Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

心肌再生研究中的心臟幹細胞

由於成年哺乳動物的心臟在心肌梗塞後再生能力有限，促使學界對心臟幹細胞生物學及再生療法展開深入研究。儘管關於內源性心臟幹細胞的存在及其再生潛能的爭論仍在持續，但研究人員已針對多種細胞群體，探討其修復受損心肌的能力。 了解心臟前體細胞的生物學特性，並開發有效的細胞療法，仍是應對缺血性心臟病所導致的心臟衰竭全球負擔的主要目標。

重點摘要

• 研究人員已根據表面標記物和功能特性，鑑定出多種心臟前體細胞群
• c-Kit+ 心臟前體細胞最初引發熱烈迴響，但在體內顯示出有限的心肌細胞分化能力
• 儘管植入率有限，但源自心球體的細胞在臨床試驗中展現了旁分泌效益
• 誘導多能幹細胞衍生的心肌細胞提供可擴展且分化路徑明確的細胞來源
• 旁分泌機制可能在獨立於細胞替換的情況下，介導心臟修復的益處

發佈日期：2023年 | 最後審閱日期：2026年5月

內源性心臟前體細胞

在成年心臟中鑑定出 c-Kit⁺ 心臟前體細胞（CPCs），為心臟再生研究帶來了極大的期待。這些透過幹細胞因子受體 c-Kit（CD117）的表達而被鑑定出的細胞，據報導可分化為心肌細胞並再生心肌梗塞組織。 然而，後續的譜系追蹤研究顯示，c-Kit⁺ CPCs 對新心肌細胞的形成貢獻甚微，反而會產生內皮細胞和成纖維細胞。

Sca-1⁺ 心臟前體細胞是嚙齒類動物心臟中鑑定出的另一類細胞群。這些細胞在體外展現心肌生成潛能，但與 c-Kit⁺ 細胞類似，在體內分化為功能性心肌細胞的能力有限。由於人類缺乏 Sca-1 的同源基因，使得將 Sca-1⁺ CPC 的研究成果轉化為臨床應用變得複雜。

透過 Hoechst 染料外流鑑定出的側群細胞，則代表第三類心臟前體細胞群。這些表達 ATP 結合盒轉運蛋白 ABCG2 的細胞雖展現多系分化潛能，但尚未進入臨床開發階段。關於內源性心臟前體細胞真實再生能力的爭議，已使研究焦點轉向外源性細胞來源及旁分泌機制。

心球衍生的細胞療法

心球（Cardiospheres）是源自心臟組織切片的自組裝細胞群。當以球體形式培養時，這些細胞會表達前體標記物，並展現多系分化潛能。從原代心球擴增而來的心球衍生細胞（CDCs）已針對心肌梗塞與心臟衰竭進行了臨床試驗。

CADUCEUS 試驗證實，對心肌梗塞後患者進行 CDC 輸注，可縮小疤痕面積並增加存活心肌面積。然而，以射血分數衡量的功能改善幅度有限。其療效機制似乎主要透過旁分泌作用實現，即 CDC 分泌的因子可促進血管新生、減輕發炎，並可能刺激內源性修復，而非直接進行細胞替換。

CDC 的製備過程包含心內膜活檢、組織離體培養，以及在懸浮液中形成心球，隨後擴增為貼壁型 CDC。此流程可利用患者活檢樣本製備自體細胞，但製備時程與變異性對急性治療應用仍構成挑戰。

誘導多能幹細胞衍生的心肌細胞

經分化為心肌細胞（iPSC-CMs）的誘導多能幹細胞（iPSCs），為心臟再生提供了可擴展且來源明確的細胞來源。透過調節 Wnt 通路進行的定向分化方案，能有效從 iPSCs 生成具有搏動功能的心肌細胞。這些細胞表達心臟標記物，並展現包括鈣離子處理與收縮力在內的功能特性。

在動物模型中進行的 iPSC-CM 移植顯示，這些細胞能成功植入並與宿主心肌實現部分電學整合。然而，相較於成年心肌細胞，iPSC-CM 的成熟度尚不完全，其自動性與傳導異質性可能導致心律不整的風險。改善 iPSC-CM 成熟度與電學整合的策略，仍是當前積極研究的領域。

來自HLA純合子捐贈者的同種異體iPSC-CM產品，可提供「現成」細胞療法，無需進行患者特異性製備。目前日本及其他國家正在進行臨床試驗，評估iPSC-CM在心臟衰竭中的安全性和療效，這代表了多能幹細胞心臟治療的前沿。

間質幹細胞在心臟領域的應用

間質幹細胞主要透過旁分泌機制（而非心肌細胞分化）展現心臟保護作用。間質幹細胞（MSC）分泌的因子，包括血管內皮生長因子（VEGF）、胰島素樣生長因子-1（IGF-1）及肝細胞生長因子（HGF），可促進缺血性心肌中的血管新生與細胞存活。抗發炎細胞因子則能減輕心肌梗塞後造成的損害性發炎反應。

