Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Sercowe komórki macierzyste w badaniach nad regeneracją mięśnia sercowego

Ograniczona zdolność regeneracyjna serc dorosłych ssaków po zawale mięśnia sercowego napędza intensywne badania nad biologią sercowych komórek macierzystych i terapiami regeneracyjnymi. Podczas gdy trwa debata na temat istnienia i potencjału regeneracyjnego endogennych komórek macierzystych serca, różne populacje komórek zostały zbadane pod kątem ich zdolności do naprawy uszkodzonego mięśnia sercowego. Zrozumienie biologii komórek progenitorowych serca i opracowanie skutecznych terapii opartych na komórkach pozostaje głównym celem w walce z globalnym obciążeniem niewydolnością serca wynikającą z choroby niedokrwiennej serca.

Kluczowe wnioski

• Na podstawie markerów powierzchniowych i właściwości funkcjonalnych zidentyfikowano wiele populacji komórek progenitorowych serca
• komórki progenitorowe serca c-Kit+ wywołały początkowy entuzjazm, ale wykazują ograniczone różnicowanie kardiomiocytów in vivo
• Komórki pochodzące z kardiosfery wykazują korzyści parakrynne w badaniach klinicznych pomimo ograniczonego przeszczepu
• Kardiomiocyty pochodzące z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych oferują skalowalne źródła komórek o określonym zróżnicowaniu
• Mechanizmy parakrynne mogą pośredniczyć w naprawie serca niezależnie od wymiany komórek

Endogenne komórki progenitorowe serca

Identyfikacja komórek progenitorowych serca (CPC) c-Kit⁺ w dorosłych sercach wywołała ogromne zainteresowanie regeneracją serca. Komórki te, zidentyfikowane na podstawie ekspresji receptora czynnika komórek macierzystych c-Kit (CD117), różnicowały się w kardiomiocyty i regenerowały zawał mięśnia sercowego. Jednak późniejsze badania nad śledzeniem linii komórkowych wykazały, że CPC c-Kit⁺ w minimalnym stopniu przyczyniają się do tworzenia nowych kardiomiocytów, generując zamiast tego komórki śródbłonka i fibroblasty.

Progenitory serca Sca-1⁺ reprezentują inną populację zidentyfikowaną w sercach gryzoni. Komórki te wykazują potencjał kardiomiogenny in vitro, ale podobnie jak komórki c-Kit⁺, wykazują ograniczone różnicowanie do funkcjonalnych kardiomiocytów in vivo. Brak ludzkiego ortologa Sca-1 komplikuje przełożenie wyników Sca-1⁺ CPC na zastosowania kliniczne.

Komórki populacji bocznej zidentyfikowane przez wypływ barwnika Hoechst reprezentują trzecią populację progenitorów serca. Komórki te, wykazujące ekspresję transportera ABCG2 wiążącego ATP, wykazują potencjał wieloliniowy, ale nie przeszły do rozwoju klinicznego. Kontrowersje dotyczące rzeczywistej zdolności regeneracyjnej endogennych CPC przesunęły uwagę w kierunku egzogennych źródeł komórek i mechanizmów parakrynnych.

Terapia komórkami pochodzącymi z kardiosfer

Sfery kardiologiczne stanowią samoorganizujące się skupiska komórek pochodzących z eksplantatów tkanek serca. Hodowane jako sferoidy, komórki te wyrażają markery progenitorowe i wykazują potencjał różnicowania wieloliniowego. Komórki pochodzące z kardiosfer (CDC) ekspandowane z pierwotnych kardiosfer przeszły badania kliniczne dotyczące zawału mięśnia sercowego i niewydolności serca.

Badanie CADUCEUS wykazało, że infuzja CDC zmniejszyła rozmiar blizny i zwiększyła żywotność mięśnia sercowego u pacjentów po zawale. Jednak poprawa funkcjonalna mierzona frakcją wyrzutową była niewielka. Mechanizm korzyści wydaje się przede wszystkim parakrynny, z czynnikami wydzielanymi przez CDC promującymi angiogenezę, zmniejszającymi stan zapalny i potencjalnie stymulującymi endogenną naprawę, a nie bezpośrednią wymianę komórek.

Produkcja CDC obejmuje biopsję endomiokardialną, hodowlę eksplantów tkankowych i tworzenie kardiosfer w zawiesinie, a następnie ekspansję jako przylegające CDC. Proces ten umożliwia przygotowanie autologicznych komórek z biopsji pacjenta, choć czas produkcji i zmienność stanowią wyzwanie dla ostrych zastosowań.

