Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

เซลล์ต้นกำเนิดหัวใจในการศึกษาการฟื้นฟูกล้ามเนื้อหัวใจ

ความสามารถในการฟื้นฟูที่จำกัดของหัวใจในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เป็นผู้ใหญ่หลังจากเกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจตายจากการขาดเลือด ทำให้เกิดการวิจัยอย่างเข้มข้นเกี่ยวกับชีววิทยาของเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจและการบำบัดฟื้นฟูหัวใจ แม้ว่าจะยังคงมีการถกเถียงเกี่ยวกับการมีอยู่และศักยภาพในการฟื้นฟูของเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจภายในร่างกาย แต่ประชากรเซลล์หลายชนิดได้ถูกศึกษาเพื่อความสามารถในการซ่อมแซมเนื้อเยื่อหัวใจที่เสียหาย การทำความเข้าใจชีววิทยาของเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจและการพัฒนาวิธีการบำบัดที่ใช้เซลล์อย่างมีประสิทธิภาพยังคงเป็นเป้าหมายสำคัญในการแก้ไขภาระโรคหัวใจล้มเหลวทั่วโลกที่เกิดจากโรคหัวใจขาดเลือด

ประเด็นสำคัญ

• มีการระบุประชากรต้นกำเนิดหัวใจหลายกลุ่มโดยอาศัยตัวบ่งชี้บนผิวเซลล์และคุณสมบัติเชิงหน้าที่
• เซลล์ต้นกำเนิดหัวใจชนิด c-Kit+ สร้างความตื่นเต้นในระยะแรก แต่แสดงให้เห็นการเปลี่ยนเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่จำกัดในร่างกาย
• เซลล์ที่ได้จากคาร์ดิโอสเฟียร์แสดงประโยชน์แบบพาราไครน์ในการทดลองทางคลินิก แม้จะมีการฝังตัวที่จำกัด
• เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ได้จากเซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนท์เหนี่ยวนำ (iPSC) เป็นแหล่งเซลล์ที่สามารถขยายขนาดได้พร้อมการแตกต่างที่ชัดเจน
• กลไกพาราไครน์อาจเป็นตัวกลางในการส่งเสริมประโยชน์ของการซ่อมแซมหัวใจโดยไม่ขึ้นอยู่กับการทดแทนเซลล์

เซลล์ต้นกำเนิดหัวใจภายในร่างกาย

การระบุเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจชนิด c-Kit⁺ (CPCs) ในหัวใจของผู้ใหญ่ได้สร้างความตื่นเต้นอย่างมากสำหรับการฟื้นฟูหัวใจ เซลล์เหล่านี้ถูกระบุโดยการแสดงออกของตัวรับปัจจัยต้นกำเนิดเซลล์ c-Kit (CD117) และรายงานว่าสามารถเปลี่ยนแปลงเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจและฟื้นฟูกล้ามเนื้อหัวใจที่เกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจตายได้ อย่างไรก็ตาม การศึกษาการติดตามลำดับสายพันธุ์ในภายหลังพบว่า c-Kit⁺ CPCs มีส่วนร่วมเพียงเล็กน้อยในการสร้างเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจใหม่ แต่กลับสร้างเซลล์เยื่อบุหลอดเลือดและไฟโบรบลาสต์แทน

เซลล์ต้นกำเนิดหัวใจชนิด Sca-1⁺ เป็นประชากรอีกกลุ่มหนึ่งที่พบในหัวใจของหนูทดลอง เซลล์เหล่านี้แสดงศักยภาพในการพัฒนาเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจในหลอดทดลอง แต่เช่นเดียวกับเซลล์ c-Kit⁺ พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ทำงานได้จริงในร่างกายได้จำกัด การขาดโปรตีนที่เทียบเคียงกันในมนุษย์ (orthologue) ของ Sca-1 ทำให้การนำผลการค้นพบจากเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจชนิด Sca-1⁺ ไปประยุกต์ใช้ทางคลินิกมีความซับซ้อนมากขึ้น

