骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤：外泌体及因子的作用机制

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1599

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (9): 1455-1460.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1599

• 干细胞综述 stem cell review • 上一篇下一篇

骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤：外泌体及因子的作用机制

张长江，梁贵友

遵义医学院附属医院心血管外科，贵州省遵义市 563000

修回日期:2018-11-21 出版日期:2019-03-28 发布日期:2019-03-28
通讯作者: 梁贵友，博士，主任医师，遵义医学院附属医院心血管外科，贵州省遵义市 563000
作者简介:张长江，男，1990年生，贵州省遵义市人，汉族，遵义医学院在读硕士，主要从事心血管外科基础研究。
基金资助:
贵州省科技支撑计划(黔科合支撑[2017] 2969号)，项目负责人：梁贵友；贵州省社会发展攻关计划项目(黔科合sz字[2014] 3022号)，项目负责人：梁贵友；遵义市科技计划课题(遵市科合社字[2018] 69号)，项目参与人：梁贵友

Bone marrow mesenchymal stem cell treatment for myocardial ischemia/reperfusion injury: mechanisms of exosomes and factors

Zhang Changjiang, Liang Guiyou

Department of Cardiovascular Surgery, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China

Revised:2018-11-21 Online:2019-03-28 Published:2019-03-28
Contact: Liang Guiyou, MD, Chief physician, Department of Cardiovascular Surgery, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China
About author:Zhang Changjiang, Master candidate, Department of Cardiovascular Surgery, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China
Supported by:
Guizhou Provincial Science and Technology Support Program, No. [2017]2969 (to LGY); Guizhou Provincial Social Development Research Project, No. Qian-ke-he-SZ-zi [2014]3022 (to LGY); the Science and Technology Plan Project of Zunyi City, No. Zun-shi-ke-he-she-zi[2018]69 (to LGY)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
心肌缺血再灌注损伤：是由各种原因引起的心肌缺血(比如心脏外科手术、心脏移植、心肌梗死等)，无血液流向心脏组织而致氧失衡，产生心脏功能紊乱或心肌组织受损，及时有效恢复心肌缺血部位的血液灌注，能够减少缺血心肌损伤及坏死，但是会引起组织进一步损伤的现象。
骨髓间充质干细胞对缺血心肌再灌注损伤的治疗作用：骨髓间充质干细胞不仅可以分化为心肌细胞和血管细胞，还可以分泌大量的生长因子和细胞因子，通过激活常驻心脏干细胞和其他干细胞介导内源性再生，并以旁分泌的方式诱导新生血管形成、抗炎症、抗凋亡、抗重构等。目前骨髓间充质干细胞治疗中可能涉及有Mfn2、LC3家族、AMPK-mTOR信号通路以及Bcl-2与Beclin1等相关作用机制。骨髓间充质干细胞及其分泌的外泌体成为临床可行性的治疗方案，减小梗死面积，减少瘢痕形成，促进新生血管形成，改善心功能。

摘要
背景：心肌缺血再灌注损伤是缺血心肌病及心内直视手术中最常见的并发症之一。骨髓间充质干细胞的发展，为临床预防与治疗心肌缺血再灌注损伤提供了新的方法。
目的：综述骨髓间充质干细胞对心肌缺血再灌注损伤的治疗作用和潜在机制，旨在为骨髓间充质干细胞指导临床应用提供理论依据。
方法：检索中国期刊全文数据库(CNKI)、万方、PubMed等数据库2000年1月至2018年10月期间关于骨髓间充质干细胞应用于心肌缺血再灌注损伤的文献，检索词分别为“骨髓间充质干细胞，心肌缺血再灌注损伤，研究进展”和“bone marrow mesenchymal stem cells，myocardial ischaemia/reperfusion，cell therapy，clinical trial studies”。排除旧的、重复的观点，对检索的文献进行整理，共纳入56篇文献进行分析探讨。
结果与结论：①总结了骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤中旁分泌的因子、外泌体miRNA及其作用，例如抗炎、抗凋亡、抗纤维化、修复心肌和促新生血管等；②总结骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤可能涉及的分子机制，例如介导线粒体融合蛋白2的作用、心肌自噬调节、AMPK/mTOR信号通路的调节作用；③为骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤指导临床应用提供理论依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程
ORCID: 0000-0002-4555-9102(梁贵友)

关键词: 骨髓间充质干细胞, 心肌缺血, 再灌注损伤, 干细胞, 外泌体, 细胞因子

Abstract:

