Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Srčne matične celice v študijah regeneracije miokarda

Omejena sposobnost regeneracije srca odraslih sesalcev po miokardnem infarktu spodbuja intenzivne raziskave biologije srčnih matičnih celic in regenerativnih terapij. Medtem ko še vedno potekajo razprave o obstoju in regenerativnem potencialu endogenih srčnih matičnih celic, so pri različnih populacijah celic preučevali njihovo sposobnost za obnovo poškodovane miokarda. Razumevanje biologije srčnih progenitornih celic in razvoj učinkovitih celičnih terapij ostaja glavni cilj za reševanje globalnega bremena srčnega popuščanja, ki je posledica ishemične bolezni srca.

Ključne ugotovitve

• Na podlagi površinskih označevalcev in funkcionalnih lastnosti je bilo opredeljenih več populacij srčnih progenitorjev
• srčne progenitorne celice c-Kit+ so povzročile začetno navdušenje, vendar kažejo omejeno diferenciacijo kardiomiocitov in vivo
• Celice, pridobljene iz kardiosfere, kažejo parakrine koristi v kliničnih preskušanjih kljub omejeni priraščenosti
• Iz induciranih pluripotentnih matičnih celic pridobljeni kardiomiociti ponujajo razširljive celične vire z določeno diferenciacijo
• Parakrini mehanizmi lahko posredujejo koristi pri obnovi srca neodvisno od zamenjave celic

Endogene srčne progenitorne celice

Identifikacija c-Kit⁺ srčnih progenitornih celic (CPC) v odraslih srcih je povzročila ogromno navdušenje nad regeneracijo srca. Te celice, prepoznane po izražanju receptorja za faktor matičnih celic c-Kit (CD117), naj bi se diferencirale v kardiomiocite in regenerirale infarktni miokard. Vendar so poznejše študije sledenja linij pokazale, da CPC c-Kit⁺ minimalno prispevajo k nastajanju novih kardiomiocitov in namesto tega ustvarjajo endotelijske celice in fibroblaste.

Srčni progenitorji Sca-1⁺ predstavljajo še eno populacijo, ki je bila identificirana v srcih glodavcev. Te celice izkazujejo kardiomiogeni potencial in vitro, vendar podobno kot celice c-Kit⁺ kažejo omejeno diferenciacijo v funkcionalne kardiomiocite in vivo. Pomanjkanje človeškega ortologa Sca-1 otežuje prenos ugotovitev o CPC Sca-1⁺ v klinično uporabo.

Celice stranske populacije, opredeljene z iztekanjem Hoechstovega barvila, predstavljajo tretjo populacijo srčnih progenitorjev. Te celice, ki izražajo ATP-vezavni kasetni prenašalec ABCG2, kažejo potencial za več linij, vendar še niso napredovale v klinični razvoj. Polemike glede resnične regenerativne zmogljivosti endogenih CPC so se preusmerile na eksogene celične vire in parakrine mehanizme.

Celična terapija, pridobljena iz kardiosfere

Kardiosfere so samoustvarjajoči se skupki celic, pridobljenih iz eksplantatov srčnega tkiva. Ko jih gojimo kot sferoide, te celice izražajo progenitorske označevalce in kažejo potencial za večlinijsko diferenciacijo. Celice, pridobljene iz kardiosfer (CDC), ki so bile razširjene iz primarnih kardiosfer, so napredovale v kliničnih preskušanjih za zdravljenje miokardnega infarkta in srčnega popuščanja.

Raziskava CADUCEUS je pokazala, da je infuzija CDC zmanjšala velikost brazgotine in povečala število vitalnega miokarda pri bolnikih po infarktu. Vendar je bilo funkcionalno izboljšanje, merjeno z iztisnim deležem, skromno. Zdi se, da je mehanizem koristi predvsem parakrini, pri čemer izločeni dejavniki CDC spodbujajo angiogenezo, zmanjšujejo vnetje in potencialno spodbujajo endogeno obnovo namesto neposredne zamenjave celic.

