心肌再生将成为可能？关于心脏的研究最近又有哪些突破？

　　2022年11月6日 第一次修订

　　把一些参考文献补充了一下，

　　欢迎大家友好讨论～

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　　2022年10月31日

　　最近有一个新闻展现了我们国家在人工心脏技术上的进步——#听不到心跳，还能正常生活#

　　作为一名曾经因为心衰而危在旦夕的患者，王十七接受了中国自主研发的人工心脏的移植。

　　这颗人工心脏让王十七重获新生，目前他能够正常生活，没两天还可以骑行15公里，并且克服了原来内向的性格，成为一名幽默的脱口秀演员。

　　心脏是我们的发动机，能量站，正常功能的心脏能够负担起向全身供血的重要任务。

　　一旦心肌细胞因病死亡后，就会影响心脏的功能。

　　不幸的是，心肌细胞不像皮肤、黏膜那样，受伤后可以再生补充，心肌细胞作为永久细胞，是不具备自我修复的能力。

　　也就是说，一旦心肌细胞受损死亡，是没有“替补队员”的。（图源mayoclinic. 心衰的症状）

　　人工心脏，即“植入式左心室辅助系统” ，也有称为心室辅助装置(VAD)， 或 全人工心脏(TAH)。

　　人工心脏的工作原理很复杂，通过借助机械或生物机械手段，部分或完全替代自然心脏给人体供血。（图源UCLA Newsroom，人工心脏结构图）

　　我们国家从90年代起就在研发人工心脏，到目前，人工心脏已经更新到第三代，救治了数百人。

　　目前来说，人工心脏的工作效果因人而异。主要作用于：

　　1）心脏的长期替代使用；

　　2）部分心衰患者在心脏恢复自主功能前的过渡使用；

　　3）在接受心脏移植手术前的缓冲手段，维持患者生命体征。

　　一些心衰患者在治疗过程中，会一直等待一件事情——心脏移植。

　　通过获得一颗健康的心脏，代替原来“罢工”的心脏，让患者重新恢复健康。

　　移植一颗心脏的手术费用非常高昂，而且患者术后要长期服用抗排斥药物。

　　如果能够用患者自己的细胞，在体外培养出一颗和自己基因完全一致的心脏，再移植到患者体内，或许就避开了供体不足，和免疫排斥的问题。

　　为了实现这一目标，德国的研究团队开展了一系列艰苦研究。

　　为了让心肌细胞恢复再生，他们要对高度分化的永久细胞——心肌细胞，进行去分化操作，让成熟的心肌细胞再次恢复分化能力。

　　经过摸索，研究团队发现 Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc 这4 种转录因子（合称OSKM）在心脏的特异性表达可以诱导成体的心肌细胞去分化，促进其在体内的增殖，赋予心脏再生的能力。

　　简而言之，就是让一个已经从婴幼儿到成年人的过程逆转，让成年人再次变回婴幼儿。（图源nature. 科研人员心肌细胞再生的前期工作。目前有三种主流的方法让心肌细胞再生，包括成体细胞治疗，干细胞治疗，以及分子医学治疗）

　　2012年诺贝尔医学奖获得者山中伸弥，发现了诱导性多能干细胞 （iPSC） 具备能分化为所有的细胞类型的全能性。（图源tebu-bio.com。诱导性多能干细胞具有全能性，能分化成多种器官）

　　而诱导性多能干细胞 （iPSC）所具有的全能性，正是来源于重编程因子 Oct4（O）、Sox2（S）、Klf4（K）和 C-Myc（M）4 种转录因子。

　　理论上是可以的。

　　表达这四种转录因子的小鼠在受到心脏毒性的药物刺激后，能够通过心肌细胞的再生，将受损区域弥补回来。

　　但是实际上，持续表达的四种转录因子让小鼠的心脏再生之后，发生了肿瘤，理由就是这些能够再生的心脏细胞不受控制地增殖。（图源Science。延长 OSKM 表达诱导成体 CMs 心脏肿瘤的形成，红色方框内就是肿瘤位置 ）

　　随后，通过调整，科学家让 OSKM四种转录因子实现“瞬时表达”，也就是说， OSKM四种转录因子在 心肌细胞中的瞬时特异性表达可以诱导心肌细胞去分化，促进其在体内的增殖，赋予心脏再生的能力，但是不会失控，导致肿瘤发生。

