Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Сърдечни стволови клетки в проучвания за регенерация на миокарда

Ограниченият регенеративен капацитет на сърцата на възрастните бозайници след инфаркт на миокарда стимулира интензивни изследвания в областта на биологията на сърдечните стволови клетки и регенеративните терапии. Въпреки че продължават дебатите относно съществуването и регенеративния потенциал на ендогенните сърдечни стволови клетки, различни клетъчни популации са изследвани за способността им да възстановяват увредения миокард. Разбирането на биологията на сърдечните прогениторни клетки и разработването на ефективни клетъчни терапии остава основна цел за справяне с глобалната тежест на сърдечната недостатъчност, произтичаща от исхемична болест на сърцето.

Основни изводи

• Идентифицирани са множество популации от сърдечни прогенитори въз основа на повърхностни маркери и функционални свойства
• c-Kit+ сърдечни прогениторни клетки предизвикаха първоначален ентусиазъм, но показват ограничена кардиомиоцитна диференциация in vivo
• Клетките, получени от кардиосферата, демонстрират паракринни ползи в клинични изпитвания въпреки ограниченото присаждане
• Кардиомиоцитите, получени от индуцирани плурипотентни стволови клетки, предлагат мащабируеми клетъчни източници с определена диференциация
• Паракринните механизми могат да опосредстват ползите от възстановяването на сърцето независимо от клетъчната замяна

Ендогенни сърдечни прогениторни клетки

Идентифицирането на c-Kit⁺ сърдечни прогениторни клетки (CPCs) в сърцата на възрастни хора предизвика огромно въодушевление по отношение на сърдечната регенерация. Беше съобщено, че тези клетки, идентифицирани чрез експресия на рецептора за стволови клетъчни фактори c-Kit (CD117), се диференцират в кардиомиоцити и регенерират инфарктиран миокард. Последвалите проучвания за проследяване на линиите обаче разкриха, че c-Kit⁺ CPC допринасят минимално за образуването на нови кардиомиоцити, като вместо това генерират ендотелни клетки и фибробласти.

Сърдечните прогенитори Sca-1⁺ представляват друга популация, идентифицирана в сърцата на гризачите. Тези клетки демонстрират кардиомиогенен потенциал in vitro, но подобно на c-Kit⁺ клетките показват ограничена диференциация до функционални кардиомиоцити in vivo. Липсата на човешки ортолог на Sca-1 усложнява пренасянето на резултатите от Sca-1⁺ CPC в клинични приложения.

Клетките от страничната популация, идентифицирани чрез изтичане на багрило Hoechst, представляват трета популация сърдечни прогенитори. Тези клетки, които експресират АТФ-свързващия касетъчен транспортер ABCG2, демонстрират многолинейния потенциал, но не са достигнали до клинично развитие. Споровете относно истинската регенеративна способност на ендогенните CPCs изместиха фокуса към екзогенни клетъчни източници и паракринни механизми.

Клетъчна терапия, получена от кардиосфера

Кардиосферите представляват самосглобяващи се клъстери от клетки, получени от експланти на сърдечна тъкан. Когато се култивират като сфероиди, тези клетки експресират прогениторни маркери и демонстрират потенциал за многолинейна диференциация. Клетките, получени от кардиосфери (CDCs), експанзирани от първични кардиосфери, са напреднали в клиничните изпитвания за инфаркт на миокарда и сърдечна недостатъчност.

Изпитването CADUCEUS показа, че инфузията на CDC намалява размера на белега и увеличава жизнеспособния миокард при пациенти след инфаркт. Въпреки това функционалното подобрение, измерено чрез фракцията на изтласкване, е било скромно. Механизмът на ползата изглежда предимно паракринен, като отделяните от CDC фактори насърчават ангиогенезата, намаляват възпалението и потенциално стимулират ендогенното възстановяване, а не пряката клетъчна замяна.