Proizvodnja CDC vključuje endomioskardialno biopsijo, gojenje tkivnih eksplantatov in oblikovanje kardiosfere v suspenziji, ki ji sledi širitev v obliki adherentnih CDC. Ta postopek omogoča pripravo avtolognih celic iz biopsij bolnikov, čeprav časovni roki izdelave in variabilnost predstavljajo izziv za akutno uporabo.

Iz induciranih pluripotentnih matičnih celic pridobljeni kardiomiociti

Inducirane pluripotentne matične celice (iPSC), diferencirane v kardiomiocite (iPSC-CM), ponujajo razširljiv, določen vir celic za regeneracijo srca. Usmerjeni protokoli diferenciacije z uporabo modulacije poti Wnt učinkovito ustvarjajo utripajoče kardiomiocite iz iPSC. Te celice izražajo srčne označevalce in izkazujejo funkcionalne lastnosti, vključno z ravnanjem s kalcijem in krčljivostjo.

presaditev iPSC-CM na živalskih modelih pokaže priraščanje in delno električno integracijo z gostiteljskim miokardom. Vendar pa nepopolno dozorevanje iPSC-CM v primerjavi z odraslimi kardiomiociti povzroča tveganje za aritmijo zaradi heterogenosti avtomatike in prevodnosti. Strategije za izboljšanje zorenja iPSC-CM in električne integracije ostajajo aktivna raziskovalna področja.

Alogenični izdelki iPSC-CM iz HLA-homozigotnih darovalcev bi lahko zagotovili takojšnje celične terapije, s katerimi bi se izognili proizvodnji za posameznega bolnika. Na Japonskem in v drugih državah potekajo klinična preskušanja varnosti in učinkovitosti iPSC-CM pri srčnem popuščanju, kar predstavlja mejno točko zdravljenja srca s pluripotentnimi matičnimi celicami.

Uporaba mezenhimskih matičnih celic v srcu

Mezenhimske matične celice izkazujejo kardioprotektivne učinke predvsem prek parakrinih mehanizmov in ne prek diferenciacije kardiomiocitov. Faktorji, ki jih izločajo MSC, vključno z VEGF, IGF-1 in HGF, spodbujajo angiogenezo in preživetje celic v ishemičnem miokardu. Protivnetni citokini zmanjšujejo škodljivo vnetje po infarktu.

Človeške mezenhimske matične celice - kostni mozeg (HMSC-BM) so standardni vir MSC za raziskave srca. Klinična preskušanja z uporabo MSC iz kostnega mozga za zdravljenje miokardnega infarkta kažejo skromne koristi z odličnimi varnostnimi profili. Človeške mezenhimske matične celice - maščobno tkivo so alternativni vir s potencialno boljšimi parakrinimi lastnostmi za uporabo v srcu.

Diferenciacija MSC za srce ostaja omejena kljub in vitro poročilom o kardiomiogenem potencialu. Terapevtska korist MSC pri uporabi v srcu izhaja predvsem iz parakrinih učinkov in ne iz zamenjave celic. Zaradi tega razumevanja mehanike se je pozornost preusmerila na optimizacijo dostave sekretov MSC in ne na izboljšanje diferenciacije.

Parakrini mehanizmi popravljanja srca

Eksosomi in mikrovezikule, ki jih izločajo srčne progenitorne celice in MSC, posredujejo parakrine učinke. Te ekstracelularne vezikule vsebujejo proteine, mRNA in mikroRNA, ki modulirajo funkcijo prejemnih celic. Eksosomi, pridobljeni iz CDC, ponavljajo koristi srčne obnove, opazovane pri presaditvi celih celic, kar kaže na možnost terapij brez celic na osnovi eksosomov.

Spodbujanje angiogeneze izboljša prekrvavitev ishemičnega miokarda. VEGF, bFGF in angiopoietini, ki jih izločajo presajene celice ali se prenašajo prek eksosomov, spodbujajo nastajanje novih krvnih žil. Izboljšana vaskularizacija podpira preživetje kardiomiocitov in potencialno endogeno regeneracijo.

Antifibrotični učinki zmanjšujejo nastajanje brazgotin in ohranjajo srčno funkcijo. Izločeni faktorji zavirajo aktivacijo fibroblastov in odlaganje kolagena. Ta mehanizem lahko pojasni izboljšave v strukturi in funkciji srca, opazovane brez znatnega vsadka celic.