Kardiomiocyty pochodzące z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) zróżnicowane do kardiomiocytów (iPSC-CM) oferują skalowalne, zdefiniowane źródło komórek do regeneracji serca. Ukierunkowane protokoły różnicowania wykorzystujące modulację szlaku Wnt skutecznie generują bijące kardiomiocyty z iPSC. Komórki te wyrażają markery sercowe i wykazują właściwości funkcjonalne, w tym gospodarkę wapniową i kurczliwość.

transplantacja iPSC-CM w modelach zwierzęcych wykazuje wszczepienie i częściową integrację elektryczną z mięśniem sercowym gospodarza. Jednak niepełne dojrzewanie iPSC-CM w porównaniu z dorosłymi kardiomiocytami stwarza ryzyko arytmii z powodu automatyzmu i heterogeniczności przewodzenia. Strategie poprawy dojrzewania iPSC-CM i integracji elektrycznej pozostają aktywnymi obszarami badawczymi.

Allogeniczne produkty iPSC-CM od dawców homozygotycznych pod względem HLA mogłyby zapewnić gotowe terapie komórkowe, unikając produkcji specyficznej dla pacjenta. Badania kliniczne oceniające bezpieczeństwo i skuteczność iPSC-CM w niewydolności serca trwają w Japonii i innych krajach, reprezentując granicę terapii serca pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi.

Zastosowania mezenchymalnych komórek macierzystych w kardiologii

Mezenchymalne komórki macierzyste wykazują działanie kardioprotekcyjne głównie poprzez mechanizmy parakrynne, a nie różnicowanie kardiomiocytów. Czynniki wydzielane przez MSC, w tym VEGF, IGF-1 i HGF, promują angiogenezę i przeżycie komórek w niedokrwionym mięśniu sercowym. Cytokiny przeciwzapalne zmniejszają szkodliwy stan zapalny po zawale.

Ludzkie mezenchymalne komórki macierzyste - szpik kostny (HMSC-BM) stanowią standardowe źródło MSC do badań kardiologicznych. Badania kliniczne z wykorzystaniem MSC szpiku kostnego w leczeniu zawału mięśnia sercowego wykazują umiarkowane korzyści przy doskonałym profilu bezpieczeństwa. Ludzkie mezenchymalne komórki macierzyste - tkanka tłuszczowa stanowią alternatywne źródło o potencjalnie lepszych właściwościach parakrynnych do zastosowań kardiologicznych.

Różnicowanie sercowe MSC pozostaje ograniczone pomimo doniesień in vitro o potencjale kardiomiogennym. Korzyści terapeutyczne MSC w zastosowaniach kardiologicznych wynikają głównie z efektów parakrynnych, a nie z zastępowania komórek. To mechanistyczne zrozumienie przesunęło punkt ciężkości w kierunku optymalizacji dostarczania sekretomu MSC, a nie zwiększania różnicowania.

Mechanizmy parakrynne naprawy serca

Egzosomy i mikropęcherzyki wydzielane przez komórki progenitorowe serca i MSC pośredniczą w działaniu parakrynnym. Te pozakomórkowe pęcherzyki zawierają białka, mRNA i mikroRNA, które modulują funkcje komórek biorcy. Egzosomy pochodzące z CDC powielają korzyści związane z naprawą serca obserwowane w przypadku przeszczepu całych komórek, co sugeruje możliwość zastosowania terapii bezkomórkowych opartych na egzosomach.

Stymulacja angiogenezy poprawia perfuzję niedokrwionego mięśnia sercowego. VEGF, bFGF i angiopoetyny wydzielane przez przeszczepione komórki lub dostarczane za pośrednictwem egzosomów stymulują tworzenie nowych naczyń krwionośnych. Zwiększona unaczynienie wspomaga przeżywalność kardiomiocytów i potencjalną regenerację endogenną.

Działanie przeciwzwłóknieniowe zmniejsza tworzenie się blizn i pozwala zachować funkcję serca. Wydzielane czynniki hamują aktywację fibroblastów i odkładanie się kolagenu. Mechanizm ten może wyjaśniać poprawę struktury i funkcji serca obserwowaną bez znaczącego wszczepienia komórek.

