Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Sirds cilmes šūnas miokarda reģenerācijas pētījumos

Ierobežotā pieaugušo zīdītāju sirds reģenerācijas spēja pēc miokarda infarkta veicina intensīvus sirds cilmes šūnu bioloģijas un reģeneratīvās terapijas pētījumus. Lai gan turpinās diskusijas par endogēno sirds cilmes šūnu pastāvēšanu un reģeneratīvo potenciālu, ir pētītas dažādu šūnu populāciju spējas atjaunot bojāto miokardu. Sirds progenitoru šūnu bioloģijas izpratne un efektīvu uz šūnām balstītu terapiju izstrāde joprojām ir galvenais mērķis, lai risinātu globālo sirds mazspējas slogu, ko rada sirds išēmiskās sirds slimības.

Galvenie secinājumi

• Ir identificētas vairākas sirds progenitoru populācijas, pamatojoties uz virsmas marķieriem un funkcionālajām īpašībām
• c-Kit+ sirds progenitoru šūnas radīja sākotnējo entuziasmu, bet tām ir ierobežota kardiomiocītu diferenciācija in vivo
• No kardiosfēras iegūtās šūnas klīniskajos pētījumos demonstrē parakrīnas priekšrocības, neraugoties uz ierobežotu ieaugšanu
• Inducētu pluripotento cilmes šūnu iegūti kardiomiocīti piedāvā mērogojamus šūnu avotus ar noteiktu diferenciāciju
• Parakrīnie mehānismi var būt sirds atjaunošanas ieguvumu starpnieki neatkarīgi no šūnu aizstāšanas

Endogēnās sirds progenitoru šūnas

C-Kit⁺ sirds progenitoru šūnu (CPC) identificēšana pieaugušo sirdīs izraisīja milzīgu sajūsmu par sirds reģenerāciju. Tika ziņots, ka šīs šūnas, kas identificētas pēc cilmes šūnu faktora c-Kit (CD117) receptora ekspresijas, diferencējas kardiomiocītos un reģenerē infarktētu miokardu. Tomēr turpmāki līnijveides izsekošanas pētījumi atklāja, ka c-Kit⁺ CPC minimāli veicina jaunu kardiomiocītu veidošanos, tā vietā radot endotēlija šūnas un fibroblastus.

Sca-1⁺ sirds progenitori ir vēl viena populācija, kas identificēta grauzēju sirdīs. Šīs šūnas uzrāda kardiomiogēnisku potenciālu in vitro, bet, tāpat kā c-Kit⁺ šūnas, uzrāda ierobežotu diferenciāciju līdz funkcionāliem kardiomiocītiem in vivo. Cilvēka Sca-1 ortologa trūkums apgrūtina Sca-1⁺ CPC atklājumu izmantošanu klīniskajā praksē.

Sānu populācijas šūnas, kas identificētas pēc Hoechst krāsas izplūdes, ir trešā sirds progenitoru populācija. Šīm šūnām, kas ekspresē ATP saistošo kasešu transportieri ABCG2, piemīt daudzlīniju potenciāls, bet tās nav nonākušas līdz klīniskai attīstībai. Strīdi par endogēno CPC patieso reģeneratīvo spēju ir novirzījuši uzmanību uz eksogēniem šūnu avotiem un parakrīniem mehānismiem.

Kardiosfērā iegūtu šūnu terapija

Kardiosfēras ir no sirds audu eksplantātiem iegūtu šūnu kopas, kas pašas sakopojas. Kultivētas kā sferoīdi, šīs šūnas ekspresē progenitoru marķierus un demonstrē daudzlīniju diferenciācijas potenciālu. No primārajām kardiosfērām iegūtās kardiosfēras (CDC) ir attīstījušās klīniskajos pētījumos miokarda infarkta un sirds mazspējas ārstēšanai.

CADUCEUS pētījums pierādīja, ka CDC infūzija samazina rēta lielumu un palielina dzīvotspējīgā miokarda apjomu pacientiem pēc infarkta. Tomēr funkcionālais uzlabojums, ko nosaka pēc izsviedes frakcijas, bija neliels. Šķiet, ka ieguvuma mehānisms galvenokārt ir parakrīns, jo CDC izdalītie faktori veicina angiogenezi, mazina iekaisumu un, iespējams, stimulē endogēnu atjaunošanos, nevis tiešu šūnu nomaiņu.

