Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Širdies kamieninės ląstelės miokardo regeneracijos tyrimuose

Dėl ribotų suaugusių žinduolių širdžių regeneracinių gebėjimų po miokardo infarkto atliekami intensyvūs širdies kamieninių ląstelių biologijos ir regeneracinės terapijos tyrimai. Nors tebesitęsia diskusijos dėl endogeninių širdies kamieninių ląstelių egzistavimo ir regeneracinio potencialo, tiriamas įvairių ląstelių populiacijų gebėjimas atkurti pažeistą miokardą. Širdies kamieninių ląstelių biologijos supratimas ir veiksmingų ląstelių terapijos metodų kūrimas tebėra pagrindinis tikslas sprendžiant visuotinę širdies nepakankamumo, kurį sukelia išeminė širdies liga, naštą.

Pagrindinės išvados

• Remiantis paviršiaus žymenimis ir funkcinėmis savybėmis nustatytos kelios širdies progenitorių populiacijos
• c-Kit+ širdies progenitorinės ląstelės sukėlė pradinį entuziazmą, tačiau in vivo jos pasižymi ribota kardiomiocitų diferenciacija
• Iš kardiosferos gautos ląstelės rodo parakrininę naudą klinikiniuose tyrimuose, nepaisant riboto prigijimo
• Iš indukuotų pluripotentinių kamieninių ląstelių gauti kardiomiocitai - tai keičiamo dydžio ląstelių šaltiniai su apibrėžta diferenciacija
• Parakrininiai mechanizmai gali lemti širdies atkūrimo naudą nepriklausomai nuo ląstelių pakeitimo

Endogeninės širdies genitorių ląstelės

C-Kit⁺ širdies progenitorių ląstelių (CPC) identifikavimas suaugusiųjų širdyse sukėlė didžiulį ažiotažą dėl širdies regeneracijos. Buvo pranešta, kad šios ląstelės, atpažįstamos pagal kamieninių ląstelių faktoriaus c-Kit (CD117) receptoriaus raišką, diferencijuojasi į kardiomiocitus ir regeneruoja infarktą patyrusį miokardą. Tačiau vėlesni linijiniai tyrimai atskleidė, kad c-Kit⁺ CPC mažai prisideda prie naujų kardiomiocitų formavimosi, o vietoj jų formuojasi endotelio ląstelės ir fibroblastai.

Sca-1⁺ širdies pirmtakai yra dar viena graužikų širdyse nustatyta populiacija. Šios ląstelės pasižymi kardiomiogeniniu potencialu in vitro, tačiau, kaip ir c-Kit⁺ ląstelės, in vivo ribotai diferencijuojasi į funkcinius kardiomiocitus. Sca-1⁺ CPC atradimų pritaikomumą klinikinėje praktikoje apsunkina tai, kad nėra žmogaus Sca-1 ortologo.

Šoninės populiacijos ląstelės, identifikuotos pagal Hoechst dažų nutekėjimą, yra trečioji širdies progenitorių populiacija. Šios ląstelės, ekspresuojančios ATP jungiančių kasečių pernešėją ABCG2, rodo daugialinijinį potencialą, tačiau klinikinė plėtra nebuvo pradėta. Ginčai dėl tikrojo endogeninių ŠKL regeneracinio pajėgumo nukreipti į egzogeninius ląstelių šaltinius ir parakrininius mechanizmus.

Iš kardiosferos gautų ląstelių terapija

Kardiosferos - tai savaime susiformuojantys ląstelių, gautų iš širdies audinio eksplantų, telkiniai. Kultivuojamos kaip sferoidai, šios ląstelės išreiškia progenitorių žymenis ir pasižymi daugialinijinės diferenciacijos potencialu. Iš pirminių kardiosferų išaugintos kardiosferos ląstelės (CDCs) jau buvo išbandytos klinikiniais tyrimais miokardo infarkto ir širdies nepakankamumo gydymui.

CADUCEUS tyrimas parodė, kad CDC infuzija sumažino randų dydį ir padidino gyvybingo miokardo kiekį pacientams po infarkto. Tačiau funkcinis pagerėjimas, matuojamas pagal išstūmimo frakciją, buvo nedidelis. Panašu, kad naudos mechanizmas visų pirma yra parakrininis - CDC išskiriami veiksniai skatina angiogenezę, mažina uždegimą ir galimai skatina endogeninį atstatymą, o ne tiesioginį ląstelių pakeitimą.

