综述：利用干细胞实现心脏再生：细胞来源、分化特征、靶向递送及功能恢复

《Regenerative Therapy》：Engineering cardiac regeneration using stem cells: Cellular sources, differentiation signatures, targeted delivery, and functional recovery

　　索尼娅·古普塔|穆罕默德·法伊亚祖丁|弗琳达·古普塔|拉杰尼·坦瓦尔|普贾·拉尼|韦萨姆·塔赫尔·阿尔马格哈贝|尼尔杰·乔杜里|迪内什·库马尔|托马斯·J·韦伯斯特
斯瓦米·德维·迪亚尔专业学院集团，（戈尔普拉），巴尔瓦拉，潘奇库拉，134118，印度

**摘要**
心血管疾病仍然是全球主要的死亡原因，而成人心脏有限的再生能力继续延缓了功能的恢复，导致心肌损伤。基于干细胞的疗法通过包括心肌分化、旁分泌信号传导、血管生成刺激和免疫调节在内的机制为心脏修复提供了有希望的途径。尽管多能干细胞、间充质干细胞和心脏祖细胞在临床前模型中显示出了显著的效果，但临床转化带来的功能改善有限，主要是由于移植细胞的存活率低、电和结构不成熟、免疫介导的清除以及关于肿瘤形成和心律失常的担忧。治疗效果主要来源于细胞释放的胞外囊泡、分泌的微小RNA、促生存细胞因子和其他生物活性物质。直接替换心肌细胞具有挑战性，因为宿主组织环境限制了外源细胞的接受和稳定整合。新型工程心脏贴片、生物材料辅助的细胞递送、基因编辑的祖细胞移植、外泌体疗法和无细胞疗法正在提高安全性、细胞移植的合理性以及组织靶向的精确度。尽管有这些生物技术的进步，恢复永久性、具有临床意义的心脏功能仍面临重大障碍。如果将再生生物学、生物材料工程和免疫调节的综合方法结合使用，再生干细胞和无细胞技术将具有最大的潜力来实现心肌修复。

**1. 引言**
成年哺乳动物的心脏具有极其有限的内在再生能力。早期的假设提出了存在能够再生心肌的“心脏干细胞”；然而，当前的证据表明这些细胞对心肌细胞替代的贡献很小[1]。因此，目前的再生策略侧重于多能干细胞衍生的心肌细胞、心脏祖细胞、工程组织以及旁分泌机制，而不是内源性心脏干细胞介导的再生[1]。早期的临床前证据表明，移植细胞可能分化为心肌细胞并重构心肌。然而，尽管多年来有强有力的实验结果，临床转化仅带来了显著且通常是暂时的心脏功能改善，大多数试验报告称左心室射血分数的改善不到25-50%[2]。这些微弱的发现表明生物学可能性与临床实践之间存在绝望的差异，并挑战了直接替换心肌细胞的原始范式[3]。
现在越来越清楚的是，许多干细胞疗法的治疗效果并非通过长期植入或心肌再生实现，而是通过间接的旁分泌和免疫调节作用[4]。移植细胞的存活不稳定、移植心肌细胞的电和结构不成熟、免疫介导的清除以及心律失常风险和肿瘤形成限制了其长期的功能整合[5]。此外，这些差异是由细胞来源的不同、制造标准以及提供给体的不同所导致的，从而产生了不同且不可重复的临床结果[6]。因此，该领域在细胞替代疗法方面不再那么简单，而是更加技术化，包括工程组织构建、生物材料辅助的递送、基因编辑的祖细胞和无细胞外泌体疗法，这些方法可能更安全、更具体且可扩展[7]。
干细胞心脏再生转化中存在的这些问题足以引发批判性重新思考。本文不仅仅提供了另一个描述性的概述，而是对主要干细胞群体的比较优缺点进行了控制性评估，对重要临床试验的结果进行了定量分析，并讨论了治疗失败涉及的机制因素。本文整合了生物学知识、临床事实和创新生物工程干预措施，讨论了实现实质性心肌修复的最可能方法，并为下一代再生心脏病学的发展提供了路线图。

**2. 用于心脏再生的干细胞类型**
修复和替换受损的心脏组织一直是研究的重点。随着新的心脏组织修复技术和新治疗方法的开发，这一研究领域受到了更多关注，因为心脏是人体最重要的器官之一，对整体健康有着巨大影响。使用多种方法帮助细胞移植和组织恢复，细胞可以修复心脏组织。每种方法都有很大的潜力协助心脏修复和组织恢复[8]。关于心脏组织和干细胞治疗的治疗潜力几乎没有相关研究。早期的细胞群体（如c-kit+和Sca-1+细胞）曾被认为是心脏干细胞；然而，谱系追踪研究表明，这些细胞对新心肌细胞的形成贡献微乎其微。现在人们认识到，它们的治疗相关性主要来自于旁分泌信号传导和血管支持，而不是直接的心肌再生（见表1）。心脏再生是复杂且高度多样的，因为它依赖于心脏组织死亡和再生以及修复心脏组织内细胞的能力。细胞再生也发生在心脏组织本身。其他干细胞可以在死亡的同时再生心脏组织以修复损伤并构建细胞。该疗法主要集中在治疗由细胞损伤和心脏退化引起的心血管疾病上。图1展示了干细胞疗法如何用于修复此类损伤并帮助愈合受损的心脏[9,10]。

**表1. 心肌细胞分化阶段和分子标记**
| 分化阶段 | 细胞类型 | 关键标记 | 功能/作用 | 参考文献 |
|------------|----------|-----------|--------------|-----------------|
| 多能阶段 | ES/iPS细胞 | OCT4, NANOG, SOX2 | 维持多能性和自我更新 | [11] |
| 胚胎发生/中胚层形成 | 中胚层细胞 | Brachyury T, MIXL1 | 指定中胚层谱系，早期胚层形成 | [12] |
| 心脏中胚层commitment | 心脏中胚层细胞 | MESP1/2, Flk-1 | 启动心脏谱系指定，心脏祖细胞前体 | [13] |
| 心脏祖细胞阶段 | 心脏祖细胞 | NKX2.5, GATA4, TBX5, MEF2C | 定义早期心脏身份，调节心脏转录网络 | [14] |
| 早期心肌细胞阶段 | 不成熟的心肌细胞 | NKX2.5, MYH | 开始肌节形成，启动收缩机制 | [15] |
| 晚期心肌细胞阶段 | 成熟的心肌细胞 | cTnT, α-Actin, MLC2a, MLC2v, SCN5A, CACNA, IRX4 | 功能成熟，包括电传导、收缩性和钙信号传导 | [16] |

**图1. 成年心脏中参与心脏修复的内源性机制示意图。** 成熟的心肌细胞具有极有限的再生能力，在特定条件下只有罕见的细胞分裂和部分去分化。现在认为，假定的成年心脏祖细胞亚群（如c-kit+, Sca-1+和ABCG1+）主要通过旁分泌信号传导、血管生成支持和心脏微环境的调节来发挥作用，而不是大量新心肌细胞的生成。该图总结了这些支持性和调节过程在心脏修复中的作用。