BACKGROUND: Myocardial ischemia/reperfusion injury is one of the most common complications in ischemic cardiomyopathy and open heart surgery. The development of bone marrow mesenchymal stem cells provides a new method for clinical prevention and treatment of myocardial ischemia/reperfusion injury.
OBJECTIVE: To review the therapeutic effect and potential mechanisms of bone marrow mesenchymal stem cells in the treatment of myocardial ischemia/reperfusion injury, in order to provide a theoretical basis for the clinical application of bone marrow mesenchymal stem cells.
METHODS: Chinese Journal Full-text Database (CNKI), WanFang, and PubMed were retrieved for articles related to the use of bone marrow mesenchymal stem cells for myocardial ischemia-reperfusion injury published from January 2000 to October 2018. The search terms were “bone marrow mesenchymal stem cells; myocardial ischaemia/reperfusion; research process” in Chinese and “bone marrow mesenchymal stem cells; myocardial ischaemia/reperfusion; cell therapy; clinical trial studies” in English. Old and repetitive viewpoints were excluded, the searched literatures were sorted out, and finally 56 articles were included for further analysis and discussion.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In this paper, we summarize paracrine factors, exosomes miRNA and their effects in the treatment of myocardial ischemia/reperfusion injury with bone marrow mesenchymal stem cells, such as anti-inflammation, anti-apoptosis, anti-fibrosis, repair of myocardium and neovascularization. (2) We also summarize the possible molecular mechanisms of bone marrow mesenchymal stem cells involved in the treatment of myocardial ischemia/reperfusion injury, such as the role of mitochondrial fusion protein 2, regulation of myocardial autophagy, and regulation of AMPK/mTOR signaling pathway. Overall, we attempt to provide a theoretical basis for the clinical application of bone marrow mesenchymal stem cells in the treatment of myocardial ischemia/reperfusion injury.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

Key words: Bone Marrow, Mesenchymal Stem Cells, Myocardial Ischemia, Reperfusion Injury, Tissue Engineering

中图分类号:

张长江，梁贵友. 骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤：外泌体及因子的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(9): 1455-1460.

Zhang Changjiang, Liang Guiyou. Bone marrow mesenchymal stem cell treatment for myocardial ischemia/reperfusion injury: mechanisms of exosomes and factors[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(9): 1455-1460.

图/表（结果） 2

2.1 骨髓间充质干细胞概述及生物特性

2.1.1 骨髓间充质干细胞概述 骨髓间充质干细胞是一种来源于哺乳动物骨髓基质中的除造血干细胞以外的一类具有保留体外自我复制能力、多向分化潜能的干细胞^[17]。在标准培养条件下，可表达细胞表面标记CD105、CD73 和CD90，而不表达细胞表面标记CD45、CD34、CD14或CD11b、CD79、CD19或HLA-DR^[18]，其具有自我更新、多向分化潜能、可体外大量扩增等干细胞生物学特性^[19-21]。心肌梗死后移植骨髓间充质干细胞能够增加新生血管数量，减小梗死面积，减少瘢痕^[22]。骨髓间充质干细胞在一定条件下被诱导分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、心肌细胞、神经元及肝细胞等^[23]。刘煜昊等^[24]直接证据表明，人骨髓间充质干细胞能分化为心肌细胞和血管内皮细胞。研究显示，骨髓间充质干细胞具有低免疫原性^[25]。骨髓间充质干细胞及其分化细胞表达的细胞外基质分子如黏附分子和整合素参与构成了支持造血的微环境，帮助造血干细胞的黏附和归巢以及细胞间的相互黏附。骨髓间充质干细胞分泌的细胞因子对造血干/祖细胞的自我更新与分化起重要调节作用。

2.1.2 归巢定植特性 骨髓间充质干细胞归巢是一种与造血干细胞相关的现象。造血干细胞被认为有能力从血液中迁移到不同器官，并在化学信号导航下返回到骨髓基质中。骨髓间充质干细胞被认为具有相似特征，这有助于它们迁移和移植到缺血心肌中并进行介导修复。实验研究结果显示，骨髓间充质干细胞在体外扩增之后，归巢能力严重受损。将未经过体外培养用绿色荧光蛋白转基因标记的骨髓间充质干细胞，移植到亚致死性辐射小鼠体内，55%-65%标记绿色荧光蛋白的细胞存活于骨髓间质中，4%-7%存活于脾脏中，而经体外培养24 h后用绿色荧光蛋白标记的骨髓间充质干细胞的存活率却下降到10%^[26]。传代晚期的骨髓间充质干细胞已失去趋化因子受体CCR1、CCR9、CXCR6、CXCR5、CXCR4的表面表达，也就失去了对相应的趋化反应。因此，需要优化骨髓间充质干细胞的培养条件来维持趋化因子受体的归巢表达^[27]。骨髓间充质干细胞在一定诱导条件下可以扩增分化为成骨细胞、软骨细胞、心肌细胞、脂肪细胞等。例如骨髓间充质干细胞在5-氮杂胞苷诱导下分化成心肌样细胞^[28]。不同培养条件下骨髓间充质干细胞的分化能力也不相同。骨髓间充质干细胞通过归巢定植于心肌损伤位置，定向分化为心肌细胞，达到治疗心肌缺血再灌注损伤的作用。

