内皮祖细胞在冠状动脉粥样硬化性心脏病中的作用研究进展

顾钰霞, 刘乃丰

(东南大学医学院 心血管研究所，东南大学附属中大医院 心血管内科,江苏 南京 210009)

冠状动脉粥样硬化性心脏病(简称冠心病),尤其是心肌梗死,已经成为威胁人类健康的最主要原因[1]。目前冠心病的治疗原则主要包括生活方式管理、控制危险因素、药物干预以及血运重建,但是这些都不能从根本上控制疾病的发展。而内皮祖细胞可以在心肌缺血的情况下特异性归巢至缺血部位,参与内皮修复及血管新生,进而缩小缺血面积,保护心脏功能,因此内皮祖细胞的研究为冠心病的治疗提供了新的思路,已经受到越来越多的关注。作者对内皮祖细胞在冠状动脉粥样硬化性心脏病中的作用及研究进展作一综述。

1 内皮祖细胞的生物学特征

1.1 内皮祖细胞的来源

目前,我们一致认为内皮祖细胞主要来源于骨髓,骨髓中有多种细胞具有内皮祖细胞特征。内皮祖细胞不仅存在于骨髓中,研究证实外周血中也存在内皮祖细胞,但含量很少,仅占外周细胞的0.01%。Asaharad等[2]于1997年在科学杂志上发表了一篇具有里程碑意义的文章,文章中首次使用磁珠法从人外周血中分离出内皮祖细胞,该实验同时证实外周血中的内皮祖细胞来源于骨髓,后续的研究发现脐静脉血中也存在内皮祖细胞。目前,如果在PubMed数据库中使用内皮祖细胞作为关键词,可以搜索到10 000多个相关文献[3]。在各种刺激及应激情况下,内皮祖细胞可以动员至外周血中参与修复损伤的血管,同时更多的研究表明血管新生的原因是损伤血管周围内皮细胞的修复以及骨髓中内皮祖细胞的动员。近10年来许多科学家试图去阐明内皮祖细胞的定义、起源、功能以及内皮祖细胞在心血管疾病中的作用[4]。

1.2 内皮祖细胞的鉴定

现阶段内皮祖细胞的鉴定主要有以下两种方法。一种方法是免疫细胞法,该方法主要通过检测细胞表面特有的抗原标记物,如CD34+、CD133+、VEGFR2+等。其中CD34已被广泛用于鉴定骨髓来源的造血祖细胞和干细胞,其在介导细胞间黏附作用中发挥重要作用[5],而存在于分化成熟和参与血管新生的内皮细胞表面的VEGFR2在内皮细胞的成熟和迁移过程中起着关键作用[6]。随后的研究表明,CD133(又称AC133)也是一种早期造血干细胞的表面标记物,在内皮祖细胞表面有表达,而成熟内皮细胞表面却没有[7],故认为CD34+/CD133+/VEGFR2+细胞为内皮祖细胞,内皮祖细胞释放入外周血后CD133逐渐消失,CD34表达下调,而VEGFR2能持续表达。此外,另有一些内皮祖细胞表面抗原标记物,如sca- 1+/VEGFR2+(Flk1)和c- kit+/VEGFR2+也被广泛应用于小鼠内皮祖细胞的识别[8- 10]。其他用于识别内皮祖细胞的表面抗原标记物,如血管性血友病因子(vWF)、CD31 和 CD144实际上是成熟内皮细胞的标志[10],而另一个内皮祖细胞的潜在表面标记物CXCR4在许多细胞表面都有表达[11]。因此,目前为止没有已经被定义的细胞表面抗原标记物可以明确地将内皮祖细胞和其他循环血细胞区别开来。另外一种方法是双荧光染色法：培养7 d后的内皮祖细胞可行乙酰化低密度脂蛋白(DIL- AC- LDL)和FITC标记的荆豆凝集I(FITC- UEA- I)的双荧光染色鉴定,在激光聚焦显微镜下DIL- AC- LDL阳性细胞显示的是红色荧光(细胞内吞作用),而FITC- UEA- I阳性细胞显示的是绿色荧光(细胞膜结合表达),蓝色的是细胞核,显示黄色的双荧光阳性细胞即为正在分化的内皮祖细胞[12- 13]。