เซลล์ประชากรด้านข้างที่ตรวจพบได้จากการขับไล่สีย้อม Hoechst แสดงถึงประชากรต้นกำเนิดหัวใจกลุ่มที่สาม เซลล์เหล่านี้ซึ่งแสดงออกของโปรตีนขนส่ง ATP-binding cassette ABCG2 แสดงศักยภาพในการพัฒนาเป็นหลายสายพันธุ์ แต่ยังไม่ได้พัฒนาไปสู่การทดลองทางคลินิก ข้อถกเถียงเกี่ยวกับความสามารถในการสร้างเนื้อเยื่อใหม่ของ CPCs ภายในร่างกายที่แท้จริงได้เปลี่ยนความสนใจไปสู่แหล่งเซลล์จากภายนอกและกลไกพาราไครน์

การบำบัดด้วยเซลล์ที่ได้จากคาร์ดิโอสเฟียร์

คาร์ดิโอสเฟียร์เป็นกลุ่มเซลล์ที่ประกอบตัวเองจากเนื้อเยื่อหัวใจที่แยกออกมา เมื่อเพาะเลี้ยงเป็นทรงกลม เซลล์เหล่านี้จะแสดงเครื่องหมายของเซลล์ต้นกำเนิดและแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงเป็นหลายสายพันธุ์ เซลล์ที่ได้จากคาร์ดิโอสเฟียร์ (CDCs) ที่ขยายจากคาร์ดิโอสเฟียร์ปฐมภูมิได้ผ่านการทดลองทางคลินิกสำหรับภาวะกล้ามเนื้อหัวใจตายและภาวะหัวใจล้มเหลวแล้ว

การทดลอง CADUCEUS แสดงให้เห็นว่าการให้ CDC ทางหลอดเลือดดำช่วยลดขนาดของแผลเป็นและเพิ่มเนื้อเยื่อหัวใจที่ยังมีชีวิตอยู่ในผู้ป่วยหลังกล้ามเนื้อหัวใจตาย อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงการทำงานของหัวใจที่วัดโดยค่าการบีบตัวของหัวใจนั้นอยู่ในระดับปานกลาง กลไกของประโยชน์ดูเหมือนจะเกิดขึ้นผ่านกระบวนการพาราไครน์เป็นหลัก โดยมีปัจจัยที่ CDC หลั่งออกมาช่วยส่งเสริมการสร้างหลอดเลือดใหม่ ลดการอักเสบ และอาจกระตุ้นการซ่อมแซมเนื้อเยื่อภายในร่างกายมากกว่าการทดแทนเซลล์โดยตรง

การผลิตเซลล์ต้นกำเนิดจากหัวใจ (CDCs) ประกอบด้วยขั้นตอนการตัดชิ้นเนื้อหัวใจส่วนใน (endomyocardial biopsy) การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อที่นำออกมา (tissue explant culture) และการสร้างเซลล์ต้นกำเนิดรูปทรงกลม (cardiosphere formation) ในสภาพแขวนลอย ตามด้วยการขยายจำนวนเซลล์ในลักษณะเกาะติด (expansion as adherent CDCs) กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถเตรียมเซลล์ต้นกำเนิดจากเนื้อเยื่อของผู้ป่วยเอง (autologous cell preparation) ได้จากการตัดชิ้นเนื้อของผู้ป่วย อย่างไรก็ตาม ระยะเวลาในการผลิตและความแปรปรวนที่เกิดขึ้น

เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ได้จากเซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนท์เหนี่ยวนำ

เซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนท์เหนี่ยวนำ (iPSCs) ที่ถูกทำให้แตกต่างเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ (iPSC-CMs) เป็นแหล่งเซลล์ที่สามารถขยายขนาดได้และมีลักษณะเฉพาะสำหรับการฟื้นฟูหัวใจ โปรโตคอลการทำให้แตกต่างแบบเฉพาะเจาะจงโดยใช้การปรับเส้นทาง Wnt สามารถสร้างเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่เต้นได้จาก iPSCs ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เซลล์เหล่านี้แสดงเครื่องหมายของหัวใจและแสดงคุณสมบัติการทำงานรวมถึงการจัดการแคลเซียมและการหดตัว

