心臟是人類最重要的器官之一，它的作用是將血液泵至身體各個部分，為我們提供生命的動力。由於心臟組織的特殊性，人類能夠免受「心臟癌」的困擾，但各類心血管疾病卻讓我們束手無策。
近期，《幹細胞雜誌》（Stem cells journals）發表了一篇綜述，總結了人類多能幹細胞衍生的心肌細胞（hPSC-CMs）在心臟病治療、心臟病模型構建和藥物研發中的最新進展與臨床應用挑戰。作者認為，目前hPSC-CMs在臨床治療中已取得了實質性進展，但對其潛在的分子機制仍是霧裡看花。
揭開人類多能幹細胞的神秘面紗
目前為止，產生人類心肌細胞的唯一可靠來源就是人類多能幹細胞，主要包括胚胎幹細胞和誘導性多能幹細胞。這些幹細胞對於再生醫學的發展有著至關重要的作用。病人可以直接用自己的血細胞、皮膚細胞，經過重新編碼轉化為誘導性多能幹細胞，最終再分化為心肌細胞、神經細胞等任何所需再生的細胞。總而言之，這種幹細胞療法不僅可以彌補胚胎幹細胞倫理方面的缺憾，而且免疫排斥風險也大大降低。
人心臟再生能力有限，幹細胞有何「奇招」？
成年人心臟的再生能力有限，心肌梗死後往往會造成心肌細胞的丟失或是被纖維化組織替代，最終導致致命的心衰。研究表明，心肌缺血後再灌注損傷或永久性心肌梗死後7-10天，在心肌中注射人胚胎幹細胞誘導的心肌細胞可改善和重塑大鼠缺血性心肌功能。同時，研究者在齧齒動物梗死模型中注射人誘導性多能幹細胞產生的心肌細胞，也發現了相同的結果。不僅如此，人胚胎幹細胞誘導的心肌細胞也能通過電耦聯抑制受傷豚鼠心臟的心律失常。
臨床上從2002年至今也有很多幹細胞治療心臟病的案例，如：TOPCARE-DCM、CardiAMP等臨床試驗項目，目前大多數臨床試驗都集中在骨髓間充質幹細胞通過冠狀動脈內輸注、自體來源或間充質幹細胞移植治療心血管疾病。
間充質幹細胞是一種多能幹細胞，它具有幹細胞的所有共性，即自我更新和多向分化能力。當前在臨床應用研究最為廣泛，例如與造血幹細胞聯合應用，可以提高移植的成功率，加速造血重建。近年來，間充質幹細胞在解決多種血液系統疾病、心血管疾病、肝硬化、神經系統疾病、自身免疫性疾病等方面取得了重大臨床研究突破，挽救了越來越多病患的生命。
大鼠心臟中注射人誘導性多能幹細胞產生的心肌細胞的電鏡圖[1]。
心臟病幹細胞療法的五大挑戰
人多能幹細胞產生的心肌細胞不僅在細胞替代和無細胞治療的預期應用中取得了實質性進展，並且在治療由異常生理損傷引起心臟病或遺傳性心臟病方面卓有成效。然而，人多能幹細胞的功能發育和成熟具有複雜性，其潛在分子機制尚未完全明晰，細胞內電生理機制仍有待更深入的研究。
目前心臟病幹細胞療法主要存在以下5點挑戰：
1.幹細胞的質量。例如，胚胎幹細胞來源的心肌細胞（hESC-CMs）/iPSC來源的心肌細胞（hiPSC-CMs）外顯子體在缺氧條件下存在差異表達。因此，我們需要嚴格地控制細胞生成的每一步，包括細胞生成、細胞系的選擇和基因組穩定性檢測；分離高產、臨床級和成本效益高的心肌細胞亞群，並為每個步驟建立標準。此外，還需要新的方法來降低細胞在質量、亞型和成熟水平方面的異質性。
2.心肌細胞的成熟度。研究表明，在分化的第20天時，幹細胞的移植效果要好於第8天或第30天。細胞的成熟度會影響移入宿主心臟後的增殖和治療效果，將未成熟的細胞植入成年人心臟可能會導致心律不齊。研究者通過細胞外基質工程、細胞排列技術、電刺激、機械拉伸、線粒體工程，以及microRNA和激素幹預的方法促進人類多能幹細胞衍生的心肌細胞的成熟，但其仍未達到成人心肌細胞的成熟度，因此有效的心臟病幹細胞療法還需仔細調整幹細胞的最佳成熟狀態，以平衡細胞存活和移植後心律失常風險。
3.細胞的存活率。細胞存活率低和長期滯留是阻礙細胞治療的重要原因，為解決該問題，科研人員提出可以在移植前對細胞進行預處理以增強其抗逆性、聯合應用支持性生物材料、操縱梗塞心臟的局部免疫環境來優化宿主組織以接受移植物等方法解決該問題。
4.心律失常的風險。不同成熟度的幹細胞可能有不同程度的功能耦合、異位激活和區域傳導，並會產生異常脈衝。因此，在未來的大型動物研究中，測試多種抗心律不齊方法的可行性至關重要，包括確定合適的細胞表面標誌物以準備高純度的幹細胞、確定適當的移植成熟度，微調移植的細胞數，並與抗心律失常藥物聯合使用等。
5.排異反應。宿主免疫排斥是心臟病幹細胞療法的「絆腳石」之一，這個問題也是免疫醫學的研究熱點。研究表明，在接受心臟病幹細胞療法的大型動物中，使用免疫抑制藥物會使動物部分免疫力下降，同時也會出現一些副作用。人多能幹細胞衍生心肌細胞是通過主要組織相容性複合體、人類白細胞抗原系統介導的適應性免疫系統產生免疫排斥反應。研究人員發現，能夠通過I類主要組織相容性複合體供體細胞和受體細胞的精細匹配來顯著降低外來細胞的免疫排斥反應。同時，相關具有廣泛人類白細胞抗原多樣性的生物庫hPSC系、通用且免疫相容的供體hPSC系也在進一步開發中。
人多功能幹細胞衍生心肌細胞在心臟病建模和修復中的應用[2]
展望
目前，許多臨床試驗結果都表明幹細胞治療各類心臟疾病行之有效，心臟病幹細胞療法在緩解患者病情、延長患者壽命和提高病人生活質量上都有著極大的潛力，更多的科研人員也投身心臟病幹細胞療法的研究中。然而，臨床應用心臟病幹細胞療法也存在極大的挑戰和許多問題亟待解決，隨著這些挑戰得到克服，相信幹細胞治療心臟病在未來能夠造福更多患者。
參考文獻：
1.Heart regeneration using pluripotent stem cells.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S091450872030143X#fig0005
2.Perspective on human pluripotent stem cell‐derived cardiomyocytes in heart disease modeling and repair.
https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sctm.19-0340