1.3 内皮祖细胞的动员、分化和归巢

人类内皮祖细胞主要存在于骨髓中,外周血中含量很少,特别是冠心病、老年、吸烟、肥胖的患者,外周血内皮祖细胞的数目更低[14- 15]。内源性、外源性因素,如组织缺血缺氧、创伤、血管损伤、体育锻炼、雌激素等因素可以使内皮祖细胞动员至外周血中[16- 17]。研究发现他汀类药物可以通过AKt信号通路促进内皮祖细胞的增殖、动员、迁移,并通过上调血管内皮祖细胞的整合素亚单位诱导黏附,从而参与损伤内膜的修复[18]。Tan等[19]通过调查服用氯沙坦的冠心病患者外周血中内皮祖细胞的数量以及内皮改善功能,发现服用氯沙坦的患者外周血中内皮祖细胞数量有所增加、内皮功能有所改善,提示氯沙坦等ARB类药物有可能通过动员内皮祖细胞来改善内皮功能。这些导致内皮祖细胞数量增加的因素是通过产生和释放内皮祖细胞的相关细胞因子,包括基质细胞衍生因子- 1(SDF1)、细胞内皮生长因子(VEGF)、肝细胞生长因子(HGF)、促红细胞生成素(EPO)、集落形成刺激因子(G- CSF)、粒细胞集落形成刺激因子(GM- CSF)、白介素- 6(IL- 6)、基质金属蛋白酶(MMP9)等[20- 23]。血管内皮损失、组织缺氧等情况下可以诱导内皮祖细胞归巢至损失缺血部位,但目前为止内皮祖细胞在体内究竟如何分化为成熟内皮细胞的机制尚不明确,在内皮祖细胞动员中发挥重要作用的细胞因子在内皮祖细胞分化、归巢中同样具有重要作用。

2 内皮祖细胞在冠心病中的作用

动脉粥样硬化是一组称为动脉硬化性血管病中最常见、最重要的一种,其特点是动脉管壁增厚变硬、失去弹性和管腔缩小,由于在动脉内膜上积聚的脂质外观呈黄色粥样,因此称为动脉粥样硬化,累及心血管就称为冠状动脉粥样硬化性心脏病,特点是病变动脉有胆固醇、纤维化和炎症细胞浸润[24]。在冠心病治疗过程中需要关注内皮损伤和修复两者之间的平衡。在生理条件下,完整的血管由一层内皮细胞所覆盖,内皮细胞不仅负责血液和组织液的代谢交换,同时能合成和分泌多种生物活性物质,以保证血管正常的收缩和舒张,起到维持血管张力、调节血压以及凝血与抗凝平衡等特殊功能,进而保持血液的正常流动和血管的长期通畅,在血管受损的条件下内皮祖细胞被诱导归巢至受损血管区域,进而参与血管新生修复[25]。

2.1 内皮祖细胞与血管新生

血管新生(angiogenesis)是指血管内皮细胞迁移、增殖,从原先存在的血管发芽形成新的血管,多见于糖尿病视网膜病变、肿瘤或者心肌梗死边缘的毛细血管增生。缺血、应激、炎症等病理刺激下内皮祖细胞可以选择性募集到受损或缺血区域,通过自身的分化、增殖从而形成新的血管,无需依赖原有的血管系统。2001年Kawamoto等[26]对下肢缺血小鼠模型进行内皮祖细胞移植,4周后发现缺血肢体的血流量较对照组增加了42%,毛细血管数目也增加了1倍。同年,Kocher等[27]对心肌梗死小鼠模型进行了内皮祖细胞移植,结果显示在非心肌梗死区几乎未发现内皮祖细胞,而梗死区域观察到大量的内皮祖细胞参与了血管新生的形成,梗死部位的毛细血管数量也明显增加,心肌凋亡、胶原沉积和瘢痕形成减少,左心室功能得到一定改善。2003年Werner等[28]通过静脉将内皮祖细胞注射到动脉损伤的小鼠模型体内,2周后免疫组化即发现内皮祖细胞归巢到受损部位,内皮祖细胞移植组与对照组相比较,受损血管的内皮覆盖率为(86.4±5.0)%,明显高于对照组的(71.3±6.0)%,该实验证实了缺血可以诱导内皮祖细胞归巢至缺血受损部位,参与修复损伤血管。Kawamoto等[29]利用PCR技术在体外扩增内皮祖细胞,随后将内皮祖细胞经静脉注射到缺血模型小鼠的冠状动脉中,实验结果表明缺血心肌附近新生血管增多,且左心功能得到一定恢复。

