Стволовые клетки и регенерация сердца

Как это ни парадоксально, но самый важный в организме орган – сердце практически не в состоянии восстановить мышечную массу, утерянную в результате инфаркта или ишемии-реперфузии. Даже кратковременное прекращение коронарного кровотока приводит к апоптозу кардиомиоцитов (КМЦ) с последующим замещением мышечной ткани рубцовой. Оставшиеся КМЦ претерпевают гипертрофию, ведущую к декомпенсации их функций и к сердечной недостаточности. Однозначного объяснения неспособности сердца восстанавливаться после повреждения не существует. Традиционно, сердце считают статическим органом, не способным к регенерации после любого повреждения. Согласно существующей концепции, число КМЦ полностью формируется к моменту рождения и в течение жизни не меняется [1–4]. Следовательно, со временем КМЦ могут только гипертрофироваться, чтобы заменить стареющие или погибающие клетки. Поскольку возраст человека может достигать 80–100 лет, то и продолжительность жизни дифференцированной клетки (согласно концепции) должна быть сравнимой с этими сроками.
   Согласно современным представлениям, практически все известные тканевые системы содержат локальные клетки-предшественники. Стволовые клетки (СК) были обнаружены в коже, печени, центральной нервной системе, желудочно-кишечном тракте, скелетной мускулатуре и др. Однако если в отношении этих тканей наличие резидентных предшественников было убедительно доказано в ряде исследований, то информация о существовании стволовых клеток в сердечно-сосудистой системе по-прежнему ограничена [5].
   Существуют, однако, наблюдения, которые позволяют усомниться в правильности представления о сердце как органе, полностью неспособном к обновлению. Так, в ряде работ описано существование небольших по размеру и делящихся ("циклирующих") миоцитов [6–9]. Возможность регенерации миокарда после ишемического повреждения также отмечена в ряде исследований [7, 10–13]. Наличие пролиферирующих клеток преимущественно в периинфарктной зоне, т.е. в области живого миокарда, не исключает возможности существования в сердце пула предшественников с миокардиальной направленностью, но и не отвечает на вопрос об их происхождении. Поскольку специфической клеточной популяции, ответственной за восстановление миокарда, в самом сердце обнаружить не удавалось, было высказано предположение о роли циркулирующих в крови предшественников. Серьезным подтверждением участия в регенерации миокарда циркулирующих в крови СК стали данные, полученные при разнополой трансплантации сердца [14–19]. Присутствие среди клеток хозяина (ХХ) клеток, содержащих Y-хромосому, позволило предположить, что новообразованные КМЦ и сосудистые эндотелиальные клетки возникли из мигрировавших клеток реципиента. Сходный химеризм сердца был выявлен и у пациентов, перенесших несовпадающую по полу аллогенную трансплантацию костного мозга [19].
   Костный мозг содержит несколько клеточных разновидностей. Кроме дифференцированных клеток, таких как эндотелиальные клетки, адипоциты, остеобласты и остеокласты, в нем присутствуют и разные популяции СК. Наиболее представленными являются гемопоэтические СК, мезенхимальных клеток значительно меньше, но, в отличие от первых, они способны дифференцироваться в клеточные типы, отличные от населяющих костный мозг, в том числе и от КМЦ [20].
   Клетки костно-мозгового происхождения уже неоднократно пытались использовать для регенерации поврежденного миокарда [21, 22]. Обычно, «клеточный препарат» представлял собой смесь разных клеточных типов, а не собственно СК. Эффективность введения клеточных коктейлей пока не получила полного подтверждения. Тем не менее безопасность использования костно-мозговых клеток при лечении инфаркта миокарда можно считать доказанной благодаря результатам многочисленных клинических исследований [23–33]. Введение суспензии клеток костного мозга, как правило, способствует некоторому улучшению сократительной функции сердца, но механизмы этого явления исследованы недостаточно [34–38]. Один из них может заключаться в формировании новых сосудистых структур или в активации местных клеток-предшественников ангиогенеза за счет паракринных эффектов, оказываемых введенными клетками [34, 40–43]. В то же время остается непонятным, являются ли клетки костномозгового происхождения непосредственными предшественниками клеток сердца, и способны ли они поддерживать пул собственно сердечных СК, если таковые существуют.