**2.1. 胚胎干细胞**
胚胎干细胞（ESCs）是任何生命形式的起点，它们是由囊胚的内细胞团形成的特化细胞，具有发育成人体内任何细胞的能力，包括心脏中的细胞。在修复受损心脏组织（如心肌梗死）的情况下，它们可以转化为心肌细胞、内皮细胞和平滑肌细胞等对完全功能的心脏组织至关重要的细胞[17]。通过使用特定的生长刺激因子和信号传导，它们可以指导分化为特定细胞。在这种情况下产生的干细胞可以有节奏地收缩，并与心脏内处于自然发育阶段的细胞整合[18]。然而，在临床实践中，由于使用胚胎的伦理问题，胚胎干细胞的使用受到严格限制。如果胚胎干细胞没有植入体内，还可能存在干细胞死亡的伦理问题。使用这些细胞有助于推进干细胞技术、免疫匹配和基因编辑技术。在其他情况下，这些内细胞对于创建支持这些组织的模型非常有价值。尽管胚胎干细胞的临床应用仍处于早期阶段，但它们仍然是寻找心脏病解决方案的关键研究基础[20]（见图3）。

**图2. 胚胎干细胞（ESCs）的多能性和分化能力。** ESCs来自囊胚阶段的内细胞团（ICM）。它们可以发育成三个胚层：外胚层（后来形成大脑、皮肤和眼睛）、内胚层（形成肺、肝脏和肠道）和中胚层（形成骨骼、血液和肌肉）。ESC在体外使用特定方案进行分化，形成模拟早期胚胎发生的胚胎样体。它们也可以在体内植入，帮助组织再生。尽管如此，在极少数情况下，它们可能会发展成包含所有三个胚层组织的复杂肿瘤——畸胎瘤。ESC还可以帮助修复器官，尽管它们可能会失去调控并带来如畸胎瘤等风险[19]。

**图3. 人类多能干细胞衍生的心肌细胞（hPSC-CMs）在心脏研究和组织工程中的用途。** 将干细胞与hPSC-CMs共培养的模型用于研究心肌组织和功能。3D心脏类器官和微流控系统（心脏芯片）可以实现组织的3D建模，可用于药物筛选和疾病建模。hPSC-CMs有助于理解心脏组织力学和疾病建模，并改善潜在疗法的测试。

**2.2. 成体干细胞**
用于心脏修复的成体干细胞（SSCs）通过分化和旁分泌机制逐渐再生受损的心肌[21]。成体干细胞通过分化和旁分泌机制修复和组织器官，例如心脏、骨骼和脂肪中的干细胞，以及心脏和血液系统中的干细胞，包括c-kit+和Sca-1+干细胞[22]。它们主要通过旁分泌血管生成、抗炎和抗纤维化因子来调节局部微环境，而不是通过直接的心肌细胞分化[23]。虽然成体干细胞的分化能力比胚胎干细胞有限，但它们在伦理问题上具有更多优势，且形成肿瘤的风险较低，因此更具临床应用价值[24]。此外，从接受治疗的患者身上获取成体干细胞可以降低免疫排斥的风险。在临床试验中使用的几种成体干细胞中，间充质干细胞（MSCs）和心脏祖细胞能够改善心肌梗死患者的心脏功能并减少心脏瘢痕形成，尽管临床结果并不一致[25]。目前的努力旨在结合再生医学、基因工程和其他治疗干预措施，以改善患者的心脏干细胞功能，从而实现更一致和有效的心肌组织修复结果。

**2.3. 诱导多能干细胞**
诱导多能干细胞（iPSCs）已成为心脏再生的变革性细胞，因为它们具有类似于胚胎干细胞的潜力，但没有胚胎干细胞本身带来的伦理挑战。iPSCs是通过引入特定的转录因子（如Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc）将成体体细胞（如皮肤成纤维细胞或血细胞）重编程为多能状态而形成的[4]。因此，这些细胞有可能通过分化为心肌细胞、内皮细胞和其他心血管细胞来修复心脏。在 zahlreichen临床前模型中，iPSC衍生的心肌细胞已被证明可以有节奏地收缩，整合到宿主组织中，并恢复心脏功能。iPSC的一个显著优势是自体细胞疗法的可能性，即从患者自身获取治疗细胞，从而避免免疫排斥。此外，iPSC在疾病建模、药物测试和心脏疾病的遗传基础分析方面具有巨大潜力。多能干细胞的使用有利于改进临床前和转化心脏医学、心脏研究以及基因靶向疗法[24]。分化后的iPSCs被诱导为心肌细胞，随后用于药物筛选和基于细胞疗法的心脏再生医学方法中。细胞重编程过程在基因上是不稳定的，细胞可能无法完全分化，导致不受控制的增殖和肿瘤形成。例如，人们一直在努力改进重编程过程以及心肌细胞分化的安全性和有效性、细胞纯度、心肌细胞存活率和植入能力。患有心血管疾病的患者可以安全地接受细胞治疗，并使用iPSCs作为治疗方法[26]。

2.4. 间充质干细胞
由于间充质干细胞（MSCs）具有分化成多种细胞类型的能力以及其显著的旁分泌效应，因此具有治疗前景。特别是成体干细胞被广泛用于心脏再生[27]。MSCs最常见的来源包括骨髓、脂肪组织、脐带和其他间充质组织。研究表明，MSCs在心肌损伤后具有增强心脏功能的潜力[28]。尽管MSCs在分化为心肌细胞方面的能力有限，但它们通过分泌生物活性分子来支持心脏修复，这些分子有助于促进血管生成、减少炎症并防止纤维化，同时维持原有心脏细胞的存活。这些旁分泌机制能够改善组织修复环境并促进功能恢复[29]。由于MSCs能够调节免疫反应，因此可以在同种异体移植中使用，且排斥风险较低。MSCs在临床试验中的应用已经改善了左心室功能，减少了心脏组织瘢痕形成，并提高了缺血性心脏病和心力衰竭患者的生活质量。MSCs具有较低的免疫原性、易于回收且安全性高，这也是它们成为再生心脏病学研究热点之一的原因[30]。目前，研究人员正在通过基因修饰、预处理方法以及与生物材料的协同作用来提高其效果，以促进其在受损心肌中的持续释放和保留，如图5所示。

图5. 间充质干细胞（MSCs）的分化潜力。MSCs具有自我更新能力，并能分化为多种细胞谱系，包括心肌细胞、脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞甚至神经元。这种多向分化能力使MSCs在再生医学和组织工程中具有极高的价值。

2.5. 心脏祖细胞
历史上认为，通过c-kit和Sca-1等标志物鉴定的心脏祖细胞（CPCs）可以再生心肌。然而，现有证据表明，它们对心肌细胞形成的贡献很小，临床观察到的益处主要归因于旁分泌效应和重塑作用。CPCs存在于成年心肌的特定区域，其特征为表面标志物c-kit+、Sca-1+和Isl 1[31,32]。CPCs不仅通过自身分化，还通过释放促进新血管生成、抑制细胞凋亡和损伤后组织重塑的旁分泌信号来帮助心脏修复[27]。与胚胎或多能干细胞不同，CPCs已经具有一定程度的心脏细胞分化方向，这降低了肿瘤形成的风险，并提高了细胞融入剩余心脏组织的可能性。SCIPIO和CADUCEUS临床试验评估了CPCs的潜力，并发现它们可以减小梗死面积并改善心脏病患者的心脏功能[33,34]。尽管存在一些挑战，如CPCs数量有限、患者年龄较大或疾病导致的再生能力下降以及移植后细胞存活问题，但这些挑战仍然属于心脏干细胞在心脏再生领域的范畴，如表2所示。尽管存在这些挑战，CPCs仍是修复受损心肌的理想候选细胞来源，如图6所示。