CDC gamyba apima endomiokardo biopsiją, audinių eksplantų kultūrą ir kardiosferos formavimą suspensijoje, po kurio CDC išsiplečia kaip adherentiniai CDC. Šis procesas leidžia paruošti autologines ląsteles iš paciento biopsijos, tačiau gamybos terminai ir kintamumas kelia sunkumų, susijusių su ūmiu taikymu.

Indukuotų pliuripotentinių kamieninių ląstelių gauti kardiomiocitai

Indukuotos pluripotentinės kamieninės ląstelės (iPSC), diferencijuotos į kardiomiocitus (iPSC-CMs), yra keičiamo dydžio, apibrėžtas ląstelių šaltinis širdies regeneracijai. Kryptingo diferencijavimo protokolai, kuriuose naudojama Wnt kelio moduliacija, leidžia iš iPSC veiksmingai sukurti plakančių kardiomiocitų. Šios ląstelės išreiškia širdies žymenis ir pasižymi funkcinėmis savybėmis, įskaitant kalcio tvarkymą ir kontraktiliškumą.

transplantuojant iPSC-CM gyvūnų modeliuose, iPSC-CM įsitvirtina ir iš dalies elektriškai integruojasi į šeimininko miokardą. Tačiau dėl nevisiško iPSC-CM subrendimo, palyginti su suaugusiais kardiomiocitais, kyla aritmijos pavojus dėl automatiškumo ir laidumo heterogeniškumo. Strategijos, kaip pagerinti iPSC-CM brendimą ir elektrinę integraciją, tebėra aktyvios mokslinių tyrimų sritys.

Alogeniniai iPSC-CM produktai iš HLA homozigotinių donorų galėtų būti gatavi ląsteliniai gydymo būdai, kuriuos naudojant būtų galima gaminti atskirai nuo paciento. Japonijoje ir kitose šalyse atliekami klinikiniai tyrimai, kuriuose vertinamas iPSC-CM saugumas ir veiksmingumas sergant širdies nepakankamumu.

Mezenchiminių kamieninių ląstelių taikymas širdies gydymui

Mezenchiminės kamieninės ląstelės pasižymi kardioprotekciniu poveikiu pirmiausia dėl parakrininių mechanizmų, o ne dėl kardiomiocitų diferenciacijos. MSC išskiriami veiksniai, įskaitant VEGF, IGF-1 ir HGF, skatina angiogenezę ir ląstelių išgyvenamumą išeminiame miokarde. Priešuždegiminiai citokinai mažina žalingą uždegimą po infarkto.

Žmogaus mezenchiminės kamieninės ląstelės - kaulų čiulpai (HMSC-BM) yra standartinis MSC šaltinis širdies tyrimams. Klinikiniai tyrimai, kuriuose kaulų čiulpų MSC naudojamos miokardo infarktui gydyti, rodo nedidelę naudą ir puikų saugumo profilį. Žmogaus mezenchiminės kamieninės ląstelės - riebalinis audinys yra alternatyvus šaltinis, galintis pasižymėti geresnėmis parakrininėmis savybėmis, skirtas širdies reikmėms.

Nepaisant in vitro pranešimų apie kardiomiogeninį potencialą, MSC širdies diferenciacija išlieka ribota. Terapinę MSC naudą širdies gydymui daugiausia lemia parakrininis poveikis, o ne ląstelių pakeitimas. Dėl šio mechanistinio supratimo dėmesys sutelktas į MSC sekreto pristatymo optimizavimą, o ne į diferenciacijos stiprinimą.

Širdies atsinaujinimo parakrininiai mechanizmai

Širdies progenitorinės ląstelės ir MSC išskiria eksosomas ir mikrovezikules, kurios mediatuoja parakrininį poveikį. Šios ekstraląstelinės vezikules sudaro baltymai, mRNR ir mikroRNR, kurie moduliuoja recipientų ląstelių funkciją. CDC išskirtos eksosomos atkuria širdies atsinaujinimo naudą, pastebėtą po visų ląstelių transplantacijos, o tai leidžia manyti, kad eksosomomis pagrįstos be ląstelių terapijos yra veiksmingos.

Angiogenezės skatinimas gerina perfuziją į išemiją patyrusį miokardą. VEGF, bFGF ir angiopoietinai, išskiriami transplantuotų ląstelių arba perduodami per eksosomas, stimuliuoja naujų kraujagyslių susidarymą. Padidėjęs kraujagyslių susidarymas palaiko kardiomiocitų išlikimą ir potencialiai endogeninę regeneraciją.

Antifibrozinis poveikis mažina randų susidarymą ir išsaugo širdies funkciją. Išskiriami faktoriai slopina fibroblastų aktyvaciją ir kolageno nusėdimą. Šis mechanizmas gali paaiškinti širdies struktūros ir funkcijos pagerėjimą, stebimą be ženklaus ląstelių įsitvirtinimo.

