在心髒病發作後，死亡的心肌組織會由瘢痕組織替代。不過，瘢痕組織與心肌的搏動方式不相同，因而心髒的“泵血”能力下降。近年來，科學家們采用多種手段將心髒瘢痕組織和其他組織中的成纖維細胞直接重編程為心肌細胞。這一突破性的成果為未來的臨床試驗和心髒病患者治療奠定基礎。基於此，小編針對這一方麵的最新進展，進行一番盤點，以饗讀者。
1.Nature：重大突破!利用單細胞轉錄組分析揭示成纖維細胞轉化為心肌細胞機製
doi:10.1038/nature24454
圖片來自Qian Lab, UNC School of Medicine。
如今，在一項新的研究中，來自美國北卡羅來納大學的研究人員將微流體單細胞RNA測序與數學建模、遺傳方法和化學方法結合在一起，描述了從成纖維細胞到心肌細胞的細胞命運轉化期間逐步發生的分子變化。在北卡羅來納大學醫學院病理學與實驗室醫學助理教授Li Qian博士的領導下，這些研究人員不僅成功地重建了單個成纖維細胞在這個過程中選擇的路徑，而且還鑒定出在成纖維細胞轉化為心肌細胞期間發揮著重要作用的分子通路和關鍵性調節物。相關研究結果於2017年10月25日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte”。
Qian實驗室開創直接心髒重編程(direct cardiac reprogramming)方法，並且在過去幾年對這種方法進行優化。作為心髒再生和疾病建模的一種有前景的方法，它涉及將心髒中的非心肌細胞直接轉化為非常類似於內源性心肌細胞的誘導性心肌細胞(induced cardiomyocytes, iCM)。就像任何重編程過程那樣，接受重編程的很多細胞並不會同時發生重編程。這意味著這是一種“異步(asynchronous)”過程。轉化在不同的時間發生。因此，在這個過程的任何階段，細胞群體總是含有未轉化的細胞、部分重編程細胞和完全重編程細胞。換言之，細胞重編程是“異質的(heterogeneous)”，這就使得很難利用傳統方法開展分析。
在這項新的研究中，通過利用微流體單細胞RNA測序技術，Qian實驗室解決了“異步”編程和異質細胞群體這兩個主要的問題。他們在從成纖維細胞到iCM的命運轉化期間分析了全局轉錄組變化。
利用數學算法，這些研究人員在這種重編程過程中鑒定出具有不同分子特征的細胞亞群。隨後，他們基於模擬和實驗驗證，重建了iCM形成路徑。這些路徑為他們提供了前所未有的高分辨率路線圖，以便在未來研究這種細胞轉化機製。
通過進一步分析重編程期間的全局基因表達變化，這些研究人員意料之外地鑒定出參與mRNA加工和剪接的因子發生下調。Qian團隊繼續對最優先考慮的候選因子---剪接因子Ptbp1---開展詳細的功能分析。有證據提示著它是成纖維細胞獲得心肌細胞特異性的剪接模式的一種關鍵的阻礙物。Qian團隊的研究證實剔除Ptbp1促進更多的iCM產生。
進一步的定量分析揭示出每種重編程因子(即Mef2、Gata4、Tbx5和DsRed，讓成纖維細胞表達這四種重編程因子，會讓它們轉化為iCM)的表達與單個成纖維細胞的重編程過程進展存在著一種很強的關聯性，而且導致發現新的富集iCM的表麵標誌物。
2.Circulation：重磅!科學家成功將結締組織細胞重編程為心肌細胞
doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.116.024692
最近，來自格萊斯頓研究所(Gladstone Institutes)的科學家們通過研究鑒別出了兩種化學物質或能改善心髒瘢痕組織轉化成為健康心肌組織的能力，相關研究刊登於國際雜誌Circulation上，該研究或將幫助研究人員開發新型有效的治療心力衰竭的療法。
心力衰竭每年影響著570萬美國人的健康，而且每年能夠花費國家307億美元，最關鍵的是目前並無療法治療心力衰竭;當心肌受損時，機體就無法修複死亡或損傷的細胞，文章中，研究者就深入分析了心髒中細胞的重編程機製，以此來對心肌細胞進行再生，這或許有望治療並且治愈患者的心力衰竭。
僅需要三種轉錄因子就能夠將小鼠機體的結締組織細胞重編程為心肌細胞，當心髒病發作後，結締組織就會在損傷部位形成疤痕組織，從而誘發心力衰竭的發生，這三種轉錄因子Gata4，Mef2c，Tbx5(GMT因子)能夠互相協作開啟結締組織細胞中的基因表達，同時關閉其它不必要基因的表達，最終對損傷的心肌細胞進行有效修複，但這種方法並不簡單，而且也僅有10%的細胞能夠從疤痕組織細胞轉化成為心肌組織細胞。
3.Cell Stem Cell：重大突破!心肌細胞轉分化率提高10倍!