Производството на CDC включва ендомиокардна биопсия, култивиране на тъканни експланти и формиране на кардиосфери в суспензия, последвано от експанзия като адхезивни CDC. Този процес позволява приготвянето на автоложни клетки от биопсии на пациенти, въпреки че сроковете за производство и променливостта представляват предизвикателство за остри приложения.

Кардиомиоцити, получени от индуцирани плурипотентни стволови клетки

Индуцираните плурипотентни стволови клетки (iPSCs), диференцирани до кардиомиоцити (iPSC-CMs), предлагат мащабируем, дефиниран клетъчен източник за сърдечна регенерация. Насочените протоколи за диференциране, използващи модулация на пътя на Wnt, ефективно генерират биещи кардиомиоцити от iPSCs. Тези клетки експресират сърдечни маркери и демонстрират функционални свойства, включително работа с калций и контрактилност.

трансплантацията на iPSC-CM в животински модели демонстрира присаждане и частична електрическа интеграция с миокарда на гостоприемника. Въпреки това непълното съзряване на iPSC-CMs в сравнение с кардиомиоцитите на възрастни създава риск от аритмия поради хетерогенност на автоматизма и проводимостта. Стратегиите за подобряване на зреенето на iPSC-CM и електрическата интеграция остават активни изследователски области.

Алогенните iPSC-CM продукти от HLA-хомозиготни донори биха могли да осигурят готови клетъчни терапии, избягвайки специфичното за пациента производство. В Япония и други страни се провеждат клинични изпитвания, оценяващи безопасността и ефикасността на iPSC-CM при сърдечна недостатъчност, които представляват границата на сърдечната терапия с плурипотентни стволови клетки.

Приложения на мезенхимни стволови клетки за сърцето

Мезенхимните стволови клетки демонстрират кардиопротективни ефекти предимно чрез паракринни механизми, а не чрез кардиомиоцитна диференциация. Секретираните от МСК фактори, включително VEGF, IGF-1 и HGF, насърчават ангиогенезата и оцеляването на клетките в исхемичния миокард. Противовъзпалителните цитокини намаляват увреждащото възпаление след инфаркт.

Човешките мезенхимни стволови клетки - костен мозък (HMSC-BM ) осигуряват стандартен източник на MSC за приложения в сърдечните изследвания. Клиничните изпитвания, при които се използват МСК от костен мозък за лечение на миокарден инфаркт, показват скромни ползи с отлични профили на безопасност. Човешките мезенхимни стволови клетки - мастна тъкан предлагат алтернативен източник с потенциално по-добри паракринни свойства за сърдечни приложения.

Сърдечната диференциация на МСК остава ограничена въпреки in vitro съобщенията за кардиомиогенен потенциал. Терапевтичната полза от МСК в сърдечни приложения произтича предимно от паракринни ефекти, а не от клетъчна замяна. Това механистично разбиране измества фокуса към оптимизиране на доставката на MSC секрети, а не към засилване на диференциацията.

Паракринни механизми на сърдечно възстановяване

Екзозомите и микровезикулите, секретирани от сърдечните прогениторни клетки и МСК, медиират паракринните ефекти. Тези екстрацелуларни везикули съдържат протеини, мРНК и микроРНК, които модулират функцията на реципиентните клетки. Екзозомите, получени от CDC, възпроизвеждат ползите от сърдечното възстановяване, наблюдавани при трансплантацията на цели клетки, което предполага безклетъчни терапии на базата на екзозоми.

Стимулирането на ангиогенезата подобрява перфузията на исхемичния миокард. VEGF, bFGF и ангиопоетини, секретирани от трансплантираните клетки или доставяни чрез екзозоми, стимулират образуването на нови кръвоносни съдове. Подобрената васкуларизация подпомага оцеляването на кардиомиоцитите и потенциално ендогенната регенерация.

Антифибротичните ефекти намаляват образуването на белези и запазват сърдечната функция. Секретираните фактори инхибират активирането на фибробластите и отлагането на колаген. Този механизъм може да обясни подобренията в сърдечната структура и функция, наблюдавани без значително присаждане на клетки.