Kultivavimo ir ekspansijos protokolai

Širdies progenitorinių ląstelių izoliavimui paprastai naudojamas širdies audinio fermentinis skilimas, po kurio atliekama žymekliu pagrįsta atranka arba diferencinė adhezijos kultūra. c-Kit⁺ ląstelių izoliavimui naudojama magnetinių granulių atranka, o kardiosferos susidarymas vyksta savaime tinkamomis suspensijos kultūros sąlygomis.

DMEM/Ham's F12 terpė, papildyta augimo faktoriais, užtikrina standartines širdies progenitorinių ląstelių plėtros kultivavimo sąlygas. Specializuotos širdies kamieninės ląstelės terpės, kurių sudėtyje yra apibrėžti faktoriai, optimizuoja plėtrą, išlaikydamos progenitorinių ląstelių savybes. Užšaldymo terpė CM-1 leidžia kriokonservuoti išplėstas širdies progenitorines ląsteles.

Širdies ląstelių produktų kokybės kontrolė reikalauja funkcinio vertinimo, kuris apima ne tik paviršiaus žymių charakterizavimą. Kalcio tranzientų matavimai, elektrofiziologiniai įrašai ir susitraukiamumo tyrimai patvirtina kardiomiocitų funkciją. Ląstelių linijos autentiškumo patvirtinimas ir mikoplazmos tyrimai užtikrina produkto vientisumą moksliniams tyrimams ir klinikiniam pritaikymui.

Pateikimo būdai ir laikas

Intramiokardinė injekcija užtikrina tiesioginį pristatymą į tikslinį audinį, tačiau reikalauja invazinių chirurginių arba kateterinių metodų. Ląstelių išsilaikymas injekcijos vietose yra ribotas, dauguma ląstelių prarandama per kelias valandas ar dienas dėl mechaninio išplovimo ir ląstelių mirties nepalankioje infarkto aplinkoje.

Intrakoronarinė infuzija yra mažiau invazinis pristatymo būdas, tačiau priklauso nuo transendotelinės migracijos į miokardą. Šis būdas užtikrina platesnį pasiskirstymą, tačiau ląstelių išlikimas yra dar mažesnis nei tiesioginio injekcijos atveju. Pakartotinės infuzijos gali kompensuoti prastą pradinį išlikimą.

Ląstelių pristatymo laikas turi įtakos rezultatams. Akutas pristatymas iškart po infarkto susiduria su nepalankia uždegimine aplinka, tačiau gali suteikti maksimalias intervencijos galimybes. Atidėtas pristatymas po akuto uždegimo gali pagerinti ląstelių išgyvenimą, tačiau prarandama terapinė galimybė gauti maksimalią naudą.

Ateities kryptys

Tiesioginis širdies perprogramavimas konvertuoja fibroblastus į kardiomiocitų tipo ląsteles in situ be ląstelių transplantacijos. Transkripcijos faktorių kombinacijos (Gata4, Mef2c, Tbx5) arba mažos molekulės indukuoja kardiomiocitų likimą širdies fibroblastuose. Šis metodas leidžia išvengti ląstelių transplantacijos sunkumų, tačiau susiduria su efektyvumo ir saugumo kliūtimis.

Kombinuoti metodai, integruojantys ląstelių terapiją su biomedicininiais karkasais, augimo faktoriais ir elektrine stimuliacija, gali pagerinti širdies atkūrimo rezultatus. Inžineriniai metodai, kuriantys širdies lopus su organizuota ląstelių architektūra ir kraujagyslių sistema, sprendžia ląstelių injekcijos metodų trūkumus.

Išvada

Širdies kamieninių ląstelių tyrimai išsivystė nuo pradinio entuziazmo dėl endogeninių progenitorinių ląstelių mediatorių regeneracijos iki subtilesnio parakrininio mechanizmo supratimo ir tikros širdies regeneracijos sunkumų. Nors kardiomiocitų pakeitimas lieka ambicingas tikslas, dabartiniai įrodymai patvirtina parakrininio mediatoriaus naudą iš įvairių ląstelių šaltinių. iPSC kilmės kardiomiocitai siūlo perspektyviausią kelią link funkcionalių ląstelių pakeitimo, kol bus rasti sprendimai brandos ir integracijos sunkumams. Tęsiami tyrimai, skatinantys tiek ląstelių pakeitimą, tiek parakrininį metodą, galiausiai leis sukurti veiksmingas regeneracines terapijas širdies nepakankamumo pacientams.