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      斑馬魚心臟再生-從心肌細胞到復雜的微環境
      來源:中國實驗動物信息網 | 作者:李曉菲譯 | 發布時間: 1132天前 | 910 次瀏覽 | 分享到:

      心肌梗死后心臟修復研究發現心肌細胞增殖是限制成年哺乳動物心臟再生的主要因素。然而,越來越多的證據表明,對這一種細胞類型的狹隘關注,使涉及一整套不同細胞類型的復雜級聯細胞通訊的重要性大打折扣。研究心臟再生的一個主要困難是在成年動物中這種過程非常罕見。我們將成年斑馬魚作為理想且獨特的模型進行了綜述,在該模型中,研究了心臟損傷后實現完全心臟再生所需的潛在機制和細胞類型。我們介紹了心臟微環境在復雜再生過程中的作用,并討論了使用這種體內脊椎動物模型的一些關鍵進展,這些進展最近增加了我們對多種不同細胞類型的重要作用的認識。由于大量令人興奮的研究描述了炎癥細胞在心臟再生中的新的和意想不到的作用,本綜述將特別關注這些重要的微環境參與者。

      簡介:心血管疾病和心肌梗塞(MI)仍然是全球主要的健康負擔,并且它們與肥胖癥的流行和日益不健康的生活方式之間的關系意味著在未來幾年內其發病率不太可能下降。心肌梗死通常繼發于冠心病,可導致大量心肌細胞(CM)丟失,可能高達10億個細胞,隨后常伴有纖維化組織和瘢痕形成,嚴重限制心臟的功能能力,導致心力衰竭。哺乳動物模型的再生僅限于早期發育階段。當前針對心血管疾病的治療選擇范圍從藥物到移植。 但是,不可避免的是,每種策略都具有相關的缺點。長期以來,通過干細胞或細胞替代療法來刺激新CMs的產生一直是最終目標。以CM為中心的療法取得的成功有限,這些方法過于狹窄,過于專注于單一細胞類型。為了開發一種可能刺激內源性再生或為CM替代策略提供額外支持的方法,還必須利用一個促進再生的微環境,擴大范圍,包括各種非心肌細胞和細胞外環境。為了研究這種復雜性,似乎有必要求助于一個既能提供自然再生能力又能提供完整體內系統的模型系統,斑馬魚可以(幾乎唯一)滿足這些標準。心室頂點的外科切除術已經使用了近二十年,以研究與成年斑馬魚心臟組織再生有關的機制。此外,遺傳細胞消融模型已被用于減少CM數量并觸發再生。最近,冷凍損傷模型的開發將液氮冷卻的探針放置在心室上以誘導局部細胞死亡,從而提供了一個新的視角來觀察所得的再生,并更能代表由MI引起的細胞損傷。無論選擇哪種損傷模型,對該模型中復雜損傷反應的研究都提供了有關損傷后重建心臟所需的細胞和分子機制的大量信息,并且越來越強調需要將范圍從CM擴展到這些細胞周圍的微環境。

      目前的治療前景:盡管成年哺乳動物心臟的結構相對簡單,但修復是復雜的,而且迄今為止還無法實現再生。由于目前再生是不可能的,而且心臟移植也受到實際考慮的限制(不僅缺乏供體,而且還有相關的手術復雜性),重點是治療而不是治愈,特別是防止缺血性心臟病發展為心力衰竭。心臟保護性治療方案可以改善血液供應(例如通過溶栓或旁路手術進行血運重建),而藥理學干預措施可以減慢心臟重塑(例如ACE抑制劑和β受體阻滯劑),而更晚期的心力衰竭患者受益于機械支持療法(如左心室輔助裝置或心臟再同步治療)。盡管治療干預措施廣泛,但缺血性心力衰竭及其相關的不良心臟重塑仍然是全球衛生服務的主要挑戰。細胞置換療法旨在直接解決CM增殖不足的問題,而CM增殖被廣泛認為是心臟再生的限制因素。這些治療方法包括在體外培養大量的細胞,并將它們直接注射到受傷的心臟中,在許多臨床前環境中顯示出了希望。然而,這一相對較新的策略的結果往往不一致,無法實現心功能的顯著改善,動物模型的研究揭示了令人擔憂的普遍副作用,包括心律失常和心動過速。研究發現,直接化學刺激固有免疫系統產生的結果可與先前報道的心臟缺血損傷修復性細胞療法相媲美。干細胞療法產生的有益效果主要是由特定巨噬細胞群體的急性區域積累和由細胞移植引發的炎癥性傷口愈合反應介導的,而不是由移植細胞的直接增殖介導的。這些發現也與一種新的研究趨勢相一致,進一步闡明免疫反應在心臟修復和再生中的作用。

