衰竭心肌修复的分子学和细胞学水平的研究进展
作者：杜忠东 汪芸
单位：杜忠东(100020 北京，首都儿科研究所)； 汪芸(100020 北京，首都儿科研究所)
关键词：
中华儿科杂志000231 慢性心力衰竭的传统治疗包括强心、利尿和扩血管等方法，近来血管紧张素转化酶抑制剂及β受体抑制剂的应用使部分患儿的症状和预后有所改善，但对扩张型心肌病等引起的心力衰竭的治疗效果仍不理想。分子及细胞生物学研究的进展为探讨心力衰竭的治疗提供了新的思路。我们主要对通过修复衰竭的心肌细胞增强心脏作功能力在分子生物学及细胞学方面进行讨论。
一、重新启动现存心肌细胞的增殖
心肌细胞增殖发生于胎儿及生后发育的早期，啮齿类动物约于生后2周停止，而人类在生后数月停止。细胞数目停止增长后，心脏的生长主要靠细胞肥大和非心肌细胞的增长。细胞分裂是一系列复杂的分子及细胞学变化的和谐表达,离开和进入细胞增殖周期是控制细胞增殖的两个关键点。原癌基因是一组促使细胞进入增殖周期的启动子。已经发现的原癌基因包括血小板素源的生长因子、上皮生长因子、β-转移生长因子等[1]。他们通过DNA法则合成某些蛋白生长因子，刺激细胞进入增殖周期。与之对应，视网膜神经胶质瘤基因、P53基因和P107基因则属肿瘤抑制基因，他们合成的蛋白是细胞增殖周期的制动子[2,3]。
, 百拇医药
曾有学者试图用原癌基因诱导心肌细胞的增殖来治疗心力衰竭。将某些原癌基因，如ras、myc及myb等与胎儿或新生儿的心肌细胞共同培养可诱发其增殖效应[4]。但相同条件下成人心肌细胞却不发生增殖，推测终末分化的成人心肌细胞已不能被诱导进入增殖周期。
在转基因动物中将原癌基因于胚胎早期插入基因组，可在特定的靶器官，如心脏内可显示插入基因的活性。转基因小鼠实验证明ras基因可在心室充分表达并引起类似人类肥厚型心肌病样的心肌形态、生理及基因标志物的改变[5]。
另外，某些刺激因子还可通过激动α1b-肾上腺素能受体引起心肌细胞的肥大性反应[6]，此类因子包括α1-AR激动剂、血管紧张素Ⅱ、凝血酶及血管内皮素。他们通过与受体结合激活鸟嘌呤结合蛋白Gq及相关酶(如磷脂酶C)，最终激活蛋白激酶C导致细胞肥大。对成年转基因鼠持续慢性刺激其α1b-肾上腺素能受体可使心脏重量、心肌细胞交联面积增加，心肌细胞肥大。推测未来可用以下方式达到治疗心力衰竭的目的：(1)减少α1b-肾上腺素能受体刺激物的生成或作用，如应用α1-AR拮抗剂，加快血管紧张素Ⅱ的降解或减少肾素-血管紧张素的转换；(2)增加磷脂酶C、蛋白激酶C水平；(3)利用脂样物Retinoids阻滞原癌基因ras作用。
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二、促进心肌细胞的发育和分化
原始祖细胞向不同的组织细胞分化受特定基因的控制，如myoD基因控制原始祖细胞向骨骼肌细胞分化。通过调控这些基因的表达可刺激某些活性蛋白,如收缩蛋白的合成[7]，增强心肌细胞的功能。有关研究集中在两点：(1)心肌祖细胞的识别;(2)骨骼肌细胞中与心肌细胞类似的myoD基因的识别。有数家世界著名分子生物学实验室从事过此方面的研究，但结果并不理想。虽然心肌细胞和骨骼肌细胞有许多相同的结构，如α-肌动蛋白、β-肌浆蛋白的重链、肌酸激酶和肌钙蛋白，并由相同的基因表达，但至今没有发现类似心肌细胞的myoD基因。近来在无脊椎动物和脊椎动物的胚胎发育过程中发现心脏的发育来源于中胚层侧面的一小群原始细胞，这些细胞在一组被称为“tinman”的基因组促使下分化形成早期心脏的分隔及扭曲[8]。但这些原始细胞的调控、分化过程尚待进一步的研究。
三、心肌细胞的移植
