利用組織工程恢復(fù)心臟功能

一、引言心臟手術(shù)的目的是使受傷的心臟恢復(fù)全部功能。對于許多先天性心臟缺陷，適當(dāng)?shù)男迯?fù)能夠建立幾乎正常的心臟功能。這種修復(fù)的一個(gè)例子是閉合幼兒心臟腔室之間的異?？祝@通常會恢復(fù)其正常功能，并持續(xù)一生。然而，缺血性心臟病外科手術(shù)的出現(xiàn)給心臟外科醫(yī)生帶來了新的挑戰(zhàn)?；加袕浡詣用}粥樣硬化（動脈硬化）的老年患者經(jīng)常出現(xiàn)向心肌供血的動脈阻塞，導(dǎo)致心臟病發(fā)作（心肌梗死）。收縮性心肌細(xì)胞的損失會降低心臟的功能能力。這種初始損傷經(jīng)常因心臟的進(jìn)行性變化而復(fù)雜化，導(dǎo)致受損區(qū)域變薄和心腔擴(kuò)張，最終導(dǎo)致心力衰竭的進(jìn)展，心力衰竭是全世界因心血管疾病而死亡和殘疾的最常見原因。心臟外科醫(yī)生經(jīng)常進(jìn)行冠狀動脈搭橋手術(shù)，以在嚴(yán)重的冠狀動脈狹窄或閉塞后提供新的血流，從而緩解胸痛（心絞痛），但不一定能恢復(fù)心臟功能。因此，尋找有效的治療方法來預(yù)防或糾正心臟病發(fā)作（缺血性心肌?。┗颊叩男牧λソ咭殉蔀樾呐K外科醫(yī)生的崇高追求。心臟組織工程采用工程概念來改變受傷心臟的反應(yīng)，以恢復(fù)心臟功能。盡管并非所有研究人員都接受心臟組織工程的這一定義，但它包含了修復(fù)技術(shù)的本質(zhì)。博士在《胸心血管外科雜志》的一篇社論中定義了心臟組織工程：組織工程學(xué)正式成立至今已近30年，該學(xué)科旨在提供“工程和生命科學(xué)原理和方法的應(yīng)用，以從根本上了解正常和病理哺乳動物組織中的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系以及開發(fā)生物替代品恢復(fù)、維持或改善組織功能”。修復(fù)方法通常采用可生物降解的生物材料，目的是改善梗死疤痕和由此產(chǎn)生的心臟組織的愈合。與功能恢復(fù)相關(guān)的機(jī)制包括刺激新血管生成、基質(zhì)重塑和募集內(nèi)源性干細(xì)胞以改善組織愈合和恢復(fù)功能。心臟組織工程經(jīng)常采用細(xì)胞移植，插入生物材料，和（或）應(yīng)用細(xì)胞因子或細(xì)胞產(chǎn)物。心臟功能的恢復(fù)不僅取決于可收縮成分的數(shù)量，還取決于心室容積的改變和受損心臟壁的彈性特征。心臟外科醫(yī)生和心臟研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種治療缺血性心肌病的組織工程方法。這些臨床前研究旨在評估新的潛在療法，然后在隨機(jī)臨床試驗(yàn)中探索其臨床效益。心臟組織工程領(lǐng)域廣闊，超出了本文的范圍。下面介紹我們以前研究中的一些受損心臟的外科心臟組織工程的例子。二、替代功能喪失的心肌細(xì)胞我們最初的方法是用新生動物心肌細(xì)胞替代冠狀動脈閉塞后缺失的心肌細(xì)胞。細(xì)胞移植將跳動的心肌細(xì)胞移植到梗死區(qū)域，使心臟功能暫時(shí)得到改善。然而，移植是短暫的，并且跳動的細(xì)胞沒有隨著心臟收縮同步跳動。大多數(shù)關(guān)于心臟干細(xì)胞移植的研究都使用了骨髓來源的干細(xì)胞。雖然這些細(xì)胞不提供新的收縮成分，但動物研究表明它們可改善心臟功能；然而，在臨床試驗(yàn)中，這種益處一直是微不足道的。研究證實(shí)，骨髓來源的干細(xì)胞釋放的不是收縮成分，而是各種刺激內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制的物質(zhì)，導(dǎo)致新血管形成（血管生成）、支架修復(fù)（基質(zhì)修復(fù)）和骨髓來源的干細(xì)胞募集到損傷區(qū)域。