CDC ražošana ietver endomiokarda biopsiju, audu eksplanta kultūru un kardiosfēras veidošanos suspensijā, kam seko paplašināšanās kā adhēzijas CDC. Šis process ļauj sagatavot autologas šūnas no pacientu biopsijām, lai gan ražošanas termiņi un mainīgums rada problēmas akūtiem lietojumiem.

Inducētu pluripotento cilmes šūnu iegūti kardiomiocīti

Inducētas pluripotentās cilmes šūnas (iPSC), kas diferencētas līdz kardiomiocītiem (iPSC-CM), piedāvā mērogojamu, noteiktu šūnu avotu sirds reģenerācijai. Virzītas diferenciācijas protokoli, kuros izmanto Wnt ceļa modulāciju, ļauj efektīvi no iPSC radīt kardiomiocītus, kuriem ir sirdsdarbība. Šīs šūnas ekspresē sirds marķierus un uzrāda funkcionālas īpašības, tostarp kalcija apstrādi un kontraktilitāti.

iPSC-CM transplantācija dzīvnieku modeļos liecina par ieaugšanu un daļēju elektrisko integrāciju ar saimnieka miokardu. Tomēr iPSC-CM nepilnīga nobriešana salīdzinājumā ar pieaugušiem kardiomiocītiem rada aritmijas risku, ko rada automātiskums un vadīšanas heterogenitāte. Stratēģijas, kā uzlabot iPSC-CM nobriešanu un elektrisko integrāciju, joprojām ir aktīvas pētniecības jomas.

Alogēniski iPSC-CM produkti, kas iegūti no HLA homozigotiem donoriem, varētu nodrošināt gatavu šūnu terapiju, izvairoties no pacientam specifiskas ražošanas. Japānā un citās valstīs tiek veikti klīniskie pētījumi, kuros novērtē iPSC-CM drošību un efektivitāti sirds mazspējas gadījumā, kas ir pluripotento cilmes šūnu sirds terapijas priekšvēstnesis.

Mezenhīma cilmes šūnu izmantošana sirdsdarbībā

Mezenhīma cilmes šūnas kardioprotektīvo iedarbību galvenokārt demonstrē, izmantojot parakrīnus mehānismus, nevis kardiomiocītu diferenciāciju. MSC izdalītie faktori, tostarp VEGF, IGF-1 un HGF, veicina angiogenezi un šūnu izdzīvošanu išēmiskā miokardā. Pretiekaisuma citokīni mazina bojājošu iekaisumu pēc infarkta.

Cilvēka mezenhimālās cilmes šūnas - kaulu smadzenes (HMSC-BM) ir standarta MSC avots sirds pētniecības vajadzībām. Klīniskajos pētījumos, kuros izmanto kaulu smadzeņu MSC miokarda infarkta ārstēšanai, konstatēts neliels ieguvums un lielisks drošības profils. Cilvēka mezenhimālās cilmes šūnas - taukaudi ir alternatīvs avots ar potenciāli labākām parakrīnām īpašībām sirdsdarbībai.

MSC sirds diferenciācija joprojām ir ierobežota, neraugoties uz in vitro ziņojumiem par kardiomiogēno potenciālu. MSC terapeitiskais ieguvums sirdsdarbībā galvenokārt izriet no parakrīnās iedarbības, nevis no šūnu aizvietošanas. Šī mehānistiskā izpratne ir novirzījusi uzmanību uz MSC sekrēta piegādes optimizēšanu, nevis diferenciācijas uzlabošanu.

Sirds atjaunošanas parakrīnie mehānismi

Sirds priekšteču šūnas un MSC izdalītie eksosomi un mikrovezikulas nodrošina parakrīno iedarbību. Šīs ekstracelulārās vezikulas satur proteīnus, mRNS un mikroRNS, kas modulē recipienta šūnu funkcijas. No CDC iegūtie eksosomi atkārto sirds atjaunošanas priekšrocības, kas novērotas ar veselu šūnu transplantāciju, liecinot par eksosomu bāzētu bezšūnu terapiju.

Angiogēzes veicināšana uzlabo perfūziju išēmiskajam miokardam. VEGF, bFGF un angiopoetīni, ko izdalījušas transplantētās šūnas vai kas piegādāti ar eksosomu starpniecību, stimulē jaunu asinsvadu veidošanos. Uzlabota vaskularizācija atbalsta kardiomiocītu izdzīvošanu un potenciāli endogēnu reģenerāciju.

Pretfibrozes efekti samazina rētu veidošanos un saglabā sirds funkciju. Izdalītie faktori inhibē fibroblastu aktivāciju un kolagēna nogulsnēšanos. Šis mehānisms var izskaidrot sirds struktūras un funkcijas uzlabojumus, kas novēroti bez nozīmīgas šūnu implantācijas.