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心肌细胞间靠闰盘和缝隙连接,而一个植入的细胞要发挥其作用，必须具有相应的结构定位及功能联系。与心肌细胞不同，骨骼肌具有理想的再生能力，成熟骨骼肌细胞与基膜之间有一种体积较小的扁平或立方形细胞，称肌卫星细胞。肌细胞受损后肌卫星细胞被激活，重新进入细胞增殖周期，分化形成肌细胞并与受损细胞融合。
早期研究显示心肌细胞也有移植的可能性，但植入细胞和宿主间缺乏闰盘连接。最近，Soonpaa等[9]自小鼠胚胎分离心肌细胞后注入基因相同的成年鼠心室肌中，2个月后可检测到稳定的植入细胞。电子显微镜下显示移植胚胎心肌细胞和宿主细胞间出现闰盘连接，组织学检查、心电图和血乳酸脱氢酶水平也未显示任何宿主损伤的表现。用狗做试验也得到同样的结果[10]。提示心肌细胞不仅可以植入心脏，且植入后与宿主细胞间还可发生交联。
Chiu等[11]将骨骼肌卫星细胞植入急性冻伤的心肌中数周后，在心肌瘢痕中发现了新生的肌源性细胞，且新生细胞具有闰盘、中央细胞核等类似于心肌细胞的组织学特征。这些研究表明心肌的内环境及许多生长因素似乎允许骨骼肌卫星细胞植入、生长并分化为类似于心肌细胞的肌细胞。如果进一步的研究结果理想，则此法将可能是一种治疗晚期心力衰竭的有效途径[12]。
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四、对心力衰竭治疗的潜力展望
心力衰竭的主要原因是功能性心肌细胞减少，而利用分子生物学技术治疗心力衰竭的研究方向即提供重建或恢复这些功能性心肌细胞的方法。用特殊的细胞增殖技术可刺激诱导衰竭心脏中有活性心肌细胞的增殖；还可将衰竭心脏残存的活性心肌细胞提取后，在体外用某些特殊因子诱导增殖后再植入患者心脏。将异体心肌细胞用同样的细胞学技术增殖后置入患者心肌内，也可达到同样的治疗目的，但应注意机体的排斥反应。
利用myoD基因是另一较有潜力的分子水平治疗心力衰竭的方法。如果将来能分离心肌细胞myoD基因，可用之刺激未分化的细胞转化为功能性心肌细胞，增强心功能。梗塞心脏中的成纤维细胞可能是候选对象之一，较心肌细胞分化低，并保持增殖、修复的能力。其他如毛细血管内皮细胞或血管平滑肌细胞均可有同样的功效。
虽然在分子和细胞水平治疗心力衰竭的研究取得了一定的进展，但从实验室到临床尚需一段过程。将细胞置入心肌需要高超的生物学技术和实验室条件。动物实验虽已证实将细胞直接注入到心肌的可行性，但仅局限于某些部位，且需要开胸手术。经冠状动脉或静脉途径将细胞植入特定心肌区域，而不损伤冠状循环和心脏正常活动是未来探索的途径。另外，需植入心肌细胞的部位多已失去其正常功能，不能支撑植入的细胞。故还需一种特殊的支架以支撑即将植入的细胞，使其发挥正常功能。现代材料科学及组织工程学的进展已能够在不久的将来提供这种支架材料。
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还应强调，上述治疗心力衰竭的方法同时伴有潜在的危险。在心肌内诱导心肌细胞增殖的同时，还必须掌握及时终止增殖的技术。如果诱导的心肌细胞在心肌内无限度的增殖，是必造成心肌肥厚，引起更严重的后果。另外，还应注意增殖的心肌细胞必须具有正常心肌功能，且与现存细胞协同收缩。否则将是一个无功能的瘢痕，而且危及心室重构，加重心力衰竭，甚至引起致命的心律失常。
总之，从分子和细胞学水平修复衰竭的心肌可能是未来治疗顽固性心力衰竭的有效途径，是探讨治疗扩张型心肌病等目前治疗效果仍不理想的心肌疾病的研究方向之一。
参考文献
[1]Land H, Parada LF, Weinberg RA. Cellular oncogenes and multistep carcinnogenesis. Science, 1983，222:771-778.