結(jié)果是減少了梗死區(qū)域的變薄和擴(kuò)張，并預(yù)防了進(jìn)行性心力衰竭。心臟功能的改善是心臟損傷環(huán)境改變的結(jié)果。遺憾的是，與臨床前動物研究相比，臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞移植對患者的益處較小。最近的研究表明，來自人類胚胎干細(xì)胞的跳動心肌細(xì)胞可以改善非人靈長類動物模型中的心臟功能。然而，研究還表明，顯著異常的額外跳動（心律失常）限制了心臟功能的恢復(fù)。三、細(xì)胞移植預(yù)防心力衰竭大量的臨床試驗(yàn)表明，細(xì)胞移植是可行的，并可能具有邊際效益；然而，臨床試驗(yàn)中的心室功能并未達(dá)到動物實(shí)驗(yàn)中相同的程度。在臨床試驗(yàn)中對細(xì)胞移植的有限益處的各種解釋中，最合理的是在患有多種合并癥且患有心肌梗死的老年患者中，其細(xì)胞效力降低和內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制減弱。細(xì)胞移植通過增強(qiáng)內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制來增強(qiáng)心室功能的恢復(fù)。然而，患有廣泛動脈粥樣硬化的老年患者通常還患有糖尿病、肥胖癥和高血壓，這會降低其干細(xì)胞的效力及其內(nèi)源性心臟修復(fù)反應(yīng)。因此，許多臨床試驗(yàn)試圖增強(qiáng)移植細(xì)胞的能力以增強(qiáng)內(nèi)源性修復(fù)過程。我們選擇了高效干細(xì)胞，希望它們能夠改善在接受冠狀動脈旁路移植術(shù)（IMPACTCABG）試驗(yàn)的患者中移植自體CD133+干細(xì)胞時(shí)患有多種并發(fā)癥的老年受試者的心室功能恢復(fù)。41名心肌梗死后心室功能障礙患者被隨機(jī)分配，在冠狀動脈旁路移植術(shù)期間將來自其自身骨髓的高效CD133+干細(xì)胞或外觀相似的安慰劑注射到其心臟的梗死區(qū)域。圖1顯示了細(xì)胞或安慰劑的注射。所有患者在術(shù)前和術(shù)后6個(gè)月都進(jìn)行了心臟磁共振成像以量化心臟功能，兩組之間沒有發(fā)現(xiàn)差異。我們發(fā)現(xiàn)采集骨髓細(xì)胞、分離高效干細(xì)胞部分成分并將這些細(xì)胞注入梗死區(qū)域是可行的。然而，心臟功能并沒有得到改善。為了確定這種方法在干細(xì)胞治療中的潛在價(jià)值，計(jì)劃進(jìn)行一項(xiàng)涉及更多患者和更多細(xì)胞注射的更大規(guī)模試驗(yàn)。圖1.冠狀動脈旁路移植術(shù)中梗死區(qū)域干細(xì)胞的注射。經(jīng)美國胸外科協(xié)會允許，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)，?2016。在另一項(xiàng)試驗(yàn)中，我們使用了一種不同類型的高效干細(xì)胞，該干細(xì)胞被注入心臟以充分改善心室功能，從而脫離左心室輔助裝置的支持。北美的19個(gè)研究點(diǎn)參與了這項(xiàng)隨機(jī)試驗(yàn)。所有患者都依賴兩種經(jīng)批準(zhǔn)的左心室輔助裝置（圖2）中的一種來支持他們衰竭的心臟。如果這些患者的心臟功能沒有改善到足以脫離該裝置，則這些患者將需要進(jìn)行心臟移植。本試驗(yàn)將高效的間充質(zhì)前體干細(xì)胞（異體細(xì)胞）注入心臟，目的是充分改善心室功能，以便脫離輔助裝置。該試驗(yàn)招募了159名使用設(shè)備的患者，并被隨機(jī)分配接受干細(xì)胞或安慰劑治療。在注射后的6個(gè)月內(nèi)，每位患者都經(jīng)歷了多次臨時(shí)嘗試以脫離輔助裝置。