2.1.3 旁分泌特性 骨髓间充质干细胞发挥改善器官功能的效应依赖于其旁分泌作用。研究表明，骨髓间充质干细胞移植利用旁分泌作用改善心肌梗死后的心脏功能^[29]。此外，旁分泌作用还可以解释许多与修复相关的作用机制，包括促进新生血管形成、减小梗死面积和瘢痕形成、改善心肌收缩功能等。有证据表明，骨髓间充质干细胞通过旁分泌相关因子来改善心脏功能，见表1，而不是通过直接分化成心肌细胞。骨髓间充质干细胞外泌体还携带miRNA基因，转录后参与抗凋亡和血管生成蛋白的调控^[30-32]，见表2。在这种情况下，外泌体作为一种运输心脏保护分子的载体获得了广泛的关注^[33]。骨髓间充质干细胞分泌的外泌体可以通过抗凋亡、抗炎、促血管生成和免疫调节作用来保护心脏和大脑。骨髓间充质干细胞可能通过分泌卵泡抑素样分子1 (FSTL1)从而减少大鼠心肌梗死面积，进而起到心肌保护作用^[34]。因此，骨髓间充质干细胞的旁分泌作用是治疗心肌缺血再灌注损伤的又一重要机制。旁分泌特性可能成为骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤的主要论点。

骨髓间充质干细胞可以通过分泌多种可溶性因子与细胞表面分子及胞外基质组成特异性的微环境发挥治疗作用。研究发现，骨髓间充质干细胞通过产生一些细胞因子发挥其生物学效应，如血管内皮生长因子、干细胞因子、肝细胞生长因子、肿瘤坏死因子α、胰岛素样生长因子1等^[35]。这些细胞因子间接的抗凋亡、抗炎、抗纤维化等作用均促进了组织的内源性修复。骨髓间充质干细胞的抗炎、抗凋亡特性是治疗心肌缺血再灌注损伤的基础，可以减少炎症发生及心肌细胞凋亡，缓解心肌损伤发生。

许多学者通过研究骨髓间充质干细胞与各种不同免疫细胞的相互作用，以及与同种异体T细胞的相互影响来证明骨髓间充质干细胞的低免疫原性。骨髓间充质干细胞对T细胞应答具有较低的刺激阈，并且不能诱导同种异体T细胞的激活，要充分的激活T细胞，需2个信号途径：①T受体对主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex，MHC)分子与抗原递呈细胞表面抗原相结合的识别；②T细胞激活需要一个共刺激的信号，包括激活在T细胞内的CD28和抗原递呈细胞内的CD80或CD86^[36]。骨髓间充质干细胞表面虽然能表达较低水平的MHCⅠ类分子，但是其缺乏MHCⅡ类分子和共刺激分子CD80或CD86，CD40的表达就有利于形成骨髓间充质干细胞的低免疫原性。尽管干扰素γ可刺激MHCⅠ类分子和Ⅱ类分子的表达，但仍不能激起可引起免疫反应的骨髓间充质干细胞的免疫原性。自然杀伤细胞是先天免疫系统中重要的效应细胞，这类细胞对缺乏MHCⅠ类分子表达的细胞具有极强的溶解细胞能力。同时，自然杀伤细胞也是重要的造血细胞移植过程的调节物。在体外，骨髓间充质干细胞对自然杀伤细胞具有抑制作用，并能下调其增殖能力、细胞毒活性和细胞因子表达。由于骨髓间充质干细胞表面低表达MHCⅠ类分子，自然杀伤细胞又对其有极强的杀伤作用^[37]。Wu等^[38]揭示miR-21通过负调控转化生长因子β1来调控骨髓间充质干细胞的免疫调节作用，这为骨髓间充质干细胞的免疫调控作用提供了新的见解。因此，可以利用骨髓间充质干细胞的免疫调控、低免疫性、减少免疫应答、抑制自然杀伤细胞、减少炎症发生达到治疗心肌缺血再灌注损伤的目的。

2.2 骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤作用靶点及作用机制 骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤的作用机制知之甚少，结合实验室前期结果以及当前研究进行总结骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤潜在作用机制，见图2。

2.2.1 线粒体融合蛋白2的作用 结合课题组研究发现，线粒体融合蛋白2(mitochondrial fusion protein 2，Mfn2)是可以反映心肌损伤的一个标志性蛋白^[39]。Ong等^[40]发现心肌细胞线粒体在心肌缺血时表现出明显碎裂，而这个过程主要依赖于线粒体膜融合蛋白对Mfn2的调控。因此，线粒体膜融合蛋白的调节对于维持心肌细胞正常生理活动和代谢是必不可少的，由于缺乏Mfn2导致线粒体膜融合作用不足，引起心肌细胞更易遭受各种死亡刺激的影响。在体外循环心肌再灌注过程中，Mfn2蛋白表达变化能反映体外循环心肌再灌注损伤过程中心功能的变化。骨髓间充质干细胞通过对Mfn2的调节来达到治疗心肌缺血再灌注损伤。