Protokoli za kultiviranje in razmnoževanje

Za izolacijo srčnih progenitornih celic se običajno uporablja encimska disociacija srčnega tkiva, ki ji sledi izbira na podlagi markerjev ali diferencialna adhezijska kultura. Za izolacijo c-Kit⁺ celic se uporablja izbira z magnetnimi kroglicami, medtem ko se kardiosfera spontano oblikuje v ustreznih pogojih suspenzijske kulture.

DMEM/Ham's F12 Medium, dopolnjen z rastnimi faktorji, zagotavlja standardne pogoje za kultiviranje srčnih progenitornih celic. Specializirana srčna matična celica, ki vsebuje določene faktorje, optimizira razmnoževanje, hkrati pa ohranja lastnosti progenitornih celic. Freeze Medium CM-1 omogoča krioprezervacijo razmnoženih srčnih progenitornih celic.

Kontrola kakovosti za srčne celične izdelke zahteva funkcionalno oceno, ki presega karakterizacijo površinskih markerjev. Meritve prehodnega kalcija, elektrofiziološke zapise in testi kontraktilnosti potrjujejo delovanje kardiomiocitov. Avtentifikacija celične linije in testiranje mikoplazme zagotavljata integriteto izdelka za raziskave in klinične aplikacije.

Načini in čas dostave

Intramyokardialna injekcija omogoča neposredno dostavo v ciljno tkivo, vendar zahteva invazivne kirurške ali kateterske pristope. Zadrževanje celic na mestih injekcije je omejeno, saj se večina celic izgubi v nekaj urah ali dneh zaradi mehanskega izpiranja in celične smrti v sovražnem okolju infarkta.

Intrakoronarna infuzija omogoča manj invazivno dostavo, vendar je odvisna od transendotelne migracije za vračanje v miokard. Ta pot omogoča širšo distribucijo, vendar še manjšo retencijo kot neposredna injekcija. Ponavljajoče infuzije lahko kompenzirajo slabo začetno retencijo.

Čas dostave celic vpliva na rezultate. Akutna dostava takoj po infarktu se sooča z neugodnim vnetnim okoljem, vendar lahko zagotovi največjo možnost za poseg. Zamujena dostava po umiritvi akutnega vnetja lahko izboljša preživetje celic, vendar zamudi terapevtsko okno za največji učinek.

Prihodnje smernice

Neposredno preprogramiranje srca pretvori fibroblaste v celice, podobne kardiomiocitom, in situ brez presaditve celic. Kombinacije transkripcijskih faktorjev (Gata4, Mef2c, Tbx5) ali majhne molekule inducirajo usodo kardiomiocitov v srčnih fibroblastih. Ta pristop se izogne izzivom presaditve celic, vendar se sooča z ovirami učinkovitosti in varnosti.

Kombinirani pristopi, ki združujejo celično terapijo z biomaterialnimi ogrodji, rastnimi faktorji in električno stimulacijo, lahko izboljšajo rezultate popravila srca. Inženirski pristopi, ki ustvarjajo srčne obliže z organizirano celično arhitekturo in žiljem, odpravljajo omejitve pristopov celične injekcije.

Zaključek

Raziskave srčnih izvornih celic so se razvile od začetnega navdušenja nad regeneracijo, posredovano z endogenimi progenitornimi celicami, do bolj natančnega razumevanja parakrinnih mehanizmov in izzivov prave regeneracije srca. Medtem ko ostaja zamenjava kardiomiocitov ambiciozen cilj, trenutni dokazi podpirajo parakrinno posredovane koristi iz različnih celičnih virov. Kardiomiociti, pridobljeni iz iPSC, ponujajo najbolj obetavno pot k funkcionalni zamenjavi celic, dokler ne bodo rešeni izzivi zorenja in integracije. Nadaljnje raziskave, ki napredujejo tako na področju zamenjave celic kot tudi parakrinnih pristopov, bodo na koncu prinesle učinkovite regenerativne terapije za bolnike s srčnim popuščanjem.