   Регенерация миокарда требует образования не только КМЦ, но и коронарных сосудов, и, следовательно, не может осуществляться за счет коммитированных предшественников. Восстановление пула КМЦ не может привести к улучшению сократительной функции сердца без усиления трофики, как и образование только сосудов не "оживит" погибшие КМЦ. Физиологическая регенерация миокарда требует присутствия примитивной мультипотентной клетки, способной дифференцироваться одновременно в нескольких направлениях. Наиболее вероятным кандидатом на эту роль являются с-kit-положительные СК. Единичные c-kit-положительные клетки обнаруживаются в сердце человека [17], что позволяет предположить существование истинных СК сердца (СКС), занимающих свою тканевую нишу. Во взрослом сердце клетки с фенотипом стволовых, как правило, группируются с другими ранними или более поздними предшественниками. В непосредственной близости от них выявляются и миоциты ранних стадий дифференцировки [13, 44–47]. Эти клетки не экспрессируют маркеров дифференцированных клеток [45] и в то же время обладают "стволовостью" – клоногенны, способны к самообновлению и полипотентны. Их можно выделить из ткани сердца и размножить в культуре [48, 49]. Более того, трансплантация c-kit-положительных СКС в область инфаркта сопровождается их приживлением, миграцией, пролиферацией и дифференцировкой, ведущей к улучшению функции сердца [50]. Таким образом, СКС, по крайней мере теоретически, могут найти перспективное применения при лечении заболеваний сердца. Ограничением к их использованию можно считать сложность получения из биопсийного материала в силу крайней немногочисленности.
   Выявление собственного депо СК в сердце открывает новую возможность регенерации поврежденного миокарда за счет его репопуляции вновь образованными КМЦ и сосудистыми структурами [13, 51]. Использование СКС может оказаться эффективнее применения других клеточных типов, поскольку они уже запрограммированы на образование сердечной ткани. Однако область регенеративной кардиологии только начинает развиваться, и клеточная терапия заболеваний сердца должна применяться крайне осторожно до того времени, когда биология СК будет изучена досконально.   

Литература
1. Agah R et al. Adenoviral delivery of E2F-1 directs cell cycle reentry and p53-independent apoptosis in postmitotic adult myocardium in vivo. J Clin Invest 1997; 100: 2722–8.
2. Chien KR, Olson EN. Converging pathways and principles in heart development and disease. Cell 2002; 110: 153–62.
3. MacLellan WR, Schneider MD. Genetic dissection of cardiac growth control athways. Annu Rev Physiol 2000, 62: 289–319.
4. Oh H et al. Cardiac progenitor cells from adult myocardium: homing, differentiation, and fusion after infarction. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100: 12313–8.
5. Anversa P et al. Stem cells, myocardial regeneration and methodological artifacts. Stem Cells 2007; 25: 589–601.
6. Anversa P et al. Myocyte growth and cardiac repair. J Mol Cell Cardiol 2002; 34: 91–105.
7. Kajstura J et al. Myocyte proliferation in end-stage cardiac failure in humans. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 95: 8801–5.
8. Anversa P et al. Hypertensive cardiomyopathy: myocyte nuclei hyperplasia in the mammalian rat heart. J Clin Invest 1990; 85: 994–7.
9. Urbanek K et al. Intense myocyte formation from cardiac stem cells in human cardiac hypertrophy. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100: 10440–5.
10. Beltrami CA et al. Structural basis of end-stage failure in ischemic cardiomyopathy in humans. Circulation 1994; 89: 151–63.
11. Beltrami AP et al. Evidence that human cardiac myocytes divide after myocardial infarction. N Engl J Med 2001; 344: 1750–7.
12. Olivetti G, et al. Aging, cardiac hypertrophy and ischemic cardiomyopathy do not affect the proportion of mononucleated and multinucleated myocytes in the human heart. J Mol Cell Cardiol 1996; l28: 1463–77.
13. Urbanek K et al. Myocardial regeneration by activation of multipotent cardiac stem cells in ischemic heart failure. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 8692–7.
14. Deb A et al. Bone marrow-derived cardiomyocytes are present in adult human heart: a study of gender-mismatched bone marrow transplantation patients. Circulation 2003; 107: 1247–9.
15. Glaser R et al. Smooth muscle cells, but not myocytes, of host origin in transplanted human hearts. Circulation 2002; 106: 17–9.
16. Muller P et al. Cardiomyocytes of noncardiac origin in myocardial biopsies of human transplanted hearts. Circulation 2002; 106: 31–5.
17. Quaini F et al. Chimerism of the transplanted heart. N Engl J Med 2002; 346: 5–15.
18. Thiele J et al. Regeneration of heart muscle tissue: quantification of chimeric cardiomyocytes and endothelial cells following transplantation. Histol Histopathol 2004; 19: 201–9.
19. Thiele J et al. Mixed chimerism of cardiomyocytes and vessels after allogenic bone marrow and stem-cell transplantation in comparison with cardiac allografts. Transplantation 2004; 77: 1902–5.
20. Fukuda K et al. Progress in myocardial regeneration and cell transplantation. Circ J 2005; 69: 1431–46.
21. Meyer GP et al. Stem cell therapy: a new perspective in the treatment of patients with acute myocardial infarction. Eur J Med Res 2006; 11: 439–46.