การปลูกถ่าย iPSC-CM ในแบบจำลองสัตว์แสดงให้เห็นถึงการฝังตัวและการบูรณาการทางไฟฟ้าบางส่วนกับกล้ามเนื้อหัวใจของโฮสต์ อย่างไรก็ตาม การเจริญเติบโตที่ไม่สมบูรณ์ของ iPSC-CM เมื่อเทียบกับเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจของผู้ใหญ่ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการเกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะจากความอัตโนมัติและความไม่สม่ำเสมอของการนำไฟฟ้า กลยุทธ์ในการปรับปรุงการเจริญเติบโตและการบูรณาการทางไฟฟ้าของ iPSC-CM ยังคงเป็นพื้นที่วิจัยที่ยังคงดำเนินอยู่

ผลิตภัณฑ์ iPSC-CM แบบออลโลเจนิกจากผู้บริจาคที่มี HLA-โฮโมไซกัสสามารถให้เซลล์บำบัดแบบพร้อมใช้โดยไม่ต้องผลิตเฉพาะสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย การทดลองทางคลินิกที่ประเมินความปลอดภัยและประสิทธิภาพของ iPSC-CM ในภาวะหัวใจล้มเหลวกำลังดำเนินการอยู่ในประเทศญี่ปุ่นและประเทศอื่นๆ ซึ่งถือเป็นแนวหน้าของการบำบัดหัวใจด้วยเซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนท์

การประยุกต์ใช้เซลล์ต้นกำเนิดเมเซนไคม์ในหัวใจ

เซลล์ต้นกำเนิดเมเซนไคม์แสดงผลในการปกป้องหัวใจผ่านกลไกพาราครินเป็นหลักมากกว่าการเปลี่ยนสภาพเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ ปัจจัยที่เซลล์ต้นกำเนิดเมเซนไคม์ (MSC) หลั่งออกมา เช่น VEGF, IGF-1 และ HGF ส่งเสริมการสร้างหลอดเลือดใหม่และการอยู่รอดของเซลล์ในกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือด ไซโตไคน์ต้านการอักเสบช่วยลดการอักเสบที่เป็นอันตรายหลังเกิดกล้ามเนื้อหัวใจตาย

เซลล์ต้นกำเนิดชนิดมีเซนไคม์จากมนุษย์ - ไขกระดูก (HMSC-BM)เป็นแหล่งเซลล์ต้นกำเนิดชนิดมีเซนไคม์มาตรฐานสำหรับการวิจัยทางหัวใจ การทดลองทางคลินิกที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิดจากไขกระดูกสำหรับภาวะกล้ามเนื้อหัวใจขาดเลือดมีประโยชน์ในระดับปานกลางพร้อมโปรไฟล์ความปลอดภัยที่ยอดเยี่ยมเซลล์ต้นกำเนิดชนิดมีเซนไคม์จากมนุษย์ - เนื้อเยื่อไขมันเป็นแหล่งทางเลือกที่มีคุณสมบัติพาราครินที่อาจเหนือกว่าสำหรับการประยุกต์ใช้ทางหัวใจ

การแยกตัวเป็นเซลล์หัวใจของ MSC ยังคงมีข้อจำกัดแม้จะมีรายงานในหลอดทดลองเกี่ยวกับศักยภาพในการสร้างกล้ามเนื้อหัวใจ ประโยชน์ในการรักษาของ MSC ในการประยุกต์ใช้กับหัวใจส่วนใหญ่มาจากผลพาราไครน์มากกว่าการทดแทนเซลล์ ความเข้าใจเชิงกลไกนี้ได้เปลี่ยนความสนใจไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพการส่งมอบสารที่หลั่งจาก MSC มากกว่าการเพิ่มการแยกตัว