表2. 心脏干细胞在心脏再生中的应用
- **干细胞类型** | **在心脏治疗中的应用** | **作用机制** | **示例/临床研究**
- ----------------------------- | ----------------------- | -------------------------------------- | --------------------------- |
| **胚胎干细胞（ESCs）** | - 损伤心肌的再生 - 替换心肌细胞 | 分化为功能性心肌细胞 | Geron公司研究（临床前模型）[35] |
| **成体干细胞（ASCs）** | - 心肌梗死（MI）恢复 - 减小梗死面积 | 旁分泌信号传导，有限的分化 | REPAIR-AMI试验（心肌梗死后使用骨髓细胞）[36] |
| **间充质干细胞（MSCs）** | - 减轻纤维化 - 增强新血管生成 | 免疫调节，分泌旁分泌因子 | POSIDON试验：用于缺血性心肌病的异体MSCs [37] |
| **诱导多能干细胞（iPSCs）** | - 个性化心脏病治疗 - 用于移植的心肌细胞制备 | 体细胞重编程为心肌细胞 | 山中伸弥的iPSC衍生心脏补片（日本，2020年试验）[38] |
| **心脏祖细胞（CPCs）** | - 心肌修复 - 内源性激活心脏修复通路 | 在心脏内的多向分化 | SCIPIO试验：冠状动脉旁路手术后使用CPCs [39] |
| **骨骼肌祖细胞** | - 心肌梗死后强化心肌 | 整合到心肌中并提供收缩支持 | MAGIC试验（缺血性心力衰竭中的肌祖细胞植入）[4] |
| **脐带干细胞** | - 儿科心脏修复 - 先天性心脏病干预 | 旁分泌效应，促进血管生成 | 用于先天性左心综合征的临床前模型 [40] |
| **脂肪源性干细胞** | - 心力衰竭治疗 - 心室重塑 | 抗炎、抗凋亡和促进血管生成 | PRECISE试验（慢性缺血性心脏病中的脂肪源性干细胞）[41] |

图6. 骨髓来源的间充质干细胞（MSCs）的衍生、扩增和嵌合潜力。从成人骨髓中分离出的MSCs在体外扩增和分化。多能成体祖细胞（MAPCs）可以作为标记物（如β-半乳糖苷酶）注入早期（3-5天大的）囊胚中。植入后，这些细胞可分布在多个器官中，包括大脑、视网膜、肺、心肌、骨骼肌、肝脏、肠道、肾脏、脾脏和血液，展现了它们的多向分化和在发育研究中的作用。

尽管对不同干细胞群在心脏再生中的表现进行了研究，但它们之间的治疗效果仍存在差异[42]。来自ESCs和iPSCs的心肌细胞在分化为心肌细胞方面表现最突出，但同时也面临着最大的肿瘤生成风险、电成熟度低和心律失常等问题[43]。像MSCs一样，成体干细胞也表现出旁分泌效应和独特的益处，但在分化为心肌细胞方面存在不足，在多项临床试验中仅能轻微且短暂地提高左心室射血分数（2-5%）[44]。SCIPIO和CADUCEUS中的CPC基治疗取得了良好开端，但在细胞类型和临床益处方面仍存在争议。这些矛盾的结果提示需要开发实用的细胞分离技术、明确的谱系追踪方法以及一致的结果来重现临床效果[42]。

3. 干细胞介导的心脏修复机制
心脏研究重点关注心脏修复的潜在机制。首先必须明确心肌细胞的功能需求，以评估这些特性的缺失是否排除了将这些细胞作为直接修复来源的可能性。从iPSCs或胚胎干细胞衍生的心肌细胞在体外分析时缺乏电耦合性。电生理参数表明这些细胞处于不成熟状态。机械刺激可以改善这些参数。从移植过程中获取的人类心脏标本中分离出了驻留心脏祖细胞，证实了它们在成年心脏中的存在[45]。心脏中还存在其他具有类似功能的细胞，如心外膜来源的细胞。分离出的细胞可以分化为心肌细胞、内皮细胞和心脏纤维细胞。这些祖细胞的存在表明，心脏中的微损伤是一个持续存在的缺陷，需要在整个成年过程中不断补充新的心肌细胞[46,47]。驻留心脏祖细胞具有旁分泌信号传导能力，它们释放含有成纤维细胞生长因子、Wnt和microRNA的微囊泡。这些微囊泡可以通过Wnt信号传导影响邻近的非增殖性心肌细胞，促进其增殖或参与细胞外基质重塑，进而影响结构重构。它们还被证明可以促进血管生成并抑制心肌细胞死亡。调节心肌细胞可塑性的能力促使人们研究调控心肌细胞增殖的因素。对细胞损伤的反应减弱可能是由于多种因素共同作用的结果，包括生长因子不足和细胞周期抑制物的存在。从94岁患者分离出的细胞在暴露于这些因子后表现出更强的增殖能力。此外，这些细胞释放的物质似乎对旁分泌信号传导有积极作用，如图7所示[48,49]。

图7. 心脏再生和修复策略。心脏细胞疗法包括移植多种类型的干细胞，如成体心脏干细胞、间充质干细胞以及从胚胎干细胞（ES）或诱导多能干细胞（iPSCs）衍生的心肌细胞。同时，某些转录因子（如GATA4、HAND2、MEF2C和TBX5）可以直接诱导成纤维细胞向类似心肌细胞的转化。此外，Cyclin A2、CDK抑制剂（CDKI）、心肌细胞招募、去分化以及特定microRNA（如miR-29、30、141、195、199a-3p）等机制也可以增强心肌细胞增殖。最新研究表明，大多数临床测试的干细胞类型的主要益处是通过旁分泌信号传导实现的，而非直接替代心肌细胞[50]。分泌的EVs、miRNAs（miR-21、miR-146a）和促血管生成细胞因子（VEGF、HGF）可以调节炎症、促进纤维细胞重塑和新生血管生成。这种机制转变表明，干细胞疗法可能更多地起到免疫调节和微环境改良的作用，而不是单纯的再生替代策略[51]。

3.1. 细胞替代疗法
本节特别关注直接细胞替代概念，不同于下面讨论的旁分泌和免疫调节机制。数十年来，医疗技术的进步显著改善了心脏病的治疗。然而，当外科血管重建或药物治疗失败时，心脏移植仍然是唯一的选择。心脏移植的主要限制在于供体的可用性[52]。因此，人们开发了各种替代疗法，如诱导多能性，以治疗和修复心脏损伤。基于模仿自然发育过程的思路，提出了细胞替代疗法[53]。科学家们假设将非胚胎干细胞移植到梗死或患病的心脏中，可以通过替换丢失的心肌细胞来恢复心脏功能。胚胎干细胞具有多能性，可以分化为任何细胞谱系，因此是心脏修复治疗的理想候选者；然而，其伦理、免疫和肿瘤生成方面的考虑限制了其临床应用。来自非胚胎组织（如脐带血或牙髓）的成体干细胞，以及从骨髓中分离出的生殖干细胞，可能克服这些限制。然而，这些干细胞的再生能力通常有限[54,55]。

