体外震心脏震波促进心肌血管新生的研究进展

  传统的药物疗法、经皮冠状动脉介入治疗(PCI) 和冠状动脉搭桥术(CABG)虽然挽救了多数冠心病患者的生命,但仍然不能适用于晚期严重顽固性冠心病的治疗,此类患者仅靠药物治疗,预后不佳,行之有效的方法是促进新生血管形成,改善心肌缺血,尽力恢复心肌功能。近年来研究证明由瑞士ST ORZ  MEDICAL公司在多年制造体外震波碎石设备的基础上,根 据 低 能 超 声 波 的 生 物 学 特 性 研 制 而 来 的 体 外 震 波 治 疗 系 统(Extracorporeal shock wave therapy, ESWT)(见图1)是一种有效、安全、无创的促进缺血心肌组织血管新生的治疗手段,用于顽固和严重性冠心病患者的临床治疗能改善冠心病患者心功能,提高射血分数,减少心室重构,提高患者生活质量,改善患者预后。本文总结研究发现体外震波可能是通过动员干细胞增殖、分化为血管内皮细胞,提高血管生长因子高表达,抑制炎症、氧化应激和凋亡,为血管新生创造一个有利的微环境,从而促进缺血心肌血管新生。通过研究探讨ESWT促进缺血性心脏病血管新生的作用机制,为ESWT的临床运用和推广提供科学依据。



  图1 体外震波治疗系统  (a)病人正在接受体外震波治疗;(b)震波脉冲聚焦于缺血心肌组织,如箭头所示;(c)震波治疗仪基本结构由发射器、圆柱形线圈、圆柱形水垫组成。 

1 ESWT促进心肌血管新生

  ESWT的声波能量仅为体外震波碎石能量的1/10,震波具有陡峭的脉冲前沿、较高的脉冲压力、较短的脉宽,还有低张力波的成分,在人体组织中的衰减低,具有较好的穿透力,当正压波和低张力波经过细胞与体液界面时,将会发生反射和折射,形成剪切力和空穴效应,促进心肌内微血管的修复再生。

  2004年Nishida等在猪的左冠状动脉回旋支放置缩窄环制作成缺血性心肌病模型。4周后16头猪中有8头接受了ESWT,另8只作为对照组未行治疗。治疗4周行冠状动脉造影侧支循环评分(rentrop score)发现治疗组比对照组侧支血管数量显著增加(P<0.05),Ⅷ因子着色法测定治疗组和对照组缺血区心内膜和心外膜的毛细血管密度,表明震波治疗增加侧枝血管的建立,提高缺血性心肌病动物模型缺血心肌组织的毛细血管密度。2007年Uwatoku 等结扎猪左回旋支,建立急性心肌梗死(AMI)模型,早期(3天后)ESWT治疗,同时设立对照组。结果显示早期治疗组边缘区毛细血管密度由(938±34) /mm2增加到(1348±15)/mm2,提示ESWT在AMI早期能够增加边缘区血流灌注和毛细血管密度。2010年Ito等为观察ESWT对心肌缺血再灌注损伤的影响,对实验猪进行缺血一再灌注处理,先用球囊封堵左前降支90 min,经冠脉造影证实相关心肌急性缺血后,球囊放气行再灌注治疗。后随机分成两组,实验组给予震波干预,对照组不做任何处理,4周后随访。结果显示,实验组和对照组毛细血管密度分别为(1.560±60)/mm2比(1.233±31) /mm2(P<0.001),证实ESWT也能提高心肌缺血再灌注治疗的毛细血管密度,缓解缺血灌注带来的损伤。

2  ESWT在促进心肌血管新生中的作用机制

2.1 促进干细胞功能

  干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞,在修复不可逆的心肌损伤过程中有关键作用,在体内移植干细胞到心肌梗死区,研究发现在缺血心肌组织有新的血管内皮细胞和微血管的形成。干细胞有着巨大的医学应用前景,有可能作为“种子细胞”用于细胞替代疗法,但是因为费用昂贵、难度大、免疫原性大等使之很难推广。ESWT能在体外动员向血管内皮细胞分化的干细胞迁移、归巢到受损心肌缺血组织,增殖并分化为血管内皮细胞,避免了干细胞移植的局限性,参与促进新生血管的形成。