      心肌細胞增殖:近年來,CMs增殖能力不足已成為心臟損傷/心肌梗死后心臟再生的主要限制因素。在成熟哺乳動物心臟中,CM增殖不良,祖細胞數量較少,出生后心臟主要通過心肌肥大而增大??紤]到其再生潛力,成人心肌的組成值得注意。盡管約90%的心肌組織由CMs組成,但這些細胞僅占細胞總數的30%,其余主要由內皮細胞(43%)、成纖維細胞(20%)和白細胞(約7%)組成。大約1%是CM祖細胞(或干細胞),再加上大多數成年CM處于靜止狀態這一事實,被認為是造成成年人類心臟損傷后再生能力非常低的事實??紤]到心肌梗死后的細胞損傷可能在25%的細胞損失范圍內,很明顯,正常的周轉和置換操作存在明顯的缺陷,并且不足以恢復梗死后的功能性心肌。然而,如果心肌細胞總數中只有30%是CMs,那么將我們對再生能力的關注范圍縮小到這種單細胞類型似乎是有限制的。盡管在成年哺乳動物的心臟中不存在強健的再生,但是在新生哺乳動物中觀察到了不同程度的心臟再生。 鼠和豬的心臟能夠有效再生,前提是損傷發生在出生后的前兩天,并且損傷程度不會太大(<15%)。損傷導致高達20%的心室細胞死亡(按面積計算)似乎可以很好地耐受并在傷后60天內完全消除,但將損傷面積增加5%似乎會使斑馬魚心臟的再生能力超出其極限,即使在130 dpi時疤痕也無法完全消除。此外,最近的一份報告表明,反復的冷凍損傷限制了成年斑馬魚的再生能力。有趣的是,每次損傷后CM增殖都會被激活(盡管隨著時間的推移,這種增殖效率會降低),但是每次損傷都會加劇膠原沉積,疤痕清除逐漸失敗,這進一步表明再生能力有限。斑馬魚損傷模型還有助于在再生環境中闡明新的心肌細胞來源。 數項研究已利用譜系追蹤方法顯示現有成熟的CM是新心肌的來源,而干/祖細胞在此過程中沒有明顯參與。從形態學上看,分裂的斑馬魚CMs以類似于促進小鼠細胞增殖的結構改變的方式改變其收縮狀態。在成年哺乳動物中有一些CM增殖,這可能是由現有的CMs引起的(如斑馬魚);然而,這種情況發生的頻率要低得多,而保持這種增殖能力的CMs的特征尚未完全確定。近年來有證據表明倍性是一個重要因素。大多數斑馬魚細胞質雄性不育系是單核和二倍體的;然而,這些特性在哺乳動物細胞中丟失,這些細胞在出生后不久就變成雙核或多倍體。這一假設關系得到進一步證實,因為單核二倍體CMs的患病率已被證明與小鼠冠狀動脈結扎后的功能恢復和CM增殖相關,CM倍體通??梢灶A測脊椎動物的再生潛力。Gonzalez-Rosa等人的 最近研究已經顯示了倍性的重要性,因為斑馬魚雄性不育系的實驗性多倍體化足以抑制這種高度再生模型中的增殖潛能,并且需要大量的二倍體CM來支持再生。

      斑馬魚作為修復與再生的模型:斑馬魚的許多優點,如其高繁殖力、外部受精和發育中幼蟲的透明性,是將其作為脊椎動物發育生物學的一個有價值的模型系統的基礎。然而,編碼人類基因的70%與斑馬魚中發現的基因有關,84%的疾病相關基因具有斑馬魚的等效性,這意味著它們已經成為人類疾病的重要模型。除了這些眾所周知的特征外,斑馬魚在本研究中的關鍵屬性是它們幾乎具有獨特的能力,能夠在損傷后完全再生成年心臟,從而為從修復到再生的過程提供細胞和分子圖譜。如上所述,已在成年斑馬魚中描述了三種主要的心臟損傷模型:(1)心臟切除,(2)冷凍損傷和(3)CM的遺傳消融。值得注意的是,在心臟損傷之后,如心肌梗死(人類)或冷凍損傷(斑馬魚),從損傷到修復和瘢痕形成的初始階段都是保守的,這進一步加強了斑馬魚作為一種強有力的工具的價值,以了解阻止哺乳動物再生的限制因素。人類和斑馬魚的修復都涉及一個初始的炎癥階段(定義為免疫細胞的募集和吞噬作用清除細胞碎片),然后是修復階段,其特征是膠原蛋白和其他細胞外基質(ECM)成分的沉積以及疤痕的形成。在人體中,這種膠原蛋白基質會形成無法消除的成熟疤痕。 但是,在斑馬魚中,廢棄的膠原蛋白會迅速重塑并被新的心肌所取代。