引入具有Oct4基因敲低的小鼠、从植入前囊胚的内细胞团中分离出的细胞，以及通过短暂表达少数转录因子在体细胞中诱导多能性的技术，标志着诱导多能干细胞的发现。结合体外无限增殖能力、生成患者特异性干细胞系（包括心肌细胞的能力、在心力衰竭后恢复心肌细胞损失的能力，以及通过移植具有改变钠或钾通道的基因改造iPS细胞-derived心肌细胞来改变病变心脏的电生理特性，iPS细胞成为治疗心血管疾病的优秀候选资源。因此，由于其再生能力，干细胞是未来基于细胞的治疗策略中的独特工具[56,57]。

3.2. 旁分泌信号传导
与替代疗法不同，本节讨论旁分泌信号传导作为主要的治疗机制。正如最初提出的那样，干细胞在心脏微环境中的潜在益处主要通过旁分泌信号传导实现，即干细胞分泌物质影响周围细胞并促进其修复活动。已经广泛研究了能够缓解心脏损伤、促进血管生成和动脉生成、防止细胞凋亡以及增强心肌细胞或血管修复和重塑的假想干细胞因子，包括细胞因子、生长因子、趋化因子和microRNA。然而，它们的确切组成和时空释放模式尚未明确，需要进一步详细表征旁分泌特异性分泌组[58]。除了心脏保护性分泌组外，干细胞引起的不良影响（也称为“副作用”）也被忽视了。实际上，这一过程可能会导致肌纤维母细胞生成因子、ECM成分和ECM重塑因子的合成，从而启动和协调后续的重塑事件，包括纤维化、心室扩张和不良电生理活动。这可能会在修复后期导致收缩力的丧失。此外，只有少数研究展示了能够更好地调节旁分泌信号传导的因素，以减少不良活动或增强有益效果，例如使用化学化合物或调节成熟心肌细胞或成纤维细胞中这一途径的化合物[59]。应当注意的是，根据局部微环境的不同，干细胞可以适应并在“治疗性”和“有害”表型之间切换，这可能也涉及心脏修复过程中的连续阶段。越来越多的实验证据表明，激活干细胞的旁分泌活性是一种替代且可能更优的治疗方法。然而，对促进分泌的干细胞来源因子的操控仍然有限，开发用于释放这些因子的仿生生物工程递送系统似乎是一个有吸引力的解决方案[60]。

3.3. 组织再生与重塑
研究表明，干细胞及其衍生物可以植入供体组织中，并通过与宿主组织结构对齐的功能性组织结构来诱导组织重塑。实验发现，作为细胞簇植入冰冻损伤大鼠心脏中的胚胎干细胞来源的心肌细胞（CMs）能够长期存活，并与受体心肌细胞发生电耦合，形成的组织结构在结构和功能上比未植入细胞簇的心脏更正常。当使用人类胚胎干细胞来源的心肌细胞（hESC-CM） patches覆盖大鼠的心肌梗死区时，即使这些 patches 与心肌细胞没有发生电耦合，也观察到了类似的结构和功能改善，这表明直接的电耦合对于成功的组织重塑并非必需。hESC-CM patches 还被证明比骨骼肌或成纤维细胞 patches 更能长期存活并更有效地进行重塑[61,62]。在心肌梗死的小鼠模型中，无论是由 ESCs 还是 iPSCs 衍生的 CMs，都显示出比支持细胞更强的短期重塑效果，部分原因在于它们的旁分泌活性，但缺乏支持长期重塑的体内耦合和组织成熟过程。在猪的心肌梗死模型中，无论是 ESCs 还是 iPSCs 衍生的 CMs，都在重塑和心脏功能方面显示出更大的长期益处。尽管这些差异归因于植入的人类多能干细胞系产生的细胞数量更多，但生理和生化上的改善也与心肌细胞之间的耦合同样相关[53,63]。

3.4. 免疫调节
免疫反应在组织修复和损伤后恢复稳态中起着关键作用，尤其是在心脏中。根据诱导的免疫反应的持续时间和类型，免疫系统既可能起到保护作用，也可能产生负面影响。在急性期，促炎细胞因子和趋化因子会招募中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞到损伤部位[64]。这种急性炎症反应为驻留和浸润的细胞类型创造了有害的微环境，主要通过诱导氧化应激和释放细胞毒性细胞因子来实现。在吞噬坏死组织后，巨噬细胞会从促炎型 M1 表型转变为抗炎型 M2 表型，从而分泌细胞因子、修复蛋白酶，并分泌促进新血管生成和上皮及成纤维细胞瘢痕形成的因子。巨噬细胞与暂时浸润的淋巴细胞一起，在修复过程的亚急性和慢性阶段提供保护和促进愈合的作用[65]。目前，对于激活的巨噬细胞的存在有不同的解释，因为在持续性的病理免疫反应中，交替激活的 M2 巨噬细胞可能会分泌高水平的基质金属蛋白酶，导致心脏坏死病变加重和纤维化增加。由于免疫反应在心脏修复中的双重作用，目前正在进行研究以探索不同的治疗方法，如使用单克隆抗体进行免疫调节、针对炎症的纳米载体以及旨在促进抗炎表型并维持其活性以促进心脏修复的再生疗法。干细胞疗法作为心脏修复的新方法，其潜力远不止于通过旁分泌因子释放引起的最初的血管生成/破坏效应，因为心脏修复是一个复杂的过程，还受益于调节宿主免疫反应[66]。从心肌梗死后免疫调节的角度来看，来自供体干细胞和旁分泌因子的免疫抑制作用也是有益的。这些细胞和因子能够促进局部免疫耐受的微环境，从而降低炎症反应，避免慢性炎症阶段并改善心脏修复[67]。

4. 干细胞的递送方法
已经评估了多种将干细胞注入心肌的递送方式。这些递送方法与特定干细胞群体的细胞特性和所需的临床应用密切相关。不同的技术可能会带来优势或风险，影响干细胞的治疗潜力，最终影响心脏功能的成功恢复。

4.1. 静脉给药
作为最简单和最常用的递送方式，趋化因子 SDF-1 可以通过精确的梯度迅速定位到心肌的缺血区域。这种归巢效应和功能由内在和外在机制共同驱动，但可能受到干细胞本身的物理特性以及心血管疾病（CVD）的基础病理的影响。还存在栓塞进入肺部微血管的可能性；相反，非侵入性方法具有优势，因为它可以根据心脏功能和稳态进行优化。当多次给药（有限制的情况下）时，感染风险也会降低，成本也更低[68,69]。

4.2. 冠状动脉内注射
将干细胞直接注入心脏的缺血区域相比传统的静脉注射，可以更集中地递送干细胞，并且可以在注射前体外测试干细胞的特性。考虑到伦理问题和之前的样本位置，这种注射方式通常需要开胸手术。几年后，临床医生才能将干细胞通过冠状动脉内注射给冠心病（CAD）患者，从而改善左心室射血分数（LVEF）。实际操作方法和技术难度可能导致逆流进入主动脉的风险增加，从而增加引发心律失常的风险[70]。