2.2.2 LC3家族蛋白参与心肌自噬调节 骨髓间充质干细胞可能参与自噬和凋亡的调节作用^[41]。骨髓间充质干细胞已被证明是心肌梗死细胞治疗的理想干细胞来源。然而，移植后供体干细胞的生存能力低下，限制了它们的治疗效率，而潜在的机制仍然知之甚少。心肌缺血再灌注损伤同样也存在自噬和凋亡过程，保护心肌细胞除了抗凋亡还有就是抑制自噬；研究结果表明，自噬在不同阶段作用不尽相同，缺血过程中有益，而再灌注中却正好相反^[42]。自噬在心肌缺血再灌注损伤中也扮演着重要的角色，有研究表明，LC3家族蛋白参与了心肌自噬^[43-44]。Cui等^[45]研究表明，在心肌缺血再灌注损伤大鼠体内注射脂肪来源间质干细胞外泌体可显著降低心肌细胞凋亡和心肌梗死面积，上调心肌LC3B的表达，改善心脏功能。心肌梗死无复流区LC3-Ⅰ、LC3-Ⅱ表达增加，表明心肌梗死无复流区心肌组织局部自噬表达增强。

2.2.3 AMPK/mTOR信号通路调节作用 在心肌缺血缺氧阶段，骨髓间充质干细胞参与AMPK/mTOR信号通路调节作用。研究发现，缺氧增加了AMPK/mTOR信号通路的活性^[46]，骨髓间充质干细胞在低氧应激诱导心肌自噬抑制心肌凋亡具有潜在作用^[47]。Matsui等^[48]发现心肌缺血和缺氧时，细胞内的ATP水平显著下降，从而AMP/ATP增高，然而作为感受器的AMPK接收到信号而激活，其通过磷酸化结节相关蛋白2(TSC2)来抑制mTOR的活性。这个过程主要是抑制蛋白质合成，诱导自噬来帮助心肌适应缺氧环境。Matsui等^[41]在心肌细胞上使用AMPK的抑制剂构建了转基因小鼠心肌缺血再灌注模型，观察到心肌细胞内LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例降低，并且自噬被抑制。在心肌缺血时，心肌细胞主要激活AMPK来抑制mTOR途径，诱导自噬发生，抑制细胞凋亡，对缺血心肌细胞起到保护性作用。AMPK/mTOR信号通路调节作用可能是骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤的作用机制。

2.2.4 Bcl-2蛋白与Beclin1蛋白的调节作用 在心肌再灌注阶段，骨髓间充质干细胞可能参与了Bcl-2蛋白与Beclin1蛋白表达的调节作用。研究发现，在心肌细胞缺血缺氧时，Bcl-2被磷酸化，而不能与Beclin1结合并且诱导自噬^[49]。在再灌注阶段，自噬依赖于Beclin1表达增加，这不利于细胞存活并加重心肌细胞损伤。Beclin1和Bcl-2的相互作用是自噬产生的主要机制。研究证据表明，将小鼠Beclin1基因敲除，在心肌缺血再灌注模型中自噬和凋亡水平均下降，因而心肌梗死面积减少^[50]。Matsui等^[41]同样证实了在心肌再灌注阶段，Beclin1的表达增加可以诱导自噬。Beclin1的表达被抑制，心肌细胞的自噬作用同样被抑制。在再灌注阶段，Beclin1与Bcl-2之间的相互作用是重要的作用机制之一。

参考文献

[1] 陈伟伟,高润霖,刘力生,等.《中国心血管病报告2017》概要[J].中国循环杂志, 2018,33(1):1-8.

[2] Chi HJ, Chen ML, Yang XC, et al. Progress in Therapies for Myocardial Ischemia Reperfusion Injury. Curr Drug Targets. 2017;18(15):1712-1721.

[3] Zhou T, Chuang CC, Zuo L. Molecular Characterization of Reactive Oxygen Species in Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury. Biomed Res Int. 2015;2015:864946.

[4] Okafor ON, Farrington K, Gorog DA. Allopurinol as a therapeutic option in cardiovascular disease. Pharmacol Ther. 2017;172:139-150.

[5] Wang F, Liang GY, Liu DX, et al. Effect of Si-RNA-silenced HIF-1α gene on myocardial ischemia-reperfusion-induced insulin resistance. Int J Clin Exp Med. 2015;8(9):15514-15520.

[6] Garcia-Dorado D, Ruiz-Meana M, Inserte J, et al. Calcium-mediated cell death during myocardial reperfusion. Cardiovasc Res. 2012;94(2): 168-180.

[7] Chouchani ET, Pell VR, Gaude E, et al. Ischaemic accumulation of succinate controls reperfusion injury through mitochondrial ROS. Nature. 2014;515(7527):431-435.

[8] 陈福晖,刘达兴,容松.心肌缺血再灌注损伤发生机制的研究进展[J].安徽医药,2017, 21(12): 2145-2148.

