Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Tế bào gốc tim trong các nghiên cứu về tái tạo cơ tim

Khả năng tái tạo hạn chế của tim người trưởng thành sau nhồi máu cơ tim đã thúc đẩy các nghiên cứu sâu rộng về sinh học tế bào gốc tim và các liệu pháp tái tạo. Mặc dù vẫn còn tranh cãi về sự tồn tại và tiềm năng tái tạo của tế bào gốc tim nội sinh, nhiều nhóm tế bào khác nhau đã được nghiên cứu về khả năng sửa chữa cơ tim bị tổn thương. Hiểu rõ sinh học của tế bào tiền thân tim và phát triển các liệu pháp dựa trên tế bào hiệu quả vẫn là mục tiêu chính để giải quyết gánh nặng toàn cầu của suy tim do bệnh tim thiếu máu cục bộ gây ra.

Điểm chính

• Nhiều quần thể tế bào tiền thân tim đã được xác định dựa trên các dấu hiệu bề mặt và đặc tính chức năng
• tế bào tiền thân tim c-Kit+ ban đầu gây ra sự hào hứng nhưng cho thấy khả năng biệt hóa thành tế bào cơ tim hạn chế trong cơ thể
• Các tế bào được phân lập từ cardiosphere cho thấy lợi ích paracrine trong các thử nghiệm lâm sàng mặc dù khả năng tích hợp hạn chế
• Các tế bào cơ tim được tạo ra từ tế bào gốc đa năng được cảm ứng cung cấp nguồn tế bào có thể mở rộng với quá trình biệt hóa được xác định
• Các cơ chế paracrine có thể trung gian lợi ích sửa chữa tim mạch độc lập với việc thay thế tế bào

Tế bào tiền thân tim nội sinh

Việc xác định các tế bào tiền thân tim c-Kit⁺ (CPCs) trong tim người trưởng thành đã tạo ra sự phấn khích lớn trong lĩnh vực tái tạo tim. Những tế bào này, được xác định thông qua biểu hiện của thụ thể yếu tố tế bào gốc c-Kit (CD117), được báo cáo là có khả năng biệt hóa thành tế bào cơ tim và tái tạo mô cơ tim bị nhồi máu. Tuy nhiên, các nghiên cứu theo dõi dòng tế bào sau đó cho thấy các tế bào c-Kit⁺ CPCs đóng góp rất ít vào việc hình thành tế bào cơ tim mới, thay vào đó chúng tạo ra các tế bào nội mô và tế bào sợi.

Tế bào tiền thân tim Sca-1⁺ đại diện cho một quần thể khác được xác định trong tim động vật gặm nhấm. Những tế bào này thể hiện tiềm năng phân hóa thành tế bào cơ tim trong ống nghiệm, nhưng giống như các tế bào c-Kit⁺, chúng có khả năng phân hóa hạn chế thành tế bào cơ tim chức năng trong cơ thể sống. Sự thiếu vắng một đồng dạng Sca-1 ở người làm phức tạp việc áp dụng các phát hiện về CPC Sca-1⁺ vào các ứng dụng lâm sàng.

Các tế bào thuộc nhóm bên (side population) được xác định bằng cách thải ra thuốc nhuộm Hoechst đại diện cho một nhóm tế bào tiền thân tim mạch thứ ba. Các tế bào này biểu hiện vận chuyển ABCG2 có tiềm năng đa dòng, nhưng chưa được phát triển đến giai đoạn lâm sàng. Sự tranh cãi về khả năng tái tạo thực sự của các tế bào CPC nội sinh đã chuyển hướng tập trung vào các nguồn tế bào ngoại sinh và cơ chế paracrine.

Điều trị bằng tế bào từ cardiosphere

Cardiosphere là các cụm tế bào tự lắp ráp được tạo ra từ các mẫu mô tim. Khi được nuôi cấy dưới dạng khối cầu, các tế bào này biểu hiện các dấu hiệu tiền thân và có tiềm năng phân hóa đa dòng. Các tế bào được phân lập từ cardiosphere (CDCs) được mở rộng từ cardiosphere nguyên phát đã tiến triển qua các thử nghiệm lâm sàng cho nhồi máu cơ tim và suy tim.

Thử nghiệm CADUCEUS cho thấy việc truyền CDC làm giảm kích thước sẹo và tăng diện tích cơ tim sống sót ở bệnh nhân sau nhồi máu. Tuy nhiên, sự cải thiện chức năng được đo bằng phân suất tống máu là khiêm tốn. Cơ chế lợi ích dường như chủ yếu là paracrine, với các yếu tố do CDC tiết ra thúc đẩy quá trình tạo mạch máu, giảm viêm và có thể kích thích quá trình sửa chữa nội sinh thay vì thay thế tế bào trực tiếp.

Quy trình sản xuất CDC bao gồm sinh thiết nội tâm mạc, nuôi cấy mô cấy ghép, hình thành cardiosphere trong môi trường lơ lửng và sau đó mở rộng thành CDC bám dính. Quy trình này cho phép chuẩn bị tế bào tự thân từ sinh thiết của bệnh nhân, tuy nhiên, thời gian sản xuất và độ biến đổi gây thách thức cho các ứng dụng cấp tính.