doi:10.1016/j.stem.2016.02.003
心力衰竭病人的心髒經常擁有堆積的瘢痕組織，這種瘢痕組織導致心髒功能逐漸喪失。在一項新的研究中，來自美國北卡羅來納大學醫學院的研究人員報道了他們在心髒病研究中取得的重大進展。這一進展有助人們開發出一種新的能夠顯著縮小心髒瘢痕組織同時補充健康心肌細胞的治療方法。相關研究結果發表在2016年3月3日那期Cell Stem Cell期刊上，論文標題為“Bmi1 Is a KeyEpigeneticBarrier to Direct Cardiac Reprogramming”。
論文通信作者、北卡羅來納大學醫學院病理學與實驗室醫學助理教授Li Qian博士說，“我們過去的研究已帶來希望：我們可能有朝一日通過將瘢痕組織轉化為跳動的心肌來改善心肌衰竭病人的心髒功能。但是，那更多的是一種概念驗證研究，因為這種轉化率非常低。如今，我們發現這種轉化的障礙，通過移除這種障礙，我們能夠顯著增加心肌細胞樣細胞(muscle-like cell)的產量。”
2012年，Qian和她的同事們開發出一種能夠將組成瘢痕組織的成纖維細胞轉化為心肌細胞的蛋白混合物，其中所產生的心肌細胞自主跳動的方式完全與正常的心肌細胞一樣。顯著地，這種方法並不需要將成纖維細胞轉化為幹細胞，而這通常是其他的組織再生技術所需要的，因而它也就降低了不受控製的細胞生長和腫瘤形成的可能性。
當研究人員發現基因Bmi1幹擾將成纖維細胞轉化為心肌細胞所需的其他關鍵基因的表達時，這個新的突破便降臨了。在此之前，人們已研究了Bmi1在神經幹細胞和癌細胞中的作用，但是這是首次研究它在與心源性基因相互作用中的角色。
當研究人員剔除基因Bmi1時，這種轉化率顯著增加：轉化為心肌細胞的成纖維細胞比例增加了10倍。抑製Bmi1表達也允許Qian和她的團隊降低這種蛋白混合物中不同蛋白的數量，從而得以簡化這種混合物。
4.Cell Stem Cell：科學家將成纖維細胞成功重編程形成心髒祖細胞
doi：10.1016/j.stem.2015.12.001
通過遺產性地重編程哺乳動物機體中常見類型的細胞，來自威斯康星大學的研究人員成功地製造出了主要的心髒細胞，即用於形成發育心髒的原始祖細胞，相關研究刊登於國際雜誌Cell Stem Cell上。文章中研究者報道了他們可以將小鼠的成纖維細胞成功編程產生誘導的心髒祖細胞(cardiac progenitor cells)，他們所利用的技術可以有效控製並且製造心髒中的三種主要的心髒細胞，如果其可以在人類細胞中複現，那麼有一天或許就可以幫助治療多種心髒疾病。
利用5種基因研究人員就可以將成纖維細胞推回至發育階段，進而轉變成為製造心肌細胞、平滑肌細胞和內皮細胞的心髒祖細胞，這種誘導性的心髒祖細胞可以製造數億萬個關鍵的心髒細胞，從而提供豐富的原料來供研究者們在培養皿中對心髒細胞進行研究，進而進行多種化合物的安全性及有效性的測試。
5.Sci Rep:重編程技術產生心肌細胞
doi:10.1038/srep03474
密歇根大學科學家通過重編程技術，成功的采用纖維母細胞修複了受損的心髒。相關報道發表在近期的Scientific Reports雜誌上。之前采用重編程方法修複心肌細胞的成功率很低。密歇根大學生物醫學工程學係的Andrew Putnam教授認為他找到了重編程技術的關鍵因素。