　　这证实，心肌细胞再生已经在实验阶段得到验证！（图源Science. 部分 CM 特异性重编程实现心脏再生）

　　大家可能不记得了，我们在2022年年初的时候心脏移植还有一个重磅新闻：

　　2022年1月11日，USA TODAY 发表了一篇科学新闻——全球首例猪心移植手术顺利完成。马里兰大学医学中心于 2022 年 1 月 10 日宣布，已将“转基因猪心脏”移植到一名57 岁的严重心力衰竭和心律失常的男性患者体内。手术于1月7日进行。参与手术的医疗团队称，目前转基因猪的心脏在患者体内继续发挥功能，不会立即被人体排斥。虽然术后患者仅仅生存了两个月，在3月8日去世，但是他的努力为异种移植做出了巨大贡献。借用基因编辑猪的心脏作为移植器官，挽救心脏衰竭的患者生命【1】。图源Financial Times，Gene editing: pig hearts and the new era of organ transplants

　　为什么这位患者要用猪心来做供体呢？这是因为由于严重的心力衰竭和心律失常等问题，David Bennett 已经不适用人类心脏进行移植手术，他在接受手术前已经依靠生命支持系统数月，只能卧病在床等待死神的降临。

　　2021 年 12 月 31 日，美国食品药品监督管理局 (FDA) 紧急批准 Bennett 进行猪心脏移植手术，正因此，奄奄一息的 Bennett 才有机会进行猪源心脏移植。

　　答案是肯定的。

　　猪的生理和器官大小与人类非常相似，与来自牛等其他动物的器官相比，它们的器官更容易适应人体。多个科研机构开展过手术尝试，都获得了理想结果：美国国立卫生研究院（US NIH）的研究人员已成功将猪心移植到狒狒体内，并使狒狒存活了两年多。在德国的另一项独立研究中，研究人员能够给多只狒狒从猪身上移植心脏，所有狒狒都存活了六个月以上。

　　这些手术后狒狒存活时间数字乍一看似乎很低，但是 ，狒狒的平均预期寿命也远低于人类的平均预期寿命。

　　从这些研究中，我们可以看到，猪的移植物在理论上和实践上都可以发挥作用，尽管效果不是很好。

　　猪和人虽然有大量的相似基因片段，但是猪和人终究是两个完全不同的物种，存在明显的器官异种排斥。异种排斥（Heterogeneous rejection），顾名思义，就是不同物种之间的器官组织相互排斥。猪的组织细胞有一个基因可以产生一种叫做 α-gal的糖分子，而人体将 α-gal识别为异物并对其进行攻击，因此将猪器官移植到人体中会引起急性排斥反应。因此，要筛选猪心作为理想的器官供体，就必须要解决免疫排斥的问题。

　　另外，虽然猪和人的体型差不多，心脏大小很接近，是理想的心脏移植供体，但是猪的心脏会逐渐生长，渐渐不匹配人的身体。因此要控制猪心脏的大小，避免移植后的心脏逐渐长大。

　　这时候，神奇的基因编辑技术（gene editing）就能派上用场了。

　　为了能够让供体猪的心脏更适应人类的生理需求，并且长期稳定、安全工作，就要对猪的基因进行编辑。比如，美国再生医学公司Revivicor开发的“GalSafe猪”通过基因改造不含 α-gal 的糖分子，移植到人体后可防止急性排斥反应。

　　为了能够为患者提供一颗能够正常、安全、持久工作的猪源心脏，小猪在胚胎期间就经过了复杂的基因编辑——10种基因编辑 ！有3种引发人体异种免疫排斥的基因被敲除；有1种控制猪心脏生长的基因被敲低；有6种基因编辑到猪基因中，使得猪心与人体相容性更好。

　　经过10种基因编辑，这颗猪心已经“改头换面”，从此远离了只能摆上饭桌的命运，而是以另外一种方式融入人体。

　　全世界有超过 2600 万人患有心力衰竭，其中一半是中国人。器官移植，前路漫漫，但还好，各种新技术也在不断的推出，也许不远的将来，患者将有机会重获新生，期待这些「黑科技」能够尽早真正进入临床。

　　异种移植技术成熟了吗？未来能否解决供体器官的短缺问题？

　　1. Hu, B., Lelek, S., Spanjaard, B. et al. Origin and function of activated fibroblast states during zebrafish heart regeneration. Nat Genet (2022).

　　2. Yanpu Chen et al. Reversible reprogramming of cardiomyocytes to a fetal state drives heart regeneration in mice. Science, 2021, doi:10.1126/science.abg5159.

　　3. Du J , Zheng L , Gao P , et al. A small-molecule cocktail promotes mammalian cardiomyocyte proliferation and heart regeneration. 2022.