Protokoły hodowli i ekspansji

Izolacja komórek progenitorowych serca zazwyczaj polega na enzymatycznej dysocjacji tkanki sercowej, a następnie selekcji opartej na markerach lub hodowli różnicowej adhezji. Izolacja komórek c-Kit⁺ odbywa się za pomocą selekcji magnetycznej, natomiast tworzenie kardiosfery następuje spontanicznie w odpowiednich warunkach hodowli w zawiesinie.

Pożywka DMEM/Ham's F12 uzupełniona czynnikami wzrostu zapewnia standardowe warunki hodowli dla ekspansji progenitorów sercowych. Specjalistyczne pożywki dla komórek macierzystych serca zawierające określone czynniki optymalizują ekspansję, zachowując jednocześnie właściwości progenitorów. Pożywka mrożona CM-1 umożliwia kriokonserwację ekspandowanych progenitorów sercowych.

Kontrola jakości produktów zawierających komórki sercowe wymaga oceny funkcjonalnej wykraczającej poza charakterystykę markerów powierzchniowych. Pomiar przejściowych zmian stężenia wapnia, rejestracja elektrofizjologiczna i testy kurczliwości potwierdzają funkcjonowanie kardiomiocytów. Autentyczność linii komórkowych i badania na obecność mykoplazmy zapewniają integralność produktu do zastosowań badawczych i klinicznych.

Metody i czas podania

Wstrzyknięcie do mięśnia sercowego zapewnia bezpośrednie dostarczenie do tkanki docelowej, ale wymaga inwazyjnych metod chirurgicznych lub cewnikowych. Retencja komórek w miejscach wstrzyknięcia jest ograniczona, a większość komórek ulega utracie w ciągu kilku godzin lub dni w wyniku mechanicznego wypłukiwania i śmierci komórek w nieprzyjaznym środowisku zawału.

Wlew wewnątrzwieńcowy zapewnia mniej inwazyjne podanie, ale opiera się na migracji przez śródbłonek w celu dotarcia do mięśnia sercowego. Ta droga zapewnia szerszą dystrybucję, ale jeszcze mniejszą retencję niż bezpośrednie wstrzyknięcie. Powtarzane wlewy mogą zrekompensować słabą początkową retencję.

Czas dostarczenia komórek ma wpływ na wyniki. Dostarczenie komórek bezpośrednio po zawale wiąże się z niekorzystnym środowiskiem zapalnym, ale może zapewnić maksymalne możliwości interwencji. Opóźnione dostarczenie komórek po ustąpieniu ostrego stanu zapalnego może poprawić przeżywalność komórek, ale spowodować utratę okna terapeutycznego zapewniającego maksymalne korzyści.

Kierunki rozwoju

Bezpośrednie przeprogramowanie serca przekształca fibroblasty w komórki podobne do kardiomiocytów in situ bez przeszczepu komórek. Kombinacje czynników transkrypcyjnych (Gata4, Mef2c, Tbx5) lub małe cząsteczki indukują los kardiomiocytów w fibroblastach serca. Podejście to pozwala uniknąć wyzwań związanych z przeszczepem komórek, ale napotyka przeszkody związane z wydajnością i bezpieczeństwem.

Podejścia łączone, integrujące terapię komórkową z rusztowaniami biomateriałów, czynnikami wzrostu i stymulacją elektryczną, mogą poprawić wyniki naprawy serca. Podejścia inżynieryjne polegające na tworzeniu łat sercowych o zorganizowanej architekturze komórkowej i układzie naczyniowym rozwiązują ograniczenia związane z metodami wstrzykiwania komórek.

Wnioski

Badania nad komórkami macierzystymi serca ewoluowały od początkowego entuzjazmu związanego z regeneracją za pośrednictwem endogennych komórek progenitorowych do bardziej zniuansowanego zrozumienia mechanizmów parakrynnych i wyzwań związanych z prawdziwą regeneracją serca. Chociaż zastąpienie kardiomiocytów pozostaje ambitnym celem, aktualne dowody potwierdzają korzyści płynące z różnych źródeł komórek za pośrednictwem parakrynów. Kardiomiocyty pochodzące z iPSC oferują najbardziej obiecującą ścieżkę do funkcjonalnego zastąpienia komórek, w oczekiwaniu na rozwiązania problemów związanych z dojrzewaniem i integracją. Kontynuacja badań nad metodami zastępowania komórek i metodami parakrynnymi ostatecznie doprowadzi do opracowania skutecznych terapii regeneracyjnych dla pacjentów z niewydolnością serca.