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    【科学普及】关于c-Kit阳性心肌干细胞的研究及争论
    发布时间:2018-11-3 14:59:55  浏览次数:

    撰稿:中国细胞生物学学会发育生物学分会丨何灵娟, 周 斌

    中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所


    心肌细胞是心脏中最主要的功能细胞。心脏冠状血管阻塞后会导致心肌细胞缺血缺氧而死亡,影响心脏收缩舒张功能,严重者引起心脏衰竭及病人死亡。如何诱导心肌细胞再生进而修复受损心脏一直是科学家们试图攻克的一个难题 。

    近年来,心肌再生的研究方向主要集中于寻找到某种心肌干细胞,通过诱导其分化形成新生心肌细胞来促进心脏再生。在心肌干细胞研究领域,c-Kit阳性干细胞最为瞩目,其发现者Piero Anversa教授也因此声名鹊起。

    2001年,Anversa教授实验室在Nature杂志上发表了有关c-Kit阳性干细胞的一篇重要研究成果,该研究发现骨髓来源的c-Kit阳性干细胞能够在体内分化形成心肌细胞促进心脏再生(1)。研究者将骨髓中的c-Kit阳性干细胞移植到心梗损伤后的小鼠心脏中,发现移植仅9天后,损伤区约68%的区域已经被新生的心肌细胞覆盖,心脏损伤得到了极大程度的恢复,这些新生成的心肌细胞是由移植的骨髓c-Kit阳性干细胞分化而来。除此之外,他们还发现骨髓来源的c-Kit阳性干细胞可以分化形成心脏中的血管内皮细胞和平滑肌细胞。该研究一经发表,便在领域内引起了极大的轰动,心肌干细胞的研究似乎终于找到了方向,众多科学家纷纷投入相关研究,相关临床试验也迅速开展起来。

    然而,到了2004年,Loren Field和Robert Robbins两个独立实验室在Nature表明的研究结果表明:他们无法重复Anversa实验室的实验结果(2, 3)。利用类似的实验方法,他们发现骨髓来源的c-Kit阳性干细胞并不会在体内分化形成心肌细胞,而主要形成了各种血细胞。同年,另外一个研究组也发现骨髓来源的c-Kit阳性细胞不会通过分化形成心肌细胞,而是通过与心肌细胞融合形成极少量心肌细胞(4)。随后的研究进一步发现骨髓来源的c-Kit阳性干细胞主要通过分泌促血管新生因子来改善心脏损伤,而非通过分化形成心肌细胞(5, 6)。至此,骨髓来源的c-Kit阳性干细胞是心肌干细胞这一观点已经基本被否定。

    尽管骨髓来源的c-Kit阳性干细胞促进心脏再生的观点已经被否定,但Anversa实验室有关c-Kit阳性干细胞的研究仍然在如火如荼地进行着。2003年,他们在Cell杂志上发表了另外一篇影响巨大的文章:成体心脏中存在着一群c-Kit阳性干细胞,这些细胞能够在体内分化形成心肌细胞,是心肌干细胞(7)。他们将这些c-Kit阳性干细胞分离出来并在体外富集后,注射到受损后的心脏内,发现20天后,损伤区大部分区域已经被新生成的心肌细胞修复,而这些新生成的心肌细胞是由移植的c-Kit阳性干细胞分化产生。该研究发表后,相关研究和临床试验也随后跟进。然而,并没有更确凿的证据显示心脏中c-Kit阳性干细胞能够分化形成心肌细胞,促进心脏再生。