為了研究細胞環境對重編程效率的影響，Yen Peng Kong博士將纖維母細胞混如心肌細胞中，並在不同硬度的膠上培養這些細胞。他發現在含有中等強度膠原纖維的凝膠上生長的細胞更多的表達血小板相關的蛋白，而在含高強度纖維的凝膠上生長的細胞會表達結構蛋白。
纖維母細胞來自於小鼠胚胎。科學家將幹細胞的基因轉入到該細胞後，纖維母細胞轉化為幹細胞樣前體細胞。幾天之後，Kong博士加入促進心髒組織生長的物質，再過幾天有些細胞克隆就會呈現心肌細胞樣。該轉化過程在含纖維蛋白和纖維-膠原複合物中更容易實現，有大於一半的克隆都會轉化為心肌細胞。
6.Cir. Res：microRNA可變疤痕組織為心肌細胞
doi:10.1161/ CIRCRESAHA.112.269035
4月26日出版的美國心髒協會會刊《循環研究》(Circulation Research)報道，美國科學家不借助幹細胞移植過程，而使用名為微核糖核酸(microRNA)的分子，在實驗室器皿中首次將實驗鼠心髒病發作後留下的疤痕組織變成心肌細胞。最新研究一旦在人類身上試驗成功，將有助於科學家們研發出新的心髒衰竭療法。
為了開啟該心肌組織再生過程，杜克大學醫學教授維克多·祖領導的科研團隊使用了微核糖核酸，這種分子可以扮演主調節器的角色，控製多個基因的活動。他們采用一種特定的組合形式，將微核糖核酸遞入名為纖維原細胞(心髒病發作後，纖維原細胞會發育並損害組織的泵血能力)的疤痕組織細胞中。
一旦將微核糖核酸分子部署好，它們就會對纖維原細胞進行重新編程，讓其變成與心肌細胞類似的細胞。科學家們不僅在實驗室證明了這一概念可行，而且也證明這種細胞轉化能在老鼠體內發生，而這一點對再生醫學成為一種有潛力的治療方法非常重要。
7.Cell：一種直接培育心肌細胞的方法
doi:10.1016/j.cell.2010.07.002
8月6日，美國和日本的研究人員在《細胞》(Cell)雜誌網絡版上發表論文稱，他們通過在成纖維原細胞中植入特定的Gata4, Mef2c和Tbx5種基因，成功培育出心肌細胞。研究人員發現，在小鼠胚胎的心髒中，有3種基因是生成心肌細胞必不可少的。通過向纖維原細胞中植入這3種基因，可以獲得驅動心跳的心肌細胞。與利用誘導多能幹細胞(ips細胞)培育心肌細胞相比，這種方法更加安全、簡捷。
據新華社記者采訪該項研究負責人家田真樹,這位日本慶應大學助教說：“今後將確認是否可以用同樣方法製造出人類心肌細胞。如果可行，心肌梗塞患者將無需接受開胸手術，而隻需通過導入這些基因，讓那裏的纖維原細胞直接生成健康的心肌細胞。”
8.荷蘭研究者培育心肌細胞取得進展
蘭研究人員日前宣布，他們利用成人心髒細胞成功培育出了心肌細胞，這意味著不靠移植心髒而修複心髒缺陷的醫學研究又向前邁進了一步，而且回避了此前同類研究中由胚胎幹細胞引發的倫理爭議。
據荷蘭國際廣播電台報道，荷蘭烏特勒支大學醫學中心和胡布雷希特實驗室的研究人員介紹說，心肌細胞迄今隻能由胚胎幹細胞培養而成，但這種方法不僅會因采用胚胎幹細胞而在一些歐美國家招致倫理爭議，而且還可能引發排異反應。但荷蘭研究者則從心髒病患者自己的心髒中提取出一些細胞，在經過相應處理後最終培養成心肌細胞，回避了倫理爭議和排異反應這兩個問題。
研究人員沒有詳細介紹具體的研究過程，但指出這是心髒病研究方麵的一項“重要突破”。“這樣，我們就能大量培養心肌細胞了，而且其來源是病人自己。我們認為，這是一項真正的突破。”參與試驗的荷蘭研究者說。
9.J Thorac Cardiov Sur:心髒病患者的福音!科學家發現Gata4或可還你一顆健康的心髒!