兩組之間在脫離該裝置的能力方面沒有發(fā)現(xiàn)差異，注射干細(xì)胞后也沒有發(fā)現(xiàn)不良事件增加。同樣，盡管這項(xiàng)試驗(yàn)證明干細(xì)胞注射是可行的，但治療效果不佳。然而，對這些干細(xì)胞效果進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，缺血性心肌病亞組明顯好于非缺血性心肌病亞組。這種次級（但預(yù)先指定的）亞組分析足以產(chǎn)生支持進(jìn)一步研究的假設(shè)。在未來的試驗(yàn)中，將在缺血性心肌病患者中使用更高劑量的干細(xì)胞。圖2.間充質(zhì)前體細(xì)胞試驗(yàn)中使用的兩種左心室輔助裝置，用于充分改善心室功能，以脫離輔助裝置。（a）研究裝置——離心流裝置（HeartWare，美國Medtronic制造）；（b）控制裝置——軸流式裝置（HeartMateII，美國Abbott制造）。經(jīng)馬薩諸塞州醫(yī)學(xué)會許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)，?2017。四、組織工程恢復(fù)心室功能為預(yù)防進(jìn)行性心力衰竭而開發(fā)的再生療法的浪潮激發(fā)了許多獨(dú)特的治療方法。不僅細(xì)胞，而且組織工程構(gòu)建體也被證明可以防止梗死變薄和心室擴(kuò)張以保護(hù)心室功能。開發(fā)心臟約束裝置是為了防止梗死后左心室擴(kuò)張。例如，Acorn（美國）裝置由針織聚酯織物組成，放置在左心室周圍，以限制梗死區(qū)域并防止擴(kuò)張。然而，最初的臨床試驗(yàn)尚無定論，并且該裝置不再用于臨床研究。較新的方法包括將生物材料注射到左心室的梗死區(qū)域以“支撐”心室壁并防止擴(kuò)張。注射的生物材料的生物效應(yīng)已經(jīng)被廣泛研究并且是實(shí)質(zhì)性的。對這種方法在各種動物模型和臨床試驗(yàn)中進(jìn)行了評估。然而，沒有一種單一的方法被證明是一致有效的，也沒有生物材料作為治療劑被釋放出來。最初的臨床試驗(yàn)尚無定論，盡管一些研究表明生物材料改變了基質(zhì)重塑并有利地改善了梗死區(qū)域的愈合。除了生物材料，添加緩釋細(xì)胞因子（即改變愈合的蛋白質(zhì)）被發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)新血管形成（血管生成）并誘導(dǎo)內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制的募集。除了支撐心室壁，還發(fā)現(xiàn)注射生物材料可以增強(qiáng)細(xì)胞移植。因此，生物材料、細(xì)胞和細(xì)胞因子的組合可能被證明是非常有效的。我們對生物材料的一項(xiàng)研究促進(jìn)了對溫度敏感且可生物降解的脂肪族聚酯水凝膠的開發(fā)，該水凝膠在室溫下為液體，但在體溫（37℃）下呈現(xiàn)類似于明膠的稠度（圖3）。我們還將水凝膠與一種有助于血管生成的特征明確的細(xì)胞因子結(jié)合，即血管內(nèi)皮生長因子（VEGF），它在延遲釋放后有助于血管生成。在大鼠模型中冠狀動脈結(jié)扎后7天，將這些水凝膠（有和沒有結(jié)合VEGF）注射到梗死區(qū)域。42天后，兩個(gè)治療組都表現(xiàn)出改善的心室功能，其中用細(xì)胞因子增強(qiáng)的水凝膠功能恢復(fù)最好。這項(xiàng)研究表明，生物材料提供了一種有吸引力的方法來改善心肌梗死后的心肌功能。然而，監(jiān)管障礙是巨大的，因?yàn)楸O(jiān)管機(jī)構(gòu)不僅要求描述材料的所有分解產(chǎn)物，還要求記錄每個(gè)分解產(chǎn)物的生物影響。圖3.