4.3. 冠状动脉内注射
除了全身性方法外，还开发了一种冠状动脉选择性方法。通过导管直接将细胞注入梗死区域是最直接和简单的递送方式[71]。该方法可以在冠状动脉造影期间或之后快速进行，主要优势在于不仅能够影响梗死相关的动脉，还能影响可行的侧支供应通道，确保坏死区域获得足够的血液供应。这项技术的主要缺点是难以在细胞注入的冠状动脉分支所供应的区域实现选择性血流。这包括梗死后立即进行的注射以及事件发生后的几天到几周内[72]。在动物和人类中使用预处理或后处理技术已经创造了可重复的条件，防止或最小化细胞从目标区域的流失。有助于选择性积累的材料包括腺苷及其衍生物、中等剂量下的缺氧敏感剂、环氧化酶-2 抑制剂以及 d-α-生育酚聚乙二醇 1000 琥珀酸酯。单独使用这些化合物或组合使用可以提高动物研究中干细胞治疗的效率。然而，细胞保留率平均仅为约30-50%，不同细胞类型之间没有差异[73]。人类研究表明，冠状动脉内注射能够恢复心肌结构和功能，但仅限于事件发生后不久接受治疗的患者组，重复的冠状动脉造影显示几个月后重新灌注的动脉不再通畅。影响冠状动脉内注射效果的因素包括从缺血发作到治疗的延迟、合并症（包括糖尿病、肾病和左心室功能受损）。尽管存在这些不利因素，但仍有一些对心肌功能的积极影响。显然，如果定期将细胞注入动脉，细胞治疗在数月后仍能观察到梗死愈合[74]。

4.4. 直接心肌注射
直接心肌注射是最早在临床前研究和心脏干细胞再生临床试验中探索的递送方式之一。其最早的应用是注射骨骼肌卫星细胞作为肌营养不良症和心肌病的潜在细胞疗法[70]。在一个心脏模型中，首次报告了将骨髓来源的干细胞直接注射到体内的梗死部位。虽然这项研究并非针对心脏设计，但随后的反馈表明直接心肌注射是必要的，这一点已在利用多种成人、胚胎和多能干细胞类型及动物模型的众多研究中得到验证[75]。尽管这种方法存在固有的局限性，特别是在与其他方法相比的有效性方面，但直接心肌注射可能在将多能干细胞衍生的心脏细胞类型从早期原理验证实验过渡到临床应用方面发挥重要作用。此外，对于使用多能干细胞衍生的心脏细胞类型，直接心肌注射很可能仍然是早期临床试验的核心策略，因为这些细胞会在植入梗死心肌组织之前预加载到可生物降解的水凝胶中[76,77]。这种“部署后即可忘记”的方法被认为是最少的并发症风险，并且遵循了冠状动脉旁路移植手术的成熟临床先例。

4.5. 基于支架的递送
可生物降解的支架能够在愈合部位快速稳定地保留干细胞，提供有利的微环境，并长时间持续释放生物活性分子，被视为针刺注射干细胞的替代方案。支架作为平台支持三维细胞递送，而不是通过注射技术实现的二维细胞扩散[78]。使用具有适当机械特性的细胞或蛋白种子多孔支架，无论是放置在心外膜表面还是损伤部位内部，都可以结合三维细胞加载的优势，同时减少针刺注射细胞递送的材料效应。认为减少支架柱的重量并确保支架柱植入具有适当的机械性能对于实现最佳的支架植入非常重要，而不会产生显著的生物力学后果。在生物降解材料植入心脏腔隙后的组织肿胀可能会导致长期局部机械卸载引起的副作用[79]。此外，心脏细胞片可以整合到可生物降解的导管或其他可生物降解的自然结构中，以增强导管内的心肌愈合，而不会在血管愈合后产生长期或中期的支架副作用。然而，能够高度保留干细胞并提供长期结构支持的可生物降解支架尚未在临床上得到验证。适当的实验设计下，这样的干细胞-胶原蛋白支架结构可能会显著改善射血分数。然而，这些发现需要在更大的样本量和长期时间内得到验证。鉴于当前心脏再生医学的一个挑战是开发基于证据的治疗标准，我们认为加载有基质信号的细胞基结构可能代表了这一领域的有前景的替代策略[80]。

5. 基于干细胞和祖细胞的 cardiac 疗法的应用
干细胞/祖细胞在治疗曾经被认为不可逆的心脏疾病方面具有巨大潜力。这些应用包括再生修复、免疫调节和疾病建模，如表3所示，临床结果见表4。

表3. 心脏干细胞在心脏再生中的应用
干细胞类型 | 应用 | 作用机制 | 关键发现 | 参考文献
--- | --- | --- | --- | --- |
| 心脏祖细胞（CPCs） | 心肌梗死后修复 | 分化为心肌细胞，分泌生长因子 | 临床试验证明改善射血分数并减少梗死面积 [39] |
| 中间干细胞（MSCs） | 血管生成和减少纤维化 | 分泌 VEGF、HGF；旁分泌信号传导 | 促进新血管生成并减少心肌纤维化 [90] |
| 诱导多能干细胞（iPSCs） | 个性化心肌细胞生成 | 重编程体细胞；体外分化 | 可用于疾病建模和低免疫排斥的细胞疗法 [91] |
| 胚胎干细胞（ESCs） | 心肌细胞再生 | 多能分化为心脏细胞 | 产生功能性心肌细胞；受伦理限制 [92] |
| 内皮祖细胞（EPCs） | 血管再生 | 促进内皮修复和新血管生成 | 改善缺血心肌的血流和毛细血管密度 [93] |
| 同种干细胞（例如，来自供体的 MSCs） | 现成疗法 | 免疫调节和旁分泌效应 | 安全有效，免疫反应轻微 [94] |

表4.基于干细胞/祖细胞的心脏疗法的定量临床结果和比较有效性

| 试验 | 细胞类型/方法 | 输送途径 | 结构结果 | 功能结果（LVEF） | 其他发现 | 关键限制/解释 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| REPAIR-AMI | 骨髓单核细胞（BMMNCs） | 冠状动脉内 | 有利的室重塑 | 4个月时增加2.5–3.0%；长期随访后益处减少 | 安全；没有增加MACE | [96] |
| SCIPIO | oc-kit+心脏祖细胞（CPCs） | 冠状动脉内 | 心肌梗死大小降低约30% | 初始增加8–12% | 报告了安全性 | 可重复性和数据真实性存在问题；解释需谨慎 | [97] |
| CADUCEUS | 心脏球状细胞 | 冠状动脉内 | 瘢痕组织减少20–24%；存活心肌增加13–18% | 无显著变化 | 证明了解剖结构修复 | [98] |
| POSEIDON | 自体与异体MSCs | 经心壁 | 收缩末期容积适度减少 | 1–2% | 症状缓解；安全 | 尽管有重塑但功能收益非常有限 | [99] |
| 多项试验 | 各种干细胞/祖细胞 | 冠状动脉内/经心壁 | 一致的结构重塑证据 | 改善小且多变，通常是暂时的 | 生存率和MACE与对照组相当（安全性已确定） | 好处主要归因于旁分泌效应而非心肌细胞替代 | [[96], [97], [98] |