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      人和斑馬魚心臟修復。人類和斑馬魚心臟損傷后的修復/再生階段,表明最初的炎癥反應和疤痕反應相似,但最后階段有所不同,人類表現出持續性瘢痕組織和CMs更新不良。斑馬魚心肌梗死模型(如圖中所示的冷凍損傷)表現出瘢痕愈合和CM增殖的再生階段,最終恢復健康心肌。


      冷凍損傷導致心室壁細胞死亡(冠狀動脈管腔中也可檢測到凋亡細胞),其峰值約為4dpi,在60 dpi時逐漸降低至0.5%以下。這個凋亡高峰伴隨著最初的炎癥反應和新生血管的開始,同時已有的冠狀動脈血管萌芽進入損傷區域。在4 dpi時也可以看到損傷區域廣泛的纖維蛋白積聚,但在14-21 dpi時大部分消失。在損傷反應的最初階段觀察到廣泛的CM(和其他細胞)增殖,在第一周達到高峰。到21dpi時,損傷區域的血管覆蓋已經完成,并且損傷區域的血管重建非常迅速,以至于僅僅在受傷后40天,對照組和受傷心臟之間的血管就無法區分。富含膠原蛋白的疤痕的沉積、重塑和成熟是哺乳動物修復過程中的最后階段;然而,斑馬魚體內該組織的溶解速度很快,心臟組織的瘢痕清除和再生在60-130 dpi內完成,這取決于初始損傷的大小。有趣的是,冷凍損傷和切除損傷反應的對比分析表明細胞凋亡、炎癥和疤痕的程度不同,進一步突出了損傷之間的差異。成人體內系統的這種再生能力為研究完整環境中再生的分子和細胞過程提供了無與倫比的機會。

      最近,人們開始將注意力集中在炎癥作為再生過程的關鍵方面。 斑馬魚具有許多與哺乳動物相似的先天性和適應性免疫細胞群,在健康且受傷的斑馬魚心臟中可以發現相似的比例。我們的小組和其他人已經描述了先天性和適應性免疫細胞群的系統性招募和擴張,并且已經開始揭示它們在成年斑馬魚心臟修復和再生時間表的特征階段中的作用。這表明斑馬魚和哺乳動物心臟修復之間存在直接的相似性,及時誘導和消除炎癥反應對于斑馬魚心臟的正常再生和調節修復的許多其他方面至關重要,包括血運重建,CM增殖與瘢痕沉積及消退。最近的觀察也表明,如果沒有嚴格的炎癥反應調節,無論是否存在增殖細胞和ECM,過度的免疫細胞聚集都會抑制再生。這表明炎性細胞在耦合CM增殖和瘢痕消除中起關鍵作用,這兩者對于有效的再生結果至關重要。全面描述斑馬魚和哺乳動物在修復和再生過程中的免疫細胞類型,以及全面了解斑馬魚和哺乳動物之間的差異,對于理解它們在損傷后的不同作用至關重要。在這里,我們介紹了在心臟再生過程中已研究的主要免疫細胞類型。

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      斑馬魚心臟修復/再生過程中的免疫細胞群和細胞外基質動態。

      粒細胞:粒細胞是先天免疫系統的關鍵組成部分,包括中性粒細胞和嗜酸性粒細胞,已開始明確它們在成年斑馬魚心臟損傷后的作用和動態。中性粒細胞是組織損傷的“第一反應者”,從傷后6小時(hpi)起迅速動員和招募到低溫損傷的心臟中。中性粒細胞數量在最初的24小時內達到高峰,在此期間它們是促進炎癥修復的主要因素。除了對壞死組織的吞噬作用外,被招募的中性粒細胞還分泌促炎介質、活性氧(ROS)和細胞因子,這些物質招募額外的免疫細胞,促進肌成纖維細胞分化和血管生成,對后期再生至關重要。然而,中性粒細胞釋放ROS,以及浸潤的單核細胞,會導致進一步的組織壞死和瘢痕形成。在心臟損傷模型中,中性粒細胞滯留可延長炎癥期,導致瘢痕消退延遲和CM增殖減少,因此,及時停止中性粒細胞反應對斑馬魚再生結果至關重要。嗜酸性粒細胞也會迅速聚集到受傷的斑馬魚心臟中,并從7-21dpi升高,盡管如此,尚未對斑馬魚中的這種細胞類型進行功能研究,因此需要進一步研究以闡明它們在協調修復和再生中的作用。

