用一种抑制心脏生长的药物,最终,研究人员通过修饰给予狒狒的激素疗法来抑制其机体的免疫抑制反应,同时他们逐渐减少可的松疗法来抑制狒狒机体中心脏的过度生长。

研究人员发现,当将猪的心脏移植到狒狒机体中后,结合多项技术或能有效延长狒狒受体的存活时间,两名狒狒受体在研究期间存活了三个月,而另外两名受体在实施安乐死之前存活了六个月。

9.Cell:蛋白CXCL12诱导侧支动脉形成,促进心脏再生
doi:10.1016/j.cell.2018.12.023


在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学的研究人员在小鼠中揭示出一种蛋白促进向缺氧的心脏组织供血的小动脉生长。这些新动脉的生长可能有助于治愈心脏病发作引起的损伤,甚至有助于预防这种损伤。相关研究结果于2019年1月24日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“A Unique Collateral Artery Development Program Promotes Neonatal Heart Regeneration”。论文通信作者为斯坦福大学的生物学副教授Kristy Red-Horse博士和心胸外科教授Joseph Woo博士。

这些研究人员首先研究了新生小鼠。Red-Horse说,“新生小鼠具有治愈受损心脏组织的强大能力,但是它们在成年时不再具备这种能力。理解其中的原因可能找到在成年人中促进心脏再生的方法。”

他们记录了年轻小鼠中的这种愈合在部分上是由于新的侧支动脉生长到受损的心脏区域。通过先进的让他们在细胞水平上研究完整的新生心脏的成像技术,他们发现之所以会这样是因为动脉内皮细胞离开动脉,沿着现有的延伸到受损心脏组织的毛细血管迁移,并经过重新组装后形成侧支动脉。

这些研究人员随后研究了这些细胞如何知道这样做。Red-Horse和Woo知道CXCL12分子是动脉细胞胚胎发育过程中的重要信号,并且已被证实能够改善心脏病发作后的心脏恢复和功能。他们想知道这种分子是否通过促进受损心脏组织中的侧支动脉生长而产生有益作用。他们发现CXCL12主要限制于未受伤的新生小鼠心脏中的动脉内皮细胞。在遭受心脏损伤的新生小鼠中,它出现在受损心脏区域的毛细血管中。他们发现受损心脏区域中的低氧水平启动表达CXCL12的基因,从而指示动脉内皮细胞应当迁移到这些区域。

他们接下来研究了CXCL12是否可能有助于成年心脏组织形成侧支动脉。Red-Horse说,“我们的研究表明成年心脏不像新生小鼠在遭受心脏损伤后那样形成侧支动脉。”在诱导成年小鼠心脏病发作后,他们将CXCL12注射到受损心脏区域。果然,在遭受损伤15天后,脱落下来的迁移性动脉细胞形成了许多新的侧支动脉。在对照小鼠中几乎不存在新的侧支动脉。

10.PNAS:实锤!成年心脏并不存在心脏干细胞
doi:10.1073/pnas.1805829115


在一项新的研究中,荷兰研究人员利用先进的分子和遗传技术构建出在心肌梗塞发作之前和之后成年小鼠心脏中的所有分裂细胞的详细细胞图谱。他们得出结论:成年心脏不含有心脏干细胞。在先前的研究中被鉴定为心脏干细胞的细胞最终产生血管或免疫细胞,但从未产生心肌。相关研究结果发表在2018年12月26日的PNAS期刊上,论文标题为“Profiling proliferative cells and their progeny in damaged murine hearts”。
图片来自Hubrecht Institute。

二十年来,科学家们和临床医生一直在寻找应当存在于心肌中的心脏干细胞,这样在心肌梗塞发作后,它们就能够修复受损的心脏。多个研究团队已声称他们明确地鉴定出心脏干细胞,但是这些声称都没有得到证实。因此,心脏干细胞是否存在以及它们在成年心脏中的重要性仍然存在大量争论。

为了解决这一争论,这些研究人员将注意力集中在对小鼠心脏中的干细胞功能的最广泛和最直接的定义上:细胞通过细胞分裂替换丢失组织的能力。在心脏中,这意味着在心脏病发作后,任何能够产生新的心肌细胞的细胞就被称为心脏干细胞。他们利用先进的分子和遗传技术,构建出在心肌梗死发作之前和之后的所有分裂心脏细胞的细胞图谱。

这项研究表明一旦心脏遭受损伤,多种类型的细胞发生分裂,但是这些细胞都不能够产生新的心肌。事实上,过去研究中的许多错误结论如今能够加以解释:之前称为心脏干细胞的细胞如今经证实产生血管或免疫细胞,但从未产生心肌。因此,一个清醒的结论是心脏干细胞并不存在。换句话说,由于心脏病发作而丢失的心肌不能被替换。这一发现虽然令人失望,却解决了一个长期存在的争论。

这些研究人员还取得了第二个重要的发现。在心脏中,与心肌细胞一起存在的结缔组织细胞(也称为成纤维细胞)通过发生多次细胞分裂而对心肌梗塞作出强烈的反应。在这样做时,它们会产生替换丢失的心肌组织的瘢痕组织。尽管这种瘢痕组织不含有心肌,因而不会导致心脏的泵血功能,但是这种纤维化的瘢痕组织与梗塞区域“连接在一起”。确实,当这种瘢痕组织的形成受到阻断时,小鼠死于急性心脏破裂。因此,虽然瘢痕组织形成通常被视为心肌梗塞的负面结果,但是他们强调了瘢痕组织形成在维持心脏完整性中发挥着重要作用。(生物谷 Bioon.com)

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