[9] 叶明,吴辉.心肌缺血再灌注损伤的研究新进展[J].中华老年心脑血管病杂志, 2016, 18(4): 434-437.

[10] Tao H, Nuo M, Min S. Sufentanil protects the rat myocardium against ischemia-reperfusion injury via activation of the ERK1/2 pathway . Cytotechnology. 2018;70(1):169-176.

[11] Li Y, Jiang T, Fu X, et al. Atorvastatin protects cardiomyocytes against OGD/R?induced apoptosis by inhibiting miR?199a?5p. Mol Med Rep. 2017;16(4):3807-3816.

[12] Penn MS, Dong F, Klein S, et al. Stem cells for myocardial regeneration. Clin Pharmacol Ther. 2011;90(4):499-501.

[13] 王娟,贾合磊,吉红亮,等.同种异体骨髓间充质干细胞移植在心肌梗死后心室重建中的作用[J].中国组织工程研究, 2016, 20(50): 7487-7493.

[14] Karantalis V, Suncion-Loescher VY, Bagno L, et al. Synergistic Effects of Combined Cell Therapy for Chronic Ischemic Cardiomyopathy. J Am Coll Cardiol. 2015;66(18):1990-1999.

[15] Charwat S, Gyöngyösi M, Lang I, et al. Role of adult bone marrow stem cells in the repair of ischemic myocardium: current state of the art. Exp Hematol. 2008;36(6):672-680.

[16] Salem HK, Thiemermann C. Mesenchymal stromal cells: current understanding and clinical status. Stem Cells. 2010;28(3):585-596.

[17] Dominici M, Le Blanc K, Mueller I, et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 2006;8(4):315-317.

[18] Li X, Yu X, Lin Q, et al. Bone marrow mesenchymal stem cells differentiate into functional cardiac phenotypes by cardiac microenvironment. J Mol Cell Cardiol. 2007;42(2):295-303.

[19] Niu H, Mu J, Zhang J, et al. Comparative study of three types of polymer materials co-cultured with bone marrow mesenchymal stem cells for use as a myocardial patch in cardiomyocyte regeneration. J Mater Sci Mater Med. 2013;24(6):1535-1542.

[20] Gao S, Zhao Z, Wu R, et al. Bone marrow mesenchymal stem cell transplantation improves radiation-induced heart injury through DNA damage repair in rat model. Radiat Environ Biophys. 2017;56(1):63-77.

[21] Humphreys BD, Bonventre JV. Mesenchymal stem cells in acute kidney injury. Annu Rev Med. 2008;59:311-325.

[22] Wen Z, Zheng S, Zhou C, et al. Repair mechanisms of bone marrow mesenchymal stem cells in myocardial infarction. J Cell Mol Med. 2011;15(5):1032-1043.

[23] 丁国永,郭丽,杜忠君,等.骨髓间充质干细胞对肾缺血再灌注损伤后肾功能及氧化应激水平的改善作用[J].吉林大学学报(医学版), 2009, 35(4): 587-590,572.

[24] 刘煜昊,房佰俊,史明霞,等.人骨髓间充质干细胞在体内外分化为心血管组织[J].基础医学与临床, 2007,27(6):643-647.

[25] He JG, Xie QL, Li BB, et al. Exosomes Derived from IDO1-Overexpressing Rat Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Promote Immunotolerance of Cardiac Allografts. Cell Transplant. 2018. doi: 10.1177/0963689718805375. [Epub ahead of print]

[26] Rombouts WJ, Ploemacher RE. Primary murine MSC show highly efficient homing to the bone marrow but lose homing ability following culture. Leukemia. 2003;17(1):160-170.

[27] Honczarenko M, Le Y, Swierkowski M, et al. Human bone marrow stromal cells express a distinct set of biologically functional chemokine receptors. Stem Cells. 2006;24(4):1030-1041.

[28] Bao L, Meng Q, Li Y, et al. C-Kit Positive Cardiac Stem Cells and Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells Synergistically Enhance Angiogenesis and Improve Cardiac Function After Myocardial Infarction in a Paracrine Manner. J Card Fail. 2017;23(5):403-415.

[29] Suzuki E, Fujita D, Takahashi M, et al. Therapeutic Effects of Mesenchymal Stem Cell-Derived Exosomes in Cardiovascular Disease. Adv Exp Med Biol. 2017;998:179-185.

[30] Henning RJ. Current status of stem cells in cardiac repair. Future Cardiol. 2018;14(2):181-192.

[31] Kishore R, Khan M. More Than Tiny Sacks: Stem Cell Exosomes as Cell-Free Modality for Cardiac Repair. Circ Res. 2016;118(2):330-343.

[32] Suzuki E, Fujita D, Takahashi M, et al. Stem cell-derived exosomes as a therapeutic tool for cardiovascular disease. World J Stem Cells. 2016; 8(9):297-305.

[33] Gong M, Yu B, Wang J, et al. Mesenchymal stem cells release exosomes that transfer miRNAs to endothelial cells and promote angiogenesis. Oncotarget. 2017;8(28):45200-45212.

