Science：心脏再生迎来新破局！诺奖技术助力心肌细胞重编程，成功「逆转」受损心脏

导读

心脏是人体的能量站，负责向全身泵送新鲜血液，心肌细胞一旦受损后无法及时更新会导致心脏功能停滞，严重影响生命安全。然而，成年人的心肌细胞（CM）更新非常缓慢，心脏几乎不具备自我修复的能力。

在冠心病、心脏病发作后，部分心肌细胞受损，但无法产生新的细胞更新受损的心肌组织，最终导致心力衰竭，这也是心脏疾病如此致命的原因之一。因此，促进心肌细胞再生、帮助心脏自愈一直以来都是心脏研究领域的重点。

近日，来自德国马克斯·普朗克心肺研究所的研究团队在 Science 杂志上发表了题目为 Reversible reprogramming of cardiomyocytes to a fetal state drivesheart regeneration in mice 的研究文章。该研究证明了 Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc（OSKM）4 种转录因子在心脏的特异性表达可以诱导成体的 CMs 去分化，促进其在体内的增殖，赋予心脏再生的能力。

图片来源：Science

研究内容

CM 分裂通常伴随着分化特征的丧失，包括明显的代谢变化和胚性基因的再表达，这常被称为「去分化」或「部分重编程」，它重新获得了一种增殖能力强的胎儿样细胞状态，该状态下 CMs 具有分化能力，但并没有失去所有分化特征。

强制表达重编程因子 Oct4（O）、Sox2（S）、Klf4（K）和 C Myc（M）4 种转录因子可以诱导体细胞去分化。OSKM 的表达具有诱导体细胞重新编程和产生诱导性多能干细胞（iPSC）的能力。iPSC 具备能分化为所有的细胞类型的全能性，2012 年的诺贝尔生理学或医学奖正是颁给了其发现者——山中伸弥。

前期研究表明，OSKM 在 i4F 小鼠（i4F，可诱导的四因子）中普遍过表达，会导致细胞去分化、增生和各种器官中畸胎瘤的形成。然而，畸胎瘤不会在心脏形成，因此反映了 CMs 的低增殖率。由于 OSKM 介导的重编程是渐进的和随机的，作者假设当 OSKM 表达时间延长并且避免在其他细胞中表达时，CMs 可能会被诱导进入增殖去分化状态。

为了验证这一假设，研究人员构建了 i4F^Heart 转基因小鼠，通过服用强力霉素（Dox）可以使 OSKM 在 CMs 中特异性表达。在连续服用 DOX 6 天后，这些小鼠表现健康，左心室射血分数（LVEF）和每搏输出量（SVs）正常。然而，此时心脏重塑和 CM 去分化已表现出早期迹象，这从 CMs 中平滑肌肌动蛋白 (SMA) 的部分表达可以观察到。

然而，OSKM 在体内心肌细胞中过长时间的表达会导致心脏出现不可逆的变化，其中包括其功能的损伤。OSKM 表达 12 天时，CMs 中的 SMA 显著表达，且 LVEF 和 SVs 显著降低。

与功能和形态学评估一致，治疗 6 天小鼠的基因表达几乎完全逆转。最明显的基因表达变化与代谢、细胞增殖和分裂有关，编码关键糖解酶的基因表达上调，而与脂肪酸代谢和 β-氧化相关的基因表达下调。几乎所有的基因表达变化都是单向和渐进的，而 OSKM 的表达水平保持不变，表明这是一个高度依赖于 Dox 给药时间长短的稳定过程。

图 1. 瞬时 OSKM 表达诱导成体 CMs 去分化

当体内心肌细胞持久表达 OSKM 时，心肌细胞会持续去分化以致失去了原有的特性，甚至导致心脏肿瘤的形成。实验结果显示，Dox 持续处理 21 天后，i4F^Heart 小鼠心肌内形成了肿瘤，并表达 Nanog，该基因被认为在调节干细胞的增生中发挥了重要作用。后续即使在没有 Dox 的情况下，表达 Nanog 的诱导多能干细胞克隆也可以维持生长。

图 2  延长 OSKM 表达诱导成体 CMs 心脏肿瘤的形成

研究人员将从 i4F^{Heart/mcherry} 和 i4F^Heart 小鼠中纯化的 CMs 放置在 Dox 存在的条件下培养，重新进入细胞周期并发生完全分裂。尽管完全成熟的 CMs 对 OSKM 治疗具有相对抗性，无法在培养物中形成 iPSC，但用 DOX 处理 i4F 小鼠心脏 12 天后，心肌内的 CMs 数量显著增加。

实验数据表明，OSKM 依赖于 CMs 的编程和去分化是由其发育阶段决定的：在新生儿 CMs 中，OSKM 表达维持未成熟、增殖状态；在未成熟的 CMs 中，它阻止细胞成熟和有丝分裂退出；在完全分化的成年 CMs 中，允许细胞获得有丝分裂能力。

图 3 OSKM 表达驱动单核、双核成体 CMs 分裂

OSKM 在 CMs 的瞬时表达可刺激细胞增殖而不丧失其特性，所以作者想知道这是否也能促进心脏修复。实验结果显示，短期 OSKM 表达可修复 i4F^{Heart/mcherry} 小鼠断裂的心尖，出现最小的纤维化瘢痕，此后 CMs 通常停止增殖，心脏再生能力完全丧失。

EdU 阳性细胞比率在整个心脏的 CM 细胞中显著增加，特别是在初始损伤部位附近，表明损伤后微环境的变化促进了部分重编程的 CM 进入细胞周期。这些数据表明，短暂的 OSKM 表达延长了幼年小鼠心脏的再生窗口。

实验表明，OSKM 在成体 CMs 中的瞬时表达可以通过 CMs 的增殖修复部分受损的成体心脏。

图 4  部分 CM 特异性重编程实现心脏再生

总结

该研究表明，OSKM 四种转录因子在 CMs 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，并在小鼠心肌梗塞模型中得到了验证。

然而，与大部分再生实验研究面临的问题相同，细胞增殖能力的提高伴随着患癌风险的上升，OSKM的过度表达也会导致心脏肿瘤的形成。因此，该研究距离临床应用仍道阻且长，但不可否认的是，其为心脏再生提供了新的研究视角和治疗方向。