培養的心臟細胞會跳動

培養的心臟細胞

會跳動！！！

科學家想利用幹細胞來治療多種疾病已經研究多年，從臍帶血幹細胞、到人類胚胎幹細胞、到成年細胞轉變成誘發性多能幹細胞、到人類與動物雜種之胚胎幹細胞等，幹細胞科學不斷進步，如今發現心臟裡有幹細胞可以分化成三種心臟細胞，讓將來心臟病患能用自體心臟細胞修補受損心臟的希望大大提升，這裡所講的就是這個故事。

全能心臟幹細胞

2006年時美國有三個研究團隊同時發現了心臟裡有幹細胞存在，於是命名為「『全能』心臟細胞」（”master” heart cells），宣稱能這種幹細胞會分化形成哺乳動物心臟內的不同組織，兩個團隊之一由美國波士頓麻州綜合醫院的Kenneth Chien領導，另一個由美國紐約西奈山醫學院的Gordon Keller主持，第三個團隊則是由美國波士頓兒童醫院的Stuart Orkin領導，每一個團隊都已經由培養的小鼠「胚胎幹細胞」（embryonic stem cells, ESCs）鑑定出心臟血管之「前驅者」（precursor）細胞，前兩個團隊的科學家表示他們的前驅者可以分化成三種心臟細胞：心臟肌肉細胞繼續生長、平滑肌肉細胞構成供應心臟血液的血管以及非常重要內襯冠狀血管動脈的內皮細胞，第三個研究團隊則鑑定出心肌及平滑肌的前驅者。科學家表示，在人類胚胎心臟中也非常有可能找到這些多功能的細胞，藉在實驗室裡生長這些胚胎幹細胞株，對於有一天醫生可藉以修補及「再恢復」受損之心臟提高了無窮的希望，對於被心臟血管疾病蹂躪的病人而言，能夠同時再度形成心肌及血管顯然十分重要，因為凡是受損的心臟部位，就有超過一種細胞受到傷害，這些在培養液裡新發現的前驅者細胞，其發育似乎與存在於小鼠胚胎裡的細胞一致，且在正常發育時生長出心臟組織，在培養液中能模擬心臟的自然發育過程無疑促進了未來修補心臟成功的前景，三個研究團隊都樂觀其成。由於每個團隊使用不同的細胞表面標記分子同時鑑定出前驅者細胞，因此這些並非武斷的結論，顯然這是基於科學研究之「心臟血管再生醫學」（cardiovascular regenerative medicine的開始，科學家表示要儘速以人類胚胎幹細胞來複試，更希望朝向臨床試驗進行心臟修補的工作。

今年(2008)4月，由加拿大多倫多「馬克伊凡再生醫學中心」(the McEwen Centre for Regenerative Medicine)的研究人員在Gordon Keller領導下，終於提出令人欣慰的結果：由人類胚胎幹細胞製造出心臟細胞，在發育中胚胎內的細胞具有分化成任何種類人體組織的潛能。研究小組發現使用「生長因子」賀爾蒙處理幹細胞，可以鼓勵牠們發育成為一種稱為心臟血管先成細胞(progenitors) 的細胞。這些細胞轉而變成三種特化心臟細胞之任何一種：兩種肌肉細胞（心臟肌肉細胞及血管平滑肌肉細胞）及內皮細胞（形成如心臟壁層的襯裡構造），研究人員在「網路自然期刊」(Online in Nature)報告：當這些先成細胞在培養皿裡生長兩個星期後，幹細胞發育形成細胞內在之「心跳」動作，這是心臟關鍵特性之一，更奇妙的是，當Keller與其同事將三種細胞混合移植入具有模擬心臟病的小鼠心臟後，其心臟功能顯著改善，目前研究人員不知此種情況是否可以維持一輩子。其實混合細胞中尚缺少另一種細胞，稱為「成纖維細胞」(fibroblasts)，為支持心臟組織之構造，科學家無法確定是否心臟血管先成細胞也可轉變為成纖維細胞。但是Keller表示，將來甚至可能不需要用到成纖維細胞，因為心臟的移立體植物會在替代性的人工構造上生長，這這正是科學家想要移植的心臟，其他科學家預測，雖然還未在人體進行實驗，該技術卻可提供一個有用的方式來修補因心臟病而受損之心臟肌肉。