, http://www.100md.com
[2]Weinberg RA.Tumor suppressor genes. Science, 1991,254:1138-1146.
[3]Milano CA, Dolbor PC, Rockman HA, et al. Myocardial expression of a constitutively active -adrenergic receptor in transgenic mice induces hypertrophy. Proc Natl Acad Sci USA, 1994,91:10109-10113.
[4]Engelmann GL, Birchenall-Roberts MD, Rusletti FW, et al. Formation of fetal rat cardiac cell clones by retroviral transformation: relation of select myocyte characteristics. J Moll Cell Cardiol, 1993,25:197-213.
, http://www.100md.com
[5]Hunter JJ, Tanaka N, Rockman HA, et al. Ventricular expression of an MLC-2v-ras fusion gene induces cardiac hypertrophy and selective diastolic dysfunction in transgenic mice. J Biol Chem, 1995,270:23173-23178.
[6]Kim KK, Soonpaa MH, Daud A, et al.Tumor-suppressor gene expression during normal and pathologic myocardial growth. J biol Chem, 1994,269:22607-22613.
[7]Weintraub H, Davis R, Tapscott S, et al. The myoD gene family: nodal point during specification of the muscle cell lineage. Science, 1991,251:761-766.
, http://www.100md.com
[8]Olson ZW, Srivastava D. Molecular pathways controlling heart development. Science, 1996,272:671-676.
[9]Soonpaa MH, Koh GY, Klug MG, et al. Formation of nascent intercalated disks between grafted fetal cardiomyocytes and host myocardium. Science, 1994,264:98-101.
[10]Koh GY, Soonpaa MH, Klug MG, et al. Stable fetal cardiomyocytes grafts in the hearts of dystrophic mice and dogs. J Clin Invest, 1995,96:1-8.
, http://www.100md.com
[11]Chiu RC, Zibaitis A, Kao RL. Cellular cardiomyoplasty: myocardial regeneration with satellite cell implantation. Ann Thorc Surg, 1995,60:12-18.
[12]Scorsin M, Hagege AA, Dolizy I, et al. Can cellualar transplantation improve function in docorubicin-induced heart failure? Circulation, 1998,98:II 151-156.
收稿日期：1999-05-14, 百拇医药
单位：杜忠东(100020 北京，首都儿科研究所)； 汪芸(100020 北京，首都儿科研究所)
关键词：
中华儿科杂志000231 慢性心力衰竭的传统治疗包括强心、利尿和扩血管等方法，近来血管紧张素转化酶抑制剂及β受体抑制剂的应用使部分患儿的症状和预后有所改善，但对扩张型心肌病等引起的心力衰竭的治疗效果仍不理想。分子及细胞生物学研究的进展为探讨心力衰竭的治疗提供了新的思路。我们主要对通过修复衰竭的心肌细胞增强心脏作功能力在分子生物学及细胞学方面进行讨论。
一、重新启动现存心肌细胞的增殖
心肌细胞增殖发生于胎儿及生后发育的早期，啮齿类动物约于生后2周停止，而人类在生后数月停止。细胞数目停止增长后，心脏的生长主要靠细胞肥大和非心肌细胞的增长。细胞分裂是一系列复杂的分子及细胞学变化的和谐表达,离开和进入细胞增殖周期是控制细胞增殖的两个关键点。原癌基因是一组促使细胞进入增殖周期的启动子。已经发现的原癌基因包括血小板素源的生长因子、上皮生长因子、β-转移生长因子等[1]。他们通过DNA法则合成某些蛋白生长因子，刺激细胞进入增殖周期。与之对应，视网膜神经胶质瘤基因、P53基因和P107基因则属肿瘤抑制基因，他们合成的蛋白是细胞增殖周期的制动子[2,3]。