กลไกพาราไครน์ในการซ่อมแซมหัวใจ

เอกโซโซมและไมโครเวสิเคิลที่หลั่งโดยเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจและเซลล์ต้นกำเนิดจากไขกระดูก (MSCs) มีบทบาทในการส่งผ่านสัญญาณแบบพาราไครน์ (paracrine effects) เอกซ์โซโซมและไมโครเวสิเคิลเหล่านี้ประกอบด้วยโปรตีน, mRNA, และไมโครอาร์เอ็นเอ (microRNAs) ที่ช่วยปรับการทำงานของเซลล์ผู้รับสัญญาณ เอกซ์โซโซมที่ได้จาก CDC สามารถจำลองประโยชน์ในการซ่อมแซมหัวใจที่สังเกตได้จากการปลูกถ่ายเซลล์ทั้งเซลล์ ซึ่งบ่งชี้ถึงแนวทางการรักษาแบบไม่มีเซลล์ที่ใช้เอกซ์โซโซมเป็นพื้นฐาน

การส่งเสริมการสร้างหลอดเลือดใหม่ช่วยปรับปรุงการไหลเวียนของเลือดไปยังกล้ามเนื้อหัวใจที่ขาดเลือด VEGF, bFGF และ angiopoietins ที่หลั่งโดยเซลล์ที่ปลูกถ่ายหรือส่งผ่าน exosome กระตุ้นการสร้างหลอดเลือดใหม่ การเพิ่มจำนวนหลอดเลือดช่วยสนับสนุนการอยู่รอดของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจและอาจช่วยในการฟื้นฟูตัวเองของร่างกาย

ฤทธิ์ต้านไฟโบรซิสช่วยลดการเกิดแผลเป็นและรักษาการทำงานของหัวใจไว้ได้ ปัจจัยที่ถูกหลั่งออกมาจะยับยั้งการกระตุ้นไฟโบรบลาสต์และการสะสมของคอลลาเจน กลไกนี้อาจอธิบายถึงการปรับปรุงโครงสร้างและหน้าที่ของหัวใจที่สังเกตได้โดยไม่ต้องมีการฝังตัวของเซลล์อย่างมีนัยสำคัญ

วัฒนธรรมและระเบียบปฏิบัติในการขยายตัว

การแยกเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจมักใช้การย่อยเนื้อเยื่อหัวใจด้วยเอนไซม์ตามด้วยการคัดเลือกตามเครื่องหมายหรือการเพาะเลี้ยงแบบยึดติดที่แตกต่างกัน การแยกเซลล์ c-Kit⁺ ใช้การเลือกด้วยเม็ดแม่เหล็ก ในขณะที่การก่อตัวของคาร์ดิโอสเฟียร์เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในสภาวะการเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยที่เหมาะสม

DMEM/Ham's F12 Medium ที่เสริมด้วยปัจจัยการเจริญเติบโตให้สภาวะการเพาะเลี้ยงมาตรฐานสำหรับการขยายตัวของเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจ สื่อเพาะเลี้ยงเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจเฉพาะทางที่มีปัจจัยที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการขยายตัวในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติของเซลล์ต้นกำเนิดไว้ได้ Freeze Medium CM-1 ช่วยให้สามารถเก็บรักษาเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจที่ขยายตัวแล้วในสภาพแช่แข็งได้

การควบคุมคุณภาพสำหรับผลิตภัณฑ์เซลล์หัวใจต้องการการประเมินการทำงานที่มากกว่าการจำแนกลักษณะของตัวบ่งชี้บนผิวเซลล์ การวัดการเปลี่ยนแปลงของแคลเซียม การบันทึกทางไฟฟ้าสรีรวิทยา และการทดสอบความสามารถในการหดตัวช่วยยืนยันการทำงานของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ การตรวจสอบสายพันธุ์เซลล์และการทดสอบการปนเปื้อนของไมโคพลาสมาช่วยรับประกันความสมบูรณ์ของผลิตภัณฑ์สำหรับการวิจัยและการประยุกต์ใช้ทางคลินิก

วิธีการจัดส่งและระยะเวลา

การฉีดยาเข้าในกล้ามเนื้อหัวใจโดยตรงให้การส่งยาไปยังเนื้อเยื่อเป้าหมายได้โดยตรง แต่ต้องใช้การผ่าตัดหรือการแทรกแซงผ่านสายสวนที่รุกราน การคงอยู่ของเซลล์ที่ตำแหน่งฉีดมีจำกัด โดยเซลล์ส่วนใหญ่จะสูญเสียไปภายในไม่กี่ชั่วโมงถึงหลายวัน เนื่องจากการชะล้างออกทางกลไกและการตายของเซลล์ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยของบริเวณเนื้อเยื่อหัวใจที่ตายแล้ว