[34] Zhang MQ, Chen H, Zhai CL, et al. Follistatin-like 1-engineered mesenchymal stem cells prevent myocardial ischemic reperfusion injury. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2016;96(25):2017-2022.

[35] Liu JF, Ling B. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells in the treatment of myocardial infarction. Zhongguo Yi Xue Ke Xue Yuan Xue Bao. 2015;37(1):108-112.

[36] Jacobs SA, Roobrouck VD, Verfaillie CM, et al. Immunological characteristics of human mesenchymal stem cells and multipotent adult progenitor cells. Immunol Cell Biol. 2013;91(1):32-39.

[37] Ruggeri L, Mancusi A, Burchielli E, et al. NK cell alloreactivity and allogeneic hematopoietic stem cell transplantation. Blood Cells Mol Dis. 2008;40(1):84-90.

[38] Wu T, Liu Y, Fan Z, et al. miR-21 Modulates the Immunoregulatory Function of Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Through the PTEN/Akt/TGF-β1 Pathway. Stem Cells. 2015;33(11):3281-3290.

[39] 巫宏坤,梁贵友,余丽梅,等.人羊膜间充质干细胞移植对犬体外循环再灌注肺损伤的影响[D]. 遵义:遵义医学院, 2016.

[40] Ong SB, Subrayan S, Lim SY, et al. Inhibiting mitochondrial fission protects the heart against ischemia/reperfusion injury. Circulation. 2010;121(18):2012-2022.

[41] Matsui Y, Takagi H, Qu X, et al. Distinct roles of autophagy in the heart during ischemia and reperfusion: roles of AMP-activated protein kinase and Beclin 1 in mediating autophagy. Circ Res. 2007;100(6):914-922.

[42] Zhang Z, Yang C, Shen M, et al. Autophagy mediates the beneficial effect of hypoxic preconditioning on bone marrow mesenchymal stem cells for the therapy of myocardial infarction. Stem Cell Res Ther. 2017;8(1):89.

[43] Jin Y, Wang H, Cui X, et al. Role of autophagy in myocardial reperfusion injury. Front Biosci (Elite Ed). 2010;2:1147-1153.

[44] 赵海洋,张佳运,程姝娟.自噬在急性心肌梗死后无复流中的表达[J].广东医学,2016,37(11):1628-1630.

[45] Cui X, He Z, Liang Z, et al. Exosomes From Adipose-derived Mesenchymal Stem Cells Protect the Myocardium Against Ischemia/Reperfusion Injury Through Wnt/β-Catenin Signaling Pathway. J Cardiovasc Pharmacol. 2017;70(4):225-231.

[46] Liu L, Jin X, Hu CF, et al. Exosomes Derived from Mesenchymal Stem Cells Rescue Myocardial Ischaemia/Reperfusion Injury by Inducing Cardiomyocyte Autophagy Via AMPK and Akt Pathways. Cell Physiol Biochem. 2017;43(1):52-68.

[47] Zhang Z, Yang M, Wang Y, et al. Autophagy regulates the apoptosis of bone marrow-derived mesenchymal stem cells under hypoxic condition via AMP-activated protein kinase/mammalian target of rapamycin pathway. Cell Biol Int. 2016;40(6):671-685.

[48] Matsui Y, Kyoi S, Takagi H, et al. Molecular mechanisms and physiological significance of autophagy during myocardial ischemia and reperfusion. Autophagy. 2008;4(4):409-415.

[49] 张文静,崔丽艳,张捷.自噬与缺血再灌注损伤[J].检验医学, 2014,29(2): 182-185.

[50] Valentim L, Laurence KM, Townsend PA, et al. Urocortin inhibits Beclin1-mediated autophagic cell death in cardiac myocytes exposed to ischaemia/reperfusion injury. J Mol Cell Cardiol. 2006;40(6): 846-852.

[51] Maslov LN, Podoksenov IuK, Portnichenko AG, et al. Hypoxic preconditioning of stem cells as a new approach to increase the efficacy of cell therapy for myocardial infarction. Vestn Ross Akad Med Nauk. 2013;(12):16-25.

[52] Hu C, Li L. Preconditioning influences mesenchymal stem cell properties in vitro and in vivo. J Cell Mol Med. 2018;22(3):1428-1442.

[53] Epstein SE, Luger D, Lipinski MJ. Paracrine-Mediated Systemic Anti-Inflammatory Activity of Intravenously Administered Mesenchymal Stem Cells: A Transformative Strategy for Cardiac Stem Cell Therapeutics. Circ Res. 2017;121(9):1044-1046.

[54] Florea V, Rieger AC, DiFede DL, et al. Dose Comparison Study of Allogeneic Mesenchymal Stem Cells in Patients With Ischemic Cardiomyopathy (The TRIDENT Study). Circ Res. 2017;121(11): 1279-1290.

