周云國，曹玲玲，洪葵

遺傳性心臟病是一類由遺傳因素引起的心臟病，是引起致命性心律失常和猝死的主要原因。遺傳性心臟病包括心臟結(jié)構(gòu)異常的心肌病和心臟結(jié)構(gòu)正常的離子通道病，如長Q-T綜合征、短Q-T綜合征等。目前，遺傳性心臟病有效治療手段欠缺。盡管近年來微創(chuàng)手術(shù)和內(nèi)科介入有了發(fā)展，新型藥物研發(fā)應(yīng)用也為患者帶來一定幫助，患病率和病死率仍然居高不下。

以往遺傳性心臟病的研究多數(shù)利用動物模型或現(xiàn)有其他組織細(xì)胞株，而倫理等問題使人類胚胎干細(xì)胞的研究工作受到限制。誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPS細(xì)胞)因無倫理學(xué)限制且具有疾病特異性，已成為心血管病領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，為遺傳性心臟病發(fā)病機(jī)制的研究及治療帶來了曙光。

1 iPS細(xì)胞概況

2006年，Takahashi和Yamanaka等首次通過病毒載體系統(tǒng)向小鼠成纖維細(xì)胞導(dǎo)入4種基因：Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4，成功地將已分化成熟的小鼠正常體細(xì)胞去分化重編程為胚胎干細(xì)胞(ES)樣細(xì)胞，并命名為iPS細(xì)胞[1]。iPS細(xì)胞形態(tài)、端粒酶活性、核型以及細(xì)胞表面標(biāo)志均與ES相似，在體外懸浮培養(yǎng)可形成擬胚體，接種至嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷病(serious combined immunodeficiency disease,SCID)小鼠體內(nèi)可形成具有3個(gè)胚層的畸胎瘤，即具有全能性。2007年，美、日兩國科學(xué)家又使用人體細(xì)胞獲得了iPS細(xì)胞[2-3]。2009年，我國科學(xué)家周琪教授與曾凡一教授團(tuán)隊(duì)合作，利用iPS細(xì)胞通過四倍體囊胚注射法，得到存活并具有繁殖能力的小鼠，在世界上首次獲得完全由iPS細(xì)胞制備的活體小鼠，有力地證明了iPS細(xì)胞具有真正的全能性，同時(shí)也為iPS細(xì)胞的安全性提供了可靠的依據(jù)[4]。

最初的iPS細(xì)胞具有罹患腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)，可能原因包括c-Myc基因是癌基因，攜帶該基因的病毒轉(zhuǎn)錄到體細(xì)胞中可使c-Myc基因激活和表達(dá)[5]。為了避免腫瘤患病風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家們已經(jīng)利用非整合性病毒、小分子化合物或蛋白質(zhì)等方法成功建立了iPS細(xì)胞系，但這些方法還存在誘導(dǎo)效率低的問題[6-7]。最近，中川昭一等用L-Myc代替c-Myc將iPS細(xì)胞分化發(fā)育成嵌合體小鼠。L-Myc提高了人類體細(xì)胞的重編程效率，并促進(jìn)嵌合體小鼠的種系形成能力，但不增加腫瘤發(fā)生率[8]。Stadtfeld等應(yīng)用不會被整合到宿主基因組內(nèi)的腺病毒及質(zhì)粒作為載體，可降低iPS細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)后腫瘤發(fā)生率[9]。這些改進(jìn)為今后的臨床研究提供了更多安全保證。

目前iPS細(xì)胞不僅可以來源于成纖維細(xì)胞，還可以來源于體內(nèi)其他已經(jīng)分化的細(xì)胞，如肝細(xì)胞、β細(xì)胞，從而提高了iPS細(xì)胞來源的可行性。iPS細(xì)胞在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件下能進(jìn)一步分化為神經(jīng)干細(xì)胞、功能性心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞、骨細(xì)胞等體內(nèi)大部分細(xì)胞，具有與ES相似的多向分化潛能，有可能取代干細(xì)胞進(jìn)入臨床研究。

2 iPS細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞

隨著基因技術(shù)不斷改進(jìn)，大部分疾病可以通過建立特定基因的小鼠模型進(jìn)行研究。但高血壓、高脂血癥、冠心病等疾病，目前并不明確哪些基因起主導(dǎo)作用，離子通道病等疾病模型的建立也受到極大限制，而且動物疾病模型并不能完全真實(shí)地再現(xiàn)人體疾病的發(fā)生過程。iPS細(xì)胞保留了患者的特殊基因型，為研究遺傳性疾病發(fā)病機(jī)制、治療方法提供了機(jī)遇。