การให้ยาทางหลอดเลือดหัวใจโดยตรงมีลักษณะการให้ยาที่รุกรานน้อยกว่า แต่ต้องอาศัยการเคลื่อนที่ผ่านผนังหลอดเลือดเพื่อเข้าสู่กล้ามเนื้อหัวใจ วิธีนี้ทำให้ยาแพร่กระจายได้กว้างขึ้น แต่มีการคงอยู่ในกล้ามเนื้อหัวใจน้อยกว่าการฉีดโดยตรง การให้ยาซ้ำหลายครั้งอาจช่วยชดเชยการคงอยู่ในกล้ามเนื้อหัวใจที่ไม่ดีในครั้งแรกได้

เวลาในการส่งมอบเซลล์มีผลต่อผลลัพธ์ การส่งมอบเซลล์อย่างเฉียบพลันทันทีหลังเกิดภาวะกล้ามเนื้อหัวใจตายเฉียบพลันจะเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่อักเสบและเป็นอันตราย แต่มีโอกาสสูงสุดในการแทรกแซง การส่งมอบเซลล์ล่าช้าหลังจากการอักเสบเฉียบพลันลดลงอาจช่วยเพิ่มการอยู่รอดของเซลล์ แต่พลาดช่วงเวลาที่เหมาะสมสำหรับการรักษาเพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุด

ทิศทางในอนาคต

การโปรแกรมหัวใจใหม่โดยตรงเปลี่ยนไฟโบรบลาสต์ให้เป็นเซลล์คล้ายคาร์ดิโมิโอตัยในตำแหน่งเดิมโดยไม่ต้องปลูกถ่ายเซลล์ การรวมกันของปัจจัยการถอดรหัส (Gata4, Mef2c, Tbx5) หรือโมเลกุลขนาดเล็กกระตุ้นชะตากรรมของคาร์ดิโมิโอตัยในไฟโบรบลาสต์ของหัวใจ วิธีการนี้หลีกเลี่ยงความท้าทายในการปลูกถ่ายเซลล์แต่ต้องเผชิญกับอุปสรรคด้านประสิทธิภาพและความปลอดภัย

การผสมผสานวิธีการที่รวมการบำบัดด้วยเซลล์เข้ากับโครงข่ายชีวภาพ ปัจจัยการเจริญเติบโต และการกระตุ้นทางไฟฟ้า อาจช่วยเพิ่มผลลัพธ์ในการซ่อมแซมหัวใจได้ วิธีการทางวิศวกรรมที่สร้างแผ่นปะหัวใจที่มีโครงสร้างเซลล์และหลอดเลือดที่เป็นระเบียบ ช่วยแก้ไขข้อจำกัดของวิธีการฉีดเซลล์

สรุป

การวิจัยเซลล์ต้นกำเนิดหัวใจได้พัฒนาจากความตื่นเต้นในช่วงแรกเกี่ยวกับการฟื้นฟูผ่านเซลล์ต้นกำเนิดภายในร่างกายไปสู่ความเข้าใจที่ละเอียดมากขึ้นเกี่ยวกับกลไกพาราไครน์และความท้าทายของการฟื้นฟูหัวใจที่แท้จริง แม้ว่าการทดแทนเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจจะยังคงเป็นเป้าหมายที่มุ่งหวัง แต่หลักฐานในปัจจุบันสนับสนุนประโยชน์ที่เกิดจากกลไกพาราไครน์จากแหล่งเซลล์ต่างๆ เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ได้จาก iPSC เป็นเส้นทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการทดแทนเซลล์ที่ทำงานได้ โดยรอการแก้ไขปัญหาด้านการเจริญเติบโตเต็มที่และการบูรณาการ การวิจัยอย่างต่อเนื่องที่ก้าวหน้าทั้งในด้านการทดแทนเซลล์และแนวทางพาราคริน จะนำไปสู่การบำบัดฟื้นฟูที่มีประสิทธิภาพสำหรับผู้ป่วยภาวะหัวใจล้มเหลวในที่สุด