[55] Ciuffreda MC, Malpasso G, Chokoza C, et al. Synthetic extracellular matrix mimic hydrogel improves efficacy of mesenchymal stromal cell therapy for ischemic cardiomyopathy. Acta Biomater. 2018;70:71-83.

[56] Elmadbouh I, Ashraf M. Tadalafil, a long acting phosphodiesterase inhibitor, promotes bone marrow stem cell survival and their homing into ischemic myocardium for cardiac repair. Physiol Rep. 2017;5(21): e13480.

引言

根据2017年中国心血管病报告的统计，心血管病患病率及死亡率仍在上升^[1]，高于肿瘤及其他疾病，居首位。心肌缺血再灌注损伤是由各种原因引起的心肌缺血(比如心脏外科手术、心脏移植、心肌梗死等)^[2]，无血液流向心脏组织而致氧失衡，产生心脏功能紊乱或心肌组织受损，及时有效恢复心肌缺血部位的血液灌注，能够减少缺血心肌损伤及坏死，但是会引起组织进一步损伤的现象。心肌缺血再灌注损伤的发生机制包括氧自由基爆发^[3-4]、生理pH值快速恢复、胰岛素抵抗^[5]、细胞钙超载^[6]、线粒体损伤^[7]、炎性反应等^[8-9]；目前还无有效的方法治疗心肌缺血再灌注损伤，而一些药物和细胞治疗等被作为研究目标，常见的干预药物有舒芬太尼^[10]、阿托伐他汀等^[11]，并且细胞治疗中骨髓间充质干细胞表现突出。药物治疗心肌缺血再灌注损伤缺陷在于达到治疗效果的耗时较长，且多数药物均呈现出时间依赖性。近年来，随着干细胞治疗技术的快速发展，一些研究人员也将骨髓间充质干细胞应用于心肌缺血再灌注损伤治疗中。骨髓间充质干细胞表现出强大的心肌组织再生潜力，在心肌梗死后移植骨髓间充质干细胞治疗，可以显著减小心肌梗死面积，减少瘢痕形成和增加新生血管数量，表现出显著疗效^[12-16]。极大多数文章只报道骨髓间充质干细胞能够修复损伤心肌组织，增加新生血管数量，减少瘢痕形成，抗炎，抗心肌细胞凋亡等作用，但潜在机制没有阐述。作者结合前期研究及相关文献报道，对可能涉及的潜在机制以及骨髓间充质干细胞旁分泌相关因子、外泌体miRNA的类型和作用作一综述，为指导心肌缺血再灌注损伤相关疾病临床应用具有重要意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

讨论

综上所述，心肌缺血再灌注损伤的发生机制有多个方面的影响，在心肌缺血再灌注损伤发生后，心肌细胞发生不可逆转的坏死和死亡，尽管在最佳的药物治疗和介入治疗方面取得了进展，但心肌缺血再灌注损伤患者的预后以及由此导致的慢性心力衰竭仍然非常严重。在心肌缺血再灌注损伤发生后，使用骨髓间充质干细胞治疗的动物实验和临床试验显示了心肌功能的全面改善。骨髓间充质干细胞具有多系统、自我更新和增殖潜能，有望在心肌缺血再灌注损伤后进行心脏修复。此外，骨髓间充质干细胞很容易分离、扩增，并且对宿主具有免疫功能。骨髓间充质干细胞不仅可以分化为心肌细胞和血管细胞，还可以分泌大量的生长因子和细胞因子，通过激活常驻心脏干细胞和其他干细胞介导内源性再生，并以旁分泌的方式诱导新生血管形成、抗炎症、抗凋亡、抗重构等。目前骨髓间充质干细胞治疗中可能涉及有Mfn2、LC3家族、AMPK-mTOR信号通路以及Bcl-2与Beclin1等相关作用机制。骨髓间充质干细胞及其分泌的外泌体成为临床可行性的治疗方案，减小梗死面积，减少瘢痕形成，促进新生血管形成，改善心功能。

骨髓间充质干细胞临床应用同样存在局限性，例如移植联合方式及处理直接影响到种子细胞的存活率；研究证据表明，不同途径移植骨髓间充质干细胞的治疗效果不尽相同，干细胞移植后的细胞存活率是决定其疗效的重要因素。血液循环、心肌收缩和注射部位的渗漏均可导致移植细胞的大量丢失。此外，缺血、缺氧、干细胞本身自噬、氧化应激或炎症反应导致的恶劣环境，也会导致移植细胞的存活率低。通过干细胞移植前预处理和干细胞移植处理等方法改善移植细胞存活率。首先，干细胞预处理是让其维持一个待机状态^[51-52]，使它们能够抵抗恶劣的环境，阻止了移植细胞的大量凋亡；其次，干细胞与细胞外基质分子、纳米纤维、水凝胶或纤维蛋白胶的联合应用，以及使用两种干细胞的联合治疗均可提高其移植存活率。目前，骨髓间充质干细胞移植途径主要有3种方法：①经心肌注射(心内膜下注射、心外膜下注射)；②经外周静脉注射；③经冠状动脉注射^[53]。有研究表明，骨髓间充质干细胞剂量和浓度在细胞治疗心力衰竭的表型反应中起着至关重要的作用。分别使用2×10⁷和1×10⁹剂量的骨髓间充质干细胞，经心内注射随访12个月，观察疗效并评价安全性，结果发现两种细胞剂量均使患者瘢痕变小，但只有1×10⁹剂量治疗组患者的射血分数显著增加^[54]。因此，优化并探索最佳注射细胞剂量是提高疗效的关键问题之一。