2.2 内皮祖细胞与旁分泌

旁分泌(paracrine)是指细胞产生的激素或调节因子通过细胞间隙对邻近的其他种类细胞起促进作用。内皮祖细胞分泌的细胞因子如VEGF、HGF、SDF- 1等可以通过旁分泌作用促进血管形成,是内皮祖细胞治疗冠心病的重要机制。VEGF可以增加缺血缺氧组织的血管渗透性以及增加血浆蛋白的外渗,这样形成的新细胞基质有利于内皮祖细胞的迁移和血管新生,此外VEGF还可以提高内皮祖细胞的分裂、增生能力,进而促进损伤血管内皮的修复。Yi等[30]将转染有VEGF基因的内皮祖细胞注入皮瓣,然后将皮瓣植入裸鼠背部皮肤缺损的区域,通过对照发现实验组小鼠皮瓣存活率以及血流恢复能力均显著增加,可见,转染有VEGF基因的内皮祖细胞效果更佳。另有研究证实,VEGF可以协同SDF- 1共同促进内皮祖细胞的迁移及分化[31]。前文所述,他汀类药物可以通过AKt信号通路促进内皮祖细胞的增殖、动员、迁移,这其中需要HGF的参与,有研究表明在冠状动脉结扎模型中测得HGF浓度偏低,通过人为导入HGF基因可以明显促进血管新生以及增加内皮祖细胞数量[32]。在血管新生过程中,上述细胞因子通过作用于内皮祖细胞而促进血管新生,该过程中又可以不断刺激机体产生更多的细胞因子,但目前对于细胞因子的研究仍然比较有限,未来,细胞因子的作用将会被研究得更为透彻,而新的细胞因子也会被发现,我们可以通过更为优化的细胞因子组合来治疗冠心病。

2.3 内皮祖细胞与炎症

炎症是各种心血管疾病的病理生理学基础,促炎细胞因子刺激内皮细胞表面黏附分子的表达,是促进动脉粥样硬化的开始,炎症可以刺激VEGF等生长因子的生成[33],同时也可以刺激骨髓中内皮祖细胞释放入循环外周血中[34],从而参与组织修复。动物研究表明血管损伤后内皮祖细胞被迅速动员起来,同时循环中VEGF水平也明显升高[35]。肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素- 1β、粒细胞- 巨噬细胞集落刺激因子等炎症因子[36- 38]均可以调节内皮祖细胞的动员、分化及归巢。研究发现在稳定型冠心病患者中C反应蛋白的水平与内皮祖细胞数量呈正比,表明在稳定型冠心病患者中炎症可以刺激内皮祖细胞的动员[39]。另一方面,研究表明持续或者过度的炎症反应可能会导致循环内皮祖细胞的数量减少[40],如心力衰竭患者体内的循环内皮祖细胞数量就明显减少。基础研究及临床证据表明炎症在内皮祖细胞动员中发挥着双重作用,轻度炎症可以诱导内皮祖细胞的动员,而持续、过度的炎症作用却相反,目前这种效应的调节机制尚不明确,可能与长期持续的刺激导致骨髓内皮祖细胞池耗竭,最终释放不成熟或者不正常的内皮祖细胞有关,现在需要进一步的实验来阐述其中的相关机制。

2.4 内皮祖细胞与预防支架内再狭窄

随着经皮冠状动脉介入手术的广泛开展,术后急性支架内血栓和再狭窄目前仍没有很好的预防和治疗方案,是急需引起我们关注和解决的临床问题。植入表面包被内皮祖细胞抗体的涂层支架是否能很好地解决这一问题,目前已经是内皮祖细胞研究的一大热点。有实验证明,植入表面包被CD34抗体的涂层支架可以防止由于支架植入处内皮损伤导致的再狭窄等一系列并发症[41]。Aoki等[42]于2005年首次在临床上植入表面包被CD34抗体的涂层支架,经过为期9个月的随访观察,发现16例参加实验的患者中只有1例患者出现心脑血管事件,经皮冠状动脉内超声显示支架再狭窄面积只占支架的(27.2±20.9)%,该临床研究证实应用此类支架是安全有效的,这就为内皮祖细胞在冠心病介入治疗领域的应用提供了新的思路。

3 总结和展望

综上所述,作者对内皮祖细胞的生物学特性、内皮祖细胞与血管新生、内皮祖细胞与炎症、内皮祖细胞与预防支架内再狭窄进行了简单的阐述,通过某些药物或者体外扩增内皮祖细胞再移植等多种方法均可以增加冠心病患者外周血中内皮祖细胞数量及功能,促使内皮祖细胞归巢至缺血部位,促进损伤血管新生以及预防支架内再狭窄等,为冠心病的治疗开拓了新的前景。但是目前仍有许多问题有待解决：首先我们是否能找到内皮祖细胞表面特异性抗原标志物,从而将内皮祖细胞与其他外周血细胞很好地区别开来；其次如何在体外有效地分离纯化、培养、扩增内皮祖细胞,然后内皮祖细胞在体内动员、分化、归巢的信号通路以及参与其中的细胞因子尚不清楚；最后现阶段关于内皮祖细胞的研究还停留在动物实验阶段,缺乏大量的临床资料来证实其可行性。尽管目前还存在以上诸多问题,我们有理由相信内皮祖细胞能在不久的将来应用到冠心病的临床治疗中。

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