5.1. 心肌梗死（心脏病发作）修复
心脏病发作后，由于缺氧，大量心脏组织可能会受损或死亡（见表4）。干细胞/祖细胞可以分化为功能性心肌细胞，帮助替换死亡的心肌组织，减少梗死面积，并促进新血管的形成（血管生成）。这不仅提高了心脏的泵血效率，还防止了心脏的进一步重塑，如图8所示[81]。
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图8. 心肌梗死进展和Urocortin-2（Ucn-2）的保护作用。
顶部面板：冠状动脉阻塞导致心肌梗死的示意图，以及随时间变化的梗死心肌组织的历史阶段。在0–12小时内，出现波状、拉伸的心肌细胞，伴随早期坏死。12至72小时之间，中性粒细胞浸润增加，坏死变化达到峰值。1–3周后，坏死心肌细胞分解，形成肉芽组织。1个月后，纤维化疤痕替代了受损的心肌。
底部面板：Ucn-2在大鼠缺血-再灌注（I/R）模型中提供心脏保护。未经治疗的I/R损伤中，观察到钙毒性和通过Orai1和TRPC5增加的储存操作性Ca2+进入。相比之下，Ucn-2的给药减少了钙过载和Orai1/TRPC5的表达，从而限制了心肌损伤并改善了恢复。

5.2. 心力衰竭治疗
在慢性心力衰竭患者中，心脏干细胞已被证明可以通过再生心脏组织和调节局部环境来减少炎症和纤维化，从而改善左心室射血分数。这为使用药物或机械设备的症状管理提供了一种长期替代方案[82]。

5.3. 心脏组织工程
干细胞/祖细胞被用于生物工程3D心脏组织和补片，这些组织和补片可以移植以修复大面积受损的心肌。这些组织结构模拟了天然心脏功能，并提供结构和功能支持，特别是在晚期心肌病中，如图9所示[83]。
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图9. 组织工程的三个核心组成部分：（1）细胞，包括原代细胞、诱导多能干细胞（iPSCs）和干细胞；（2）生物材料及支架，如去细胞化器官、水凝胶和支架；（3）调节信号，包括纳米颗粒、生长因子和转录因子。这些组成部分协同作用，促进组织再生和功能性组织构建。

5.4. 个性化药物测试和疾病建模
研究人员能够生成特定于患者的细胞来体外模拟心脏病，并通过将患者来源的细胞重新编程为诱导多能干细胞（iPSCs）来完成个体化的药物筛选。这使得在更细胞水平的背景下理解心脏病成为可能[84]。

5.5. 儿科心脏再生
再生性干细胞/祖细胞疗法可以改善先天性心脏病儿童和与心肌病相关的心脏病儿童的外科修复和生活质量。这种疗法对儿童尤其有益，因为他们正在成长的心脏更有可能对治疗的再生信号作出反应[85,86]。

5.6. 最小侵入性再生疗法
干细胞可以通过导管注射直接输送到损伤区域。这是一种比开胸手术更快、风险更低的替代方法，非常适合老年患者或高风险患者[87]。

5.7. 免疫和旁分泌效应
除了替代细胞外，干细胞/祖细胞还能向周围细胞发送生长因子和细胞因子，通过改变免疫系统和减少氧化应激来促进心脏的修复过程[88]。

5.8. HIV相关心脏损伤的修复
尽管干细胞/祖细胞无法治疗HIV，但它们修复心脏组织的能力也可以控制HIV引起的炎症以及由此导致的心肌病或抗逆转录病毒治疗（ART）的毒性损伤，从而改善心脏的健康状况，如图10所示[89]。
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图10. 一种应用干细胞疗法治疗HIV/AIDS的方法。该方法首先使用化疗和/或放疗技术消除感染HIV的免疫细胞。随后，输送由单倍相同成人供体和HIV-1突变保护性脐带细胞组成的干细胞移植物。这样可以创建一个对HIV具有抵抗力的免疫系统，使其不再能够复制。

6. 干细胞疗法在心脏再生中的挑战
传统的受损心脏组织治疗方法，如植入设备、外科血管重建手术和心脏移植，虽然可以提供生存益处，但并不能完全恢复功能[95]。尽管干细胞疗法在心脏再生和修复方面具有巨大潜力，但仍面临多个挑战，包括细胞存活和移植、肿瘤发生风险、免疫排斥、某些干细胞类型的伦理问题以及长期疗效和安全性问题，这些因素可能阻碍干细胞疗法从实验室到临床的应用[96]。
心脏损伤后，心肌细胞的持续丧失会引发一系列病理事件，包括凋亡和坏死、炎症以及成纤维细胞和肌成纤维细胞的激活，导致疤痕形成和不良的左心室重塑[97]。微环境可能在移植干细胞的存活和功能效果中起关键作用。临床前模型和临床研究表明，干细胞在心肌内的保留和移植效果较差[98]。在心肌内输送的干细胞可能会被困在间质中，只有少量移植细胞能够存活。向局部微环境添加超生理剂量的细胞因子或生长因子可能有助于改善细胞保留和修复[99]。
肿瘤发生仍然是干细胞疗法的挑战。多能干细胞具有发展成为体内所有三胚层细胞（包括外胚层、中胚层和内胚层衍生物）的潜力，尤其是在分化后，或者在体外具有无限自我更新和分化能力[100]。这些细胞在注入宿主组织后可能形成畸胎瘤。体外重编程和分化过程中的突变或异常使胚胎干细胞和诱导多能干细胞衍生的体细胞样细胞不成为理想的干细胞治疗来源[101,102]。

6.1. 细胞存活和移植
尽管干细胞作为心脏损伤和疾病的细胞疗法具有巨大前景，但其一个主要限制是移植到宿主心脏后细胞存活和保留能力较差。大部分移植到心肌中的干细胞在输注后的前几天内会经历早期凋亡和/或被免疫系统清除，导致功能恢复有限。因此，我们必须优化细胞微环境和临床条件，以最大化干细胞保留，从而改善心脏功能和再生[103]。
已经提出了多种预处理策略和干细胞修饰方法，包括基因修饰、缺氧、二氮氧化物介导的线粒体保护、缺血或“毒性”预处理以及药理和支架基础的方法，以增强干细胞移植和减少移植后的细胞死亡。然而，目前还没有“金标准”的方法来优化缺血心脏中的干细胞移植。这仍然是靶向研究的一个吸引人的领域，以降低移植细胞的总体死亡率，从而最大限度地实现其生存和细胞保护作用[104]。与直接注射相比，通过冠状动脉输注或导管输送可能优化细胞移植。同样，心肌梗死后的干细胞输送时机也可能对细胞存活和移植起着重要作用。据报道，在症状出现后24小时内进行外周血单核细胞输注对STEMI患者有益。尽管样本量较小，但这些结果表明需要优化移植前后的条件，以增强供体细胞的保留，从而最大化干细胞疗法的潜在益处[70,105]。

6.2. 肿瘤发生风险
细胞的肿瘤发生是与干细胞使用相关的心脏再生中的一个关键问题。许多先前在动物模型和临床试验中使用的胚胎干细胞或多能细胞在移植后表现出肿瘤形成，限制了它们在再生疗法中的实际应用。为了降低与胚胎干细胞或诱导多能干细胞相关的肿瘤风险，许多努力集中在衍生出谱系受限的祖细胞上。谱系受限的祖细胞，包括心脏祖细胞、心脏中胚层祖细胞和心脏特异性祖细胞，表现出发育限制，限制了它们生成具有再生能力的心脏细胞的能力。迄今为止，已有多种成熟的心脏细胞（如心肌细胞、内皮细胞和心脏成纤维细胞）在临床前研究中被研究用于移植到心脏组织中以进行修复。最近，使用来自CPCs的外泌体的无细胞方法在急性心肌缺血中显示出 promising 的心脏保护效果[100,106]。
干细胞疗法后的肿瘤形成和其他移植后并发症可归因于多种因素。组织环境因素，如缺血微环境、损伤组织中的免疫细胞和成纤维细胞，可能影响干细胞的迁移、生长因子产生和旁分泌活性。此外，干细胞生成条件也可能影响治疗效果，包括肿瘤形成风险。干细胞的来源（包括胎儿、成人和诱导多能细胞）、细胞的物理微环境（包括缺氧和硬度）以及生成过程中的微RNA调节可能影响干细胞的再生能力。因此，需要进一步推进基于干细胞的方法，以加快这些策略向临床应用的转化[107,108]。