Kultivēšanas un ekspansijas protokoli

Sirds priekšteču šūnu izdalīšanai parasti izmanto sirds audu fermentatīvo disociāciju, kam seko marķieru izvēle vai diferenciāla adhezijas kultivēšana. c-Kit⁺ šūnu izdalīšanai izmanto magnētisko lodīšu atlasi, savukārt kardiosfēras veidošanās notiek spontāni atbilstošos suspensijas kultivēšanas apstākļos.

DMEM/Ham's F12 barotne, kas papildināta ar augšanas faktoriem, nodrošina standarta kultivēšanas apstākļus sirds priekšteču šūnu pavairošanai. Specializētas sirds cilmes šūnu barotnes, kas satur noteiktus faktorus, optimizē pavairošanu, vienlaikus saglabājot priekšteču īpašības. Saldēšanas barotne CM-1 ļauj kriokonservēt pavairotas sirds priekšteču šūnas.

Sirds šūnu produktu kvalitātes kontrolei nepieciešama funkcionāla novērtēšana, kas pārsniedz virsmas marķieru raksturošanu. Kalcija pārejošo mērījumu, elektrofizioloģisko ierakstu un kontraktilitātes testu rezultāti apstiprina kardiomiocītu funkciju. Šūnu līnijas autentifikācija un mikoplazmas testēšana nodrošina produkta integritāti pētniecības un klīniskajām vajadzībām.

Piegādes metodes un laiks

Intramiokardiāla injekcija nodrošina tiešu piegādi mērķa audiem, bet prasa invazīvas ķirurģiskas vai katetru metodes. Šūnu saglabāšanās injekcijas vietās ir ierobežota, un lielākā daļa šūnu tiek zaudētas dažu stundu vai dienu laikā mehāniskas izskalošanas un šūnu nāves dēļ nelabvēlīgā infarkta vidē.

Intrakoronārā infūzija nodrošina mazāk invazīvu piegādi, bet ir atkarīga no transendotēlijas migrācijas miokarda mājvietas sasniegšanai. Šis ceļš nodrošina plašāku izplatību, bet vēl zemāku saglabāšanos nekā tieša injekcija. Atkārtotas infūzijas var kompensēt sliktu sākotnējo saglabāšanos.

Šūnu piegādes laiks ietekmē rezultātus. Akūta piegāde tūlīt pēc infarkta saskaras ar nelabvēlīgu iekaisuma vidi, bet var nodrošināt maksimālas intervences iespējas. Aizkavēta piegāde pēc akūta iekaisuma rimšanās var uzlabot šūnu izdzīvošanu, bet izlaist terapeitisko logu maksimāla labuma gūšanai.

Turpmākā virzība

Tieša sirds pārprogrammēšana pārveido fibroblastus par kardiomiocītu līdzīgām šūnām in situ bez šūnu transplantācijas. Transkripcijas faktoru kombinācijas (Gata4, Mef2c, Tbx5) vai mazās molekulas inducē kardiomiocītu likteni sirds fibroblastos. Šī pieeja izvairās no šūnu transplantācijas problēmām, bet saskaras ar efektivitātes un drošības šķēršļiem.

Kombinētās pieejas, kas integrē šūnu terapiju ar biomateriālu skeletiņiem, augšanas faktoriem un elektriskā stimulācija, var uzlabot sirds atjaunošanas rezultātus. Inženierijas pieejas, kas rada sirds plāksterus ar organizētu šūnu arhitektūru un asinsvadu sistēmu, risina šūnu injekciju pieeju ierobežojumus.

Secinājums

Sirds cilmes šūnu pētījumi ir attīstījušies no sākotnējā entuziasma par endogēno progenitoru šūnu mediētu reģenerāciju līdz daudz niansētākai izpratnei par parakrīno mehānismiem un patiesas sirds reģenerācijas problēmām. Kardiomiocītu aizstāšana joprojām ir vēlamais mērķis, taču pašreizējie pierādījumi liecina par parakrīno mediētu ieguvumu no dažādiem šūnu avotiem. No iPSC iegūtie kardiomiocīti piedāvā visdaudzsološāko ceļu uz funkcionālu šūnu aizstāšanu, gaidot risinājumus nobriešanas un integrācijas problēmām. Turpinot pētījumus, kas veicina gan šūnu aizstāšanu, gan parakrīnu pieejas, galu galā tiks izstrādātas efektīvas reģeneratīvās terapijas sirds mazspējas pacientiem.