22. Rosenzweig A. Cardiac cell therapy – mixed results from mixed cells. N Engl J Med 2006; 355: 1274–7.
23. Assmus B et al. Transplantation of progenitor cells and regeneration enhancement in acute myocardial infarction (TOPCARE-AMI). Circulation 2002; 106: 3009–17.
24. Britten MB et al. Infarct remodeling after intracoronary progenitor cell treatment in patients with acute myocardial infarction (TOPCAREAMI): mechanistic insights from serial contrast-enhanced magnetic resonance imaging. Circulation 2003; 108: 2212–8.
25. Fuchs S et al. Catheter-based autologous bone marrow myocardial injection in no-option patients with advanced coronary artery disease: a feasibility study. J Am Coll Cardiol 2003; 41: 1721–4.
26. Galinanes M et al. Autotransplantation of unmanipulated bone marrow into scarred myocardium is safe and enhances cardiac function in humans. Cell Transplant 2004; 13: 7–13.
27. Hamano K et al. Local implantation of autologous bone marrow cells for therapeutic angiogenesis in patients with ischaemic heart disease: clinical trial and preliminary results. Jpn Circ J 2001; 65: 845–7.
28. Li TS et al. The safety and feasibility of the local implantation of autologous bone marrow cells for ischemic heart disease. J Card Surg 2003; 18: S69–75.
29. Perin EC et al. Transendocardial, autologous bone marrow cell transplantation for severe, chronic ischemic heart failure. Circulation 2003; 107: 2294–302.
30. Schachinger V et al. Transplantation of progenitor cells and regeneration enhancement in acute myocardial infarction: final one-year results of the TOPCARE-AMI Trial. J Am Coll Cardiol 2004; 44: 1690–9.
31. Seiler C et al. Promotion of collateral growth by GM-CSF in patients with coronary artery disease: a randomised double blind placebo-controlled study. Circulation 2001; 104: 2012–5.
32. Stamm C et al. Autologous bone marrow stem cell transplantation for myocardial regeneration. Lancet 2003; 361: 45–6.
33. Wollert KC et al. Intracoronary autologous bone-marrow cell transfer after myocardial infarction: the BOOST randomized controlled clinical trial. Lancet 2004; 364: 141–8.
34. Eisenberg LM, Eisenberg CA. Stem cell plasticity, cell fusion, and transdifferentiation. Birth Defects Res C Embryo Today 2003; 69: 209–18.
35. Eisenberg LM, Eisenberg CA. Adult stem cells and their cardiac potential. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol 2004; 276: 103–12.
36. Heil M et al. A different outlook on the role of bone marrow stem cells in vascular growth: bone marrow delivers software not hardware. Circ Res 2004; 94: 573–4.
37. Korbling M, Estrov Z. Adult stem cells and tissue repair. Bone Marrow Transplant 2003; 32: S23–4.
38. Mathur A, Martin JF. Stem cells and repair of the heart. Lancet 2004; 364: 183–92.
39. Angoulvant D et al. Neovascularization derived from cell transplantation in ischemic myocardium. Mol Cell Biochem 2004; 264: 133–42.
40. Behfar A et al. Stem cell differentiation requires a paracrine pathway in the heart. FASEB J 2002; 16: 1558–66.
41. Fernandez-Aviles F et al. Experimental and clinical regenerative capability of human bone marrow cells after myocardial infarction. Circ Res 2004; 95: 742–8.
42. Jackson KA et al. Regeneration of ischemic cardiac muscle and vascular endothelium by adult stem cells. J Clin Invest 2001; 107: 1395–402.
43. Caplan A, Dennis JE. Mesenchymal stem cells as a trophic mediators. J Cell Biochem 2006; 98: 1076–84.
44. Anversa P et al. Primitive cells and tissue regeneration. Circ Res 2003; 92: 579–82.
45. Beltrami AP et al. Adult cardiac stem cells are multipotent and support myocardial regeneration. Cell 2003; 114: 763–76.
46. Chimenti C et al. Senescence and death of primitive cells and myocytes lead to premature cardiac aging and heart failure. Circ Res 2003; 93: 604–13.
47. Nadal-Ginard B et al. A matter of life and death: cardiac myocyte apoptosis and regeneration. J Clin Invest 2003; 111: 1457–9.
48. Campos LS. Neurospheres: insights into neural stem cell biology. J Neurosci Res 2004; 78: 761–9.
49. Van Vliet P et al. Isolation and expansion of resident cardiac progenitor cells. Expert Rev Cardiovasc Ther 2007; 5: 33–43.
50. Dawn B et al. Cardiac stem cells delivered intravascularly traverse the vessel barrier, regenerate infarcted myocardium, and improve cardiac function. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 3766–71.
51. Bearzi C et al. Characterization and growth of human cardiac stem cells. Late-breaking developments in stem cell biology and cardiac growth regulation. Circulation 2005; 111: 1720.