6.3. 免疫排斥
免疫反应对于任何非自身替代材料的组织再生都是至关重要的。这一原则同样适用于所有干细胞，事实上，植入干细胞与宿主之间的组织不兼容性可能导致免疫介导的排斥，这是确保干细胞疗法安全性和有效性需要解决的最相关问题之一。免疫排斥会导致植入干细胞的死亡和功能丧失，从而阻止干细胞在愈合过程中释放的营养因子的再生潜力。这一未解决的问题甚至包括来自免疫不匹配供体的组织特异性干细胞。在异体干细胞移植后，特别是在体外扩增和基因操作后，也需要充分考虑这一点。使用胎儿或新生儿干细胞已被提出来解决这些问题。由于胎儿或新生儿干细胞处于早期发育阶段，它们具有独特的、极其沉默的免疫特征，这使它们免受宿主免疫系统的排斥[109]。
普遍认为，严重的细胞损失后会导致非特异性纤维化，这是由于基质扩张和促炎细胞因子的分泌，进而促进T淋巴细胞的刺激；然而，先天免疫细胞也可以直接针对受伤心脏组织中的干细胞作为危险信号的响应。此外，多项研究表明，先天免疫系统在干细胞生命周期的每个阶段（迁移、移植和分化）都起作用，提供了关于保护性或有害的先天免疫细胞对干细胞命运和功能的影响，以及利用移植相关的先天免疫调节策略来改善心脏干细胞疗法的可能性。因此，为了实现有效的干细胞介导的疗法，需要更好地表征细胞微环境，包括先天免疫细胞，并仔细调节损伤后的免疫反应，从而提高细胞疗法的效果[110]。**监管和伦理问题**

心脏再生领域的干细胞疗法为医学突破带来了前所未有的潜力，但同时也面临着更加严格的伦理和监管审查。自首个人类胚胎干细胞系建立以来，出现了一系列伦理问题，包括胚胎的破坏、胎儿组织的使用、外源基因的引入，以及理论上可能产生的嵌合体或混合生物风险[111]。这些问题，加上文化和社会差异，导致了不同地区的监管指南存在差异，许多伦理决策由地方或国家当局决定，而非遵循统一标准[112]。在美国，食品药品监督管理局（FDA）根据《人类细胞、组织及细胞和组织基产品》（HCT/Ps）框架监管大多数基于干细胞的疗法，除非满足严格的最小操作和同种用途标准，否则需要获得研究新药（IND）批准。关于联邦和州政府对胚胎干细胞研究的资助，科学界也存在争议，这反映了人们对胚胎道德地位的广泛分歧[113]。在欧洲，欧洲药品管理局（EMA）将干细胞疗法归类为先进治疗药物（ATMPs），要求在临床授权前严格验证其身份、纯度、效力、基因组稳定性和长期安全性[114]。另一个挑战是GMP（良好生产规范）合规生产的要求，因为临床级干细胞必须在严格控制的无异种环境中使用经过验证的试剂和强大的无菌系统进行扩增[115]。然而，研究表明，大规模GMP扩增可能会改变细胞表型、效力或分化行为，从而可能影响治疗效果的一致性[116]。因此，尽管由于器官供应有限和未满足的临床需求，人们对再生疗法的兴趣日益增长，但在干细胞干预能够安全地应用于常规心脏临床实践之前，严格的监督、细胞培养和分化过程中的持续评估以及遵守FDA/EMA的监管途径仍然是必不可少的[117]。

**6.5 长期疗效和安全性**

在大规模相关动物模型群体或人类临床试验群体中进行的长期研究，尤其是那些随访时间超过3年的研究，仍然非常有限。有限的临床前报告无法可靠地预测临床结果。关于干细胞及其应用方法的不确定信息和来源可能会影响安全性和治疗效果。与干细胞来源和质量、制备、运输和储存相关的因素可以改变代谢反应[27]。不同的输送方法可能导致不同的结果。植入的干细胞优先趋向于特定的细胞类型、分化或逆分化为不希望出现的未成熟心脏表型，从长远来看可能导致其他问题，包括表现为心律失常的电功能障碍[118]。细胞治疗后的机械毒性可能会对心脏结构造成额外损害。干细胞分泌的毒性因子可能对长期疗效产生负面影响。以往的自体细胞转移应用主要集中在动员造血干细胞用于急性心肌梗死。相反，幼稚的干细胞在全身炎症反应期间可能会释放有害的免疫调节因子和细胞因子，从而恶化长期心肌功能[119]。未来的临床前研究和后续的人体临床试验将有必要确定自体干细胞疗法在心脏再生方面的疗效和潜在并发症。在策略制定中，平衡疗效和安全性将是关键。未来，如果能解决供体兼容性和免疫排斥反应问题，移植非自体异种干细胞可能会显著缩短治疗时间。发现新的生物标志物以检测心脏损伤和追踪干细胞植入后的命运将有助于未来的决策[120]。

除了普遍存在的肿瘤发生性和免疫排斥问题外，多能干细胞衍生的心肌细胞（特别是iPSC衍生的心肌细胞）的安全性还因其致心律失常潜力而复杂化[121]。这些细胞通常表现出不成熟的电生理表型，包括自发性自律性、动作电位持续时间延长和离子通道表达不均一，这可能在移植后促进触发活动和再入回路。临床前的大动物研究表明，移植人类iPSC衍生的心肌细胞移植物后可能出现室性心动过速，表明即使结构上有益的构造，如果未充分成熟和整合，也可能破坏电传导[122]。此外，分化方案的变异性和批次间的离子通道表达差异进一步增加了其电行为的不可预测性[123]。这些发现强调了进行严格的临床前电生理表征、增强电成熟的策略（例如长期起搏、3D工程组织、与非心肌细胞的共培养），以及早期临床试验中的仔细心律监测的必要性。如果不系统地降低心律失常风险，iPSC衍生心肌细胞在心脏再生中的广泛临床应用仍为时过早[124]。