Tế bào cơ tim được phân hóa từ tế bào gốc đa năng được cảm ứng (iPSCs)

Tế bào gốc đa năng được cảm ứng (iPSCs) được phân hóa thành tế bào cơ tim (iPSC-CMs) cung cấp nguồn tế bào có thể mở rộng và được định nghĩa rõ ràng cho tái tạo tim. Các quy trình phân hóa có hướng dẫn sử dụng điều chỉnh con đường Wnt hiệu quả tạo ra tế bào cơ tim có khả năng co bóp từ iPSCs. Các tế bào này biểu hiện các dấu hiệu tim mạch và thể hiện các đặc tính chức năng bao gồm xử lý canxi và co bóp.

cấy ghép iPSC-CM trong các mô hình động vật cho thấy khả năng tích hợp và tích hợp điện một phần với cơ tim chủ. Tuy nhiên, sự phát triển chưa hoàn chỉnh của iPSC-CM so với tế bào cơ tim trưởng thành tạo ra nguy cơ rối loạn nhịp tim do tính tự động và sự không đồng nhất trong dẫn truyền. Các chiến lược cải thiện sự phát triển và tích hợp điện của iPSC-CM vẫn là lĩnh vực nghiên cứu tích cực.

Các sản phẩm iPSC-CM đồng loại từ người hiến tặng HLA đồng hợp tử có thể cung cấp liệu pháp tế bào sẵn có, tránh sản xuất tùy chỉnh cho từng bệnh nhân. Các thử nghiệm lâm sàng đánh giá an toàn và hiệu quả của iPSC-CM trong suy tim đang được tiến hành tại Nhật Bản và các quốc gia khác, đại diện cho tiền tuyến của liệu pháp tim mạch từ tế bào gốc đa năng.

Ứng dụng tế bào gốc trung mô trong tim

Tế bào gốc trung mô thể hiện tác dụng bảo vệ tim chủ yếu thông qua cơ chế paracrine chứ không phải qua sự biệt hóa thành tế bào cơ tim. Các yếu tố do MSC tiết ra, bao gồm VEGF, IGF-1 và HGF, thúc đẩy quá trình tạo mạch máu và sự sống còn của tế bào trong cơ tim thiếu máu. Các cytokine chống viêm giảm viêm nhiễm gây hại sau nhồi máu.

Tế bào gốc trung mô người - Tủy xương (HMSC-BM) cung cấp nguồn tế bào gốc trung mô tiêu chuẩn cho các ứng dụng nghiên cứu tim mạch. Các thử nghiệm lâm sàng sử dụng tế bào gốc trung mô tủy xương cho nhồi máu cơ tim cho thấy lợi ích khiêm tốn với hồ sơ an toàn xuất sắc. Tế bào gốc trung mô người - Mô mỡ cung cấp nguồn thay thế với tiềm năng ưu việt về tính chất paracrine cho các ứng dụng tim mạch.

Sự biệt hóa tim của MSC vẫn còn hạn chế mặc dù có các báo cáo in vitro về tiềm năng tạo cơ tim. Lợi ích điều trị của MSC trong các ứng dụng tim mạch chủ yếu đến từ các tác động paracrine chứ không phải thay thế tế bào. Hiểu biết cơ chế này đã chuyển hướng tập trung vào tối ưu hóa việc cung cấp secretome của MSC thay vì tăng cường biệt hóa.

Cơ chế paracrine trong quá trình phục hồi tim

Các tiểu thể ngoại bào (exosomes) và vi thể ngoại bào (microvesicles) do các tế bào tiền thân tim và tế bào gốc trung mô (MSCs) tiết ra trung gian các tác động paracrine. Các tiểu thể ngoại bào này chứa protein, mRNA và microRNA điều hòa chức năng của tế bào nhận. Các tiểu thể ngoại bào được tạo ra từ tế bào gốc trung mô (MSCs) tái tạo các lợi ích sửa chữa tim được quan sát thấy trong quá trình cấy ghép tế bào toàn phần, gợi ý về các liệu pháp không tế bào dựa trên tiểu thể ngoại bào.

Kích thích tạo mạch máu cải thiện lưu lượng máu đến cơ tim thiếu máu. VEGF, bFGF và angiopoietins được tiết ra bởi các tế bào được cấy ghép hoặc được vận chuyển qua exosome kích thích sự hình thành mạch máu mới. Sự tăng cường mạch máu hỗ trợ sự sống còn của tế bào cơ tim và có thể thúc đẩy quá trình tái tạo nội sinh.

Các tác dụng chống xơ hóa giảm hình thành sẹo và bảo tồn chức năng tim. Các yếu tố được tiết ra ức chế hoạt hóa tế bào sợi và lắng đọng collagen. Cơ chế này có thể giải thích sự cải thiện về cấu trúc và chức năng tim được quan sát mà không có sự tích hợp tế bào đáng kể.