  间充质细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是来源于中胚层的具有高度自我更新能力和多向分化潜能的成体干细胞。广泛存在于全身结缔组织和器官问质中,以骨髓组织中含量最为丰富骨髓,能定向分化为血管内皮细胞。Suhr F等用聚焦体外震波治疗人骨髓间充质细胞(hBMSCs),发现聚焦体外震波 0.2 mJ/mm2能提高hBMSCs的增长率和迁移能力(p<0.05),同时减少凋亡的发生(p<0.05),聚焦震波作用下定向应力纤维的形成导致肌动蛋白细胞骨架重建,进而增强hBMSCs的迁移能力,0.2mJ/mm2为聚焦体外震波保持hBMSCs分化潜力的最佳能量。

  内皮祖细胞(Endothelial progenitor cells,EPC)是一种中间类型的干细胞,是血管内皮细胞的前体细胞,在特定条件下能增殖分化为血管内皮细胞,参与管腔形成。同时EPC能够分泌多种血管生长因子参与血管形成,有研究发现EPC表达VEGF-A,VEGF-B,SDF-1,IGF-1mRNA高于人脐静脉内皮细胞 (HUVEC)和人微血管内皮细胞 (HMVEC),促进了内皮细胞和心脏原住干细胞 c-kit(+)的迁移,参与血管形成和心肌再生。国内蔡红雁等从冠心病患者外周血获取单个核细胞并给以震波处理,结果显示,震波治疗组患者外周血内皮祖细胞数量、形成细胞集落数较对照组明显增多(P<0.05),提示体外震波治疗对冠心病患者外周血EPCs增殖及向内皮细胞系分化有显著促进作用。进一步研究还发现ESWT还能促进大鼠骨髓源性EPC迁移、体外血管形成能力,促进EPC归巢到缺血心肌分化为血管内皮细胞(如图2)。


  图2 ESWT促进EPC迁移、血管形成和归巢  A:ESWT促进EPC迁移;B:ESWT促进EPC体外血管形成;C:ESWT促进EPC归巢到缺血心肌组织分化为血管内皮细胞(发红色荧光)

2.2 提高促血管新生的生长因子表达

  血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)是唯一一种高度特异作用于血管内皮的细胞因子,能高效、特异地作用于血管内皮细胞,促使血管内膜再生及血管通透性增加。VEGF能促进内皮细胞分裂、增殖、迁移、趋化,能通过促进单核巨噬细胞迁移,进而分泌多种血管生长因子,间接促进血管新生,还能动员骨髓中的内皮祖细胞进入外周循环,并定位到缺血组织,在原位分化形成成熟的内皮细胞,从而形成新的血管,国外已有研究体外震波对体外培养的人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的血管生成因子的表达影响,发现震波能显著上调VEGF的mRNA及受体Flt的表达,为ESWT促进血管新生提供一种理论上的依据。

  碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)有极强的有丝分裂原活性,是一种血管再生因子,能影响中胚层、神经外胚层和外胚层来源的细胞生长和分化,促进血管内皮细胞增殖和分化,刺激血管内皮细胞迁移和趋化,有明显促进新血管生成作用。Schumacher等在心肌缺血区采用bFGF直接注射法治疗20例冠心病患者,治疗12周后,在注射点周围有毛细血管形成,预示bFGF可用于心肌组织的血管形成和建立侧支循环。孙帅等将体外震波用于猪急性心肌梗死模型,荧光定量PCR法测定不同部位心肌组织中碱性成纤维细胞生长因子bFGF的表达情况,发现梗死区,实验组bFGF明显高于对照组(P<0.01),表明体外震波对梗死边缘区心肌组织中的bFGF的表达起促进作用,有利于边缘区血管形成和侧枝循环的建立。

