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人类心血管系统疾病干细胞模型的研究进展

信吉伟;王晓洪;王漠璇;董宝玲

【摘要】随着干细胞和人类遗传学研究的发展,患者特异细胞和组织模型已逐步进

入到应用阶段.本文概述了在心血管疾病遗传模型方面利用多能干细胞的途径,包括

ES细胞系的基因修饰,特异疾病iPS细胞的生成,先祖细胞的分离扩增等.以有效的

方式利用这些干细胞模型,将推动疾病机理和药物治疗研究.

【期刊名称】《北京生物医学工程》

【年(卷),期】2014(033)002

【总页数】3页(P197-199)

【关键词】心血管疾病;模型;胚胎干细胞;诱导性多能干细胞

【作者】信吉伟;王晓洪;王漠璇;董宝玲

【作者单位】抚顺市矿务局总医院辽宁抚顺113000;抚顺市矿务局总医院辽宁抚

顺113000;抚顺市矿务局总医院辽宁抚顺113000;抚顺市矿务局总医院辽宁抚顺

113000

【正文语种】中文

【中图分类】Q343;R318.11

0引言

心脏的发育是脊椎动物胚胎发育最早和最重要的步骤之一。先前的研究已在小鼠模

型里发现了许多支配细胞分化的关键基因和分子通路[1-2]。尽管这些研究进展揭

示了心脏结构和细胞分化的分子基础，但对于人类心脏的发生机制了解得并不透彻。

而心脏的发生机制是阐明先天心脏疾病以及许多类型的青少年、成年心脏疾病的基

础。至今，对心脏发生的分子和细胞基础的理解多是以小鼠心血管发育研究为依据

的。而相对于小鼠模型系统，人类心脏发育有极大的不同[3-4]。考虑到人类心脏

和小鼠在大小，复杂程度上的不同之处，阐明两者之间的差别是面临的重要问题之

一。

心脏是由不同种类的细胞组成的，包括心肌、平滑肌、传导系统、内皮、瓣膜、间

充质成纤维细胞等。但最近多个实验室的研究发现了一系列早期心脏祖细胞[5-7]，

它们是哺乳动物心脏发育的基础。在胚胎和多能干细胞模型系统中，鉴别和分离这

些祖细胞，使人们对哺乳动物心脏发生的一般性和人类心脏发生的特殊性有了重新

的认识。早期研究已经鉴别出了一个以转录因子Islet(ISL-1)为标记的人类心脏祖

细胞家族[8]，这些细胞及其他类型的细胞在研究与先天性、成年心脏疾病及心脏

疾病风险因子相关的人类遗传变异功能方面具有很高的价值。ISL-1在心脏发育的

最早期阶段起关键性作用，ISL-1突变或缺失，会选择性破坏第二生心区，产生异

常心脏结构，导致胚胎早期致死。ISL-1+前体细胞具有多向分化潜能，可利用移

植这些心脏特异的细胞，促进心肌再生，从而用于心血管组织的再生和损伤修复[9，

10]。

最近干细胞和心血管先祖生物学的研究进展，使建立人类心血管发育、生理、疾病

相关的模型具有了可行性，即可通过人类胚胎干细胞(embryonicstemcells，ES)

的基因修饰，生成特异疾病的诱导性多能干细胞(inducedpluripotentstemcells，

iPS)，分离和扩增人类心血管先祖细胞等多种途径建立人类心血管系统疾病干细胞

模型。

1人类ES细胞的基因修饰

人类ES细胞在心脏疾病体内外的基础研究以及临床试验中取得了很大进展，并已

应用于心脏疾病的治疗。基因打靶技术实现了在细胞中进行精准基因修饰，因此可

用来生成带有特殊个体患者的基因突变细胞和组织，这些都可作为人类疾病模型，

用于疾病机制研究，药物筛选等。例如研究发现Nkx2.5基因的突变与先天性心脏

病相关，突变改变了Nkx2.5的DNA结合活性，其是心脏发育过程中早期的特殊

的转录因子，阐明其机制有助于进一步了解心脏的形成过程[11]。基因修饰包括基

因敲除，向基因中敲入错义突变，或报告基因，或是利用染色体工程实现一小部分

染色体的删除。同源重组是传统上基因打靶供选择的方法，但人类ES细胞同源重

组取得成功的报道不多，且重组率一般在0.1%～0.2%之间[12-13]。最近的研究

表明，在基因组DNA中期望改变的位点引入双链断裂，能提高同源重组的效率，

效率高于20%[14]，这样能更有效地实现人类ES细胞基因修饰。ZFN技术[15]和

TALEN技术[16]ES成功地在ES细胞上实现打靶，并应用到人类细胞中染色体缺

失和易位研究中。这样获得了重组培养细胞系，这类细胞不分化且能保持人们感兴

趣的体细胞类型，如作为肝组织模型的肝癌细胞系。

2生成特异疾病的iPS细胞系

生成特异疾病的细胞和组织另一方法是利用iPS技术，即在人类体细胞中利用c-

Myc、KLF4、Oct