2008年，Park等首次將包括1型糖尿病、帕金森病、亨廷頓病和唐氏綜合征在內(nèi)10種遺傳疾病的患者體細(xì)胞誘導(dǎo)成iPS細(xì)胞，鑒定后肯定了這10種iPS細(xì)胞的全能性[10]。同年，Mauritz和Narazaki的兩個(gè)研究小組將小鼠iPS細(xì)胞成功分化為心肌細(xì)胞[11-12]。2009年，Zhang等進(jìn)一步將人類iPS細(xì)胞分化為功能性心肌細(xì)胞[13]。但心肌細(xì)胞分化效率低，且分化出的細(xì)胞不純。Laflamme等通過添加一些信號分子，如激活素A(Activin A)和骨形態(tài)生成蛋白4(BMP-4)，提高了心肌細(xì)胞分化效率[14]。

利用iPS技術(shù)獲得人類心肌細(xì)胞可以為患者量身定做疾病特異性細(xì)胞系。Nelson等把iPS技術(shù)運(yùn)用于探索心臟病的治療：他們將普通小鼠成纖維細(xì)胞重編程為iPS細(xì)胞并植入小鼠子宮內(nèi)，分化出心臟實(shí)質(zhì)細(xì)胞，再將心臟實(shí)質(zhì)細(xì)胞植入受損的小鼠心臟，2周后嫁接，4周后明顯改善受損心臟的結(jié)構(gòu)和功能，使心肌細(xì)胞收縮性恢復(fù)且電位穩(wěn)定性增強(qiáng)[15]。之后，大量科學(xué)家對iPS技術(shù)應(yīng)用于心臟病治療展開了進(jìn)一步的研究和探索[16-18]。這一技術(shù)可以為個(gè)性化治療、藥物療效評估甚至疾病發(fā)病機(jī)制的研究提供方便，在臨床藥物試驗(yàn)中可能不再需要大量患者作為試驗(yàn)對象。

3 iPS在遺傳性心臟病領(lǐng)域中的應(yīng)用

iPS細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞攜帶疾病特異基因的優(yōu)點(diǎn)使其成為遺傳性心臟病研究中的重要工具。2010年，Moretti等首次將遺傳性心臟病患者的皮膚成纖維細(xì)胞重編程為心肌細(xì)胞，建立了1型長Q-T綜合征的細(xì)胞模型[19]。同年，Lemischka等構(gòu)建了LEOPARD綜合征(以肥厚性心肌病為主要癥狀)的細(xì)胞模型[20]。2011年，Itzhaki等將1例2型長Q-T綜合征患者的皮膚成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)重編程為iPS細(xì)胞，通過模擬心肌細(xì)胞分化的過程，進(jìn)一步誘導(dǎo)iPS細(xì)胞分化成心肌細(xì)胞。RT-PCR及免疫熒光染色技術(shù)證實(shí)該心肌細(xì)胞具有α-肌球蛋白重鏈、心肌特異肌鈣蛋白I、肌球蛋白輕鏈2α和連接蛋白CX43等心肌特異表達(dá)標(biāo)志，膜片鉗和胞外多電極記錄顯示該細(xì)胞的Q-T間期明顯延長，電壓鉗證實(shí)動作電位延長主要起源于心肌細(xì)胞鉀離子流明顯減少。更重要的是，此細(xì)胞主要表現(xiàn)出早后除極和觸發(fā)性心律失常[21]。Yazawa等將源于Timothy綜合征患者的皮膚成纖維細(xì)胞重編程為iPS細(xì)胞，進(jìn)一步誘導(dǎo)分化成心肌細(xì)胞，應(yīng)用電生理記錄和鈣離子成像技術(shù)顯示了細(xì)胞的異常收縮、過度鈣離子內(nèi)流、動作電位延長、異常的生物電活性和鈣瞬變[22]。iPS技術(shù)可應(yīng)用于制作疾病特異性遺傳性心臟病細(xì)胞模型，在新藥開發(fā)、藥效學(xué)、毒理學(xué)等研究方面具有良好的應(yīng)用前景。

4 總結(jié)與展望

以患者自身體細(xì)胞誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞，細(xì)胞取材廣，不存在倫理學(xué)爭議；重編程的iPS細(xì)胞具有全能性、安全性以及疾病特異性。iPS技術(shù)的以上優(yōu)點(diǎn)，為研究遺傳性心臟病發(fā)病機(jī)制和治療帶來希望。然而，目前iPS技術(shù)研究還處于起步階段，還有一系列問題有待深入系統(tǒng)研究，如成熟體細(xì)胞重編程為iPS細(xì)胞的效率低；iPS細(xì)胞重編程和再分化的分子機(jī)制尚不清楚；雖然通過改變轉(zhuǎn)錄因子和載體系統(tǒng)后，植入iPS細(xì)胞罹患腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)有所降低，但是致癌性仍不可避免[23]。

一種新技術(shù)在發(fā)展之初都會存在許多理論和技術(shù)上的問題，iPS技術(shù)目前并非盡善盡美，但應(yīng)用iPS技術(shù)建立疾病特異性細(xì)胞模型，仍為研究疾病機(jī)制、篩選有效藥物、個(gè)體化治療等帶來新的希望。

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