      巨噬細胞:不同巨噬細胞功能在傷口愈合過程中的重要性已經在修復性和再生性生物體中得到了很好的描述。這包括修復初期的吞噬和促炎活性,以及炎癥環境向穩態狀態的逆轉。巨噬細胞的功能范圍也在不斷擴大,最近的出版物確定了鼠和斑馬魚模型中巨噬細胞在傷口血管生成,心臟穩態期間的電導率以及心臟損傷后膠原沉積中的新作用。巨噬細胞按功能和激活狀態大致分為“ M1”或“ M2”,M1巨噬細胞被認為是促炎和抗微生物的,M2巨噬細胞被認為在促進修復的,在組織重建、免疫調節、基質沉積和吞噬作用中發揮作用。然而,越來越明顯的是,心臟巨噬細胞的多樣性,有時甚至令人驚訝的作用是由高度異質的表型、轉錄譜和激活狀態的亞群所協調的,這些亞群比傳統的M1或M2分類更具瞬時性。

      淋巴細胞:適應性免疫系統與再生之間的關系一直是爭論的焦點,因為擁有更先進免疫系統的有機體通常會降低再生能力。因此,中性粒細胞和巨噬細胞在傷口愈合和再生中的作用已經得到廣泛研究,但適應性免疫細胞的作用卻不太清楚,特別是在心臟再生方面。然而,越來越明顯的是,許多再生生物,包括斑馬魚,擁有復雜的適應性免疫系統,這就證明了在再生過程中研究這些細胞的必要性。適應性免疫系統的淋巴細胞,如T細胞,協調抗原特異性免疫。T細胞有許多亞群,具有不同的功能,如腫瘤和病毒免疫、細胞因子分泌和體液反應的建立。另一個亞群,CD4+?FOXP3+?T調節細胞(Tregs)對于通過分泌抗炎細胞因子如IL-10來抑制炎癥反應很重要。在小鼠心肌梗死模型中,這些T細胞群已被證明具有不同且相反的作用,在傷口愈合、炎癥和CM數量調節方面具有已知的功能。因此,有必要進一步研究T細胞對心臟損傷的反應。

      細胞外基質的組成和功能:尚未解決的成熟疤痕的形成主要抑制了哺乳動物心梗后的心臟功能,因此,ECM的組成和調節其的細胞也應被視為再生過程中的重要角色。心肌細胞外基質(ECM)是一個復雜的蛋白質網絡,主要由膠原組成,有一個圍繞CMs(肌內肌層)的組織,定義主要的心肌組織束(肌膜)并包裹整個心肌。它環繞心臟,提供支架并維持組織結構。在哺乳動物和斑馬魚中,心臟成纖維細胞是產生ECM的主要貢獻細胞類型。正常情況下,間質成纖維細胞對損傷或缺氧等刺激反應迅速,重新進入細胞周期,合成ECM蛋白,調節細胞間通訊,產生活化的成纖維細胞和肌成纖維細胞。在哺乳動物中,心臟ECM被認為主要由膠原蛋白I(> 85%)組成,其他膠原蛋白,纖連蛋白,糖胺聚糖(GAG)和蛋白聚糖構成了其余的基質。有關ECM組成的其他信息可從免疫檢測分析中獲得,這些檢測結果表明斑馬魚心臟再生過程中存在幾種基質蛋白,包括結構蛋白,例如非原纖維膠原XII和原纖維膠原I。斑馬魚的去細胞化心肌細胞外基質對人心臟前體細胞具有顯著的增殖作用,并能使心肌梗死后小鼠心臟組織內源性再生。斑馬魚和哺乳動物細胞外基質的這些明顯差異突出了其在介導再生中的重要性,并證明了繼續研究ECM成分產生和分解的確切方式的價值。

      結論:本文綜述了斑馬魚模型在心臟再生研究中的優勢,特別著重于不同細胞類型在心臟微環境中的作用。通過對斑馬魚及其非凡的自然再生能力的研究,發現了其中許多作用。CM數目的恢復對心臟的再生和功能恢復至關重要,但是斑馬魚和其他再生模型的研究揭示了免疫細胞、心外膜細胞、神經、成纖維細胞和內皮細胞所傳遞的信號和其他功能對支持這種再生結果至關重要。未來的治療方法需要保護或替代這些其他細胞類型以及CM才能有效。


      原文出自:https://link.springer.com/article/10.1007/s00418-020-01913-6

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