**6.6 心脏干细胞疗法临床转化的局限性和失败**

尽管临床前研究结果令人鼓舞，但基于干细胞的心脏疗法的临床转化多次受到几个根本性限制的制约，这解释了人类研究中报告的有限疗效[125]。其中一个最重要的障碍是极低的细胞保留率和植入率，细胞追踪研究表明，在最初的24-48小时内，只有不到5-10%的移植细胞留在心肌中[126]。此外，多能干细胞衍生的心肌细胞经常表现出电不成熟，这在大动物模型和早期转化研究中容易引发室性心律失常[127]。肿瘤发生性是一个主要的转化问题，因为未分化的ESC和iPSC可以形成畸胎瘤，这突显了临床使用前需要严格的纯化协议[128]。即使通常被认为更安全的间充质干细胞和心脏祖细胞，在炎症微环境中也可能促进纤维化重构或表现出改变的表型。此外，免疫排斥反应继续限制了异种策略的使用[129]。然而，MSCs表现出部分免疫调节活性；它们并非完全免疫豁免，宿主免疫激活可能会逐渐消除供体细胞，从而降低长期疗效[130]。总体而言，这些转化失败表明实验前景与临床现实之间存在巨大差距，强调了改进细胞工程、免疫匹配或低免疫原性细胞来源以及增强植入和长期安全性的输送平台的必要性[131]。试验结果不一致的主要原因是细胞保留率低（<10%）、细胞表型异质性、患者间差异以及长期安全性评估不足[132]。标准化GMP级细胞生产、实时体内细胞追踪、心律失常监测以及整合无细胞方法（如基于EV的疗法）对于克服当前的转化障碍至关重要[133]。

**7. 心脏干细胞疗法的未来展望**

尽管已经进行了大量的研究努力，心脏干细胞疗法的临床疗效尚未达到令人满意的水平。需要在转化研究和临床实践方面进行改进[134]。组织工程和基础科学的各种进展正引领我们进入新的方向。在这方面，现在讨论未来前景似乎是及时的，包括新的输送系统、联合疗法和个性化医疗方法[135]。

**7.1 创新的输送技术**

可以使用多种方法将心脏祖细胞输送到受损的心脏。主要目标是优化细胞数量，以提高保留率并改善宿主的最终反应[136]。为了克服基于注射的细胞输送的局限性，已经开发了几种方法，以实现干细胞在较大心肌组织区域或体积内的更均匀分布[137]。新型注射系统和先进的经皮输送方法可以在注射过程中增加细胞保留率，并增强细胞向目标区域的归巢能力。具体来说，在缺血-再灌注期间通过冠状动脉内注射悬浮细胞，或通过经皮腔内冠状动脉成形导丝直接将细胞插入心肌，都是可行的选择。此外，使用可生物降解的支架作为干细胞输送载体也是另一种创新选项[138]。

**7.2 联合疗法**

为了增强心脏祖细胞诱导的心脏保护效果，现在提出了所谓的联合疗法。这种治疗方法包括多种能够刺激组织再生和修复的分子和物质，包括生物分子、小分子和物理刺激[139]。祖细胞还可以与其他促进心脏修复的细胞类型结合，创造有利于新血管形成的微环境，从而加速血管发育并改善心脏功能。在结合细胞疗法和物理刺激的可能治疗策略中，可以提到将缺血心脏暴露于周期性机械应力或电流，以及缺血后处理[140]。

**7.3 心脏再生的新兴疗法**

除了传统的基于细胞的方法外，几种新兴疗法正在通过解决关键的转化限制（如低植入率、肿瘤发生性和免疫排斥）来重塑心脏再生的未来格局。其中，来自间充质干细胞和心脏祖细胞的细胞外囊泡（EVs）和外泌体作为无细胞治疗剂受到了广泛关注[141]。这些纳米级囊泡携带生物活性microRNA、蛋白质和细胞因子，可以促进血管生成、减少细胞凋亡，并调节损伤后的炎症，而无需进行活细胞移植[142]。临床前研究表明，基于外泌体的疗法可以改善左心室功能并减轻纤维化，使EVs成为比全细胞疗法更有前景、更安全、更可扩展的替代方案。工程心脏贴片和生物材料支架的进步也在改变心肌修复策略[143]。结合人类多能干细胞衍生的心肌细胞与可生物降解的水凝胶或去细胞化基质的组织工程构造在大动物模型中显示出改善的细胞保留率、同步收缩和增强的电整合性能。这些贴片为将高密度、预先对齐且部分成熟的心肌细胞直接输送到受损心肌提供了平台，克服了细胞注射疗法的局限性[144]。另一个迅速发展的领域涉及基因编辑的祖细胞，包括使用CRISPR-Cas9修饰的心脏祖细胞和经过工程改造以逃避免疫系统排斥的低免疫原性iPSC系[146]。基因编辑能够增强细胞存活率、抵抗细胞凋亡、提高代谢适应性，并精确控制分化途径。这些工程细胞在早期临床前模型中显示出更好的植入率和 reduced 的致心律失常潜力[145]。总的来说，这些新兴策略、无细胞外泌体疗法、先进的心脏贴片和基因编辑的祖细胞代表了下一代再生方法，旨在克服传统干细胞移植中遇到的重大障碍。它们的持续发展预计将加速转化进展，并扩展有效心脏修复的治疗工具箱。

**7.4 无细胞治疗策略**

再生心脏病学的最新进展越来越多地关注无细胞疗法，这些疗法解决了与传统干细胞移植相关的许多限制，包括低植入率、致心律失常性、肿瘤发生性和免疫排斥[146]。其中，由MSCs、心脏祖细胞和iPSC衍生的心肌细胞释放的细胞外囊泡（EVs）和外泌体已成为强大的心脏修复介质。这些纳米级囊泡携带心脏保护性microRNA（如miR-21、miR-146a、miR-210）、生长因子和抗炎分子，可以促进血管生成、减少细胞凋亡，并调节损伤后的炎症，而无需进行活细胞移植[147]。最近的研究表明，外泌体不仅可以促进功能恢复，还可以减轻临床前大动物心肌梗死模型中的心肌重构和纤维化。它们的稳定性、小尺寸和系统输送能力使它们成为细胞基方法的有吸引力的替代品，当前的努力旨在设计富含修复成分或缺乏表面配体的工程化外泌体，以增强心肌靶向性[148]。与此同时，基于分泌组的疗法，包括条件培养基、生长因子混合物和纯化的抗纤维化/血管生成蛋白，正在被探索作为可扩展的现成再生产品。这些配方规避了与活细胞相关的安全问题，同时允许精确控制成分和剂量[149]。此外，2023年至2024年间开发的载有外泌体的水凝胶和可注射生物材料在心肌组织中显示出延长的保留时间和持续释放，显著增强了治疗效果[150]。总的来说，这些发展表明无细胞疗法不仅仅是辅助选项，而是迅速成为心脏再生医学的核心方向[151]。它们出色的安全性、较低的复杂性和转化准备程度使它们处于下一代策略的前沿，以克服传统干细胞疗法的持续障碍[152]。

**8. 结论**

基于干细胞和祖细胞的心脏修复策略已经从最初的直接心肌细胞替代预期，转变为以旁分泌信号、免疫调节和微环境支持为中心的范式。临床研究一致显示了安全性，但由于细胞保留率低、移植细胞的电不成熟性、缺血后的有害微环境以及细胞制备和输送的变异性，功能性益处仍然有限。未来的进展可能会依赖于限制性谱系或基因编辑的祖细胞、工程组织构造、生物材料辅助的输送系统以及可扩展的无细胞方法，如细胞外囊泡。结合标准化生产、优化的配送路线以及严格的长期评估，这些进展有助于消除心脏再生领域从实验研究到可靠临床应用之间的差距。支持数据的可用性：所有数据均包含在论文文件中。作者贡献：作者对本文的贡献如下：SG负责撰写论文；MF负责审阅和编辑；VG、RT负责撰写论文；PR、WTA负责数据整理；NC、DK、TJW负责编辑、监督、概念化及项目管理工作。资金情况：作者未获得任何形式的资助。