干细胞心脏修复的主要障碍——为什么会造成心律不齐？

西雅图华盛顿大学医学院的研究人员已经改造了不会产生危险的心律失常的干细胞，迄今为止，这种并发症阻碍了开发干细胞疗法的努力。

　　

               

博士后Silvia Marchiano和研究科学家Hans Reinecke在位于西雅图的华盛顿大学干细胞和再生医学研究所Chuck Murry's实验室里观察心脏干细胞。

位于西雅图的华盛顿大学医学院的研究人员设计出了不会产生危险心律失常的干细胞，迄今为止，心律失常是一种并发症，阻碍了开发用于受伤心脏的干细胞疗法的努力。

在之前的研究中，Murry的团队使用干细胞生成的心肌细胞来修复心肌梗死引起的心肌损伤。这种类型的心脏病发作发生在流向心肌的血液被阻断时，从而导致心脏细胞死亡。心脏细胞不能再生，因此受影响的肌肉被疤痕组织所取代。这会削弱心脏并削弱其泵血的能力。严重的损伤会导致心脏衰竭和死亡。为了制造治疗性心脏细胞，西雅图的研究人员使用了多能干细胞。与成体干细胞不同的是，多能干细胞可以成为体内任何类型的细胞。

“我们已经找到了使这些细胞安全的方法，”华盛顿大学干细胞和再生医学医学研究所Chuck Murry实验室的博士后Silvia Marchiano说。Marchiano是论文的第一作者，该论文描述了4月6日星期四发表在《Cell Stem Cell》杂志上的发现。这项工作是与西雅图Sana生物技术公司合作完成的。

从2012年到2018年，西雅图团队成功地将多能干细胞注入受损的心脏壁，以创造新的肌肉来取代梗死期间失去的肌肉。在动物实验中，他们发现移植的细胞会与心肌结合，与其他心脏细胞同步跳动，提高心脏的收缩力。这些发现表明，干细胞疗法有可能被用于挽救受损的心脏。

但有一个主要的问题。在移植的最初几周，心脏往往以危险的高速率跳动。除非能找到预防或抑制这一问题的方法，否则干细胞不可能成为心肌梗死和心力衰竭的安全治疗方法。

Murry说:“我们的目标是创造出工作的可收缩细胞，它们不会试图设定自己的节奏。”

在成熟的心脏中，心率是由称为起搏器细胞的特殊细胞调节的。这些细胞定期产生电信号，诱导其他心脏细胞收缩。在起搏器细胞中，电压从负(超极化)到正(去极化)来回循环。Murry把它比作一个节拍器，正离子通过这些通道进出细胞。复极化和去极化循环的速率决定了心率。然而，在早期胚胎心脏中，这个系统还没有发展，其中相对较少的细胞已经成为专门的起搏器细胞，而其余的细胞已经成为静止的收缩细胞。所有细胞都是心脏起搏器。Murry和他的同事怀疑植入的干细胞像早期胚胎细胞一样混乱地产生信号并导致危险的心律。

为了找出是什么导致了这些细胞的这种行为，研究人员使用了RNA测序技术来找出在细胞成熟的不同时间形成了哪些离子通道。测序结果显示，某些类型的离子通道在发育早期出现，然后随着细胞成熟而消失，而其他类型的离子通道则在发育后期出现。就像一个正在解开的谜团，这给了研究人员一个嫌疑人名单。

为了确定哪些离子通道是携带导致心律失常电流的罪魁祸首，科学家们使用基于CRISPR的基因组编辑系统地敲除去极化基因或激活再极化基因。事实证明，这出奇地复杂。他们曾假设会有一个单一的离子通道导致心律失常，但没有一个单基因编辑消除了快速的心律。然后，研究人员进行了一个艰苦的过程，通过进行双重和三重基因编辑来“玩组合”。令人烦恼的是，这些修改都没有消除心律失常，有些似乎使它更糟。

最后，科学家们创造了一个干细胞系，其中三个去极化基因被敲除，一个再极化基因被激活。这招奏效了。由这些干细胞产生的心肌细胞像成人心肌一样处于电静止状态，但当给予电信号时，它们会收缩，以模仿自然起搏器。研究人员将这些细胞称为“MEDUSA”(用于修饰电生理DNA以了解和抑制心律失常)。MEDUSA心肌细胞植入心脏，成熟为成年细胞，与心肌电结合，与自然起搏同步，所有这些都不会产生危险的心率。Murry说，这是心脏再生的必要条件。

Murry警告说，还需要对工程细胞进行额外的测试，但他补充说:“我认为我们已经克服了再生人类心脏的最大障碍。”