一種由溫度敏感的脂肪族聚酯水凝膠組成的可注射支架，與血管內(nèi)皮生長因子結(jié)合，可促進(jìn)心肌梗死后心室功能的恢復(fù)。（a）水凝膠在室溫下是液體，在37℃下是凝膠；（b）電子顯微照片說明水凝膠具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，孔徑約為1μm。經(jīng)Elsevier許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)，?2011。盡管生物材料可以誘導(dǎo)生理效應(yīng)，并且可以富含共軛細(xì)胞因子，但組織工程可以包括支架和細(xì)胞成分。細(xì)胞在心肌中的移植非常有限，但是細(xì)胞和水凝膠的混合物使細(xì)胞移植得到改善。五、外科心臟修復(fù)和再生在一項(xiàng)大型多中心隨機(jī)試驗(yàn)中研究了一種在廣泛心肌梗死后通過手術(shù)恢復(fù)心室功能的方法。該程序包括在梗死后切除成熟疤痕，并用Dacron（美國）補(bǔ)片重建心室，以將心室縮小至正常大小和幾何形狀。遺憾的是，大型臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示療效不佳。然而，許多外科醫(yī)生聲稱只有心室過度擴(kuò)張的患者才能從該手術(shù)中獲益。外科醫(yī)生還建議，一些患者在沒有達(dá)到必要的心臟擴(kuò)張的情況下進(jìn)入試驗(yàn)，導(dǎo)致無法受益。一些外科醫(yī)生繼續(xù)在合適的患者中執(zhí)行這種手術(shù)。我們在Toronto的研究小組使用可生物降解的改性明膠海綿（MGF）補(bǔ)片，單獨(dú)使用水凝膠，或使用接種有干細(xì)胞和（或）細(xì)胞因子的水凝膠，在大鼠模型中評估了外科心室修復(fù)（圖4）。在對照組中，與補(bǔ)片相鄰的心肌變薄并擴(kuò)張，導(dǎo)致心臟功能下降。細(xì)胞和細(xì)胞因子都改善了心室功能的恢復(fù)，生物材料、細(xì)胞因子和細(xì)胞的組合導(dǎo)致心室功能的最大恢復(fù)。這些研究表明，結(jié)合材料和生物專業(yè)知識的組織工程可以為心室修復(fù)創(chuàng)造最佳選擇。圖4.用細(xì)胞和細(xì)胞因子進(jìn)行外科心室修復(fù)，以用MGF貼片恢復(fù)受損心臟的功能，單獨(dú)使用水凝膠或水凝膠與細(xì)胞和（或）細(xì)胞因子相結(jié)合。LAD：左前降支；LV：左心室；PCL：聚ε-己內(nèi)酯；GF：凝膠；BZ：邊界區(qū)；HG：水凝膠；CY：細(xì)胞因子懸浮在水凝膠中；CE：骨髓干細(xì)胞懸浮在水凝膠中；CC：細(xì)胞和細(xì)胞因子懸浮在水凝膠中。經(jīng)ElsevierLtd.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)，?2010。六、心臟組織工程的未來心肌梗死后心室功能的恢復(fù)仍然是心臟外科醫(yī)生難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。我們的研究表明，注射更高劑量的自體CD133+細(xì)胞可能會改善心室功能的恢復(fù)。我們的研究還表明，注射更高劑量的間充質(zhì)前體細(xì)胞可能對需要左心室輔助裝置來維持循環(huán)的缺血性心肌病患者有益。在梗死區(qū)域的心外膜中添加生物材料、細(xì)胞和細(xì)胞因子的組合在心臟手術(shù)期間被證明可能是有益的。這些臨床試驗(yàn)正在討論中，以便將來實(shí)施。組織工程將材料方面的工程專業(yè)知識與損傷后恢復(fù)心臟功能所需的生物過程知識相結(jié)合。然而，上述研究和文獻(xiàn)缺乏對心臟電激活的理解。因?yàn)橹旅艿墓Ｋ腊毯蹖﹄妭鞑サ膫鲗?dǎo)性低