2.3 促进趋化因子SDF-1趋化功能

  基质细胞衍生因子-1 (Stromal cell-derived factor-1,SDF-1) 首先在小鼠骨髓基质细胞分泌的细胞因子中被发现,属于趋化因子CXC亚家族。SDF-1/ CXCR4系统对具有分化潜力的前体细胞的动员、迁移和归巢,促进血管生成方面起着重要的作用。ESWT通过引起SDF-1/CXCR4的高表达,从而动员血管内皮前体细胞迁移到心肌受损组织增殖分化为内皮细胞,引起血管新生。Aicher A等对慢性缺血的动物模型研究发现,低能震波能够上调SDF-1 mRNA转录活性及VEGF阳性的内皮细胞数量,显著增加了内皮前体细胞的归巢过程。Fu M等将12只小型猪的冠状动脉左前降支放入缩窄器造成左心室心肌缺血模型,并将其分为两组,一组接受ECSW治疗,能量为0.09mJ/mm2,800击/点,另一组不治疗,结果发现CXCR4和SDF-1a的mRNA在震波组的表达均高于非震波组(p<0.04)。IHF染色发现震波组血管内皮细胞的特异性标志vWF,CD31阳性细胞SDF-1a/CXCR4的表达也显著升高,表明ESWT通过引起SDF-1a/CXCR4的高表达动员血管内皮前体细胞增殖分化为的内皮细胞。

2.4 抑制炎症、氧化应激和凋亡

  NO是炎性反应的早期参与者,由内皮型一氧化氮合成酶 (endothelial nitric oxide synthase,eNOS)催化生成的NO在调节血管功能,抑制心室重构及促进血管再生、侧枝循环建立等方面具有重要作用。Sofia Mariotto等研究发现体外震波作用于人体脐静脉内皮细胞能增加内皮型NO合酶的活性进一步促进NO的合成。如果炎症反应早期NO下降过快,NO水平低于对NF-κB的抑制作用,将激活多种炎症反应,造成细胞和组织损伤。NF-κB为一个转录因子蛋白家族,炎症反应各阶段的许多分子都受NF-κB的调控,该研究从基因调控深度研究表明ESW具有抗炎效应可能是通过增强eNOS的活性,使NO保持在适当水平以对抗炎症因子激活NF-κB及其相关炎症基因的表达,从而控制炎症反应的发生,为组织的修复创造有利微环境。Cliampa等的体外实验也证实了ESW抗炎效应的这一机制。国内孙帅等在通过物实验也证明了ESWT能提高血清eNOS表达,而未治疗组血清eNOS含量呈下降趋势。

  Sheu JJ在超声震波和多能骨髓细胞联合对兔心梗模型治疗时发现,震波治疗明显增加eNOS 的mRNA表达,Cx43和细胞色素C(线粒体能量支持和储备的指标)的蛋白表达,同时,减少内皮素-1的和金属酶-9的mRNA表达和线粒体氧化应激,且未明显增加纤维化区域。同年,Fu M实验也发现非震波组较震波组,线粒体氧化应激的蛋白表达明显增加,而细胞色素C的表达无论在线粒体内,还是胞浆中,震波组和正常细胞的含量都是很接近;而非震波组则明显减低,表明ESWT可能在线粒体转运孔道及通透功能改善同时,减低氧化应激的损伤。同时Fu M的研究还发现ESWT能明显减少凋亡基因Bax和caspase3的mRNA表达,而明显增加Bcl-2等抗凋亡基因的表达(p<0.01),有理由认为ESWT可抑制细胞凋亡。

3 结论

  ESWT作为一种新的促进缺血心肌组织血管新生的治疗手段,其作用机制可能表现在:动员干细胞增殖、分化为血管内皮细胞,提高血管生长因子高表达,抑制缺血区局部炎症、氧化应激和凋亡,为血管新生创造一个有利的微环境网状系统,促进缺血心肌血管新生。ESWT有别于内科药物治疗、PCI及冠状动脉旁路移植术,甚至避免了干细胞移植的局限性,能促进侧枝血管建立,提高心肌射血分数,改善心肌功能,提高患者生活质量,可用于各种缺血性心脏病的治疗。另外,有研究对心梗后慢性心衰的患者使用ESWT联合冠脉内骨髓起源性单核细胞(BMCs)输注,结果能明显改善4个月后患者的左室射血分数,且主要不良心血管事件的发生率也降低,可以看出,ESWT同干细胞相结合运用于心血管疾病也将会是一个极具吸引力的领域。但仍存在一些问题,比如:①ESWT促进血管新生的详细机制有待进一步研究。②缺乏临床大规模随机对照试验等循证医学证据,使其临床推广运用受限。③ESWT治疗后的随访时间不够长,其长期的疗效和不良反应仍不清楚。④最佳的能量的击点数和疗程仍待研究。但相信随着研究的深入,将ESWT作用于心肌缺血组织并结合干细胞联合治疗,从而改善心肌缺血,促进心肌功能康复,有着广阔的运用前景。


    2017/11/3 12:42:03     访问数:1151
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