心臟幹細胞的藏身處

由於發育完全之心臟細胞不會分裂，生物醫學專家相信心臟受損後不能再生，但是在2003年，美國紐約醫學院實驗室的研究人員發現在小鼠心臟內有幹細胞存在，接著在人類心臟也發現有同樣細胞，但是科學家仍然未知這些幹細胞是否實際存在於心臟，或僅僅由其他組織（例如骨髓）移轉過來，於是Annarosa Leri在2006年使用成年小鼠做為動物模式，想要找出心臟幹細胞最多之部位，結果發現在心房裡特別豐富，幹細胞係與許多比較成熟之心臟細胞群聚在一起，介於心臟肌肉細胞之間。Leri與其同事如今已經由動過心臟手術的病人心臟取出少量幹細胞，然後將其生長於實驗室中，再移植入大鼠及小鼠受損之心臟內，實驗結果十分樂觀，最終可能會獲得癒合情況較佳之心臟，其效果要好過比得自骨髓之幹細胞，科學家認為這些細胞在正常情況下可以提供新的心臟組織，而且可能最適用於修補生病之心臟。

心臟細胞再生？

2007年，美國哈佛大學醫學院的Richard Lee及同事利用基因工程技術製造出轉殖小鼠，讓小鼠心臟肌肉細胞可以被螢光蛋白質染色，在年輕小鼠大約有80%心臟肌肉細胞會攝取此種染料，當動物年齡增長時，攝取蛋白質的量維持不變，研究人員認為此現象證明心臟肌肉細胞在動物生命過程中未被取代，然而，當科學家誘導小鼠發作心臟病後，染色細胞的數量就下降至70%，則認為針對心臟受損會有新的肌肉細胞形成，該研究顯示成年小鼠具有有限之修補本身組織的能力，Lee認為活化心臟再生之機制的確存在，但是並不充分，是否可能由於哺乳動物並不具有足夠的心臟幹細胞？

骨骼肌幹細胞與骨髓細胞

已經有些研究人員開始著手藉移植肌肉幹細胞進入受損之小鼠心臟，想要恢復心臟功能，認為此技術可能有一天會使用來癒合人類受損之心臟組織，之前也有科學家嘗試在小鼠及人類心臟移植類似細胞，但是都沒有成功，雖然移植體有時能增進心臟功能，卻也增加心臟異常快速跳動之危險，稱為「心室心跳過速」(ventricular tachycardia)，心室心跳過速是罹患心臟病病人猝死的主要原因，讓15%發病三年內之病人死亡，人類心臟病發作典型情況是由逐漸喪失血流引起，使心臟肌肉細胞緩慢失去養分，當細胞死亡，心臟功能就下降。在早期研究，科學家曾以骨骼肌幹細胞或甚至骨髓細胞注射心臟受損部位，顯示可以恢復某些功能，究竟這些方式如何有效並不清楚，有些人認為肌肉幹細胞就像心臟肌肉細胞一樣會收縮，協助心臟跳動，其他人則提出移植之細胞會強化心臟壁層，但是有一個情況則十分明顯：兩種細胞有時可改良心臟跳動之能力，但是它們也會打斷其跳動的韻律。

胚胎心臟肌肉細胞

於在2007年，美國康乃爾大學的Michael Kotlikoff及德國波昂大學的Bernd Fleischmann與他們的同事嘗試移植一種不同種類的細胞，稱為「胚胎心臟肌肉細胞」(embryonic cardiac-muscle cells)，這些細胞會與周圍的心臟組織形成生理性連結現象，並可互相交換電訊息，此訊息係用於維持心臟及時跳動。科學家在「自然期刊」(Nature)報告：研究結果是獲得一個功能良好之心臟，相對的沒有幾種其他移植細胞會獲得相同作用，至於為何胚胎細胞會與周遭環境的成體肌肉細胞混合較佳？研究人員的解釋是，可能胚胎細胞及成體心臟細胞兩者都含有一種稱為「連結素43」(connexin 43) 的蛋白質具有較高之表現能力，這在形成細胞間之連結上十分重要，而連結素43在成年肌肉幹細胞上表現的量則較低，為測試連結素43是否為真正的關鍵因子，研究人員嘗試強迫成年肌肉幹細胞表現此種蛋白質，結果此作用產生類似之良好結果，科學家表示：如果你使這些細胞表現連結素43，就能矯正或反轉心臟產生非韻律性跳動之行為，此研究結果可讓研究人員不會完全依賴胚胎組織進行實驗，因為在未來會更難取得人類胚胎。其他科學家則認為該技術在可以作為治療方法前必須克服許多障礙，但是作為一種新觀念卻非常令人興奮，不過在進行人體臨床使用前必須極度小心。


備註：讀者可至下列網站觀看實驗室培養中心臟細胞跳動的短片。

Video 1: http://www.nature.com/news/2008/080423/multimedia/nature06894-s4.mov

Video 2: http://www.nature.com/news/2008/080423/multimedia/nature06894-s2.mov

Video 3: http://www.nature.com/news/2008/080423/multimedia/nature06894-s5.mov