    Anversa实验室的上述研究主要基于细胞移植实验,很难反映体内细胞的真实状态,因此,迫切需要直接的体内遗传学研究证据。鉴于此,Molkentin实验室构建了在体内直接追踪心脏中c-Kit阳性细胞及其细胞命运的谱系示踪工具小鼠:c-Kit-Cre和c-Kit-MerCreMer,这两个小鼠是将Cre或MerCreMer直接敲入到了内源的c-Kit基因位点,因此,他们所追踪的细胞是体内真实的c-Kit阳性谱系的细胞,其结果更加真实可信。然而,利用c-Kit-Cre和c-Kit-MerCreMer在成体心脏生理稳态及心脏损伤后追踪c-Kit阳性细胞的命运结果却发现,成体心脏内源性的c-Kit阳性细胞极少贡献于心肌细胞的再生(<0.008%),基本不具备促进心脏再生的能力(8)。随后另外两个实验室也利用体内的遗传谱系示踪方法证实了Molkentin实验室的结果,并发现c-Kit本身表达在少量的心肌细胞里面(下图)(9, 10)。因此,即便是前面那<0.008%的被c-Kit-CreER追踪到的心肌细胞也有可能并非是由c-Kit阳性干细胞分化形成的心肌细胞,而是因为c-Kit本身表达在心肌细胞使其被标记上而已,随后的相关研究也证实了这一点(11)。


    利用谱系示踪技术,最早证明心脏中c-Kit+细胞不是心肌干细胞的三个实验室及他们所发表的文章

    至此,上述几个实验室的实验结果已经基本证明,成体心脏中的内源性c-Kit阳性细胞并非心肌干细胞,即不具有在体内分化形成心肌细胞的能力。


    参考文献

     1. Orlic D, Kajstura J, Chimenti S, Jakoniuk I, Anderson SM, Li B, et al. Bone marrow cells regenerate infarcted myocardium. Nature. 2001;410(6829):701-5.

    2. Murry CE, Soonpaa MH, Reinecke H, Nakajima H, Nakajima HO, Rubart M, et al. Haematopoietic stem cells do not transdifferentiate into cardiac myocytes in myocardial infarcts. Nature. 2004;428(6983):664-8.

    3. Balsam LB, Wagers AJ, Christensen JL, Kofidis T, Weissman IL, and Robbins RC. Haematopoietic stem cells adopt mature haematopoietic fates in ischaemic myocardium. Nature. 2004;428(6983):668-73.

    4. Nygren JM, Jovinge S, Breitbach M, Sawen P, Roll W, Hescheler J, et al. Bone marrow-derived hematopoietic cells generate cardiomyocytes at a low frequency through cell fusion, but not transdifferentiation. Nature medicine. 2004;10(5):494-501.

    5.Fazel S, Cimini M, Chen L, Li S, Angoulvant D, Fedak P, et al. Cardioprotective c-kit+ cells are from the bone marrow and regulate the myocardial balance of angiogenic cytokines. The Journal of clinical investigation. 2006;116(7):1865-77.

    6.Chien KR. Lost and found: cardiac stem cell therapy revisited. The Journal of clinical investigation. 2006;116(7):1838-40.

    7.Beltrami AP, Barlucchi L, Torella D, Baker M, Limana F, Chimenti S, et al. Adult cardiac stem cells are multipotent and support myocardial regeneration. Cell. 2003;114(6):763-76.

    8.van Berlo JH, Kanisicak O, Maillet M, Vagnozzi RJ, Karch J, Lin SC, et al. c-kit+ cells minimally contribute cardiomyocytes to the heart. Nature. 2014;509(7500):337-41.

    9.Sultana N, Zhang L, Yan J, Chen J, Cai W, Razzaque S, et al. Resident c-kit(+) cells in the heart are not cardiac stem cells. Nat Commun. 2015;6:8701.

    10.Liu Q, Yang R, Huang X, Zhang H, He L, Zhang L, et al. Genetic lineage tracing identifies in situ Kit-expressing cardiomyocytes. Cell Res. 2016;26(1):119-30.

    11. He L, Li Y, Li Y, Pu W, Huang X, Tian X, et al. Enhancing the precision of genetic lineage tracing using dual recombinases. Nature Medicine. 2017;23(12):1488-98.

    (转载自细胞世界公众号)
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