Протоколи за култивиране и разширяване

Изолирането на сърдечни прогениторни клетки обикновено включва ензимна дисоциация на сърдечната тъкан, последвана от селекция на базата на маркери или диференциална адхезивна култура. Изолирането на c-Kit⁺ клетки използва селекция с магнитни топчета, докато образуването на кардиосфери се случва спонтанно при подходящи условия на суспензионна култура.

DMEM/Ham's F12 среда, допълнена с растежни фактори, осигурява стандартни условия за култивиране за разширяване на сърдечните прогениторни клетки. Специализираните сърдечни стволови клетки, съдържащи определени фактори, оптимизират разширяването, като същевременно запазват свойствата на прогениторите. Средата за замразяване CM-1 позволява криоконсервация на разширените сърдечни прогенитори.

Контролът на качеството на сърдечните клетъчни продукти изисква функционална оценка, която надхвърля характеристиката на повърхностните маркери. Измерванията на калциевите транзиенти, електрофизиологичните записи и тестовете за контрактилност потвърждават функцията на кардиомиоцитите. Аутентифицирането на клетъчните линии и тестовете за микоплазма гарантират целостта на продукта за научни и клинични приложения.

Методи и време на доставка

Интрамиокардиалната инжекция осигурява директно доставяне до целевата тъкан, но изисква инвазивни хирургични или катетърни подходи. Задържането на клетките в местата на инжектиране е ограничено, като повечето клетки се губят в рамките на часове до дни чрез механично измиване и клетъчна смърт в неблагоприятната среда на инфаркта.

Интракоронарната инфузия предлага по-малко инвазивно доставяне, но разчита на трансендотелиална миграция за насочване към миокарда. Този път постига по-широко разпространение, но дори по-ниска задържаемост от директната инжекция. Повторните инфузии могат да компенсират слабата първоначална задържаемост.

Времето на доставка на клетките влияе върху резултатите. Острата доставка веднага след инфаркта се сблъсква с неблагоприятна възпалителна среда, но може да предостави максимална възможност за интервенция. Забавената доставка след отшумяване на острата възпалителна реакция може да подобри оцеляването на клетките, но пропуска терапевтичния прозорец за максимална полза.

Бъдещи насоки

Директното препрограмиране на сърцето превръща фибробластите в кардиомиоцитоподобни клетки in situ без трансплантация на клетки. Комбинации от транскрипционни фактори (Gata4, Mef2c, Tbx5) или малки молекули индуцират кардиомиоцитна съдба в сърдечните фибробласти. Този подход избягва предизвикателствата на трансплантацията на клетки, но се сблъсква с пречки по отношение на ефективността и безопасността.

Комбинираните подходи, интегриращи клетъчна терапия с биоматериални скафолди, растежни фактори и електрическа стимулация, могат да подобрят резултатите от сърдечното възстановяване. Инженерните подходи за създаване на сърдечни пластири с организирана клетъчна архитектура и съдова система преодоляват ограниченията на подходите за клетъчна инжекция.

Заключение

Изследванията на сърдечните стволови клетки са еволюирали от първоначалния ентусиазъм по отношение на регенерацията, медиирана от ендогенни прогениторни клетки, до по-нюансирано разбиране на паракринните механизми и предизвикателствата на истинската сърдечна регенерация. Докато заместването на кардиомиоцитите остава амбициозна цел, настоящите доказателства подкрепят ползите, медиирани от паракринни механизми, от различни клетъчни източници. Кардиомиоцитите, получени от iPSC, предлагат най-обещаващия път към функционално заместване на клетки, като се очакват решения на предизвикателствата, свързани с узряването и интеграцията. Продължаващите изследвания, които напредват както в областта на клетъчната замяна, така и в областта на паракринните подходи, в крайна сметка ще доведат до ефективни регенеративни терапии за пациенти със сърдечна недостатъчност.