Các quy trình nuôi cấy và mở rộng

Tách tế bào tiền thân tim thường sử dụng phân tách enzym mô tim, sau đó là chọn lọc dựa trên dấu hiệu hoặc nuôi cấy dựa trên độ bám dính. Tách tế bào c-Kit⁺ sử dụng chọn lọc bằng hạt từ tính, trong khi hình thành cardiosphere xảy ra tự nhiên trong điều kiện nuôi cấy treo thích hợp.

Dung dịch nuôi cấy DMEM/Ham's F12 bổ sung yếu tố tăng trưởng cung cấp điều kiện nuôi cấy tiêu chuẩn cho việc mở rộng tế bào tiền thân tim. Dung dịch nuôi cấy tế bào gốc tim chuyên biệt chứa các yếu tố được định nghĩa tối ưu hóa quá trình mở rộng đồng thời duy trì các đặc tính của tế bào tiền thân. Dung dịch đông lạnh CM-1 cho phép bảo quản đông lạnh các tế bào tiền thân tim đã được mở rộng.

Kiểm soát chất lượng cho các sản phẩm tế bào tim yêu cầu đánh giá chức năng ngoài việc xác định dấu hiệu bề mặt. Đo lường dao động canxi, ghi chép điện sinh lý và thử nghiệm co bóp xác nhận chức năng của tế bào cơ tim. Xác thực dòng tế bào và kiểm tra mycoplasma đảm bảo tính toàn vẹn của sản phẩm cho các ứng dụng nghiên cứu và lâm sàng.

Phương pháp và thời điểm tiêm

Tiêm trực tiếp vào cơ tim cung cấp việc giao hàng trực tiếp đến mô mục tiêu nhưng yêu cầu các phương pháp phẫu thuật xâm lấn hoặc dựa trên ống thông. Sự giữ lại tế bào tại vị trí tiêm bị hạn chế, với phần lớn tế bào bị mất trong vòng vài giờ đến vài ngày do rửa trôi cơ học và chết tế bào trong môi trường nhồi máu khắc nghiệt.

Tiêm tĩnh mạch động mạch vành cung cấp phương pháp giao hàng ít xâm lấn hơn nhưng phụ thuộc vào quá trình di chuyển qua màng nội mô để định hướng đến cơ tim. Phương pháp này đạt được phân bố rộng hơn nhưng tỷ lệ giữ lại tế bào thậm chí thấp hơn so với tiêm trực tiếp. Các lần tiêm lặp lại có thể bù đắp cho tỷ lệ giữ lại ban đầu kém.

Thời điểm cung cấp tế bào ảnh hưởng đến kết quả. Cung cấp cấp tính ngay sau nhồi máu phải đối mặt với môi trường viêm nhiễm khắc nghiệt nhưng có thể cung cấp cơ hội can thiệp tối đa. Cung cấp trì hoãn sau khi viêm nhiễm cấp tính giảm bớt có thể cải thiện sự sống sót của tế bào nhưng có thể bỏ lỡ cửa sổ điều trị để đạt được lợi ích tối đa.

Hướng phát triển tương lai

Tái lập trình tim trực tiếp chuyển đổi tế bào sợi thành tế bào cơ tim tương tự tại chỗ mà không cần cấy ghép tế bào. Sự kết hợp của các yếu tố chuyển dạng (Gata4, Mef2c, Tbx5) hoặc các phân tử nhỏ kích thích số phận tế bào cơ tim trong tế bào sợi tim. Phương pháp này tránh được thách thức của cấy ghép tế bào nhưng gặp phải rào cản về hiệu quả và an toàn.

Các phương pháp kết hợp tích hợp liệu pháp tế bào với khung vật liệu sinh học, yếu tố tăng trưởng và kích thích điện có thể nâng cao kết quả sửa chữa tim. Các phương pháp công nghệ tạo ra các miếng vá tim có cấu trúc tế bào và mạch máu tổ chức giải quyết các hạn chế của các phương pháp tiêm tế bào.

Kết luận

Nghiên cứu về tế bào gốc tim đã phát triển từ sự hào hứng ban đầu về khả năng tái tạo do các tế bào tiền thân nội sinh điều khiển đến sự hiểu biết tinh tế hơn về các cơ chế paracrine và thách thức của việc tái tạo tim thực sự. Mặc dù việc thay thế tế bào cơ tim vẫn là mục tiêu lý tưởng, bằng chứng hiện tại ủng hộ các lợi ích do cơ chế paracrine mang lại từ các nguồn tế bào khác nhau. Tế bào cơ tim được tạo ra từ tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSC) mang lại con đường hứa hẹn nhất cho việc thay thế tế bào chức năng, tùy thuộc vào việc giải quyết các thách thức về quá trình trưởng thành và tích hợp. Nghiên cứu tiếp tục phát triển cả phương pháp thay thế tế bào và cơ chế paracrine sẽ cuối cùng mang lại các liệu pháp tái tạo hiệu quả cho bệnh nhân suy tim.