人類間質幹細胞－骨髓來源（HMSC-BM）為心臟研究應用提供了標準的間質幹細胞來源。 針對心肌梗塞使用骨髓間質幹細胞進行的臨床試驗顯示，其效益雖屬溫和，但安全性極佳。人類間質幹細胞——脂肪組織（HMSC-BM）則提供另一種替代來源，在心臟應用方面可能具有更優異的旁分泌特性。

儘管體外研究顯示間質幹細胞（MSC）具有心肌生成潛力，但其心肌分化能力仍有限。間質幹細胞在心臟應用中的治療效益，主要源自旁分泌作用，而非細胞替代。對此作用機制的理解，已使研究重點轉向優化間質幹細胞分泌體的遞送，而非強化其分化能力。

發佈日期：2023年 | 最後審閱日期：2026年5月

心臟修復的旁分泌機制

由心臟前體細胞和間質幹細胞（MSCs）分泌的外泌體與微囊泡可介導旁分泌作用。這些細胞外囊泡含有能調控受體細胞功能的蛋白質、mRNA 及微RNA。源自心肌細胞（CDC）的外泌體能重現全細胞移植所觀察到的心臟修復效益，這為基於外泌體的無細胞療法提供了依據。

促進血管生成可改善缺血性心肌的灌注。由移植細胞分泌或透過外泌體遞送的血管內皮生長因子（VEGF）、基本成纖維細胞生長因子（bFGF）及血管生成素，能刺激新血管的形成。增強的血管化有助於心肌細胞存活，並可能促進內源性再生。

抗纖維化作用可減少瘢痕形成並維持心臟功能。分泌因子能抑制成纖維細胞活化及膠原蛋白沉積。此機制或可解釋為何在未觀察到顯著細胞植入的情況下，心臟結構與功能仍有所改善。

培養與擴增方案

心臟前體細胞的分離通常採用心臟組織的酶解分離，隨後進行標記物篩選或差異黏附培養。c-Kit⁺ 細胞的分離採用磁珠篩選，而心球體則會在適當的懸浮培養條件下自發形成。

添加生長因子的 DMEM/Ham's F12 培養基，可為心臟前體細胞擴增提供標準培養條件。含有特定因子的專用心臟幹細胞培養基，能在維持前體細胞特性的同時優化擴增效果。CM-1 冷凍培養基可實現擴增後心臟前體細胞的冷凍保存。

心臟細胞產品的品質控制，除表面標記特徵分析外，還需進行功能評估。透過鈣離子瞬變測量、電生理記錄及收縮力檢測，可確認心肌細胞的功能。細胞系認證與支原體檢測，則確保產品在研究及臨床應用中的完整性。

給藥方式與時機

心肌內注射可將細胞直接送達目標組織，但需採用侵入性手術或導管介入方式。細胞在注射部位的保留量有限，多數細胞會在數小時至數天內，因機械性沖洗及在惡劣的梗塞環境中細胞死亡而流失。

冠狀動脈內輸注雖屬侵入性較低的給藥方式，但需仰賴細胞穿過內皮細胞遷移才能到達心肌。此途徑雖能達到更廣泛的分布，但細胞保留率甚至低於直接注射。重複輸注或可彌補初期保留率不佳的問題。

細胞遞送的時機會影響治療結果。心肌梗塞發生後立即進行的急性遞送，雖會面臨惡劣的發炎環境，但可能提供最佳的介入時機；待急性發炎消退後才進行的延遲遞送，雖可提高細胞存活率，卻可能錯失獲得最大療效的治療窗口。

未來發展方向

直接心臟重編程可在原位將成纖維細胞轉化為類心肌細胞，無需進行細胞移植。透過轉錄因子組合（Gata4、Mef2c、Tbx5）或小分子，可誘導心臟成纖維細胞向心肌細胞分化。此方法雖能避免細胞移植的挑戰，但仍面臨效率與安全性的障礙。

將細胞療法與生物材料支架、生長因子及電刺激整合的綜合療法，可能提升心臟修復成效。透過工程化方法製備具有有序細胞結構與血管系統的心臟補片，可克服細胞注射法的局限性。

結論

心臟幹細胞研究已從初期對內源性前體細胞介導再生所抱持的熱忱，演變為對旁分泌機制及真正心臟再生所面臨挑戰的更細膩理解。儘管心肌細胞置換仍是值得追求的目標，但現有證據支持來自各種細胞來源的旁分泌介導效益。 誘導多能幹細胞（iPSC）衍生的心肌細胞，在成熟與整合的挑戰獲得解決之前，是邁向功能性細胞替代最具前景的路徑。持續推進細胞替代與旁分泌療法的研究，終將為心衰竭患者帶來有效的再生療法。