doi:10.1016/j.jtcvs.2017.06.035
在貝勒醫學院教授兼分子和細胞生物學教授Todd K. Rosengart博士領導的心髒再生實驗室中，一組研究人員表明，用轉錄因子Gata4，Mef2c和Tbx5(GMT)導致較少的瘢痕組織或纖維化，並且在該疾病的小動物模型中心髒功能增加高達50%。
該結果被認為主要是將心髒成纖維細胞重新編程成心肌細胞樣細胞的結果。有趣的是，Rosengart團隊注意到減少的纖維化和改善的心髒功能遠遠超過誘導的新的心肌細胞樣細胞的程度。 Rosengart說：“這一觀察表明存在未開發和未優化的基礎機製。”
研究小組更詳細地調查了GMT雞尾酒如何激活減少纖維化的機製。他們發現了第一個證據，在GMT雞尾酒的三個組成部分，隻有Gata4能夠減少心髒病發作纖維化，並改善大鼠心髒病發作模型的心髒功能。
“Gata4在心髒再生中起著複雜的作用：作為GMT雞尾酒的一部分，它有助於將成纖維細胞重新編程成心肌細胞樣細胞;我們知道它有助於心髒肥大 - 心髒擴大的發展 - 現在我們發現它可以減輕心髒纖維化，“Mathison說。 “其他人報道說，Gata4也可以抑製肝纖維化，在將這些發現轉移到臨床之前還有很多工作要做，但它們是重要的第一步。”
10.Cell子刊：將人類心髒成纖維細胞轉化為心肌細胞
doi:10.1016/j.stemcr.2013.07.005
在心髒病發作後，受害最嚴重部位的心肌細胞會喪失跳動能力，埋沒在疤痕組織裏。但是最近，美國加利福尼亞大學格萊斯頓研究所科學家稱，這種損害不再是永久性的，他們找到一種方法，能把形成人類疤痕組織的細胞重新轉變為極接近心髒細胞的會跳動的細胞。相關論文發表在最新出版的Stem Cell Reports期刊上。
該研究小組去年曾在《自然》雜誌發表論文，提出在小鼠身上通過重編程把成纖維細胞轉變為跳動心髒細胞隻需注射3種基因，合稱GMT。但這次在人類細胞實驗中，單獨GMT組合效果並不理想。論文第一作者、格萊斯頓研究員傅繼東(音譯)說，於是他們重新開始尋找能促進轉變的其他基因。
研究小組把範圍縮小到16個可能的基因，經過係統排除，最終找到了一種5個基因的組合：3個GMT組合加上ESRRG和MESP1，這5基因組合已足夠把成纖維細胞變成類心髒細胞。隨後他們發現，再添加MYOCD和ZFPM2兩個基因，細胞會轉變得更完全。此外，他們還創新了重編程早期階段的一種化學反應，叫作TGF-β信號路徑，能進一步提高重編程的成功率。
11.Cell Res：利用化學混合物誘導成纖維細胞直接重編程為心肌細胞
doi:10.1038/cr.2015.99
來自同濟大學、中科院上海藥物研究所的研究人員報告稱，他們利用化學混合物成功地將小鼠成纖維細胞直接重編程為心肌細胞。這一研究突破發布在Cell Research期刊上。
這些研究人員利用化學混合物讓小鼠成纖維細胞轉化為可自發跳動的心肌細胞樣細胞。這些化學誘導心肌細胞樣細胞(CiCMs)表達心肌細胞特異性標誌物，具有典型的心肌鈣流及電生理特征。遺傳譜係追蹤證實這些CiCMs源自成纖維細胞。進一步的研究證實CiCMs生成經過了一個心髒祖細胞階段，而非多能階段。這一概念驗證研究為在體內采用化學混合物實現心肌細胞轉分化，及開發出更安全的心理衰竭療法奠定基礎。
12.Science & Cell子刊：丁勝突破性成果!利用特殊藥物將皮膚細胞成功轉化為心髒和大腦細胞
doi:10.1126/science.aaf1502; doi:10.1016/j.stem.2016.03.020