Ciuffreda等^[55]研究人员应用一种可降解的聚乙二醇水凝胶混合包裹骨髓间充质干细胞后进行移植，结果发现，骨髓间充质干细胞在组织中的滞留量增加，并且心脏功能得到改善、血管生成、内源性心脏再生、心室重构和瘢痕减少。Elmad bouh等^[56]研究发现，他达拉非可以上调miR-21依赖性抑制Fas的表达，延长了骨髓间充质干细胞的存活时间，增加了骨髓间充质干细胞的动员和归巢，从而改善了心脏修复和功能。因此，移植方式和移植细胞数量决定了干细胞疗效。此外，干细胞预处理、水凝胶混合干细胞、经心肌注射途径以及大剂量注射等方法也能有效增加干细胞疗效。

骨髓间充质干细胞的应用还有广阔的前景，从干细胞到干细胞外泌体，对心肌缺血再灌注损伤治疗有很显著作用，减少心血管疾病的病死率及在体外循环过程中心血管病的并发症。骨髓间充质干细胞的治疗还需要更多的临床实践，在现有的传统治疗基础上，骨髓间充质干细胞治疗将越来越受到广大科研工作者的青睐，成为一种理想的制剂，更好地为人类心血管服务，减轻心血管病及并发症带来的痛苦。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

骨髓间充质干细胞治疗心肌缺血再灌注损伤：外泌体及因子的作用机制

Bone marrow mesenchymal stem cell treatment for myocardial ischemia/reperfusion injury: mechanisms of exosomes and factors

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 2

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	林清凡, 解一新, 陈婉清, 叶振忠, 陈幼芳. 人胎盘源间充质干细胞条件培养液可上调缺氧状态下BeWo细胞活力和紧密连接因子的表达[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 4970-4975.
[2]	蒲锐, 陈子扬, 袁凌燕. 不同细胞来源外泌体保护心脏的特点与效应[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 1-.
[3]	张秀梅, 翟运开, 赵杰, 赵萌. 类器官模型国内外数据库近10年文献研究热点分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1249-1255.
[4]	王正东, 黄娜, 陈婧娴, 郑作兵, 胡鑫宇, 李梅, 苏晓, 苏学森, 颜南. 丁酸钠抑制氟中毒可诱导小胶质细胞活化及炎症因子表达增多[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1075-1080.
[5]	汪显耀, 关亚琳, 刘忠山. 提高间充质干细胞治疗难愈性创面的策略[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1081-1087.
[6]	万然, 史旭, 刘京松, 王岩松. 间充质干细胞分泌组治疗脊髓损伤的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1088-1095.
[7]	廖成成, 安家兴, 谭张雪, 王倩, 刘建国. 口腔鳞状细胞癌干细胞的治疗靶点及应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1096-1103.
[8]	赵敏, 冯柳祥, 陈垚, 顾霞, 王平义, 李一梅, 李文华. 低氧环境下外泌体可作为疾病的标志物[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1104-1108.
[9]	谢文佳, 夏天娇, 周卿云, 刘羽佳, 顾小萍. 小胶质细胞介导神经元损伤在神经退行性疾病中的作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1109-1115.
[10]	李珊珊, 郭笑霄, 尤冉, 杨秀芬, 赵露, 陈曦, 王艳玲. 感光细胞替代治疗视网膜变性疾病[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1116-1121.
[11]	焦慧, 张一宁, 宋雨晴, 林宇, 王秀丽. 乳腺癌类器官研究进展及临床应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1122-1128.
[12]	王诗琦, 张金生. 中医药调控缺血缺氧微环境对骨髓间充质干细胞增殖、分化及衰老的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1129-1134.
[13]	曾燕华, 郝延磊. 许旺细胞体外培养及纯化的系统性综述[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1135-1141.
[14]	孔德胜, 何晶晶, 冯宝峰, 郭瑞云, Asiamah Ernest Amponsah, 吕飞, 张舒涵, 张晓琳, 马隽, 崔慧先. 间充质干细胞修复大动物模型脊髓损伤疗效评价的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1142-1148.
[15]	侯婧瑛, 于萌蕾, 郭天柱, 龙会宝, 吴浩. 缺氧预处理激活HIF-1α/MALAT1/VEGFA通路促进骨髓间充质干细胞生存和血管再生[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 985-990.