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曾有学者试图用原癌基因诱导心肌细胞的增殖来治疗心力衰竭。将某些原癌基因，如ras、myc及myb等与胎儿或新生儿的心肌细胞共同培养可诱发其增殖效应[4]。但相同条件下成人心肌细胞却不发生增殖，推测终末分化的成人心肌细胞已不能被诱导进入增殖周期。
在转基因动物中将原癌基因于胚胎早期插入基因组，可在特定的靶器官，如心脏内可显示插入基因的活性。转基因小鼠实验证明ras基因可在心室充分表达并引起类似人类肥厚型心肌病样的心肌形态、生理及基因标志物的改变[5]。
另外，某些刺激因子还可通过激动α1b-肾上腺素能受体引起心肌细胞的肥大性反应[6]，此类因子包括α1-AR激动剂、血管紧张素Ⅱ、凝血酶及血管内皮素。他们通过与受体结合激活鸟嘌呤结合蛋白Gq及相关酶(如磷脂酶C)，最终激活蛋白激酶C导致细胞肥大。对成年转基因鼠持续慢性刺激其α1b-肾上腺素能受体可使心脏重量、心肌细胞交联面积增加，心肌细胞肥大。推测未来可用以下方式达到治疗心力衰竭的目的：(1)减少α1b-肾上腺素能受体刺激物的生成或作用，如应用α1-AR拮抗剂，加快血管紧张素Ⅱ的降解或减少肾素-血管紧张素的转换；(2)增加磷脂酶C、蛋白激酶C水平；(3)利用脂样物Retinoids阻滞原癌基因ras作用。
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二、促进心肌细胞的发育和分化
原始祖细胞向不同的组织细胞分化受特定基因的控制，如myoD基因控制原始祖细胞向骨骼肌细胞分化。通过调控这些基因的表达可刺激某些活性蛋白,如收缩蛋白的合成[7]，增强心肌细胞的功能。有关研究集中在两点：(1)心肌祖细胞的识别;(2)骨骼肌细胞中与心肌细胞类似的myoD基因的识别。有数家世界著名分子生物学实验室从事过此方面的研究，但结果并不理想。虽然心肌细胞和骨骼肌细胞有许多相同的结构，如α-肌动蛋白、β-肌浆蛋白的重链、肌酸激酶和肌钙蛋白，并由相同的基因表达，但至今没有发现类似心肌细胞的myoD基因。近来在无脊椎动物和脊椎动物的胚胎发育过程中发现心脏的发育来源于中胚层侧面的一小群原始细胞，这些细胞在一组被称为“tinman”的基因组促使下分化形成早期心脏的分隔及扭曲[8]。但这些原始细胞的调控、分化过程尚待进一步的研究。
三、心肌细胞的移植
, http://www.100md.com
心肌细胞间靠闰盘和缝隙连接,而一个植入的细胞要发挥其作用，必须具有相应的结构定位及功能联系。与心肌细胞不同，骨骼肌具有理想的再生能力，成熟骨骼肌细胞与基膜之间有一种体积较小的扁平或立方形细胞，称肌卫星细胞。肌细胞受损后肌卫星细胞被激活，重新进入细胞增殖周期，分化形成肌细胞并与受损细胞融合。
早期研究显示心肌细胞也有移植的可能性，但植入细胞和宿主间缺乏闰盘连接。最近，Soonpaa等[9]自小鼠胚胎分离心肌细胞后注入基因相同的成年鼠心室肌中，2个月后可检测到稳定的植入细胞。电子显微镜下显示移植胚胎心肌细胞和宿主细胞间出现闰盘连接，组织学检查、心电图和血乳酸脱氢酶水平也未显示任何宿主损伤的表现。用狗做试验也得到同样的结果[10]。提示心肌细胞不仅可以植入心脏，且植入后与宿主细胞间还可发生交联。
Chiu等[11]将骨骼肌卫星细胞植入急性冻伤的心肌中数周后，在心肌瘢痕中发现了新生的肌源性细胞，且新生细胞具有闰盘、中央细胞核等类似于心肌细胞的组织学特征。这些研究表明心肌的内环境及许多生长因素似乎允许骨骼肌卫星细胞植入、生长并分化为类似于心肌细胞的肌细胞。如果进一步的研究结果理想，则此法将可能是一种治疗晚期心力衰竭的有效途径[12]。
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四、对心力衰竭治疗的潜力展望
心力衰竭的主要原因是功能性心肌细胞减少，而利用分子生物学技术治疗心力衰竭的研究方向即提供重建或恢复这些功能性心肌细胞的方法。用特殊的细胞增殖技术可刺激诱导衰竭心脏中有活性心肌细胞的增殖；还可将衰竭心脏残存的活性心肌细胞提取后，在体外用某些特殊因子诱导增殖后再植入患者心脏。将异体心肌细胞用同样的细胞学技术增殖后置入患者心肌内，也可达到同样的治疗目的，但应注意机体的排斥反应。
利用myoD基因是另一较有潜力的分子水平治疗心力衰竭的方法。如果将来能分离心肌细胞myoD基因，可用之刺激未分化的细胞转化为功能性心肌细胞，增强心功能。梗塞心脏中的成纤维细胞可能是候选对象之一，较心肌细胞分化低，并保持增殖、修复的能力。其他如毛细血管内皮细胞或血管平滑肌细胞均可有同样的功效。
虽然在分子和细胞水平治疗心力衰竭的研究取得了一定的进展，但从实验室到临床尚需一段过程。将细胞置入心肌需要高超的生物学技术和实验室条件。动物实验虽已证实将细胞直接注入到心肌的可行性，但仅局限于某些部位，且需要开胸手术。经冠状动脉或静脉途径将细胞植入特定心肌区域，而不损伤冠状循环和心脏正常活动是未来探索的途径。另外，需植入心肌细胞的部位多已失去其正常功能，不能支撑植入的细胞。故还需一种特殊的支架以支撑即将植入的细胞，使其发挥正常功能。现代材料科学及组织工程学的进展已能够在不久的将来提供这种支架材料。
, 百拇医药
还应强调，上述治疗心力衰竭的方法同时伴有潜在的危险。在心肌内诱导心肌细胞增殖的同时，还必须掌握及时终止增殖的技术。如果诱导的心肌细胞在心肌内无限度的增殖，是必造成心肌肥厚，引起更严重的后果。另外，还应注意增殖的心肌细胞必须具有正常心肌功能，且与现存细胞协同收缩。否则将是一个无功能的瘢痕，而且危及心室重构，加重心力衰竭，甚至引起致命的心律失常。
总之，从分子和细胞学水平修复衰竭的心肌可能是未来治疗顽固性心力衰竭的有效途径，是探讨治疗扩张型心肌病等目前治疗效果仍不理想的心肌疾病的研究方向之一。
参考文献
[1]Land H, Parada LF, Weinberg RA. Cellular oncogenes and multistep carcinnogenesis. Science, 1983，222:771-778.
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[2]Weinberg RA.Tumor suppressor genes. Science, 1991,254:1138-1146.
[3]Milano CA, Dolbor PC, Rockman HA, et al. Myocardial expression of a constitutively active -adrenergic receptor in transgenic mice induces hypertrophy. Proc Natl Acad Sci USA, 1994,91:10109-10113.
[4]Engelmann GL, Birchenall-Roberts MD, Rusletti FW, et al. Formation of fetal rat cardiac cell clones by retroviral transformation: relation of select myocyte characteristics. J Moll Cell Cardiol, 1993,25:197-213.
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[5]Hunter JJ, Tanaka N, Rockman HA, et al. Ventricular expression of an MLC-2v-ras fusion gene induces cardiac hypertrophy and selective diastolic dysfunction in transgenic mice. J Biol Chem, 1995,270:23173-23178.
[6]Kim KK, Soonpaa MH, Daud A, et al.Tumor-suppressor gene expression during normal and pathologic myocardial growth. J biol Chem, 1994,269:22607-22613.
[7]Weintraub H, Davis R, Tapscott S, et al. The myoD gene family: nodal point during specification of the muscle cell lineage. Science, 1991,251:761-766.
, http://www.100md.com
[8]Olson ZW, Srivastava D. Molecular pathways controlling heart development. Science, 1996,272:671-676.
[9]Soonpaa MH, Koh GY, Klug MG, et al. Formation of nascent intercalated disks between grafted fetal cardiomyocytes and host myocardium. Science, 1994,264:98-101.
[10]Koh GY, Soonpaa MH, Klug MG, et al. Stable fetal cardiomyocytes grafts in the hearts of dystrophic mice and dogs. J Clin Invest, 1995,96:1-8.
, http://www.100md.com
[11]Chiu RC, Zibaitis A, Kao RL. Cellular cardiomyoplasty: myocardial regeneration with satellite cell implantation. Ann Thorc Surg, 1995,60:12-18.
[12]Scorsin M, Hagege AA, Dolizy I, et al. Can cellualar transplantation improve function in docorubicin-induced heart failure? Circulation, 1998,98:II 151-156.
收稿日期：1999-05-14, 百拇医药